CN105728541A - 一种金属板材的无线圈电磁脉冲成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属板材无线圈电磁脉冲成形装置和方法，装置包括凹模、感应板、压板和电源系统；成形过程包括将待成形板材置于凹模与高导电率感应板之间；电源系统直接对待成形板材施加脉冲电流并产生电磁场，使靠近待成形板材的感应板产生反向感应电流并产生电磁场，该电磁场对待成形板材产生脉冲排斥电磁力作用使板材成形。本发明中没有采用传统电磁成形所需的绕制式放电线圈结构，能直接成形低导电率材料，而无需借助于高导电率的驱动板，还可以降低装置成本。本发明还具有结构简单，使用寿命长，可实现高强材料的冷成形等优点。
Description
技术领域
本发明属于材料塑性成形领域，具体为金属板材的电磁脉冲成形，特别涉及无线圈电磁脉冲成形方法及装置。
背景技术
电磁脉冲成形技术能提高材料成形极限，并且具有易于精确控制，成形速度快，成形工件精度高，模具结构简单及设备通用性强的特点。现已广泛应用于机械、电子、汽车工业、轻化工及仪器仪表、航空航天、兵器工业等诸多领域，应用前景广阔。
传统电磁脉冲成形工艺过程中，线圈是将电能转变为磁场能的关键部件。放电线圈的结构决定了空间磁场以及工件所受磁场力的分布，直接决定工件的成形结果。
绕制形式的线圈在电磁脉冲成形过程中，放电线圈会受到电磁反作用力和电流热效应的影响，很容易损坏。线圈发生损坏的形式主要为变形及烧毁。研究表明，平板电磁脉冲成形过程中，线圈的失效形式主要有四种，如图1a所示的圆形螺旋线圈(0-1)和长圆形螺旋线圈(0-2)，在线圈中部发生变形，使得第一匝与第二匝之间的间距增加；线圈绝缘层破裂；线圈由于中部变形导致其余线圈区域失效。线圈强度不够，发生断裂。因此，线圈设计需要满足高强度和耐久性的使用要求，这在采用绕制多匝线圈结构时，线圈制作成本较高，并且很难满足线圈结构尺寸稳定性，以及多次放电不失效的使用要求，很大程度上限制了电磁脉冲成形工艺在大批量生产中的应用。
传统电磁脉冲成形工艺主要是针对铝板材这类具有高导电率特性的材料的成形。其技术特征是采用图1a所示绕制线圈(0-1)或(0-2)，如图1b所示，电源系统(0-3)与线圈(0-4)连接，待成形板材(0-7)放置在线圈(0-4)与凹模(0-6)之间，当脉冲电流经过线圈(0-4)即产生电磁场使待成形板材(0-7)产生感应电流，该感应电流即产生电磁场，两个电磁场形成互相排斥的电磁力使待成形板材(0-7)变形。该方法无法成形磁导率很低的铁磁性材料，因此传统电磁脉冲成形工艺只能应用于高导电率材料(例如铝板材和铜板材)的成形，而对于低导电率材料(例如钢板材或者钛合金板材)或者非金属材料的成形，目前采用的线圈结构无法提供足够的电磁成形力，需要如图1c所示附加一块高导电率材料(0-8)放置在线圈(0-4)与待成形板材(0-7)之间作为对待成形板材的驱动板。电磁脉冲成形过程中，线圈(0-4)的磁场与驱动板(0-8)的磁场形成的排斥力推动驱动板(0-8)运动，再通过驱动板的运动来推动所要成形材料(0-7)的变形，然而由于驱动板的变形是永久性的，无法重复使用且去除困难，成本较高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属板材的无线圈电磁脉冲成形装置及方法，其目的在于提供一种直接对被成形板材施加电流，而不需要设计放电线圈的金属板材的无线圈电磁脉冲成形装置及方法，由此解决现有电磁脉冲成形工艺过程中线圈制作成本高、容易失效以及对被成形材料要求有高导电率的限制等技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属板材的无线圈电磁脉冲成形装置，包括凹模、安装有感应板的压板和电源系统；其中：
所述压板采用绝缘材料制作而成，其上安装有高导电率材料制成的感应板，感应板用于产生感应电流和电磁场；
所述凹模采用绝缘材料制成，其开口与压板装有感应板的一面正对设置，两者之间用于放置待成形板材；压板用于向待成形板材施压，使之贴紧固定在凹模上；压板内的感应板固定在压板内底部的正上方和待成形板材正下方，感应板与待成形板材之间有间隔，用于产生电磁排斥力来推动板材成形；
所述电源系统包括直流电源、储能电容、分压电阻和开关，直流电源用于给储能电容器充电，所述分压电阻用于调整储能电容器的充电电压；储能电容器两端通过开关接待成形板材两端，通过开关控制电流的通断。
优先地，所述感应板的形状包括但不限于圆柱形、圆锥台、方锥台、六面体，或者不规则形状，以匹配凹模为原则，以求全覆盖凹模轮廓的投影面积。
优先地，所述凹模采用金属材料制成，其与待成形板材之间设置有绝缘材料。
优先地，所述感应板为多个，多个感应板位于待成形板材的同一侧，互不相连，与凹模配合，用于实现一次在同一板材的同一侧成形多个形状。
优先地，所述感应板为多个，多个感应板分别设置于待成形板材的上下两侧，互不相连，与凹模配合，可实现一次放电在同一板材两侧成形多个形状。
优先地，所述感应板为一个，待成形板材为两块，两块待成形板材分别位于感应板两侧，两块待成形板材与凹模配合，各板材与感应板之间有间隔，其中一块板材与电源系统相连。
优先地，所述感应板为一个，两个电源系统，待成形板材为两块，两块待成形板材分别位于感应板两侧，与凹模配合，两块待成形板材各与感应板之间有间隔，每块待成形板材各连接一个电源系统。
相应地，本发明还提出一种金属板材的无线圈电磁脉冲成形方法，包括如下步骤：
步骤1：将待成形板材置于凹模与压板及其感应板之间，压板与凹模将其压紧，感应板与待成形板材之间有间隔，在保持绝缘前提下距离尽可能近；
步骤2：电源系统两极与待成形板材两端连接，根据板材变形程度需要，施加任一脉冲形状脉冲电流产生脉冲电磁场，使靠近板材的感应板感应反向脉冲电流，产生具有排斥作用的电磁力；
步骤3：感应板产生的排斥电磁力作用在待成形板材上，使其被推向凹模并成形为该凹模轮廓的形状。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用感应板代替传统电磁脉冲成形中的放电线圈。感应板为一体结构，与绕制式的放电线圈结构相比，加工难度以及成本降低，同时使用寿命高。
2、本发明中直接对待成形板材施加电流使靠近的感应板中产生感应电流并产生电磁力。因此，可以直接应用于低导电率材料的成形，而不需要借助于高导电率的驱动板。同时电磁脉冲成形工艺能够提高材料的成形极限。
3、本发明的成形装置与传统电磁成形相比，具有结构简单，使用寿命长，可实现高强材料、炭素钢板、钛合金板的冷成形等优点。
附图说明
图1a为传统板材电磁脉冲成形中放电线圈结构；
图1b为传统板材电磁脉冲成形装置；
图1c为使用驱动板的板材传统电磁脉冲成形装置；
图2为金属板材无线圈电磁脉冲成形示意图；
图3为金属板材无线圈电磁脉冲成形装置的三维半剖图；
图4a为两个感应板位于待成形板材同一侧的示意图；
图4b为两个感应板分别位于待成形板材两侧的示意图；
图5a为一个电源系统和两块待成形板材成形示意图；
图5b为两个电源系统和两块待成形板材成形示意图；
图6为电流流向示意图；
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：：
0-1：圆形螺旋线圈、0-2：长圆形螺旋线圈、0-3：电源系统、0-4：线圈、0-5：压板、0-6：凹模、0-7：待成形板材、0-8：驱动板、1：凹模、1-1：凹模、1-3：凹模、1-4：凹模、1-5：凹模、1-6：凹模、1-2：凹模压板组合件、3-2：凹模压板组合件、2：待成形板材、2-1待成形板材、2-2待成形板材、2-3待成形板材、2-4待成形板材、2-5待成形板材、2-6待成形板材、3：压板、3-1：压板、3-3：压板、3-4：压板、4：感应板、4-1：感应板、4-2：感应板、4-3：感应板、4-4：感应板、4-5：感应板、4-6：感应板、5：板材成形形状、5-1：板材成形形状、5-2：板材成形形状、5-3：板材成形形状、5-4：板材成形形状、5-5：板材成形形状、5-6：板材成形形状、5-7：板材成形形状、5-8：板材成形形状、6：电源系统、6-1：电源系统、6-2：电源系统、7：板材成形中电流、8：感应板中感应电流、9：板材成形中电流。
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。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。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突可以互相组合。
实施例一
如图2所示为本发明所述金属板材无线圈电磁脉冲成形装置，包括凹模1、压板3、感应板4、电源系统6；压板3将板材2压紧在凹模1上，感应板4设置在压板3内位于待成形板材2正下方，其形状可为圆柱体、圆锥台、六面体或者不规则形状；电源系统6包括并联的电源、储能电容、分压电阻和开关；电源系统6与待成形板材2直接相连接；压板3和凹模1均采用绝缘材料制作而成。凹模采用金属材料时，须在待成形板材与模具间铺垫绝缘材料。
采用上述金属板材无线圈电磁脉冲成形装置成形的具体过程包括：将待成形板材2置于压板3和凹模1之间；对电源系统6的储能电容充电，当充电电压达到需要的成形电压后，断开充电回路，闭合电源系统中的开关，储能电容对待成形板材2放电；感应板4中产生与待成形板材2中电流方向相反的感应电流，同时产生对待成形板材的排斥电磁力作用；待成形板材2在电磁力作用下成形为板材形状5。
实施例二
如图4a所示的金属板材无线圈电磁脉冲成形装置，与实施例一中装置不同之处在于，压板中有两个感应板，分别为感应板4-1和感应板4-2。两个感应板均位于待成形板材2同一侧。电源系统6包括并联的电源、储能电容、分压电阻和开关；电源系统6与待成形板材2-1直接相连接；压板3-1和凹模1-1均采用绝缘材料制作而成。凹模采用金属材料时，须在待成形板材与接触处铺垫绝缘材料。
采用上述金属板材无线圈电磁脉冲成形装置成形的具体过程包括：将待成形板材2-1置于压板3-1和凹模1-1之间；对电源系统6的储能电容充电，当充电电压达到需要的成形电压后，断开充电回路，闭合电源系统中的开关，储能电容器对待成形板材2-1放电；感应板4-1和感应板4-2中产生与待成形板材2-1中电流方向相反的感应电流，同时产生对待成形板材的排斥电磁力作用；待成形板材2-1在电磁力作用下成形为板材形状5-1和形状5-2。本实施例中感应板的个数不限于两个。
实施例三
如图4b所示的金属板材无线圈电磁脉冲成形装置，与实施例二中装置不同之处在于，压板中感应板4-3和感应板4-4，分别位于待成形板材2-2的两侧。电源系统6包括并联的电源、储能电容器、分压电阻和开关；电源系统6与待成形板材2-2直接相连接；凹模压板组合件1-2和凹模压板组合件3-2既是凹模又起到压板作用，均采用绝缘材料制作而成。凹模部分采用金属材料拼合时，须在待成形板材与凹模接触处铺垫绝缘材料。
采用上述金属板材无线圈电磁脉冲成形装置成形的具体过程包括：将待成形板材2-2置于凹模压板组合件3-2和凹模压板组合件1-2之间；对电源系统6的储能电容器充电，当充电电压达到需要的成形电压后，断开充电回路，闭合电源系统中的开关，储能电容对待成形板材2-2放电；感应板4-3和感应板4-4中产生与待成形板材2-2中电流方向相反的感应电流，同时产生对待成形板材的排斥电磁力作用；待成形板材2-2在电磁力作用下成形为板材形状5-3和形状5-4。本实施例中感应板的个数不限于两个。
实施例四
如图5a所示的金属板材无线圈电磁脉冲成形装置，包括压板3-3为一个，感应板4-5为一个，待成形板材2-3和待成形板材2-4，凹模1-3和凹模1-4；感应板设置在压板3-3中，待成形板材2-3和待成形板材2-4分别位于感应板4-5的两侧，并分别与感应板4-5间隔一定距离，在保持绝缘前提下距离尽可能近。电源系统6为一个，与待成形板材2-3连接。采用所述装置成形过程包括：将待成形板材2-3置于凹模1-3与压板3-3之间，待成形板材2-4置于凹模1-4与压板3-3之间。对电源系统6中的储能电容器充电，达到成形电压后断开充电电路，闭合放电开关，对待成形板材2-3放电。如图6所示，当电流7流过待成形板材2-3产生磁场，使感应板4-5中产生与电流7方向相反的感应电流8并产生一磁场，形成与电流7产生的磁场相排斥的电磁力，电磁力作用于待成形板材2-3使其成形位图5a中5-5的形状；与此同时感应电流8沿着感应板4-5的表面流动到达靠近待成形板材2-4的表面，此时电流8产生的磁场使待成形板材2-4产生流向相反的感应电流9，电流9产生的磁场与感应板4-5产生的磁场形成相互排斥的电磁力，该电磁力使待成形板材2-4成形为图5a中5-6的形状。
实施例五
如图5b所示的金属板材无线圈电磁脉冲成形装置，包括压板3-4为一个，感应板4-6为一个，待成形板材2-5和待成形板材2-6，凹模1-5和凹模1-6；待成形板材2-5和待成形板材2-6分别位于感应板4-6的两侧，感应板4-6分别与待成形板材2-5和待成形板材2-6有间隔。电源系统6-1与待成形板材2-5连接，电源系统6-2与待成形板材2-6连接。
采用图5b所示装置成形过程包括：将待成形板材2-5置于凹模1-5与压板3-4之间，待成形板材2-6置于凹模1-6与压板3-4之间；对电源系统6-1和电源系统6-2中的储能电容器充电，达到成形电压后断开充电电路，同时闭合放电开关，使待成形板材2-5和待成形板材2-6同时通电，使电源系统6-1中电流和电源系统6-2中电流都顺时针流动，感应板4-6中感应电流逆时针流动。待成形板材2-5和待成形板材2-6同时受到电磁排斥力推动而成形为图5b中5-7和5-8的形状。
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 (8)
1.一种金属板材的无线圈电磁脉冲成形装置，其特征在于，包括凹模、安装有感应板的压板和电源系统；其中：
所述压板采用绝缘材料制作而成，其上安装有高导电率材料制成的感应板，感应板用于产生感应电流和电磁场；
所述凹模采用绝缘材料制成，其开口与压板装有感应板的一面正对设置，两者之间用于放置待成形板材；压板用于向待成形板材施压，使之贴紧固定在凹模上；压板内的感应板固定在压板内底部的正上方和待成形板材正下方，感应板与待成形板材之间有间隔，用于产生电磁排斥力来推动板材成形；
所述电源系统包括直流电源、储能电容器、分压电阻和开关，直流电源用于给储能电容器充电，所述分压电阻用于调整储能电容的充电电压；储能电容器两端通过开关接待成形板材两端，通过开关控制电流的通断。
2.根据权利要求1中所述的成形装置，其特征在于，所述感应板的形状包括但不限于圆柱形、圆锥台、方锥台、六面体，或者不规则形状，以匹配凹模为原则，以求全覆盖凹模轮廓的投影面积。
3.根据权利要求1中所述的成形装置，其特征在于，所述凹模采用金属材料制成，其与待成形板材之间设置有绝缘材料。
4.根据权利要求1中所述的成形装置，其特征在于，感应板为多个，多个感应板位于待成形板材的同一侧，互不相连，与凹模配合，用于实现一次在同一板材的同一侧成形多个形状。
5.根据权利要求1中所述的成形装置，其特征在于，所述感应板为多个，多个感应板分别设置于待成形板材的上下两侧，互不相连，与凹模配合，可实现一次放电在同一板材两侧成形多个形状。
6.根据权利要求1中所述的成形装置，其特征在于，所述感应板为一个，待成形板材为两块，两块待成形板材分别位于感应板两侧，两块待成形板材与凹模配合，各板材与感应板之间有间隔，其中一块板材与电源相连。
7.根据权利要求1中所述的成形装置，其特征在于，所述感应板为一个，两个电源系统，待成形板材为两块，两块待成形板材分别位于感应板两侧，与凹模配合，两块待板材各与感应板之间有间隔，每块待成形板材各连接一个电源系统。
8.一种金属板材的无线圈电磁脉冲成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将待成形板材置于凹模与压板及其感应板之间，压板与凹模将其压紧，感应板与待成形板材之间有间隔，在保持绝缘前提下距离尽可能近；
步骤2：电源系统两极与待成形板材两端连接，根据板材变形程度需要，施加任一脉冲形状电流产生脉冲电磁场，使靠近板材的感应板感应反向脉冲电流，产生具有排斥作用的电磁力；
步骤3：感应板产生的排斥电磁力作用在待成形板材上，使其被推向凹模并成形为该凹模轮廓的形状。
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