CN107138588A - 一种带预制孔管材电磁侧翻边装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料塑性加工领域，并公开了一种带预制孔管材电磁侧翻边装置，包括上模架、上模、下模、下模架、柱形支撑体、空间螺旋线圈和脉冲放电电路，上模和下模分别安装在所述上模架和下模架上，上模和下模共同形成容纳孔，柱形支撑体用于套接所述带预制孔管材，上模上设置有翻边孔，脉冲放电电路与所述空间螺旋线圈相连接，以形成脉冲磁场，空间螺旋线圈的俯视图呈螺旋状并且其侧视图呈弧形，该空间螺旋线圈设置于柱形支撑体的顶部，并且柱形支撑体的顶部设置有用于容纳空间螺旋线圈的凹槽。本发明的空间螺旋线圈所产生的径向电磁力在翻边孔区域分布更加集中，电磁力更大，能量利用率更高，且该线圈的使用寿命更长，具有良好的经济效益。

Description

一种带预制孔管材电磁侧翻边装置及方法

技术领域

本发明属于金属材料塑性加工领域，更具体地，涉及一种带预制孔管材电磁侧翻边装置及方法。

背景技术

电磁成形是利用电磁力使金属材料发生高速率塑性变形的成形方法，具有回弹小，成形极限高等特点。成形时电能在极短时间里转化为高压冲击波，以脉冲形式作用在金属材料上，使金属材料瞬间获得极高的变形速度，随后在惯性力作用下发生高速率塑性变形。该技术主要应用于航空航天、船舶舰艇、武器装备和汽车制造等领域，具体在管材的塑性加工，尤其是带预制孔管材的电磁侧翻边工艺上应用较多。

电磁成形装置主要包括电磁成形储能系统和外部电磁力发生装置两大部分，其中电磁成形储能系统主要由控制电路、电容器组和电阻元件等部分组成，外部电磁力发生装置主要由放电线圈和联接电路等结构组成。放电线圈是将电能转化为磁场能，进而转化为机械能的关键装置，是外部电磁力发生装置的核心部件，直接影响着电磁成形力的输出。放电线圈的结构设计和该线圈配套使用的成形装置一直是电磁成形技术在实际应用中最为核心的机密。

目前，带预制孔管材的电磁侧翻边工艺所采用的放电线圈均为多匝密绕的内置螺线管线圈。该线圈主要由芯管、树脂绝缘层、铜合金导线和外接接头等结构组成。但在实际应用中发现：该螺旋管线圈闭合开关后，沿管材周向所形成的闭合涡流会被管材上的预制孔结构所截断，导致涡流骤降。并且该线圈所形成的径向电磁力，绝大部分被模具的支持力所抵消，用于管材侧翻边成形的电磁力非常有限。所以，传统的螺线管放电线圈在管材侧翻边成形时，存在能量利用率低、翻边支管高度不足和材料贴模效果不理想等缺点。在生产中为达到图纸所要求的翻边高度，常常在线圈两端加载大电压，这将导致螺线管各匝线圈之间存在较大斥力，造成线圈结构变形，严重影响线圈的使用寿命。此外，由于实际加工条件及选材的限制，制作螺线管线圈时常常降低了缠绕密度和匝数，这进一步加剧该线圈所存在的翻边效果差、能量利用率低等问题的严重性，不满足批量化、机械化和标准化生产要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种带预制孔管材电磁侧翻边装置及方法，利用空间螺旋线圈通电后在预制孔正下方产生的径向感应磁场，从而在管材侧面形成环绕预制孔的涡流，以提高用于翻边成形的电磁力大小。空间螺旋线圈不仅避免了传统螺线管线圈所存在的径向电磁力被管材与模具之间的支持力所抵消、感应涡流被预制孔截断等问题，又使电磁力更加集中分布在翻边区域，从而降低了线圈两端所需加载的电压值，即可以实现小电压电磁成形。空间螺旋线圈导线之间所存在的斥力较小，可以延长该线圈的使用寿命。同时，环绕预制孔的感应涡流又可以提高管材侧翻边的成形效果，满足批量化、机械化和标准化生产要求。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种带预制孔管材电磁侧翻边装置，包括上模架、上模、下模、下模架、柱形支撑体、空间螺旋线圈和脉冲放电电路，所述上模和下模分别安装在所述上模架和下模架上，所述上模和下模共同形成用于容纳带预制孔管材的容纳孔，所述柱形支撑体用于套接所述带预制孔管材，所述上模上设置有翻边孔，所述脉冲放电电路与所述空间螺旋线圈相连接，以形成所需要的脉冲磁场，其特征在于，

所述空间螺旋线圈的俯视图呈螺旋状并且其侧视图呈弧形，该空间螺旋线圈设置于所述柱形支撑体的顶部，并且所述柱形支撑体的顶部设置有用于容纳空间螺旋线圈的凹槽。

优选地，所述柱形支撑体上的凹槽为与所述空间螺旋线圈形状相应的螺旋槽。

优选地，所述柱形支撑体由两个半柱形支撑体组成并且它们上下设置，在上的半柱形支撑体的圆柱曲面上设置所述凹槽，并且在该半柱形支撑体上设置有走线孔和走线槽。

优选地，所述空间螺旋线圈与带预制孔管材的间隙小于1mm。

优选地，所述空间螺旋线圈采用铜合金导线绕制而成，所述铜合金导线的截面为矩形并且其截面积为10-25mm²。

优选地，所述上模、下模的材料为硬质合金钢。

优选地，所述下模上设置有导柱，所述上模上设置有导套，所述导套套接在所述导柱上。

一种采用所述的带预制孔管材电磁侧翻边装置对带预制孔管材翻边的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将带预制孔管材套接在顶部有空间螺旋线圈的柱形支撑体外侧并调整带预制孔管材的位置，使预制孔的中心线与空间螺旋线圈的中心线重合，则带预制孔管材、柱形支撑体和空间螺旋线圈共同形成组合体；

(2)将组合体插入容纳孔内；

(3)调整组合体的位置，使预制孔的中心线与翻边孔的中心线重合；

(4)闭合脉冲放电电路的开关，则在空间螺旋线圈中形成脉冲磁场并且带预制孔管材上感应出环绕预制孔的涡流，而且空间螺旋线圈在通电初始时刻的最大电磁力边界与预制孔边界相重合，即预制孔的孔边缘处的材料受到的电磁力最大，从而使预制孔的孔边缘处的材料向上变形翘起直至贴合上模在翻边孔处的内壁，进而完成带预制孔管材电磁侧翻边成形。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明的空间螺旋线圈所形成的涡流分布更加合理。与预制孔同轴放置的空间螺旋线圈，在闭合脉冲放电电路开关后，该线圈产生脉冲电流，进而形成脉冲磁场，可以在待成形管材上感应出环绕预制孔形状的涡流，从而避免了传统螺线管线圈所产生的围绕管材周向分布的涡流被预制孔截断而导致电阻急剧增大、涡流骤降等不足。

2)本发明的空间螺旋线圈所产生的径向电磁力在翻边孔区域分布更加集中，电磁力更大，能量利用率更高。由于该空间螺旋线圈形成环绕预制孔形状的涡流，可以在翻边区域产生更大的径向电磁力，该电磁力相比传统螺线管线圈周向涡流所形成的电磁力分布更加集中，并且避免了螺线管线圈所产生的电磁力被管材和模具之间的支持力所抵消的情况，有效地提高了能量利用率。

3)本发明的空间螺旋线圈可以有效提高管材电磁侧翻边的成形效果。利用有限元数值模拟进行空间螺旋线圈结构调整，可以使空间螺旋线圈的最大电磁力边界与管材的预制孔边界相重合，从而减少翻边时材料与模具之间的碰撞及波动现象，很好地实现材料贴膜，相比传统螺线管线圈具有更加优越的翻边效果。

4)本发明的空间螺旋线圈和装置可以实现小电压电磁成形，提高成形线圈的使用寿命，具有优良的经济效益。由于空间螺旋线圈所形成的电磁力在翻边孔区域集中分布，所以相比传统螺线管线圈，线圈两端所需加载的电压较小，可以实现小电压电磁成形。空间螺旋线圈导线之间斥力较小，可以有效延长成形线圈的使用寿命，节省生产成本，提高经济效益，有利于实现该工艺的批量化、机械化和标准化。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明的立体剖视图；

图3为本发明的局部立体剖视图；

图4为本发明看空间螺旋线圈示意图；

图5为带预制孔管材电磁翻边的初始状态示意图；

图6为带预制孔管材经电磁脉冲作用后的材料变形过程示意图；

图7为带预制孔管材经电磁脉冲作用后的材料贴膜过程示意图；

图8为带预制孔管材电磁翻边的最终状态示意图；

图中：1-下模架，2-导柱，3-空间螺旋线圈，4-上模架，5-上模，6-开关，7-电阻，8-电容器组，9-导套，10-带预制孔的管材，11-下模。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图8，一种带预制孔管材电磁侧翻边装置，包括上模架4、上模5、下模11、下模架1、柱形支撑体3、空间螺旋线圈12和脉冲放电电路，所述上模5和下模11分别安装在所述上模架4和下模架1上，所述上模5和下模11共同形成用于容纳带预制孔管材10的容纳孔，所述柱形支撑体3用于套接所述带预制孔管材10，所述上模5上设置有翻边孔，所述脉冲放电电路与所述空间螺旋线圈12相连接，以形成所需要的脉冲磁场，所述空间螺旋线圈12的俯视图呈螺旋状并且其侧视图呈弧形，该空间螺旋线圈12设置于所述柱形支撑体3的顶部，并且所述柱形支撑体3的顶部设置有用于容纳空间螺旋线圈12的凹槽。脉冲放电电路由开关6、电阻7和电容器组8串联组成。

进一步，所述柱形支撑体3上的凹槽为与所述空间螺旋线圈12形状相应的螺旋槽，以用于更好地放置空间螺旋线圈12。

进一步，所述柱形支撑体3由两个半柱形支撑体3组成并且它们上下设置，在上的半柱形支撑体3的圆柱曲面上设置所述凹槽，并且在该半柱形支撑体3上设置有走线孔和走线槽。

进一步，所述空间螺旋线圈12与带预制孔管材10的间隙小于1mm。

进一步，所述空间螺旋线圈12采用铜合金导线绕制而成，所述铜合金导线的截面为矩形并且其截面积为10-25mm²。

进一步，所述上模5、下模11的材料为硬质合金钢，工作区域的表面粗糙度为0.4。

进一步，所述下模11上设置有导柱2，所述上模5上设置有导套9，所述导套9套接在所述导柱2上。

一种采用所述电磁侧翻边装置对带预制孔管材10翻边的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将带预制孔管材10套接在顶部有空间螺旋线圈的柱形支撑体3外侧并调整带预制孔管材10的位置，使预制孔的中心线与空间螺旋线圈12的中心线重合，则带预制孔管材10、柱形支撑体3和空间螺旋线圈12共同形成组合体；

(2)将组合体插入容纳孔内；

(3)调整组合体的位置，使预制孔的中心线与翻边孔的中心线重合；

(4)闭合脉冲放电电路的开关6，依右手定则，在待成形管材上感应出与脉冲磁场方向相反并环绕预制孔的涡流，而且空间螺旋线圈12在通电初始时刻的最大电磁力边界与预制孔边界相重合，即预制孔的孔边缘处的材料受到的电磁力最大，从而使预制孔的孔边缘处的材料向上变形翘起直至贴合上模5在翻边孔处的内壁，进而完成带预制孔管材10电磁侧翻边成形。

本发明中空间螺旋线圈12为提供动力的部分，空间螺旋线圈12依据翻边孔尺寸进行设计，该线圈可以产生围绕预制孔结构的闭合涡流，拥有较大的径向电磁力，使带预制孔管坯10完成侧翻边，并且该线圈可以实现小电压电磁成形，拥有较高的使用寿命。

带预制孔管材10的变形过程如图5～图8所示。带预制孔管材10的初始状态10-1如图5所示，图5中带预制孔管材10的预制孔中心位置与空间螺旋线圈3的中心位置重合。接通开关6后，如图6所示，管材预制孔区域获得很大的径向变形速度，在惯性力作用下带预制孔管材10预制孔区域发生塑性变形的状态10-2。图7为带预制孔管材10电磁脉冲作用后的材料贴膜过程中的中间状态10-3，利用有限元数值模拟可以进一步调整空间螺旋线圈12结构参数，使该线圈的最大电磁力边界与预制孔边缘重合，从而减小成形过程中的碰撞和震颤，提高电磁翻边效果，如图8所示，带预制孔管材10与上模5在翻边孔处的内壁贴合后的完工状态10-4，从而获得性能优良的管材电磁侧翻边零件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带预制孔管材电磁侧翻边装置，包括上模架、上模、下模、下模架、柱形支撑体、空间螺旋线圈和脉冲放电电路，所述上模和下模分别安装在所述上模架和下模架上，所述上模和下模共同形成用于容纳带预制孔管材的容纳孔，所述柱形支撑体用于套接所述带预制孔管材，所述上模上设置有翻边孔，所述脉冲放电电路与所述空间螺旋线圈相连接，以形成所需要的脉冲磁场，其特征在于，

所述空间螺旋线圈的俯视图呈螺旋状并且其侧视图呈弧形，该空间螺旋线圈设置于所述柱形支撑体的顶部，并且所述柱形支撑体的顶部设置有用于容纳空间螺旋线圈的凹槽。

2.根据权利要求1所述的一种带预制孔管材电磁侧翻边装置，其特征在于，所述柱形支撑体上的凹槽为与所述空间螺旋线圈形状相应的螺旋槽。

3.根据权利要求1所述的一种带预制孔管材电磁侧翻边装置，其特征在于，所述柱形支撑体由两个半柱形支撑体组成并且它们上下设置，在上的半柱形支撑体的圆柱曲面上设置所述凹槽，并且在该半柱形支撑体上设置有走线孔和走线槽。

4.根据权利要求1所述的一种带预制孔管材电磁侧翻边装置，其特征在于，所述空间螺旋线圈与带预制孔管材的间隙小于1mm。

5.根据权利要求1所述的一种带预制孔管材电磁侧翻边装置，其特征在于，所述空间螺旋线圈采用铜合金导线绕制而成，所述铜合金导线的截面为矩形并且其截面积为10-25mm²。

6.根据权利要求1所述的一种带预制孔管材电磁侧翻边装置，其特征在于，所述上模、下模的材料为硬质合金钢。

7.根据权利要求1所述的一种带预制孔管材电磁侧翻边装置，其特征在于，所述下模上设置有导柱，所述上模上设置有导套，所述导套套接在所述导柱上。

8.一种采用权利要求1～7中任一所述的带预制孔管材电磁侧翻边装置对带预制孔管材翻边的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将带预制孔管材套接在顶部有空间螺旋线圈的柱形支撑体外侧，并调整带预制孔管材的位置，使预制孔的中心线与空间螺旋线圈的中心线重合，则带预制孔管材、柱形支撑体和空间螺旋线圈共同形成组合体；

(2)将组合体插入容纳孔内；

(3)调整组合体的位置，使预制孔的中心线与翻边孔的中心线重合；

(4)闭合脉冲放电电路的开关，则在空间螺旋线圈中形成脉冲磁场并且带预制孔管材上感应出环绕预制孔的涡流，而且空间螺旋线圈在通电初始时刻的最大电磁力边界与预制孔边界相重合，即预制孔的孔边缘处的材料受到的电磁力最大，从而使预制孔的孔边缘处的材料向上变形翘起直至贴合上模在翻边孔处的内壁，进而完成带预制孔管材电磁侧翻边成形。