CN110177632A - 用于通过磁成形冲压的装置和相关联的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于冲压坯料(50)以生产冲压部件的装置(10)。该装置包括：冲头(21)，该冲头(21)包括支承表面(211)；砧座(22)；和用于产生磁场的装置(34)。冲压装置构造成在初始位置使得：冲头(21)的支承表面(211)意在用于接纳坯料(50)的第一表面(51)的一部分；砧座和用于产生磁场的装置意在用于布置在坯料的另一部分的两侧上，其中砧座(22)面向第一表面(51)且用于产生磁场的装置面向与第一表面相反的第二表面(52)。用于产生磁场的装置(34)能够在坯料(50)上沿ZZ’方向施加朝向砧座的压力。冲压装置还包括移动装置(23)，该移动装置(23)布置成使冲头(21)相对于用于产生磁场的装置(34)沿与ZZ’方向相反的方向移动。

Description

用于通过磁成形冲压的装置和相关联的方法

技术领域

本发明涉及成形领域，更具体地涉及冲压。

本发明涉及用于通过磁脉冲冲压坯料以生产冲压部件、特别是被称为深拉的部件的装置和方法。

背景技术

在成形领域、特别是金属成形领域中，冲压是经常被选择的方法，原因在于冲压是稳固的并且受到良好的控制。

由于可能的高生产速度，冲压通常用于工业中、特别是在汽车工业中，以用于形成特别是衬板、比如机动车辆的发动机罩或门。

冲压是一种用于成形的过程，该过程在于经由坯料在压力的作用下的塑性变形获得具有或多或少有些复杂的形状的部件。

用于实施该方法的用于冲压的装置总体上包括冲模和实际上具有互补形状的冲头，坯料定位在冲模与冲头之间。形状的获得通过在位于冲模中的冲头的作用下驱动坯料来完成。坯料的移动总体上由坯料保持件控制，该坯料保持件在坯料上施加保持压力，其目的是减少成品冲压部件上的折痕或撕裂的出现。

然而，在存在难以形成的部件、特别是深拉部件的情况下，难以选择要压印在坯料保持件上的夹持力。如果坯料保持件的力太高，则抑制了折痕但是撕裂的风险高。如果坯料保持件的力太弱，则形成折痕的风险高。

为了生产深拉部件，对用于冲压的方法的替代是已知的。

在所述替代之中，可以提及液压成形方法。在该方法中，坯料通过加压流体的作用而成形。

用于液压成形的相关联的装置包括由两个件形成的紧密密封的腔室，所述两个件中的一者是中空模具，该中空模具具有与试图获得的部件形状互补的印记。坯料安置在腔室内部。在腔室上施加将该腔室推靠在模具的印记上的液压。可以以各种方式对流体加压。在现有的液压成形方法中，可以提及电动液压成形方法(EHF)。

这样的方法具有许多优点，特别是弹性回复的显著降低或较低的制造成本。然而，主要缺点在于用于冲压部件所需的循环时间(水管理时间)并且在于需要将待成形的部件安置成与水接触(可能腐蚀)。

还可以提及成形的热方法，比如被称为SPF的用于超塑性成形的方法。该方法基于某些合金、例如钛的承受显著变形的能力。在下文中被称为超塑性合金的这些合金在特定的温度、压力和变形条件下能够达到有时超过1000％范围的延伸率，而常规合金通常仅变形约20％。

用于SPF成形的相关联的装置包括由两个件形成的紧密密封的腔室，所述两个件中的一者是中空模具，该中空模具具有与试图获得的部件的最终外部几何形状互补的印记。坯料安置在腔室内部并固定地保持在所述两个件之间。加压气体注入腔室中并通过使坯料变形来将坯料推靠在印记上。必须完美地控制压力和温度——对于钛合金而言温度约为900℃。

与用于SPF成形的装置和相关联的方法相关的明显缺点在于循环时间、成本以及仅可以使用某些材料的事实。

发明内容

本发明的目的具体在于通过提出一种允许用于获得冲压部件、并且特别是深拉部件的解决方案，来克服现有技术解决方案的局限性中的全部或部分局限性、尤其是上文中提到的那些局限性。

为此，本发明首先以一种用于冲压坯料以生产冲压部件的装置为目标，该装置包括：

-冲头，该冲头包括支承表面；

-砧座；

-用于产生磁场的装置。

术语“坯料”是指薄板、特别是由金属材料制成的薄板。当板的尺寸中的一个尺寸明显小于另外两个尺寸、通常小至少一个量级时，则称该板是薄的。

用于冲压的装置构造成在初始位置、即在冲压阶段之前使得：

-冲头的支承表面意在用于接纳坯料的第一表面的一部分；

-砧座和用于产生磁场的装置意在用于布置在坯料的另一部分的两侧上。

砧座面向第一表面，并且用于产生磁场的装置面向与第一表面相反的第二表面。用于产生磁场的装置远离所述第二表面。

用于产生磁场的装置意在并且构造成在坯料上沿砧座的方向压印沿ZZ’方向的压力。该压力使坯料、特别是坯料相对于砧座的部分突出成抵靠砧座。因此，部分地施加的压力将坯料部分地推靠在砧座上，从而致使所述坯料变形。

用于冲压的装置还包括移动装置，该移动装置布置成使冲头相对于用于产生磁场的装置沿与ZZ’方向相反的Z’Z方向移动。冲头有利地以平移方式移动。

冲头和砧座优选地由金属材料制成，以容纳由用于产生磁场的装置产生的高压。

根据本发明，坯料意在符合冲头的形状，以形成成品冲压部件。

根据本发明的用于冲压的装置与用于冲压的常规装置的区别在于，冲压不是由冲头本身执行，而是通过用于产生磁场的装置执行。

同样地，用于产生磁场的装置在单次使整个坯料成形的磁成形方法的常规框架中以不同的方式使用。用于产生磁场的装置以仅在坯料的一部分上不产生磁脉冲的方式设置。冲头相对于用于产生的装置的平移中的相对移位使得可以使坯料的将被磁脉冲接触的区域移动。

这样的装置有利地使得可以主要在压缩中工作但也可以在拉伸中工作。

因此，这样的用于冲压的装置特别适于生产冲压部件、特别是深拉部件，而不会在部件中产生折痕或撕裂。

该用于冲压的装置也适于生产外翻边缘，其具有可以通过磁成形提供的优点，比如获得曲率半径小于2mm的精细边缘或者获得接近的公差，以及避免材料在具有高延伸率的区域中开裂，特别是对于铝而言。

根据优选实施方式，本发明还响应于以下特征，所述特征单独实现或以所述特征的技术上可操作的组合中的每一种组合来实现。

根据优选实施方式，移动装置包括线性致动器。

根据优选实施方式，用于产生磁场的装置包括至少一个线圈。

根据优选实施方式，用于冲压的装置包括构造成调节砧座与用于产生磁场的装置之间的间距的调节装置。

根据优选实施方式，用于冲压的装置包括构造成对坯料的运动施加抵抗冲头的保持压力的坯料保持件。

本发明还涉及一种用于使用根据用于冲压的装置的实施方式中的一个实施方式的用于冲压的装置通过磁脉冲冲压坯料以生产冲压部件的方法。该方法包括下述步骤：

a)将坯料定位在用于冲压的装置中；

b)使该坯料经受由用于产生磁场的装置引起的磁场，使得压力沿ZZ’方向施加在坯料的第二表面上并将所述坯料推靠在砧座上；

c)通过移动装置使冲头沿与ZZ’方向相反的Z’Z方向移动，

优选同步地重复步骤b)和步骤c)，直到获得成品冲压部件的期望形状为止。

术语“同步”意味着步骤一个接一个地连续执行或者同时执行。

坯料以使得坯料仅搁置在冲头的支承表面上的方式定位在用于冲压的装置中。

当冲头移动时，通过用于产生的装置产生磁脉冲，该磁脉冲在一方面沿砧座的方向在坯料上施加轴向压力从而将所述坯料推压在所述砧座上，并且该磁脉冲在另一方面沿冲头的方向在坯料上施加径向压力从而将所述坯料推压在所述冲头上。

轴向压力使坯料的一部分突出成抵靠砧座。径向压力使坯料的另一部分突出成抵靠冲头。

这种轴向和径向的双重压力有利地允许坯料的变形和将坯料推靠在冲头上，从而使坯料匹配冲头的形状。

附图说明

在阅读下文中作为绝非限制性的示例给出并参照附图给出的描述时，将更好地理解本发明，附图示出了：

图1至图4是根据本发明的用于冲压的装置的实施方式的示意性横截面图，其示出了冲压坯料的连续步骤。

图5是等效于图1的示意图，图5示出了具有坯料保持件的用于冲压的装置的特定实施方式。

在这些附图中，从一个附图至另一个附图的相同的附图标记指示相同或相似的元件。为清楚起见，除非另有说明，否则所示元件未按比例示出。

具体实施方式

比如图1至图4中所示的用于冲压的装置10意在出于生产冲压部件、特别是深拉部件的目的而冲压坯料50。

在实施方式中，坯料50由金属材料、比如钢制成。

坯料50具有第一表面51和与第一表面相反的第二表面52。

在本发明的优选的非限制性实施方式中，比如如图1至图4中的横截面所示的用于冲压的装置10适于制造杯状件。术语“杯状件”是指具有中空的圆柱形形状的冲压部件。

本领域技术人员将容易理解的是，本发明的示教可以调换成其他实施方式。

在本说明书中，参照图1至图4中所示的各种元件的取向，出于简化的考虑而使用比如“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”的术语。然而，除非另有说明，否则在相对于整体在空间中的有效取向进行可能的假想旋转之后，这些术语仅表征这些元件的相对布局。

用于冲压的装置10包括第一框架20和第二框架30。第一框架20可以表示用于冲压的装置的上部部分，并且第二框架30可以表示用于冲压的装置的下部部分，比如图中所示。作为替代，并且在不脱离本发明的范围的情况下，第一框架20可以表示用于冲压的装置的下部部分、左部或右部，并且第二框架30相应地表示上部部分、右部或左部。

第一框架

第一框架20带有优选地位于中央的冲头21。

所述冲头包括支承表面211和侧壁212。

在成品冲压部件是杯状件的特定示例中，冲头具有圆柱形本体、优选地为完整的圆柱形本体的形式。

根据本发明，坯料50意在符合冲头21的外表面的形状。

因此，冲头21一旦受到冲压则在所述外表面上具有与成品部件的形状相对应的印记。

由于可以使冲头在缩回位置与展开位置之间移动的移动装置23，因而冲头21可以根据竖向轴线以平移方式移动。

在图4的示例中，冲头21被示出为处于展开位置。

移动装置23被手动或自动地致动。

在实施方式中，移动装置23包括至少一个线性、液压或气动致动器，比如在第一框架20与冲头21之间操作的汽缸。在该实施方式中，优选地，线性致动器的固定部分——例如汽缸的本体——被容置在制造在第一框架20中的凹部(未示出)中。线性致动器的可移动部分——例如汽缸的活塞——能够移出凹部以展开冲头21并且能够移动至凹部以使冲头21返回到冲头21的初始位置。特别有利地，冲头21的移动由控制装置控制。

在替代性实施方式中，移动装置23具有承载压力螺钉的支撑件的形式，其能够与冲头21配合以使冲头21以平移方式移动。

第一框架20还包括砧座22。

当所述冲头处于其缩回位置时，所述砧座围绕冲头21的侧壁212布置。

砧座和冲头以预定距离彼此间隔开。

在实施方式中，当冲头21具有圆柱形本体的形式时，砧座22具有围绕该冲头的环形本体的形式。

在实施方式中，砧座22可以形成第一框架20。

冲头在其支承表面上与砧座在自由端部221上处于间隔开的高度。

第二框架

第二框架30包括界定开放腔33的中空本体。

如图1至图4中所示，中空本体由上部部分31和侧部32形成。

第二框架30相对于第一框架20布置成使得：

–中空本体的开放腔33意在在冲头21沿Z’Z方向竖向移动至冲头21的展开位置时接纳冲头21；

-中空本体的侧部32的自由端部321基本上面向砧座22。

第二框架的中空本体的侧部32的自由端部321基本上面向砧座22的自由端部。

中空本体和冲头21具有下述尺寸：所述尺寸使得冲头21可以在开放腔33中自由移动，其中，在冲头21与开放腔33的相应表面之间具有用于使坯料50以其厚度通过的不可忽略的空间。

在非限制性实施方式中，当冲头21具有圆柱形本体的形式时，开放腔33具有围绕该冲头的环形本体的形式。

在实施方式中，冲头21的外表面和中空腔33的内壁具有几乎相同的形状，以实现操作间隙和成品冲压部件的最接近的厚度。

第二框架30还包括用于产生磁场的装置34。

用于产生磁场的装置34布置在中空本体的侧部32的面向砧座22的自由端部321上。

如图1至图4中所示，形成用于冲压的装置的元件——即冲头、砧座与用于产生磁场的装置34相对于彼此布置成使得：

-在用于冲压的装置的初始位置(图1)，即在用于冲压的方法开始之前，坯料50平直地定位在各个元件之间；

-在用于冲压的装置的最终位置(图4)，即在用于冲压的方法结束时，坯料50被推动成围绕冲头21，从而形成冲压部件。

更确切地，关于图1中所示的用于冲压的装置的初始位置，冲头21定位成使得冲头21的处于缩回位置或中间位置的支承表面211意在接纳坯料50的第一表面51的中央部分。坯料50搁置在冲头的支承表面上。砧座以面向坯料50的第一表面51的方式定位在所述坯料的周缘部分上，并且用于产生磁场的装置34以面向坯料的第二表面52的方式也定位在所述坯料的周缘部分上。坯料的第一表面51布置在与砧座22的自由端部221相距一定距离处。

用于产生磁场的装置34配置成用于并且意在产生集中在有界空间中并且持续非常短的时段的磁场。

优选地，比如图1至图4中所示，比如已定位的用于产生磁场的装置34因此能够并且意在在坯料50上沿ZZ’方向压印沿砧座22的方向的压力。部分地施加的压力将坯料推靠在砧座22上，从而致使所述坯料变形。

在实施方式中，用于产生磁场的装置34是线圈。

用于产生磁场的装置更优选地是还包括电能存储单元和一个或多个开关(未示出)的组的一体式部件。

电能存储单元配置成用于并且意在存储例如大约几千焦耳至几十千焦耳(kJ)的中等能量。

在优选实施方式中，存储单元是放电电容器电池。

第一框架20、第二框架30、砧座22和冲头21优选地由金属合金、例如钢制成，以具有下述结构抵抗性：所述结构抵抗性使得可以在将在下文中描述的用于冲压的方法期间容纳由坯料50对砧座22的冲击而产生的高压力。

在实施方式中，用于冲压的装置10包括布置成使砧座22以平移方式竖向移动的调节装置(未示出)。这样的装置使得可以减小或增大使砧座与用于产生磁场的装置34间隔开的间距e。间距e的尺寸具体取决于冲头的材料和几何形状以及电流的脉冲。使间距e的尺寸最大以减少放电的次数并因此减少成形时间。

在实施方式中，调节装置是线性、液压或气动致动器。

在实施方式中，如图5中所示，用于冲压的装置10包括坯料保持件60。坯料保持件容置在开放腔33中。坯料保持件构造成在所述坯料在冲头上处于适当位置时在坯料50与冲头21之间施加压力。对该压力的调节将影响坯料在其成形期间的进给。

在实施方式中，借助于压缩器61使坯料保持件维持成推靠在坯料50的第二表面52上。

在实施方式中，压缩装置是在坯料保持件与第二框架30的内表面311之间操作的弹簧或者线性、液压或气动致动器，比如汽缸。

现在对用于由这种用于冲压的装置进行冲压的方法的示例进行描述。

在先前步骤中，将坯料50切割成金属片材中的期望的尺寸(长度和宽度或直径以及厚度)。

在被称为步骤a)的第一步骤中，将坯料50定位在用于冲压的装置10中。

具有大致平坦的形状的坯料50定位在第一框架20与第二框架30之间，如图1中所示。

在实施方式中，在一方面，坯料50在其中央部分上布置在冲头21上。坯料50布置成使得坯料50的第一表面51抵靠冲头的支承表面211支承。

当用于冲压的装置包括坯料保持件60时，坯料50通过所述坯料保持件而被维持成抵靠冲头21的支承表面211支承。

在另一方面，坯料50在其周缘部分上布置在用于产生磁场的装置34与砧座22之间。坯料的第一表面51以面向砧座22的方式布置在与砧座22相距一定距离处。坯料的第二表面52布置成面向用于产生磁场的装置34。

坯料抵靠冲头21的支承表面211支承。坯料不抵靠砧座22支承。

在实施方式中，当坯料50已经安置在冲头上时，冲头21从冲头21的缩回位置沿着Z’Z方向以平移的方式移动，以使坯料50偏置成使得所述坯料的第二表面52在坯料的周缘部分上安置成与用于产生磁场的装置34紧邻、例如相距约1毫米。

该方法然后包括经由磁成形来使坯料50变形的被称为步骤b)的第二步骤。

坯料50的位于用于产生磁场的装置34附近的端部经受来自用于产生磁场的装置34的磁场，使得轴向压力施加在坯料50的第二表面52上并将所述坯料紧紧地推靠在砧座22上。图2中所示的箭头示出了施加在坯料50上的轴向压力。

因此，坯料50变形以抵靠砧座22。

在图2中所示的该步骤b)期间，用于产生磁场的装置34逐步使坯料50的周缘部分变形，以获得具有深度P1的第一冲压印记，该深度P1小于所寻求的最终冲压印记的深度P。

在该步骤b)结束时，坯料50变形并具有第一冲压印记。

在被称为步骤c)的第三步骤中，使冲头21移动。

冲头21通过移动装置23沿Z’Z方向平移，以通过从砧座22远离坯料50的周缘部分移动来驱动坯料50的移动，如图3中所示。

冲头21的移动以及坯料50的因此的移动沿与坯料50在步骤b)期间的移动方向相反的方向进行。

在该第三步骤的实施方式中，冲头21沿Z’Z方向移动下述高度：该高度足以使坯料50的第二表面52返回至紧邻用于产生磁场的装置34。

在实施方式中，冲头21相对于用于产生磁场的装置34和砧座22的相对运动是递增地进行的。

在实施方式中，冲头相对于用于产生磁场的装置和砧座的相对运动是连续进行的。坯料50的借助于用于产生磁场的装置34的成形相对于冲头的移动可以被认为是瞬时的。实际上，相对于由用于产生磁场的装置34产生的磁脉冲的持续时间(约1微秒)，冲头的移动的持续时间通常非常慢(约一秒)。在该实施方式的特定情况下，第二步骤和第三步骤同时进行而不改变所述步骤的结果。

在第四步骤中，按顺序再现步骤b)和步骤c)。

再现步骤b)和步骤c)，直到获得试图获得的成品冲压部件的深度P为止。

当冲头21相对于用于产生磁场的装置34的相对运动发生时，所述用于产生磁场的装置34有利地沿砧座22的方向在坯料50上施加轴向压力，从而将所述坯料推压在所述砧座上。所述用于产生磁场的装置34还沿冲头21的方向在坯料50上施加径向压力，从而将所述坯料推压在所述冲头上。坯料50的抵抗冲头21的该径向压力有利地允许所述坯料完美地匹配冲头21的外表面的形状。

步骤b)和步骤c)的重复次数尤其取决于构成坯料的材料、冲压部件的期望深度。

本发明不限于上文中作为非限制性示例描述的优选实施方式并且不限于所提及的替代方案。本发明还涉及在本领域技术人员的范围内的替代性实施方式。

上文中的描述清楚地表明，本发明通过其各种特征及其优点实现了为其设定的目标。具体地，本发明提出了一种用于冲压的装置，该装置适于生产冲压部件、特别是深拉部件，而不会在部件上产生折痕或撕裂。这样的用于冲压的装置和用于冲压的相关联的方法能够使得可以主要在压缩中作用在部件上但也可以在拉伸中作用在部件上。另外，由于高速倾向于最小化折痕的出现，因而本发明有利地使得可以生产外翻边缘。

Claims (6)

1.一种用于冲压坯料(50)以生产冲压部件的装置(10)，所述装置(10)包括：

-冲头(21)，所述冲头(21)包括支承表面(211)；

-砧座(22)；

-用于产生磁场的装置(34)；

所述用于冲压的装置构造成在初始位置使得：

-所述冲头(21)的支承表面(211)意在用于接纳所述坯料(50)的第一表面(51)的一部分；

-所述砧座(22)和所述用于产生磁场的装置(34)意在用于布置在所述坯料(50)的另一部分的两侧上，

其中，所述砧座(22)面向所述第一表面(51)，并且所述用于产生磁场的装置(34)面向与所述第一表面相反的第二表面(52)，所述用于产生磁场的装置(34)位于与所述第二表面相距一定距离处，

所述用于产生磁场的装置(34)意在并且构造成在所述坯料(50)上沿ZZ’方向施加朝向所述砧座的压力，从而将所述坯料推压在所述砧座上，

所述用于冲压的装置包括移动装置(23)，所述移动装置(23)布置成使所述冲头(21)相对于所述用于产生磁场的装置(34)沿与所述ZZ’方向相反的方向移动。

2.根据权利要求1所述的用于冲压的装置(10)，其中，所述移动装置(23)包括线性致动器。

3.根据前述权利要求中的一项所述的用于冲压的装置(10)，包括调节装置，所述调节装置构造成调节所述砧座(22)与所述用于产生磁场的装置(34)之间的间距。

4.根据前述权利要求中的一项所述的用于冲压的装置(10)，包括坯料保持件(60)，所述坯料保持件(60)构造成对所述坯料的移动施加抵抗所述冲头(21)的保持压力。

5.一种使用根据权利要求1至4中的一项所述的用于冲压的装置(10)通过磁脉冲冲压坯料(50)以生产冲压部件的方法，所述方法包括下述步骤：

a)将所述坯料(50)定位在所述用于冲压的装置(10)中；

b)使所述坯料经受由所述用于产生磁场的装置(34)引起的磁场，使得压力沿ZZ’方向施加在所述坯料(50)的第二表面(52)上并将所述坯料推靠在所述砧座(22)上；

c)通过所述移动装置使所述冲头(21)沿与所述ZZ’方向相反的方向移动，

重复步骤b)和步骤c)，直到获得对于成品冲压部件的期望形状为止。

6.根据权利要求5所述的用于冲压的方法，其中，当所述冲头(21)移动时，径向压力沿所述冲头的方向施加在所述坯料(50)上，从而将所述坯料推压在所述冲头上。