CN110014068A - 一种基于集磁器的电磁冲裁装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于板料冲裁领域，并具体公开了一种基于集磁器的电磁冲裁装置及方法。该装置的模具单元包括上模板、凸模和下模板，凸模与上模板连接并置于上模板与下模板之间；电磁单元与下模板连接，待冲裁板料置于凸模与电磁单元之间，电磁单元包括集磁器和线圈，集磁器将线圈产生的脉冲电流进行集聚，并在待冲裁板料表面形成电磁力从而完成冲裁过程获得成形板料；脉冲放电单元与电磁单元连接，用于向线圈放电形成脉冲电流。本发明采用“无间距”冲裁，避免了传统冲裁的凸凹模间距导致的毛刺问题，为材料轻量化提供了技术支撑；同时可根据冲裁件的形状更换线圈的形状、集磁器靠近待冲裁板料侧的形状和凸模的形状，同时满足了结构轻量化的要求。

Description

一种基于集磁器的电磁冲裁装置及方法

技术领域

本发明属于板料冲裁领域，更具体地，涉及一种基于集磁器的电磁冲裁装置及方法。

背景技术

随着环境问题日益突出，绿色制造已经成为时代的发展趋势，对各种形状的轻量化结构的材料的需求也随之越来越多。轻量化通常可通过结构轻量化和材料轻量化来完成。

在材料轻量化方面，铝合金由于具有密度低、比强度高等特点，使其成为轻量化设计的首选材料。与此同时，铝合金在传统塑性成形条件下，其成形极限远低于钢，表面硬度低，在高应变区容易产生撕裂现象，且刚度低，容易发生回弹，所以尺寸精度难以控制。比如，航天领域中运载火箭用膜片，是液体型号活门中的关键部件，该零件表面质量要求高，不允许有任何划伤和压痕。目前膜片加工方法采用冷冲模落料工艺，由于膜片零件为1035铝合金(L4工业纯铝)，材质较软，在落料过程中断面带容易产生较大的毛刺，必须手工锉修零件边缘毛刺，在去毛刺工序中，轻微的细小毛刺均会使零件表面产生划痕和压痕，导致零件直接报废，从而在批量生产中膜片的合格率极低(一般在5％以下)，无法满足工业化生产的需求。

在结构轻量化方面，由于受到可靠性、美观及成本等因素的限制，零件制造呈现复杂化、整体化趋势。但是复杂化、整体化所带来的加工难度呈指数上升，比如是曲线轮廓代替简单圆形轮廓冲裁、曲面非世界坐标系Z轴冲裁以及曲面多孔冲裁(以上情况将在实施例体现)，这些都对模具的加工提出的更高的要求，对工艺设计提出了新的难题，因而很大程度上限制了结构优化的思路。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于集磁器的电磁冲裁装置及方法，其中该装置根据传统冲裁过程中容易产生毛刺的问题，相应设计了“无间距”冲裁装置，并对其关键组件如模具单元和电磁单元的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决冲裁质量较差的问题，同时还具备适应性强的优点，因而尤其适用于材料轻量化制造的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于集磁器的电磁冲裁装置，该装置包括模具单元、电磁单元和脉冲放电单元，其中：

所述模具单元包括上模板、凸模和下模板，所述凸模与所述上模板连接并置于所述上模板与下模板之间，用于决定冲裁形状；

所述电磁单元与所述下模板连接，该电磁单元包括集磁器和线圈，冲裁时，待冲裁板料置于所述凸模与电磁单元之间，所述集磁器将所述线圈产生的脉冲电流进行集聚，并在所述待冲裁板料表面形成电磁力从而完成冲裁过程获得成形板料；

所述脉冲放电单元与所述电磁单元连接，用于向线圈放电形成脉冲电流。

作为进一步优选地，所述上模板与下模板之间通过双头螺栓和螺母相互配合进行固定。

作为进一步优选地，所述上模板通过液压装置控制其移动和固定，并通过设置导柱为上模板的移动提供导向。

作为进一步优选地，所述脉冲放电单元包括电容器组、电阻和开关，所述电容器组充电完成后，通过所述闭合开关与所述电阻形成放电回路。

作为进一步优选地，所述待冲裁板料与上模板之间还设置有橡胶体和压边圈，所述压边圈设置于所述待冲裁板料的一侧，所述橡胶体设置于所述压边圈与上模板之间。

作为进一步优选地，所述电磁单元与待冲裁板料之间还设置有刃口驱动片，用于进一步放大电磁力形成局部切应力。

作为进一步优选地，所述电磁单元与所述待冲裁板料接触的一侧还设置有凸台结构或定位曲线，用于将待冲裁板料进行定位。

作为进一步优选地，所述集磁器的厚度优选为趋肤深度的2倍～3倍。

作为进一步优选地，所述待冲裁板料优选为铝合金板或铜合金板，该待冲裁板料的厚度优选为0.5mm～10mm，所述成形板料的形状优选为圆形、平面曲线轮廓件或空间曲线轮廓件。

按照本发明的另一方面，提出了一种基于集磁器的电磁冲裁方法，该方法包括如下步骤：

(a)将待冲裁板料置于凸模和电磁单元之间，然后将上模板与下模板压紧；

(b)通过脉冲放电单元向线圈放电，所述线圈产生脉冲电流并通过集磁器集聚，在待冲裁板料表面形成电磁力从而完成冲裁过程获得成形板料；

(c)断开脉冲放电单元并将上模板松开，将所述成形板料取出。

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，主要具备以下的技术优点：

1.本发明将线圈瞬间放电形成的电磁力应用在材料冲裁过程中，通过集磁器集聚电流从而产生宽度很窄的条带状电磁力，将瞬间高强度的电磁力集中在待冲裁板料中废料部分的内径处，通过切割力的作用完成高能量利用率的无毛刺冲裁过程，从而实现了“无间距”冲裁，避免了传统冲裁的凸凹模间距导致的毛刺问题，具有回弹小、模具简单、材料成形极限高和成品率高等优点，可用于材质较软的铝合金冲裁过程，为材料轻量化提供了技术支撑；

2.同时，本发明提供的基于集磁器的电磁冲裁装置适应性强，可根据冲裁件的形状更换线圈的形状、集磁器靠近待冲裁板料侧的形状和凸模的形状，从而适应于制作各种复杂形状的冲裁件的应用环境，可制作圆形、平面曲线轮廓件或空间曲线轮廓件等成形板料，同时满足了结构轻量化的要求；

3.此外，本发明通过双头螺栓和螺母相互配合将上模板和下模板进行固定，从而保证整套装置实现“一体化”设计，瞬间高能率的洛伦兹力为装置参考系的内力，能够避免使用大型吨位的固定设备，从而大大减小装置的尺寸，并且具有较好的稳定性和安全性；

4.本发明还可通过液压装置控制上模板的移动和固定，从而方便更换样品，有利于实现工业化大批量、高效率生产；

5.尤其是，本发明提供的基于集磁器的电磁冲裁装置结构简单，只需要设置凸模和电磁单元，因此制造成本较低，装配完成后只需要控制放电参数即可进行生产控制，相比于传统液压机提供的动力，更加稳定可靠，同时对操作人员的要求也比较低，能够保证产品的一致性。

附图说明

图1是本发明一个优选实施例提供的基于集磁器的电磁冲裁装置的结构示意图；

图2是本发明一个优选实施例提供的基于集磁器的电磁冲裁装置的立体剖视图；

图3是本发明一个优选实施例提供的基于集磁器的电磁冲裁装置中电磁单元的结构示意图；

图4是本发明优选实施例提供的设置有压边圈和橡胶体的电磁冲裁装置的结构示意图；

图5是本发明优选实施例提供的设置有压边圈和橡胶体的电磁冲裁装置的立体剖视图；

图6是本发明优选实施例提供的设置有刃口驱动片的电磁冲裁装置的结构示意图；

图7是本发明优选实施例提供的设置有刃口驱动片的电磁冲裁装置的立体剖视图；

图8a是本发明优选实施例提供的制造复杂平面曲线轮廓冲裁件时仅改变线圈形状的电磁冲裁装置的结构示意图；

图8b是本发明制造的复杂平面曲线轮廓冲裁件的示意图；

图8c是本发明优选实施例提供的制造复杂平面曲线轮廓冲裁件的电磁冲裁装置中线圈的示意图；

图8d是本发明优选实施例提供的制造复杂平面曲线轮廓冲裁件时仅改集磁器形状的电磁冲裁装置的结构示意图；

图8e～8g分别是本发明优选实施例提供的制造复杂平面曲线轮廓冲裁件的电磁冲裁装置中集磁器和线圈的俯视图、仰视图和立体图；

图9a是本发明优选实施例制造的复杂空间曲面轮廓冲裁件的结构示意图；

图9b是本发明优选实施例提供的制造复杂空间曲面轮廓冲裁件的电磁冲裁装置中凸模和线圈的结构示意图；

图9c是本发明优选实施例提供的制造复杂空间曲面轮廓冲裁件的电磁冲裁装置中线圈的结构示意图；

图10是本发明另一个优选实施例提供的基于集磁器的电磁冲裁装置的结构示意图；

图11a是传统冲裁中断面的示意图；

图11b是采用本发明提供的基于集磁器的电磁冲裁装置进行电磁冲裁中断面的示意图。

在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-螺母，2-上模板，3-双头螺柱，4-电磁单元，4-1-集磁器，4-2-线圈，5-下模板，6-待冲裁板料，7-凸模，8-紧固螺钉，9-电容器组，10-电阻，11-开关，12-液压装置，13-导柱，14-橡胶体，15-压边圈。

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。

如图1、2所示，本发明提出了一种基于集磁器的电磁冲裁装置，该装置包括模具单元、电磁单元4和脉冲放电单元，其中：

模具单元包括上模板2、凸模7和下模板5，凸模7与上模板2优选通过紧固螺钉8连接并置于上模板2与下模板5之间，用于决定冲裁形状；

电磁单元4与下模板5进行连接，并且待冲裁板料6置于凸模7与电磁单元4之间，如图3所示，该电磁单元4包括集磁器4-1和线圈4-2，集磁器4-1将线圈4-2产生的脉冲电流进行聚焦，并在待冲裁板料6表面形成电磁力从而完成冲裁过程获得成形板料，可根据成形板料的形状要求配套设计集磁器4-1和线圈4-2的形状，同时由于线圈4-2的柔性较好，可绕制成各种复杂形状，具有良好的适应性；

脉冲放电单元与电磁单元4连接，其包括电容器组9、电阻10和开关11，电容器组9充电完成后，通过闭合开关11与电阻10形成放电回路，从而向线圈4-2放电形成脉冲电流。

进一步，上模板2与下模板5通过双头螺柱3和配套的螺母1进行连接，通过在对角四个位置设置双头螺柱3进行定位，上模板2与凸模7之间通过紧固螺钉8进行固定，电磁单元4与下模板5之间通过双头螺栓3进行固定，完成装配后凸模7与线圈4-2之间自由度被限制，整套装置相当于一体的，瞬间高能率的电磁力为装置参考系的内力，避免了大型吨位的固定设备的使用，因此装置的尺寸大大减小。

进一步，如图10所示，上模板2通过液压装置12控制其移动和固定，从而将上模板2、凸模7与下模板5、电磁单元4分为两套独立的系统进行控制，方便更换样品从而适应工业化大批量、高效率生产的要求，同时通过设置导柱13为上模板2的移动提供导向。

进一步，如图4、5所示，待冲裁板料6与上模板2之间还设置有橡胶体14和压边圈15，压边圈15设置于待冲裁板料6靠近凸模7的一侧，橡胶体14设置于压边圈15与上模板2之间，该橡胶体14优选为弹性聚氨酯橡胶体，由于其在电磁冲裁过程中会产生变形和震颤，使得待冲裁板料6在变形过程中压边不实从而使待冲裁板料6的自由部分会上下抖动，得到的落料件的断面上会存在圆角带、断裂带和反方向的一个撕裂带，进一步优化冲裁后的断面质量。

进一步，如图6、7所示，若待冲裁板料6的电导率不好，可在电磁单元4与待冲裁板料6之间设置匹配形状的刃口驱动片16，用于集聚电磁在待冲裁板料6的局部形成较大的切应力，进一步突出剪切冲裁的作用，能够对成形电导率较差的材料如高分子板料等进行高质量的冲裁。

进一步，电磁单元4与待冲裁板料6接触的一侧还设置有凸台结构或定位曲线，用于将待冲裁板料6进行定位。

进一步，集磁器4-1的厚度优选为趋肤深度的2倍～3倍。

进一步，待冲裁板料6优选电导率较好的材料如铝合金板或铜合金板，并且由于“趋肤效应”的限制，待冲裁板料6的厚度优选为0.5mm～10mm。

进一步，所述成形板料的形状优选为圆形、平面曲线轮廓件或空间曲线轮廓件。

本发明提供的基于集磁器的电磁冲裁装置具有极高的适应性，制作复杂曲线冲裁件时只需更换相对应的集磁器4-1或线圈4-2，或同时更换集磁器4-1和线圈4-2即可。

按照本发明的一个优选实施例，如图8a～8g所示，提出了一种用于制造复杂平面曲线轮廓冲裁件的电磁冲裁装置，当需要制造图8b所示的复杂平面曲线轮廓冲裁件时，可单独改变线圈4-2或集磁器4-1的形状，也可同时改变线圈4-2和集磁器4-1的形状；当单独改变线圈4-2的形状时，可生成如图8c所示的适应于冲裁件形状的线圈4-2；也可单独改变集磁器4-1的形状，采用如图8d所示的适应于冲裁件形状的集磁器4-1，保证集磁器4-1靠近待冲裁板料6侧的形状为匹配受力的条带状即可，图8e、8f和8g分别是集磁器4-1和线圈4-2的俯视图、仰视图和立体图。

按照本发明的另一个优选实施例，提出了一种用于制造复杂空间曲面轮廓冲裁件的电磁冲裁装置，当需要制造如图9a所示的复杂空间曲面轮廓冲裁件时，需要更换如图9b所示的凸模7和线圈4-2，图9c为适应于该部件的成形线圈。

本发明提供的基于集磁器的电磁冲裁装置在冲裁过程为：脉冲放电单元向线圈4-2放电后形成脉冲电流，集磁器4-1靠近线圈4-2的一侧产生感应电流，由于集磁器4-1狭缝的作用，若感应电流在其上表面逆时针流动，在狭缝中向下流动，则在其下表面呈现顺时针流动趋势，同理若上表面为顺时针流动则下表面为逆时针流动；加之上表面的面积比下表面的面积小，因此上表面的电流密度远远大于下表面的电流密度，从而在待冲裁板料6的表面产生感应电流进而产生呈条带状分布的瞬间高强度的电磁力，巨大的电磁力在板料内部以应力波的形式传播，在高压应力波的作用下，板料产生变形，之后在惯性力的作用下高速运动，在极高的速率下完成冲裁过程，因此本发明提供的装置中待冲裁板料6主要在拉应力的作用下发生失稳，而在传统冲裁装置中主要在剪切状态失稳；

进一步，在集磁器4-1的作用下，产生的呈条带状分布的瞬间高强度电磁力的宽度很窄，从而将电磁力集中在待冲裁板料6的废料部分的内径处，将电磁力集中成切割力的作用形式，从而能够最大程度利用电磁力的力量。

如图11a所示，传统冲裁条件下凸模与凹模的挤压摩擦使得表面不光滑，产生粗糙的毛刺，制得的成形板料的断面由四个部分组成：圆角带、光亮带、断裂带和毛刺，各断面区域均可以明显地观察出来，如图11b所示，采用本发明提供的基于集磁器的电磁冲裁装置制作的成形板料的断面只由圆角带和断裂带组成，冲裁后断面的质量较好，断面的圆角带较大，断裂带较平整，断面基本无毛刺。

使用如图1所示的基于集磁器的电磁冲裁装置进行冲裁时的操作过程包括如下步骤：

(i)将上模板2和凸模7利用紧固螺钉进行定位和固定，然后将电磁单元4和下模板5利用双头螺栓进行固定；

(ⅱ)采用厚度为1mm的1035铝合金作为待冲裁板料6，并将其放置于电磁单元4上，通过凸台结构进行定位；

(ⅲ)利用对称、分列布置的四组双头螺栓和螺母实现上模板2和下模板5的组装和定位；

(ⅳ)对电容器组器9进行充电，当电压达到25kv时停止充电，然后闭合开关11形成放电回路，线圈4-2上瞬间产生高强度的脉冲电流，根据电磁感应原理，在待冲裁板料6上产生感应电流，从而产生高能率的电磁力，待冲裁板料6发生高速变形，完成冲裁过程；

(ⅴ)将开关11断开并松开双头螺柱上的螺母，使电磁单元4与凸模7之间空出一定的距离，将制成的冲裁件取出后放入待冲裁板料6，紧固好双头螺柱上的螺母将其固定，通过闭合开关11完成冲裁过程，并重复以上操作完成下一次冲裁过程。

本发明还提出了一种基于集磁器的电磁冲裁方法，该方法包括如下步骤：

(a)将待冲裁板料6置于凸模7和电磁单元4之间，然后将上模板2与下模板5压紧；

(b)通过脉冲放电单元向线圈4-2放电，所述线圈4-2产生脉冲电流并通过集磁器4-1集聚，在待冲裁板料6表面形成电磁力从而完成冲裁过程获得成形板料；

(c)断开脉冲放电单元并将上模板2松开，将所述成形板料取出。

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 (10)

1.一种基于集磁器的电磁冲裁装置，其特征在于，该装置包括模具单元、电磁单元(4)和脉冲放电单元，其中：

所述模具单元包括上模板(2)、凸模(7)和下模板(5)，所述凸模(7)与所述上模板(2)连接并置于所述上模板(2)与下模板(5)之间，用于决定冲裁形状；

所述电磁单元(4)与所述下模板(5)连接，该电磁单元(4)包括集磁器(4-1)和线圈(4-2)，冲裁时，待冲裁板料(6)置于所述凸模(7)与电磁单元(4)之间，所述集磁器(4-1)将所述线圈(4-2)产生的脉冲电流进行聚焦，并在所述待冲裁板料(6)表面形成电磁力从而完成冲裁过程获得成形板料；

所述脉冲放电单元与所述电磁单元(4)连接，用于向线圈(4-2)放电形成脉冲电流。

2.如权利要求1所述的基于集磁器的电磁冲裁装置，其特征在于，所述上模板(2)与下模板(5)之间通过双头螺栓(3)和螺母(1)相互配合进行固定。

3.如权利要求1所述的基于集磁器的电磁冲裁装置，其特征在于，所述上模板(2)通过液压装置(12)控制其移动和固定，并通过设置导柱(13)为上模板(2)的移动提供导向。

4.如权利要求1～3任一项所述的基于集磁器的电磁冲裁装置，其特征在于，所述脉冲放电单元包括电容器组(9)、电阻(10)和开关(11)，所述电容器组(9)充电完成后，通过所述闭合开关(11)与所述电阻(10)形成放电回路。

5.如权利要求1～4任一项所述的基于集磁器的电磁冲裁装置，其特征在于，所述待冲裁板料(6)与上模板(2)之间还设置有橡胶体(14)和压边圈(15)，所述压边圈(15)设置于所述待冲裁板料(6)靠近凸模(7)的一侧，所述橡胶体(1)设置于所述压边圈(2)与上模板(2)之间。

6.如权利要求1～4任一项所述的基于集磁器的电磁冲裁装置，其特征在于，所述电磁单元(4)与待冲裁板料(6)之间还设置有刃口驱动片(16)，用于进一步放大电磁力形成局部切应力。

7.如权利要求6所述的基于集磁器的电磁冲裁装置，其特征在于，所述电磁单元(4)与所述待冲裁板料(6)接触的一侧还设置有凸台结构或定位曲线，用于将待冲裁板料(6)进行定位。

8.如权利要求7所述的基于集磁器的电磁冲裁装置，其特征在于，所述集磁器(4-1)的厚度优选为趋肤深度的2倍～3倍。

9.如权利要求8所述的基于集磁器的电磁冲裁装置，其特征在于，所述待冲裁板料(6)优选为铝合金板或铜合金板，该待冲裁板料(6)的厚度优选为0.5mm～10mm，所述成形板料的形状优选为圆形、平面曲线轮廓件或空间曲线轮廓件。

10.一种基于集磁器的电磁冲裁方法，其特征在于，采用如权利要求1～9任一项所述的基于集磁器的电磁冲裁装置进行冲裁，该方法包括如下步骤：

(a)将待冲裁板料(6)置于凸模(7)和电磁单元(4)之间，然后将上模板(2)与下模板(5)压紧；

(b)通过脉冲放电单元向线圈(4-2)放电，所述线圈(4-2)产生脉冲电流并通过集磁器(4-1)集聚，在待冲裁板料(6)表面形成电磁力从而完成冲裁过程获得成形板料；

(c)断开脉冲放电单元并将上模板(2)松开，将所述成形板料取出。