一种利用多向磁场力驱动板材翻孔成形的装置及方法与流程

本发明涉及材料加工成形技术领域，具体涉及一种利用多向磁场力驱动板材翻孔成形的装置及方法。

背景技术：

传统的翻孔成形方法是直接用钢模翻孔，该方法需要一套具有凸凹模的大型成形工装和大台面压力机，生产成本高、周期长。当翻孔系数较小时，圆孔翻边变形区容易产生裂纹，通常需要多道次成形工序，工序中间要进行打磨、修边和退火处理，制造工艺相当复杂，至使生产效率低，废品率高，成本高，工人劳动强度大。

电磁脉冲成形是一种利用脉冲磁场力对金属工件进行高速加工的方法，是未来制造业的关键技术之一。研究表明：材料在脉冲磁场力高速变形条件下能够获得高于传统冲压加工下的成形性能。

在相关文献中，张文忠等人研究了5a06板材磁脉冲成形圆孔翻边工艺，发现电磁成形可以显著地提高铝合金的塑性和圆孔翻边性能。黄亮等人发现通过减小压边力，有利于板料法兰部分材料向凹模腔内流动，可以抑制翻孔端部的减薄。但是压边力较小时，板料法兰出现起皱。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种可避免翻孔成形时圆孔翻边变形区产生裂纹、产品质量好、成形工艺简单的板材翻孔成形的装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

本发明提出了两种解决上述问题的技术方案，这两种方案的基本技术构思相同。

第一种方案为：一种利用多向磁场力驱动板材翻孔成形的装置，包括压边圈和凹模，所述压边圈放置于凹模的上方，压边圈用于将待翻孔成形的板材压在压边圈和凹模之间，所述凹模内具有凹模腔，所述压边圈上和凹模上分别相对设置有上部线圈凹槽和下部线圈凹槽，所述上部线圈凹槽内嵌设有上端部缩径线圈，所述下部线圈凹槽内嵌设有下端部缩径线圈，所述板材的预制孔的边缘上方设有轴向拉深线圈，板材的预制孔内设有内部胀形线圈。

优选的，所述上端部缩径线圈、下端部缩径线圈、轴向拉深线圈和内部胀形线圈连接至同一个电源系统，同时进行充电或放电。这样，可方便进行控制。

优选的，所述内部胀形线圈包括竖向设置的多圈线圈。

优选的，所述上端部缩径线圈和下端部缩径线圈均包括多圈同心线圈。

优选的，所述轴向拉深线圈包括多圈同心线圈。

作为一个总的技术构思，本发明另一方面提供了一种利用上述的装置对板材进行翻孔成形的方法，该方法主要包括以下步骤：

s1、将具有预制孔的待翻孔成形的板材夹在压边圈和凹模之间，使得轴向拉深线圈位于板材的预制孔边缘上方，内部胀形线圈位于板材的预制孔内；

s2、对轴向拉深线圈、上端部缩径线圈、下端部缩径线圈和内部胀形线圈充电并放电，上端部缩径线圈和下端部缩径线圈对板材产生向内压缩的电磁力，内部胀形线圈对预制孔处产生向外膨胀的电磁力，轴向拉深线圈对板材产生向下压的电磁力，板材在多向磁场力的驱动下向下拉深变形，即完成板材的翻孔成形。

轴向拉深线圈驱动板材翻孔区域沿轴向运动(向下运动，如图1所示)；内部胀形线圈用于在板材的孔端产生一个径向压应力(如图2所示)，根据塑性成形原理可知，径向力(σ3)的出现必然会减小孔端变形时受到的拉应力数值，从而抑制破裂。端部缩径线圈用于驱动板材法兰区域的材料向凹模腔流动，进一步减小孔端变形时受到的拉应力数值(如图3所示)；从而从根本上解决了板材翻孔时孔端容易拉裂的问题，大幅度提高了翻孔高度。

第二种方案为：一种利用多向磁场力驱动板材翻孔成形的装置，包括压边圈和凹模，所述压边圈放置于凹模的上方，压边圈用于将待翻孔成形的板材压在压边圈和凹模之间，所述凹模内具有凹模腔，所述压边圈上和凹模上分别相对设置有上部线圈凹槽和下部线圈凹槽，所述上部线圈凹槽内嵌设有上端部缩径线圈，所述下部线圈凹槽内嵌设有下端部缩径线圈，所述板材的预制孔的边缘上方设有轴向拉深线圈，板材的预制孔内设有内部胀形线圈。所述凹模置于一底板上，所述底板上沿凹模腔的周向安装有多根弹簧，多根所述弹簧竖直向上设置，多根弹簧的上端安装有一环形挡板。

优选的，所述轴向拉深线圈和内部胀形线圈各自分别连接一个电源系统，所述上端部缩径线圈和下端部缩径线圈连接一个电源系统，端部缩径线圈与轴向拉深线圈、内部胀形线圈独立进行充电或放电。这样，内部胀形线圈的放电时间可以更长，可以在板材的预制孔处产生持续的磁压强。

优选的，所述内部胀形线圈包括竖向设置的多圈线圈。

优选的，所述上端部缩径线圈和下端部缩径线圈均包括多圈同心线圈。

优选的，所述轴向拉深线圈包括多圈同心线圈。

作为一个总的技术构思，本发明另一方面提供了一种利用上述的装置对板材进行翻孔成形的方法，该方法主要包括以下步骤：

s1、将具有预制孔的待翻孔成形的板材夹在压边圈和凹模之间，使得轴向拉深线圈位于板材的预制孔边缘上方，内部胀形线圈位于板材的预制孔内，环形挡板抵在预制孔的边缘下方；

s2、对轴向拉深线圈、上端部缩径线圈、下端部缩径线圈和内部胀形线圈充电并放电，上端部缩径线圈和下端部缩径线圈对板材产生向内压缩的电磁力，内部胀形线圈对预制孔处产生向外膨胀的电磁力，轴向拉深线圈对板材产生向下压的电磁力，板材在多向磁场力的驱动下向下拉深变形，在板材向下拉深变形过程中，环形挡板在压力下向下移动，预制孔的边缘处在环形挡板上保持平直；

s3、对轴向拉深线圈、上端部缩径线圈、下端部缩径线圈和内部胀形线圈断电，去除内部胀形线圈、弹簧和环形挡板，将轴向拉深线圈下降至预制孔边缘的平直处，对轴向拉深线圈、上端部缩径线圈和下端部缩径线圈再次放电，使板材的预制孔边缘与凹模的内壁贴模，即完成板材的翻孔成形。

采用这种方案的好处是：在第一步翻孔结束后，板材中部的孔径变大，板材底部的环形区域(预制孔边缘的平直部分)减小；第二步翻孔，仅将剩余的小部分环形区域弯曲拉直，这样，有利于提高翻边直壁与凹模的贴模性。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)设置上端部缩径线圈和下端部缩径线圈，有助于提高板材法兰部材料的塑性流动性，减小板材孔端在翻孔变形时受到的拉应力，避免因为拉引力过大导致的破裂，从而提高了板材的翻孔高度。

(2)设置内部胀形线圈可在板料预制孔内产生磁压强，此磁压强会在预制孔处产生径向压应力，将传统翻孔的单向拉应力状态，改变为一拉、一压的应力状态。根据塑性成形原理，压应力的出现，必然会导致孔端的拉应力数值减小，从而进一步避免孔端因为拉引力过大而导致的破裂，从而进一步提高翻孔高度。

(3)本发明采用上端部缩径线圈、下端部缩径线圈、轴向拉深线圈和内部胀形线圈同时放电，对板材进行多向磁脉冲驱动板材预制孔翻孔高速变形，减小了孔端变形时受到的拉应力数值，避免圆孔翻边变形区产生裂纹，提高了板材的翻边性能，提高了产品质量。

(4)本发明的第二种方案中，在第一步翻孔结束后，板材中部的孔径变大，板材底部的环形区域(预制孔边缘的平直部分)减小；在第二步翻孔时，仅将剩余的小部分环形区域弯曲拉直，这样，有利于提高翻边直壁与凹模的贴模性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为轴向拉深线圈作用下板材孔端的应力状态示意图。

图2为轴向拉深线圈和内部胀形线圈共同作用下板材孔端的应力状态示意图。

图3为轴向拉深线圈、内部胀形线圈、上端部缩径线圈和下端部缩径线圈共同作用下板材孔端的应力状态示意图。

图4为本发明实施例1的装置工作初始状态的结构示意图。

图5为本发明实施例1的装置线圈同时放电后板材变形示意图。

图6为本发明实施例2的装置工作初始状态的结构示意图。

图7为本发明实施例2的装置线圈同时放电后板材变形示意图。

图8为本发明实施例2的装置轴向拉深线圈下降，环形挡板、弹簧和内部胀形线圈去除后的示意图。

图9为本发明实施例2的装置轴向拉深和端部缩径线圈再次放电后板材变形示意图。

图例说明：

1、压边圈；2、凹模；3、板材；4、凹模腔；5、上端部缩径线圈；6、下端部缩径线圈；7、轴向拉深线圈；8、内部胀形线圈；9、底板；10、弹簧；11、环形挡板。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图4和图5所示，一种本发明的利用多向磁场力驱动板材翻孔成形的装置，该装置包括压边圈1和凹模2，压边圈1放置于凹模2的上方。该压边圈1用于将待翻孔成形的板材3压在压边圈1和凹模2之间。凹模2内具有凹模腔4。压边圈1上和凹模2上分别相对设置有上部线圈凹槽和下部线圈凹槽，在上部线圈凹槽内嵌设有上端部缩径线圈5，在下部线圈凹槽内嵌设有下端部缩径线圈6。板材3上开有预制孔，板材3的预制孔的边缘上方设有轴向拉深线圈7，板材3的预制孔内设有内部胀形线圈8。该内部胀形线圈8包括竖向设置的多圈线圈。而上端部缩径线圈5和下端部缩径线圈6均为多圈同心线圈。轴向拉深线圈7也为多圈同心线圈。上端部缩径线圈5、下端部缩径线圈6、轴向拉深线圈7和内部胀形线圈8连接至同一个电源系统，同时进行充电或放电。

利用上述装置对板材进行翻孔成形，具体步骤如下：

第一步、将具有预制孔的待翻孔成形的板材3夹在压边圈1和凹模2之间，使得轴向拉深线圈7位于板材3的预制孔边缘上方，内部胀形线圈8位于板材3的预制孔内；

第二步、对轴向拉深线圈7、上端部缩径线圈5、下端部缩径线圈6和内部胀形线圈8充电并放电，上端部缩径线圈5和下端部缩径线圈6对板材3产生向内压缩的电磁力，内部胀形线圈8对预制孔处产生向外膨胀的电磁力，轴向拉深线圈7对板材3产生向下压的电磁力，板材3在多向磁场力的驱动下向下拉深变形，即完成板材3的翻孔成形。

实施例2：

如图6至图9所示，一种本发明的利用多向磁场力驱动板材翻孔成形的装置，该装置包括压边圈1和凹模2，压边圈1放置于凹模2的上方。该压边圈1用于将待翻孔成形的板材3压在压边圈1和凹模2之间。凹模2内具有凹模腔4。压边圈1上和凹模2上分别相对设置有上部线圈凹槽和下部线圈凹槽，在上部线圈凹槽内嵌设有上端部缩径线圈5，在下部线圈凹槽内嵌设有下端部缩径线圈6。板材3上开有预制孔，板材3的预制孔的边缘上方设有轴向拉深线圈7，板材3的预制孔内设有内部胀形线圈8。凹模2置于一底板9上，底板9上沿凹模腔4的周向安装有多根弹簧10，多根弹簧10竖直向上设置，多根弹簧10的上端安装有一环形挡板11。内部胀形线圈8为竖向设置的多圈线圈。上端部缩径线圈5和下端部缩径线圈6均为多圈同心线圈。轴向拉深线圈7也为多圈同心线圈。轴向拉深线圈7和内部胀形线圈8各自分别连接一个电源系统，上端部缩径线圈5和下端部缩径线圈6连接一个电源系统，端部缩径线圈与轴向拉深线圈7、内部胀形线圈8独立进行充电或放电。

利用上述装置对板材进行翻孔成形，具体步骤如下：

第一步、将具有预制孔的待翻孔成形的板材3夹在压边圈1和凹模2之间，使得轴向拉深线圈7位于板材3的预制孔边缘上方，内部胀形线圈8位于板材3的预制孔内，环形挡板11抵在预制孔的边缘下方；

第二步、对轴向拉深线圈7、上端部缩径线圈5、下端部缩径线圈6和内部胀形线圈8充电并放电，上端部缩径线圈5和下端部缩径线圈6对板材3产生向内压缩的电磁力，内部胀形线圈8对预制孔处产生向外膨胀的电磁力，轴向拉深线圈7对板材3产生向下压的电磁力，板材3在多向磁场力的驱动下向下拉深变形，在板材3向下拉深变形过程中，环形挡板11在压力下向下移动，预制孔的边缘处在环形挡板11上保持平直；

第三步、对轴向拉深线圈7、上端部缩径线圈5、下端部缩径线圈6和内部胀形线圈8断电，去除内部胀形线圈8、弹簧10和环形挡板11，将轴向拉深线圈7下降至预制孔边缘的平直处，对轴向拉深线圈7、上端部缩径线圈5和下端部缩径线圈6再次放电，使板材3的预制孔边缘与凹模2的内壁贴模，即完成板材3的翻孔成形。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。