CN104492903B - 一种使板料均匀变形的电磁成形线圈获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使板料均匀变形的电磁成形线圈获取方法，包括下述步骤：针对多道次电磁成形的平板坯料获得变形量，根据变形量选用与之相匹配的电磁成形线圈；根据待成形的板料的电导率、电磁设备的放电频率以及真空磁导率获得电磁成形线圈的集肤深度；根据集肤深度获得电磁成形线圈的参数范围；采用控制变量法在参数范围中选择多组电磁成形线圈的结构参数；分别对多组电磁成形线圈以及与之相匹配的板料进行变形模拟，根据板料变形结果选择最优的结构参数，并根据最优的结构参数获得电磁成形线圈。采用本发明提供的电磁成形线圈可以获得变形均匀的金属板料，有利于板料的进一步成形。

Description

一种使板料均匀变形的电磁成形线圈获取方法

技术领域

本发明属于零件成形制造技术领域，更具体地，涉及一种使板料均匀变形的电磁成形线圈获取方法。

背景技术

电磁成形是一种高速塑性加工方法，利用电磁力使金属材料在瞬时完成变形。这种高速度对成形非常有利，能够提高成形性能，改善应力分布，减少起皱，有效地控制回弹，提高局部压制和压花的能力。目前，电磁成形主要应用于铝合金小型薄板件的成形，在铝合金大型板件的成形上存在较大的困难，而实现铝合金大形板件的电磁成形并提高其成形质量和性能是电磁成形理论创新和技术应用的必要条件。

驱动线圈是电磁成形的核心器件，它的作用是产生成形力。成形线圈结构影响电磁成形过程中成形力的分布，从而影响电磁成形效果。目前对于平板件成形一般多采用的是平板螺旋线圈。但对于大型曲面零件进行多道次放电成形，初始线圈对后续成形质量有较大影响，需要保证产生均匀的变形。由于通用电磁成形线圈电磁力分布不均匀，应用范围受到很大的局限。通过改变其参数，便能改变其效果。

目前，电磁成形线圈主要以平板螺旋线圈、匀压力线圈、跑道形线圈等规则线圈为主，在具体零件成形过程中还需要进一步改进线圈，从而提高成形效率。

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使板料均匀变形的电磁成形线圈获取方法，旨在解决现有技术中电磁成形无法获得均匀变形的技术问题。

本发明提供了一种使板料均匀变形的电磁成形线圈获取方法，包括下述步骤：

S1：针对多道次电磁成形的平板坯料获得变形量，根据变形量选用与之相匹配的电磁成形线圈；

S2：根据待成形的板料的电导率γ、电磁设备的放电频率ω以及真空磁导率μ₀获得电磁成形线圈的集肤深度

S3：根据集肤深度获得所述电磁成形线圈的参数范围；所述参数范围包括线圈层数为1～5层；线圈层间距和线圈匝间距均大于1mm；截面形状根据绕制线圈的导线确定，截面积大小由板料变形所需变形力确定；

S4：采用控制变量法在所述参数范围中选择多组电磁成形线圈的结构参数；每一组电磁成形线圈的结构参数包括所述线圈层数、线圈层间距、线圈匝间距、截面形状和截面积大小；

S5：分别对所述多组电磁成形线圈以及与之相匹配的板料进行变形模拟，根据板料变形结果选择最优的结构参数，并根据最优的结构参数获得电磁成形线圈。

更进一步地，所述截面形状为圆形截面或者矩形截面；截面积大小为1mm²～100mm²。绕制线圈的导线一般为圆形截面或者矩形截面，节省成本。截面积过小，影响线圈强度，减低使用寿命；截面积过大，会减少线圈匝数，降低成形大小，使板料难以变形。

更进一步地，骤(4)具体为：将线圈层数、截面形状、层间距、线圈匝间距和截面积大小这五项参数中任意四项保持不变，通过改变第五项的参数，获得多组电磁成形线圈的结构参数。

更进一步地，步骤(5)中，选择与板料变形最均匀相对应的结构参数作为最优的结构参数。在电磁成形板料多道次变形中，板料变形越均匀，电磁成形线圈与板料贴合的越紧密，从而越有利于进一步成形。

更进一步地，步骤(5)中，当结构参数对板料变形均匀影响不大时，选择线圈使用寿命长的一组参数作为最优的结构参数。电磁成形板料多道次变形中，线圈要多次放电，线圈使用寿命长能保证多次放电的可靠性。

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，能够取得下列有益效果：

(1)详细地分析了线圈各个结构参数对材料变形的影响，得到了使用性能达到要求的线圈，可以指导电磁成形线圈的制作，节省电磁成形线圈生产制作的成本，降低了零件生产周期；

(2)采用数值模拟方法，模拟了电磁场、电磁力分布，弥补了试验中难以测量瞬时电磁场和电磁力的弊端。

(3)获得了变形均匀的金属板料，使得板料与电磁成形线圈贴合的更紧，提高了电磁成形放电时的能力利用率，有利于板料的进一步成形。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种使板料均匀变形的电磁成形线圈获取方法的实现流程示意图；

图2是本发明实施例提供的线圈结构参数示意图；

图3是本发明实施例提供的线圈尺寸示意图；

图4是本发明实施例提供的线圈与板料相对位置关系；

图5是本发明实施例提供的不同截面形状下的材料变形结果；

图6是本发明实施例提供的不同层数线圈下材料的变形结果；

图7是本发明实施例提供的不同层间距线圈下材料的变形结果；

图8是本发明实施例提供的不同截面积线圈下材料的变形结果；

图9是本发明实施例提供的非等间距线圈示意图；

图10是本发明实施例提供的非等间距线圈成形结果；

图11是本发明实施例提供的非等间距线圈与等间距线圈成形效果对比。

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。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用板料均匀变形获取电磁成形线圈的方法，其目的在于，能够在作为大型覆盖件多道次电磁成形线圈的设计依据，该方法能够使变形零件在多次变形中得到所需的均匀变形，有利于后续变形。可用于指导覆盖件电磁成形零件生产，并具有成本低、可靠性高、效率高的特点。

本发明提供的利用板料均匀变形获取电磁成形线圈的方法，如图1所示，具体包括下述步骤：

S1：针对多道次电磁成形的平板坯料获得变形量，根据变形量选用与之相匹配的电磁成形线圈；

S2：根据待成形的板料的电导率γ、电磁设备的放电频率ω以及真空磁导率μ₀获得电磁成形线圈的集肤深度

S3：根据集肤深度获得所述电磁成形线圈的参数范围；所述参数范围包括线圈层数为1～5层；线圈层间距和线圈匝间距均大于1mm；截面形状根据绕制线圈的导线确定，截面积大小由板料变形所需变形力确定；

S4：采用控制变量法在所述参数范围中选择多组电磁成形线圈的结构参数；每一组电磁成形线圈的结构参数包括所述线圈层数、线圈层间距、线圈匝间距、截面形状和截面积大小；

S5：分别对所述多组电磁成形线圈以及与之相匹配的板料进行变形模拟，根据板料变形结果选择最优的结构参数，并根据最优的结构参数获得电磁成形线圈。

在本发明实施例中，可以基于有限元模拟技术，根据对照组的线圈结构参数建立结构-电磁场耦合模型，设置约束条件，根据现实实验条件加载载荷，分析求解。将线圈结构参数作为输入量，材料的变形结果作为输出量，分析对比不同线圈结构参数下的材料变形结果。具体地，根据模拟的精度和效率，建立二维或者三维模型；设置的边界条件包括磁力线边界条件、对称边界条件等。

在本发明实施例中，线圈的集肤深度，作为电磁成形能量利用率的依据；集肤深度为：式中，ω为电磁设备的放电频率，且满足公式：通常放电回路的电阻R相对于电感L较小，因此，放电频率等效为：μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7。这个常量由公式定义，此式是真空中两根通过电流相等的无限长平行细导线之间相互作用力的公式。γ为板料的电导率。板料集肤深度与电磁成形中放电回路的电感有很大的关系，放电回路的等效电感L包括放电回路的电感L_i和线圈电感L_c，由于放电回路L_i较小，可以忽略不计，主要依赖于线圈电感L_c，而线圈电感主要与线圈结构、线圈匝数等参数有关。单层平板线圈等效电感L通常较小，导致放电频率较大，集肤深度远远小于板料厚度，导致成形效率较低，成形大型厚板件十分困难。多层线圈的电感值与线圈匝数的平方近似成正比，如下式所示：式中，N为线圈匝数，H为线圈轴向高度，d为线圈径向长度，R为线圈半径大小，如图3所示。

通过集肤深度作为设计线圈的一个重要衡量标准是十分有必要的，这样设计出的线圈，能够尽可能的提高能量的利用率，增加成形能力。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

(1)大型覆盖件电磁成形进行多道次放电渐进成形，在初步成形中，需要得到底部比较平整的过渡区，便于板料贴合线圈，从而进行进一步成形；

(2)选用合适的螺旋形线圈，提取电磁成形线圈的结构参数，包括：线圈层数、层间距、线圈匝间距、截面形状、截面积大小，如图2；

(4)采用控制变量法，针对以上各项结构参数设置不同的对照组；

(5)计算线圈的集肤深度，作为电磁成形能量利用率的依据；

集肤深度为：式中，ω为电磁设备的放电频率，且满足公式： $\mathrm{\ω}=\sqrt{1/\mathrm{LC}-{(R/2L)}^2}.$

通常放电回路的电阻R相对于电感L较小，因此，放电频率可以被写成：μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7。这个常量由公式定义，此式是真空中两根通过电流相等的无限长平行细导线之间相互作用力的公式。γ为板料的电导率。板料集肤深度与电磁成形中放电回路的电感有很大的关系，放电回路的等效电感L包括放电回路L_i的电感和线圈电感L_c，由于放电回路L_i较小，可以忽略不计，主要依赖于线圈电感L_c，而线圈电感主要与线圈结构、线圈匝数等参数等有关。传统单层平板线圈等效电感L通常较小，导致放电频率较大，集肤深度远远小于板料厚度，导致成形效率较低，成形大型厚板件十分困难。本文在此基础上提出一种电感较大、电磁力能穿透板料的多层结构线圈。多层线圈的电感值与线圈匝数的平方近似成正比，如下式所示：式中，N为线圈匝数，H为线圈轴向高度，d为线圈径向长度，R为线圈半径大小，如图3所示。

通过集肤深度作为设计线圈的一个重要衡量标准是十分有必要的，这样设计出的线圈，能够尽可能的提高能量的利用率，增加成形能力。

(6)基于有限元模拟技术，将线圈结构参数作为输入量，材料的变形结果作为输出量，通过分析对比不同线圈结构参数下的材料变形结果，确定合适的线圈结构参数。

为了更进一步的说明本发明实施例，现给出具体实例:

板料材料使用的是5754铝合金。板料尺寸为：l＝1400mm；d＝2mm。为大型薄板件，板料是一个平面图为圆形，主视图为长方形的圆柱体。对应所设计的线圈放置在板料的一个非对称处。根据经验线圈首选截面为长方形，尺寸为h＝10mm；d＝3mm。总的匝数为16匝，初始设定层数为1层，并将其设定在距离板料1mm处。两者对应位置关系如图4所示。提取电磁成形线圈的结构参数，包括：线圈层数、层间距、线圈匝间距、截面形状、截面积大小。根据控制变量法得设置的线圈结构参数对照组如表1。

表1线圈结构参数对照

分析对照不同截面形状的线圈，材料最终变形结果如图5。结果表示矩形截面线圈的成形性较好，效率比较高，并且互感大于圆形截面线圈，矩形截面线圈使板料发生的变形更加均匀。分析对照不同线圈层数，材料的变形结果如图6。结果表示层数越多，对应形成的磁场力也就越大，成形深度越大。能够有效地分担磁场力的反作用力，有更高的强度和寿命，多层线圈比较合适。不同层间距的线圈材料变形结果分别如图7，结果表示层间距变大，对应的变形效果在下降，从数值模拟结果看来较选取小的层间距能提升成形效果。不同截面积的线圈得到了和图8，结果表示不同面积的结果相差不大。在实际中需要大电压、大成形力。面积大的线圈能承受更大的电压，设计应选取大面积作为标准。

在以上基础上，进一步改进线圈匝间距，将线圈改进为非等间距线圈，如图9。采用有限元模拟技术，得到材料的最终变形示意图如图10，结果表明材料的变形区域变形均匀，有利于进一步变形。经过分析比较非等间距线圈和等间距线圈如图11可知：非等间距线圈的电磁力分布是一种两边大，中间小的趋势，在成形时边缘成形量较大，中心成形量较小，但是中心成形累加了部分的边缘成形量，所以在很大的一片范围内，成形量是均匀的。得到的均匀变形的板料在进一步成形中可以与电磁成形线圈更好的贴合，从而提升了电磁成形中放电的能量利用率，有利于板料多道次电磁成形中的进一步成形。解决了板料多道次电磁成形中，由变形不均匀引起成形难以进行下去的问题。

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。

Claims (2)

1.一种使板料均匀变形的电磁成形线圈获取方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：针对多道次电磁成形的平板坯料获得变形量，根据变形量选用与之相匹配的电磁成形线圈；

S2：根据待成形的板料的电导率γ、电磁设备的放电频率ω以及真空磁导率μ₀获得电磁成形线圈的集肤深度

S3：根据集肤深度获得所述电磁成形线圈的参数范围；所述参数范围包括线圈层数为1～5层；线圈层间距和线圈匝间距均大于1mm；截面形状根据绕制线圈的导线确定，截面积大小由板料变形所需变形力确定；

所述截面形状为矩形；线圈层数越多，成形深度越大；线圈匝间距为非等间距；

S4：采用控制变量法在所述参数范围中选择多组电磁成形线圈的结构参数；每一组电磁成形线圈的结构参数包括所述线圈层数、线圈层间距、线圈匝间距、截面形状和截面积大小；

S5：分别对所述多组电磁成形线圈以及与之相匹配的板料进行变形模拟，根据板料变形结果选择最优的结构参数，并根据最优的结构参数获得电磁成形线圈；所述最优的结构参数是指与板料变形最均匀相对应的结构参数；或者当结构参数对板料变形均匀影响不大时，所述最优的结构参数是指线圈使用寿命长的一组参数；

步骤S4具体为：将线圈层数、截面形状、层间距、线圈匝间距和截面积大小这五项参数中任意四项保持不变，通过改变第五项的参数，获得多组电磁成形线圈的结构参数。

2.如权利要求1所述的电磁成形线圈获取方法，其特征在于，截面积大小为1mm²～100mm²。