基于磁脉冲成形的板材与管材连接方法及装置与流程

本发明属于金属材料加工成形领域。

背景技术：

金属板与管结构的连接，在现实生活中有着广泛的应用，如日常生活中给水管道的箱体和水管的连接，汽车、航天飞行器中的油箱与输油管道的连接，飞机操作杆的连接，金属与非金属材料之间的连接。所以研究板和管间的连接方式具有重要的实用价值，磁脉冲成形技术与传统板和管之间的连接提供了一种新的成形方式。

随着科学技术的进步，汽车、航天飞行器轻量化工程的发展，传统的冲孔、翻边、连接技术不能满足复杂零件的成形工艺，很难提高金属材料的成形极限，且传统的成形工艺仍然存在许多成形缺陷，如翻边孔边缘的断裂、毛刺、冲孔时产生的裂纹，造成成形件的质量的不稳定，导致金属材料成形极限低等缺陷。而磁脉冲成形技术很好的解决了传统加工工艺中存在的问题。

利用磁脉冲成形技术对金属材料进行冲孔、翻边、连接。所成形的工件精度高、无毛刺、残余应力小、回弹小等特点，且可对复杂零件进行高精度加工，极大地提高了材料的成形极限。磁脉冲成形技术顺应了汽车、航天飞行器轻量化工程的趋势，提高了轻合金材料精确成形，生产过程快速、高效，缩短了加工周期，可实现生产自动化、机械化。为汽车、航天飞行器节约了燃料，改善了环境，生产过程，绿色环保、无污染。所以磁脉冲成形技术具有重要的研究价值和巨大的经济效益。

虽然磁脉冲成形技术比传统的加工工艺有很大的优势和发展前景，但由于其在多工序加工过程中存在换模效率低，大型线圈制作成本高等现实问题，该技术在实际应用中仍然存在许多不足，还有待进一步的发展、研究和完善。

技术实现要素：

本发明是为了解决磁脉冲成形技术多工序加工过程存在换模效率低，大型线圈制作成本高的问题，提出了基于磁脉冲成形的板材与管材连接方法及装置。

本发明所述的基于磁脉冲成形的板材与管材连接方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、在二号底座12的中心开设圆形通孔，且在二号底座12的上表面开设定位凹槽，将下模压板14安装在所述凹槽内，在下模压板14的筒形结构内安装一号绝缘块15用以缓冲圆形平板线圈16产生的电磁斥力，所述圆形平板线圈16设置在一号绝缘块15的筒形结构内；

步骤二、将圆形平板线圈16的正负极与电磁成形放电系统的正负信号输出端连接，将坯板材料17放置于下模压板14、一号绝缘块15和圆形平板线圈16的上侧，并在坯板材料17的上侧安放翻边模具18，在翻边模具18的中心孔内安装冲孔模仁19；

步骤三、当电磁成形放电系统的开关1闭合时，电磁成形放电系统对圆形平板线圈16放电，脉冲电流经过圆形平板线圈16后，在圆形平板线圈16中产生脉冲磁场，坯板材料17处于脉冲磁场中，在坯板材料17表面产生感应涡流，感应涡流产生的脉冲磁场与圆形平板线圈16的强磁场旋转方向相反，两个磁场产生相互排斥的磁场力，推动坯板材料17向上运动与冲孔模仁19的直角刃口发生作用，完成坯料的冲孔，断开开关1；

步骤四、将步骤三中的冲孔模仁19从翻边模具18上拆卸下来，再次闭合开关1，电磁成形放电系统对圆形平板线圈16放电，脉冲电流经过圆形平板线圈16后，在圆形平板线圈16中产生脉冲磁场，坯板材料17处于脉冲磁场中，在坯板材料17表面产生感应涡流，感应涡流产生的脉冲磁场与圆形平板线圈16的强磁场旋转方向相反，两个磁场产生相互排斥的磁场力，推动坯板材料17向上运动与翻边模具18贴合，完成坯板材料17的翻边成形，断开开关1；

步骤五、将步骤五中的翻边模具18从坯板材料17上拆卸下来，将圆形平板线圈16从一号绝缘块15的凹槽内拆卸下来，将胀形模具25套设在翻边后的坯板材料17的外侧，并利用一号上盖板20通过螺钉对胀形模具25进行固定；

步骤六、将伸缩杆8的一端通过螺栓安装至一号底座6上，钢芯轴套7和胀形线圈9均套设在伸缩杆8的杆体上，且胀形线圈9临近伸缩杆8的顶端设置；

步骤七、使伸缩杆8伸长，并将伸缩杆8的顶部的胀形线圈9送入坯板材料17的翻边后的孔内，电磁成形放电系统对胀形线圈9放电，翻边后的孔部受到电磁力的作用与胀形模具25进行贴合，使翻边孔四周产生细小的波纹状的凸起，实现对坯板材料17翻边后孔壁进行波纹胀形；

步骤八、对经步骤七波纹胀形后的坯板材料17的翻边孔进行热处理，并对翻边孔的搭接区进行表面除锈，将胀形模具25和一号上盖板20从坯板材料17上拆卸下来，将连接管件固定在上模压板23的通孔内，并在连接管件的外侧套设二号绝缘块21，且在二号绝缘块21与连接管件之间套设连接线圈22，所述二号绝缘块21设置在上模压板23的下侧；

步骤九、将上模压板23与坯板材料17的翻边孔同轴设置，压紧上模压板23与下模压板14，使坯板材料17的翻边孔插接在连接管件内；

步骤十、使伸缩杆8伸长，卸下胀形线圈9，并将伸缩杆8的底部的钢芯轴套7送入坯板材料17波纹胀形后的翻边孔内，使钢芯轴套7的顶部高度与翻边孔顶部高度齐平放置，且与翻边孔和连接管件同轴放置；电磁成形放电系统的正负信号输出端与连接线圈22的正负信号输入端连接，电磁成形放电系统对连接线圈22进行放电，电磁成形放电系统对连接线圈瞬时放电，当所产生的脉冲磁场力大于连接管件的屈服极限时，管件与翻边板材在搭接区就产生磁脉冲连接接头，完成连接管件与坯板材料17的连接。

基于磁脉冲成形的板材与管材连接装置，该装置包括电磁成形放电系统、一号底座6、钢芯轴套7、伸缩杆8、胀形线圈9、二号底座12、下模压板14、一号绝缘块15、圆形平板线圈16、坯板材料17、翻边模具18、冲孔模仁19、一号上盖板20、二号绝缘块21、连接线圈22、上模压板23和胀形模具25；

二号底座12的中心开设圆形通孔，且在二号底座12的上表面开设定位凹槽，下模压板14和一号绝缘块15均为上侧开口的筒形结构，所述下模压板14和一号绝缘块15的底部均开有圆形通孔，一号绝缘块15安装在下模压板14的筒形结构内，一号绝缘块15的圆形通孔与下模压板14底部的圆形通孔的直径相同，圆形平板线圈16安装在一号绝缘块15的筒形结构内；且一号绝缘块15上的圆形通孔、二号底座12底面的圆形通孔与一号绝缘块15底面的圆形通孔同轴设置；

一号绝缘块15的顶端面与下模压板14的顶端面位于同一水平面；坯板材料17安装在一号绝缘块15的顶端面所在水平面上；

翻边模具18为上下均开口的筒形结构，所述翻边模具18用于对经过打孔后的坯板材料17进行翻边；对坯板材料17进行翻边时，翻边模具18固定在坯板材料17的上侧，且与一号绝缘块15同轴设置；

冲孔模仁19为上端口设有外翻沿的筒形结构；所述冲孔模仁19用于对坯板材料17进行冲孔，对坯板材料17进行冲孔时，冲孔模仁19的筒形结构插接在翻边模具18的筒形结构内，冲孔模仁19的外翻沿固定在翻边模具18的上表面；

电磁成形放电系统用于对坯板材料17翻边和冲孔时为圆形平板线圈16供电；对坯板材料17波纹胀形时对胀形线圈9供电；管件与坯板材料17连接时对连接线圈22供电；

胀形线圈9用于插接在坯板材料17的翻边后的孔内，电磁成形放电系统对坯板材料17翻边后孔壁进行波纹胀形；胀形线圈9套设在伸缩杆8的杆体上，伸缩杆8固定安装在一号底座6的中心处；

钢芯轴套7用于在管件与坯板材料17连接时，套设在伸缩杆8的杆体上插接在坯板材料17波纹胀形后的翻边孔内，钢芯轴套7的顶部高度与翻边孔顶部高度齐平放置，且与翻边孔和连接管件同轴放置；

二号绝缘块21、连接线圈22和上模压板23构成压接结构；压接结构用于在连接管件与坯板材料17连接时，套接在连接管件的外侧；

二号绝缘块21和上模压板23均为上下开口的筒形结构，所述二号绝缘块21的筒形结构内卡接有连接线圈22，所述连接线圈22为圆盘形结构，二号绝缘块21的上表面与上模压板23表面贴合；二号绝缘块21、连接线圈22和上模压板23均同轴设置。

本发明与现有技术相比具有以下主要优点：

1.本发明利用线圈完成多工序加工成形，成形过程快速高效，成形工件加工精度高，无毛刺，回弹小，无裂纹，无须后续清理工序及焊后热处理，显著提高了材料的成形极限和板材和管材的电磁脉冲连接的加工灵活性。

2.本发明的模具设计结构简单，可完成多工序成形，降低了生产成本。

3.本发明磁脉冲成形装置与传统成形工艺相比，具有模具设计简单，使用寿命长，可实现对板材的高速率、高精度加工成形，缩短了加工周期，使生产效率大大提高，更加适合大批量生产利于实现自动化、机械化等优点。

4.本发明加工过程无噪音、无污染、绿色环保，是一种可推广的应用的实用技术。

附图说明

图1为基于磁脉冲成形的板材与管材连接装置进行坯板材料冲孔时结构示意图；

图2为基于磁脉冲成形的板材与管材连接装置对坯板材料翻边后孔壁进行波纹胀形时的结构示意图；

图3为一号绝缘块的剖视图；

图4为一号绝缘块的俯视图；

图5为翻边模具的剖视图；

图6为翻边模具的俯视图；

图7为胀形模具的剖视图；

图8为胀形模具的俯视图；

图9为冲孔模仁的剖视图；

图10为冲孔模仁的俯视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式一、结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述的基于磁脉冲成形的板材与管材连接方法，该方法的具体步骤为：

坯料的冲孔的步骤；

步骤一、在二号底座12的中心开设圆形通孔，且在二号底座12的上表面开设定位凹槽，将下模压板14安装在所述凹槽内，在下模压板14的筒形结构内安装一号绝缘块15用以缓冲圆形平板线圈16产生的电磁斥力，所述圆形平板线圈16设置在一号绝缘块15的筒形结构内；

步骤二、将圆形平板线圈16的正负极与电磁成形放电系统的正负信号输出端连接，将坯板材料17放置于下模压板14、一号绝缘块15和圆形平板线圈16的上侧，并在坯板材料17的上侧安放翻边模具18，在翻边模具18的中心孔内安装冲孔模仁19；

步骤三、当电磁成形放电系统的开关1闭合时，电磁成形放电系统对圆形平板线圈16放电，脉冲电流经过圆形平板线圈16后，在圆形平板线圈16中产生脉冲磁场，坯板材料17处于脉冲磁场中，在坯板材料17表面产生感应涡流，感应涡流产生的脉冲磁场与圆形平板线圈16的强磁场旋转方向相反，两个磁场产生相互排斥的磁场力，推动坯板材料17向上运动与冲孔模仁19的直角刃口发生作用，完成坯料的冲孔，断开开关1；

磁脉冲翻边成形的步骤；

步骤四、将步骤四中的冲孔模仁19从翻边模具18上拆卸下来，再次闭合开关1，电磁成形放电系统对圆形平板线圈16放电，脉冲电流经过圆形平板线圈16后，在圆形平板线圈16中产生脉冲磁场，坯板材料17处于脉冲磁场中，在坯板材料17表面产生感应涡流，感应涡流产生的脉冲磁场与圆形平板线圈16的强磁场旋转方向相反，两个磁场产生相互排斥的磁场力，推动坯板材料17向上运动与翻边模具18贴合，完成坯板材料17的翻边成形，断开开关1；

步骤五、将步骤五中的翻边模具18从坯板材料17上拆卸下来，将圆形平板线圈16从一号绝缘块15的凹槽内拆卸下来，将胀形模具25套设在翻边后的坯板材料17的外侧，并利用一号上盖板20通过螺钉对胀形模具25进行固定；

步骤六、将伸缩杆8的一端通过螺栓安装至一号底座6上，钢芯轴套7和胀形线圈9均套设在伸缩杆8的杆体上，且胀形线圈9临近伸缩杆8的顶端设置；

步骤七、使伸缩杆8伸长，并将伸缩杆8的顶部的胀形线圈9送入坯板材料17的翻边后的孔内，电磁成形放电系统对胀形线圈9放电，翻边后的孔部受到电磁力的作用与胀形模具25进行贴合，使翻边孔四周产生细小的波纹状的凸起，实现对坯板材料17翻边后孔壁进行波纹胀形；

利用磁脉冲成形技术进行连接管件的安装；

步骤八、对经步骤七波纹胀形后的坯板材料17的翻边孔进行热处理，并对翻边孔的搭接区进行表面除锈，将胀形模具25和一号上盖板20从坯板材料17上拆卸下来，将连接管件固定在上模压板23的通孔内，并在连接管件的外侧套设二号绝缘块21，且在二号绝缘块21与连接管件之间套设连接线圈22，所述二号绝缘块21设置在上模压板23的下侧；

步骤九、将上模压板23与坯板材料17的翻边孔同轴设置，压紧上模压板23与下模压板14，使坯板材料17的翻边孔插接在连接管件内；

步骤十、使伸缩杆8伸长，卸下胀形线圈9，并将伸缩杆8的底部的钢芯轴套7送入坯板材料17波纹胀形后的翻边孔内，使钢芯轴套7的顶部高度与翻边孔顶部高度齐平放置，且与翻边孔和连接管件同轴放置；电磁成形放电系统的正负信号输出端与连接线圈22的正负信号输入端连接，电磁成形放电系统对连接线圈22进行放电，电磁成形放电系统对连接线圈瞬时放电，当所产生的脉冲磁场力大于连接管件的屈服极限时，管件与翻边板材在搭接区就产生磁脉冲连接接头，完成连接管件与坯板材料17的连接。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于磁脉冲成形的板材与管材连接方法的进一步说明，步骤七还包括将伸缩杆8的一端通过螺栓安装至一号底座6上的步骤。

本实施方式所述的伸缩杆，实现胀形线圈的传送和钢芯轴套的传递。螺栓外套环绕卡槽，实现胀形线圈和钢芯轴套在伸缩杆指定位置上固定，完成电磁胀形时胀形线圈的传送和电磁连接时钢芯轴套的传递。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于磁脉冲成形的板材与管材连接方法的进一步说明，步骤八还包括对经步骤七波纹胀形后的坯板材料17的翻边孔进行热处理，并对翻边孔的搭接区进行表面除锈的子步骤。

本实施方式所述的经过电磁胀形后的翻边孔需要满足一定的刚度，所以需要经过热处理提高翻边孔的强度和机械性能，此外在管件与翻边孔连接时中间设有钢芯轴套，以保证在磁脉冲连接过程中不发生结构失稳。

具体实施方式四、本实施方式所述基于磁脉冲成形的板材与管材连接装置，该装置包括电磁成形放电系统、一号底座6、钢芯轴套7、伸缩杆8、胀形线圈9、二号底座12、下模压板14、一号绝缘块15、圆形平板线圈16、坯板材料17、翻边模具18、冲孔模仁19、一号上盖板20、二号绝缘块21、连接线圈22、上模压板23和胀形模具25；

二号底座12的中心开设圆形通孔，且在二号底座12的上表面开设定位凹槽，下模压板14和一号绝缘块15均为上侧开口的筒形结构，所述下模压板14和一号绝缘块15的底部均开有圆形通孔，一号绝缘块15安装在下模压板14的筒形结构内，一号绝缘块15的圆形通孔与下模压板14底部的圆形通孔的直径相同，圆形平板线圈16安装在一号绝缘块15的筒形结构内；且一号绝缘块15上的圆形通孔、二号底座12底面的圆形通孔与一号绝缘块15底面的圆形通孔同轴设置；

一号绝缘块15的顶端面与下模压板14的顶端面位于同一水平面；坯板材料17安装在所述水平面上；

翻边模具18为上下均开口的筒形结构，所述翻边模具18用于对经过打孔后的坯板材料17进行翻边；对坯板材料17进行翻边时，翻边模具18固定在坯板材料17的上侧，且与一号绝缘块15同轴设置；

冲孔模仁19为上端口设有外翻沿的筒形结构；所述冲孔模仁19用于对坯板材料17进行冲孔，对坯板材料17进行冲孔时，冲孔模仁19的筒形结构插接在翻边模具18的筒形结构内，冲孔模仁19的外翻沿固定在翻边模具18的上表面；

电磁成形放电系统用于对坯板材料17翻边和冲孔时为圆形平板线圈16供电；对坯板材料17波纹胀形时对胀形线圈9供电；管件与坯板材料17连接时对连接线圈22供电；

胀形线圈9用于插接在坯板材料17的翻边后的孔内，电磁成形放电系统后对坯板材料17翻边后孔壁进行波纹胀形；胀形线圈9套设在伸缩杆8的杆体上，伸缩杆8固定安装在一号底座6的中心；

钢芯轴套7用于在管件与坯板材料17连接时，套设在伸缩杆8的杆体上插接在坯板材料17波纹胀形后的翻边孔内，钢芯轴套7的顶部高度与翻边孔顶部高度齐平放置，且与翻边孔和连接管件同轴放置；

二号绝缘块21、连接线圈22和上模压板23构成压接结构；压接结构用于在连接管件与坯板材料17连接时，套接在连接管件的外侧；

二号绝缘块21和上模压板23均为上下开口的筒形结构，所述二号绝缘块21的筒形结构内卡接有连接线圈22，所述连接线圈22为圆盘形结构，二号绝缘块21的上表面与上模压板23表面贴合；二号绝缘块21、连接线圈22和上模压板23均同轴设置。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式四所述的基于磁脉冲成形的板材与管材连接装置的进一步说明，它还包括两根一号立柱11和一根一号盖板20；

两根一号立柱11均固定在二号底座12上，且所述两根一号立柱11分别位于下模压板14的两侧，且以二号底座12的中轴线成轴对称设置；一号盖板20的两端开有两个插接口，两根一号立柱11分别插接在所述两个插接口内，一号盖板20通过紧固螺栓固定在两根一号立柱11上，所述一号盖板20用于插接螺栓，所述螺栓用于对翻边模具18或胀形模具25进行固定。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式五所述的基于磁脉冲成形的板材与管材连接装置的进一步说明，它还包括两根二号立柱13和二号盖板24；

两根二号立柱13均固定在二号底座12上，且所述两根一号立柱11分别位于下模压板14的两侧，且以二号底座12的中轴线成轴对称设置；二号盖板24的两端开有两个插接口，两根二号立柱13分别插接在所述两个插接口内，二号盖板24通过紧固螺栓固定在两根二号立柱13上，所述二号盖板24用于插接螺栓，所述螺栓用于对二号绝缘块21和上模压板23进行固定。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式四所述的基于磁脉冲成形的板材与管材连接装置的进一步说明，冲孔模仁19底端内侧横截面为90°直角刃口。

具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式四所述的基于磁脉冲成形的板材与管材连接装置的进一步说明，电磁成形放电系统包括开关1、储能电容2、限流电阻3、整流器4和升压变压器5；

开关1的一端同时连接储能电容2的一端和升压变压器5的副线圈的一端，升压变压器5的副线圈的另一端连接整流器4的电源信号输入端，整流器4的另一端连接限流电阻3的一端，限流电阻3的另一端连接储能电容2的另一端，所述限流电阻3的另一端为电磁成形放电系统的正向电源信号输出端，开关1的另一端为电磁成形放电系统的负向电源信号输出端。

在本发明中，上模压板通过螺栓固定在上盖板中，预定中心位置，在电磁连接时与下模压板相互作用固定翻边孔。下模压板在与翻边模具、胀形模具和上模压板分别作用，固定板材坯料分别完成电磁冲孔、电磁翻边、电磁胀形和电磁连接。

冲孔模仁和翻边模具均呈圆形筒状，冲孔模仁镶接入翻边模具的安装通孔中，用螺栓锁紧，其中冲孔模仁冲孔内侧横截面为90°直角刃口，便于完成冲孔成形；所述的翻边模具内侧横截面为弧形利于贴合翻边孔的形成。

连接管件由螺栓通过上模压板固定在上盖板中，安装在与翻边孔对称中心轴处，通过上盖板左右螺栓滑动，进行电磁连接。下模压板的侧面设有圆形平板线圈正、负两级开出的出线口。下模压板圆柱筒上表面中部有为安放圆形平板线圈的定位凹槽。

翻边模具和冲孔模仁用螺栓与下模压板固定好以后，翻边模具和冲孔模仁的下端面与板材坯料表面在同一水平面上。

采用1040铝合金板作为加工板材坯料，利用电容器对圆形平板线圈放电，完成冲孔成形；取下冲孔模仁，接着进行放电翻边成形；之后打开伸缩杆，使胀形线圈上升到胀形模具的预定位置，完成放电电磁胀形成形；卸下胀形模具，滑动上盖板，用螺栓使上模压板和下模压板固定胀形后的翻边孔，利用电容器对连接线圈放电，完成电磁连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。