CN110102608B - 一种板料高精度u形弯曲的成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属板材成形领域，并具体公开了一种板料高精度U形弯曲的成形装置及方法，该装置包括凸模、与凸模配合的凹模和两个曲面螺旋线圈，凸模下端两侧圆角区加工有大小一致且对称的凹槽，两个曲面螺旋线圈分别安装在凸模的两个凹槽中，且其外轮廓与凸模外轮廓相匹配，两个曲面螺旋线圈串联，且连接有电磁成形放电装置，实现了凸模与线圈的一体化结构，并优化了曲面螺旋线圈结构，将电磁力场限定于对弯曲回弹有影响的弯曲圆角区域；同时利用该成形装置完成准静态预成形‑磁脉冲应力释放‑准静态终成形的成形工艺方法，克服磁脉冲校形时实现弯曲贴模困难的问题，实现板料高精度U形弯曲成形。

Description

一种板料高精度U形弯曲的成形装置及方法

技术领域

本发明属于金属板材成形领域，更具体地，涉及一种板料高精度U形弯曲的成形装置及方法。

背景技术

板料弯曲成形作为制造业中一种常见的加工方法，在工业中起着至关重要的作用，然而，回弹是板料在弯曲过程中不可避免的现象，严重影响到零件的成形精度。在传统弯曲成形过程中，主要采用过弯法和试错法进行工艺分析和模具设计，来控制弯曲后的回弹现象，但这需要多次试模和修模，造成生产效率的降低和生产成本的提高，随着新产品更新频率加快，传统弯曲成形方法难以满足实际生产需求。因此，寻求一种新的成形方法来控制板料弯曲中的回弹现象是急需解决的问题。

磁脉冲成形是一种使用瞬态电磁力加工板料的高速率成形方法，电磁力是一种高速体积力，可提高材料的成形极限，且磁脉冲成形过程中的惯性作用有助于分散变形，改善应力状态，从而可抑制回弹。在文献“Iriondo E,M.A.Gutiérrez,B.González,etal.Electromagnetic impulse calibration of high strength sheet metalstructures[J].Journal of Materials Processing Technology,2011,211(5):909-915”中，E.Iriondo等将平面螺旋线圈嵌入凸模，将弯曲板料先进行准静态冲压成形，然后再进行磁脉冲校形，研究表明在弯曲圆角区施加电磁力能有效控制回弹；在文献“刘大海,周文华,李春峰.U形件磁脉冲辅助弯曲回弹控制及变形分析[J].中国有色金属学报,2013(11)”中，刘大海等采用内嵌式平板矩形线圈对弯曲角部施加脉冲电磁力，采用准静态冲压成形和磁脉冲校形的方式控制回弹，并研究了在自由弯曲和压靠弯曲的回弹控制效果；专利CN108672543A公开了一种板料弯曲回弹的电磁控制成形装置和方法，其装置的压边圈底部端面和凹模顶部端面设置凹槽，在凹槽区域布置成形线圈施加电磁力使材料产生反向弯曲，从而控制弯曲回弹。

但上述准静态冲压成形和磁脉冲校形相结合的两步工艺控制回弹存在以下不足：(1)采用平面线圈将电磁力施加于弯曲圆角区，往往导致成形线圈产生的电磁力场超出弯曲圆角区范围，不但造成能量的浪费，并且很难保证在弯曲圆角区获得均匀的电磁力场，同时电磁力场对板料其他变形区域可能造成不利影响；(2)为保证电磁力集中、均匀分布于弯曲圆角区域，往往采用集磁器、匀压力线圈等，这会增加模具的整体复杂度，并降低模具的强度，增加模具生产周期和成本；(3)采用磁脉冲校形将电磁力施加于弯曲圆角区，虽然能有效控制弯曲回弹角，但是在电磁力作用下弯曲圆角区材料与凸凹模圆角间隙间发生高速碰撞，造成圆角区成形精度难以控制，对于高精度成形弯曲圆角半径难以满足要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种板料高精度U形弯曲的成形装置及方法，其优化了曲面螺旋线圈结构，将曲面螺旋线圈安装在凸模上，实现了凸模与线圈的一体化结构，并将电磁力场限定于对弯曲回弹有影响的弯曲圆角区域；采用准静态预成形-磁脉冲应力释放-准静态终成形的成形工艺方法，有效控制板料弯曲成形后的回弹现象，同时保证弯曲圆角区的成形精度，从而实现板料高精度弯曲成形。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种板料高精度U形弯曲的成形装置，其包括凸模、凹模和两个曲面螺旋线圈，其中：

所述凸模下端两侧圆角区加工有大小一致且对称的凹槽；两个所述曲面螺旋线圈分别安装在所述凸模的两个凹槽中，且其外轮廓与所述凸模外轮廓相匹配，两个所述曲面螺旋线圈串联，且连接有电磁成形放电装置，所述电磁成形放电装置用于实现曲面螺旋线圈的充电和放电过程；所述凹模的形状与所述凸模配套，其用于放置待弯曲的板料。

作为进一步优选的，所述曲面螺旋线圈包括线圈内骨架、线圈外骨架和导线，所述线圈内骨架嵌入在所述线圈外骨架中，所述线圈内骨架上开设有沿圆弧面的螺旋状等分的线圈槽，所述导线嵌装在该线圈槽内。

作为进一步优选的，所述线圈内骨架与所述线圈外骨架间的配合间隙，以及所述线圈内骨架与所述导线间均采用固化材料填充加固。

作为进一步优选的，所述线圈外骨架的圆角半径R₁与所述板料完成弯曲成形后的圆角半径R一致，所述导线沿半径为R₂的圆弧曲面呈螺旋状等分分布，且R₂＝R₁-2mm，所述线圈内骨架的圆角半径R₃＝R₂-0.1mm。

作为进一步优选的，当所述板料弯曲成形后的圆角半径R<12mm时，所述导线的匝数n＝1，当R≥12mm时，R每增加6mm，所述导线的匝数n增加1匝。

作为进一步优选的，所述导线间的匝间距Z为1.5～3.5mm。

按照本发明的另一方面，提供了一种板料高精度U形弯曲的成形方法，其采用所述的装置实现，包括如下步骤：

S1将待弯曲的板厚为δ的板料置于凹模上表面，保证板料的中心线与凹模上表面中心线重合；

S2凸模下压，对板料进行弯曲成形，当凸模下压到凸模下表面与凹模上表面距离为2δ时，凸模停止下压，完成板料准静态预成形，此时板料的弯曲圆角区累积有残余应力；

S3保持凸模固定不动，控制电磁成形放电装置对两个曲面螺旋线圈进行充电和放电，使两个曲面螺旋线圈产生对称的电磁力场，并作用于板料的弯曲圆角区，该板料的弯曲圆角区材料在电磁力的作用下在凹模和凸模之间产生碰撞和往复的惯性运动，从而释放在准静态预成形过程中板料的弯曲圆角区累积的残余应力，完成磁脉冲应力释放；

S4凸模继续下压保证板料实现良好贴模，完成板料准静态终成形，最终实现板料的高精度U形弯曲成形。

作为进一步优选的，在步骤S3中，所述电磁成形放电装置的放电电压

其中R为板料完成弯曲成形后的弯曲圆角半径。

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.本发明优化了曲面螺旋线圈的结构，并将曲面螺旋线圈安装在凸模中，使其外轮廓与凸模外轮廓相匹配，实现了凸模与线圈的一体化结构，降低了整体装置复杂度。

2.本发明基于准静态U形弯曲力学特性，将曲面螺旋线圈中的导线采用螺旋等分方式布置在圆弧面上，将电磁力场限定在对弯曲回弹有影响的板料弯曲圆角区，并保证弯曲圆角区电磁力场的均匀性，避免电磁力对板料直壁区和底部区产生的影响，同时节约成形所需的能量。

3.本发明的曲面螺旋线圈采用线圈内骨架和线圈外骨架配合结构，将导线嵌入到线圈内骨架中，并采用固化材料加固线圈，极大的提高了线圈的受力强度和使用寿命。

4.本发明采用准静态预成形-磁脉冲应力释放-准静态终成形的弯曲工艺方法，将传统的电磁校形工艺既需要消除残余应力又需实现完全贴模解耦开，使用准静态终成形代替电磁校形来实现板料的弯曲贴模，克服了磁脉冲校形中在高速电磁力作用下实现弯曲贴模困难的问题，同时使工艺控制简单、贴模精度高。

5.本发明建立了放电电压U与板料厚度δ和弯曲圆角半径R的数学关系模型，并在应力释放阶段中控制凸模和凹模的间隙为2δ，使板料的弯曲圆角区材料在电磁力的作用下，在凸模和凹模之间产生碰撞和往复的惯性运动，从而充分释放由于准静态预成形所积累的残余应力，同时由于板料在准静态终成形阶段的变形量小，对应力释放阶段后板料弯曲圆角区的应力状态影响较小，保证最终成形后圆角区内外层材料切向应力较小，有效控制弯曲后的回弹，同时保证弯曲圆角区的成形精度，从而实现高精度弯曲成形。

6.本发明将电磁力作用于弯曲圆角区，不仅能够消除板料弯曲圆角区的残余应力，同时电磁力这种高速体积力的作用也能提高材料成形极限，因此可实现难变形材料以及弹性模量小的材料的弯曲，比如铝合金材料、镁合金材料。

附图说明

图1是本发明实施例的一种板料高精度U形弯曲的成形装置结构示意图；

图2是本发明实施例的曲面螺旋线圈结构示意图，其中，(a)为线圈外轮廓和内轮廓结构，(b)为导线空间分布，(c)为线圈截面示意图；

图3是本发明实施例板料在准静态预成形阶段示意图；

图4a是本发明实施例板料在磁脉冲应力释放阶段弯曲圆角区电磁力分布示意图；

图4b是本发明实施例板料在磁脉冲应力释放阶段弯曲圆角区变形过程局部示意图；

图5是本发明实施例板料在准静态终成形阶段示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-凸模，2-曲面螺旋线圈，3-板料，4-凹模，5-螺钉，6-电磁成形放电装置，7-线圈内骨架，8-线圈外骨架，9-导线。

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所示，本发明实施例提供的一种板料高精度U形弯曲的成形装置，该装置包括凸模1、凹模4和两个曲面螺旋线圈2，其中，凸模1下端两侧圆角区加工有大小一致且对称的凹槽；两个曲面螺旋线圈2分别通过螺钉5安装在凸模1的两个凹槽中，且其外轮廓与凸模1外轮廓相匹配，保证凸模1的形状与加工凹槽前一致，两个曲面螺旋线圈2串联以使两曲面螺旋线圈2中的电流相同，从而保证成形时两个曲面螺旋线圈2产生对称的电磁力场，使板料3两边弯曲圆角区受力一致，并且曲面螺旋线圈2连接有电磁成形放电装置6，电磁成形放电装置6用于曲面螺旋线圈2的充电和放电过程；凹模4的形状与凸模1配套，其用于放置待弯曲的板料3。

进一步的，如图2所示，曲面螺旋线圈2包括线圈内骨架7、线圈外骨架8和导线9，线圈内骨架7嵌入在线圈外骨架8中，线圈内骨架7上有按照导线9预定的空间布置加工的沿圆弧面的螺旋状等分线圈槽，导线9嵌装在该线圈槽内，导线9的螺旋状等分分布可使成形时其在板料3弯曲圆角区产生均匀的电磁力场，且线圈内骨架7与线圈外骨架8间的配合间隙，以及线圈内骨架7与导线9间均采用固化材料填充加固，从而保证曲面螺旋线圈2的强度，优选的，线圈内骨架7和线圈外骨架8的材料为环氧树脂，导线9的材料为紫铜，截面为方形，截面大小为2×2mm²。

进一步的，线圈外骨架8的圆角半径R₁与板料3完成弯曲成形后的圆角半径R一致，导线9沿半径为R₂的圆弧曲面呈螺旋状等分分布，且R₂＝R₁-2mm，线圈内骨架7的圆角半径R₃＝R₂-0.1mm。

具体的，当板料3弯曲成形后的圆角半径R<12mm时，导线9的匝数n＝1，当12mm≤R<18mm时，n＝2，当18mm≤R<24mm时，n＝3，即当R≥12mm时，R每增加6mm，导线9的匝数n增加1匝，相应的导线9间的匝间距Z为1.5～3.5mm，保证曲面螺旋线圈2的强度。

优选的，待弯曲板料3的厚度δ为0.5～5mm，成形后弯曲圆角半径R为6～50mm时，该装置有较好的工作效果。

采用上述装置进行经过准静态预成形、磁脉冲应力释放和准静态终成形三个阶段的板料U形弯曲成形，具体包括如下步骤：

S1将待弯曲的板厚为δ的板料3置于凹模4上表面，保证板料3的中心线与凹模4上表面中心线重合；

S2如图3所示，凸模1下压，对板料3进行自由弯曲成形，当凸模1下压到凸模1下表面与凹模4上表面距离为H时，凸模1停止下压，完成板料准静态预成形，此时板料3的弯曲圆角区累积有残余应力；

S3保持凸模1固定不动，控制电磁成形放电装置6对两个曲面螺旋线圈2进行充电和放电，使两个曲面螺旋线圈2产生对称的电磁力场，并作用于板料3的弯曲圆角区，如图4a所示；该板料3的弯曲圆角区材料在电磁力的作用下，在凹模4和凸模1之间产生碰撞和往复的惯性运动，如图4b所示，板料3圆角区材料会从初始态加速运动，而与凹模4圆角发生高速碰撞，进一步反弹而与凸模1发生碰撞，在与凹模4和凸模1的碰撞过程中，板料3释放在准静态预成形过程中弯曲圆角区累积的残余应力，完成磁脉冲应力释放阶段；

S4凸模1继续下压，保证板料3的直壁区、弯曲圆角区和底部区域都实现良好贴模，完成板料准静态终成形，如图5所示，最终实现板料3的高精度U形弯曲成形。

具体的，步骤S2中H＝2δ，此时凸模1和凹模4之间存在合适的间隙，以便步骤S3中板料3残余应力的充分释放，同时使板料3在步骤S2准静态预成形过程中有较大的弯曲变形量，保证步骤S4准静态终成形过程中板料3的弯曲圆角区和底部区域变形量小，对板料3经过步骤S3时所形成的应力状态影响较小；步骤S3中电磁成形放电装置6的放电电压

其中R为板料3完成弯曲成形后的弯曲圆角半径，采用上述间隙值H和放电电压值U，能保证在弯曲圆角区产生合适的电磁力场，且圆角区材料在电磁力场作用下在凹模4和凸模1之间产生碰撞和往复的惯性运动，从而充分释放残余应力，实现板料的高精度成形。

以下为本发明的具体实施例：

实施例1

待弯曲板料的尺寸为180×80×1mm³，其弯曲圆角半径R＝20mm，材料为5052铝合金，曲面螺旋线圈中线圈外骨架的圆角半径R₁＝R＝20mm，导线所分布的圆弧半径R₂＝R₁-2＝18mm，线圈内骨架的圆角半径R₃＝R₂-0.1＝17.9mm，具体步骤为：

S1将待弯曲的板厚δ＝1mm的板料置于凹模上表面，保证板料中心线与凹模上表面中心线重合；

S2准静态预成形：将凸模下压，对板料进行自由弯曲成形，当凸模下压到凸模下表面至凹模上表面距离为2mm时，凸模停止下压；

S3磁脉冲应力释放：保持凸模固定不动，控制电磁成形放电装置实现对曲面螺旋线圈充电和放电，其中放电电压

kV，在板料弯曲圆角区域产生均匀的电磁力场，圆角区材料在高速电磁体积力的作用下，在凸模和凹模之间产生往复的惯性运动，通过碰撞板料释放准静态预成形过程弯曲圆角区累积的残余应力；

S4准静态终成形：凸模继续下压，保证待成形板料直壁区、弯曲圆角区和底部区域都实现良好贴模，实现板料的高精度U形弯曲成形。

综上，本发明基于准静态U形弯曲及回弹力学特性，优化线圈的结构设计，实现凸模与线圈的一体化结构，提高线圈的受力强度和使用寿命，且优化了线圈中导线的空间布置，将电磁力场限定于对弯曲回弹有影响的弯曲圆角区域，并保证弯曲圆角区电磁力场的均匀性；采用了准静态预成形-磁脉冲应力释放-准静态终成形的成形工艺方法，利用准静态预成形实现弯曲大变形量，利用电磁体积力作用实现弯曲圆角区的应力释放，利用准静态终成形实现弯曲贴模，克服磁脉冲校形中在高速电磁力作用下实现弯曲贴模困难的问题，有效控制板料弯曲后的回弹现象，同时保证弯曲圆角区的成形精度，从而实现板料高精度弯曲成形。

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 (6)

1.一种板料高精度U形弯曲的成形装置，其特征在于，包括凸模(1)、凹模(4)和两个曲面螺旋线圈(2)，其中：

所述凸模(1)下端两侧圆角区加工有大小一致且对称的凹槽；两个所述曲面螺旋线圈(2)分别安装在所述凸模(1)的两个凹槽中，且其外轮廓与所述凸模(1)外轮廓相匹配，两个所述曲面螺旋线圈(2)串联，且连接有电磁成形放电装置(6)，所述电磁成形放电装置(6)用于实现曲面螺旋线圈(2)的充电和放电过程；所述凹模(4)的形状与所述凸模(1)配套，其用于放置待弯曲的板料(3)；

所述曲面螺旋线圈(2)包括线圈内骨架(7)、线圈外骨架(8)和导线(9)，所述线圈内骨架(7)嵌入在所述线圈外骨架(8)中，所述线圈内骨架(7)上开设有沿圆弧面的螺旋状等分的线圈槽，所述导线(9)嵌装在该线圈槽内；

所述线圈外骨架(8)的圆角半径R₁与所述板料(3)完成弯曲成形后的圆角半径R一致，所述导线(9)沿半径为R₂的圆弧曲面呈螺旋状等分分布，且R₂＝R₁-2mm，所述线圈内骨架(7)的圆角半径R₃＝R₂-0.1mm。

2.如权利要求1所述的板料高精度U形弯曲的成形装置，其特征在于，所述线圈内骨架(7)与所述线圈外骨架(8)间的配合间隙，以及所述线圈内骨架(7)与所述导线(9)间均采用固化材料填充加固。

3.如权利要求1所述的板料高精度U形弯曲的成形装置，其特征在于，当所述板料(3)弯曲成形后的圆角半径R<12mm时，所述导线(9)的匝数n＝1，当R≥12mm时，R每增加6mm，所述导线(9)的匝数n增加1匝。

4.如权利要求3所述的板料高精度U形弯曲的成形装置，其特征在于，所述导线(9)间的匝间距Z为1.5～3.5mm。

5.一种板料高精度U形弯曲的成形方法，其采用如权利要求1-4任一项所述的装置实现，其特征在于，包括如下步骤：

S1将待弯曲的板厚为δ的板料(3)置于凹模(4)上表面，保证板料(3)的中心线与凹模(4)上表面中心线重合；

S2凸模(1)下压，对板料(3)进行弯曲成形，当凸模(1)下压到凸模(1)下表面与凹模(4)上表面距离为2δ时，凸模(1)停止下压，完成板料准静态预成形，此时板料(3)的弯曲圆角区累积有残余应力；

S3保持凸模(1)固定不动，控制电磁成形放电装置(6)对两个曲面螺旋线圈(2)进行充电和放电，使两个曲面螺旋线圈(2)产生对称的电磁力场，并作用于板料(3)的弯曲圆角区，该板料(3)的弯曲圆角区材料在电磁力的作用下在凹模(4)和凸模(1)之间产生碰撞和往复的惯性运动，从而释放在准静态预成形过程中板料(3)的弯曲圆角区累积的残余应力，完成磁脉冲应力释放；

S4凸模(1)继续下压保证板料(3)实现良好贴模，完成板料准静态终成形，最终实现板料(3)的高精度U形弯曲成形。

6.如权利要求5所述的板料高精度U形弯曲的成形方法，其特征在于，在步骤S3中，所述电磁成形放电装置(6)的放电电压

其中，R为板料(3)完成弯曲成形后的弯曲圆角半径。

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