CN107138591B - 一种筒形件圆角的电磁成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种筒形件圆角的电磁成形装置及成形方法，该电磁成形装置包括胀形凸模、压边圈和凹模，胀形凸模与凹模相匹配，压边圈活动设置在凹模的上方，用于将待成形的板料压紧在凹模上，压边圈的下侧嵌设有上助推线圈，凹模的上侧对应上助推线圈的位置处嵌设有下助推线圈，胀形凸模的底部圆角处嵌设有胀形线圈，胀形线圈沿胀形凸模的底部圆角呈弧形设置，电磁成形装置还包括至少一个为上助推线圈、下助推线圈和胀形线圈供电的电源模块。该电磁成形装置可降低零件圆角区域的壁厚减薄率、提高零件难变形部位的成形性能、实现筒形零件的小圆角半径尺寸成形。

Description

一种筒形件圆角的电磁成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及材料塑性成形技术领域，具体涉及一种筒形件圆角的电磁成形装置及成形方法。

背景技术

在传统冲压成形中，铝合金的变形性能较差，主要表现在两个方面：1)冲压成形时金属流动不均，容易产生起皱、破裂等缺陷。这造成传统冲压工艺得到的铝合金成形极限远低于钢材；2)铝合金的弹性模量只有钢材的1/3。这导致零件卸载后的回弹量远大于钢材，并难以控制成形精度。

为了提高铝合金零件的成形性能，目前主要由两种方法：1)温热成形。金属材料在高温下往往会表现出较好的塑性变形能力，但温热成形方法会大幅增加设备成本，并且会对铝合金材料表面涂层造成一定程度的损害；2)电磁脉冲成形，该方法利用脉冲磁场力对金属工件进行高速加工。研究发现：铝合金材料在脉冲磁场力高速变形条件下能够获得高于传统冲压加工下的成形性能。但传统的电磁脉冲成形技术，线圈放电结束后，工件会在惯性力作用下高速变形，这种变形方式难以控制板料的成形精度和实现零件难变形区域的变形。

为了利用高速率变形能提高铝合金成形性能的优势，并同时实现铝合金零件难变形区域的精确控形制造。电磁脉冲辅助冲压(Electromagnetically assisted sheetmetal stamping，EMAS)技术得到国内外学者的高度重视。该方法将电磁脉冲成形的优势与普通冲压成形工艺结合。

在文献“A hybrid quasi-static/dynamic process for forming large sheetmetal parts from aluminum alloys”中，美国Ohio州立大学的V.J.Vohnout和G.S.Daehn选择通用汽车Chevy Cavalier的AA6111-T4铝合金车门内板进行电磁脉冲辅助成形实验研究。首先采用普通冲压技术得到零件的大致变形轮廓，然后用嵌入到冲头里的电磁线圈成形工件的难变形部位(尖角、棱线等)，以达到需要的形状。与传统冲压工艺相比，电磁脉冲辅助冲压能够有效控制工件局部区域的成形能量、改善应变分布、提高成形极限、加工柔性和精度。

在文献“5052铝合金板材磁脉冲辅助冲压成形变形行为及机理研究”中，国内哈尔滨工业大学的刘大海等提出了采用电磁辅助成形工艺来实现小圆角半径筒形零件的成形。该工艺的思路为：首先采用圆角半径较大(R8)的凸模成形出具有较大底部圆角的筒形件轮廓，然后再采用嵌有线圈的模具结构对底部圆角部位放电再成形。与普通冲压相比，磁脉冲辅助成形工艺能显著改善底部圆角成形问题，得到普通拉深方法难以得到的小圆角半径(R5)筒形件，提高了材料的成形性。但是该工艺并不能实现圆角周边材料的塑性流动。那么当电磁线圈放电后，圆角区域主要发生的是胀形减薄变形。从实验结果可以发现，预成形后底部圆角的最大壁厚减薄率为15％，而放电后的壁厚减薄率为38.8％。

零件壁厚减薄率越大，板料的承载能力降低，使用过程中零件发生破裂的机会就越大。如何实现更小圆角半径的成形，提高铝合金零件难变形部位的精确控形，同时又抑制零件圆角区域的壁厚减薄率，提高零件的服役性能是材料塑性成形领域亟需解决的现实问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种可降低零件圆角区域的壁厚减薄率、提高零件难变形部位的成形性能、实现筒形零件的小圆角半径尺寸成形的筒形件圆角的电磁成形装置及成形方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

本发明的筒形件圆角的电磁成形装置分为以下三种不同的类型：

第一种电磁成形装置的结构为：包括胀形凸模、压边圈和凹模，所述胀形凸模与凹模相匹配，所述压边圈活动设置在凹模的上方，用于将待成形的板料压紧在凹模上，所述压边圈的下侧嵌设有上助推线圈，所述凹模的上侧对应所述上助推线圈的位置处嵌设有下助推线圈，所述胀形凸模的底部圆角处嵌设有胀形线圈，所述胀形线圈沿胀形凸模的底部圆角呈弧形设置，所述电磁成形装置还包括至少一个为所述上助推线圈、下助推线圈和胀形线圈供电的电源模块。

进一步的，所述胀形凸模为平底凸模，所述胀形线圈为多圈横截面为圆形或矩形的紫铜线圈。

第二种电磁成形装置的结构为：将胀形凸模设置为曲面凸模，所述胀形线圈为多圈横截面为圆形或矩形的紫铜线圈，多圈线圈沿胀形凸模的底部轮廓呈倒塔形布置，采用倒塔形布置可使胀形线圈更接近板料圆角处的形状，可使作用在板料圆角处的磁场力更大。

对应于上述第一种和第二种电磁成形装置，本发明提供了一种采用上述两种电磁成形装置进行筒形件圆角成形的方法，包括以下步骤：

第一步、将待成形的板料放置在凹模上，用压边圈将板料夹持在压边圈和凹模之间；

第二步、对胀形凸模施加下压力，使板料被压入凹模内；

第三步、向上助推线圈、下助推线圈和胀形线圈通电，使其产生电磁力，板料的法兰部向凹模内流动并挤压板料筒壁的材料向板料圆角处流动，完成筒形件圆角的成形。

第三种电磁成形装置的结构为：包括胀形凸模、压边圈和凹模，所述胀形凸模与凹模相匹配，所述压边圈活动设置在凹模的上方，用于将待成形的板料压紧在凹模上，所述压边圈的下侧嵌设有上助推线圈，所述凹模的上侧对应所述上助推线圈的位置处嵌设有下助推线圈，所述胀形凸模的底部圆角处嵌设有胀形线圈，所述胀形线圈沿胀形凸模的底部圆角呈弧形设置，所述电磁成形装置还包括至少一个为所述上助推线圈、下助推线圈和胀形线圈供电的电源模块。

进一步的，所述胀形凸模为曲面凸模，所述胀形线圈为多圈横截面为圆形或矩形的紫铜线圈，多圈线圈沿胀形凸模的底部轮廓呈倒塔形布置。

进一步的，所述电磁成形装置还包括一个预拉深凸模，所述预拉深凸模为平底凸模，预拉深凸模的底面嵌设安装有拉深线圈，所述拉深线圈不设置在预拉深凸模的圆角处。

更进一步的，所述拉深线圈为上下堆叠设置的多层紫铜线圈，每一层均包括多圈水平同心设置的横截面为圆形或矩形的线圈。

对应于上述第三种电磁成形装置，本发明还提供了一种采用第三种电磁成形装置进行筒形件圆角成形的方法，包括以下步骤：

第一步、将待成形的板料放置在凹模上，用压边圈将板料夹持在压边圈和凹模之间；

第二步、对预拉深凸模施加下压力，使板料被压入凹模内；

第三步、同时给上助推线圈、下助推线圈和拉深线圈通电，使其产生电磁力，板料的法兰部向凹模内流动并挤压板料筒壁的材料向预拉深凸模的下部流动，使板料形成抛物线形状；

第四步、将上助推线圈、下助推线圈和拉深线圈断电，取出预拉深凸模，然后将曲面的胀形凸模放置在板料上，同时给上助推线圈、下助推线圈和胀形线圈通电，板料的法兰部继续向凹模内流动并挤压板料筒壁的材料向板料圆角处流动，完成筒形件圆角的成形。

对于上述三种电磁成形装置：

进一步的，压边圈的下侧嵌设有多组所述上助推线圈，所述凹模的上侧嵌设有多组分别与上助推线圈位置对应的下助推线圈。

进一步的，电源模块包括多个分别与上助推线圈、下助推线圈、胀形线圈和拉深线圈连接的电源子模块，所述电源子模块包括依次串联连接的电源、储能电容、分压电阻和控制开关；所述胀形凸模、压边圈、凹模和预拉深凸模的形状为轴对称的圆筒形、方筒形或锥形。

进一步的，所述上助推线圈和下助推线圈均为上下堆叠设置的多层紫铜线圈，每一层均包括多圈水平同心设置的线圈。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)传统的电磁成形仅采用胀形线圈放电，使筒形件圆角发生胀形减薄变形，零件圆角区域的壁厚减薄率大，降低了零件的使用性能；本发明结合传统的冲压拉深技术和电磁脉冲成形技术，先对板料进行预成形，再通过助推线圈和设置在凸模圆角处呈弧形布置的胀形线圈放电，提高了板料法兰部和圆角处材料的流动性，使板料法兰部的材料流入板料圆角处，降低了板料变形区域的厚度减薄率，提高零件的使用性能。

(2)本发明第二种方案采用曲面凸模，多圈线圈沿曲面的胀形凸模的底部轮廓呈倒塔形布置。平底凸模拉深时，平底凸模底部所对应的板料在拉深和线圈放电过程中均不会发生明显变形。该方案采用曲面凸模拉深，可以使板料底部先发生胀形，当胀形线圈和助推线圈共同放电时，板料底部的曲面材料会向板料圆角处填充，有利于抑制板料处的材料过渡减薄，进一步提高零件的使用性能。

(3)本发明第三种方案采用平底的预拉深凸模结合曲面的胀形凸模的方式，整个成形过程包含两次线圈放电过程，两次线圈放电均包含助推线圈(上助推线圈和下助推线圈)放电。先通过拉深线圈和助推线圈放电，将板料底部成形为抛物线形状；再通过胀形线圈和助推线圈放电完成筒形件圆角的成形，有利于提高板料法兰部和底部材料的流动性，更进一步降低了板料变形区域的厚度减薄，实现了筒形件圆角成形的精确控形，更进一步提高了零件的使用性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的电磁成形装置工作初始状态的结构示意图。

图2为本发明实施例1的电磁成形装置平底凸模对板料进行预拉深时的结构示意图。

图3为本发明实施例1的电磁成形装置胀形线圈和径向侧推线圈放电后的结构示意图。

图4为本发明实施例2的电磁成形装置工作初始状态的结构示意图。

图5为本发明实施例2的电磁成形装置曲面凸模对板料进行预拉深时的结构示意图。

图6为本发明实施例2的电磁成形装置胀形线圈和径向侧推线圈放电后的结构示意图。

图7为本发明实施例3的电磁成形装置工作初始状态的结构示意图。

图8为本发明实施例3的电磁成形装置平底凸模对板料进行预拉深时的结构示意图。

图9为本发明实施例3的电磁成形装置拉深线圈放电后的结构示意图。

图10为采用图9中板料变形轮廓设计的曲面凸模结构进行成形的结构示意图。

图11为本发明实施例3的电磁成形装置胀形线圈和径向侧推线圈放电后板料变形示意图。

图例说明：

1、胀形凸模；2、压边圈；3、凹模；4、上助推线圈；5、下助推线圈；6、胀形线圈；7、预拉深凸模；8、拉深线圈；9、板料；91、法兰部；92、板料圆角。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图1、图2和图3所示，一种本发明的筒形件圆角的电磁成形装置，该电磁成形装置主要包括胀形凸模1、压边圈2和凹模3，胀形凸模1与凹模3相匹配，压边圈2活动设置在凹模3的上方，用于将待成形的板料9压紧在凹模3上，压边圈2的下侧嵌设有上助推线圈4，凹模3的上侧对应上助推线圈4的位置处嵌设有下助推线圈5，胀形凸模1的底部圆角处嵌设有胀形线圈6，胀形线圈6沿胀形凸模1的底部圆角呈弧形设置，电磁成形装置还包括至少一个为上助推线圈4、下助推线圈5和胀形线圈6供电的电源模块。

本实施例中，胀形凸模1为平底凸模，胀形线圈6优选采用多圈横截面为圆形或矩形的紫铜线圈。优选在压边圈2的下侧嵌设多组上助推线圈4，在凹模3的上侧嵌设多组分别与上助推线圈4位置对应的下助推线圈5。电源模块优选包括多个分别与上助推线圈4、下助推线圈5和胀形线圈6连接的电源子模块，该电源子模块包括依次串联连接的电源、储能电容、分压电阻和控制开关(图中均未示出)。胀形凸模1、压边圈2和凹模3的形状优选为轴对称的圆筒形、方筒形或锥形，也可以采用不规则形状。上助推线圈4和下助推线圈5均优选为上下堆叠设置的多层紫铜线圈，每一层均包括多圈水平同心设置的线圈。

该电磁成形装置使用时，先将待成形的板料9放置在凹模3上，用压边圈2将板料9夹持在压边圈2和凹模3之间；然后将胀形凸模1放置在板料9上，对胀形凸模1施加下压力，使板料9被压入凹模3内；向上助推线圈4、下助推线圈5和胀形线圈6通电，使其产生电磁力，板料9的法兰部91向凹模3内流动并挤压板料9筒壁的材料向板料圆角92处流动，完成筒形件圆角的成形。

该电磁成形装置通过上助推线圈4、下助推线圈5产生电磁力来提高板料9法兰部91材料的流动性，使板料9法兰部91的材料流入板料圆角92处，通过胀形线圈6产生电磁力使板料圆角92处小圆角成形，如此，实现了对筒形件小圆角处的控形，降低了圆角处材料的减薄率，大大提高了零件的使用性能。

实施例2：

如图4、图5和图6所示，一种本发明的筒形件圆角的电磁成形装置，该电磁成形装置主要包括胀形凸模1、压边圈2和凹模3，胀形凸模1与凹模3相匹配，压边圈2活动设置在凹模3的上方，用于将待成形的板料9压紧在凹模3上，压边圈2的下侧嵌设有上助推线圈4，凹模3的上侧对应上助推线圈4的位置处嵌设有下助推线圈5，胀形凸模1的底部圆角处嵌设有胀形线圈6，胀形线圈6沿胀形凸模1的底部圆角呈弧形设置，电磁成形装置还包括至少一个为上助推线圈4、下助推线圈5和胀形线圈6供电的电源模块。

本实施例中，胀形凸模1为曲面凸模，胀形线圈6优选为多圈横截面为圆形或矩形的紫铜线圈，该多圈线圈沿胀形凸模1的底部轮廓呈倒塔形布置。优选在压边圈2的下侧嵌设多组上助推线圈4，在凹模3的上侧嵌设多组分别与上助推线圈4位置对应的下助推线圈5。电源模块优选包括多个分别与上助推线圈4、下助推线圈5、胀形线圈6连接的电源子模块，电源子模块包括依次串联连接的电源、储能电容、分压电阻和控制开关(图中均未示出)。胀形凸模1、压边圈2、凹模3的形状优选为轴对称的圆筒形、方筒形或锥形，当然也可以是其他不规则的形状。上助推线圈4和下助推线圈5均优选为上下堆叠设置的多层紫铜线圈，每一层均包括多圈水平同心设置的线圈。

该电磁成形装置使用时，先将待成形的板料9放置在凹模3上，用压边圈2将板料9夹持在压边圈2和凹模3之间；然后将胀形凸模1放置在板料9上，并对胀形凸模1施加下压力，使板料9被压入凹模3内；再向上助推线圈4、下助推线圈5和胀形线圈6通电，使其产生电磁力，板料9的法兰部91向凹模3内流动并挤压板料9筒壁的材料向板料圆角92处流动，完成筒形件圆角的成形。

与实施例1的电磁成形装置相比，本实施例的胀形凸模1采用曲面凸模。平底凸模拉深时，平底凸模底部所对应的板料9在拉深和线圈放电过程中均不会发生明显变形。而采用曲面凸模拉深，可以使板料9底部先发生胀形。当胀形线圈6、上助推线圈4和下助推线圈5共同放电时，板料9底部的曲面材料会向板料圆角92处填充，有利于更好地抑制板料圆角92处的材料过渡减薄，进一步实现对筒形件小圆角处的精确控形，提高零件的使用性能。

实施例3：

如图7至图11所示，一种本发明的筒形件圆角的电磁成形装置，该电磁成形装置主要包括胀形凸模1、压边圈2和凹模3，胀形凸模1与凹模3相匹配，压边圈2活动设置在凹模3的上方，用于将待成形的板料9压紧在凹模3上，压边圈2的下侧嵌设有上助推线圈4，凹模3的上侧对应上助推线圈4的位置处嵌设有下助推线圈5，胀形凸模1的底部圆角处嵌设有胀形线圈6，胀形线圈6沿胀形凸模1的底部圆角呈弧形设置，电磁成形装置还包括至少一个为上助推线圈4、下助推线圈5和胀形线圈6供电的电源模块。

胀形凸模1为曲面凸模，胀形线圈6优选为多圈横截面为圆形或矩形的紫铜线圈，该多圈线圈沿胀形凸模1的底部轮廓呈倒塔形布置。该电磁成形装置还包括一个预拉深凸模7，该预拉深凸模7为平底凸模，预拉深凸模7的底面嵌设安装有拉深线圈8，该拉深线圈8不设置在预拉深凸模7的圆角处。拉深线圈8优选为上下堆叠设置的多层紫铜线圈，每一层均包括多圈水平同心设置的横截面为圆形或矩形的线圈。优选在压边圈2的下侧嵌设有多组上助推线圈4，在凹模3的上侧嵌设有多组分别与上助推线圈4位置对应的下助推线圈5。电源模块优选包括多个分别与上助推线圈4、下助推线圈5、胀形线圈6和拉深线圈8连接的电源子模块，该电源子模块包括依次串联连接的电源、储能电容、分压电阻和控制开关(图中均未示出)。胀形凸模1、压边圈2、凹模3和预拉深凸模7的形状优选为轴对称的圆筒形、方筒形或锥形，当然也可以是不规则的形状。而上助推线圈4和下助推线圈5均优选为上下堆叠设置的多层紫铜线圈，每一层均包括多圈水平同心设置的线圈。

该电磁成形装置使用时，先将待成形的板料9放置在凹模3上，用压边圈2将板料9夹持在压边圈2和凹模3之间；对预拉深凸模7施加下压力，使板料9被压入凹模3内；同时给上助推线圈4、下助推线圈5和拉深线圈8通电，使其产生电磁力，板料9的法兰部91向凹模3内流动并挤压板料9筒壁的材料向预拉深凸模7的下部流动，使板料9形成抛物线形状；将上助推线圈4、下助推线圈5和拉深线圈8断电，取出预拉深凸模7，然后将曲面的胀形凸模1放置在板料9上，同时给上助推线圈4、下助推线圈5和拉深线圈8通电，板料9的法兰部91继续向凹模3内流动并挤压板料9筒壁的材料向板料圆角92处流动，完成筒形件圆角的成形。

与实施例1和实施例2相比，本实施例的电磁成形装置采用两套凸模(平面的预拉深凸模7和曲面的胀形凸模1)，预拉深凸模7和曲面的胀形凸模1中分别设置拉深线圈8和胀形线圈6。整个成形过程包含两次线圈放电阶段，两次线圈放电均包含上助推线圈4、下助推线圈5放电。有利于提高板料9的法兰部91和底部材料的流动性，更进一步降低板料9变形区域的厚度减薄，实现筒形件成形的精确控形，更进一步提高零件的使用性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种筒形件圆角的电磁成形方法，采用电磁成形装置进行成形，

所述电磁成形装置包括胀形凸模(1)、压边圈(2)和凹模(3)，所述胀形凸模(1)与凹模(3)相匹配，所述压边圈(2)活动设置在凹模(3)的上方，用于将待成形的板料(9)压紧在凹模(3)上，其特征在于：所述压边圈(2)的下侧嵌设有上助推线圈(4)，所述凹模(3)的上侧对应所述上助推线圈(4)的位置处嵌设有下助推线圈(5)，所述胀形凸模(1)的底部圆角处嵌设有胀形线圈(6)，所述胀形线圈(6)沿胀形凸模(1)的底部圆角呈弧形设置，所述电磁成形装置还包括至少一个为所述上助推线圈(4)、下助推线圈(5)和胀形线圈(6)供电的电源模块；所述胀形凸模(1)为曲面凸模，所述胀形线圈(6)为多圈横截面为圆形或矩形的紫铜线圈，多圈线圈沿胀形凸模(1)的底部轮廓呈倒塔形布置；

所述电磁成形方法包括以下步骤：

S1、将待成形的板料(9)放置在凹模(3)上，用压边圈(2)将板料(9)夹持在压边圈(2)和凹模(3)之间；

S2、对胀形凸模(1)施加下压力，使板料(9)被压入凹模(3)内；

S3、向上助推线圈(4)、下助推线圈(5)和胀形线圈(6)通电，使其产生电磁力，板料(9)的法兰部(91)向凹模(3)内流动并挤压板料(9)筒壁的材料向板料圆角(92)处流动，完成筒形件圆角的成形。

2.根据权利要求1所述的筒形件圆角的电磁成形方法，其特征在于：所述上助推线圈(4)和下助推线圈(5)均为上下堆叠设置的多层紫铜线圈，每一层均包括多圈水平同心设置的线圈。

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