CN103861933B - 一种波纹管成形装置及用该装置加工的波纹管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁成形的吸能波纹管成形装置，其特征在于：整流器（1）、电阻（2）、开关（3）、电容器（4）、升压变压器（5）、上固定板（6）、固定螺栓（7）、压块（8）、模架（9）、约束模（11）、线圈（12）、下固定板（13）、T形台（14）、梯形孔（15）、排气孔（16）、固定槽（17）、导线孔（18）；此外，本发明所述的基于电磁成形原理的薄壁吸能波纹管成形方法，加工工序少，加工效率高，成形精度高，其管件成形速度极快，可以使金属薄壁管在高应变率下成形，大大提高金属材料的可塑性，大幅度提高材料的屈服强度。通过改变模具中约束模形状，可形成不同的波形，其加工柔性大。
Description
技术领域
本发明涉及一种波纹管加工技术,尤其涉及一种基于电磁成形原理加工金属吸能波纹管的装置和基于该加工装置得到的波纹管。
背景技术
金属薄壁构件作为缓冲吸能元件，广泛应用于汽车、轮船和飞机等几乎所有交通工具的碰撞动能耗散系统中。金属薄壁构件主要是靠自身的塑性变形来吸收车辆碰撞中的冲击动能，在受到撞击载荷的作用时，其破坏模式稳定，以本身的塑性变形来吸收和消耗能量，并产生一定的压溃行程，从而达到吸收车辆的动能，减少车内乘员损伤，降低车辆减速度的目的。
薄壁圆管是一类结构形式简单,能量吸收效率高,广泛应用于能量吸收结构,相关的研究工作也开展得最早,也比较深入。圆管根据材料及几何尺寸的不同,变形模式有以下几类:轴对称变形模式(也称为圆环变形模式或者手风琴变形模式)、非轴对称变形模式(也称为钻石变形模式或者Yoshimura模式)、混合变形模式及欧拉变形模式。当受到轴向压缩载荷作用时,在壁厚与管径之比较小时圆管发生非轴对称的钻石变形模式，而壁厚与管径之比较大时圆管发生轴对称变形模式或者混合变形模式；细长圆管则产生整体欧拉失稳变形模式。而金属波纹管由于有波峰和波谷的存在，波谷产生凹陷，可以诱发渐进折叠，以此可以精准控制金属薄壁管压溃时的折叠模式，折叠区越多，缓冲效果越好，吸能效果越好，波纹管的吸能效果比非波纹管要好。
电磁成形是利用金属在强脉冲磁场中受电磁力作用而发生塑性变形的一种高能、高速率成形技术。电磁成形具有提高材料的塑性变形的能力，且磁脉冲成形是利用磁场力，而不是利用机械力实现对金属的加工，因此成形过程中不需要传力介质、成形过程稳定、生产效率高、能量易于控制。一般电磁成形要求工件的电阻率低于0.15μΩ·m，非常适合铝、铜及其合金等导电性高的材料的加工。电磁成形的重要特征就是能量释放时间短，惯性力在成形过程中起主要作用，工件变形时的运动速度可达50m/s-300m/s，从变形时间短和速度高这一点上来说类似于爆炸成形，故它也表现出了爆炸成形那样的超塑性，因此与常规成形方法相比、电磁成形可大幅度提高材料的塑性变形能力。电磁成形中，由于电磁胀形放电时间短暂(微秒级)，管件在毫秒级即可完成变形，应变速率可达到103s-1，金属薄壁管在高应变速率下成形，屈服强度可明显提高，因此利用电磁成形技术可显著提高胀形后金属管件的能量吸收效率。
现有技术的波纹管的加工制造通常采用液压成形、辊轧成形、机械胀形、焊接成形等，其成形效率低，工序复杂。如专利申请201210595118.X中金属波纹管的制造方法，先对管件进行加热，然后在管件内充入液体，进行膨胀，其加工过程所需条件要求高，工况复杂。如中国专利申请200710302010.0中金属波纹管的制造方法，先在管件内侧进行施压，使其隆起并形成蛇腹形凸起，再利用滚压加工形成波形管，其加工过程复杂，不能一次成形。因此，需要一种波纹管成形方法来解决上述的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电磁成形原理的薄壁吸能波纹管成形技术，提供一种利用电磁成形原理加工金属吸能波纹管的装置以及利用该成形方法所得到的金属薄壁吸能波纹管，为金属薄壁构件吸能装置的设计提供新的方法。在本发明所提供的成形模具中，通过电磁成形技术对金属薄壁管进行径向膨胀，膨胀时薄壁管可以按照预定的约束模形状进行贴模，使膨胀后金属薄壁管的膨胀部分具有一定波纹状规则形状，膨胀后的金属薄壁管在受轴向或径向载荷时屈服强度和吸能效果明显提高。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是提供了一种电磁成形的吸能波纹管成形装置，整流器、电阻、开关、电容器、升压变压器、上固定板、固定螺栓、压块、模架、约束模、线圈、下固定板、T形台、梯形孔、排气孔、固定槽、导线孔，其中：
上固定板设置固定槽，用于连接模架，并对模架进行固定，上固定板中间设置一导线孔，用于引出线圈的电线，且法兰边缘处有均匀分布的四个通孔，用于固定螺栓的连接；
下固定板边缘处均布四个通孔，用于螺栓的连接固定；
压块中心设置与上固定板相同直径的导线孔，用于线圈电线的导入和导出；
金属薄壁管约束模组件是由垂直轴线方向截面为半圆形的约束模拼合而成，且每个约束模的凹形槽中具有均匀分布的三个排气孔；约束模可设置若干弧形凹槽；
压块放入上固定板的内圆中，金属薄壁管放置在T形台上，且处于上固定板和下固定板的内圆中，金属薄壁管受到压块和T形台的约束，不能进行移动，线圈套在T形台上，金属薄壁管处于约束模组件内，在膨胀时约束模组件对其进行径向约束；模架夹住约束模并对其进行固定；四个固定螺栓从下固定板底部的四个梯形孔插入，从上固定板法兰边缘处四个通孔中穿出并固定，使上固定板向下压住压块和模架，压块对管件和线圈施压；
整流器将经升压变压器升高后电压整流为直流电压，经过电阻后，直流电压对电容器充电，当开关闭合瞬间，电容器对线圈进行放电。
进一步地，用于金属薄壁管膨胀贴模时，排气孔可及时将约束模组件与管件之间的气体排出。
进一步地，压块的外径与上固定板的内圆直径相一致，相应的T形台底部外径与下固定板内圆直径一致。
进一步地，线圈采用5mm×7mm矩形紫铜线进行螺旋缠绕，铜线间采用绝缘胶带隔离，铜线外侧涂覆环氧树脂和凝固剂，比例为1:2混合，凝固后外缘车削加工至需要的尺寸。
本发明还提供了一种利用电磁成形的吸能波纹管成形装置加工波纹管的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、选取待加工的金属薄壁管；
步骤2、将选取的金属薄壁管放入成形模具中；
步骤3、对交变电压通过升压变压器进行升压；
步骤4、经过升压变压后，电流通过整流器后，变为直流电，经过电阻的作用充电回路中电流降低，直流电压对电容器充电；
步骤5、闭合电路开关，使电容放电；感应线圈中电流变化，产生感应磁场，而感应磁场对金属薄壁管产生作用，使金属薄壁管内产生感应电流。
步骤6、金属薄壁管内的感应电流产生次级感应磁场，次级感应磁场与线圈产生的感应磁场在管件内壁处因方向相同，产生磁场压力，使线圈处管件的内壁受到磁场压力而发生径向塑性膨胀；
步骤7、金属薄壁管膨胀时，在约束模组件的作用下，产生波峰和波谷，成为金属薄壁波纹管；
步骤8、膨胀过程结束后，松开固定螺栓，从模具中取出成形后的金属薄壁波纹管。
进一步地，金属薄壁管可选择铜、铝合金。
本发明还提供了一种吸能波纹管，其本发明所述的电磁成形的吸能波纹管成形装置加工而成。
本发明还提供了一种吸能波纹管，其采用本发明所述的加工波纹管的方法加工而成。
本发明的有益效果在于：
(1)与液压成形、机械胀形等方法相比，本发明所使用的基于电磁成形原理的薄壁吸能波纹管成形方法，加工工序少，加工效率高，成形精度高，其管件成形速度极快，可以使金属薄壁管在高应变率下成形，由于是高应变变形过程，可以用于常规方法难变形金属材料的成形，大大提高金属材料的可塑性，大幅度提高材料的屈服强度。可以通过改变模具中约束模形状，形成不同的波形，其加工柔性大。
(2)本发明所提供的吸能波纹管的加工装置，由于膨胀时约束模的存在，金属管件的膨胀程度可以得到精准控制，可以使金属薄壁管在膨胀后具有预定的波纹状膨胀形状，通过改变约束模可以精准控制金属薄壁吸能管膨胀部分的位置、波峰大小及数量。
(3)本发明所提供的基于该方法所得到的波纹管，在高应变率下膨胀成形，其材料的屈服强度明显提高，在受到轴向及径向压溃时吸收能量效果好，与非波纹管相比，金属薄壁吸能波纹管轴向压溃时可以诱发渐进折叠，精确控制折叠模式，缓冲效果好，提高其吸能效率。
(4)本发明的成形装置中的模具由上下固定板、压块、T形台、约束模、模架、螺栓等组成。金属薄壁管在约束模中，通过电磁作用发生径向膨胀，由于约束模的存在，在膨胀时起到约束管件的作用，以此可以控制金属薄壁管的膨胀程度，并且使膨胀部分具有预定的规则形状。
(5)本发明的成形装置中的约束模可以有同时有多个凹槽。相应的，金属薄壁管在膨胀后，将会出现多个凸起部分，各凸起部分之间存在波峰与波谷，具都有规则的轮廓，因此，可以通过改变约束模中凹槽的形状和数量，可以精确控制金属吸能波纹管的波峰大小、形状及数量。
(6)本发明可以使薄壁管快速膨胀和贴模，由于约束模组件中有许多排气孔，在贴膜时可以使约束模内气体快速排出，保证金属薄壁管良好的贴模性，且其膨胀成形的速度极快，金属薄壁管在极高应变率下成形，其材料的屈服强度明显提高，根据已知的研究表明，其在受到轴向和径向压溃时吸能效率明显提高。
(7)在膨胀过程中，由于有约束模组件对金属薄壁管膨胀的约束作用，可以控制金属管的膨胀程度和膨胀后的直径，并且对膨胀过程中薄壁厚度的减少也会起到相应的控制，降低由于厚度变薄带来的吸能效果的影响。
(8)在进行轴向压缩时，发生塑性变形，由于有波峰和波谷的存在，波谷产生凹陷，可以诱发渐进折叠，以此可以精准控制金属薄壁管压溃时的折叠模式。已知研究表明折叠区越多，吸能效果越好，波纹管的吸能效果比非波纹管要好。轴向和径向压缩时，其与未膨胀管件相比，材料的屈服强度增加，在相同的压缩行程下，其吸能效果明显提高。
附图说明
图1所示为金属薄壁管膨胀前的剖面图；
图2所示为膨胀模具带有两个凹槽的电磁膨胀成形示意图；
图3所示为模具上固定板俯视图和主视图；
图4所示为模具下固定板俯视图和主视图；
图5所示为模具压块俯视图和主视图；
图6所示为模具T形台俯视图和主视图；
图7所示为模具约束模示意图；
图8所示为膨胀后带有两个波峰的金属薄壁管；
图9所示为膨胀模具带有三个凹槽的示意图；
图10所示为膨胀后带有三个波峰的金属薄壁管；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行进一步说明和描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护范围。
如图1所示，本发明众多实施例中提供的金属薄壁管，其导电性好，如铜、铝合金等。本实施例所用金属材料为3A21型铝合金其长度为150mm，直径为50mm，厚度为1.2mm。
如图2所示，本发明实施例中所用到的电磁成形的吸能波纹管成形装置，它由整流器1、电阻2、开关3、电容器4、升压变压器5、上固定板6、固定螺栓7、压块8、模架9、金属薄壁管10、约束模11、线圈12、下固定板13、T形台14、梯形孔15、排气孔16、固定槽17、导线孔18等组成。
具体的，如图2所示，升压变压器5将工业电压380V升高到2000V以上，整流器1将升高后电压整流为直流电压，经过电阻2的作用充电回路中电流降低，直流电压对电容器4充电，完成充电部分。当开关3闭合瞬间，电容器4对线圈12进行放电，完成放电部分。
具体的，如图3所示，上固定板6有一固定槽17，其形状为凹凸形，用于连接模架9，并对模架9进行固定，上固定板6中间有一导线孔18，用于引出线圈12的电线，且法兰边缘处有均匀分布的四个通孔，用于固定螺栓7的连接。
如图4所示，下固定板13边缘处也有均匀分布的四个通孔，用于螺栓7的连接。
如图5所示，压块8中心有和上固定板6相同直径的导线孔18，用于线圈电线的导入和导出。
如图2和图7所示，本发明所用胀形模具中的约束模组件是由垂直轴线方向截面为半圆形的约束模11拼合而成，通过两个约束模11的组合对金属薄壁管10进行约束，且其每个约束模11的凹形槽中具有均匀分布的3个排气孔16，用于金属薄壁管10膨胀贴模时可以及时将约束模11与金属薄壁管10之间的气体排出。压块8的外径与上固定板6的内圆直径相一致，相应的T形台14底部外径与下固定板13内圆直径一致。线圈12采用5mm×7mm矩形紫铜线进行螺旋缠绕，铜线间采用绝缘胶带隔离，铜线外侧涂满环氧树脂和凝固剂，比例为1:2混合，凝固后外缘车削加工至需要的尺寸。
具体的，如图2所示，上固定板6和下固定板13与模架9通过固定槽17的凹凸结合相连接，对模架9进行上下方向上的约束，使模架9固定住。压块8放入上固定板6的内圆中，金属薄壁管10放置在T形台14上，且处于上下固定板6、13的内圆中，金属薄壁管10受到压块8和T形台的约束，不能进行移动，线圈12套在T形台14上，通过压块8的施压，可以保证线圈12与金属薄壁管10的同轴度。金属薄壁管10处于约束模组件内，在膨胀时约束模组件对其进行径向约束。模架9夹住约束模11并对其进行固定。四个固定螺栓7从下固定板13底部的四个梯形孔15插入，从上固定板6法兰边缘处四个通孔中穿出。对固定螺栓7的拧紧，使上固定板6向下压住压块8和模架9，压块8对金属薄壁管10和线圈12施压，防止金属薄壁管10和线圈12上下、左右移动，使金属薄壁管10和线圈12紧紧固定住。固定螺栓7的头部处于梯形孔15内，不露出下固定板13外，这样可以使整个成形模具平稳放置。
采用上述模具进行金属薄壁管膨胀时，其过程包括以下步骤：
步骤1、选取金属薄壁管，一般是选取导电性好的金属材料，如铜、铝合金等。
步骤2、将选取的金属薄壁管放入成形模具中，如附图2所示，按照上述模具中各部分的连接关系正确安装模具。
步骤3、对交变电压通过升压变压器5进行升压，根据对波形管的形状的要求不同，升压变压器5也不同，升压后的电压也相应的不同。
步骤4、经过升压变压后，电流通过整流器1后，变为直流电，经过电阻2的作用充电回路中电流降低，直流电压对电容器4充电，完成充电部分。
步骤5、闭合电路开关3，使电容4放电。由于感应线圈12中剧烈的电流变化，产生感应磁场，而感应磁场对金属薄壁管10产生作用，使金属薄壁管10内产生感应电流。
步骤6、金属薄壁管10内的感应电流会产生次级感应磁场。次级感应磁场与线圈产生的感应磁场在管件内壁处因方向相同，产生很大的磁场压力，使线圈12处管件的内壁受到强大的磁场压力而发生径向塑性膨胀。
步骤7、金属薄壁管膨胀时，由于有约束模组件的存在，产生波峰和波谷，成为波纹管。
步骤8、膨胀过程结束后，松开固定螺栓7，从模具中取出成形后的金属薄壁波纹管。
本实施例中施加电压为2600V，在约束模组件的作用下，膨胀后，薄壁波纹管件长度为150mm，膨胀部分最大直径尺寸为55mm，厚度减薄0.2mm，膨胀倾角α如图8所示，范围在15°～30°。
本实施例中提供的成型模具中，金属薄壁管放在不同的约束模中，经过膨胀后，其形状也会相应的不同。如图7—10所示，胀形模具中约束模组件的凹槽有多个，管件在膨胀后相对应的出现多个凸起的波峰，由此，通过本发明所提供的成形模具可以精准的控制波峰的大小、高度和数量。
利用电磁成形原理，用本发明提供的成形模具，经过胀形得到的金属薄壁吸能波纹管，在高应变率下膨胀成形，其屈服强度大大提高，在受到轴向及径向压溃时吸收能量效果好，与非波纹管相比，基于电磁成形技术的金属薄壁吸能波纹管轴向压溃时可以诱发渐进折叠，提高其吸能效率，经过研究表明，基于电磁成形技术的金属薄壁吸能波纹管的吸能效率明显提高。
以上实施例只是本发明一部分，金属薄壁管的膨胀尺寸与约束模有密切的关系。金属薄壁管的尺寸不同、材料不同、壁厚不同，则膨胀所需条件也不同。本发明所提供得一种基于电磁成形原理的薄壁吸能波纹管成形技术，是一种新的波纹管成形加工方法，提供一种新的金属薄壁波纹管成形模具，基于该加工方法得到的薄壁吸能波纹管，其压缩折叠模式可以精确控制，屈服强度和吸能效率明显提高。
Claims (7)
1.一种电磁成形的吸能波纹管成形装置，其特征在于：包括整流器(1)、电阻(2)、开关(3)、电容器(4)、升压变压器(5)、上固定板(6)、固定螺栓(7)、压块(8)、模架(9)、金属薄壁管(10)、约束模(11)、线圈(12)、下固定板(13)、T形台(14)、梯形孔(15)、排气孔(16)、固定槽(17)、导线孔(18)，其中：
上固定板(6)设置固定槽(17)，用于连接模架(9)，并对模架(9)进行固定，上固定板(6)中间设置一导线孔(18)，用于引出线圈(12)的电线，且法兰边缘处有均匀分布的四个通孔，用于固定螺栓(7)的连接；
下固定板(13)边缘处均布四个梯形孔(15)，用于固定螺栓(7)的连接固定；
压块(8)中心设置与上固定板(6)相同直径的导线孔(18)，用于线圈电线的导入和导出；
约束模组件是由垂直轴线方向截面为半圆形的约束模(11)拼合而成，且其每个约束模(11)的每个凹形槽中具有均匀分布的三个排气孔(16)；约束模(11)可设置若干弧形凹形槽；
压块(8)放入上固定板(6)的内圆中，金属薄壁管(10)放置在T形台(14)上，且处于上固定板(6)和下固定板(13)的内圆中，金属薄壁管(10)受到压块(8)和T形台的约束，线圈(12)套在T形台(14)上，金属薄壁管(10)处于约束模(11)内，在膨胀时约束模(11)对其进行径向约束；模架(9)夹住约束模(11)并对其进行固定；四个固定螺栓(7)从下固定板(13)底部的四个梯形孔(15)插入，从上固定板(6)法兰边缘处四个通孔中穿出并固定，使上固定板(6)向下压住压块(8)和模架(9)，压块(8)对金属薄壁管(10)和线圈(12)施压；
整流器(1)将经升压变压器(5)升高后电压整流为直流电压，经过电阻(2)后，直流电压对电容器(4)充电，当开关(3)闭合瞬间，电容器(4)对线圈(12)进行放电。
2.根据权利要求1所述的电磁成形的吸能波纹管成形装置，其特征在于：当金属薄壁管(10)膨胀贴模时，排气孔(16)可及时将约束模(11)与金属薄壁管(10)之间的气体排出。
3.根据权利要求1所述的电磁成形的吸能波纹管成形装置，其特征在于：压块(8)的外径与上固定板(6)的内圆直径相一致，相应的T形台(14)底部外径与下固定板(13)内圆直径一致。
4.根据权利要求1所述的电磁成形的吸能波纹管成形装置，其特征在于：线圈(12)采用5mm×7mm矩形紫铜线进行螺旋缠绕，铜线间采用绝缘胶带隔离，铜线外侧涂覆环氧树脂和凝固剂，比例为1:2混合，凝固后外缘车削加工至需要的尺寸。
5.利用权利要求1所述电磁成形的吸能波纹管成形装置加工波纹管的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、选取待加工的金属薄壁管；
步骤2、将选取的金属薄壁管放入成形模具中；
步骤3、对交变电压通过升压变压器(5)进行升压；
步骤4、经过升压变压后，电流通过整流器(1)后，变为直流电，经过电阻(2)的作用充电回路中电流降低，直流电压对电容器(4)充电；
步骤5、闭合电路开关(3)，使电容(4)放电；感应线圈(12)中电流变化，产生感应磁场，而感应磁场对金属薄壁管(10)产生作用，使金属薄壁管(10)内产生感应电流；
步骤6、金属薄壁管(10)内的感应电流产生次级感应磁场，次级感应磁场与线圈产生的感应磁场在金属薄壁管内壁处因方向相同，产生磁场压力，使线圈(12)处金属薄壁管的内壁受到磁场压力而发生径向塑性膨胀；
步骤7、金属薄壁管膨胀时，在约束模(11)的作用下，产生波峰和波谷，成为金属薄壁波纹管；
步骤8、膨胀过程结束后，松开固定螺栓(7)，从模具中取出成形后的金属薄壁波纹管。
6.一种吸能波纹管，其特征在于，采用权利要求1所述的电磁成形的吸能波纹管成形装置加工而成。
7.一种吸能波纹管，其特征在于，采用权利要求5所述的加工波纹管的方法加工而成。
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