一种铝合金板材小直径翻边孔的磁脉冲成形装置及方法

摘要

一种铝合金板材小直径翻边孔的磁脉冲成形装置及方法，属于金属板材零件塑性成形制造领域。以解决现有磁脉冲成形技术对铝合金板材进行翻边孔成形，线圈寿命低、被加工件易损伤及采用钢模翻边成形工序道次多、成形质量不稳定问题。线圈匝线灌封在线圈骨架内，翻边凹模固定在底板上，定位环的上、下两段设置在柱状集磁器及翻边凹模内，集磁器限位环设置在柱状集磁器上端面，螺线管线圈套设在柱状集磁器和集磁器限位环的外侧壁上，柱状集磁器的侧壁开有纵缝；上压板设置在集磁器限位环及线圈骨架上端面；铝合金板材设置在翻边凹模与线圈骨架之间，磁脉冲控制电路两个输出端与线圈匝线两接线端相连。本发明用于铝合金板材小直径翻边孔磁脉冲成形。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属板材小直径翻边孔的磁脉冲成形装置及方法，属于金属板材零件 塑性成形制造领域。

背景技术

为了改善大气环境，节能降耗是制造业可持续发展必须要遵循的原则，而结构和材料 的轻量化的一种必然途径。由于比强度高的特点，在先进汽车制造业中，高强度铝合金、 镁合金等轻质合金板材应用越来越多，而在航空航天制造业中，铝合金更是大量的应用在 各种运载火箭及飞机上。航天航空器上常用的框架结构，有许多位置需要对孔进行翻边， 一方面在减重的同时提高结构刚度，另一方面为管路焊接做准备，用对接焊缝代替T型 结构，提高焊缝的强度、韧性和服役寿命。对于大直径的、直边高度小的铝合金板材圆孔 翻边，根据一般的冲压成形理论，加工难度不高，经过几道次的钢模成形，再辅以相邻道 次之间的退火热处理，就可达到成形目的。而对于小直径的圆孔翻边，尤其较厚板材的圆 孔翻边，由于变形区刚度高、变形程度大，极易在翻边孔边缘处发生破裂，且钢模翻边成 形工序道次多、成形质量不稳定、成形极限低，难以获得满足技术要求的翻边孔零件。

磁脉冲成形具有加载速率高、模具简单、成形精度高等技术优点，在铝合金板材、管 材成形方面有显著的技术优势。基于常规的平板螺旋线圈，磁脉冲成形已经被用于铝合金 板材100～150mm直径圆孔的翻边成形，只需一次放电成形，无需多道次热处理工序，因 此，加工效率大大提高。但是，受螺旋形平板线圈结构限制，在进行小直径翻边孔成形时， 线圈结构极易破坏，因此，在非生产条件下，常用一次性线圈进行小孔翻边成形。然而， 由于高强冲击力破坏了线圈结构，匝线拉断，常伴随翻边孔零件表面的烧蚀和划伤。这种 现象是不能被高标准要求的新型汽车和航空航天制造所能接受的。因此，常规的基于螺旋 线结构的平板线圈和一次性线圈的磁脉冲成形方法不能满足铝合金小直径翻边孔成形的 需求，尤其是铝合金厚板的情况下。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝合金板材小直径翻边孔的磁脉冲成形装置及方法，以解决 现有磁脉冲成形技术对铝合金板材进行翻边孔成形，存在线圈寿命低、被加工件易损伤以 及采用钢模翻边成形工序道次多、成形质量不稳定、成形极限低，难以获得满足技术要求 的翻边孔零件的问题。本发明基于柱状集磁器和螺线管线圈实现铝合金板材小直径翻边孔 的磁脉冲成形。

本发明为实现上述目的采取的技术方案是：

一种铝合金板材小直径翻边孔的磁脉冲成形装置，它包括磁脉冲控制电路、上压板、 集磁器限位环、柱状集磁器、定位环、翻边凹模、底板及螺线管线圈；所述螺线管线圈包 括线圈骨架及线圈匝线，线圈匝线缠绕成螺旋圆柱状灌封在线圈骨架内，翻边凹模固定在 底板上端面，定位环的外侧壁设有环形平台，环形平台将定位环分成上下两段，定位环的 下段设置在翻边凹模内，定位环的上段设置在柱状集磁器内，集磁器限位环设置在柱状集 磁器上端面，螺线管线圈套设在柱状集磁器和集磁器限位环的外侧壁上，集磁器限位环、 柱状集磁器、螺线管线圈、定位环及翻边凹模同轴设置，柱状集磁器的侧壁沿其轴向开有 与内腔相通的纵缝；上压板设置在集磁器限位环及线圈骨架上端面；磁脉冲成形前，将所 述铝合金板材设置在翻边凹模与线圈骨架之间，铝合金板材中部设有与翻边凹模同轴的预 制孔，环形平台设置在铝合金板材的预制孔内，与铝合金板材对应的柱状集磁器下端面称 为柱状集磁器的工作区；磁脉冲控制电路的一个输出端穿过线圈骨架与线圈匝线的一接线 端相连，线圈匝线的另一接线端从线圈骨架内伸出，并与磁脉冲控制电路的另一个输出端 相连。

一种利用磁脉冲成形装置实现铝合金板材小直径翻边孔的的方法，所述方法包括以下 步骤：

步骤一：根据磁脉冲成形工艺原理，对电容器组充电，当电容器组被充电到3～20kV 时，则断开由高压变压器、整流器、限流电阻器及电容器组组成的充电电路；

步骤二：高压开关闭合，储存在电容器组中的电能通过引线对线圈匝线放电，由于线 圈匝线的电流具有瞬时衰减震荡的特性，根据电磁感应定律和集肤效应，在柱状集磁器外 壁表层产生20～200kA感应电流，感应电流沿柱状集磁器外壁表层和侧壁上的纵缝流入到 柱状集磁器的工作区表面，此感应电流对应的变化磁场在置于柱状集磁器工作区下面的铝 合金板材的上表面产生感应电流，此感应电流和被约束在柱状集磁器与铝合金板材间隙内 的增强磁场相互作用，产生沿轴向向下的、作用于铝合金板材待成形区的脉冲磁场力，在 此脉冲磁场力作用下，待成形区向下以30～100m/s的高速率运动和变形，直到与翻边凹模 冲击接触，从而得到成形后的铝合金翻边孔零件。

本发明包含以下有益效果：本发明提出了一种铝合金板材小直径翻边孔的磁脉冲成形 装置及方法，螺线管线圈结构相对于平板螺旋线圈结构，螺线管线圈为轴对称结构，自身 结构强度高、磁场能向机械能转化效率高（螺线管线圈对应磁场能向机械能转化效率介于 10～20%之间，而平板线圈一般介于3～10%之间），通过柱状集磁器，把螺线管线圈内表面 和柱状集磁器外表面间隙内的轴向磁场和径向磁场力转化为集磁器工作区和铝合金板材 待变形区间隙内的径向磁场和轴向磁场力。在这个轴向磁场力作用下，实现铝合金板材小 直径翻边孔的高效率成形。从而解决已有钢模翻边成形工序道次多、成形质量不稳定、成 形极限低等问题，同时解决基于平板线圈的磁脉冲成形存在的线圈寿命低、被加工件被损 伤等技术问题。

附图说明

图1是本发明的铝合金板材小直径翻边孔的磁脉冲成形装置的主视图，图中箭头所指 方向为受力方向，P为施加的压力；图2是成形后的铝合金翻边孔零件12主剖视图；图 3是利用图1中的成形装置成形铝合金板材小直径翻边孔的主剖视图。

图中的部件名称及标号如下：

磁脉冲控制电路1、上压板3、集磁器限位环4、线圈骨架5、线圈匝线6、柱状集磁 器7、纵缝7-1、定位环8、环形平台8-1、铝合金板材9、翻边凹模10、底板11、铝合金 翻边孔零件12、高压变压器1-1、整流器1-2、限流电阻器1-3、高压开关1-4、电容器组 1-5、交流电源1-6、次级线圈1-1-1、初级线圈1-1-2。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～图3所示，本实施方式的一种铝合金板材小直径翻边孔的 磁脉冲成形装置，它包括磁脉冲控制电路1、上压板3、集磁器限位环4、柱状集磁器7、 定位环8、翻边凹模10、底板11及螺线管线圈；所述螺线管线圈包括线圈骨架5及线圈 匝线6，线圈匝线6缠绕成螺旋圆柱状灌封在线圈骨架5内，翻边凹模10固定在底板11 上端面，定位环8的外侧壁设有环形平台8-1，环形平台8-1将定位环8分成上下两段， 定位环8的下段设置在翻边凹模10内，定位环8的上段设置在柱状集磁器7内，集磁器 限位环4设置在柱状集磁器7上端面，螺线管线圈套设在柱状集磁器7和集磁器限位环4 的外侧壁上，集磁器限位环4、柱状集磁器7、螺线管线圈、定位环8及翻边凹模10同轴 设置，柱状集磁器7的侧壁沿其轴向开有与内腔相通的纵缝7-1；上压板3设置在集磁器 限位环4及线圈骨架5上端面；磁脉冲成形前，将所述铝合金板材9设置在翻边凹模10 与线圈骨架5之间，铝合金板材9中部设有与翻边凹模10同轴的预制孔，环形平台8-1 设置在铝合金板材9的预制孔内，与铝合金板材9对应的柱状集磁器7下端面称为柱状集 磁器7的工作区；磁脉冲控制电路1的一个输出端穿过线圈骨架5与线圈匝线6的一接线 端相连，线圈匝线6的另一接线端从线圈骨架5内伸出，并与磁脉冲控制电路1的另一个 输出端相连。预制孔直径为20-90mm。

上压板3的上端面和底板11的下端面被施以足够的压力，确保除铝合金板材9外， 其他成形组成元素在铝合金板材9的预制孔成形过程保持在原来位置且不变形。

具体实施方式二：结合图1说明，本实施方式所述磁脉冲控制电路1包括高压变压器 1-1、整流器1-2、限流电阻器1-3、高压开关1-4、电容器组1-5及交流电源1-6；所述高 压变压器1-1的次级线圈1-1-1的一端与整流器1-2的阳极相连，整流器1-2的阴极与限 流电阻器1-3的一端相连，限流电阻器1-3的另一端与电容器组1-5的正极和高压开关1-4 的正极相连，高压开关1-4的负极作为磁脉冲控制电路1的所述一个输出端，高压变压器 1-1的次级线圈1-1-1的另一端与电源地、电容器组1-5的负极相连并作为磁脉冲控制电 路1的所述另一个输出端，高压变压器1-1的初级线圈1-1-2的两端与交流电源1-6的两 端相连。电容器组1-5为高压脉冲电容器。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方 式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明，本实施方式所述纵缝7-1的缝宽为0.3-1mm。此窄 缝用于隔断感应电流直接在集磁器外壁表层形成回路，实现线圈内表面和集磁器外壁间隙 内磁场能向集磁器工作区和铝合金板材间隙内传递。间隙太小，不易实施间隙绝缘处理， 反之，则间隙内磁场能损耗增加，降低磁场力幅值，从而不利于翻边成形效果。本实施方 式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式所述柱状集磁器7的材质为铜合金。具 有高导电率、高强度特性。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1～图3说明，本实施方式利用磁脉冲成形装置实现铝合金 板材小直径翻边孔的的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：根据磁脉冲成形工艺原理，对电容器组1-5充电，当电容器组1-5被充电到 3～20kV（为预设电压值）时，则断开由高压变压器1-1、整流器1-2、限流电阻器1-3及 电容器组1-5组成的充电电路；

步骤二：高压开关1-4闭合，储存在电容器组1-5中的电能通过引线对线圈匝线6放 电（由电容器组1-5及螺线管线圈组成的放电回路是典型的RLC回路），由于线圈匝线6 的电流具有瞬时衰减震荡的特性，根据电磁感应定律和集肤效应，在柱状集磁器7外壁表 层产生20～200kA感应电流，感应电流沿柱状集磁器7外壁表层和侧壁上的纵缝7-1流入 到柱状集磁器7的工作区表面，此感应电流对应的变化磁场在置于柱状集磁器7工作区下 面的铝合金板材9的上表面产生感应电流，此感应电流和被约束在柱状集磁器7与铝合金 板材9间隙内的增强磁场相互作用，产生沿轴向向下的、作用于铝合金板材9待成形区（待 成形区是指与柱状集磁器7的工作区相对、从预制孔边缘沿径向向外在宽度为1.0H～1.5H 范围内的环形区域，其中H为成形后的铝合金翻边孔零件的高度）的脉冲磁场力，在此 脉冲磁场力作用下，待成形区向下以30～100m/s的高速率运动和变形，直到与翻边凹模 10冲击接触，从而得到成形后的铝合金翻边孔零件12。所成形的铝合金翻边孔零件12 的形状精度（圆度）能达到0.2mm，尺寸精度能达到0.2mm以下，所成形的铝合金翻边 孔零件12贴模性好，直边高度满足相关技术要求。本实施方式中未公开的技术特征与具 体实施方式二、三或四相同。

应用实例1：

铝合金板材牌号5A06、板厚4mm，翻边孔直径为60mm，铝合金翻边孔零件12高 度H=13.2mm，翻边凹模10圆角半径r=8mm（见图2）。根据冲压工艺特点计算得到预制 孔直径为50mm。缠绕成螺旋圆柱状线圈的内环直径为92mm，线圈匝线6截面尺寸 3×5mm2，16匝，线圈匝线6有效长度100mm，线圈骨架5高度160mm。柱状集磁器7 高度130mm、外侧壁直径90mm、内侧壁直径65mm，工作区内径40mm，纵缝宽0.4mm。 设备条件：额定电压和放电能量分别为20kV和20kJ。在放电电压15kV条件下，翻边孔 成形，尺寸精度达到0.15mm。

应用实例2：

铝合金板材牌号5A02、板厚2mm，翻边孔直径为40mm，铝合金翻边孔零件12高 度H=11mm（见图2）。根据冲压工艺特点计算得到预制孔直径为29mm。翻边凹模10圆 角半径r=6mm。缠绕成螺旋圆柱状线圈的内环直径为92mm，线圈匝线6截面尺寸 3×5mm2，16匝，线圈匝线6有效长度100mm，线圈骨架5高度160mm。柱状集磁器7 高度130mm，外侧壁直径90mm，内侧壁65mm，工作区内径20mm，纵缝宽0.4mm。设 备条件：额定电压和放电能量分别为20kV和20kJ。在放电电压10kV条件下，翻边孔成 形，尺寸精度达到0.18mm。