CN103464564A - 铝合金筋板的电磁成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

一种铝合金筋板的电磁成形装置及成形方法。成形线圈包括两个用于成形筋板腹板的腹板线圈，一个用于成形筋板筋条的筋条线圈。筋条线圈被固封在筋条线圈外壳中再串联到筋条线圈放电回路中。腹板线圈有两个，分别用于成形筋条两侧的腹板；腹板线圈分别与腹板线圈外壳固封成一体，且两套腹板线圈并联到腹板线圈放电回路中。所述的成形线圈均位于筋板的上方。本发明中，处于脉冲放电回路中的线圈与待加工筋板之间形成相互作用的磁场力，腹板线圈沿着一定轨迹不断水平面内移动，两种线圈产生的磁场力实现对筋板的增量加工，筋板最终贴合模具而累积成形。本发明具有成形速度高、筋板贴模性好、成形回弹小、成形件表面质量好等优点，适于大尺寸筋板加工。

Description

铝合金筋板的电磁成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及筋板材料加工领域，具体是一种利用电磁成形实现铝合金筋板构件成形的装置及方法。主要用于铝合金筋板精确成形，解决筋板常规成形技术的难成形、成形质量差或成形效率低的问题。

背景技术

筋板类结构件是航空航天及航海领域，特别是飞机整体壁板制造中最复杂、最困难、最关键的部件之一，是一种能够有效提高飞机性能的重要承力构件，也是衡量飞机先进程度的一个重要标志。30余年来，波音和空客等飞机制造公司在筋板的成形方面进行了大量的研究。这类构件一般采用性能优良但加工困难的材料，如铝合金、钛合金等，而且具有复杂的外形曲线（单曲率或双曲率）和内形结构（如带筋条），以达到既满足外形要求，又减轻重量、较少零件数量的目的。筋板的特点是由整块板坯制造而成，包括筋条和腹板两部分，一般筋条高厚比大（≥10），筋条较薄，整体弯曲曲率小，这种结构特点的筋板弯曲成形过程要比普通平板材料弯曲过程复杂得多。传统的筋板弯曲成形工艺主要是压弯、滚弯、喷丸及时效成形等。压弯成形依靠压力机驱动的压头作用于结构件实现局部逐点弯曲成形，虽然通过控制下压力、下压进给量等工艺参数等方法累积成形出所需的曲率，将压弯成形用于成形高筋板，但由于压头直接作用于筋条顶端，回弹量大，贴模性差，残余应力大，特别是当筋条过高时，筋条及其根部易发生应力集中而出现顶部扭曲、底部断裂等缺陷，影响了结构件整体性能，这种成形方法在先进军机生产中已逐渐被禁止；滚弯成形与压弯类似，不同之处是滚弯利用滚动的辊轴进行三支点连续弯曲，且为了保护筋条，辊轴与工件之间多采用添加垫板或填料的形式，结构稳定性差，尤其不适于高筋板成形；喷丸成形是利用金属弹丸流撞击工件表面使得受喷表层产生延伸塑性变形而实现成形，由于成形后这个表层存在残余压应力而提高了材料疲劳性能，得以广泛应用，但成形后工件表面质量不高，制件精度差，成形能力低，一般用于浅筋条结构件成形，不适于直接用于高筋板的弯曲成形；对于时效成形，同时对工件完成成形与时效处理过程，但其成形过程准备周期长，效率低，模具成本高，且成形过程会影响制件性能。综上所述，筋板传统成形工艺在其结构具有高筋特点时的弯曲成形中存在难成形或成形质量差、效率低的问题，限制了它们在高筋成形中的广泛应用。随着筋板类构件在航空航天等领域发展需要，在不影响这些薄壁壳体外表气动性能的前提下，筋板成形领域迫切需要探索新的成形工艺来实现高筋结构件高效、可靠成形。

本发明所涉及的电磁成形，是一种特种成形工艺方法，具有成形能量易于控制、成形过程无机械接触、模具简单、制件尺寸质量高、生产效率高等特点，为带筋整体结构件成形提供了新的途径。电磁成形是指利用磁场力实现金属坯料塑性变形的高能率快速成形方法。具体说就是成形线圈与坯料之间因为电磁感应原理产生相互作用的磁场（线圈产生的磁场和坯料上的感应出的磁场），使得处在磁场中的导电坯料会受到磁场力的作用，当这个磁场力足够大以至超过坯料屈服强度时，将会迫使坯料产生塑性变形，从而获得相应形状的制件的成形方法。该技术在文献中常被提起，但没有文献或发明将该技术用到筋板成形，特别是高筋板成形，一般都是用于对普通平板、管坯成形中。如作者韩飞、莫健华等在《电磁成形技术理论与应用的研究现状》中列举了大量国内外在电磁成形电磁力、变形两方面的研究现状，介绍了电磁成形技术在平板、管坯、复合成形等方面的应用，但未见文中有关电磁成形在异形板料方面的报道；作者Anter El-Azab、Mark Garnich等在《Modeling of the electromagneitc forming of sheetmetals state-of-the-art and future needs》中介绍了平板毛坯电磁成形过程的有限元建模方面的研究现状。

在公开号为CN1284901A的发明创造中公开了一种利用脉冲式磁力将平板制成碟的设备和方法，该设备利用脉冲磁力将金属平板成形为具有三维形状的碟。其优点是利用多个线圈组成的线圈组在竖直或水平方向的移动，避免了因工件与线圈间隙增大而磁场力迅速降低而导致的贴模不充分的缺陷。该发明的缺点是线圈只能在一个平面内移动，无法根据工件的形状进行线圈移动的调整，因而加工柔性不高。

在公开号为CN100447690C的发明专利中公开了一种板材动圈电磁渐进成形方法及装置，该装置利用集成计算机控制系统与电磁发生系统，根据模型轮廓等高线数据实现线圈由上而下运动，最终达到逐层渐进成形的目的。其优点是提高了成形过程的柔性，并根据不同部位变形程度的不同改变磁场力的大小，实现大型复杂三维形状的零件成形。该发明的缺点是其仅适用于薄壳零件成形，而对于薄板上带有高筋条的复杂结构的工件，如果利用该发明创造中的单线圈渐进成形方法，无法对筋条变形、腹板变形同时顾及，实现协调变形，容易产生筋条失稳、底部断裂等缺陷。

在公开号CN102248059A的发明专利中公开了一种多级多向电磁成形方法及装置，该方法在工件四周布置多种不同形式的线圈，利用电磁排斥力、吸引力实现工件贴模成形。其优点是多套线圈独立控制、实现电磁力多区域、多方向、多级脉冲分布，持续驱动工件成形，特别是深成形，有效改善深成形时的贴模性。缺点是加工对象是普通板料，且工件大小不能太大，否则相应的线圈也要很大。对于具有高筋条结构的板料，无法仅依靠该发明中的相对固定的线圈布置成形，必须考虑筋条与腹板如何协调同时变形，否则无法完全贴模，另外，当筋板整体尺寸较大时，多级多向线圈成形方法无法满足要求。

有鉴于此，本发明提出了一种电磁成形筋板的装置及方法，不但利用电磁成形这种高速变形方式提升变形能力和显著提高成形效率，而且实现筋条与腹板协调变形，有效控制成形质量。

发明内容

为克服现有筋板弯曲成形技术中存在的难成形、筋条易失稳、贴模不充分等不足，结合电磁成形所具有的优势，考虑协调筋条与腹板变形，本发明提出了一种铝合金筋板的电磁成形装置及成形方法。

本发明所述的铝合金筋板的电磁成形装置，包括电源、成形线圈、凹模、线圈位置调节装置、支撑架和底座。

所述的成形线圈包括两个用于成形筋板中的腹板的腹板线圈，一个用于成形筋板中的筋条的筋条线圈。所述的筋条线圈通过高强度绝缘树固封在筋条线圈外壳中，筋条线圈再串联到筋条线圈放电回路中。腹板线圈包含完全两套完全相同的两个线圈，分别用于成形筋条两侧的腹板，以实现变形协调；腹板线圈通过高强度绝缘树脂分别与外侧的腹板线圈外壳固定密封成一体，且两套腹板线圈并联到腹板线圈放电回路中。所述的成形线圈均位于筋板的上方。

筋条线圈及筋条线圈外壳开口均朝向筋板，筋条线圈外端面与筋条线圈外壳外端面平齐；腹板线圈置于腹板线圈外壳内；所述腹板线圈外壳的开口朝向筋板，并且腹板线圈外壳的下表面与筋板上表面之间的间距和腹板线圈的下表面与筋板上表面之间的间距相等。

两个腹板线圈外壳安装在腹板线圈连接杆的下端端面上，一个筋条线圈外壳安装在筋条线圈连接杆的下端端面上。铝合金筋板电磁成形装置安装完毕后，腹板线圈、筋条线圈的初始位置为：腹板线圈外壳朝向腹板的外表面与腹板表面之间的间距为1～10mm，腹板线圈外壳外表面与相邻筋条表面之间的距离为8～20mm，腹板线圈的外端面与筋板的外侧边缘平齐；筋条顶端与筋条线圈表面之间的垂直距离为1～8mm，筋条表面与筋条线圈表面之间的直线距离为1～10mm，筋条线圈的外端面与筋条外侧边缘平齐。

凹模位于支撑架的四根支杆之间并固定在底座的上表面。所述凹模的弯曲方向与筋板长度方向一致；凹模的上表面用于安放所成形的筋板。

所述支撑架位于底座两个短边端支杆之间的中部分别有筋条线圈移动槽的支撑梁，所述支撑架位于底座两个长边处支杆之间的顶端分别有腹板线圈移动槽的支撑梁，所述筋条线圈移动槽的支撑梁与两根腹板线圈移动槽的支撑梁之间相互垂直。

所述筋条线圈移动槽被固定在支撑架支杆中部的支撑梁上。所述筋条线圈移动槽中心有条形通槽。在所述筋条线圈移动槽的条形通槽的两侧内壁上有沿该筋条线圈移动槽长度方向分布的槽，筋条线圈移动块嵌装在该槽内。筋条线圈移动块的几何中心有筋条线圈连接杆的安装孔。

所述腹板线圈移动槽被固定在支撑架支杆顶端的支撑梁上。所述腹板线圈移动槽中心有条形通槽。在所述腹板线圈移动槽的条形通槽的两侧内壁上有沿该腹板线圈移动槽长度方向分布的槽，腹板线圈移动块嵌装在该槽内。腹板线圈移动块的几何中心有腹板线圈连接杆的安装孔。

所述凹模是单曲率模或双曲率模，对于单曲率模，曲率半径为100～2000mm，该单曲率模的弯曲方向与工件弯曲方向一致。对于双曲率模，凹模长度方向和宽度方向的曲率均与工件的成形曲率相同；曲率半径为50～2000mm。凹模凹槽深度为3～20mm。

腹板线圈为长×宽＝40～400mm×20～320mm的矩形，或边长为40～500mm的方形；绕制腹板线圈的铜导线的横截面为长×宽＝4～10mm×2～8mm的矩形，或者为边长为3～15mm的方形。线圈层数为1～5层，线圈匝间距1～10mm。所述的腹板线圈通过填充高强度绝缘树脂被固封在腹板线圈外壳内，腹板线圈外壳厚度为5～35mm。

所述筋条线圈的内腔能够将筋板筋条包围。筋条线圈的线圈弯折处均为圆角过渡。铜导线截面直径为2～8mm。所述的筋条线圈通过填充高强度绝缘树脂被固封在腹板线圈外壳内，筋条线圈外壳厚度为5～20mm。

筋条线圈的线圈匝间距根据所对应筋条弯曲变形量确定，当筋条线圈所对应筋条弯曲变形量大时，线圈匝间距小，并且小间距线圈占整个线圈长度的比例为1/3～4/5；当筋条线圈所对应筋条弯曲变形量小时，线圈匝间距大；间距范围1.5～5mm；线圈匝数为3～100匝。

所述电源中电容器的工作电压为100～30000V，电容器的电容量为15～60000μF。

本发明还提出了一种利用所述电磁成形装置成形铝合金筋板的方法，包括以下步骤：

步骤1，两个腹板线圈的原始位置为第一初始位置；同时对筋条线圈和腹板线圈进行电容器充电以达到各自工作电压；充电后，先后断开腹板线圈充电开关、筋条线圈充电开关；然后同时闭合筋条线圈放电开关、腹板线圈放电开关，实现筋条线圈电容器、腹板线圈电容器同时放电，使筋条线圈在筋条上作用磁场力，腹板线圈下方的腹板在腹板线圈产生的磁场力驱动下瞬间贴合凹模；筋条线圈和腹板线圈放电时间为0.1～1s；

步骤2，放电结束后，先断开腹板线圈放电开关，然后断开筋条线圈放电开关；

步骤3，保持筋条线圈位置不变，通过两个腹板线圈对筋板的腹板成形，具体是：通过移动腹板线圈移动块将两个腹板线圈向筋条的两侧移动5～50mm；移动结束后同时对筋条线圈和腹板线圈的电容器充电至各自的工作电压；所述腹板线圈电容器充电结束后，同时对两个腹板线圈和筋条线圈放电0.1～1s；两个腹板线圈和筋条线圈同时放电结束后，依次对两个腹板线圈和筋条线圈断电；

步骤4，重复步骤3所述两个腹板线圈移动、同时对筋条线圈和腹板线圈的电容器充电、放电和断电的过程，直至腹板线圈移动中所经过区域的腹板贴模；完成该区域部分筋板腹板的变形。

步骤5，两个腹板线圈回归第一初始位置；两个腹板线圈沿与筋条长度方向的中心线平行的方向移动5～30mm，达到第二初始位置；重复步骤3和步骤4，完成对筋板腹板的第二个区域的变形；将两个腹板线圈回归第二个区域变形的初始位置，两个腹板线圈继续沿与筋条长度方向的中心线平行的方向移动5～30mm，并重复步骤3和步骤4，对未加工筋板腹板区域进行加工；不断重复所述两个腹板线圈回归当前变形区域初始位置、两个腹板线圈继续沿与筋条长度方向的中心线平行的方向移动5～30mm，并重复步骤3和步骤4，对未加工筋板腹板区域进行加工的过程，直至完成筋板腹板全部区域的变形。整个成形过程中，两侧的腹板线圈位置及其移动方向始终对称于筋条，操作完全同步。

本发明能够成形的铝合金筋板初始毛坯截面为T字形件，其结构上包含筋条与腹板两部分。筋条厚度为2～5mm，筋条高度为10～60mm，同时筋条高厚比5：1～15：1，腹板厚度为1～4mm。筋板整体长度为100～900mm，宽度为60～800mm。

本发明中，处于脉冲放电回路中的线圈会在其周围产生磁场，并与待加工筋板之间形成相互作用的磁场力，其中，筋条线圈在成形过程中固定不动起到保护筋条、产生下压磁场力的作用，而腹板线圈沿着一定轨迹不断水平面内移动，两种线圈产生的磁场力实现对筋板的增量加工，筋板最终贴合模具而累积成形。

本发明利用电磁成形过程线圈磁场力高效可控并有效提高材料成形能力的优势，通过设计与筋条相匹配的线圈以及调整两者之间间隙，筋条上会收到筋条线圈产生的磁场力作用，如图9所示，根据电磁感应定律及实际数值模拟结果，磁场力的作用结果是筋条既受到总体向下作用的磁场力，又受到水平方向相互平衡的保护力，达到成形与防失稳双重目的。同时在腹板布置线圈并控制成形线圈通断电，实现腹板变形与筋条变形同时进行，并在成形过程中按照一定轨迹逐渐移动腹板线圈，实现腹板不同区域的增量变形，最终利用坯料快速变形实现筋条贴合模具成形。

电磁成形技术在成形过程中效率高、成形质量好已得到学术界公认，然而大多数研究都是将该技术用于平板、管类零件的研究，并没有将该技术应用于筋板零件特别是高筋件的加工中。因此本发明将电磁成形技术应用于筋板结构件成形。成形过程中，利用电磁力大小、方向容易实现无接触控制的优势，磁场力的作用既用于变形，又用于保护筋条防止失稳，同时还利用腹板线圈不断移动实现腹板增量累积变形。因此，本发明是集中了电磁成形与增量成形技术的优势，从而实现大型筋板结构件弯曲的一种成形方法。该方法加工出的产品具有成形速度高、筋板贴模性好、成形回弹小、成形件表面质量好等优点，并适于大尺寸筋板加工，另外，加工过程无噪音、无污染，是一种可推广应用的实用技术。

附图说明

附图1是筋板电磁成形装置示意图；其中：图1a是主视图，图1b是俯视图，图1c是俯视图的A-A剖视图；图1d是俯视图的B-B剖视图；图1e是左视图

附图2是筋板电磁成形装置中筋板与凹模装配图；其中：图2a是主视图；图2b是左视图；

附图3是腹板线圈结构图；其中：图3a是俯视图；图3b是A-A剖视图；

附图4是线圈外壳结构图；其中：图4a是筋条线圈外壳结构图；图4b是腹板线圈外壳结构图；

附图5是包含筋条线圈外壳的筋条线圈移动调节装置结构图；其中：图5a是主视图；图5b是左视图；图5c是A-A剖面图；

附图6是包含腹板线圈外壳的腹板线圈移动调节装置结构图；其中：图6a是主视图；图6b是A-A剖面图；图6c是B-B剖面图；

附图7为腹板线圈、筋板初始位置俯视图及腹板线圈移动路径示意图；

附图8筋板电磁成形装置三维图；

附图9为筋条在筋条线圈作用下磁场力分布矢量图。其中：

1.腹板线圈连接杆；2.腹板线圈移动块；3.腹板线圈移动槽；4.腹板线圈移动支撑

梁；5.筋条线圈连接杆；6.筋条线圈移动块；7.筋条线圈移动槽；8.筋条线圈移动

支撑梁；9.支撑架；10.筋条线圈外壳；11.筋条线圈；12.腹板线圈外壳；13.腹板

线圈；14.凹模；15.筋板；16.底座；17.腹板线圈充电回路电机；18.腹板线圈充电

开关；19.腹板线圈电容器；20.腹板线圈放电开关；21.筋条线圈充电回路电机；

22.筋条线圈充电开关；23.筋条线圈电容器；24.筋条线圈放电开关；25.底座连接

螺栓孔。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种铝合金筋板电磁成形装置，用于实现筋板的筋条与腹板同时弯曲的装置及方法。

所述的铝合金筋板15材料为7050铝合金材料，由筋条与腹板构成，其横截面为T字形。筋条沿腹板的长度方向分布，筋条厚度为2～5mm，筋条高度为10～60mm，同时筋条高厚比5：1～15：1，腹板厚度为1～4mm。筋板整体长度为100～900mm，宽度为60～800mm。本实施例中，所述的筋板15放置于凹模14上，筋条位于腹板上方，筋板端面与凹模端面平齐。筋板15的筋条高24mm，厚2mm，腹板厚2mm，整体长度146mm，宽120mm。

所述的铝合金筋板电磁成形装置包括电源、线圈位置调节装置、成形线圈、凹模、支撑架9和底座16。

所述的底座16为矩形，其长度为300～1500mm，宽度300～1200mm，厚度50～100mm。本实施例中，底座16的长度为300mm，宽度300mm，厚度60mm。

所述的支撑架9的四根支杆固定在矩形的底座16的上表面。所述支撑架9位于底座16两个短边端支杆之间的中部分别有筋条线圈移动槽7的支撑梁，所述支撑架9上位于底座16两个长边处支杆之间的顶端分别有腹板线圈移动槽3的支撑梁，所述筋条线圈移动槽7的支撑梁与两根腹板线圈移动槽3的支撑梁之间相互垂直。

所述的凹模14结构如图2所示，其弯曲方向与筋板15长度方向一致。凹模14位于支撑架9的四根支杆之间并带有底座连接螺纹孔25，通过螺栓连接固定在底座16的上表面。所成形的筋板15安放在凹模14的上表面，且筋条在腹板上方。

所述的凹模14是单曲率模或双曲率模，对于单曲率模，曲率半径为100～2000mm，该单曲率模的弯曲方向与工件成形弯曲方向一致。对于双曲率模，凹模长度方向和宽度方向的曲率曲率半径为50～2000mm。凹模的长度和宽度与所加工的工件长度和宽度相同。凹模凹槽深度为3～20mm。本实施例中，所述凹模14采用单曲率模，凹模曲率半径为229mm，采用T10A材料，凹模的凹槽为球面，深度8mm。凹模长宽尺寸与筋板整体长宽尺寸相等。凹槽外侧各留10mm平台用于支撑筋板，凹模的整体厚度40mm。该单曲率模的弯曲方向与工件长度方向一致。

所述的成形线圈包括三部分，分别是：两个平板状的腹板线圈，用于成形筋板15中的腹板；一个U形的筋条线圈，用于成形筋板15中的筋条。其中，两个腹板线圈安装在腹板线圈连接杆1的下端端面上，一个筋条线圈安装在筋条线圈连接杆5的下端端面上。所述的成形线圈均位于筋板15的上方。

腹板线圈13为两个完全相同的线圈，分别用于成形筋条两侧的腹板，以实现变形协调。所述腹板线圈13为平板矩形密绕线圈，其外形尺寸小于安放该腹板线圈处的腹板的外形尺寸。绕制腹板线圈的铜导线的横截面为矩形，腹板线圈的横截面的长度为4mm，宽度为2mm，线圈层数为2层，线圈匝间距0.7mm，共缠绕13匝。

所述的腹板线圈13通过填充高强度环氧树脂被固封在腹板线圈外壳12内，并且分别置于筋板筋条两侧的两个腹板线圈并联后与腹板线圈放电回路连通。密封时，腹板线圈面向腹板的外表面与腹板线圈外壳开口面平齐。腹板线圈外壳外观尺寸根据腹板线圈尺寸确定，使得两者之间应预留5mm距离用作填充环氧树脂。腹板线圈外壳外观长度为腹板线圈外壳顶部中央通过焊接的方式与腹板线圈连接杆连接起来。

所述的腹板线圈外壳12材料为易导电材料，本实施例中采用铜制成，截面为U形。当所述腹板线圈13装入该腹板线圈外壳12内后，通过高强度环氧树脂密封。安装腹板线圈时，腹板线圈外壳12开口面与筋板表面对应。腹板线圈外壳厚度为5～35mm，以屏蔽腹板线圈13对筋板腹板以外部分的作用。本实施例中，腹板线圈外壳厚度为8mm。

所述筋条线圈11的外形为U形，采用常规方法包绕在筋板15的筋条上，包绕的起始位置是位于筋条一端靠近筋条根部的位置。线圈弯折处均为圆角过渡，圆角半径为1～2mm。本实施例中，筋条线圈11截面为圆形，半径2mm，线圈距离筋条两侧均为2mm，距离筋条顶端4mm，线圈共17匝，其中两端疏松缠绕各6匝，中间位置密绕5匝，疏松部位的线圈匝间距为3mm，密绕部位匝间距2mm。

所述的筋条线圈外壳10起到屏蔽电磁场、固定保护线圈的作用。筋条线圈外壳截面为U字形。筋条线圈外壳厚度均等，均为8mm。筋条线圈外壳长度应与筋板15的筋条长度相同，以使筋条线圈11的U形内腔将筋板的筋条包围。筋条线圈外壳整体外观高度应比U形筋条线圈11的高度高5mm，用于留足树脂密封的空间。筋条线圈固封时，保证筋条线圈外端面与筋条线圈外壳外端面平齐，筋条线圈缠绕起始平面与筋条线圈外壳开口面平齐。筋条线圈外壳顶部中央通过焊接的方式与筋条线圈连接杆连接起来。

当筋条在成形过程中本身发生弯曲时，所采用的筋条线圈11应在对应筋条弯曲变形量最大的位置密绕，其它位置则相对疏松，即控制筋条线圈的匝间距，使得变形最大的地方匝间距小，变形小的地方匝间距大；密绕部位线圈匝数及其作用范围要根据筋条弯曲变形量确定，密绕处线圈匝数为3～100匝，其所占整个线圈长度的比例为1/3～4/5。当筋条本身不发生弯曲，则应保证筋条线圈匝间距均等。本实施例中，筋条在成形过程中参与弯曲变形，由于筋条长度146mm，故对应筋条两端各50mm的线圈间距为2mm，弯折半径2mm，筋条中间46mm对应的线圈间距为1mm，弯折半径1mm。

所有线圈均为铜导线，所有外壳均采用紫铜材料，且均指的是已包绕绝缘层的线圈。绝缘层厚度为0.5～1mm。

所述筋条线圈移动槽7为条状，被固定在支撑架中部的支撑梁上。所述筋条线圈移动槽7中心有条形通槽。在所述筋条线圈移动槽的条形通槽的两侧内壁上有沿该筋条线圈移动槽7长度方向分布的槽，筋条线圈移动块6嵌装在该槽内。筋条线圈移动块6的几何中心有筋条线圈连接杆5的螺纹安装孔，实现筋条线圈移动块与筋条线圈连接杆之间的螺栓连接。

所述腹板线圈移动槽3亦为条状，被固定在支撑架顶端的支撑梁上。所述腹板线圈移动槽3中心有条形通槽。在所述腹板线圈移动槽的条形通槽的两侧内壁上有沿该腹板线圈移动槽3长度方向分布的槽，腹板线圈移动块2嵌装在该槽内。腹板线圈移动块2的几何中心有腹板线圈连接杆1的螺纹安装孔，实现腹板线圈移动块与腹板线圈连接杆之间的螺栓连接。

所述的铝合金筋板电磁成形装置在安装完毕后，腹板线圈、筋条线圈的初始位置为：腹板线圈面向腹板一侧的表面与腹板表面之间的间距为1～10mm，腹板线圈外壳外表面与相邻筋条表面之间的距离为8～20mm，腹板线圈外壳的外端面与筋板的外侧边缘平齐；筋条顶端与筋条线圈表面之间的垂直距离为1～8mm，筋条表面与筋条线圈表面之间的直线距离为1～10mm，筋条线圈的外端面与筋条外侧边缘平齐。本实施例中，腹板线圈面向腹板一侧的表面与腹板表面之间的间距为1mm，腹板线圈外壳外表面与相邻筋条表面之间的距离为8mm，腹板线圈外壳的外端面与筋板的外侧边缘平齐；筋条顶端与筋条线圈表面之间的垂直距离为1mm，筋条表面与筋条线圈表面之间的直线距离为1mm，筋条线圈的外端面与筋条外侧边缘平齐。

所述的电源中电容器的工作电压为100～30000V，电容器的电容量为15～60000μF。本实施例中，筋条线圈放电电容器23的电容为1200μF，工作电压为4000V，腹板线圈放电电容器19的电容为1200μF，工作电压为3000V。

本实施例还提出了一种利用所述电磁成形装置成形铝合金筋板的方法。所成形的铝合金筋板初始毛坯截面为T字形件，其结构上包含筋条与腹板两部分。筋板15的筋条高24mm，厚2mm，腹板厚2mm，整体长度146mm，宽120mm。

本实施例的成形过程包括以下步骤：

步骤1，两个腹板线圈的原始位置为初始位置，此位置定义为第I起始位置；同时闭合腹板线圈充电开关18和筋条线圈充电开关22，实现同时对腹板线圈电容器19和筋条线圈电容器23充电并达到各自工作电压为止；充完电后，先后断开腹板线圈充电开关18、筋条线圈充电开关22；然后同时闭合腹板线圈放电开关20、筋条线圈放电开关24，实现腹板线圈电容器、筋条线圈电容器同时放电，此时，筋条线圈所在的放电回路与腹板线圈所在的放电回路中流经脉冲形式的电流，根据电磁感应定律，在筋条线圈与筋条之间、腹板线圈与腹板之间分别产生相互作用的磁场，使得筋条线圈与筋条之间的磁场在筋条上作用磁场力，腹板线圈下方的部分腹板在腹板线圈与腹板之间磁场力驱动下瞬间贴合凹模，完成一次放电成形过程；筋条线圈和腹板线圈放电时间为1s；

步骤2，放电结束后，依次断开腹板线圈放电开关20、筋条线圈放电开关24；

步骤3，保持筋条线圈11位置不变，通过两个腹板线圈对筋板的腹板成形，具体是：通过移动腹板线圈移动块2将两个腹板线圈向筋条的两侧移动10mm；移动结束后，再次同时闭合腹板线圈充电开关18和筋条线圈充电开关22，同时对筋条线圈和腹板线圈的电容器充电至各自的工作电压；待两个电容器均充完电后，同时对两个腹板线圈和筋条线圈放电1s，完成第二次放电变形过程；两个腹板线圈和筋条线圈同时放电结束后，依次断开腹板线圈放电开关20、筋条线圈放电开关24，实现对两个腹板线圈和筋条线圈断电；

步骤4，重复步骤3所述两个腹板线圈移动、同时对筋条线圈和腹板线圈的电容器充电、放电和断电的过程，直至腹板线圈移动中所经过区域的腹板贴模；完成该区域部分筋板腹板的变形。

步骤5，两个腹板线圈回归第一初始位置；两个腹板线圈沿与筋条长度方向的中心线平行的方向移动5～30mm，达到第二初始位置；重复步骤3和步骤4，完成对筋板腹板的第二个区域的变形；将两个腹板线圈回归第二个区域变形的初始位置，两个腹板线圈继续沿与筋条长度方向的中心线平行的方向移动5～30mm，并重复步骤3和步骤4，对未加工筋板腹板区域进行加工；不断重复所述两个腹板线圈回归当前变形区域初始位置、两个腹板线圈继续沿与筋条长度方向的中心线平行的方向移动5～30mm，并重复步骤3和步骤4，对未加工筋板腹板区域进行加工的过程，直至完成筋板腹板全部区域的变形。整个成形过程中，两侧的腹板线圈位置及其移动方向始终对称于筋条，操作完全同步。

本实施例中，两个腹板线圈沿与筋条长度方向的中心线平行的方向移动的距离为10mm。

Claims (9)

1.一种铝合金筋板的电磁成形装置，其特征在于，包括电源、成形线圈、凹模、线圈位置调节装置、支撑架和底座；

所述的成形线圈包括两个用于成形筋板中的腹板的腹板线圈，一个用于成形筋板中的筋条的筋条线圈；所述的筋条线圈通过高强度绝缘树固封在筋条线圈外壳中，筋条线圈再串联到筋条线圈放电回路中；腹板线圈包含完全两套完全相同的两个线圈，分别用于成形筋条两侧的腹板，以实现变形协调；腹板线圈通过高强度绝缘树脂分别与外侧的腹板线圈外壳固定密封成一体，且两套腹板线圈并联到腹板线圈放电回路中；所述的成形线圈均位于筋板的上方；

筋条线圈及筋条线圈外壳开口均朝向筋板，筋条线圈外端面与筋条线圈外壳外端面平齐；腹板线圈置于腹板线圈外壳内；所述腹板线圈外壳的开口朝向筋板，并且腹板线圈外壳的下表面与筋板上表面之间的间距和腹板线圈的下表面与筋板上表面之间的间距相等；

两个腹板线圈外壳安装在腹板线圈连接杆的下端端面上，一个筋条线圈外壳安装在筋条线圈连接杆的下端端面上；铝合金筋板电磁成形装置安装完毕后，腹板线圈、筋条线圈的初始位置为：腹板线圈外壳朝向腹板的外表面与腹板表面之间的间距为1～10mm，腹板线圈外壳外表面与相邻筋条表面之间的距离为8～20mm，腹板线圈的外端面与筋板的外侧边缘平齐；筋条顶端与筋条线圈表面之间的垂直距离为1～8mm，筋条表面与筋条线圈表面之间的直线距离为1～10mm，筋条线圈的外端面与筋条外侧边缘平齐；

凹模位于支撑架的四根支杆之间并固定在底座的上表面；所述凹模的弯曲方向与筋板长度方向一致；凹模的上表面用于安放所成形的筋板；所述支撑架位于底座两个短边端支杆之间的中部分别有筋条线圈移动槽的支撑梁，所述支撑架位于底座两个长边处支杆之间的顶端分别有腹板线圈移动槽的支撑梁，所述筋条线圈移动槽的支撑梁与两根腹板线圈移动槽的支撑梁之间相互垂直。

2.如权利要求1所述一种铝合金筋板的电磁成形装置，其特征在于，所述筋条线圈移动槽被固定在支撑架支杆中部的支撑梁上；所述筋条线圈移动槽中心有条形通槽；在所述筋条线圈移动槽的条形通槽的两侧内壁上有沿该筋条线圈移动槽长度方向分布的槽，筋条线圈移动块嵌装在该槽内；筋条线圈移动块的几何中心有筋条线圈连接杆的安装孔。

3.如权利要求1所述一种铝合金筋板的电磁成形装置，其特征在于，所述腹板线圈移动槽被固定在支撑架支杆顶端的支撑梁上；所述腹板线圈移动槽中心有条形通槽；在所述腹板线圈移动槽的条形通槽的两侧内壁上有沿该腹板线圈移动槽长度方向分布的槽，腹板线圈移动块嵌装在该槽内；腹板线圈移动块的几何中心有腹板线圈连接杆的安装孔。

4.如权利要求1所述一种铝合金筋板的电磁成形装置，其特征在于，所述凹模是单曲率模或双曲率模，对于单曲率模，曲率半径为100～2000mm，该单曲率模的弯曲方向与工件弯曲方向一致；对于双曲率模，凹模长度方向和宽度方向的曲率均与工件的成形曲率相同；曲率半径为50～2000mm；凹模凹槽深度为3～20mm。

5.如权利要求1所述一种铝合金筋板的电磁成形装置，其特征在于，腹板线圈为长×宽＝40～400mm×20～320mm的矩形，或边长为40～500mm的方形；绕制腹板线圈的铜导线的横截面为长×宽＝4～10mm×2～8mm的矩形，或者为边长为3～15mm的方形；线圈层数为1～5层，线圈匝间距1～10mm；所述的腹板线圈通过填充高强度绝缘树脂被固封在腹板线圈外壳内，腹板线圈外壳厚度为5～35mm。

6.如权利要求1所述一种铝合金筋板的电磁成形装置，其特征在于，所述筋条线圈的内腔能够将筋板筋条包围；筋条线圈的线圈弯折处均为圆角过渡；铜导线截面直径为2～8mm；所述的筋条线圈通过填充高强度绝缘树脂被固封在腹板线圈外壳内，筋条线圈外壳厚度为5～20mm。

7.如权利要求6所述一种铝合金筋板的电磁成形装置，其特征在于，筋条线圈的线圈匝间距根据所对应筋条弯曲变形量确定，当筋条线圈所对应筋条弯曲变形量大时，线圈匝间距小，并且小间距线圈占整个线圈长度的比例为1/3～4/5；当筋条线圈所对应筋条弯曲变形量小时，线圈匝间距大；间距范围1.5～5mm；线圈匝数为3～100匝。

8.如权利要求1所述一种铝合金筋板的电磁成形装置，其特征在于，所述电源中电容器的工作电压为100～30000V，电容器的电容量为15～60000μF。

9.一种利用权利要求1所述电磁成形装置成形铝合金筋板的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，两个腹板线圈的原始位置为第一初始位置；同时对筋条线圈和腹板线圈进行电容器充电以达到各自工作电压；充电后，先后断开腹板线圈充电开关、筋条线圈充电开关；然后同时闭合筋条线圈放电开关、腹板线圈放电开关，实现筋条线圈电容器、腹板线圈电容器同时放电，使筋条线圈在筋条上作用磁场力，腹板线圈下方的腹板在腹板线圈产生的磁场力驱动下瞬间贴合凹模；筋条线圈和腹板线圈放电时间为0.1～1s；

步骤2，放电结束后，先断开腹板线圈放电开关，然后断开筋条线圈放电开关；

步骤3，保持筋条线圈位置不变，通过两个腹板线圈对筋板的腹板成形，具体是：通过移动腹板线圈移动块将两个腹板线圈向筋条的两侧移动5～50mm；移动结束后同时对筋条线圈和腹板线圈的电容器充电至各自的工作电压；所述腹板线圈电容器充电结束后，同时对两个腹板线圈和筋条线圈放电0.1～1s；两个腹板线圈和筋条线圈同时放电结束后，依次对两个腹板线圈和筋条线圈断电；

步骤4，重复步骤3所述两个腹板线圈移动、同时对筋条线圈和腹板线圈的电容器充电、放电和断电的过程，直至腹板线圈移动中所经过区域的腹板贴模；完成该区域部分筋板腹板的变形；

步骤5，两个腹板线圈回归第一初始位置；两个腹板线圈沿与筋条长度方向的中心线平行的方向移动5～30mm，达到第二初始位置；重复步骤3和步骤4，完成对筋板腹板的第二个区域的变形；将两个腹板线圈回归第二个区域变形的初始位置，两个腹板线圈继续沿与筋条长度方向的中心线平行的方向移动5～30mm，并重复步骤3和步骤4，对未加工筋板腹板区域进行加工；不断重复所述两个腹板线圈回归当前变形区域初始位置、两个腹板线圈继续沿与筋条长度方向的中心线平行的方向移动5～30mm，并重复步骤3和步骤4，对未加工筋板腹板区域进行加工的过程，直至完成筋板腹板全部区域的变形；整个成形过程中，两侧的腹板线圈位置及其移动方向始终对称于筋条，操作完全同步。

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