一種鋁合金板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形裝置及方法
【專利摘要】一種鋁合金板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形裝置及方法，屬于金屬板材零件塑性成形制造領(lǐng)域。以解決現(xiàn)有磁脈沖成形技術(shù)對鋁合金板材進行翻邊孔成形，線圈壽命低、被加工件易損傷及采用鋼模翻邊成形工序道次多、成形質(zhì)量不穩(wěn)定問題。線圈匝線灌封在線圈骨架內(nèi)，翻邊凹模固定在底板上，定位環(huán)的上、下兩段設(shè)置在柱狀集磁器及翻邊凹模內(nèi)，集磁器限位環(huán)設(shè)置在柱狀集磁器上端面，螺線管線圈套設(shè)在柱狀集磁器和集磁器限位環(huán)的外側(cè)壁上，柱狀集磁器的側(cè)壁開有縱縫；上壓板設(shè)置在集磁器限位環(huán)及線圈骨架上端面；鋁合金板材設(shè)置在翻邊凹模與線圈骨架之間，磁脈沖控制電路兩個輸出端與線圈匝線兩接線端相連。本發(fā)明用于鋁合金板材小直徑翻邊孔磁脈沖成形。
【專利說明】一種鋁合金板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形裝置及方法，屬于金屬板材零件塑性成形制造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]為了改善大氣環(huán)境，節(jié)能降耗是制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展必須要遵循的原則，而結(jié)構(gòu)和材料的輕量化的一種必然途徑。由于比強度高的特點，在先進汽車制造業(yè)中，高強度鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金板材應(yīng)用越來越多，而在航空航天制造業(yè)中，鋁合金更是大量的應(yīng)用在各種運載火箭及飛機上。航天航空器上常用的框架結(jié)構(gòu)，有許多位置需要對孔進行翻邊，一方面在減重的同時提高結(jié)構(gòu)剛度，另一方面為管路焊接做準備，用對接焊縫代替T型結(jié)構(gòu)，提高焊縫的強度、韌性和服役壽命。對于大直徑的、直邊高度小的鋁合金板材圓孔翻邊，根據(jù)一般的沖壓成形理論，加工難度不高，經(jīng)過幾道次的鋼模成形，再輔以相鄰道次之間的退火熱處理，就可達到成形目的。而對于小直徑的圓孔翻邊，尤其較厚板材的圓孔翻邊，由于變形區(qū)剛度高、變形程度大，極易在翻邊孔邊緣處發(fā)生破裂，且鋼模翻邊成形工序道次多、成形質(zhì)量不穩(wěn)定、成形極限低，難以獲得滿足技術(shù)要求的翻邊孔零件。
[0003]磁脈沖成形具有加載速率高、模具簡單、成形精度高等技術(shù)優(yōu)點，在鋁合金板材、管材成形方面有顯著的技術(shù)優(yōu)勢?；诔Ｒ?guī)的平板螺旋線圈，磁脈沖成形已經(jīng)被用于鋁合金板材100?150mm直徑圓孔的翻邊成形，只需一次放電成形，無需多道次熱處理工序，因此，加工效率大大提高。但是，受螺旋形平板線圈結(jié)構(gòu)限制，在進行小直徑翻邊孔成形時，線圈結(jié)構(gòu)極易破壞，因此，在非生產(chǎn)條件下，常用一次性線圈進行小孔翻邊成形。然而，由于高強沖擊力破壞了線圈結(jié)構(gòu)，匝線拉斷，常伴隨翻邊孔零件表面的燒蝕和劃傷。這種現(xiàn)象是不能被高標準要求的新型汽車和航空航天制造所能接受的。因此，常規(guī)的基于螺旋線結(jié)構(gòu)的平板線圈和一次性線圈的磁脈沖成形方法不能滿足鋁合金小直徑翻邊孔成形的需求，尤其是鋁合金厚板的情況下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種鋁合金板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形裝置及方法，以解決現(xiàn)有磁脈沖成形技術(shù)對鋁合金板材進行翻邊孔成形，存在線圈壽命低、被加工件易損傷以及采用鋼模翻邊成形工序道次多、成形質(zhì)量不穩(wěn)定、成形極限低，難以獲得滿足技術(shù)要求的翻邊孔零件的問題。本發(fā)明基于柱狀集磁器和螺線管線圈實現(xiàn)鋁合金板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形。
[0005]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采取的技術(shù)方案是:
[0006]一種鋁合金板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形裝置，它包括磁脈沖控制電路、上壓板、集磁器限位環(huán)、柱狀集磁器、定位環(huán)、翻邊凹模、底板及螺線管線圈；所述螺線管線圈包括線圈骨架及線圈匝線，線圈匝線纏繞成螺旋圓柱狀灌封在線圈骨架內(nèi)，翻邊凹模固定在底板上端面，定位環(huán)的外側(cè)壁設(shè)有環(huán)形平臺，環(huán)形平臺將定位環(huán)分成上下兩段，定位環(huán)的下段設(shè)置在翻邊凹模內(nèi)，定位環(huán)的上段設(shè)置在柱狀集磁器內(nèi)，集磁器限位環(huán)設(shè)置在柱狀集磁器上端面，螺線管線圈套設(shè)在柱狀集磁器和集磁器限位環(huán)的外側(cè)壁上，集磁器限位環(huán)、柱狀集磁器、螺線管線圈、定位環(huán)及翻邊凹模同軸設(shè)置，柱狀集磁器的側(cè)壁沿其軸向開有與內(nèi)腔相通的縱縫；上壓板設(shè)置在集磁器限位環(huán)及線圈骨架上端面；磁脈沖成形前，將所述鋁合金板材設(shè)置在翻邊凹模與線圈骨架之間，鋁合金板材中部設(shè)有與翻邊凹模同軸的預制孔，環(huán)形平臺設(shè)置在鋁合金板材的預制孔內(nèi)，與鋁合金板材對應(yīng)的柱狀集磁器下端面稱為柱狀集磁器的工作區(qū)；磁脈沖控制電路的一個輸出端穿過線圈骨架與線圈匝線的一接線端相連，線圈匝線的另一接線端從線圈骨架內(nèi)伸出，并與磁脈沖控制電路的另一個輸出端相連。
[0007]—種利用磁脈沖成形裝置實現(xiàn)鋁合金板材小直徑翻邊孔的的方法，所述方法包括以下步驟:
[0008]步驟一:根據(jù)磁脈沖成形工藝原理，對電容器組充電，當電容器組被充電到3?20kV時，則斷開由高壓變壓器、整流器、限流電阻器及電容器組組成的充電電路；
[0009]步驟二:高壓開關(guān)閉合，儲存在電容器組中的電能通過引線對線圈匝線放電，由于線圈匝線的電流具有瞬時衰減震蕩的特性，根據(jù)電磁感應(yīng)定律和集膚效應(yīng)，在柱狀集磁器外壁表層產(chǎn)生20?200kA感應(yīng)電流，感應(yīng)電流沿柱狀集磁器外壁表層和側(cè)壁上的縱縫流入到柱狀集磁器的工作區(qū)表面，此感應(yīng)電流對應(yīng)的變化磁場在置于柱狀集磁器工作區(qū)下面的鋁合金板材的上表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，此感應(yīng)電流和被約束在柱狀集磁器與鋁合金板材間隙內(nèi)的增強磁場相互作用，產(chǎn)生沿軸向向下的、作用于鋁合金板材待成形區(qū)的脈沖磁場力，在此脈沖磁場力作用下，待成形區(qū)向下以30?100m/S的高速率運動和變形，直到與翻邊凹模沖擊接觸，從而得到成形后的鋁合金翻邊孔零件。
[0010]本發(fā)明包含以下有益效果:本發(fā)明提出了一種鋁合金板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形裝置及方法，螺線管線圈結(jié)構(gòu)相對于平板螺旋線圈結(jié)構(gòu)，螺線管線圈為軸對稱結(jié)構(gòu)，自身結(jié)構(gòu)強度高、磁場能向機械能轉(zhuǎn)化效率高(螺線管線圈對應(yīng)磁場能向機械能轉(zhuǎn)化效率介于10?20%之間，而平板線圈一般介于3?10%之間)，通過柱狀集磁器，把螺線管線圈內(nèi)表面和柱狀集磁器外表面間隙內(nèi)的軸向磁場和徑向磁場力轉(zhuǎn)化為集磁器工作區(qū)和鋁合金板材待變形區(qū)間隙內(nèi)的徑向磁場和軸向磁場力。在這個軸向磁場力作用下，實現(xiàn)鋁合金板材小直徑翻邊孔的高效率成形。從而解決已有鋼模翻邊成形工序道次多、成形質(zhì)量不穩(wěn)定、成形極限低等問題，同時解決基于平板線圈的磁脈沖成形存在的線圈壽命低、被加工件被損傷等技術(shù)問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的鋁合金板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形裝置的主視圖，圖中箭頭所指方向為受力方向，P為施加的壓力；圖2是成形后的鋁合金翻邊孔零件12主剖視圖；圖3是利用圖1中的成形裝置成形鋁合金板材小直徑翻邊孔的主剖視圖。
[0012]圖中的部件名稱及標號如下:
[0013]磁脈沖控制電路1、上壓板3、集磁器限位環(huán)4、線圈骨架5、線圈匝線6、柱狀集磁器
7、縱縫7-1、定位環(huán)8、環(huán)形平臺8-1、鋁合金板材9、翻邊凹模10、底板11、鋁合金翻邊孔零件12、高壓變壓器1-1、整流器1-2、限流電阻器1-3、高壓開關(guān)1-4、電容器組1_5、交流電源1_6、次級線圈1-1-1、初級線圈1-1-2?！揪唧w實施方式】
[0014]【具體實施方式】一:如圖1?圖3所示，本實施方式的一種鋁合金板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形裝置，它包括磁脈沖控制電路1、上壓板3、集磁器限位環(huán)4、柱狀集磁器7、定位環(huán)8、翻邊凹模10、底板11及螺線管線圈；所述螺線管線圈包括線圈骨架5及線圈匝線6，線圈匝線6纏繞成螺旋圓柱狀灌封在線圈骨架5內(nèi)，翻邊凹模10固定在底板11上端面，定位環(huán)8的外側(cè)壁設(shè)有環(huán)形平臺8-1，環(huán)形平臺8-1將定位環(huán)8分成上下兩段，定位環(huán)8的下段設(shè)置在翻邊凹模10內(nèi)，定位環(huán)8的上段設(shè)置在柱狀集磁器7內(nèi)，集磁器限位環(huán)4設(shè)置在柱狀集磁器7上端面，螺線管線圈套設(shè)在柱狀集磁器7和集磁器限位環(huán)4的外側(cè)壁上，集磁器限位環(huán)4、柱狀集磁器7、螺線管線圈、定位環(huán)8及翻邊凹模10同軸設(shè)置，柱狀集磁器7的側(cè)壁沿其軸向開有與內(nèi)腔相通的縱縫7-1 ;上壓板3設(shè)置在集磁器限位環(huán)4及線圈骨架5上端面；磁脈沖成形前，將所述鋁合金板材9設(shè)置在翻邊凹模10與線圈骨架5之間，鋁合金板材9中部設(shè)有與翻邊凹模10同軸的預制孔，環(huán)形平臺8-1設(shè)置在鋁合金板材9的預制孔內(nèi)，與鋁合金板材9對應(yīng)的柱狀集磁器7下端面稱為柱狀集磁器7的工作區(qū)；磁脈沖控制電路I的一個輸出端穿過線圈骨架5與線圈匝線6的一接線端相連，線圈匝線6的另一接線端從線圈骨架5內(nèi)伸出，并與磁脈沖控制電路I的另一個輸出端相連。預制孔直徑為20-90mmo
[0015]上壓板3的上端面和底板11的下端面被施以足夠的壓力，確保除鋁合金板材9夕卜，其他成形組成元素在鋁合金板材9的預制孔成形過程保持在原來位置且不變形。
[0016]【具體實施方式】二:結(jié)合圖1說明，本實施方式所述磁脈沖控制電路I包括高壓變壓器1-1、整流器1-2、限流電阻器1-3、高壓開關(guān)1-4、電容器組1-5及交流電源1_6 ;所述高壓變壓器1-1的次級線圈1-1-1的一端與整流器1-2的陽極相連，整流器1-2的陰極與限流電阻器1-3的一端相連，限流電阻器1-3的另一端與電容器組1-5的正極和高壓開關(guān)1-4的正極相連，高壓開關(guān)1-4的負極作為磁脈沖控制電路I的所述一個輸出端，高壓變壓器1-1的次級線圈1-1-1的另一端與電源地、電容器組1-5的負極相連并作為磁脈沖控制電路I的所述另一個輸出端，高壓變壓器1-1的初級線圈1-1-2的兩端與交流電源1-6的兩端相連。電容器組1-5為高壓脈沖電容器。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與【具體實施方式】一相同。
[0017]【具體實施方式】三:結(jié)合圖1說明，本實施方式所述縱縫7-1的縫寬為0.3-lmm。此窄縫用于隔斷感應(yīng)電流直接在集磁器外壁表層形成回路，實現(xiàn)線圈內(nèi)表面和集磁器外壁間隙內(nèi)磁場能向集磁器工作區(qū)和鋁合金板材間隙內(nèi)傳遞。間隙太小，不易實施間隙絕緣處理，反之，則間隙內(nèi)磁場能損耗增加，降低磁場力幅值，從而不利于翻邊成形效果。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與【具體實施方式】二相同。
[0018]【具體實施方式】四:結(jié)合圖1說明，本實施方式所述柱狀集磁器7的材質(zhì)為銅合金。具有高導電率、高強度特性。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與【具體實施方式】三相同。
[0019]【具體實施方式】五:結(jié)合圖1?圖3說明，本實施方式利用磁脈沖成形裝置實現(xiàn)鋁合金板材小直徑翻邊孔的的方法，所述方法包括以下步驟:
[0020]步驟一:根據(jù)磁脈沖成形工藝原理，對電容器組1-5充電，當電容器組1-5被充電到3?20kV (為預設(shè)電壓值)時，則斷開由高壓變壓器1-1、整流器1-2、限流電阻器1-3及電容器組1-5組成的充電電路；
[0021]步驟二:高壓開關(guān)1-4閉合，儲存在電容器組1-5中的電能通過引線對線圈匝線6放電(由電容器組1-5及螺線管線圈組成的放電回路是典型的RLC回路)，由于線圈匝線6的電流具有瞬時衰減震蕩的特性，根據(jù)電磁感應(yīng)定律和集膚效應(yīng)，在柱狀集磁器7外壁表層產(chǎn)生20?200kA感應(yīng)電流，感應(yīng)電流沿柱狀集磁器7外壁表層和側(cè)壁上的縱縫7-1流入到柱狀集磁器7的工作區(qū)表面，此感應(yīng)電流對應(yīng)的變化磁場在置于柱狀集磁器7工作區(qū)下面的鋁合金板材9的上表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，此感應(yīng)電流和被約束在柱狀集磁器7與鋁合金板材9間隙內(nèi)的增強磁場相互作用，產(chǎn)生沿軸向向下的、作用于鋁合金板材9待成形區(qū)(待成形區(qū)是指與柱狀集磁器7的工作區(qū)相對、從預制孔邊緣沿徑向向外在寬度為1.0H?1.5H范圍內(nèi)的環(huán)形區(qū)域，其中H為成形后的鋁合金翻邊孔零件的高度)的脈沖磁場力，在此脈沖磁場力作用下，待成形區(qū)向下以30?100m/S的高速率運動和變形，直到與翻邊凹模10沖擊接觸，從而得到成形后的鋁合金翻邊孔零件12。所成形的鋁合金翻邊孔零件12的形狀精度(圓度)能達到0.2mm,尺寸精度能達到0.2mm以下,所成形的招合金翻邊孔零件12貼模性好，直邊高度滿足相關(guān)技術(shù)要求。本實施方式中未公開的技術(shù)特征與【具體實施方式】二、三或四相同。
[0022]應(yīng)用實例1:
[0023]招合金板材牌號5A06、板厚4mm,翻邊孔直徑為60mm,招合金翻邊孔零件12高度H=13.2mm，翻邊凹模10圓角半徑r=8mm (見圖2)。根據(jù)沖壓工藝特點計算得到預制孔直徑為50mm。纏繞成螺旋圓柱狀線圈的內(nèi)環(huán)直徑為92mm,線圈阻線6截面尺寸3X5mm2,16 EL線圈匝線6有效長度100mm，線圈骨架5高度160mm。柱狀集磁器7高度130mm、外偵彳壁直徑90mm、內(nèi)側(cè)壁直徑65mm,工作區(qū)內(nèi)徑40mm,縱縫寬0.4mm。設(shè)備條件:額定電壓和放電能量分別為20kV和20kJ。在放電電壓15kV條件下，翻邊孔成形，尺寸精度達到0.15mm。
[0024]應(yīng)用實例2:
[0025]鋁合金板材牌號5A02、板厚2mm，翻邊孔直徑為40mm，鋁合金翻邊孔零件12高度H=Ilmm (見圖2)。根據(jù)沖壓工藝特點計算得到預制孔直徑為29mm。翻邊凹模10圓角半徑r=6mm。纏繞成螺旋圓柱狀線圈的內(nèi)環(huán)直徑為92mm,線圈阻線6截面尺寸3X5mm2,16 EL線圈匝線6有效長度100mm，線圈骨架5高度160mm。柱狀集磁器7高度130mm，外側(cè)壁直徑90mm,內(nèi)側(cè)壁65mm,工作區(qū)內(nèi)徑20mm,縱縫寬0.4mm。設(shè)備條件:額定電壓和放電能量分別為20kV和20kJ。在放電電壓IOkV條件下，翻邊孔成形，尺寸精度達到0.18mm。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁合金板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形裝置，其特征在于:它包括磁脈沖控制電路(I)、上壓板(3)、集磁器限位環(huán)(4)、柱狀集磁器(7)、定位環(huán)(8)、翻邊凹模(10)、底板(11)及螺線管線圈；所述螺線管線圈包括線圈骨架(5)及線圈匝線(6)，線圈匝線(6)纏繞成螺旋圓柱狀灌封在線圈骨架(5)內(nèi)，翻邊凹模(10)固定在底板(11)上端面，定位環(huán)(8)的外側(cè)壁設(shè)有環(huán)形平臺(8-1)，環(huán)形平臺(8-1)將定位環(huán)(8)分成上下兩段，定位環(huán)(8)的下段設(shè)置在翻邊凹模(10 )內(nèi)，定位環(huán)(8 )的上段設(shè)置在柱狀集磁器(7 )內(nèi)，集磁器限位環(huán)(4)設(shè)置在柱狀集磁器(7 )上端面，螺線管線圈套設(shè)在柱狀集磁器(7 )和集磁器限位環(huán)(4 )的外側(cè)壁上，集磁器限位環(huán)(4)、柱狀集磁器(7)、螺線管線圈、定位環(huán)(8)及翻邊凹模(10)同軸設(shè)置，柱狀集磁器(7)的側(cè)壁沿其軸向開有與內(nèi)腔相通的縱縫(7-1);上壓板(3)設(shè)置在集磁器限位環(huán)(4)及線圈骨架(5)上端面；磁脈沖成形前，將所述鋁合金板材(9)設(shè)置在翻邊凹模(10)與線圈骨架(5)之間，鋁合金板材(9)中部設(shè)有與翻邊凹模(10)同軸的預制孔，環(huán)形平臺(8-1)設(shè)置在鋁合金板材(9)的預制孔內(nèi)，與鋁合金板材(9)對應(yīng)的柱狀集磁器(7)下端面稱為柱狀集磁器(7)的工作區(qū)；磁脈沖控制電路(1)的一個輸出端穿過線圈骨架(5)與線圈匝線(6)的一接線端相連，線圈匝線(6)的另一接線端從線圈骨架(5)內(nèi)伸出，并與磁脈沖控制電路(1)的另一個輸出端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種鋁合金板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形裝置，其特征在于:所述磁脈沖控制電路(I)包括高壓變壓器(1-1)、整流器(1-2)、限流電阻器(1-3)、高壓開關(guān)(1-4)、電容器組(1-5)及交流電源(1-6);所述高壓變壓器(1-1)的次級線圈(1-1-1)的一端與整流器(1-2)的陽極相連，整流器(1-2)的陰極與限流電阻器(1-3)的一端相連，限流電阻器(1-3)的另一端與電容器組(1-5)的正極和高壓開關(guān)(1-4)的正極相連，高壓開關(guān)(1-4)的負極作為磁脈沖控制電路(I)的所述一個輸出端，高壓變壓器(1-1)的次級線圈(1-1-1)的另一端與電源地、電容器組(1-5)的負極相連并作為磁脈沖控制電路(I)的所述另一個輸出端，高壓變壓器(1-1)的初級線圈(1-1-2)的兩端與交流電源(1-6)的兩端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種鋁合金板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形裝置，其特征在于:所述縱縫(7-1)的縫寬為0.3-lmm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種鋁合金板材小直徑翻邊孔的磁脈沖成形裝置，其特征在于:所述柱狀集磁器(7)的材質(zhì)為銅合金。具有高導電率、高強度特性。
5.一種利用權(quán)利要求2、3或4所述磁脈沖成形裝置實現(xiàn)鋁合金板材小直徑翻邊孔的的方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: 步驟一:根據(jù)磁脈沖成形工藝原理，對電容器組(1-5)充電，當電容器組(1-5)被充電到3~20kV時，則斷開由高壓變壓器(1-1)、整流器(1-2)、限流電阻器(1-3)及電容器組(1-5)組成的充電電路； 步驟二:高壓開關(guān)(1-4)閉合，儲存在電容器組(1-5)中的電能通過引線對線圈匝線(6)放電，由于線圈匝線(6)的電流具有瞬時衰減震蕩的特性，根據(jù)電磁感應(yīng)定律和集膚效應(yīng)，在柱狀集磁器(7 )外壁表層產(chǎn)生20~200kA感應(yīng)電流，感應(yīng)電流沿柱狀集磁器(7 )外壁表層和側(cè)壁上的縱縫(7-1)流入到柱狀集磁器(7)的工作區(qū)表面，此感應(yīng)電流對應(yīng)的變化磁場在置于柱狀集磁器(7)工作區(qū)下面的鋁合金板材(9)的上表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，此感應(yīng)電流和被約束在柱狀集磁器(7)與鋁合金板材(9)間隙內(nèi)的增強磁場相互作用，產(chǎn)生沿軸向向下的、作用于鋁合金板材(9)待成形區(qū)的脈沖磁場力，在此脈沖磁場力作用下，待成形區(qū)向下以30~100m/S的高速率運動和變形，直到與翻邊凹模(10)沖擊接觸，從而得到成形后的鋁合 金翻邊孔零件(12)。
【文檔編號】B21D26/14GK103861930SQ201410127443
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】于海平, 陳杰, 范志松, 李春峰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學