一种金属管壁高速率冲孔装置及方法
【专利摘要】一种金属管壁高速率冲孔装置及方法，属于机械制造领域。该装置及方法解决现有机械冲孔时，由于凸模与凹模的间隙等原因，影响孔周边管壁形状与质量的问题。装置方案：脉冲电源的一个输出端与线圈的一接线端相连，线圈的另一接线端与脉冲电源的另一个输出端相连，两个半模内嵌于外套模内，待冲孔管件设在两个半模内，线圈设在待冲孔管件内；方法方案：装配线圈、待冲孔管件、半模和外套模；外网电压经高压变压器升压后；接通高压开关，脉冲载荷由于二个半模的阻碍作用，使待冲孔管件沿两个半模的孔边缘发生由胀形、剪切到断裂的高速率变形过程，从而达到冲孔目的。本发明用于金属管冲孔。
【专利说明】一种金属管壁高速率冲孔装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属管壁高速率冲孔装置及方法，属于机械制造领域。
【背景技术】
[0002]金属管件的冲孔方法很难在不影响管件外形的情况下进行，通常的机械冲孔方法会在冲孔时，由于凸模与凹模的间隙等原因，影响孔周边管壁形状与质量，如形成翘曲和毛刺等。传统机械冲孔都无法避免凸模与凹模刃口的设计问题，故而传统金属管壁冲孔方法无法高效率地制造出高质量的金属孔。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种金属管壁高速率冲孔装置及方法，以解决现有机械冲孔时，由于凸模与凹模的间隙等原因，影响孔周边管壁形状与质量的问题。
[0004]本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:装置方案:所述装置包括脉冲电源、连接线、外套模、两个半模、待冲孔管件和线圈，脉冲电源包括高压变压器、整流器、限流电阻器、高压开关和高压脉冲电容器，高压变压器原边的两个电源端连接外网电源，高压变压器副边的一端与整流器的阳极相连，整流器的阴极与限流电阻器的一端相连，限流电阻器的另一端与高压脉冲电容器的正极和高压开关的正极相连，高压开关的负极作为脉冲电源的一个输出端，高压变压器的副边的另一端与高压脉冲电容器的负极相连，高压脉冲电容器的负极相连并作为脉冲电源的另一个输出端，脉冲电源的一个输出端通过连接线与线圈的一接线端相连，线圈的另一接线端通过连接线与脉冲电源的另一个输出端相连，两个半模内嵌于外套模内，待冲孔管件设在两个半模内，线圈设在待冲孔管件内；
[0005]方法方案:所述方法包括如下步骤:步骤一、装配线圈、待冲孔管件、半模和外套模；步骤二、外网电压经高压变压器升压后，通过整流器把工频交流电变成直流电，再经过限流电阻器对高压脉冲电容器进行直流充电，当充电到预定电压值2-20kV后，断开由高压变压器、整流器、限流电阻器及高压脉冲电容器组成的充电电路；
[0006]步骤三、接通高压开关，存储在高压脉冲电容器中的电能通过连接线经线圈的匝线放电，脉冲大电流流经线圈产生的瞬态变化磁场会在与线圈临近的待冲孔管件产生感应电流，即涡流，该涡流与线圈和待冲孔管件间隙内磁场相互作用，产生推动待冲孔管件向外做胀形运动的脉冲磁场力，该脉冲载荷由于二个半模的阻碍作用，使待冲孔管件沿两个半模的孔边缘发生由胀形、剪切到断裂的高速率变形过程，从而达到冲孔目的；
[0007]步骤四:断开高压开关，拆卸外套模和两个半模，取出冲孔管件。
[0008]本发明具有以下有益效果:本发明通过电磁感应把瞬时脉冲磁场力作用于待冲孔的金属管件，在瞬时冲击载荷与凹模的共同作用下，管壁沿凹模上冲孔刃口轮廓产生剪切塑性变形和断裂，实现金属管壁的高速率冲孔。
[0009]本发明提出的方法由传统的凸模施力方式变为由脉冲磁场力瞬间施力，突破了传统施力受到凸模形状限制的局限性，受力更加均匀可靠，改变了以往管件加工中施力物体凸模必须与受力物体接触才可施力的特点，实现了从外部受力到由内向外施力的方式转换，达到了从低精度加工到高精度加工质量上的飞跃，从而拓宽了管件应用范围。
[0010]本发明根据磁脉冲成形原理:利用产生于管件侧壁的脉冲磁场力使其自身运动和变形。通过已经储存一定电能的脉冲电容器、大电流导通开关和工作线圈形成放电回路，瞬时电流通过工作线圈产生强大的磁场，金属管件在交变磁场中感生出电流涡流，该感生电流与线圈和管件间隙内的叠加磁场作用产生作用于工件的脉冲磁场力，在脉冲磁场力的作用下管件坯料发生高速运动而与单面凹模贴模，与凹模上的冲孔刃口发生冲击剪切塑性变形，从而达到高速率冲裁的目的。
[0011]根据现有技术水平，对管壁孔的冲裁普遍采用有凹模支持下利用凸模作用于管件实现，即直接从管件外表面施加凸模力。本发明利用脉冲磁场力从管件内部施力，因无刚性凸模的接触作用，主要通过胀形方式而不是普通钢模冲裁的剪切变形实现材料分离，从而达到对管件的精密冲裁，省去冲裁后对工件的二次加工；同时由于无刚性凸模作用，凹模损耗程度显著降低，因此可以达到高度重复加工，提高生产效率。具有这些优点，使管件冲裁易于实现高效率、低成本的加工过程，同时决定了它易于实现生产自动化，机械化，具有良好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明方案一的整体结构示意图，图2为φ 15孔不同参数下冲裁效果图，如图3多孔模具不同参数下冲裁效果图。
【具体实施方式】
[0013]【具体实施方式】一:结合图1说明本实施方式，本实施方式所述装置包括脉冲电源1、连接线2、外套模3、两个半模4、待冲孔管件5和线圈6，脉冲电源I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和高压脉冲电容器1-5，高压变压器1-1原边的两个电源端连接外网电源，高压变压器1-1副边的一端与整流器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的另一端与高压脉冲电容器1-5的正极和高压开关1-4的正极相连，高压开关1-4的负极作为脉冲电源I的一个输出端，高压变压器1-1的副边的另一端与高压脉冲电容器1-5的负极相连，高压脉冲电容器1-5的负极相连并作为脉冲电源I的另一个输出端，脉冲电源I的一个输出端通过连接线2与线圈6的一接线端相连，线圈6的另一接线端通过连接线2与脉冲电源I的另一个输出端相连，两个半模4内嵌于外套模3内，待冲孔管件5设在两个半模4内，线圈6设在待冲孔管件5内。
[0014]【具体实施方式】二:结合图1说明本实施方式，本实施方式的每个半模4由高强度合金机械加工制造，此种材质高强度、高硬度，以之加工的模具刃口锋利、耐磨性高。其它实施方式与【具体实施方式】一相同。
[0015]【具体实施方式】三:结合图1说明本实施方式，本实施方式的线圈6由矩形截面、高导电率的紫铜匝线绕制于绝缘圆柱骨架之上且匝线外覆盖耐高压绝缘材料构成，这种线圈结构紧凑、自感系数小，与被加工管件径向间隙小，有利于提高磁场能向机械能的转化效率。其它实施方式与【具体实施方式】一相同。
[0016]【具体实施方式】四:结合图1说明本实施方式，本实施方式的线圈的直径为30-300mm，高压脉冲电容器1_5的电容量为50_5000uF，小电容量和高电压匹配可进行薄壁管冲裁，大电容量和低电压匹配可进行厚壁管冲裁。其它实施方式与【具体实施方式】一相同。
[0017]【具体实施方式】四:本实施方式的所述方法包括如下步骤:步骤一、装配线圈6、待冲孔管件5、半模4和外套模3 ；
[0018]步骤二、外网电压经高压变压器1-1升压后，通过整流器1-2把工频交流电变成直流电，再经过限流电阻器1-3对高压脉冲电容器1-5进行直流充电，当充电到预定电压值
2-20kV后，断开由高压变压器1-1、整流器1-2、限流电阻器1-3及高压脉冲电容器1_5组成的充电电路；
[0019]步骤三、接通高压开关1-4，存储在高压脉冲电容器1-5中的电能通过连接线2经线圈6的匝线放电，脉冲大电流流经线圈6产生的瞬态变化磁场会在与线圈6临近的待冲孔管件5产生感应电流，即涡流，该涡流与线圈6和待冲孔管件5间隙内磁场相互作用，产生推动待冲孔管件5向外做胀形运动的脉冲磁场力，该脉冲载荷由于二个半模4的阻碍作用，使待冲孔管件5沿两个半模4的孔边缘发生由胀形、剪切到断裂的高速率变形过程，从而达到冲孔目的；
[0020]步骤四:断开高压开关1-4，拆卸外套模3和两个半模4，取出冲孔管件5。可观察到待冲孔管件5已成功冲孔，孔形状与两个半模4及外套模3凹模一致，并且周围没有毛刺，冲出的废料呈中心凸起的类圆锥形状。根据实验可推断冲裁变形过程:待冲孔管件5受到径向脉冲磁场力作用发生高速率胀形，由于两个半模4的限制，管壁与凹模刃口发生高速率冲击接触，因此，在脉冲磁场力和凹模刃口作用下，通过胀形沿刃口轮廓发生剪切塑性变形直至断裂。
[0021 ] 为说明本发明技术效果，提供两组具体实施例。
[0022]实施例1:铝合金管件单孔冲孔。实验条件:两个半模材料是45#钢，形成的内径Φ50，硬度HRB40-45，待冲孔刃口直径Φ15 ;所用管件3A21 (AA3003)铝合金，截面尺寸Φ50Χ1.2 ;电磁成形机电容量10X192uF ;所用螺线管线圈长55mm，由截面5X7矩形界面紫铜导线绕制。
[0023]实验参数:①电容4X192微法、电压4千伏、放电能量6.144千焦；②电容6X192微法、电压4千伏、放电能量9.216千焦；③电容6X 192微法、电压2.5千伏、放电能量3.6千焦；④电容6 X 192微法、电压3.5千伏、放电能量7.056千焦。实验中，管件外壁与模具紧密贴合。其中②号实验参数成功冲孔，其余参数刃口部分发生不同程度的凸起变形，冲裁后的孔形状规则，无毛刺。参见图2。
[0024]实施例2:铝合金管件多个变尺寸孔的同时冲裁。实验条件:两个半模材料为45#钢，硬度HRB40-45，内径Φ53，侧壁开孔Φ 10、Φ 12、Φ 14、Φ 16、Φ 18、Φ20，六个孔呈环形均匀分布在同一径向截面；所用管件L06纯铝管，界面尺寸Φ50 X 1.2mm ;电磁成形机电容量10uF ;所用螺线管线圈长55mm，由截面5X7矩形截面紫铜导线绕制。
[0025]实验参数:①电容100微法、电压15千伏、放电能量11.25千焦；②电容100微法、电压14千伏、放电能量9.8千焦；③电容100微法、电压13千伏、放电能量8.45千焦；④电容100微法、电压12千伏、放电能量7.2千焦。
[0026]实验中，为获得胀形冲孔同时进行的实验效果，模具的设计尺寸略大于管件。如图3所示，当冲孔能量逐渐加大，可以冲开的孔的直径越来越小，当电压达到15千伏，实验设计的六个孔已经完全被冲开，冲孔效果良好，管件外形与模具一致，冲开的孔无毛刺飞边等缺陷。实验说明本发明阐述的方法在多孔冲裁领域有巨大优势。
【权利要求】
1.一种金属管壁高速率冲孔装置，其特征在于所述装置包括脉冲电源(I)、连接线(2)、外套模(3)、两个半模(4)、待冲孔管件(5)和线圈￠)，脉冲电源(I)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)和高压脉冲电容器(1-5)，高压变压器(1-1)原边的两个电源端连接外网电源，高压变压器(1-1)副边的一端与整流器(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)的另一端与高压脉冲电容器(1-5)的正极和高压开关(1-4)的正极相连，高压开关(1-4)的负极作为脉冲电源(I)的一个输出端，高压变压器(1-1)的副边的另一端与高压脉冲电容器(1-5)的负极相连，高压脉冲电容器(1-5)的负极相连并作为脉冲电源(I)的另一个输出端，脉冲电源⑴的一个输出端通过连接线⑵与线圈(6)的一接线端相连，线圈(6)的另一接线端通过连接线(2)与脉冲电源(I)的另一个输出端相连，两个半模(4)内嵌于外套模(3)内，待冲孔管件(5)设在两个半模(4)内，线圈(6)设在待冲孔管件(5)内。
2.根据权利要求1所述一种金属管壁高速率冲孔装置，其特征在于每个半模(4)由高强度合金机械加工制造。
3.根据权利要求1或2所述一种金属管壁高速率冲孔装置，其特征在于线圈(6)由矩形截面、高导电率的紫铜匝线绕制于绝缘圆柱骨架之上且匝线外覆盖耐高压绝缘材料构成。
4.根据权利要求1或2所述一种金属管壁高速率冲孔装置，其特征在于线圈(6)的直径为30-300mm，高压脉冲电容器(1_5)的电容量为50_5000uF。
5.使用权利要求1所述的冲孔装置实现金属管壁高速率冲孔的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤:步骤一、装配线圈￠)、待冲孔管件(5)、半模(4)和外套模(3);步骤二、外网电压经高压变压器(1-1)升压后，通过整流器(1-2)把工频交流电变成直流电，再经过限流电阻器(1-3)对高压脉冲电容器(1-5)进行直流充电，当充电到预定电压值2-20kV后，断开由高压变压器(1-1)、整流器(1-2)、限流电阻器(1-3)及高压脉冲电容器(1-5)组成的充电电路； 步骤三、接通高压开关(1-4)，存储在高压脉冲电容器(1-5)中的电能通过连接线(2)经线圈(6)的匝线放电，脉冲大电流流经线圈(6)产生的瞬态变化磁场会在与线圈(6)临近的待冲孔管件(5)产生感应电流，即涡流，该涡流与线圈(6)和待冲孔管件(5)间隙内磁场相互作用，产生推动待冲孔管件(5)向外做胀形运动的脉冲磁场力，该脉冲载荷由于二个半模(4)的阻碍作用，使待冲孔管件(5)沿两个半模(4)的孔边缘发生由胀形、剪切到断裂的高速率变形过程，从而达到冲孔目的； 步骤四:断开高压开关(1-4)，拆卸外套模(3)和两个半模(4)，取出冲孔管件(5)。
【文档编号】B21D26/14GK104438544SQ201410588889
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】于海平, 李送斌, 于世豪 申请人:哈尔滨工业大学