CN110586841A - 一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置 - Google Patents

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张润凯
李云涛
朱卫东
翟月雯
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Abstract

一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置。电磁成形能提高材料成形极限，提高铆钉成形效果。该发明的铆接成形装置包括底板、导向座、上板、导向板、支柱、墩头上下模、平板螺旋线圈、导向杆、冲头、驱动板、压块和成形铆钉。该发明还提供了采用上述装置的成形方法，步骤包括：一、将铆钉穿过钻有通孔的金属板材并用压块固定；二：保持铆钉和墩头下模垂直，使钉头一侧和墩头下模充分接触，另一侧和墩头上模接触；三、完成对铆钉的成形；四：取下铆接成形件。本发明能够得到较优的铆接接头，提高了铆接强度和疲劳周期，同时本成形装置易于装配，操作方便，通用程度高。

Description

一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置
技术领域
本发明属于零件成形制造领域，特别是涉及航空航天制造领域项目生产中新技术、新工艺，还涉及基于电磁脉冲进行同种或异种材料铆接成形连接的方法和成形装置。
背景技术
在目前航空航天制造领域，铆接技术工艺简单、结构较轻，较之螺栓、焊接很大程度上降低了工件重量。
电磁脉冲成形是一种高速率成形技术，可显著提高材料的成形性能，它是利用瞬态电磁力，实现对金属材料的塑性成形，具有无润滑、无机械接触、高速率、模具简单(单模成形)等特点。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的成形性能，并称之为高速性。
电磁脉冲成形和铆接的结合，是铆接的一个新领域，其对工件结构冲击小，冲击行程小，铆钉杆的膨胀均匀，对铆接件的挤压损伤小。
异种材料工件铆接时，铆钉和板材间隙对铆钉钉杆膨胀甚至接头的干涉量有较大影响，影响异种结构铆接的质量。目前的电磁铆接技术主要是电磁铆接设备，比如中国专利：“一种电磁铆接设备”ZL00113765.4；“一种低压电磁铆接设备”CN2865927，该设备采用单枪铆接代替双枪结构，设备电压为1kV～2kV的并联大容量脉冲电容器组，实现500V以下铆接。欧洲专利0293257公开的“低压电磁铆接设备”，这种设备通过多个电容器并联增大设备总的电容量，降低加载速率，低压放电。
上述专利公开的设备和方法研究对金属与复合材料的铆接稳定性研究不够理想，不能完成大直径铆钉的铆接，也不能保证大长度铆钉的均匀干涉成形及异种铆接材料结构寿命的要求，同时对高压电磁铆接及如何成形质量的工艺方法较少有相关研究。
发明内容
本发明的目的是为了克服传统铆接技术干涉量较大、较难成形、成形精度和效率低等问题，以及提高电磁脉冲铆接在高电压下的成形工艺质量，本发明提出了一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置。
一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置，其特征在于，所述成形装置包括底板(1)和上板(12)，底板(1)和上板(12)通过螺栓支柱(5)连接固定，同时中间有导向板(6)也通过螺栓支柱(5)连接，导向板(6)中间设有导向座(7)；上板通过螺栓固定有平板螺旋线圈(11)。上板(12)、平板螺旋线圈(11)和驱动板(10)上开有通孔，导向杆(13)穿过上板(12)和平板螺旋线圈(11)上的通孔并与下面的驱动板(10)固定连接，驱动板可上下移动；冲头(8)由放在导向座上的弹簧(9)支撑，并放如导向座(7)内；冲头下部连接墩头上模(3)，底板(1)上连接墩头下模(2)，铆钉在墩头上模(3)和墩头下模(2)之间受驱动板冲击冲头的能量而变形，从而达到要求的电磁铆接成形效果。
所述上板、平板螺旋线圈和驱动板上开有通孔，导向杆穿过上板和平板螺旋线圈并通过螺栓固定在驱动板上，导向杆保证驱动板垂直于平板螺旋线圈移动；所述上板和导向板通过固定螺母固定在螺栓支柱上；所述底板上设有模座通过螺钉连接墩头下模，模座和墩头下模两者中心放置。所述底板上还设有压块并通过螺钉固定在底板上，用于固定待铆接成形的板材。所述墩头上模通过螺纹连接固定在冲头上，墩头上模型腔的直径多于铆钉直径2mm、所倒圆角半径为2mm以满足直径为6mm的铆钉铆接的成形要求。
进一步的，所述平板螺旋线圈，采用平板螺旋绕法绕制，并以环氧树脂浇灌，加强其稳固性，减弱内部放电的相互斥力，并通过螺栓固定在上板，平板螺旋线圈中心开有通孔。
进一步的，所述导向杆穿过平板螺旋线圈和上板中心通孔，导向杆和驱动板固定在一起，放置在冲头上，导向杆作用是保证平板螺旋线圈稳定以及驱动板上下垂直运动。
进一步的，所述铆钉中心开10mm十字型深孔，和墩头上模接触时，变形向两侧扩展更充分，有利于得到良好电磁铆接接头。
进一步的，所述驱动板受到电磁力作用，高速冲击冲头，进而冲头受力进行运动，完成铆接成形。
所述一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置的实施方法的步骤如下：
步骤一：装配好所有成型装置；将平板螺旋线圈通过螺栓固定在上板上，将导向杆和驱动板连接固定在一起，并穿过平板螺旋线圈和上板的通孔，调整螺母保证上板、导向板和底板平行；
步骤二：将板材打孔，用铆钉穿过，然后放置在底板上的墩头下模上，并用压块压紧；
步骤三：进行充放电，完成电磁铆接；具体操作为：
关闭放电开关，电容器开始放电，在平板螺旋线圈上产生变化的电流，驱动板上产生感应电流，驱动板受到电磁力的作用产生高速运动，进而冲击冲头，冲头底部的墩头上模同步高速运动与铆钉进行高速碰撞使铆接进行瞬时塑性变形，完成整个铆接过程；
步骤四：取出成形件，松开压块的螺母，依次取下压块和铆接板材，得到铆接成形件。
本发明的优点和有益效果：
1.本发明的一种基于电磁脉冲板材铆接成形装置的电磁脉冲元器件平板螺旋线圈，可实现3kV～10kV的高压充放电，满足大电压电磁铆接的需求；
2.本发明的一种基于电磁脉冲板材铆接成形装置，待铆接件(板材)组装方便，并用压块压实，板材与模具贴合紧密，提高了成形精度，也提高放电的能量利用率。减少上板、导向板、冲头的零件尺寸及加工材料成本，还降低后续模具安装的复杂程度。同时可以调整墩头上模来得到不同形貌的铆接结合头，从而有利于不同材料的板材铆接和质量的提高。
附图说明
附图1是一种基于电磁脉冲板材铆接成形装置的剖面图。
附图2是一种基于电磁脉冲板材铆接成形装置的平板螺旋线圈示意图。
附图3是一种基于电磁脉冲板材铆接成形装置的铆钉成形冲击的原理示意图，其中图A冲击前，图B为冲击后。
附图4是一种基于电磁脉冲板材铆接成形装置的铆钉示意图。其中图A为铆钉俯视图，B为铆钉正面剖视图。
图中：1.底板、2.墩头下模、3.墩头上模、4.压块、5.螺栓支柱、6.导向板、7.导向座、8冲头、9.弹簧、10.驱动板、11.平板螺旋线圈、12.上板、13.导向杆、14.固定螺母、15.模座。
具体实施方式
实施例1：
本发明通过设计模具和铆接板材，基于电磁脉冲高速率成形技术，即脉冲电流和线圈脉冲磁场产生的电磁力，磁压力驱使驱动板冲击铆钉，铆钉达到铆钉材料的屈服强度时，发生塑性变形。结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明所采用的基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置包括：底板(1)和上板(12)，底板和上板通过螺栓支柱(5)连接固定，同时中间有导向板(6)也通过螺栓支柱连接，导向板中间设有导向座(7)；上板通过螺栓固定有平板螺旋线圈(11)，上板(12)、平板螺旋线圈(11)和驱动板(10)上开有通孔，导向杆(13)穿过上板、平板螺旋线圈和下面的驱动板(10)上的通孔，导向杆(13)的下端与驱动板(10)固定连接，保证驱动板可上下移动；冲头(8)由放在导向座上的弹簧(9)支撑；冲头下部连接墩头上模(3)，底板上连接墩头下模(2)，铆钉在墩头上模和墩头下模之间受驱动板冲击冲头的能量而变形，从而达到要求的电磁铆接成形效果。
平板螺旋线圈由非导电材料环氧树脂包裹，作用为加固，平板螺旋线圈和上板开有导向孔。导向杆和驱动板固定连接在一起并穿过平板螺旋线圈和上板通孔，保证驱动板上下运动。
冲头和墩头上模通过螺纹连接，墩头上模型腔可以设计成不同的直径、不同的倒角满足不同铆钉及成形要求。
具体实施方式：一种基于电磁脉冲进行板材铆接成形装置，对本发明详细说明和解释，但不限定本发明，具体实例步骤如下：
步骤一：装配好所有成型装置；将平板螺旋线圈通过螺栓固定在上板上，将导向杆穿过平板螺旋线圈和上板的通孔，并和驱动板固定连接在一起，调整螺母保证上板、导向板和底板平行；
步骤二：将板材打孔，用铆钉穿过，然后放置在底板上的墩头下模上，并用压块压紧；
步骤三：进行充放电，完成电磁铆接；具体操作为：
关闭放电开关，电容器开始放电，在平板螺旋线圈上产生变化的电流，驱动板上产生感应电流，驱动板受到电磁力的作用产生高速运动，进而冲击冲头，冲头底部的墩头上模同步高速运动与铆钉进行高速碰撞使铆接进行瞬时塑性变形，完成整个铆接过程；
步骤四：取出成形件，松开压块的螺母，依次取下压块和铆接板材，得到铆接成形件。

Claims (9)

1.一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置，其特征在于，所述成形装置包括底板(1)和上板(12)，底板(1)和上板(12)通过螺栓支柱(5)连接固定，同时中间有导向板(6)也通过螺栓支柱(5)连接，导向板(6)中间设有导向座(7)；上板通过螺栓固定有平板螺旋线圈(11)，导向杆(13)穿过上板(12)和平板螺旋线圈(11)并与下面的驱动板(10)固定连接，驱动板可上下移动；冲头(8)由放在导向座上的弹簧(9)支撑，并放入导向座(7)内；冲头下部连接墩头上模(3)，底板(1)上连接墩头下模(2)，铆钉在墩头上模(3)和墩头下模(2)之间受驱动板冲击冲头的能量而变形，从而达到要求的电磁铆接成形效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置，其特征在于，上板(12)、平板螺旋线圈(11)和驱动板(10)上开有通孔，导向杆(13)穿过上板(12)和平板螺旋线圈(11)，导向杆(13)的下端与驱动板(10)固定连接；导向杆(13)保证驱动板垂直于平板螺旋线圈(11)上下移动；所述上板(12)和导向板(6)通过螺纹连接固定(14)固定在螺栓支柱(5)上；所述底板(1)上设有模座(15)，在底板中心上放置，通过螺钉固定在底板上，墩头下模(2)也是通过螺钉固定在模座上。
3.根据权利要求2所述的一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置，其特征在于：所述底板上还设有压块并通过螺钉固定在底板上，用于固定待铆接成形的板材。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置，其特征在于：所述墩头上模通过螺纹连接固定在冲头上，墩头上模型腔的直径多于铆钉直径2mm、所倒圆角半径为2mm以满足直径为6mm的铆钉铆接的成形要求。
5.根据权利要求4所述的一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置，其特征在于：铆钉中心开一个10mm深的十字型深孔。
6.根据权利要求1所述的一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置，其特征在于，该成形装置的实施方法包括如下步骤：
步骤一：装配好所有成型装置；将平板螺旋线圈通过螺栓固定在上板上，将导向杆和驱动板连接固定在一起，并穿过平板螺旋线圈和上板的通孔，调整螺母保证上板、导向板和底板平行；
步骤二：将板材打孔，用铆钉穿过，然后放置在底板上的墩头下模上，并用压块压紧；
步骤三：进行充放电，完成电磁铆接；具体操作为：
关闭放电开关，电容器开始放电，在平板螺旋线圈上产生变化的电流，驱动板上产生感应电流，驱动板受到电磁力的作用产生高速运动，进而冲击冲头，冲头底部的墩头上模同步高速运动与铆钉进行高速碰撞使铆接进行瞬时塑性变形，完成整个铆接过程；
步骤四：取出成形件，松开压块的螺母，依次取下压块和铆接板材，得到铆接成形件。
7.根据权利要求6所述一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置，其特征在于：冲头上的墩头上模的中心轴线和铆钉中心对齐，墩头下模和铆钉充分接触，驱动板受电磁力的作用使冲头和墩头上模一起高速运动，使铆钉受冲击变形，完成电磁脉冲铆接成形。
8.根据权利要求7所述的一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置，其特征在于：冲头冲击速度可达200m/s，高能量在低于数十微秒内释放，以很高动能冲击，作用于铆钉，使铆钉在高速下快速变形。
9.根据权利要求8所述的一种基于电磁脉冲进行板材铆接的成形装置，其特征在于：所采用的铆钉为塑性较好的铝合金或镁合金。
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