CN107139517B - 一种难变形材料的非轴对称件的拉深成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种难变形材料的非轴对称件的拉深成形装置及方法，该装置包括凸模、凹模和压边圈，所述压边圈活动设置在所述凹模的上方，压边圈用于将待成形的板料夹持在压边圈与凹模之间，所述凸模的底部设有轴向拉深线圈，所述凹模和压边圈上分别设置有上部凹槽和下部凹槽，所述上部凹槽内嵌设有上径向侧推线圈，所述下部凹槽内嵌设有下径向侧推线圈，所述拉深成形装置还包括一高电导率驱动冲头和多根高电导率驱动条，所述高电导率驱动冲头放置于所述凸模的下方，多根所述高电导率驱动条设置于所述板料的圆角端部外侧。该拉深成形装置拉深均匀性好、拉深精度易于控制、结构简单、操作方便，适合于难变形材料的非轴对称件的拉深成形。
Description
技术领域
本发明涉及板料成形技术领域，具体涉及一种难变形材料的非轴对称件的拉深成形装置及方法，主要解决非轴对称件的拉深问题。
背景技术
随着我国汽车、高速列车、飞机、运载火箭等对轻量化结构件的需要，以铝合金、镁合金、钛合金、高强钢、碳纤维等高强度轻质材料为代表的薄壁构件，在先进制造领域得到越来越多的应用。但高强度轻质材料在传统拉深成形中遇到很大的瓶颈，主要表现为轻质合金塑性变形能力差，在拉深过程中容易产生起皱、破裂等缺陷。
与轴对称件(以圆筒形为例)的拉深相比，非轴对称(以盒形件为例)的毛坯由圆角区和直边区构成，成形更为复杂。传统的处理方法对于非轴对称件圆角区的变形与轴对称件相似，而直边区变形则按简单的弯曲变形处理。这就使得圆角区材料的流动难度远大于直边区域，最终导致零件在圆角区容易拉裂。
为了控制盒形件圆角区和直边区材料的流动速度，分块压边技术被提出。专利文献CN102527806A，名称为“应用于非轴对称件的多压边圈径向分块压边方法”的发明内容中提出，在非轴对称件(盒形件)的凹模直边部分采用周向分块压边，凹模圆角部分采用径向分块压边，改善非轴对称件的压边效果。但该方法采用过多的压边结构，并需要根据拉深状态实时控制不同压边块的压边力大小，造成整个成形系统置过于复杂。
电磁脉冲成形是一种利用脉冲磁场力对金属工件进行高速加工方法，是未来制造业的关键技术之一。研究表明：材料在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，并把这种较高成形性的现象称为“高塑性”。为铝、镁、钛等高强度轻质材料的难成形问题提供了一个可靠的解决途径。
针对零件的拉深成形，电磁脉冲辅助冲压技术得到国内外学者的高度重视。专利文献CN103658297A，名称为“电磁脉冲助推式渐进拉深成形方法及装置”的发明内容中提出，在板料法兰对应的压边圈和凹模区域设置上、下径向助推线圈，可在板料端部产生径向的电磁推力，有利于提高筒形件的拉深深度。专利文献CN104353718A，名称为“一种板料包拉成形装置及成形的方法”的发明内容中提出，将反胀线圈设置在凹模圆角区域，并配合布置在压边圈和凹模区域的径向助推线圈，通过多次复合拉深成形来提高零件的成形高度。但这些技术都是通过磁场力直接驱动板料变形，所以只能适应于高电导率材料；并且整个工艺只能用于成形轴对称的筒形零件。
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，提供一种拉深均匀性好、拉深精度易于控制、结构简单、操作方便，适合于难变形材料的非轴对称件的拉深成形装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种难变形材料的非轴对称件的拉深成形装置，包括凸模、凹模和压边圈，所述压边圈活动设置在所述凹模的上方，压边圈用于将待成形的板料夹持在压边圈与凹模之间，所述凸模的底部设有轴向拉深线圈，所述凹模和压边圈上分别设置有上部凹槽和下部凹槽，所述上部凹槽内嵌设有上径向侧推线圈，所述下部凹槽内嵌设有下径向侧推线圈，所述拉深成形装置还包括一高电导率驱动冲头和多根高电导率驱动条，所述高电导率驱动冲头放置于所述凸模的下方，多根所述高电导率驱动条设置于所述板料的圆角端部外侧。本发明的拉深成形装置在凸模的底部设置轴向拉深线圈，将凸模置于高电导率驱动冲头上，在凹模和压边圈上分别设置上径向侧推线圈和下径向侧推线圈，并且在板料的圆角端部外侧布置高电导率驱动条。轴向拉深线圈放电后会促使高电导率驱动冲头向下运动，并带动板料发生拉深变形。上径向侧推线圈和下径向侧推线圈放电后会驱动与板料端部接触的高电导率驱动条向内运动，进而带动板料的法兰部材料向内流动，有助于抑制板料拉深时的厚度减薄。当线圈放电后，高电导率驱动冲头和驱动条会驱使难变形材料发生高速率变形，有利于提高难变形材料的成形极限。该高电导率驱动冲头同时具有冲头的作用，有利于零件的精确控形。高电导率驱动条有利于提高板料难变形区域的材料流动性。从而从根本上解决难变形材料的非轴对称件的拉深和精确控形问题。
作为对上述技术方案的进一步改进：
优选的，所述上径向侧推线圈和所述下径向侧推线圈均包含多个线圈，多个上径向侧推线圈分别设置于压边圈上对应板料的多个圆角处，多个下径向侧推线圈分别设置于凹模上对应板料的多个圆角处。
更优选的，每个所述上径向侧推线圈和下径向侧推线圈均为单层或多层线圈，且均为板条形、马鞍形或蛇形结构。
优选的，所述轴向拉深线圈为同心螺旋结构，且为单层或多层线圈。
优选的，所述高电导率驱动冲头和高电导率驱动条均由电阻率不高于2×10-7Ω·m的材料(如紫铜或黄铜)加工形成。
优选的，所述轴向拉深线圈、上径向侧推线圈和下径向侧推线圈均由矩形截面的铜导线绕制形成或者均由矩形截面的铜块线切割形成。
作为一个总的技术构思，本发明另一方面提供了一种难变形材料的非轴对称件的拉深成形方法，该方法采用上述的拉深成形装置对板料进行拉深成形，其具体包括以下步骤：
S1、将待成形的板料放置于凹模上，并用压边圈将板料夹持在凹模上，使得上径向侧推线圈和下径向侧推线圈分别位于板料圆角处的上下侧；
S2、将多根高电导率驱动条分别放置在板料的多个圆角的端部外侧，在板料上放置高电导率驱动冲头，将凸模放置在高电导率驱动冲头上，使得轴向拉深线圈的下表面与高电导率驱动冲头的上表面接触，固定凸模；
S3、对轴向拉深线圈、上径向侧推线圈和下径向侧推线圈同时放电，在电磁力作用下高电导率驱动冲头向下运动，远离轴向拉深线圈，带动板料向下拉深，同时高电导率驱动条向内运动，带动板料的圆角向内流动；
S4、对轴向拉深线圈、上径向侧推线圈和下径向侧推线圈断电，将凸模向下运动，并带动轴向拉深线圈向下移动，当轴向拉深线圈的下表面与高电导率驱动冲头的上表面接触时，凸模停止运动，固定凸模；
S5、重复执行步骤S3和步骤S4，直至完成板料的拉深成形。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明通过在凸模下方设置高电导率驱动冲头，可以带动难变形材料发生高速率变形，利用了高速变形能提高难变形材料的成形极限的优势，从而有利于提高零件的拉深高度；同时高电导率驱动冲头兼具传统冲压中冲头的作用，有利于板料的均匀拉深变形和控制拉深精度。
(2)通过在非轴对称件的难变形区域布置径向侧推线圈(上径向侧推线圈和上径向侧推线圈)，并在难变形区域外侧设置高电导率驱动条，采用高电导率驱动条带动板料难变形区域向内流动，有利于提高难变形材料的难变形区域的塑性流动性，进而提高零件的拉深高度。
(3)与传统的分块压边方法，通过实时调控压边力来控制非轴对称件材料流动的技术相比，本发明采用单一的压边结构，通过控制放电能量即可精确控制径向侧推线圈所产生的径向电磁力大小，进而控制材料的塑性流动量，能够显著的降低成形装置的结构和操作复杂性。
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为本发明拉深成形装置在工作初始状态时的结构示意图。
图2为工作初始状态时板料外轮廓、驱动条和径向侧推线圈的位置示意图。
图3为本发明拉深成形装置第一次线圈放电后板料变形示意图。
图4为第一次线圈放电后板料外轮廓、驱动条和径向侧推线圈的位置示意图。
图5为第一次凸模下压并与驱动冲头接触时的结构示意图。
图6为本发明拉深成形装置第二次线圈放电后板料变形示意图。
图7为第二次线圈放电后板料外轮廓、驱动条和径向侧推线圈的位置示意图。
图8为第二次凸模下压并与驱动冲头接触时的结构示意图。
图9为本发明拉深成形装置中径向侧推线圈为板条形的结构示意图。
图10为本发明拉深成形装置中径向侧推线圈为马鞍形的结构示意图。
图11为本发明拉深成形装置中径向侧推线圈为蛇形的结构示意图。
图例说明：
1、凸模；2、凹模；3、压边圈；4、板料；5、轴向拉深线圈；6、上径向侧推线圈；7、下径向侧推线圈；8、高电导率驱动冲头；9、高电导率驱动条。
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：
如图1至图8所示，一种本发明难变形材料的非轴对称件的拉深成形装置，包括凸模1、凹模2和压边圈3。其中，压边圈3活动设置在凹模2的上方，压边圈3用于将待成形的板料4夹持在压边圈3与凹模2之间。在凸模1的底部设置有轴向拉深线圈5，在凹模2和压边圈3上分别设置有上部凹槽和下部凹槽，在上部凹槽内嵌设有上径向侧推线圈6，在下部凹槽内嵌设有下径向侧推线圈7。该拉深成形装置还包括一个高电导率驱动冲头8和多根高电导率驱动条9。该高电导率驱动冲头8放置在凸模1的下方，使得高电导率驱动冲头8的上表面与轴向拉深线圈5的下表面相接触。多根高电导率驱动条9分别设置在板料4的多个圆角端部(法兰部)外侧。该拉深成形装置还包括电源系统(图中未示出)，用于为各个线圈供电。
本实施例中，上径向侧推线圈6和下径向侧推线圈7均包含多个线圈，该多个上径向侧推线圈6分别设置于压边圈3上对应板料4的多个圆角处，而多个下径向侧推线圈7分别设置于凹模2上对应板料4的多个圆角处。每个上径向侧推线圈6和下径向侧推线圈7均为单层或多层线圈，且均优选为板条形、马鞍形或蛇形结构(参见图9、图10和图11)。轴向拉深线圈5优选为同心螺旋结构，且为单层或多层线圈。
本实施例中，高电导率驱动冲头8和高电导率驱动条9均优选采用电阻率不高于2×10-7Ω·m的材料加工制成，可选用紫铜或黄铜。轴向拉深线圈5、上径向侧推线圈6和下径向侧推线圈7均优选采用矩形截面的铜导线绕制形成或者采用矩形截面的铜块线切割形成。
该拉深成形装置的使用方法如下：
第一步、将待成形的板料4放置在凹模2上，并用压边圈3将板料4夹持在凹模2上，使得上径向侧推线圈6和下径向侧推线圈7分别位于板料4圆角处的上下侧；
第二步、将多根高电导率驱动条9分别放置在板料4的多个圆角的端部外侧，在板料4上放置高电导率驱动冲头8，将凸模1放置在高电导率驱动冲头8上，使得轴向拉深线圈5的下表面与高电导率驱动冲头8的上表面接触，固定凸模1(如图1)；
第三步、对轴向拉深线圈5、上径向侧推线圈6和下径向侧推线圈7同时放电，在电磁力作用下高电导率驱动冲头8向下运动，远离轴向拉深线圈5，带动板料4向下拉深，同时高电导率驱动条9向内运动，带动板料4的圆角向内流动(如图3)；
第四步、对轴向拉深线圈5、上径向侧推线圈6和下径向侧推线圈7断电，将凸模1向下运动，并带动轴向拉深线圈5向下移动，当轴向拉深线圈5的下表面与高电导率驱动冲头8的上表面接触时，凸模1停止运动，固定凸模1(如图5)；
第五步、重复执行步骤三和步骤四(如图6和图8所示)，直至完成板料4的拉深成形。
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 (7)
1.一种难变形材料的非轴对称件的拉深成形装置，包括凸模(1)、凹模(2)和压边圈(3)，所述压边圈(3)活动设置在所述凹模(2)的上方，压边圈(3)用于将待成形的板料(4)夹持在压边圈(3)与凹模(2)之间，其特征在于：所述凸模(1)的底部设有轴向拉深线圈(5)，所述凹模(2)和压边圈(3)上分别设置有上部凹槽和下部凹槽，所述上部凹槽内嵌设有上径向侧推线圈(6)，所述下部凹槽内嵌设有下径向侧推线圈(7)，所述拉深成形装置还包括一高电导率驱动冲头(8)和多根高电导率驱动条(9)，所述高电导率驱动冲头(8)放置于所述凸模(1)的下方，多根所述高电导率驱动条(9)设置于所述板料(4)的圆角端部外侧。
2.根据权利要求1所述的难变形材料的非轴对称件的拉深成形装置，其特征在于：所述上径向侧推线圈(6)和所述下径向侧推线圈(7)均包含多个线圈，多个上径向侧推线圈(6)分别设置于压边圈(3)上对应板料(4)的多个圆角处，多个下径向侧推线圈(7)分别设置于凹模(2)上对应板料(4)的多个圆角处。
3.根据权利要求2所述的难变形材料的非轴对称件的拉深成形装置，其特征在于：每个所述上径向侧推线圈(6)和下径向侧推线圈(7)均为单层或多层线圈，且均为板条形、马鞍形或蛇形结构。
4.根据权利要求1所述的难变形材料的非轴对称件的拉深成形装置，其特征在于：所述轴向拉深线圈(5)为同心螺旋结构，且为单层或多层线圈。
5.根据权利要求1所述的难变形材料的非轴对称件的拉深成形装置，其特征在于：所述高电导率驱动冲头(8)和高电导率驱动条(9)均由电阻率不高于2×10-7Ω·m的材料加工形成。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的难变形材料的非轴对称件的拉深成形装置，其特征在于：所述轴向拉深线圈(5)、上径向侧推线圈(6)和下径向侧推线圈(7)均由矩形截面的铜导线绕制形成或者均由矩形截面的铜块线切割形成。
7.一种难变形材料的非轴对称件的拉深成形方法，其特征在于：采用如权利要求1～6中任一项所述的拉深成形装置对板料(4)进行拉深成形，具体包括以下步骤：
S1、将待成形的板料(4)放置于凹模(2)上，并用压边圈(3)将板料(4)夹持在凹模(2)上，使得上径向侧推线圈(6)和下径向侧推线圈(7)分别位于板料(4)圆角处的上下侧；
S2、将多根高电导率驱动条(9)分别放置在板料(4)的多个圆角的端部外侧，在板料(4)上放置高电导率驱动冲头(8)，将凸模(1)放置在高电导率驱动冲头(8)上，使得轴向拉深线圈(5)的下表面与高电导率驱动冲头(8)的上表面接触，固定凸模(1)；
S3、对轴向拉深线圈(5)、上径向侧推线圈(6)和下径向侧推线圈(7)同时放电，在电磁力作用下高电导率驱动冲头(8)向下运动，远离轴向拉深线圈(5)，带动板料(4)向下拉深，同时高电导率驱动条(9)向内运动，带动板料(4)的圆角向内流动；
S4、对轴向拉深线圈(5)、上径向侧推线圈(6)和下径向侧推线圈(7)断电，将凸模(1)向下运动，并带动轴向拉深线圈(5)向下移动，当轴向拉深线圈(5)的下表面与高电导率驱动冲头(8)的上表面接触时，凸模(1)停止运动，固定凸模(1)；
S5、重复执行步骤S3和步骤S4，直至完成板料(4)的拉深成形。
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