一种复合吸能管的加工装置及加工方法
【专利摘要】本发明公开了一种复合吸能管的加工装置，其包括整流器（1）、电阻（2）、开关（3）、电容器（4）、升压变压器（5）、上固定板（6）、固定螺栓（7）、压块（8）、模架（9）、约束模（11）、线圈（12）、下固定板（13）、T形台（14）、排气孔（16）、固定槽（17）、导线孔（18）。与液压成形、机械胀形等方法相比，本发明所使用的基于电磁成形原理的金属复合吸能成形方法，加工效率高，其管件成形速度极快，可以使金属复合管在高应变率下成形，由于是高应变变形过程，可以用于常规方法难变形金属材料的成形，大大提高金属材料的可塑性，大幅度提高材料的屈服强度。可以通过改变模具中约束模形状，形成不同的波形和加强筋，其加工柔性大。
【专利说明】—种复合吸能管的加工装置及加工方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合吸能管加工技术，尤其涉及一种基于电磁成形原理的复合吸能管及其成形装置。
【背景技术】
[0002]电磁成形是利用金属在强脉冲磁场中受电磁力作用而发生塑性变形的一种高能、高速率成形技术。电磁成形具有提高材料的塑性变形的能力，且磁脉冲成形是利用磁场力，而不是利用机械力实现对金属的加工，因此成形过程中不需要传力介质、成形过程稳定、生产效率高、能量易于控制。一般电磁成形要求工件的电阻率低于0.15 μ Ω.πι，非常适合铝、铜及其合金等导电性高的材料的加工。电磁成形的重要特征就是能量释放时间短，惯性力在成形过程中起主要作用，工件变形时的运动速度可达50m/s-300m/s，从变形时间短和速度高这一点上来说类似于爆炸成形，故它也表现出了爆炸成形那样的超塑性，因此与常规成形方法相比、电磁成形可大幅度提高材料的塑性变形能力。电磁成形中，由于电磁胀形放电时间短暂(微秒级)，管件在毫秒级即可完成变形，应变速率可达到IO3s-1,金属复合管在高应变速率下成形，屈服强度可明显提高，因此利用电磁成形技术可显著提高金属材料变形时的能量吸收效率。
[0003]金属薄壁构件作为缓冲吸能元件，广泛应用于汽车、轮船和飞机等几乎所有交通工具的碰撞动能耗散系统中。金属薄壁构件主要是靠自身的塑性变形来吸收车辆碰撞中的冲击动能，在受到撞击载荷的作用时，其破坏模式稳定，以本身的塑性变形来吸收和消耗能量，减少车内乘员损伤，降低车辆减速度的目的。金属薄壁圆管是一类结构形式简单，能量吸收比较高，广泛应用于能量吸收结构，相关的研究工作也开展得最早，也比较深入.[0004]金属薄壁圆管压溃产生渐进折叠时，根据已知研究，半径和厚度一定时，其渐进折叠后的褶皱的波长也是一定的。金属波纹管压溃变形时，由于有波峰和波谷的存在，产生渐进折叠模式的变形，变形过程中承受冲击载荷比较稳定，缓冲效果好，吸能平稳。通过改变波纹管波峰之间的距离，使 其比非波纹管渐进折叠产生褶皱的波长要短，则金属薄壁圆管在压溃时诱发产生的褶皱更多，其吸能量也更多。一般在金属构件在刚度和强度不能有效满足使用要求时，会在金属构件表面加工有加强筋，可以在不加大构件厚度的条件下增加金属构件的刚度和强度，节约材料的用量，通过加强筋可以使金属构件在受力时可以提高承载能力，提高金属构件吸能效率。
[0005]双金属复合管是由多种不同种材料类的金属通过某些变形和连接技术结合而成的薄壁管。传统上金属复合管是由单一材料制成，在特定的场合下单一种类的金属薄壁圆管不能满足要求。例如在汽车发生碰撞时，单一的铝合金薄壁圆管不能很好的吸收碰撞产生的能量，易对车内乘员造成伤害，降低了汽车行驶的安全性，而单一的薄壁钢管质量很大，在一定程度上降低汽车行驶的经济性，不能满足汽车轻量化的要求。金属复合薄壁圆管在保证吸能效果的情况下可以 减轻质量，具有良好的经济效益。薄壁钢管的强度大，但导电性没有铝合金薄壁管好，在进行电磁膨胀时不能轻易达到满足要求的膨胀尺寸，铝合金薄壁圆管的导电性好，且质量轻，适合对不易通过电磁成形技术来进行径向膨胀的金属复合管进行驱动，提高其可塑性。
[0006]传统上金属薄壁圆管由单一种类材料制成，在受到碰撞压溃时，无法满足复杂的受力过程。在金属薄壁圆管碰撞压溃过程的初始时刻，受力变化大，需要进行平稳缓冲，降低力的峰值，之后碰撞过程中所承受冲击载荷水平低，吸收能量少，则需要提高材料的强度，提高材料承受冲击的能力，增加吸能量。
[0007]为此，需要一种在碰撞压溃初始时刻可以起到平稳缓冲且吸能效果好的作用，在整个压溃过程中承受冲击载荷水平高的金属薄壁吸能管件。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种基于电磁成形原理的复合吸能管成形技术，提供一种利用电磁成形原理加工金属复合吸能管的装置以及利用该成形方法所得到的金属复合吸能管，为金属薄壁构件吸能装置的设计提供新的方法。在本发明所提供的成形模具中，通过电磁成形技术对金属复合薄壁管进行径向膨胀，膨胀时复合薄壁管的双层结构部分通过内管驱动外管，使内管与外管一起按照预定的约束模形状进行贴模，而复合管的单层结构部分则直接径向膨胀并按照预定的约束模形状进行贴模。膨胀后金属复合管的单层结构部分具有波纹形状，双层结构部分具有加强筋的特殊形状，成形后的金属复合吸能管在受轴向或径向载荷时屈服强度和吸能效果明显提高。
[0009]为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是提供了一种复合吸能管的加工装置，其包括整流器、电阻、开关、电容器、升压变压器、上固定板、固定螺栓、压块、模架、约束模、线圈、下固定板、T形台、排气孔、固定槽、导线孔，其特征在于:
[0010]约束模组件是由垂直轴线方向截面为半圆形约束模拼合而成，通过两个组合后的约束模对金属复合管进行约束，每个约束模沿其轴向方向的上端是带有形成波纹状的凹形槽部分，下端是带有加强筋的凹形槽部分；
[0011]波纹状的凹形槽部分和带有加强筋的凹形槽部分上设置均匀分布的排气孔，金属复合管膨胀贴模时可以及时将约束模与金属复合管之间的气体排出；
[0012]压块的外径与上固定板的内圆直径相一致，相应的T形台底部外径与下固定板内
圆直径一致；
[0013]上固定板和下固定板与模架通过固定槽的凹凸结合相连接；压块放入上固定板的内圆中，金属复合管放置在T形台上，上固定板和下固定板在径向方向上分别约束金属复合管的两端；
[0014]线圈套在T形台上，金属复合管处于约束模内，在膨胀时约束模具对其进行径向约束；模架夹住约束模并对其进行固定；
[0015]线圈进行螺旋缠绕；升压变压器将工业电压380V升高到2000V以上，整流器将升高后电压整流为直流电压，经过电阻的作用充电回路中电流降低，直流电压对电容器充电，完成充电部分；当开关闭合瞬间，电容器对线圈进行放电，完成放电部分。
[0016]本发明还提供了一种利用复合吸能管的加工装置加工复合吸能管的方法，其特征在于包括如下步骤:
[0017]步骤1、选取待加工的金属复合管的内管和外管；[0018]步骤2、在选取好的内管的一端部外表面进行车削加工，在外表面上形成均匀螺旋细纹；
[0019]步骤3、在选取好的外管的内表面上进行车削加工，在内表面形成均匀螺旋细纹；
[0020]步骤4、将车削加工好的外管套在内管上，使经过车削加工的内管外表面和外管内面一一相对应；由于内管比外管长，形成的金属复合管有单层结构部分和双层结构部分；
[0021]步骤5、将金属复合管放入成形模具中；
[0022]步骤6、对交变电压通过升压变压器进行升压，根据对金属复合管的波纹形状和加强筋形状的要求不同，选择升压变压器升压后的电压；
[0023]步骤7、经过升压变压后，电流通过整流器后，变为直流电，经过电阻的作用充电回路中电流降低，直流电压对电容器充电，完成充电部分；
[0024]步骤8、闭合电路开关，使电容放电；由于感应线圈中的电流变化，产生感应磁场，而感应磁场对金属复合管产生作用，使金属复合管内产生感应电流；
[0025]步骤9、金属复合管内的感应电流产生次级感应磁场；并产生磁场压力；
[0026]步骤10、金属复合管的内壁受到磁场压力而发生径向塑性膨胀；在膨胀时，金属复合管的双层结构部分通过内管的驱动，使外管随内管一起发生膨胀；在膨胀时，金属复合管的单层结构部分直接径向膨胀；
[0027]步骤11、金属复合管膨胀时，由于有约束模的存在，金属薄壁管的单层结构部分产生波峰和波谷，形成波纹状，双层结构部分产生加强筋；
[0028]步骤12、膨胀过程结束后，松开固定螺栓，从模具中取出成形后的金属复合吸能管。
[0029]本发明的有益效果在于:
[0030](I)与液压成形、机械胀形等方法相比，本发明所使用的基于电磁成形原理的金属复合吸能成形方法，加工效率高，成形精度高，其管件成形速度极快，可以使金属复合管在高应变率下成形，由于是高应变变形过程，可以用于常规方法难变形金属材料的成形，大大提高金属材料的可塑性，大幅度提高材料的屈服强度。可以通过改变模具中约束模形状，形成不同的波形和加强筋，其加工柔性大。
[0031](2)本发明所提供的复合吸能管的加工装置，由于膨胀时约束模的存在，金属管件的膨胀程度可以得到精准控制，可以管件在膨胀后具有预定的波纹和加强筋等膨胀形状，通过改变约束模可以精准控制金属复合吸能管膨胀部分的波峰大小、形状及位置和加强筋的形状、大小及数量。
[0032](3)本发明所提供的基于该方法所得到的复合吸能管，其管件的单层结构部分是波纹状，波纹间的波长比非波纹圆管轴向压溃产生渐进折叠的波长要短，在轴向压溃时刻，波纹部分首先发生塑性变形，由于有波峰和波谷的存在，可以诱发渐进折叠，以此可以精准控制轴向压溃初始时刻的折叠模式，由于波纹波长比非波纹圆管压溃产生的波纹波长更短，波纹部分压溃产生的褶皱比非波纹管的要多，吸收能量更多，吸能更平稳。
[0033](4)本发明所提供的基于该方法所得到的复合吸能管，复合管的内管的导电性比外管的导电性好，在膨胀时，复合管双层结构部分的内管受到的电磁力比外管的大，内管驱动外管一起膨胀贴模，表面形成加强筋。与单一用导电性差的外管进行电磁膨胀相比较，本发明提供的复合管在电磁成形中的可塑性更好。[0034](5)本发明所提供的基于该方法所得到的复合吸能管，其双层结构部分的内管驱动外管膨胀时，由于内管的外表面和外管的内表面都存在细纹，细纹之间发生高速碰撞，产生高温，出现焊接的现象，使双层结构部分的内管与外管之间结合的更加固定。
[0035](6)本发明所提供的基于该方法所得到的复合吸能管，其双层结构部分有加强筋，大大增加了金属复合管的刚度和强度。在轴向压溃过程中，由于加强筋的存在，使金属复合管承受的冲击载荷更大，吸收冲击的能量更多。
[0036](7)本发明所提供的基于该方法所得到的复合吸能管，其双层结构部分的内管是铝合金等导电性好的金属管，外管是高强度钢管。与单一的铝合金管相比，其强度更高，在轴向压溃过程中能量吸收效果更好。与单一的高强度钢管相比，其质量更轻，更符合轻量化的要求。
[0037](8)本发明所提供的模具由上下固定板、压块、梯形台、约束模、模架、螺栓等组成。金属复合管在约束模中，通过电磁作用发生径向膨胀，由于约束模的存在，在膨胀时起到约束管件的作用，以此可以控制金属复合管的膨胀程度，并且使膨胀部分具有预定的形状。
[0038](9)本发明所提供的成形模具中的约束模可以有同时有多个波纹形凹槽和带有加强筋的凹槽。相应的，复合管在膨胀后，在相应的位置将会出现多个波纹形状和加强筋。因此，可以通过改变约束模中凹形槽的形状和数量，可以精确控制金属复合吸能管的波纹和加强筋的大小、形状、位置及数量。
[0039](10)本发明可以使金属复合管快速膨胀和贴模，由于约束模中有许多排气孔，在贴膜时可以使约束模内气体快速排出，保证金属复合管良好的贴模性，且其膨胀成形的速度极快，金属复合管在极高应变率下成形，其材料的屈服强度明显提高。
[0040](11)在膨胀过程中，由于有约束模对金属复合管膨胀的约束作用，可以控制金属复合管的膨胀程度和膨胀后的直径，并且对膨胀过程中薄壁厚度的减少也会起到相应的控制，减小由于厚度变薄带来的吸能效果的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1所示为金属复合管成形前的剖面图；
[0042]图2所示为复合管双层结构部分的局部示意图；
[0043]图3所示为复合吸能管电磁膨胀成形示意图；
[0044]图4所示为模具中的约束模的剖面示意图；
[0045]图5所示为电磁膨胀成形后复合吸能管剖面示意图；
[0046]图6所示为上固定板俯视图和主视图；
[0047]图7所示为下固定板俯视图和主视图；
[0048]图8所不为|旲具压块俯视图和主视图；
[0049]图9所不为|旲具T形台俯视图和主视图；
[0050]图10所示为薄壁圆管轴向渐进折叠时的褶皱半波长与厚度、直径的关系图。
[0051]其中:1-流器、2-电阻、3-开关、4-电容器、5-升压变压器、6_上固定板、7-固定螺栓、8-压块、9-模架、10-金属复合管、10-1内管，10-2外管，10-3复合管单层结构部分，10-4复合管双层结构部分，10-5细纹，10-6复合管的波纹，10-7复合管的加强筋，11-约束模、11-1约束模的波纹状凹形槽，11-2约束模带有加强筋的凹形槽，12-线圈、13-下固定板、14-T形台、15-梯形孔、16-排气孔、17-固定槽、18导线孔。
【具体实施方式】
[0052]下面将结合本发明实施例中的图，对本发明实施例中的技术方案进行进一步说明和描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护范围。
[0053]如图1所示，本发明实施例中所提供的金属复合管。其外管的材料为高强钢，其长度为140mm,外径为50mm,厚度为1.8mm。内管材料为招合金,长度为210mm,外径为46mm,其厚度为1.2mm。
[0054]如图1和图2所示，对于复合管的双层结构部分10-4，在其内管10-1与外管10_2组合前，分别对其内管的外表面和外管的内表面进行车削加工，形成均匀的螺旋细纹10-5。
[0055]具体的，如图2所示，内管外表面细纹和外管内表面细纹之间的配合位置是凸起对凸起、凸起对凹槽或介于两者之间。在膨胀成形时，复合管的双层结构部分10-4的内管驱动外管，使细纹10-5之间发生高速碰撞，产生高温，发生焊接现象。
[0056]如图3所示，本发明实施例中所用到的电磁成形的复合吸能管成形装置，它由整流器1、电阻2、开关3、电容器4、升压变压器5、上固定板6、固定螺栓7、压块8、模架9、金属复合管10、约束模11、线圈12、下固定板13、T形台14、梯形孔15、排气孔16、固定槽17、导线孔18等组成。
[0057]具体的，如图3所示，变压器5将工业电压380V升高到2000V以上，整流器I将升高后电压整流为直流电压，经过电阻2的作用充电回路中电流降低，直流电压对电容器4充电，完成充电部分。当开关3闭合瞬间，电容器4对线圈12进行放电，完成放电部分。
[0058]如图3和图4所示，本发明所用胀形模具中的约束模是由垂直轴线方向截面为半圆形约束模11拼合而成，通过两个约束模11的组合对金属复合管10进行约束，每个约束模11沿其轴向方向具两种不同的表面形状，其上端是带有形成波纹状的凹形槽的部分11-1，下端是带有加强筋的凹形槽部分11-2。
[0059]具体的，约束模11中带有波纹状的凹形槽的部分11 -1，对金属复合管IO的单层结构部分10-3进行约束。在进行膨胀时，复合管10的单层结构部分10-3受到约束模11的波纹状的凹形槽11-1约束，成形后复合管10的单层结构部分10-3相应的成为波纹状10-6。
[0060]具体的，约束模11中带有加强筋的凹形槽11-2部分，对金属复合管10的双层结构部分10-4进行约束。在进行膨胀时，复合管10的双层结构部分10-4受到约束模11的带有加强筋的凹形槽部分11-2的约束，成形后复合管10的双层结构部分10-4相应的带有加强筋10-7。
[0061]具体的，波纹状凹形槽11-1和带有加强筋的凹形槽11-2中都具有均匀分布的三个排气孔16，用于金属复合管件10膨胀贴模时可以及时将约束模11与管件10之间的气体排出。压块8的外径与上固定板6的内圆直径相一致，相应的T形台14底部外径与下固定板13内圆直径一致。线圈12采用5mmX 7mm矩形紫铜线进行螺旋缠绕，铜线间采用绝缘胶带隔离，铜线外侧涂满环氧树脂和凝固剂，比例为1:2混合，凝固后外缘车削加工至需要的尺寸。[0062]具体的，如图4和图5所示，约束模11中波纹状凹形槽11-1的波纹半波长与复合管单层结构部分10-3的波纹半波长为hl，非波纹管轴向压溃产生渐进折叠的褶皱半波长为h。一般薄壁圆管渐进折叠产生的褶皱半波长与厚度t、半径R、直径D之间的关系可以粗略用以下解析式来概括，如下列等式:
【权利要求】
1.一种复合吸能管的加工装置，其包括整流器(I)、电阻(2)、开关(3)、电容器(4)、升压变压器(5)、上固定板(6)、固定螺栓(7)、压块(8)、模架(9)、约束模(11)、线圈(12)、下固定板(13)、T形台(14)、排气孔(16)、固定槽(17)、导线孔(18)，其特征在于: 约束模组件是由垂直轴线方向截面为半圆形约束模(11)拼合而成，通过两个组合后的约束模(11)对金属复合管(10)进行约束，每个约束模(11)沿其轴向方向的上端是带有形成波纹状的凹形槽部分，下端是带有形成加强筋的凹形槽部分； 波纹状的凹形槽部分和带有形成加强筋的凹形槽部分上设置均匀分布的排气孔(16)，金属复合管(10)膨胀贴模时可以及时将约束模(11)与金属复合管(10)之间的气体排出；压块(8)的外径与上固定板(6)的内圆直径相一致，相应的T形台(14)底部外径与下固定板(13)内圆直径一致； 上固定板(6)和下固定板(13)与模架(9)通过固定槽(17)的凹凸结合相连接；压块(8)放入上固定板(6)的内圆中，属复合管(10)放置在T形台(14)上，上固定板(6)和下固定板(13)在径向方向上分别约束金属复合管(10)的两端； 线圈(12)套在T形台(14)上，金属复合管(10)处于约束模(11)内，在膨胀时约束模(11)对其进行径向约束；模架(9)夹住约束模(11)并对其进行固定； 线圈(12)进行螺旋缠绕；升压变压器(5)将工业电压380V升高到2000V以上，整流器(I)将升高后电压整流为直流电压，经过电阻(2)的作用充电回路中电流降低，直流电压对电容器(4)充电，完成充电部分；当开关(3)闭合瞬间，电容器(4)对线圈(12)进行放电，完成放电部分。
2.根据权利要求1所述的复合吸能管的加工装置，其特征在于:约束模(11)中带有波纹状的凹形槽的部分，对金属复合管(10)的单层结构部分进行约束；在进行膨胀时，金属复合管(10)的单层结构部分受到约束模(11)的波纹状的凹形槽约束，成形后复合管(10)的单层结构部分相应的成为波纹状。
3.根据权利 要求1所述的复合吸能管的加工装置，其特征在于:约束模(11)中带有加强筋的凹形槽部分，对金属复合管(10)的双层结构部分进行约束；在进行膨胀时，金属复合管(10)的双层结构部分受到约束模(11)的带有加强筋的凹形槽部分的约束，成形后金属复合管(10)的双层结构部分相应的带有加强筋。
4.根据权利要求1所述的复合吸能管的加工装置，其特征在于:上固定板(6)有一固定槽(17)，其形状为凹凸形，用于连接模架(9)，并对模架(9)进行固定，上固定板(6)中间有一导线孔(18)用于引出线圈(12)的电线。
5.根据权利要求1所述的复合吸能管的加工装置，其特征在于:四个固定螺栓(7)从下固定板(13)底部的四个梯形孔(15)插入，从上固定板(6)法兰边缘处四个通孔中穿出。
6.利用权利要求1所述复合吸能管的加工装置加工复合吸能管的方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤1、选取待加工的金属复合管(10)的内管和外管； 步骤2、在选取好的内管的一端部外表面进行车削加工，在外表面上形成均匀细纹； 步骤3、在选取好的外管的内表面上进行车削加工，在内表面形成均匀细纹； 步骤4、将车加工好的外管套在内管上，使经过车削加工的内管外表面和外管内面一一相对应；形成有单层结构部分和双层结构的金属复合管(10)；步骤5、将金属复合管(10)放入成形模具中； 步骤6、对交变电压通过升压变压器(5 )进行升压，根据对金属复合管(10 )的波纹形状和加强筋形状的要求不同，选择升压变压器(5)升压后的电压； 步骤7、经过升压变压后，电流通过整流器(I)后，变为直流电，经过电阻(2)的作用充电回路中电流降低，直流电压对电容器(4)充电，完成充电部分； 步骤8、闭合电路开关(3)，使电容(4)放电；由于感应线圈(12)中的电流变化，产生感应磁场，而感应磁场对金属复合管(10)产生作用，使金属复合管(10)内产生感应电流；步骤9、金属复合管(10)内的感应电流产生次级感应磁场；并产生磁场压力； 步骤10、金属复合管(10)的内壁受到磁场压力而发生径向塑性膨胀；在膨胀时通过内管的驱动，使外管随内管一起发生膨胀； 步骤11、金属复合管(10)膨胀时，由于有约束模(11)的存在，金属薄壁管(10)的单层结构部分产生波峰和 波谷，形成波纹状，双层结构部分产生加强筋； 步骤12、膨胀过程结束后，松开固定螺栓(7)，从模具中取出成形后的金属复合吸能管。
【文档编号】B21D26/14GK103861931SQ201410128228
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】孙光永, 崔俊佳, 李光耀, 康贺贺 申请人:湖南大学