CN108495725B - 借助磁脉冲成形对工件进行成形的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对工件进行成形的装置(100)，特别是用于成形车身板材部件。该装置(100)具有：第一电磁成形设备(1)，该第一电磁成形设备包括至少一个第一成形工具(10)和至少一个第一电磁工具(11)；和第二电磁成形设备(2)，该第二电磁成形设备包括至少一个第二成形工具(20)和至少一个第二电磁工具(21)。第一电磁成形设备(1)构成为用于在第一电磁成形过程中对工件(3)进行成形，并且第二电磁成形设备(2)构成为用于继所述第一电磁成形过程之后在第二电磁成形过程中继续对工件(3)进行成形。此外还提出了一种用于对工件(3)进行成形的方法。

Description

借助磁脉冲成形对工件进行成形的装置及方法

技术领域

本发明提出一种借助磁脉冲成形对工件进行成形的装置。此外，本发明还提出一种用于对工件进行成形的方法，特别是一种用于成形车身板材部件的电磁成形方法。

背景技术

电磁成形是指一种电动力学的高能成形法，用于借助脉冲磁场对由导电性材料构成的扁平状和圆柱状半成品进行冷成形。通过强度非常高的脉冲磁场的力作用，以非接触方式，也就是说在面朝磁体的那侧上与工具(Werkzeug，模具)无机械接触的情况下，对定位在线圈附近的工件进行成形加工。由此既不出现表面脏污也不产生工具压痕(Werkzeugabdruck，模具压痕)。

电磁成形方法以如下物理学事实为基础，即在时间上可变的磁场在相邻导电体内感应产生涡(电)流。感应产生的电流的强度以及因而作用到工件上的力主要取决于所使用之材料的导电性。磁场往这种电流上施加作用力，力的强度取决于磁通密度的空间梯度和感应产生的电流的大小，使得待成形的导体受到一个相对于线圈方向逆反的力。在电容器放电期间，该力的作用时间只有几微秒。在这一时间内工件接受所需的以脉冲形式提供的成形能量，因而其得到加速并达到高达300m/s的速度。结果，工件内出现的电压变得如此之高，以至发生成形技术意义下的流动(Flieβen)并呈现位于工件下面的工具(模具)的形状。

例如通过如下方式产生适合于电磁成形的磁场，即：使充了电的电容器在数十微秒过程中经由一个与工件几何结构相匹配的线圈进行放电，由此便在工件表面的区域内产生很高的磁场脉冲。磁力导致线圈的扩张和工件向着较低磁场的运动。

根据两个作用对象(亦即线圈和成形工具)的设置方式，可以区分出三种基本形式的工艺过程，具体而言，也就是：压缩、扩展和扁平成形(Flachumformen，面状成形)。对于扁平成形，通常将一个平的螺旋形线圈与一个扁平的板材工件平行地设置，该板材工件平放在位于其下方的成形工具或者说阴模上。如果直接在材料上产生磁场，则该材料通过电磁力被压入所述成形工具或者说阴模的凹部。在此，磁场起到传统的压力机阳模的作用。

脉冲磁场能够非常精确地计量，因此可以将金属以很高的重复精度压装在玻璃、塑料、复合材料或者金属上。磁场和磁力不受阻碍地穿过材料如玻璃、陶瓷和塑料起作用，所以，电磁成形也能在真空、保护气体环境下或者在净化间条件下应用。同样，这种成形还可以在液体(例如水)中进行。在此，磁脉冲以波形通过流体传递。由此带来的优点是：仅单侧需要工具(模具)并且可以实现高的成型变形度。只要提供了电容器所需能量，小于0.1秒的极短过程时间便使得构件的快速批量生产成为可能。应用这种方法的前提条件是待成形之材料具备良好的传导性。

通过电磁成形例如可以对高强度钢合金和铝合金进行几乎任意的冷成形，而不会在材料中出现裂纹。

术语“成形”是借以将金属或者热塑性塑料有针对性地塑性地置于某种形体的所有工艺方法的总概念/总称。在此，将原型加工成型的预制材料成形为一种半成品或者由该半成品制成工件。在这种情况中，材料在成形时保持其质量以及其接合(Zusammenhalt，键合)。成形与变形的区别在于：有针对性地引入形状变化。而变形则是无针对性的(随意的)塑性形状变化。

目前在现有技术中已知的成形生产线具有大量的压力机和深冲设备，其中对强度钢和高强度钢进行冷、半热或者热成形。为此要将材料在压力机或者深冲设备中部分地进行加热并接着进行成形。通常在每个工位执行一次成形，因而要在各个工位之间手工地或者全自动地运送工件。

以多个步骤实施成形可能有多种不同的原因，其中一个原因是材料在每一工作步骤中有限的可成型变形性。有些情况下，在成形步骤之间要重新对构件进行加热，以降低成形过程中在材料内引入的应力。这就造成了很高的能量消耗以及更长的过程时间。通常在成形钢材时需要许多能量用于成形加工和用于材料加热。

现今所使用的成形生产线常常具有很高的设备投资以及(特别是对于热成形过程)具有很高的能量消耗，主要是因为在热成形过程中需要对板材进行加热以便变形。在金属成形中，由于成形时间长，更是进一步受到有限成型变形度之局限。

发明内容

因此，从上述现有技术出发，至少若干个实施方式所要解决的技术问题是：提出一种用于对工件进行成形的装置，通过该装置能够避免所述缺点中的至少一部分。所要解决的另一技术问题：提出一种用于对工件进行成形的方法。

根据至少一种实施方式，在此所说明的用于对工件进行成形的装置具有第一电磁成形设备和第二电磁成形设备。该装置特别是可以构造为用于成形金属板，例如车身板材部件。第一电磁成形设备优选具有至少一个第一成形工具(Umformwerkzeug，成形模具)以及至少一个第一电磁工具(Magnetwerkzeug，电磁模具)。第二电磁成形设备优选具有至少一个第二成形工具以及至少一个第二电磁工具。所述成形工具例如可以分别为阴模。所述电磁工具可以分别包括一个或者多个线圈。

第一电磁成形设备优选构成为用于在第一电磁成形过程中对工件(例如金属板)进行成形。第二电磁成形设备优选构成为用于继所述第一电磁成形过程之后在第二电磁成形过程中继续对工件进行成形。例如，所述用于对工件进行成形的装置可以构造为成形生产线或者说电磁成形生产线。第一电磁成形过程在这里和在下文也可称为第一成形过程。第二电磁成形过程在这里和在下文也可称为第二成形过程。

根据另一实施方式，第一电磁成形设备和第二电磁成形设备构造为彼此直接相邻的成形设备。换言之，用于成形的装置可以构造为：在所述第一电磁成形设备与所述第二电磁成形设备之间未设置有其他的成形设备。于是，第一电磁成形设备和第二电磁成形设备可以在一条成形生产线之内彼此紧邻地布置。

根据另一实施方式，用于成形的装置除了所述第一和第二电磁成形设备之外具有一个或者多个另外的成形设备，该另外的成形设备特别是同样可以构造为电磁成形设备。

与传统的成形装置相比，利用这里所说明的装置能够显著提高成形生产线的生产率、效率以及能量效益。通过电磁成形，尤其是对于极高强度的钢，可以实现高的成型变形度。同样可以(由这种工艺方法的基本设计)重新设计构件。由此可以实现重量减轻和成本降低，例如通过将多个构件改造设计成一个构件。

根据另一实施方式，所述用于对工件进行成形的装置具有用于对电磁工具进行更换的更换设备。该更换设备例如可构造为，在第一成形过程或者说电磁成形过程之后可以更换第一电磁工具和第二电磁工具。例如，可以直接在第一成形过程之后就利用更换设备将在第一成形过程中所使用的第一电磁工具移开。然后可以通过更换设备将第二电磁工具引入正确的位置中，从而可以借助于该第二电磁工具实施第二成形过程或者说第二电磁成形过程。

根据另一实施方式，所述用于对工件进行成形的装置具有用于运动或者说更换第一成形工具和/或第二成形工具的更换设备。该更换设备例如可以构造为用于使第一成形工具和/或第二成形工具移动和/或转动和/或枢转。例如，可以利用所述更换设备将第一成形工具直接在使用该第一成形工具进行的第一成形过程之后移开。然后可以优选通过更换设备将第二成形工具引入正确/适当的位置中，以便使用第二成形工具实施第二成形过程或者说第二电磁成形过程。

根据另一实施方式，所述装置构造为，使第一成形工具和第二成形工具分别设置在工具台(Werkzeugtisch，模具台)。工具台在下文中也可以称其为支承台。例如，成形工具可以分别紧固在一个工具台上。工具台能够优选借助用于更换成形工具的更换设备运动，特别是移动和/或枢转和/或转动。

根据另一实施方式，所述用于对工件进行成形的装置具有操纵设备。该操纵设备优选构成为用于在第一电磁成形过程结束之后将工件输送给第二电磁成形设备。特别是，所述操纵设备可以构造为，在第一电磁成形过程之后可以借助该操纵设备将工件从第一成形工具移去并将其设置在第二成形工具处。例如，所述操纵设备可以构造为机器人或者机械手。操纵设备优选具有一个或者多个抓取装置，借助该抓取装置可以抓取工件。

根据另一实施方式，第一电磁工具不同于第二电磁工具。例如，所述电磁工具特别是可以在其形状、尺寸和/或功率方面彼此不同。

此外还提出一种用于对工件进行成形的方法。该方法尤其可以是一种用于对金属板(例如车身板材部件)进行成形的方法。针对该方法，提供一种这里所说明的用于对工件进行成形的装置。该装置可以具有前述实施方式的一个或多个特征。此外，还要提供至少一个待成形的工件。

在第一成形过程中借助第一电磁成形设备对工件进行成形。换言之，在第一电磁成形过程中使用第一电磁工具和第一成形工具对工件进行成形。此后，在第二成形过程中借助第二电磁成形设备，也就是说使用第二电磁工具和第二成形工具，继续对工件进行成形。优选直接在所述第一成形过程之后进行所述第二成形过程，也就是说，在第一成形过程与第二成形过程之间不进行其他的成形过程。

根据另一实施方式，在第一成形过程与第二成形过程之间更换第一电磁工具和第二电磁工具。例如，可以在第一成形过程结束之后(例如通过更换设备)将第一电磁工具移开。然后可以(例如同样通过更换设备)将第二电磁工具引入并就位，使得可以借助第二电磁工具实施第二成形过程。例如，在第一电磁工具被移开之后，可以将第二电磁工具移至同一位置，第一电磁工具在第一成形过程期间就曾设置在该位置中。

根据另一实施方式，在第一成形过程与第二成形过程之间使第一成形工具和/或第二成形工具运动。例如，可以在这两个成形过程之间使成形工具移动和/或枢转和/或转动。在此，例如可以使用更换设备。各成形工具例如可以分别设置在一个工具台上，其中，可以通过更换设备使该工具台移动或者枢转。由此便可以有益地将第二成形工具引入正确/适当的位置中，以实施第二电磁成形过程。例如，可以在第一电磁成形过程之后借助更换设备将第二成形工具或者所属的工具台引入下述位置中，第一成形工具或者所属的工具台在第一电磁成形过程期间曾设置在该位置中。

根据另一实施方式，在第一成形过程结束之后通过操纵设备(例如机械手)将工件移至第二成形工具。在第一成形过程之后例如可以通过一个或多个抓取装置将所述工件从第一成形工具移去并且(例如在使成形工具移动或者枢转之后)将其设置在第二成形工具处。接着便可以借助第二电磁工具和第二成形工具实施工件的第二成形过程。对于可运动的成形工具或者工具台，此外可能的是：在第一成形过程之后为了更换成形工具只须通过操纵设备将工件提起，并且接着，也就是说在更换成形工具之后，重新将其降低放下。

通过这里所说明的用于对工件进行成形的装置或者通过这里所说明的方法，能够有益地通过简单的方式实现高的成型变形度和底切(Hinterschneidung，侧凹结构)。此外，与传统的冲压生产线相比，这里所说明的装置可以经济地实现。另外，本方法的特点在于其短的成形时间(例如少于0.1秒)和低的能量消耗，特别是因为不需要对工件进行加热。

附图说明

由下文结合图1和2说明的实施方式，可得知这里所说明的用于对工件进行成形的装置及这里所说明的方法的其他一些优点和有益实施方式。附图示出：

图1为根据一种实施例用于对工件进行成形的装置的示意图，和

图2为图1所示用于对工件进行成形的装置的另一示意图。

具体实施方式

在各实施例和附图中，相同的或者起到相同作用的组成部分可以分别配置有相同的附图标记。原则上不应将所示出的元件及其相互间的尺寸关系视为比例正确的。确切地说，为了更好地图示和/或为了更好地理解，各个元件的尺寸可能是夸张厚度或大小地予以示出的。

在图1和2中分别示出根据一种实施例用于对工件3进行成形的装置100的示意图。该装置100具有第一电磁成形设备1，该第一电磁成形设备包括第一成形工具10和第一电磁工具11。此外，所述装置100还具有第二电磁成形设备2，该第二电磁成形设备包括第二成形工具20和第二电磁工具21。成形工具10、20在所示实施例中分别构造为阴模，它们分别具有一种特定的造型表面。电磁工具11、21分别包括至少一个用于产生脉冲磁场的线圈。

此外，该装置100还具有：第一工具台12，第一成形工具10紧固在该第一工具台上；和第二工具台22，第二成形工具20紧固在该第二工具台上；以及更换设备5，其用于对工具台12、22进行更换。另外，装置100还包括更换设备4，其用于对电磁工具11、12进行更换。

在图1中示意性地示出了第一成形过程的结束状态，在该第一成形过程中通过借助第一电磁工具11产生的脉冲磁场6对工件3(例如钢板)进行成形。在成形时工件3被压到第一成形工具的造型表面上。

在第一成形过程之后，借助更换设备4更换第一电磁工具11与第二电磁工具21。在电磁工具11、21更换之后，第二电磁工具21大致居于在第一成形过程期间第一电磁工具11所占用的位置。此外，在第一成形过程之后借助更换设备5对第一和第二工具台12、22进行更换，其中，为了更换工具台12、22而借助机械手(未示出)将工件3短暂地提起并且在更换之后将其降低放下，使得该工件设置在第二电磁工具21处。接着，在图2示意性示出的第二成形过程中，通过由第二电磁工具21产生的脉冲磁场6继续对工件3进行成形。

通过这里示出的装置100，能够实现强度钢和高强度钢的几乎任意高的成型变形度。此外，可以借助电磁成形以简单的方式通过可更换的电磁工具和成形工具实施底切(Hinterschneidung，侧凹结构)。

作为替选或补充，在附图中示出的实施例可以具有根据总体说明的那些实施方式的其他特征。

附图标记列表

1 第一电磁成形设备

10 第一成形工具

11 第一电磁工具

12 第一工具台

2 第二电磁成形设备

20 第二成形工具

21 第二电磁工具

22 第二工具台

3 工件

4，5 更换设备

6 脉冲磁场

100 用于成形的装置

Claims (15)

1.用于对工件进行成形的装置(100)，所述装置具有：

-第一电磁成形设备(1)，该第一电磁成形设备包括至少一个第一成形工具(10)和至少一个第一电磁工具(11)，和

-第二电磁成形设备(2)，该第二电磁成形设备包括至少一个第二成形工具(20)和至少一个第二电磁工具(21)，

-其中，所述第一电磁成形设备(1)构成为用于在第一电磁成形过程中对工件(3)进行成形，

-其中，所述第二电磁成形设备(2)构成为用于继所述第一电磁成形过程之后在第二电磁成形过程中继续对工件(3)进行成形，

-其中，该装置(100)具有用于对第一和第二电磁工具(11，21)进行更换的更换设备(4)，所述用于对第一和第二电磁工具进行更换的更换设备构造为，在第一电磁成形过程与第二电磁成形过程之间更换第一电磁工具和第二电磁工具，并且

-其中，该装置(100)具有用于使第一和/或第二成形工具(10，20)移动和/或转动的更换设备(5)，所述用于使第一和/或第二成形工具移动和/或转动的更换设备构造为，在第一电磁成形过程与第二电磁成形过程之间使第一和/或第二成形工具移动和/或转动。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置构造为成形生产线。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，第一电磁成形设备(1)和第二电磁成形设备(2)构造为彼此直接相邻的成形设备。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该装置具有操纵设备，该操纵设备构成为用于在第一电磁成形过程结束之后将工件(3)输送给第二电磁成形设备(2)。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一和第二电磁工具(11，21)分别包括至少一个线圈，并且所述第一和第二成形工具(10，20)构造为阴模。

6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一电磁工具(11)与所述第二电磁工具(21)在其尺寸、形状和/或功率方面彼此不同。

7.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一和第二成形工具(10，20)设置在工具台(12，22)上，所述工具台借助用于使第一和/或第二成形工具移动和/或转动的更换设备(5)可运动。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置用于成形车身板材部件。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，更换设备(5)用于使第一和/或第二成形工具(10，20)枢转，所述用于使第一和/或第二成形工具枢转的更换设备构造为，在第一电磁成形过程与第二电磁成形过程之间使第一和/或第二成形工具枢转。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，更换设备(5)用于使第一和/或第二成形工具枢转。

11.用于对工件(3)进行成形的方法，所述方法具有下列步骤：

-提供按照权利要求1至10之任一项所述的用于对工件进行成形的装置(100)，

-提供至少一个工件(3)，

-在第一成形过程中借助第一电磁成形设备(1)对工件(3)进行成形，

-在第二成形过程中借助第二电磁成形设备(2)继续对工件(3)进行成形，

-其中，在第一成形过程与第二成形过程之间更换第一电磁工具(11)和第二电磁工具(21)，并且

-其中，在第一成形过程与第二成形过程之间使第一和/或第二成形工具(10，20)移动和/或转动。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述第一成形过程之后直接进行所述第二成形过程。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在第一成形过程结束之后借助操纵设备将工件(3)移至第二成形工具(20)。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法用于对车身板材部件进行成形。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在第一成形过程与第二成形过程之间使第一和/或第二成形工具(10，20)枢转。

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