CN101306566A - 电磁控制压边力的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂变截面板料成形过程中的利用电磁控制压边力的方法及其控制装置，该方法包括下列步骤：采用铁质压边圈；在压边圈的附近设置感应线圈，并在感应线圈中接入变阻器；给感应线圈通电，感应线圈对铁质的压边圈产生电磁吸引力，压边圈将微板料压贴在凹模上；调整电路中的变阻器电阻值，从而调节电路中电流的大小，进而改变电磁吸引力的大小，实现压边圈的变压边力。本发明不仅可以满足微变截面板不同成形区域不同的变压边力，还可以根据塑性成形中的成形力及成形质量提供所需压边力，并能实现压边力的有效实时控制，从而控制板材的有利性流动，提高塑性成形的成形质量，减少成形缺陷。

Description

电磁控制压边力的方法及装置

技术领域

本发明涉及塑性成形领域，具体涉及一种复杂变截面板料成形过程中的利用电磁控制压边力的方法及其控制装置，主要应用于超薄板的微塑性成形领域(如微拉深、微弯曲等)，也适用于宏观塑性成形领域。

发明背景

随着MEMS的飞速发展，市场对微器件的需求越来越大，同时对微器件的加工工艺和加工质量等方面提出了新的要求。随着微器件尺寸的缩小，晶粒尺寸的大小、体表面积比等因素对微器件成形的影响越来越大，因此尺寸效应成为微成形研究的主要对象。在微成形过程中，不仅要考虑尺寸效应，而且其他宏观的工艺参数和工艺也需要调整。在各影响因素中，压边力对成形性能的影响比较大。一般来讲，当压边力过小时，就无法有效地控制材料的流动，板料很容易起皱甚至起不到压边的效果；当压边力过大时，虽然能很好的控制起皱，但由于材料流动性能受到很大抑制，会影响板料的成形质量，且容易产生拉裂现象，并可能导致模具受损，影响模具的使用寿命。在微变截面板成形过程中，需要压边装置产生足够的摩擦抗力，以增加板料中拉应力、控制材料的流动、避免起皱、提高材料的成型性能。对于微变截面板成形工艺而言，成形过程中压边力一般需要根据一定的规律变化。压边力控制曲线的加载模式主要有四种模式：压边力数值恒定模式、压边力数值增加模式、压边力数值减小模式、压边力数值混合模式。其中压边力数值混合模式是变压边力中常用的一种模式。在压边装置中，传统的压边装置主要有弹性压边装置、液压或气压装置。弹性压边装置主要是弹簧和橡胶等，压边力是由大变小的过程，这与实际成形工艺要求正好相反，并且压缩量有限。液压和气压装置的压边力虽然可调，但价格昂贵，并且很难微型化。随着工件的微型化，这些传统压边装置已无法满足实际加工需求。因此，如何对微塑性成形中的压边圈进行力的施加成为一个急需解决的问题。

在微产品和微机电领域中，为了满足某种性能要求、实现轻量化、节省材料、降低价格等需求，微变截面板的应用变的越来越广泛。微变截面板在成形过程中，为了满足各部分成形工艺的需求，需对不同部位施加不同的压边力。在宏观领域的变截面板成形中，常通过液压装置来控制压边圈的压边力，但液压装置很难实现局部变压边，目前通常是通过安装在液压装置上的顶出杆来实现局部变压边，该方法不但难以及时有效的调整变压边力，同时很难在复杂成形中实现各部位的变压边，此外液压系统的微形化也是个比较难的问题，微顶出杆微形化的同时需要保证足够的刚度要求，液压系统要实现提供较小压边力也变的很困难，因此价格会变的相对昂贵。因此如何有效、经济地对微变截面板各成形部位的压边圈根据成形工艺需求施加变压边力也成为一个新的难题。

经检索国内外目前还很难看到针对微塑性成形中，根据各成形工艺的需求对各不同部位压边圈施加变压力的报道。只有针对宏观领域的相关报道，如美国Paul H申请专利：Electromagnetic stylus force adjustment mechanism(电磁触针压力调节机构)，美国专利号4669300，报道了如何根据压边圈受力的变化来调整电磁触针压力的变化，该装置主要是通过电磁力来驱动带有触针的杆件，从而实现对工件外形轮廓的施压，比如对唱片机碟片的施压。该装置的缺陷是不能对整个压边圈施加压力，只能在局部某点处施加压力，并且该装置主要是通过电磁力驱动带有触针的杆件进行移动，而未能真正将电力吸引力应用到压边圈的试压中去。

中国专利号CN 1555936A。介绍了一种变压边力控制拉深成形的组合压边圈装置。该装置通过小顶拄和下顶杆来控制压边力的变化，小顶柱和下顶杆的力是由顶出油缸提供的。该装置的缺点是，虽然能实现压边圈的变压边力，但不能适时根据凸模的运动提供及时的变压边力，只能实现点控制压边力，价格也相对昂贵，并且只适合应用于宏观塑性成形领域。

中国徐伟华发明的永磁体电磁牵引装置，专利号CN 1734684A。该装置利用电磁吸引力的原理来实现工件的牵引运动，结构简单、容易制作且节省电能，但该装置未能考虑如何改变电磁吸引力，因此该装置虽可通过电磁吸力来实现牵引工件的目的，但不能实现压边圈的变压边力。此外，日本的谷水彻等人发明的：电磁装置，中国申请专利号CN1585050A，介绍了通过自吸引线圈和排斥线圈的磁通量产生的电磁力将插棒式铁心吸引到预定的位置。日本的Takashi Moriya等人发明的Energization control method and electromagnetic control systemin electromagnetic driving device(电磁驱动装置中的电压控制方法及电磁控制系统)，美国专利号5636601，主要介绍了一种通过将衔铁放置在一对电磁铁中间，通过电磁铁的吸引力实现衔铁运动的方法及装置，电路中的电流随着衔铁和电磁铁之间距离的变化而发生变化。

目前报道的关于电磁力研究的专利主要集中在如何利用电磁力进行塑性成形，或者是通过电磁力控制某一部件的运动。缺乏通过电磁力来控制压边圈的变压边力的研究，以及如何将这一经济、实用的技术应用到微塑性成形领域中。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过电流变化，来改变电磁吸引力大小，从而实现电磁变压边力的方法及其装置。

一种电磁控制压边力的方法，包括下列步骤：

采用铁质压边圈；

在压边圈的附近设置感应线圈，并在感应线圈中接入变阻器；

给感应线圈通电，感应线圈对铁质的压边圈产生电磁吸引力，压边圈将微板料压贴在凹模上；

调整电路中的变阻器电阻值，从而调节电路中电流的大小，进而改变电磁吸引力的大小，实现压边圈的变压边力。

上述步骤对于微拉深成形和微弯曲成形而言以及足够，但在微变截面板成形中，为满足各部分成形工艺的需求，需对压边圈的不同部位设置一个以上相互独立的感应线圈，以提供不同的变压边力。

该方法的原理是，对微变截面板成形而言，当电流通过感应线圈后，感应线圈会产生一个感应磁场，由电磁学原理可知该磁场会在感应线圈的两端分别形成N、S极，因此对铁质的压边圈会产生一个电磁吸引力，从而实现通过压边圈将微板料紧紧吸附在凹模上，通过改变各电路中变阻器电阻的大小，可以调节各电路中电流的大小，从而改变电磁吸引力的大小，实现压边圈的变压边力。在微变截面板成形中，为满足各部分成形工艺的需求，需对不同部位设置相互独立的感应线圈，以提供不同的变压边力，当电流通过各感应线圈后会产生各自的感应磁场，由电磁学原理可知各磁场会在线圈的两端分别形成N、S极，因此对铁质压边圈会产生一个电磁吸引力，从而可实现通过压边圈将微变截面板紧紧的吸附在凹模上，通过改变各电路中变阻器电阻的大小，可以调节各电路中电流的大小，从而改变各感应线圈产生的电磁吸引力的大小，最终实现压边圈根据各成形区成形性能的需求对各成形区域施加不同的变压边力。

上述方法中的压边力的控制可以进一步采用计算机控制，具体步骤如下：

1)将预设压边力控制曲线输入计算机中，计算机按此曲线计算出凸模在不同位置时，压边圈预设压边力的大小，由此再计算出不同时刻电路中所需电流的大小；

2)位移传感器和速度传感器将采集到的凸模位置数据和速度数据传送给计算机，计算机将采集到的数据进行处理后与预设的控制曲线作比较，分析得出实际压边力与预设理论压边力进行闭环控制；

3)计算机将相应的数据传送给控制变阻器的程序，由其对变阻器发出调空指令，通过改变变阻器电阻的大小来改变电路中电流的大小，从而实现压边圈的变压边力。

在微变截面板成形中，各成形区域所需的不同的变压边力控制，计算机将采集到的数据进行处理后与预设的控制曲线作比较，分析得出实际各成形区域不同的压边力与预设各成形区域不同的理论压边力进行闭环控制；最后计算机将相应的数据传送给控制各变阻器的程序，由其对各变阻器发出调空指令，通过改变各变阻器电阻的大小来改变各电路中电流的大小，从而实现压边圈对不同成形区域的变压边力。

上述方法的控制原理是：设凸模位移为自变量，根据预设的工作曲线，由位移传感器和速度传感器实时采样位移数据和速度数据供计算机分析并进行电路中电流大小的控制。电路中电流的大小是通过控制变阻器电阻的大小来实现的，由电路公式U＝IR可知，当电压U不变时，电阻R和电流I是成反比的，即电阻变大，电流变小，反之亦然。当电路中电流发生变化后，电磁感应线圈中的感应磁通量会发生变化，由电磁力计算公式F＝nILB可知，当其它参数不变时，电流I变大，电磁力F也随之变大。n是线圈匝数，I是通电线圈中的电流，L是导线在垂直于磁场方向的长度，B为磁感应强度。

上述方法不仅可以满足微变截面板不同成形区域不同的变压边力，还可以根据塑性成形中的成形力及成形质量提供所需压边力，并能实现压边力的有效实时控制，从而控制板材的有利性流动，提高塑性成形的成形质量，减少成形缺陷。

实现上述发明目的的电磁控制压边力的装置的技术方案是：一种电磁控制压边力的装置，包括凸模、压边圈、凹模和传动装置，凸模连接在传动装置上，该装置还包括感应线圈电路、位移传感器、速度传感器和计算机；所述感应线圈电路为电源、感应线圈和变阻器的串联电路；所述位移传感器、速度传感器将凸模的位置参数和速度参数信号传送给计算机，计算机输出信号控制所述变阻器电阻值。

该装置在使用时，微板料平放在凹模上，压边圈也平放在微形板料上，压边圈在电磁吸引力的作用下将板料压紧在凹模，位移传感器和速度传感器将凸模的位置参数和速度参数传送给计算机，变阻器电阻的大小由计算机控制。

作为本发明的进一步改进，所述变压边力装置中设有一个以上相互独立的感应线圈电路，其电路中电流的大小由计算机分别控制，此方案可用于变截面板。

作为本发明的进一步改进，为了增强感应线圈中的磁通量，在上述感应线圈内设有铁芯。

本发明与现有压边圈变压边力及电磁驱动方法及装置相比，有如下优点：

1.本发明可以应用到微成形领域，实现对微板料拉深成形、微板料弯曲成形中压边圈的变压边力，其它常规控制压边圈的方法(如液压系统控制压边圈装置和气压系统控制压边圈装置)很难实现对微板料成形中压边圈压边力的控制。

2.本发明可应用到微成形领域，实现对微变截面板压边圈各成形区域施加不同的变压边力。

3.本发明不但可以应用到微成形领域，而且也可以应用到宏观领域，且比宏观领域主要的压边圈压边控制方法及装置更加经济、有效。宏观领域常用的压边圈压边力装置主要有：弹性压边装置、液压或气压装置。但弹性压边装置不能实现变压边力，压边力是由大变小的过程，这与实际成形工艺要求正好相反，并且压缩量有限。而液压或气压装置虽然可实现变压边力，但只能通过顶杆进行局部变压边力，缺乏连续行，对复杂工件的变压边力很难进行及时有效的调整，且价格相对昂贵。电磁控制压边力的方法及装置不但可以实现变压边力，而且可以对不同部位根据实际需要及时有效的施加不同的变压边力。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例2的结构示意图。

图3是图1的A-A视图。

图4是图2分的B-B视图。

图5是电磁线圈产生电磁吸引力的简图。

图中：1-1凸模I、2-1凸模II、1-2压边圈I、2-2压边圈II、1-3微板料、2-3微变截面板、1-4凹模I、2-4凹模II、1-5空心圆柱铁芯、1-6电磁感应线圈I、2-8电磁感应线圈II、2-16电磁感应线圈III、5-5电磁感应线圈IV、1-7位移传感器I、2-10位移传感器II、1-8速度传感器I、2-11速度传感器II、1-9计算机I、2-12计算机II、1-10变阻器I、2-9变阻器II、2-13变阻器III、5-1变阻器IV、1-11开关I、2-6开关II、2-15开关III、5-2开关IV、1-12电源I、2-5电源II、2-17电源III、5-3电源IV、2-7半圆柱环形铁芯I、2-14半圆柱环形铁芯II、5-4感应线圈中的磁力线及其方向

具体实施方式：

下面结合图1、图2、图3、图4和图5说明本发明提出的可用于微塑性成形系统及微变截面板的电磁控制变压边力的装置和方法。

实施例1

如图1所示，用于微板料成形的电磁控制压边力的装置结构示意图，该装置主要由凸模I 1-1、压边圈I 1-2、凹模I 1-4、感应线圈I 1-6、位移传感器I 1-7、速度传感器I 1-8、计算机I 1-9、变阻器I 1-10等部件组成。其中凸模I 1-1将连接在传动装置上，由传动装置决定其运动。电源I 1-12、感应线圈I 1-6和变阻器I 1-10的串联组成感应线圈电路，感应线圈I 1-6内设有空心圆柱铁芯1-5；位移传感器I 1-7、速度传感器I 1-8将凸模I 1-1的位置参数和速度参数信号传送给计算机I 1-9，计算机I 1-9输出信号控制所述变阻器电阻值。

微板料1-3平放在凹模I 1-4上，压边圈I 1-2也平放在微形板料1-3上，感应线圈I 1-6通电后产生的电磁吸引力通过压边圈I 1-2将微板料1-3压紧在凹模I 1-4上。位移传感器I1-7和速度传感器I 1-8将凸模I 1-1的位置参数和速度参数传送给计算机I 1-9，计算机I 1-9根据采集到的数据进行处理后与预设的控制曲线作比较，分析得出实际压边力与预设理论压边力进行闭环控制。最后计算机I 1-9将相应的数据传送给控制变阻器I 1-10的程序，由其对变阻器I 1-10发出调控指令，从而实现压边圈的变压边力。

如图3所示，图3是图1的A-A视图，在感应线圈1-6内设有空心圆柱铁芯1-5，目的是为了增强感应线圈1-6中的磁通量。

如图5所示，当电流通过感应线圈IV5-5时，由右手法则知产生图5中所示的自下而上的磁力线，感应线圈IV5-5的上部是N极磁场，下部为S极磁场。

实施例2

如图2所示，用于微变截面板的电磁控制压边力的装置结构示意图，该装置主要由凸模II 2-1、压边圈II 2-2、凹模II 2-4、半圆柱环形铁芯I 2-7、半圆柱环形铁芯II 2-14、感应线圈II 2-8、感应线圈III2-16、位移传感器II 2-10、速度传感器II 2-11、计算机II 2-12、变阻器II 2-9、变阻器III2-13等部件组成。凸模II 2-1与传动装置相连，由传动装置决定凸模II 2-1的运动。电源III2-17、感应线圈III2-16和变阻器III2-13串联组成第一感应线圈电路，感应线圈III2-16内设有半圆柱环形铁芯II 2-14。电源2-5、感应线圈II 2-8和变阻器2-9串联组成第二感应线圈电路，感应线圈II 2内设有半圆柱环形铁芯I 2-7。

微变截面板2-3平放在凹模II 2-4上，压边圈II 2-2也平放在微变截面板2-3上，感应线圈II 2-8和感应线圈III2-16通电产生的电磁吸引力通过压边圈II 2-2将微变截面板2-3吸附在凹模II 2-4上。位移传感器II 2-10和速度传感器II 2-11将凸模II 2-1的位置参数和速度参数传送给计算机II 2-12，计算机II 2-12根据将采集到的数据进行处理后与预设的控制曲线作比较，分析得出不同成形区域不同的实际压边力与预设理论不同区域不同的压边力进行闭环控制。最后计算机II 2-12将相应的数据传送给控制变阻器II 2-9和变阻器III2-13的程序，由其对变阻器II 2-9和变阻器III2-13发出调空指令，从而实现压边圈的变压边力。

如图4所示，图4是图2的B-B视图，其中半圆柱环形铁芯I 2-7和半圆柱环行铁芯II2-14是为了分别增强感应线圈II 2-8和感应线圈III2-16中的磁通量。

实施例3

结合图1说明电磁控制变压边的方法，在微板料成形中的应用：

(1)凸模I 1-1置于凹模I 1-4上方，微板料1-3放在凹模I 1-4上，压边圈I 1-2放在微板料1-3上。

(2)感应线圈I 1-6产生的电磁吸引力作用在压边圈I 1-2上，变压边力的大小是通过感应线圈I 1-6中磁通量的变化来实现的。由前面的电磁力计算公式F＝nILB可知，计算机I 1-9通过改变电路中变阻器I 1-10电阻的大小来改变电路中电流的大小，从而达到控制压边力的大小。

(3)凸模I 1-1下行时，电路中开关I 1-11闭合，感应线圈I 1-6通电产生电磁吸引力，通过压边圈I 1-2将微板料I 1-3压紧在凹模I 1-4上。在图示拉深成形过程中位移传感器I1-7和速度传感器I 1-8将把凸模I 1-1的位置参数和速度参数传送给计算机I 1-9，计算机I1-9将采集到的数据进行处理后与预设的控制曲线作比较，分析得出实际压边力与预设理论压边力进行闭环控制。最后计算机I 1-9将相应的数据传送给控制变阻器的程序，由其对变阻器发出调空指令，通过改变变阻器电阻I 1-10的大小来改变电路中电流的大小，从而实现压边圈I 1-2的变压边力。

实施例4

结合图2说明电磁控制变压边的方法，在微变截面板成型中的应用：

(1)凸模II 2-1置于凹模II 2-4上方，微变截面板2-3放在凹模II 2-4上，压边圈II 2-2放在微变截面板2-3上。

(2)在微变截面板成形中，由于各成形区域所需的成形力不同，故在不同成形区域设置了两个独立力的拥有感应线圈的电路(如果有需要可以设置更多相互独立的拥有感应线圈的电路)，感应线圈II 2-8和感应线圈III2-16产生的电磁吸引力作用在压边圈II 2-2上，不同成形区域不同的变压边力的大小是通过感应线圈II 2-8和感应线圈III2-16中磁通量的变化来实现的。由前面的电磁力计算公式F＝nILB可知，计算机II 2-12通过改变电路中变阻器II 2-9和变阻器III2-13电阻的大小来改变电路中电流的大小，从而达到控制压边力的大小。

(3)凸模II 2-1下行时，电路中开关II 2-6和开关III2-15均闭合，感应线圈II 2-8和感应线圈III2-16通电产生电磁吸引力，通过压边圈II 2-2将微变截面板2-3压紧在凹模II 2-4上，在图2所示拉深成形过程中位移传感器II 2-10和速度传感器II 2-11将把凸模II 2-1的位置参数和速度参数传送给计算机II 2-12，计算机II 2-12将采集到的数据进行处理后与预设的控制曲线作比较，分析得出实际压边力与预设理论压边力进行闭环控制。最后计算机II 2-12将相应的数据传送给控制变阻器II 2-9和变阻器III2-13的程序，由其对变阻器II 2-9和变阻器III2-13发出调空指令，通过改变变阻器II 2-9和变阻器III2-13电阻的大小来改变各自电路中电流的大小，从而实现压边圈II 2-2对不同成形区域不同的变压边力。

以上两种应用于微塑性成形和微变截面板成形的电磁控制压边力的方法及装置亦可用于相应的宏观领域。

以上实例仅用于说明本发明，而不进行限制。

Claims (9)

1、一种电磁控制压边力的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

采用铁质压边圈；

在压边圈的附近设置感应线圈，并在感应线圈中接入变阻器；

给感应线圈通电，感应线圈对铁质的压边圈产生电磁吸引力，压边圈将微板料压贴在凹模上；

调整电路中的变阻器电阻值，从而调节电路中电流的大小，进而改变电磁吸引力的大小，实现压边圈的变压边力。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征是，对压边圈的不同部位设置一个或多个相互独立的感应线圈。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述变阻器电阻值的调整采用计算机控制，具体步骤如下：

1)将预设压边力控制曲线输入计算机中，计算机按此曲线计算出凸模在不同位置时，压边圈预设压边力的大小，由此再计算出不同时刻电路中所需电流的大小；

2)位移传感器和速度传感器将采集到的凸模位置数据和速度数据传送给计算机，计算机将采集到的数据进行处理后与预设的控制曲线作比较，分析得出实际压边力与预设理论压边力进行闭环控制；

3)计算机将相应的数据传送给控制变阻器的程序，由其对变阻器发出调空指令，通过改变变阻器电阻的大小来改变电路中电流的大小，从而实现压边圈的变压边力。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述变阻器电阻值的调整采用计算机控制，具体步骤如下：

1)将预设压边力控制曲线输入计算机中，计算机按此曲线计算出凸模在不同位置时，压边圈预设压边力的大小，由此再计算出不同时刻电路中所需电流的大小；

2)位移传感器和速度传感器将采集到的凸模位置数据和速度数据传送给计算机，计算机将采集到的数据进行处理后与预设的控制曲线作比较，分析得出实际各成形区域不同的压边力与预设各成形区域不同的理论压边力进行闭环控制；

3)计算机将相应的数据传送给控制各变阻器的程序，由其对各变阻器发出调空指令，通过改变各变阻器电阻的大小来改变各电路中电流的大小，从而实现压边圈对不同成形区域的变压边力。

5、一种电磁控制压边力的装置，包括凸模、压边圈、凹模和传动装置，凸模连接在传动装置上，其特征在于，该装置还包括感应线圈电路、位移传感器、速度传感器和计算机；所述感应线圈电路为电源、感应线圈和变阻器的串联电路；所述位移传感器、速度传感器将凸模的位置参数和速度参数信号传送给计算机，计算机输出信号控制所述变阻器电阻值。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征是，所述变压边力装置中设有一个以上相互独立的感应线圈电路，其电路中电流的大小由计算机分别控制。

7、根据权利要求5或6所述的装置，其特征是，上述感应线圈内设有铁芯。

8、根据权利要求5所述的装置，其特征是，所述感应线圈中设有空心圆柱铁芯。

9、根据权利要求6所述的装置，其特征是，所述感应线圈中设有半圆柱环形铁芯。

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