CN105598250A - 蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置及成形方法。成形线圈位于凹模上方，并与成形线圈一起固定在支撑块上。线圈调位螺栓安装在线圈压块上。两个压边块位于凹模上方，用于将该蒙皮壁板压紧。调位压板位于该压边块的上表面。放电电源导线的两端分别与成形线圈的接头连接。本发明利用磁脉冲成形过程中线圈磁场力高效可控并有效提高材料成形能力的优势，通过调整放电电压、线圈与壁板之间的间隙实现的磁场力的调整，通过使用小线圈低放电能实现大型蒙皮壁板局部加载的不断累积，最终利用坯料快速变形实现壁板贴合模具成形。本发明成形速度高、成形件贴模性好、回弹小、表面质量好，适于大尺寸复杂结构带筋板加工，并具有能耗低、无噪音、无污染的特点。

Description

蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及航空航天航海蒙皮壁板材料加工领域，具体是一种利用磁脉冲成形实现蒙皮壁板成形的装置及方法。主要用于金属蒙皮壁板精确成形，解决蒙皮壁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

蒙皮壁板是航空航天领域，特别是飞机整体壁板制造中重要零部件，其成形技术我国大飞机制造关键技术之一。这类构件一般几何尺寸大，多采用性能优良但加工困难的材料，如铝合金、钛合金等，除了具有复杂的外形曲线外，还通过布置复杂形式的筋条来实现既满足结构性能需求，又减轻重量、较少零件数量的目的。蒙皮壁板的特点是由整块板坯制造而成，包括筋条和腹板两部分，整体弯曲曲率小。由于筋条的存在，蒙皮壁板的弯曲成形过程要比普通平板材料弯曲过程复杂得多。传统的蒙皮壁板弯曲成形工艺主要是压弯、滚弯、喷丸及蠕变时效成形等。压弯成形依靠压力头作用于筋条顶部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，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不作为主要成形方法；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，但结构稳定性差，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，由于成形后工件表层存在残余压应力而提高了材料疲劳性能，已经在C919大飞机机翼壁板上得到成功应用，但喷丸成形后工件表面质量不高，成形控制复杂；对于蠕变时效成形，可同时完成工件的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，且成形后回弹量大。综上所述，蒙皮壁板传统成形工艺在弯曲成形中存在难成形或成形质量差、效率低的问题，限制了它们在蒙皮壁板成形中的广泛应用。随着整体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，蒙皮壁板成形领域迫切需要探索新的成形工艺来实现该类构件高效、可靠成形。

本发明所涉及的磁脉冲成形，是一种特种成形工艺方法，具有成形能量小且易于控制、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。磁脉冲成形的基本原理是利用磁场力实现金属坯料塑性变形的高能率快速成形。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，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。该技术在上世纪六十年代被提出，近年来在国际上得到广泛的研究。作者V.Psyk,D.Risch等在文献《Electromagneticforming—Areview》中对平板、管件的磁脉冲成形中的理论研究、数值模拟和实验研究进行了较为全面的综述。

现有磁脉冲成形方法一般用于平板、管坯件的成形，较少将该技术用到复杂带筋壁板构件成形领域。在公开号为CN201310397820.4的发明创造中公开了一种利用磁脉冲力实现筋板件成形的装置及方法，其优点是利用不同成形线圈作用到筋板的不同位置，筋线圈用于筋条的变形，而腹板线圈用于腹板的变形，通过这两种线圈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，从而实现筋板的弯曲成形。该发明的缺点是该方法仅局限于小规格尺寸的单筋板的成形，成形件曲率也比较简单，并不适用于大型复杂筋条结构整体壁板的成形。

对于大型尺寸零件，鉴于固定位置的磁脉冲成形通常无法实现工件达到所需的形状要求，实际成形过程中多采用渐进增量成形的方法来实现。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。该发明的缺点是其成形对象是薄壳简单零件，对于薄板上带有复杂形式筋条的结构件，腹板的变形与筋条的变形相互影响，需要根据成形件结构特点设计合理的成形参数，单纯采用该发明中的线圈按照成形模型轮廓等高线移动的方法并不能实现所需的成形。

有鉴于此，本发明提出了一种利用磁脉冲局部加载成形实现大型蒙皮壁板成形装置及方法，不但利用磁脉冲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，而且通过合理的工艺选择，使得筋条与腹板协调变形，有效控制成形质量，实现大型复杂结构蒙皮壁板成形。

发明内容

为克服现有蒙皮壁板弯曲成形技术中存在的难成形、成形效率低、贴模不充分及成形后回弹量大等不足，结合磁脉冲成形所具有的优势，本发明提出了一种利用小线圈低能量实现蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置及成形方法。

本发明包括放电电源、成形线圈、凹模、壁板定位块、线圈调节装置、两个压边块、两个线圈支撑块；其中：所述两个线圈支撑块位于凹模的上方，并组成了成形线圈安放槽；所述成形线圈位于所述的成形线圈安放槽内；所述线圈压块位于所述成形线圈的上表面，并将该线圈压块与所述成形线圈固定在支撑块上；在所述线圈压块上安装有线圈调位螺栓；在所述凹模的四角分别安装有壁板定位块；所述两个压边块分别位于凹模长度方向的两侧上方，当所述待成形的蒙皮壁板安放在该凹模上之后，通过所述压边块将该待成形的蒙皮壁板压紧；所述调位压板位于该压边块的上表面，并通过两个调位压板定位块和定位块螺栓定位；所述放电电源包括导线、放电开关和储能电容器；所述导线的两端分别与成形线圈的接头连接；在该导线上串连有放电开关和储能电容器。

所述线圈压块上安装有线圈调位螺栓时，将该线圈调位螺栓的上端装入调位压板内；当需要调整两个线圈支撑块下表面与成形的蒙皮壁板之间的间隙时，通过所述线圈调位螺栓下端的螺母使线圈压块上下移动，以实现调整支撑块下表面与成形的蒙皮壁板之间的间隙。

所述的成形线圈包括线圈树脂和线圈导线；所述线圈导线为螺旋缠绕而成，在每一圈导线之间固封有绝缘树脂，并且在该线圈导线的上表面与下表面亦固封有绝缘树脂，通过该绝缘树脂将线圈导线固封包裹起来；将所述线圈导线的两个接线端分别与放电电源电容器串联而组成放电回路，并通过串连在该放电开关控制电容器的放电，从而实现成形线圈电流的加载。

成形线圈的外径为10～500mm；该成形线圈径向的匝数为5～50，轴向的缠绕层数为1～5层，线圈匝间距为1～20mm。

所述的调位压板下表面两端分别有安装调位压板定位块的凹槽；所述凹槽宽度方向的中心线均与该调位压板宽度方向的中心线重合；在所述凹槽内的几何中心处有定位块螺栓的安装孔。

两个线圈支撑块的一侧加工有弧形凹槽；在所述弧形凹槽的一侧有沉头螺栓孔；使用时，将两个线圈支撑块通过线圈固定螺栓与线圈压块固连成一体，并使两个线圈支撑块上的弧形凹槽相对，组成了成形线圈安放槽。

所述的凹模为双曲率凹模；该凹模的曲率半径为10～2000mm，凹模弯曲方向与工件弯曲方向一致，凹模凹槽深度为5～100mm；凹模长度方向和宽度方向的曲率曲率半径为50～2000mm，凹模凹槽深度为3～100mm；在该凹模的四个角上开有螺纹孔，用于连接壁板定位块。

本发明还提出了一种利用所述磁脉冲局部加载装置实现蒙皮壁板弯曲成形的方法，包括以下步骤：

步骤1，确定成形工位：所述确定成形工位是确定成形线圈的工作位置；根据壁板的长宽两个方向筋条最大的长度与成形线圈导线外径之比，即长径比来确定沿壁板纵向和横向的成形工位；壁板纵向和横向的长径比的值按照余数进位的方法确定一个整数值，作为此方向的成形工位；当沿某一方向筋条长度小于线圈导线外直径时，则在此方向工位数为；沿壁板纵向的工位数记为M，横向的工位数记为N，则总的成形工位数为M×N；

步骤2，确定成形路径：成形路径即完成所有工位加工线圈所前进的路径；对于M×N个工位，具体的成形路径确定方法为：当M或N中的一个为1时，按照“顺序前进”的原则确定路径成形，即由一侧的工位开始，对称的另一侧工位结束；当M和N均大于1时，按照“对角-纵向平行”的原则布置路径，即第一工位与二工位之间呈对角线关系，第二工位与第三工位之间呈平行关系且沿壁板纵向，依次类推；如果M或N中的一个大于2，则第二工位的对角线位于距离第一工位最远处的对角线工位上，然后再按照纵向平行的原则确定离第二工位最近的平行与纵向的工位为第三工位，依次类推；成形路径上，每个工位均只经过一次，没有重复；

步骤3，确定成形线圈初始位置：当工位数确定后，则由长径比的准确数值确定每个工位的具体位置关系；所述的铝合金网格筋壁板磁脉冲局部加载成形装置在安装完毕后的线圈初始位置为：成形线圈的底面距离蒙皮壁板的筋条顶部间隙为1～8mm；线圈导线在壁板投影应至少1/2在壁板内，且投影区域要覆盖一部分纵向或横向筋条；

步骤4，放电电压的设置：当采用“顺序前进”的成形路径时，电容器工作时的电压要随工位进行而逐渐增大，第一工位电压为3～8kV，后续电压按照等差数列的形式要比前一个高出0.5～5kV，；当采用“对角-纵向平行”成形路径时，第一工位采用小电压，值为2～7kV，随着工位的增加，放电放压的设置遵循两个对角方向的电压值相同，纵向平行工位的电压大于对角工位的电压的原则，其中，平行工位电压要高出对角工位电压1～6kV；

步骤5，放电成形：根据确定的成形路径和放电电压，按工位逐个进行放电成形；在放电成形时，放电电源储能电容器通过充电的方式达到所需的电压值，然后闭合放电开关，实现电容器放电，此时成形线圈内将有交变电流通过而产生磁场，并在其附近的导体蒙皮壁板中感应出涡流，两者相互作用产生的磁场力驱动蒙皮壁板瞬间贴合凹模；线圈放电时间为0.1～1s；

步骤6，同一工位重复放电：当一次放电后壁板变形未贴模时，需要在此工位再次放电；在重复放电时，需对线圈的位置进行调整；具体的方法是：通过线圈调位用螺母，使该线圈压块带动成形线圈沿竖直方向向下移动2～20mm；使线圈与当前壁板之间的最小距离为1～5mm；再次放电时的放电能量要比当前工位前一次放电能量要高出0.1kJ～0.6kJ；

步骤7，继续下一工位的放电成形：每次放电结束后，断开放电开关，根据确定的成形路径移动至下一个工位；根据确定的放电电压，循环步骤5与步骤6，继续进行放电成形；重复所述过程，直至成形结束。

本发明中，通有交变电流的线圈会在其周围产生磁场，并与待加工蒙皮壁板之间形成相互作用的磁场力，当磁场力超过壁板材料屈服应力时，壁板会发生塑性变形。本发明利用磁脉冲成形过程中线圈磁场力高效可控并有效提高材料成形能力的优势，通过调整放电电压、线圈与壁板之间的间隙来实现的磁场力的调整。与传统的蒙皮壁板成形过程中成形力仅作用到筋条或仅作用到腹板上的情况不同，对于磁脉冲成形，磁场力既作用到筋条上，又作用到腹板上，再加上磁脉冲这种高速成形方式，可以提高蒙皮壁板的成形能力。而且，根据电磁感应定律，磁场力的作用既用于变形，又用于保护筋条防止失稳。通过使用小线圈低放电能来实现大型蒙皮壁板的局部加载的不断累积，最终利用坯料快速变形实现壁板贴合模具成形。

磁脉冲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带筋的蒙皮壁板零件，特别是复杂筋条布置形式的蒙皮壁板。因此本发明将磁脉冲成形技术应用于网格筋蒙皮壁板结构件成形。本发明是集中了磁脉冲成形与局部加载成形技术的优势，从而实现大型带筋蒙皮壁板结构件弯曲的一种成形方法。作者吴阳在文献《7475铝合金整体筋条壁板蠕变成形的工艺研究》使用现有蒙皮壁板成形技术蠕变时效成形的最小耗时为6个小时，而本发明磁脉冲成形技术成形相同材料、几何、结构参数的壁板用时只需不超过30分钟，成形效率提高十分显著；与传统喷丸相比，磁脉冲成形制件表面粗糙度也比喷丸要高出至少一个等级。该方法加工出的产品具有成形速度高、成形件贴模性好、成形回弹小、成形件表面质量好等优点，并适于大尺寸复杂结构带筋板加工，而且加工过程能耗低、无噪音、无污染，是一种可推广应用的绿色实用技术。

附图说明

附图1是蒙皮壁板磁脉冲局部成形装置的工装结构示意图；其中：图1a是主视图，图1b是主视图A-A剖视图，图1c是俯视图；图1d是左视图；

附图2是蒙皮壁板磁脉冲局部成形装置中调位压板、线圈压块与线圈垫片的配合示意图；其中，图2a是主视图，图2b是底视图，图2c是图2b的A-A剖视图，图2d是左视图；

附图3是蒙皮壁板磁脉冲局部成形装置中线圈压块、线圈支撑块与成形线圈的配合示意图；其中，图3a是主视图，图3b是俯视图，图3c图3b的A-A剖视图；

附图4是蒙皮壁板磁脉冲局部成形装置中待成形壁板、线圈支撑块与线圈的配合示意图；

附图5调位压板结构图；其中：图5a是俯视图；图5b是底视图；图5c是图5b的A-A剖视图；

附图6是调位压板定位块结构图；其中：图6a是主视图；图6b是俯视图；

附图7是压边块结构图；

附图8是线圈压块结构图；其中：图8a是主视图；图8b俯视图；

附图9为圆形线圈导线缠绕示意图；其中：图9a是俯视图；图9b是图9a的A-A剖面图；

附图10是线圈支撑块结构图；其中：图10a是主视图；图10b俯视图；

附图11是网格筋壁板结构图；其中：图11a是主视图；图11b为俯视图；图11c为左视图；

附图12是双曲率凹模结构图；其中：图12a是主视图；图12b为俯视图；图12c为图12b的A－A视图；

附图13是调位压板定位块结构图；其中：图13a是主视图；图13b为俯视图；

附图14是成形路径的示意图；其中：图14a是“顺序前进”路径；图14b为用于2×2工位的“对角-纵向平行”路径；图14c为用于多工位的“对角-纵向平行”路径；

附图15是实际蒙皮壁板成形实验后的成形件。图中：

1.调位压板；2.调位压板定位块；3.定位块螺栓；4.压边块；5.线圈固定螺栓；6.线圈固定用螺母；7.线圈压块；8.成形线圈；9.线圈支撑块；10.待成形的蒙皮壁板；11.凹模；12.壁板定位块；13.线圈调位用螺母；14.线圈调位螺栓；15.线圈垫片；16.放电开关；17.储能电容器；18.线圈树脂；19.线圈导线。

具体实施方式

本实施例提出了一种铝合金网格筋蒙皮壁板磁脉冲局部加载成形装置，用于实现带筋蒙皮壁板的弯曲成形。

所述的蒙皮壁板10材料为7050-T7451铝合金，由筋条与腹板构成。筋条在腹板单面，为网格状分布，且筋条分别关于壁板长度、宽度方向的中心线对称分布。平行分布的筋条尺寸完全相同。筋条厚度为1～8mm，筋条高度为2～50mm，腹板厚度为0.5～5mm，同时筋条高度与腹板厚度之比为2:1～10:1。蒙皮壁板整体长度为50～800mm，宽度为30～600mm；纵向筋长度要小于蒙皮壁板整体长度，两者差值的中间区域作为压边区域和变形过渡区域，中间区域的长度为10～100mm。横向筋数量为1～10根，纵向筋数量为1～8根。本实施例中，所述的蒙皮壁板10放置于凹模11上，筋条位于腹板上方。蒙皮壁板10的纵向、横向筋条的高度、厚度相同，筋条高20mm，厚2mm，腹板厚2mm，整体长度330mm，宽150mm。横向筋条3根，纵向筋条2根。横向筋长度与壁板宽度相同，而纵向筋长度为200mm，中间区域长度为130mm。相邻两个横向筋条之间间距62mm，纵向筋条间距86mm。横向筋条和纵向筋条分别关于壁板宽度方向中心线、长度方向中心线对称。

本实施例包括放电电源、成形线圈8、凹模11、壁板定位块12、线圈调节装置、两个压边块4、两个线圈支撑块9。其中：所述两个线圈支撑块9位于凹模11的上方，并组成了成形线圈安放槽；工作时将待成形的蒙皮壁板10置于凹模上表面，并处于所述线圈支撑块下方；将所述成形线圈8置于所述的成形线圈安放槽内。所述线圈压块7位于所述成形线圈8的上表面，并通过四个线圈固定螺栓5将该线圈压块与所述成形线圈固定在支撑块上。在所述线圈压块7上安装有四个线圈调位螺栓14；该线圈调位螺栓14的上端装入调位压板1内；当需要调整两个线圈支撑块9下表面与成形的蒙皮壁板10之间的间隙时，通过所述线圈调位螺栓下端的螺母使线圈压块7上下移动，以实现调整支撑块下表面与成形的蒙皮壁板之间的间隙。在所述凹模11的四角分别安装有壁板定位块，用于限定待成形的蒙皮壁板水平方向的移动。所述两个压边块4分别位于凹模长度方向的两侧上方，当所述待成形的蒙皮壁板10安放在该凹模上之后，通过所述压边块4将该待成形的蒙皮壁板压紧。所述调位压板1位于该压边块的上表面，并通过两个调位压板定位块2和定位块螺栓3定位。所述放电电源包括导线、放电开关16和储能电容器17；所述导线的两端分别与成形线圈8的接头连接；在该导线上串连有放电开关16和储能电容器17。

所述的凹模11采用现有技术。本实施例中，该凹模为矩形，为双曲率凹模。曲率半径为10～2000mm，凹模弯曲方向与工件弯曲方向一致，凹模凹槽深度为5～100mm；凹模长度方向和宽度方向的曲率曲率半径为50～2000mm，凹模凹槽深度为3～100mm。所述的凹模的上表面用于安放所成形的蒙皮壁板，凹模的外观尺寸为：长宽与所需成形的蒙皮壁板外观整体尺寸相同，高度为20～150mm，凹模过渡圆角区域半径为5～30mm。本实施例中，凹模11为双曲率凹模，采用T10A材料，长度为330mm，宽度150mm，厚度40mm，长度方向的圆弧半径为500.5mm，宽度方向的圆弧半径为1474.8mm，过渡圆角半径均为10mm。

所述的凹模11结构如图12所示。其四个角上开有螺纹孔，用于连接壁板定位块12。所述的壁板定位块是直角形状垫片结构，通过螺纹连接安装在凹模四个角上端，用于实现成形工件放置于凹模上时的约束定位。壁板定位块12安装于凹模后，其最高点高出凹模11上表面5～10mm。本实施例中，凹模12螺纹孔孔径5mm，距离凹模顶面距离10mm，距离凹模厚度方向侧边距离15mm。壁板定位块12的两侧均为正方形，边长均为30mm，其上两个螺纹孔位于各自中心部位，孔径5mm；壁板定位块12高出凹模上表面5mm。

安放蒙皮壁板10之前，先将壁板定位块12通过螺纹连接的方式安装在凹模11上。由于壁板定位块12的上端面高出凹模上表面5mm，在其约束限制作用下，蒙皮壁板10端面与凹模11端面平齐。

所述的成形线圈8包括线圈树脂18和线圈导线19。所述线圈导线为螺旋缠绕而成，在每一圈导线之间固封有绝缘树脂18，并且在该线圈导线的上表面与下表面亦固封有绝缘树脂，通过该绝缘树脂18将线圈导线19固封包裹起来。将所述线圈导线19的两个接线端分别与放电电源电容器17串联而组成放电回路，并通过串连在该放电开关16控制电容器17的放电，从而实现成形线圈电流的加载。成形线圈的外径为10～500mm。线圈导线19的材质为铜，导线截面是长×宽＝1～20mm×1～20mm的矩形，线圈径向的匝数为5～50，轴向的缠绕层数为1～5层，线圈匝间距为1～20mm。成形线圈的匝间距根据所需成形工件的弯曲变形量确定，当工件弯曲变形量大时，线圈匝间距小；当工件弯曲变形量小时，线圈匝间距大。本实施例中，成形线圈为平板螺旋线圈，外观为圆形，线圈导线19的材质为带紫铜，且为漆包线形式，线圈导线截面为矩形，宽度2mm、高度4mm，线圈匝间距1mm，线圈匝数为15匝，层数为3层。成形线圈内径为5mm，成形线圈的外径为100mm。所述的成形线圈位于蒙皮壁板10筋条一侧的上方。

所述的调位压板1为矩形板状，在该调位压板下表面两端分别有横截面为“T”形的凹槽，用于安装调位压板定位块2；所述凹槽为通槽，宽度方向的中心线均与该调位压板宽度方向的中心线重合。在所述凹槽内的几何中心处有螺纹孔，用于安装定位块螺栓3，以通过该定位块螺栓将所述调位压板定位块与调位压板固紧。

调位压板采用高强钢材料。压板的整体尺寸为：长×宽×高＝450mm×110mm×14mm。底部凹槽形式是T形槽，槽口关于调位压板1的长度方向中心线对称，小槽朝外。T形槽尺寸为：大槽、小槽长度与调位压板1的长度相同，大槽宽度40mm，高度4mm，小槽宽度20mm，高度3mm。调位压板1上螺纹孔的个数为4个，为标准沉头外六角螺纹通孔，公称直径径8mm，沉头部分直径13mm，沉头深度9mm；螺纹通孔关于调位压板1的长度、宽度方向两条中心线对称分布，螺纹孔轴线距离调位压板1的长度边缘10mm，距离宽度边缘180mm。

两个线圈支撑块9均为块状。该线圈支撑块的一侧加工有弧形凹槽；在所述弧形凹槽的一侧有沉头螺栓孔。使用时，将两个线圈支撑块通过线圈固定螺栓5与线圈压块7固连成一体，并使两个线圈支撑块上的弧形凹槽相对，组成了成形线圈安放槽。

本实施例中，支撑块9的长宽高范围为：50～200mm×30～150×20～60mm，弧形槽距离线圈支撑块9的底部2～10mm，半径为20～300mm，槽径向深度10～100mm。每个支撑块各开有2～3个沉头螺纹通孔。本实施例中，线圈支撑块9为整体长×宽×高＝80mm×40mm×30mm，弧形槽半径50mm，距离线圈支撑块9底部5mm，槽径向深度20mm。单侧线圈支撑块开有2个沉头外六角螺纹通孔，孔的几何尺寸与调位压板1的四个螺纹孔尺寸相同，即螺纹孔公称直径8mm，沉头部分直径14mm，沉头深度9mm。螺纹孔轴线距离线圈支撑块9的长度边缘10mm，宽度边缘15mm。

所述的线圈压块7为矩形块体。在该线圈压块7上分布有线圈调位螺栓14和线圈固定螺栓5的安装孔，将该线圈压块通过线圈调位螺栓14和线圈固定螺栓5与线圈支撑块9、调位压板1之间固接为一体，并通过该线圈压块7压紧线圈，防止成形过程中过大的线圈轴向磁场力破坏线圈，进而保护线圈。

线圈压块的长宽尺寸要大于成形线圈的外观尺寸，值为长×宽×高＝50～1200mm×30～1000mm×10～100mm，线圈压块厚度为20～200mm，其上分布螺纹通孔个数为调位压板1螺纹孔数与线圈支撑块9的螺纹孔数之和，分别对应线圈调位螺栓14和线圈固定螺栓5。本实施例中，压板长×宽×高＝140mm×110mm×10mm，由于调位压板1螺纹孔数为4，单侧线圈支撑块9的螺纹孔数为2，因此总螺纹孔数量为8个。螺纹孔的孔径即调位压板1螺纹孔数和线圈支撑块9的螺纹孔的公称直径，即8mm。8个螺纹通孔均关于线圈压块7的长度、宽度方向中心线对称分布。配合线圈调位螺栓14的螺纹孔的轴线距离线圈压块9的长度边缘15mm，距离宽度边缘25mm；配合线圈固定螺栓5的螺纹孔的轴线向距离线圈压块9的长度边缘10mm，距离宽度边缘30mm。

所述的调位压板定位块2为梯形块状，其外形尺寸与所述调位压板1上的T形凹槽相适应。在该调位压板定位块2的几何中心有螺纹通孔，用于安装定位块螺栓3。

所述的调位压板定位块2的作用是：通过调整定位块螺栓的松紧来方便地控制调位压板定位块在调位压板1的凹槽内的移动量，以实现调位压板在水平面内的移动，进而实现线圈在水平面内的移动，达到多工位局部加载成形的目的。当成形工位设计好后，也即调位压板位置确定后，移动调位压板定位块与压边块贴合，然后拧紧定位块螺栓，则线圈的位置也就调整完毕。调位压板定位块2上开有螺纹通孔，孔径5～10mm。本实施例中，调位压板定位块2的外观也呈T形，其头部与调位压板1的大槽配合，长度、厚度尺寸也与大槽的宽度、高度尺寸完全相同，而沿T形槽长度方向的宽度为8mm；尾部与调位压板1的小槽配合，因此与T形槽长度垂直的方向上的尾部宽度与小槽宽度相同，而长度为10mm，沿T形槽长度方向的厚度8mm。调位压板定位块2上螺纹通孔位于调位压板定位块2的底部中心，孔径6mm。

所述的线圈固定螺栓5及螺母6、线圈调位螺栓14及螺母13均为标准件，其中线圈固定螺栓的螺纹长度应大于线圈压块厚度，连接线圈支撑块和线圈压块后，螺杆伸出至少高出螺母20～50mm；线圈调位螺栓为全螺纹螺杆，螺杆长度根据调位压板、线圈压块及线圈竖直方向移动量而定，而线圈的竖直方向移动量为2～20mm。本实施例中，螺栓材料为高强合金钢材料，强度等级为8.8级。线圈固定螺栓5即线圈调位螺栓14的公称直径均为M8，均为全螺纹螺杆结构，两种螺栓的螺杆长度均为160mm。

所述的线圈垫片15为线圈支撑块与线圈压块之间的垫片性质的简单圆柱体结构，其作用也是为了防止成形过程中大的竖直方向磁场力对线圈的破坏。考虑到线圈支撑块与线圈压块之间的距离会根据成形需要进行调整，所用线圈垫片为多个不同厚度圆柱的叠加而成。垫片直径为10～50mm，厚度1～100mm。本实施例中，线圈垫片15的直径为50mm，共有两种规格尺寸的垫片，其中厚度4mm及60mm垫片各一个。

所述的压边块4为块体结构，用于成形时提供工件压边力，同时还要支撑调位压板，并与调位压板定位块配合使用实现调位压板的定位。压边块底面的长度与凹模宽度相同，底面宽度值为20～300mm，压边块高度为30～300mm。本实施例中，压板块长×宽×高＝150mm×75mm×200mm。

所述的放电电源中的储能电容器17的工作电压为100～30000V，电容量为15～60000μF。本实施例中，储能电容器17的电容为320μF，工作电压确定了5kV、6kV、7kV和8kV四个档次。

本实施例还提出了一种利用所述磁脉冲成形装置成形铝合金筋板的方法，包括以下步骤：

步骤1，确定成形工位。所述确定成形工位是确定成形线圈8的工作位置。

根据壁板10的长宽两个方向筋条最大的长度与成形线圈8导线外径之比，即长径比来确定沿壁板纵向和横向的成形工位。壁板纵向和横向的长径比的值按照余数进位的方法确定一个整数值，作为此方向的成形工位；当沿某一方向筋条长度小于线圈导线外直径时，则在此方向工位数为1。沿壁板纵向的工位数记为M，横向的工位数记为N，则总的成形工位数为M×N。本实施例中，纵向长径比为200/100，因此M＝2；横向筋条长径比为150/100，因此N＝2，即成形工位为四工位。

步骤2，确定成形路径。成形路径即完成所有工位加工线圈8所前进的路径。对于M×N个工位，具体的成形路径确定方法为：当M或N中的一个为1时，按照“顺序前进”的原则确定路径成形，即由一侧的工位开始，对称的另一侧工位结束。当M和N均大于1时，按照“对角-纵向平行”的原则布置路径，即第一工位与二工位之间呈对角线关系，第二工位与第三工位之间呈平行关系且沿壁板纵向，依次类推；如果M或N中的一个大于2，则第二工位的对角线位于距离第一工位最远处的对角线工位上，然后再按照纵向平行的原则确定离第二工位最近的平行与纵向的工位为第三工位，依次类推。成形路径上，每个工位均只经过一次，没有重复。本实施例中，由于M＝N＝2，因此确定了的如图14b所示的成形路径；

步骤3，确定成形线圈初始位置。根据筋条对称分布的原则，每个工位也是关于壁板长度、宽度方向中心线对称分布。因此，工位数确定后，则由长径比的准确数值确定每个工位的具体位置关系。所述的铝合金网格筋壁板磁脉冲局部加载成形装置在安装完毕后的线圈初始位置为：成形线圈8的底面距离蒙皮壁板10的筋条顶部间隙为1～8mm。成形线圈8中心对应蒙皮壁板10的位置与成形工位数和成形路径相关。共有三种可能的位置，即壁板长度方向对称中心线上，壁板宽度方向对称中心线上，以及壁板长边边缘中心与压边区之间区域，如图15所示。线圈导线要作用在筋条上方，且在壁板上的投影应至少1/2在壁板内。本实施例中，成形线圈8的底面距离蒙皮壁板10的筋条顶部间隙为2mm。线圈中心轴线距离蒙皮壁板10的宽度方向中心线距离50mm，距离长度边缘距离25mm。

步骤4，放电电压的设置。对于“顺序前进”的成形路径，随着工位的增加，线圈与受其影响的工件局部区域间的实际距离增加，需要适当增加放电电压才能提高后续工位的成形深度，因此电容器工作时的电压要随工位进行而逐渐增大，第一工位电压为3～8kV，后续电压按照等差数列的形式要比前一个高出0.5～5kV，当第一工位电压值取小值3～5kV时，后续电压增加量也要取小值，即0.5～2.5kV，而第一工位电压值取大值5～8kV时，后续电压增加量则取大值2.5～5kV；对于“对角-纵向平行”成形路径，第一工位采用小电压成形，取值范围为2～7kV，随着工位的增加，放电放压的设置遵循两个对角方向的电压值相同，纵向平行工位的电压大于对角工位的电压的原则，其中，平行工位电压要高出对角工位电压1～6kV，具体增加量与“顺序前进”成形路径时的电压增加量原则相同，也按照上述“小电压小增量，大电压大增量”的规律。本实施例中，第一工位和二工位成形时放电电压为6kV，第三工位和第四工位放电电压为7kV；平行工位电压比对角工位电压高5kV

步骤5，放电成形。根据确定的成形路径和放电电压，按工位逐个进行放电成形。在放电成形时，放电电源储能电容器17通过充电的方式达到所需的电压值，然后闭合放电开关16，实现电容器17放电，此时成形线圈8内将有交变电流通过而产生磁场，并在其附近的导体蒙皮壁板10中感应出涡流，两者相互作用产生的磁场力驱动蒙皮壁板10瞬间贴合凹模11；线圈放电时间为0.1～1s。

本实施例中，线圈放电时间为10^-3s。

步骤6，同一工位重复放电。当一次放电后壁板变形未贴模时，需要在此工位再次放电。考虑到经过一次变形后线圈与壁板之间距离发生了变化，导致线圈磁场力作用下降，因此需要对线圈的位置进行调整。具体的方法是：首先通过拧松线圈调位用螺母13，使得线圈压块7沿竖直方向向下移动，带动成形线圈8也向下移动，移动量保证线圈与当前壁板之间的最小距离为1～5mm；再次放电时的放电能量要稍大与当前工位前一次放电能量，其值要高出0.1kJ～0.6kJ。本实施例中，前三个工位壁板几乎完全贴合模具，但由于第一工位变形后，第四工位的位置处壁板相对线圈的间隙变大，所以在第四工位处采用两次放电的方法。第一次放电电压为7kV。然后拧紧线圈调位用螺母13，使得线圈8在竖直方向向下移动5mm，此时线圈与第四工位处壁板最小间隙为2mm。

步骤7，每次放电结束后，断开放电开关16，根据确定的成形路径移动至下一个工位。根据确定的放电电压，循环步骤5与步骤6，继续进行放电成形。重复所述过程，直至成形结束。

Claims (8)

1.蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置，其特征在于，包括放电电源、成形线圈、凹模、壁板定位块、线圈调节装置、两个压边块、两个线圈支撑块；其中：所述两个线圈支撑块位于凹模的上方，并组成了成形线圈安放槽；所述成形线圈位于所述的成形线圈安放槽内；所述线圈压块位于所述成形线圈的上表面，并将该线圈压块与所述成形线圈固定在支撑块上；在所述线圈压块上安装有线圈调位螺栓；在所述凹模的四角分别安装有壁板定位块；所述两个压边块分别位于凹模长度方向的两侧上方，当所述待成形的蒙皮壁板安放在该凹模上之后，通过所述压边块将该待成形的蒙皮壁板压紧；所述调位压板位于该压边块的上表面，并通过两个调位压板定位块和定位块螺栓定位；所述放电电源包括导线、放电开关和储能电容器；所述导线的两端分别与成形线圈的接头连接；在该导线上串连有放电开关和储能电容器。

2.如权利要求1所述蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置，其特征在于，所述线圈压块上安装有线圈调位螺栓时，将该线圈调位螺栓的上端装入调位压板内；当需要调整两个线圈支撑块下表面与成形的蒙皮壁板之间的间隙时，通过所述线圈调位螺栓下端的螺母使线圈压块上下移动，以实现调整支撑块下表面与成形的蒙皮壁板之间的间隙。

3.如权利要求1所述蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置，其特征在于，所述的成形线圈包括线圈树脂和线圈导线；所述线圈导线为螺旋缠绕而成，在每一圈导线之间固封有绝缘树脂，并且在该线圈导线的上表面与下表面亦固封有绝缘树脂，通过该绝缘树脂将线圈导线固封包裹起来；将所述线圈导线的两个接线端分别与放电电源电容器串联而组成放电回路，并通过串连在该放电开关控制电容器的放电，从而实现成形线圈电流的加载。

4.如权利要求3所述蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置，其特征在于，成形线圈的外径为10～500mm；该成形线圈径向的匝数为5～50，轴向的缠绕层数为1～5层，线圈匝间距为1～20mm。

5.如权利要求1所述蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置，其特征在于，所述的调位压板下表面两端分别有安装调位压板定位块的凹槽；所述凹槽宽度方向的中心线均与该调位压板宽度方向的中心线重合；在所述凹槽内的几何中心处有定位块螺栓的安装孔。

6.如权利要求1所述蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置，其特征在于，两个线圈支撑块的一侧加工有弧形凹槽；在所述弧形凹槽的一侧有沉头螺栓孔；使用时，将两个线圈支撑块通过线圈固定螺栓与线圈压块固连成一体，并使两个线圈支撑块上的弧形凹槽相对，组成了成形线圈安放槽。

7.如权利要求1所述蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置，其特征在于，所述的凹模为双曲率凹模；该凹模的曲率半径为10～2000mm，凹模弯曲方向与工件弯曲方向一致，凹模凹槽深度为5～100mm；凹模长度方向和宽度方向的曲率曲率半径为50～2000mm，凹模凹槽深度为3～100mm；在该凹模的四个角上开有螺纹孔，用于连接壁板定位块。

8.一种利用权利要求1所述蒙皮壁板的磁脉冲局部加载成形装置的成形方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1，确定成形工位：所述确定成形工位是确定成形线圈的工作位置；根据壁板的长宽两个方向筋条最大的长度与成形线圈导线外径之比，即长径比来确定沿壁板纵向和横向的成形工位；壁板纵向和横向的长径比的值按照余数进位的方法确定一个整数值，作为此方向的成形工位；当沿某一方向筋条长度小于线圈导线外直径时，则在此方向工位数为；沿壁板纵向的工位数记为M，横向的工位数记为N，则总的成形工位数为M×N；

步骤2，确定成形路径：成形路径即完成所有工位加工线圈所前进的路径；对于M×N个工位，具体的成形路径确定方法为：当M或N中的一个为1时，按照“顺序前进”的原则确定路径成形，即由一侧的工位开始，对称的另一侧工位结束；当M和N均大于1时，按照“对角-纵向平行”的原则布置路径，即第一工位与二工位之间呈对角线关系，第二工位与第三工位之间呈平行关系且沿壁板纵向，依次类推；如果M或N中的一个大于2，则第二工位的对角线位于距离第一工位最远处的对角线工位上，然后再按照纵向平行的原则确定离第二工位最近的平行与纵向的工位为第三工位，依次类推；成形路径上，每个工位均只经过一次，没有重复；

步骤3，确定成形线圈初始位置：当工位数确定后，则由长径比的准确数值确定每个工位的具体位置关系；所述的铝合金网格筋壁板磁脉冲局部加载成形装置在安装完毕后的线圈初始位置为：成形线圈的底面距离蒙皮壁板的筋条顶部间隙为1～8mm；线圈导线在壁板投影应至少1/2在壁板内，且投影区域要覆盖一部分纵向或横向筋条；

步骤4，放电电压的设置：当采用“顺序前进”的成形路径时，电容器工作时的电压要随工位进行而逐渐增大，第一工位电压为3～8kV，后续电压按照等差数列的形式要比前一个高出0.5～5kV，；当采用“对角-纵向平行”成形路径时，第一工位采用小电压，值为2～7kV，随着工位的增加，放电放压的设置遵循两个对角方向的电压值相同，纵向平行工位的电压大于对角工位的电压的原则，其中，平行工位电压要高出对角工位电压1～6kV；

步骤5，放电成形：根据确定的成形路径和放电电压，按工位逐个进行放电成形；在放电成形时，放电电源储能电容器通过充电的方式达到所需的电压值，然后闭合放电开关，实现电容器放电，此时成形线圈内将有交变电流通过而产生磁场，并在其附近的导体蒙皮壁板中感应出涡流，两者相互作用产生的磁场力驱动蒙皮壁板瞬间贴合凹模；线圈放电时间为0.1～1s；

步骤6，同一工位重复放电：当一次放电后壁板变形未贴模时，需要在此工位再次放电；在重复放电时，需对线圈的位置进行调整；具体的方法是：通过线圈调位用螺母，使该线圈压块带动成形线圈沿竖直方向向下移动2～20mm；使线圈与当前壁板之间的最小距离为1～5mm；再次放电时的放电能量要比当前工位前一次放电能量要高出0.1kJ～0.6kJ；

步骤7，继续下一工位的放电成形：每次放电结束后，断开放电开关，根据确定的成形路径移动至下一个工位；根据确定的放电电压，循环步骤5与步骤6，继续进行放电成形；重复所述过程，直至成形结束。