一种电磁翻边成形装置及方法

技术领域

本发明属于金属成形制造技术领域，更具体地，涉及一种电磁翻边成形装置及方法。

背景技术

轻质合金材料的使用为汽车、航空航天等领域的工业生产轻量化提供了有效的实现途径。而常用的轻质合金材料如铝合金、钛合金和镁合金等在室温下成形性能较差，采用传统加工工艺容易使工件产生裂纹和回弹等缺陷。研究表明高速成形能有效改善轻质合金在室温下的成形性能，电磁成形作为一种利用洛伦兹力使金属材料高速成形的技术，被广泛应用于铝合金等轻质合金材料的加工领域中。

电磁翻边是电磁成形的一种具体应用，在电磁翻边中，存在如下常见问题：1、由于线圈结构的限制，一次放电后工件难以贴模，但多次放电时，工件和线圈间距往往会增大，导致工件所受电磁力不足，难以驱动其继续变形，因此需要绕制多个不同结构的线圈对工件进行多步渐进成形；2、对于非轴对称的翻边工件，如斜孔、方孔、跑道型孔等异形孔工件形状，往往需要特殊形状的线圈才能使工件获得合适的电磁力分布，但异形线圈往往难以绕制，其结构强度也难以保证，这大大限制了电磁翻边技术的应用范围。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电磁翻边成形装置及方法，旨在解决传统电磁翻边方法中由于线圈结构和强度限制，成形力场分布不能随意调控，导致难以通过一次成形获得高贴模精度的工件、难以在多步渐进电磁成形中保持线圈始终贴近工件以施加足够的电磁力、难以绕制形状复杂的线圈以满足异形件的翻边要求的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种电磁翻边成形装置，包括：螺旋管驱动线圈、磁场整形器以及凹模；

所述磁场整形器包括：中空的柱体和两个凸台；所述两个凸台位于所述中空柱体的两侧；

所述螺旋管驱动线圈绕制在所述凸台上方的中空圆柱体上；在对所述螺旋管驱动线圈通电后，所述螺旋管驱动线圈周围产生感应磁场；

所述凹模为内凹的模具，其内凹形状与待翻边工件的成形形状要求一致；所述磁场整形器凸台下方中空柱体的外轮廓与凹模形状相匹配；所述磁场整形器的两个凸台的连线平行于所述凹模的上平面；所述待翻边工件为板件或管件；

当所述凹模上放置带中孔的待翻边的板件时，将所述磁场整形器的下端逐步置入所述中孔，使得所述感应磁场集中分布在所述磁场整形器和板件之间的间隙，以驱动所述板件中孔逐步朝向所述凹模的内壁翻边成形；

当所述凹模内放置待翻边的管件时，所述管件的形状与所述凹模内凹形状相匹配，所述管件在所述凹模上表面上方有一截凸起，将所述磁场整形器的下端逐步置入凸起管件的内部，使得所述感应磁场集中分布在所述磁场整形器和管件之间的间隙，以驱动所述凸起管件逐步朝向所述凹模的上表面翻边成形。

在一个可选的实施例中，将所述磁场整形器的下端逐步置入所述中孔，具体为：对所述板件中孔多步渐进翻边成形，针对上一步对板件翻边成形的情况，向下移动所述磁场整形器，保证每步成形时，所述磁场整形器和板件中孔的间隙小于预设值，以促进板件中孔多步渐进朝向所述凹模的内壁翻边成形；或

所述将所述磁场整形器的下端逐步置入凸起管件的内部，具体为：对所述管件多步渐进翻边成形，针对上一步对凸起管件翻边成形的情况，向下移动所述磁场整形器，保证每步成形时，所述磁场整形器和管件内壁的间隙小于预设值，以促进凸起管件多步渐进朝向所述凹模的上表面翻边成形。

在一个可选的实施例中，所述两个凸台下表面的形状与所述凹模法兰和倒角的形状相匹配。

在一个可选的实施例中，当所述凹模上放置待成形的板件时，所述电磁翻边成形装置还包括：压边块；

所述压边块放置在所述凹模上表面上的板件上，为板件提供压边力，以保证板件中孔翻边成形过程中凹模上表面板件的位置不变。

在一个可选的实施例中，当所述凹模上放置待成形的板件时，所述中空的柱体两侧的凸台在所述凹模上表面的投影面积小于预设面积，且所述中空的柱体两侧的凸台在所述凹模上表面的投影与所述压边块不重叠。

在一个可选的实施例中，当所述凹模内放置待成形的管件时，所述中空的柱体两侧的凸台在所述凹模上表面的投影面积大于预设面积，以使得所述中空的柱体两侧的凸台下表面和管件之间缝隙的感应磁场为所述管件翻边成形提供驱动力。

可以理解的是，当对管件进行成形时，磁场整形器凸台的下表面也驱动工件轴向向下变形，管件主要需要向凹模的法兰区变形，而凸台下方的中空柱体主要在凹模内部，只有凸台下表面朝向凹模法兰区域，故主要由凸台下表面提供管件向凹模法兰区域的驱动力，因此需要的凸台面积较大。当对板件成形时，板件的中孔主要需要向凹模的腔体变形，因此主要由伸进凹模腔体的中空柱体向板件提供驱动力，而板件对凸台下表面提供驱动力的需求主要集中在板件向凹模倒角变形处，因此需要的凸台面积较小。

在一个可选的实施例中，所述凸台上方的中空柱体是圆柱体，以紧密嵌套所述螺旋管驱动线圈，所述凸台下方的中空柱体形状由工件翻边要求决定。

具体地，凸台下方的中空柱体的形状由工件翻边要求决定，且凹模的内凹的形状也由工件翻边要求决定。例如工件是管件时，若该管件是圆柱管件、斜柱管件或者椭圆柱管件等等形状，则将凸台下方的中空柱体和凹模的内凹形状设置为对应的圆柱、斜柱或者椭圆柱等形状。再例如工件是板件时，若板件的中孔处为是圆柱孔、斜柱孔或者椭圆柱孔等等形状，则将凸台下方的中空柱体和凹模的内凹形状设置为对应的圆柱、斜柱或者椭圆柱等形状。

在一个可选的实施例中，所述螺旋管驱动线圈绕制在所述凸台上方中空圆柱体的外部或者绕制在所述凸台上方中空圆柱体的内部。

在一个可选的实施例中，所述磁场整形器的材料的电导率材料大于预设电导率值。

其中，预设电导率值可根据实际需求设定，具体磁场整形器材料的电导率需要较高，例如铜合金或铝合金。

第二方面，本发明提供了一种电磁翻边成形方法，包括如下步骤：

选取磁场整形器，其包括中空的柱体和两个凸台；所述两个凸台位于所述中空柱体的两侧；

将螺旋管驱动线圈绕制在所述凸台上方的中空圆柱体上；在对所述螺旋管驱动线圈通电后，所述螺旋管驱动线圈周围产生感应磁场；

选取凹模，所述凸台下方中空柱体的外轮廓形状与所述凹模腔体相匹配；所述两个凸台的连线平行于所述凹模的上平面；

当所述凹模上放置带中孔的待翻边板件时，将所述磁场整形器的下端逐步置入所述中孔，使得所述感应磁场集中分布在所述磁场整形器和板件之间的间隙，以驱动所述板件中孔逐步朝向所述凹模的内壁翻边成形；所述板件中孔形状与凸台下方中空柱体的外轮廓形状相匹配；

当所述凹模内放置待翻边的管件时，所述管件的形状与所述凹模内凹形状相匹配，所述管件在所述凹模上表面上方有一截凸起，将所述磁场整形器的下端逐步置入凸起管件的内部，使得所述感应磁场集中分布在所述磁场整形器和管件之间的间隙，以驱动所述凸起管件逐步朝向所述凹模的上表面翻边成形。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供了一种电磁翻边成形装置及方法，通过加入磁场整形器，磁场整形器分为凸台上部、凸台、凸台下部三部分，凸台上部和螺旋管驱动线圈形状相同并与之紧密相连；凸台下表面和凹模倒角处形状相同，在多步渐近成形过程中，逐步轴向向下移动贴近工件，使工件倒角区域产生合适的电磁力分布，获得良好的贴模精度；凸台下部磁场整形器的形状可根据凹模型腔和工件尺寸进行优化设计，以获得最佳工件成形质量。磁场整形器起到成形作用的表面不止一处，磁场整形器凸台下部的下表面驱动工件轴向向下变形，随着成形次数增加，磁场整形器也轴向向下移动，凸台下部的磁场整形器驱动工件完成贴模，不需要更换额外的装备就可以完成工件的成形和校形，提高了工件成形质量的同时，也增强了线圈的成形能力。

本发明提供了一种电磁翻边成形装置及方法，解决了传统电磁翻边方法中由于线圈结构和强度限制，成形力场分布不能随意调控，导致难以通过一次成形获得高贴模精度的工件、难以在多步渐进电磁成形中保持线圈始终贴近工件以施加足够的电磁力、难以绕制形状复杂的线圈以满足异形件的翻边要求等问题，能有效提高电磁翻边装置的成形能力和工件的成形精度。

附图说明

图1为本发明提供的第一实施例的带圆孔板件电磁翻边装置示意图；

图2为本发明提供的第一实施例的磁场整形器示意图；

图3为本发明实施例中采用电容储能型电源系统提供的线圈电流波形示意图；

图4为本发明提供的第二实施例的管件电磁翻边装置示意图；

图5为本发明提供的第三实施例的带斜孔板件电磁翻边装置示意图；

图6为本发明提供的第四实施例的多步渐进电磁翻边方法示意图；

图7为本发明实施例提供的电磁翻边成形方法流程图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为螺旋管驱动线圈、2为磁场整形器、3为压边块、4为电源系统、5为工件以及6为凹模。

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。

针对现有技术的缺陷与改良需求，本发明提供了一种电磁翻边成形装置及方法，在板管件电磁翻边过程中，通过在线圈与工件之间加入磁场整形器，改善工件变形区域的磁场分布，使之所受电磁力满足成形要求。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电磁翻边成形装置，包括：螺旋管驱动线圈，电源、磁场整形器、凹模、工件和压边块；所述工件置于所述凹模上方；所述压边块置于工件法兰区域上方；所述磁场整形器置于所述工件变形区域上方；所述螺旋管驱动线圈置于所述磁场整形器外部，二者配合通过电磁感应将螺旋管驱动线圈中的放电能量传递到待翻边的工件表面，驱动工件变形完成翻边；所述电源系统用于为所述驱动线圈供电。

更进一步地，螺旋管驱动线圈除了嵌套在磁场整形器外部，也可置于磁场整形器内部，以满足不同的装置工装或成形效率需求。

更进一步地，磁场整形器的几何形状将根据所述工件的成形要求进行优化设计，以满足工件成形区域的电磁力大小和分布要求，更有效地实现工件的翻边，提高工件的成形精度。

更进一步地，驱动线圈和磁场整形器相互独立，对于不同成形形状的工件，只需更换不同的磁场整形器，即可满足更复杂的成形需求，避免了重新设计绕制线圈的繁琐过程，尤其适合处理异形工件，如方孔翻边、斜孔翻边等难以通过线圈设计满足成形精度的情况。

更进一步地，对于单步电磁翻边工件的贴模精度等不满足成形质量要求的情况，可将磁场整形器凸台下部的外轮廓设计成和凹模内轮廓形状相同或相似，并通过多步放电的方式提高装置的成形能力，即，每一步成形之后，磁场整形器通过轴向移动始终和工件保持最小间隙，磁场整形器相当于一个和工件无接触的“冲头”，驱动工件贴模，不再需要额外的校形步骤就可获得高质量的成形件。

更进一步地，所述螺旋管线圈与磁场整形器结合的装置不仅局限于电磁翻边，亦可拓展到电磁成形的其他领域如轴对称板管件有模电磁成形等，或者依靠传统成形线圈调控难以满足工件成形要求的场合如异形件的电磁成形。

更进一步地，本发明的电磁成形装置还可以组合多个磁场整形器和驱动线圈，由多个电源供电，通过对电源、驱动线圈、磁场整形器进行优化配合，实现对成形磁场的时空分布更精准的调控，以满足更复杂的成形要求。

按照本发明的另一方面，提供了一种电磁翻边成形方法，包括以下步骤：

步骤(1)：将所述工件置于所述凹模上，并在工件的法兰区域通过压边块施加压边力；

步骤(2)：将所述螺旋管驱动线圈嵌套在磁场整形器外部并与所述电源进行电气连接；

步骤(3)：在每一步放电前，轴向移动磁场整形器使其与工件保持最小间隙，通过电磁感应在工件成形区域产生电磁力驱动工件完成翻边。

更进一步地，工件包括但不局限于待翻边带孔板件、待翻边管件、待成形异形件等。

在一个更具体的实施例中，本发明提供了一种电磁翻边装置，以带圆孔板件翻边电磁成形为例，如图1所示，包括：螺旋管驱动线圈1、磁场整形器2、压边块3、电源4、工件5、凹模6。其中，工件5置于凹模6上方，凹模6用于约束工件5的变形区域，提高工件5的成形精度；压边块3置于工件5法兰区域上方，用于在电磁成形过程中为工件5提供压边力，通过调节压边力控制工件5法兰区域向凹模6型腔的径向流动量，防止工件5起皱；磁场整形器2置于工件5变形区域上方；螺旋管驱动线圈1可以置于磁场整形器2外部，也可以置于磁场整形器内部，用于产生快速变化的电流，磁场整形器2和螺旋管驱动线圈1紧密相连，以减小磁场的损耗，通过电磁感应将螺旋管驱动线圈1中的放电能量传递到待翻边的工件5表面，在工件5上感应出巨大的洛伦兹力，驱动工件5变形完成翻边；电源系统4用于为螺旋管驱动线圈1供电，电源类型不受限制，可以采用电容器型电源，也可采用蓄电池组脉冲电源等。

其中，磁场整形器2的剖视图和俯视图如图2所示，磁场整形器为中心带通孔的柱形旋转体结构，沿某条半径开有纵切缝。磁场整形器分为凸台上部、凸台、凸台下部三部分，凸台上部和螺旋管驱动线圈形状相同并与之紧密相连；凸台下表面和凹模倒角处形状相同，在多步渐近成形过程中，逐步轴向向下移动贴近工件，使工件倒角区域产生合适的电磁力分布，获得良好的贴模精度；凸台下部磁场整形器的形状可根据凹模型腔和工件尺寸进行优化设计，以获得最佳工件成形质量。磁场整形器的材料选择需要考虑电导率和强度大小，可选择铜合金或铝合金。磁场整形器的功能是，将与线圈贴近面(本发明为凸台上部的中空圆柱体)上的感应电流集中到与凹模型腔对应的凸台下部磁场整形器表面，并在工件上感应出涡流产生电磁力，驱动工件完成翻边，并保证其良好的成形质量。

优选地，与集磁器原理不同的是，磁场整形器起到成形作用的表面不止一处，例如在第三实施例中，首先，磁场整形器凸台下部的下表面驱动工件轴向向下变形，随着成形次数增加，磁场整形器也轴向向下移动，凸台下部的磁场整形器驱动工件完成贴模，不需要更换额外的装备就可以完成工件的成形和校形，提高了工件成形质量的同时，也增强了线圈的成形能力。

按照本发明的另一个方面，本发明还提供了一种电磁翻边方法，包括以下步骤：

(1)将待翻边的工件和凹模相对放置；

(2)将压边圈、紧密连接的螺旋管驱动线圈和磁场整形器置于待翻边工件的上方，磁场整形器与工件间的间隙尽量小；

其中，间隙值需要考虑如下因素：间隙越小，工件感应的电磁力越大，有利于工件变形，但是，磁场整形器和工件间需要做好绝缘处理，防止成形过程中，磁场整形器和工件之间发生放电。

(3)启动电源系统，驱动线圈通入快速变化的电流，在磁场整形器与驱动线圈贴近的表面感应出涡流，并通过磁场整形器将此涡流传递到与工件对应的磁场整形器表面上，在工件上感应出涡流，产生电磁力驱动工件变形。

对于电源系统4而言，可采用电容器组电源，具体电流波形如图3所示。其中，横坐标代表时间，衰减周期在10

图4为根据本发明第二实施例的管件电磁翻边装置示意图，主要构件包括：螺旋管驱动线圈1、磁场整形器2、电源系统4、工件5、凹模6。其中，工件为金属管件，置于凹模里面；磁场整形器施力区(凸台下部)置于工件变形区域里面，通过合理的尺寸设计保证磁场整形器和管件间隙尽可能小；螺旋管驱动线圈置于所述磁场整形器外部，二者配合通过电磁感应将螺旋管驱动线圈中的放电能量传递到待翻边的工件表面，驱动工件变形完成翻边；电源系统用于为螺旋管驱动线圈供电。

图5为根据本发明第三实施例的带斜孔板件电磁翻边装置示意图，主要构件包括：螺旋管驱动线圈1、磁场整形器2、压边块3、电源系统4、工件5、凹模6。其中，磁场整形器凸台下部形状、倾斜角度和凹模型腔一致，具体尺寸根据工件所需电磁力分布进行优化设计，保证工件最终的变形均匀性和良好的贴模精度。

图6为根据本发明第四实施例的多步渐进电磁翻边方法示意图，装置主要包括：螺旋管驱动线圈1、磁场整形器2、压边块3、电源系统4、工件5、凹模6。

多次渐进电磁翻边方法包括以下步骤：

(1)将待翻边的工件5放置于凹模6上；

(2)将压边块3、紧密连接的螺旋管驱动线圈1和磁场整形器2置于待翻边工件5的上方，磁场整形器2与工件5的间隙尽量小；

(3)选择合适的放电能量，通过电源4对螺旋管驱动线圈1放电，产生电磁力驱动工件变形；

(4)将磁场整形器2轴向向下移动，贴近工件，重复步骤(3)，直到工件完全贴模。

图7为本发明实施例提供的电磁翻边成形方法流程图，如图7所示，包括如下步骤：

S101，选取磁场整形器，其包括中空的柱体和两个凸台；所述两个凸台位于所述中空柱体的两侧；

S102，将螺旋管驱动线圈绕制在所述凸台上方的中空圆柱体上；在对所述螺旋管驱动线圈通电后，所述螺旋管驱动线圈周围产生感应磁场；

S103，选取凹模，所述凸台下方中空柱体的外轮廓形状与所述凹模腔体相匹配；所述两个凸台的连线平行于所述凹模的上平面；

S104，当所述凹模上放置带中孔的待翻边板件时，将所述磁场整形器的下端逐步置入所述中孔，使得所述感应磁场集中分布在所述磁场整形器和板件之间的间隙，以驱动所述板件中孔逐步朝向所述凹模的内壁翻边成形；所述板件中孔形状与凸台下方中空柱体的外轮廓形状相匹配；

S105，当所述凹模内放置待翻边的管件时，所述管件的形状与所述凹模内凹形状相匹配，所述管件在所述凹模上表面上方有一截凸起，将所述磁场整形器的下端逐步置入凸起管件的内部，使得所述感应磁场集中分布在所述磁场整形器和管件之间的间隙，以驱动所述凸起管件逐步朝向所述凹模的上表面翻边成形。

具体地，图7中各个步骤的详细实施方式可参见前述方法实施例中的介绍，在此不做赘述。

本发明公开了一种电磁翻边成形装置及方法。该装置包括螺旋管驱动线圈，电源、磁场整形器、凹模、工件和压边块。将工件置于凹模上方，压边块置于工件法兰区域上方，磁场整形器置于工件变形区域上方，螺旋管驱动线圈置于所述磁场整形器外部。启动电源系统，驱动线圈通入快速变化的电流，在磁场整形器与驱动线圈贴近的表面感应出涡流，并通过磁场整形器将此涡流传递到与工件对应的磁场整形器表面上，在工件上感应出涡流，产生电磁力驱动工件变形，最终达到对板件进行翻边的目的。本发明使用螺旋管线圈与磁场整形器相结合，可以通过对磁场整形器的优化设计灵活、精准地调控工件在翻边过程中的力场大小和分布，与设计制造特殊形状线圈以达到翻边要求相比，能够有效降低成形装置的设计难度和制造成本，同时极大地扩展了现有电磁翻边技术的应用范围。

本领域的技术人员容易理解，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。