CN108543847A - 一种提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置，包括凸模、与凸模配套使用的凹模和用于与凹模顶部端面配合压住板料的压边圈，所述板料上加工有预制孔，预制孔的上方布置有轴向拉伸线圈，所述轴向拉伸线圈安装在线圈固定板内，所述线圈固定板安装固定在凸模的底部，所述凸模的底部包含有圆角；所述凹模外围设置有凹模套环，所述压边圈外围设置有压边圈套环，所述凹模套环和压边圈套环内均设有凹槽，所述凹槽内均设有径向侧推线圈。本发明提供了一种复合模具，可以大幅度提高电磁脉冲翻孔时线圈和模具的寿命；同时整个成形过程只需要一个工装，即可实现电磁脉冲放电和模具整形的同步进行，大大提高生产效率。

Description

一种提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置及方法
技术领域
本发明涉及板料成形领域，具体涉及一种提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置及方法。
背景技术
传统的翻孔成形方法是直接用钢模冲压翻孔，翻孔过程中存在以下特点：(1)变形是局部的，主要发生在凸模底部区域；(2)变形区域受到切向拉应力σθ和径向拉应力σr的共同作用，产生切向和径向均伸长、而厚度减薄的变形；(3)变形区材料的变形不均匀，径向变形不明显，沿切向产生较大的伸长变形，且越到口部伸长越多，这主要是因为口部的受到单向切向拉应力作用，切向拉应力数值最大，最终导致口部厚度减薄最为严重。因此，翻孔能否成功的关键在于口部的伸长变形量不能超过材料允许的变形极限，否则会在口部产生开裂。
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。在文献“基于磁脉冲技术的铝合金板材圆孔翻边工艺研究”中，张文忠等研究了5A06板材磁脉冲成形圆孔翻边工艺，发现电磁脉冲成形可以显著地提高铝合金的塑性和圆孔翻边性能。在文献“Two-step electromagnetic forming:A new forming approach tolocal features of large-size sheet metal parts”中，Su HL等提出，先采用电磁脉冲成形技术实现斜孔翻边，再采用电磁矫形技术实现翻孔后的竖边与模具贴合。但整个成形过程需要两套放电线圈和两套工装，影响成形效率；并且两次放电后，翻孔后竖边的口部与凹模依旧没有完全贴膜。这主要是因为，电磁脉冲成形的变形时间往往小于300μs，变形速度大于300m/s。在这么短时间内，材料的变形过程难以调控；要实现精确控形，就需要使板料与凹模完全贴合，但变形速度太大，导致板料与凹模接触会发生高速反弹，难以实现精确成形。并且上述的电磁脉冲翻孔成形中，法兰部位被压紧以抑制起皱，但也限制了法兰部位材料的塑性流动，翻孔的口部也会因为受到较大切向拉应力而发生破裂。
在文献“Incremental electromagnetic-assisted stamping(IEMAS)withradial magnetic pressure:A novel deep drawing method for forming aluminumalloy sheets”中，崔晓辉等通过在板料端部设置径向侧推线圈，使板料的端部在电磁脉冲成形过程中受到一个向内推的电磁力，并与圆角处的反胀线圈共同放电使板料发生局部，最终有效的改善了板料法兰区域材料的塑性流动性，极大的提高了材料的变形程度。但该实验存在一个巨大不足，即为了使线圈绝缘并安全放电，成形过程中的凹模和压边圈必须均采用绝缘材料(比如，环氧板)制成，从而使模具和线圈寿命大大降低，无法工业化应用。
传统电磁脉冲翻孔成形中，板料的翻孔口部受到近似单向拉应力状态，如图1所示，当拉应力数值超过材料的抗拉极限，板料的孔端在翻孔时发生拉裂，这直接制约了板料的翻孔高度，为了提高板料的翻孔高度，就需要提高板材的塑性变形能力和改善板材法兰区域材料的塑性流动性，从而最终改变翻孔区域的受力状态。如图2所示，端部侧推线圈用于驱动板料法兰区域的材料向凹模腔流动，就会对整个板料产生一个径向压应力，根据塑性成形原理可知，径向压应力的出现必然会减小孔端变形时受到的切向拉应力数值，从而抑制破裂。另外，相比于电磁脉冲翻边成形，钢模冲压成形采用凸、凹模的间隙对零件实现精确整形，彻底解决电磁脉冲翻孔的不贴模问题。
综上所述，钢模冲压成形与电磁脉冲翻孔成形两种方式各有优缺点，可以尝试采用钢模冲压成形与电磁脉冲翻孔成形相结合的方式来提高翻孔极限和翻孔质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置及方法，它提供了一种复合模具，可以大幅度提高电磁脉冲翻孔时线圈和模具的寿命；同时整个成形过程只需要一个工装，即可实现电磁脉冲放电和模具整形的同步进行，大大提高生产效率。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置，包括凸模、与凸模配套使用的凹模和用于与凹模顶部端面配合压住板料的压边圈，所述板料上加工有预制孔，预制孔的上方布置有轴向拉伸线圈，所述轴向拉伸线圈安装在线圈固定板内，所述线圈固定板安装固定在凸模的底部，所述凸模的底部包含有圆角；所述凹模外围设置有凹模套环，所述压边圈外围设置有压边圈套环，所述凹模套环和压边圈套环内均设有凹槽，所述凹槽内均设有径向侧推线圈。
作为上述技术方案的进一步改进：所述线圈固定板安装在凸模底部的凹槽中，线圈固定板的下底面与凸模的下底面齐平，或线圈固定板的下底面相比凸模的下底面凸出，这样轴向拉伸线圈下底面与板料接触，或轴向拉伸线圈下底面与板料有微小距离放电时，凸模下底面不会与板料接触而发生打火现象。
进一步的，所述轴向拉伸线圈和径向侧推线圈在使用时共同放电，轴向拉伸线圈和径向侧推线圈既可以与同一个电源连接，也可以分别与不同的电源连接，只需要保证放电时两个线圈都能同时作用，驱动板料运动即可。
进一步的，所述凹模套环的高度比凹模的高度大一定的距离，该距离不大于板料的厚度，即该距离要小于或等于板料厚度，方便对板料位置进行准确定位和施加合适的压边力。
进一步的，所述凸模和凹模均为竖直结构或倾斜结构，既可实现直孔翻边，又可实现斜孔翻边。
进一步的，所述轴向拉伸线圈和径向侧推线圈均采用高导电率材料加工制作而成，比如金属铜、铝等，这样电流损耗少。
进一步的，所述凸模、凹模和压边圈均采用模具钢加工制作而成，这样才能保证硬度满足要求及具有较高的耐磨损特性。
进一步的，所述线圈固定板、压边圈套环和凹模套环均采用绝缘材料加工制作而成，比如环氧板、尼龙等，避免线圈和导电材料接触发生打火现象。
一种提高板材翻孔极限和质量的电磁成形方法，包括如下步骤：
1)将待变形板料安装固定在凹模上，凸模放置在板料上预制孔的上方；
2)轴向拉伸线圈和径向侧推线圈共同放电，板料的法兰材料向内流动，使轴向拉伸线圈所对应的板料发生翻边变形；
3)凸模向下运动直至凸模的圆角与放电后的板料发生接触；
4)凸模继续向下运动，在凸模的圆角和侧壁共同作用下，板料的竖边逐渐与凹模贴合，最终完成翻孔的成形过程，由于凸模和凹模之间的间距很小，从而可以保证成形后零件的高质量。
作为上述技术方案的进一步改进：步骤1)中待变形板料的安装过程具体为：将压边圈套环、凹模套环分别与压边圈、凹模配合安装，并将待变形板料压紧固定在凹模与压边圈之间。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用磁脉冲驱动板料翻孔高速变形，有助于提高板料的翻边性能；
2、本发明的径向侧推线圈有助于提高板料法兰的塑性流动性，减小板料孔端在翻孔变形时受到的拉引力，避免因为拉引力过大导致的破裂，从而提高翻孔高度；
3、本发明的轴向拉伸线圈和线圈固定板均安装在刚性凸模内，当线圈放电后，线圈会受到反向电磁力而发生变形，但外部的刚性凸模会抑制线圈的变形；在校形过程中，轴向拉伸线圈并不会与板料发生刚性接触，从而提高了轴向拉伸线圈的使用寿命；
4、本发明采用刚性的凹模和压边圈用于板料的成形，绝缘材料制成的凹模套环和压边圈套环用于约束径向侧推线圈，并保证线圈安全放电，从而避免了用绝缘材料同时加工凹模并安放径向侧推线圈时，会导致凹模的刚度和耐磨性差，最终零件成形质量差的问题；
5、本发明采用模具钢加工而成的凸模和凹模，具有非常高的加工精度，可以通过凹模和凸模之间的间隙实现零件的高精度成形；
6、本发明的电磁脉冲放电过程往往在300μs内结束，而模具的冲压往往需要5s左右的时间，线圈的放电时间相比于整体的成形时间可以忽略，并且整个的成形过程只需要一套工装结构，即可提高零件的翻边高度，而传统冲压为了提高翻孔高度，往往需要采用多套模具、多道次成形，与传统冲压相比，本发明不但能提高零件的翻孔高度和翻孔质量，并且能大幅度提高翻孔效率；
7、本发明先采用电磁脉冲成形，大幅度的提高了零件的变形程度；再采用刚性凸凹模可保证成形后零件的质量；将两者采用一套工装进行成形，大幅度的提高成形效率。
附图说明
图1是传统电磁脉冲翻孔成形中轴向拉伸线圈作用下板料孔端的应力状态示意图；
图2是传统电磁脉冲翻孔成形中轴向拉伸和径向侧推线圈作用下板料孔端的应力状态示意图；
图3是本发明具体实施例1工作初始状态的结构示意图；
图4是本发明具体实施例1中轴向拉伸和径向侧推线圈共同放电后板料变形示意图；
图5是本发明具体实施例1中凸模下降并与板料发生接触时的示意图；
图6是本发明具体实施例1成形结束状态的结构示意图；
图7是本发明具体实施例2工作初始状态的结构示意图；
图8是本发明具体实施例2中轴向拉伸和径向侧推线圈共同放电后板料翻边示意图；
图9是本发明具体实施例2中凸模下降并与板料发生接触时的示意图；
图10是本发明具体实施例2斜孔翻边成形结束状态的结构示意图。
图例说明：
1、凸模；2、凹模；3、板料；31、预制孔；4、压边圈；5、轴向拉伸线圈；6、线圈固定板；7、凹模套环；8、压边圈套环；9、径向侧推线圈。
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。
实施例1：
如图3至图6所示，一种提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置，包括凸模1、与凸模1配套使用的凹模2和用于与凹模2顶部端面配合压住板料3的压边圈4，板料3上加工有预制孔31，预制孔31的上方布置有轴向拉伸线圈5，轴向拉伸线圈5安装在线圈固定板6内，线圈固定板6安装固定在凸模1的底部，凸模1的底部包含有圆角；凹模2外围设置有凹模套环7，压边圈4外围设置有压边圈套环8，凹模套环7和压边圈套环8内均设有凹槽，凹槽内均设有径向侧推线圈9。
本实施例中，线圈固定板6安装在凸模1底部的凹槽中，线圈固定板6的下底面与凸模1的下底面齐平，或线圈固定板6的下底面相比凸模1的下底面凸出。
本实施例中，轴向拉伸线圈5和径向侧推线圈9在使用时共同放电。
本实施例中，凹模套环7的高度比凹模2的高度大一定的距离，该距离与板料3的厚度相等。
本实施例中，凸模1和凹模2均为竖直结构。
本实施例中，轴向拉伸线圈5和径向侧推线圈9均采用高导电率材料加工制作而成。
本实施例中，凸模1、凹模2和压边圈4均采用模具钢加工制作而成。
本实施例中，线圈固定板6、压边圈套环8和凹模套环7均采用绝缘材料加工制作而成。
一种提高板材翻孔极限和质量的电磁成形方法，包括如下步骤：
1)将待变形板料3安装固定在凹模2上，凸模1放置在板料上预制孔31的上方；
2)轴向拉伸线圈5和径向侧推线圈9共同放电，并使轴向拉伸线圈5所对应的板料3发生翻边变形；
3)凸模1向下运动直至凸模1的圆角与放电后的板料3发生接触；
4)凸模1继续向下运动，在凸模1的圆角和侧壁共同作用下，板料的竖边逐渐与凹模2贴合，最终完成翻孔的成形过程。
本实施例中，步骤1)中待变形板料3的安装过程具体为：将压边圈套环8、凹模套环7分别与压边圈4、凹模2配合安装，并将待变形板料3压紧固定在凹模2与压边圈4之间。
实施例2：
如图7至图10所示，本实施例中的成形装置与实施例1的区别在于：凸模1和凹模2均为倾斜结构，其余的结构特征与实施例相同；本实施例中的成形方法也与实施例1中的相同。

Claims (10)

1.一种提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置，其特征在于：包括凸模(1)、与凸模(1)配套使用的凹模(2)和用于与凹模(2)顶部端面配合压住板料(3)的压边圈(4)，所述板料(3)上加工有预制孔(31)，预制孔(31)的上方布置有轴向拉伸线圈(5)，所述轴向拉伸线圈(5)安装在线圈固定板(6)内，所述线圈固定板(6)安装固定在凸模(1)的底部，所述凸模(1)的底部包含有圆角；所述凹模(2)外围设置有凹模套环(7)，所述压边圈(4)外围设置有压边圈套环(8)，所述凹模套环(7)和压边圈套环(8)内均设有凹槽，所述凹槽内均设有径向侧推线圈(9)。
2.根据权利要求1所述的提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置，其特征在于：所述线圈固定板(6)安装在凸模(1)底部的凹槽中，线圈固定板(6)的下底面与凸模(1)的下底面齐平，或线圈固定板(6)的下底面相比凸模(1)的下底面凸出。
3.根据权利要求1所述的提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置，其特征在于：所述轴向拉伸线圈(5)和径向侧推线圈(9)在使用时共同放电。
4.根据权利要求1所述的提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置，其特征在于：所述凹模套环(7)的高度比凹模(2)的高度大一定的距离，该距离不大于板料(3)的厚度。
5.根据权利要求1所述的提高板材翻孔极限和质量的成形装置，其特征在于：所述凸模(1)和凹模(2)均为竖直结构或倾斜结构。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置，其特征在于：所述轴向拉伸线圈(5)和径向侧推线圈(9)均采用高导电率材料加工制作而成。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置，其特征在于：所述凸模(1)、凹模(2)和压边圈(4)均采用模具钢加工制作而成。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的提高板材翻孔极限和质量的电磁成形装置，其特征在于：所述线圈固定板(6)、压边圈套环(8)和凹模套环(7)均采用绝缘材料加工制作而成。
9.一种提高板材翻孔极限和质量的电磁成形方法，其特征在于，使用权利要求1-8中任一项所述的电磁成形装置，包括如下步骤：
1)将待变形板料(3)安装固定在凹模(2)上，凸模(1)放置在板料上预制孔(31)的上方；
2)轴向拉伸线圈(5)和径向侧推线圈(9)共同放电，并使轴向拉伸线圈(5)所对应的板料(3)发生翻边变形；
3)凸模(1)向下运动直至凸模(1)的圆角与放电后的板料(3)发生接触；
4)凸模(1)继续向下运动，在凸模(1)的圆角和侧壁共同作用下，板料的竖边逐渐与凹模(2)贴合，最终完成翻孔的成形过程。
10.根据权利要求9所述的提高板材翻孔极限和质量的电磁成形方法，其特征在于，步骤1)中待变形板料(3)的安装过程具体为：将压边圈套环(8)、凹模套环(7)分别与压边圈(4)、凹模(2)配合安装，并将待变形板料(3)压紧固定在凹模(2)与压边圈(4)之间。
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