固體顆粒介質(zhì)成形新工藝演示稿

固體顆粒介質(zhì)成形新工藝演示稿第1頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一固體顆粒傳壓介質(zhì)的金屬管、板料精密成形新工藝是采用固體顆粒介質(zhì)代替剛性凸模(或彈性體、液體)的作用對金屬管、板料進(jìn)行成形的工藝。固體顆粒傳壓介質(zhì)為成本低、承壓能力強(qiáng)、熱傳導(dǎo)系數(shù)與熱收縮系數(shù)小、高溫下不分解、不變形、流動(dòng)性能好的粒徑在0.05－1.5mm之間的微小顆粒（簡稱GM顆粒）。第2頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一受資助情況2002年獲得河北省自然科學(xué)基金的資助金屬管材固體粉末(顆粒)介質(zhì)脹形新工藝及其理論研究(502117，5萬)

已通過鑒定，鑒定結(jié)論：國際先進(jìn)2004年獲得國家自然科學(xué)基金的資助固體顆粒傳壓介質(zhì)的板料精密成形新工藝及其理論研究(50375137，25萬元)

2007年獲得中國博士后科學(xué)基金的資助鎂合金熱拉深新工藝及其理論研究(3萬元)

2008年獲得國家自然科學(xué)基金的資助鎂合金軟模熱拉深成形新工藝及其理論研究(50775197，30萬元)中華人民共和國發(fā)明專利，金屬板料半模成形工藝專利號(hào)：ZL200510007167.1第3頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一工藝原理圖圖1管料成形原理圖圖2板料成形原理圖第4頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一成形壓力不均勻分布

通過材料性能試驗(yàn)測得，成形壓力經(jīng)固體顆粒介質(zhì)傳遞作用于管壁與底面的壓力均呈不均勻分布，這就有利于在成形中控制坯料表面的壓力，可以根據(jù)工件要求通過調(diào)節(jié)壓頭形狀和位置來控制不同部位的變形順序與變形量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對料厚的控制；也可以采用復(fù)合壓頭，來調(diào)節(jié)壓力集中點(diǎn)，避開薄弱環(huán)節(jié)，使材料在最有利的受力條件下成形，提高管、板料成形極限和成形性能，可以實(shí)現(xiàn)局部成形，適合于低塑性、難加工材料的成形。第5頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一

固體顆粒介質(zhì)成形新工藝與傳統(tǒng)的軟模成形重要區(qū)別不僅由于傳壓介質(zhì)的不同，而且由于傳壓介質(zhì)的改變，導(dǎo)致了其成形規(guī)律的不同。與傳統(tǒng)的沖壓工藝相比，固體顆粒介質(zhì)板料半模成形新工藝的成形同時(shí)具有拉深與脹形存在。這與傳統(tǒng)的沖壓工藝的成形機(jī)理存在很大不同。工藝特點(diǎn)（1）第6頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一該工藝與其它軟模成形工藝相比，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：(1)提高板料的成形性能。固體顆粒介質(zhì)具有非均勻分布的傳壓特性，可以通過調(diào)節(jié)壓力分布有效的控制成形中材料的流動(dòng)，使材料在最有利的受力條件下變形，提高板料成形極限和成形性能。對于傳統(tǒng)拉深工藝需多次成形的深拉深件，可一次整體成形，節(jié)省多套模具和設(shè)備投資，提高生產(chǎn)效率，適合于深拉深件及低塑性、難加工材料的板材成形，如高強(qiáng)度合金、鈦合金的板材（管材）成形。工藝特點(diǎn)（2）第7頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一(2)模具結(jié)構(gòu)簡單、周期短、成本低、通用性強(qiáng)。模具結(jié)構(gòu)比液壓成形及以粘性介質(zhì)成形結(jié)構(gòu)簡單；模具成本低于充液成形和粘性介質(zhì)成形工藝。(3)降低材料消耗。固體顆粒介質(zhì)在成形過程中可以一直完全與板料接觸，消除了常規(guī)成形中存在的懸空段和危險(xiǎn)區(qū)域，抑制了板料局部的過分減薄，而且固體顆粒與板料之間的摩擦力改善了板料成形的應(yīng)力狀態(tài)，大大提高了板料的成形性，降低了廢品率。工藝特點(diǎn)（3）第8頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一(4)零件尺寸精度高。該工藝是在固體顆粒介質(zhì)產(chǎn)生的高壓作用下使零件成形，因而增加了壓應(yīng)力成份，減少了回彈量。此外，由于固體顆粒在高壓下有很好的流動(dòng)性，能很好地填充小角度和復(fù)雜型面，零件貼模性很好，尺寸精度高。(5)零件表面質(zhì)量好。固體顆粒介質(zhì)成形過程中，無凸模與板料接觸，零件表面無劃痕，非常光潔，零件表面的粗糙度比原始坯料更低。工藝特點(diǎn)（4）第9頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一(6)熱穩(wěn)定性好。固體顆粒介質(zhì)熔點(diǎn)高、熔點(diǎn)大于1500℃，熱傳導(dǎo)系數(shù)與熱收縮系數(shù)小，能在高溫下作業(yè)而不分解、不變形，熱穩(wěn)定性超過1200℃，因而對于難加工材料的熱成形十分有利，如高強(qiáng)度合金、鈦合金、鎂合金的板材（管材）成形。(7)易于密封。固體顆粒傳壓介質(zhì)較其它介質(zhì)易于密封，克服了液壓脹形中液體密封困難的問題。工藝特點(diǎn)（5）第10頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一(8)承壓能力強(qiáng)。固體顆粒能承受很高內(nèi)壓(一般可達(dá)到200MPa以上)，可反復(fù)使用。(9)綠色環(huán)保。該工藝克服了液壓脹形中油液污染場地的問題。固體顆粒介質(zhì)無腐蝕作用，對人體無害、對環(huán)境無污染、對試件無腐蝕作用，成形后的零件也不需專門的清潔處理工序且可重復(fù)使用，是一種綠色環(huán)保的新工藝。工藝特點(diǎn)（6）第11頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

課題組采用固體顆粒介質(zhì)成形新工藝成功試制出多種合格典型工件，通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明該工藝比其它軟模成形工藝具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，且有廣泛的應(yīng)用前景。本工藝為高強(qiáng)度、低塑性、難變形材料、復(fù)雜型面以及高尺寸精度和高表面質(zhì)量沖壓件的成形提供了新的路徑，可廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、化工和機(jī)械等領(lǐng)域。第12頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一管材典型成形

一般來說管材脹形加工適用于制造沿構(gòu)件軸線變化的圓形、矩形截面或異型截面管件、空心構(gòu)件。管材變形主要以整體徑向擴(kuò)張或局部徑向擴(kuò)張為主。根據(jù)管材脹形的這一特點(diǎn)，選擇了以下幾種典型零件為主要成形工件。第13頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一管材典型成形工件(1)圖4均勻脹形工件照片圖5階梯軸成形工件照片(1)0Cr18Ni9管坯沿軸線均勻脹形工件

變形特點(diǎn)：體現(xiàn)了脹形的最普遍形式。脹形系數(shù)k＝1.44，大于不銹鋼的極限脹形系數(shù)1.34。工件如圖4所示。(2)0Cr18Ni9管坯的階梯軸工件

變形特點(diǎn)：沿軸線方向呈現(xiàn)不同的脹形系數(shù)。脹形系數(shù)分別為k＝1.44、k＝1.33。工件如圖5所示。第14頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一管材典型成形工件(2)圖6波紋形工件照片圖7方形截面工件照片(3)0Cr18Ni9管坯波紋形工件變形特點(diǎn):沿軸線方向局部脹形為圓弧形。脹形系數(shù)為k＝1.33。工件如圖6所示。(4)0Cr18Ni9管坯的方形截面工件變形特點(diǎn):脹形后為方形截面。工件如圖7所示。第15頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一管材典型成形工件(3)圖8橢圓形截面工件照片圖9球形工件照片(5)0Cr18Ni9管坯橢圓形截面工件變形特點(diǎn):截面脹形為扁圓形，為非對稱截面，較難變形。脹形系數(shù)為k＝1.44。工件如圖8所示。

(6)LF21球形工件工件特點(diǎn):管坯為圓錐形，工件為兩端開口不同的球體，如圖9所示。第16頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一板材典型成形

金屬板料沖壓成形技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、造船、航空、航天、輕工、儀表、電子等各行各業(yè)，在整個(gè)塑性加工成形領(lǐng)域占有相當(dāng)大的比重和十分重要的地位。在沖壓成形技術(shù)中，拉深工藝又是軸對稱殼體零件制造中常用的主要的成形方法之一。板料的拉深成形是板料沖壓加工中重要的成形工序。板料拉深成形利用模具使平面毛坯成形為開口的空心零件。利用拉深方法可以制造各種各樣的零件，如筒形、階梯形、圓錐形、球形、盒形、不規(guī)則形狀以及復(fù)雜形狀的薄壁零件。曲面類零件的加工在板料沖壓成形領(lǐng)域里又占有相當(dāng)大的比重。第17頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一板材典型成形工件(1)圖10拋物線形一次成形零件照片圖11錐形一次成形零件照片(1)ST12拋物線形成形件如圖11所示，拋物線形零件又是曲面類零件中較為典型的零件。相對高度h/d=0.755，屬于深拋物線形件。(2)ST12圓錐形成形件如圖10所示，圓錐形零件是曲面類零件中較為簡單的基礎(chǔ)零件。相對高度h/d=0.882，屬于深錐形件。

以上兩種典型零件，用普通拉深工藝一般需要3～4個(gè)甚至7～8個(gè)工步，應(yīng)用本工藝加工可一步成形，成形時(shí)間10s。第18頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一板材典型成形工件(2)圖12筒形一次成形零件照片圖13盒形一次成形零件照片(3)ST12圓筒形成形件如圖12所示，零件高度90mm，直徑135mm，法蘭邊寬為10mm

。(4)ST12方盒形成形件如圖13所示，零件高度100mm，方盒寬度為110*110mm。

圓筒形和方盒形零件是板料直壁類拉深成形中的典型工件，所選成形零件采用普通拉深工藝加工一般需要2-3個(gè)工步，應(yīng)用本工藝加工可一步成形。第19頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)束語

固體顆粒傳壓介質(zhì)的金屬管、板料精密成形新工藝是提高拉深件尺寸精度行之有效的一種工藝方法。由于固體顆粒介質(zhì)具有液體的某些特點(diǎn)，如在高壓下具有良好的流動(dòng)性及體積近似不可壓縮性，使得本工藝避免了液壓成形中密封困難、油液污染場地等問題，克服了傳統(tǒng)軟模成形工藝的不足，而又吸取了各自優(yōu)點(diǎn)。第20頁，共22頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)束語

該工藝除可提高精度外，還可以減少模具的磨損、節(jié)省能源、提高板料的一次變形程度，可以成形形狀復(fù)雜的零件等，為材料的加工制備提供了新的方法和手段，為高強(qiáng)度、低塑性、難變形材料、復(fù)雜型面以及高尺寸精度和高表面質(zhì)量的管、板料沖壓件的精密成形提供了先進(jìn)制造技術(shù)，是一種具有很強(qiáng)實(shí)用性、