CN106964684B - 一种适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法 - Google Patents

一种适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于零件成形制造相关技术领域，其公开了一种适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法，其包括以下步骤：(1)利用凹模和压边块将待成形的工件进行装配及定位，同时将成形线圈与所述工件进行定位及紧固，将电磁成形机与所述成形线圈连接；(2)所述电磁成形机放电，所述工件受到的背离所述成形线圈的电磁力驱动其局部材料朝向所述凹模的型腔变形；(3)用与变形后的所述工件的形状相适应的成形线圈替换上一成形线圈，并重新设定所述电磁成形机的放电能量，以使所述工件再次进行成形；(4)重复步骤(3)，直至所述工件贴附所述凹模。通过上述的方法控制了工件变形区域部分材料的非均匀变形，降低了工装装配精度要求。

Description

一种适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法
技术领域
本发明属于零件成形制造相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法。
背景技术
由于密度较小、比强度较高等优点，铝合金广泛应用于航空航天、汽车等领域，但是铝合金材料在室温下的成形性能显著低于钢材，严重制约着铝合金零件的加工和应用。电磁成形是一种利用磁场力使金属坯料发生塑性变形的高速率成形方法，可以显著提高材料的成形性能，在成形铝合金等材料方面有着日益广阔的应用前景。此外，电磁成形只需要单面模具，能够简化模具制造；成形后工件残余应力较小，能够抑制回弹，无需工件与凸模接触力，能够提高工件的表面质量。
在航空航天领域，许多大形厚壁的曲面板材工件，需要在小范围内成形出复杂的局部特征，以实现特定的功能，如推进剂贮箱箱底零件需要成形相当数量的局部翻孔，用于管路的连接。局部翻孔成形方向一般沿箱体轴向，与工件局部法向呈一定角度。因此，在成形过程中，工件变形区各部分材料变形程度各不相同，受力状态差别较大，材料变形十分不均匀，从而直接影响成形质量。
针对大形厚壁的曲面板材工件局部异形翻孔，现有工艺多采用传统凸凹模进行成形。工件变形程度不均匀，易于在翻孔角度大于90°一侧开裂。为了避免上述缺陷，现有工艺通常采用多次小变形成形，成形次数达五次甚至更多，每步成形后均需要退火以降低工件的内应力。上述方案比较复杂，成形效率较低，且工件合格率较低；由于回弹较大，成形形状精度较低，表面质量难以控制；针对大形的板材工件(尺寸大于等于2米)需要更大台面的压力机设备；此外，对模具、工装和设备装配要求较高。相应地，本领域存在着发展一种工艺简单、精度较高、效率提升的适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法。所述复合多步局部塑性电磁成形方法根据板材工件局部成形的具体特征和实际所需的变形程度，将板材工件的局部成形设计成一步或者多步成形；同时针对每一步成形或者校形，根据板材工件的成形区域的具体特征或者上一步的成形形状、板材工件变形所需要的成形力场分布等，设计与工件成形局部形状近似而相适应的成形线圈；还可以根据板材工件成形精度要求，对板材工件进行校形，以得到高精度的成形形状。
为实现上述目的，本发明的提供了一种适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)利用凹模和压边块将待成形的板材工件进行装配及定位，同时将成形线圈与所述工件进行定位及紧固，将电磁成形机与所述成形线圈电性连接；
(2)设定所述电磁成形机的放电能量，并使所述电磁成形机放电，所述成形线圈中通过的脉冲电流产生脉冲磁场，使得所述工件上产生涡流，所述工件受到的背离所述成形线圈的电磁力驱动，进而使所述工件的局部区域的材料朝向所述凹模的型腔变形；
(3)用与变形后的所述工件的形状相对应的成形线圈替换上一成形线圈，并重新设定所述电磁成形机的放电能量，以使所述工件再次进行成形；
(4)重复步骤(3)，直至所述工件贴附所述凹模，成形完成。
进一步地，还包括采用与所述工件的目标形状相一致的螺线管线圈对所述工件进行校形，以使所述工件获得最终形状的步骤。
进一步地，所述工件的成形次数是根据所述工件局部需要的成形特征、工件预制孔直径和板料厚度的相对关系、成形区域材料的变形程度、成形线圈的转化效率和机械强度，以及所述电磁成形机的额定能量进行设计的。
进一步地，所述成形线圈是根据所述工件待成形区域的具体特征和轮廓或者上一步成形后中间工件的轮廓形状、以及所述工件变形的力场分布需要进行设计的。
进一步地，步骤(3)是根据工件成形的实际需要选择性进行的。
进一步地，每次成形后选择性地对所述工件进行退火处理，以提高材料的成形性能，进而便于后续的成形或者校形。
进一步地，步骤(1)之前还包括根据待成形的工件的中性层长度不变及几何关系来计算预制孔的尺寸的步骤。
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，本发明提供的适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法主要具有以下有益效果：
(1)所述复合多步局部塑性电磁成形方法根据工件实际成形的需要，采用成形校形的多步复合工艺方法，同时根据工件变形区域实际形状和所需的变形量来设计相应的成形线圈，从而较好的控制工件变形区域各部分材料的非均匀变形，实现了板材工件中以异形翻孔为代表的许多复杂的局部特征的成形。
(2)所述复合多步局部塑性电磁成形方法降低甚至无需(大型)成形压力机的使用，采用较为简单的工装即可对工件进行成形，降低了工装装配精度要求，扩大了成形工艺的应用范围，特别是对于大型板材工件的成形；特别地，提供了两种无需压力机进行板材工件局部塑性成形的装配方法。
(3)通过采用与工件形状和变形相适应的成形线圈来调控成形力场，改善了工件变形区域的受力分布，采用高速率成形来提高材料的流动能力，从而使得工件的应力状态更加合理，变形更加协调，继而使得成形后的工件厚度较为均匀，残余应力较小。
(4)对成形后的工件进行校形，严格控制了工件的尺寸及形状精度，提高了工件的成形质量；此外，采用高速率变形下材料成形极限提高的特点，能够成形出变形量更大、形状更加复杂的工件，扩大了板材工件的应用范围，提高了灵活性。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式提供的适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法的流程图。
图2是图1中的适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法涉及的第一步成形的状态示意图。
图3是图1中的适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法涉及的第二步成形的状态示意图。
图4是图1中的适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法涉及的最后一步成形(校形)的状态示意图。
图5中的a、b、c图分别是图1中的适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法涉及的三个装置的装配示意图。
图6中的(a)、(b)、(c)分别是图1中的适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法涉及的预制孔设计的示意图。
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：1/1a/1b/1c-凹模，2/2a/2b/2c-工件，3/3a/3b/3c-压边块，4-1/4a/4b/4c-第一成形线圈，4-1-1/4-2-1/4-3-1-成形线圈绕组，4-1-2/4-2-2/4-3-2-成形线圈加固层，4-2-第二成形线圈，4-3-第三成形线圈，5a/5c-上模座，6a/6c-下模座，7b-上底座，8b-螺栓连接副，8-1b-螺栓，8-2-1b/8-2-2b/8-2-3b-螺母，8-3-1b/8-3-2b/8-3-3b-垫片，9b-下底座，10c-定位杆，11c-配重块。
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。
请参阅图1，本发明较佳实施方式提供的适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法主要包括以下步骤：
步骤一，利用凹模和压边块将待成形的工件进行装配及定位，同时将成形线圈与所述工件进行定位及紧固，将电磁成形机与所述成形线圈电性连接。具体地，装配所述成形线圈时，尽量使所述成形线圈与所述工件贴合，以减小所述成形线圈与所述工件之间的间隙；所述工件和所述成形线圈之间的间距越小，所述工件感应的电磁力越大，能量传递的效率越高，越有利于所述工件的成形。
步骤二，设定所述电磁成形机的放电能量，并使所述电磁成形机放电，所述成形线圈中通过的脉冲电流产生脉冲磁场，使得所述工件上产生涡流，所述工件受到的背离所述成形线圈的电磁力驱动其局部材料朝向所述凹模的型腔变形。
具体地，放电过程中，当所述工件所受电磁力超过材料的屈服强度，所述工件开始发生塑性变形；所述工件在电磁力作用下发生高速变形；电磁力衰减后，所述工件在惯性作用下继续变形。放电过程中，所述电磁成形机的储能电容提供的电能部分通过磁场转化为所述工件的动能后，再转化为所述工件的塑性变性能和内能。当能量耗散结束，所述工件停止变形，此步成形过程终止。
成形后的所述工件会发生加工硬化，若直接进行下一步成形，所述工件可能发生破裂，可以选择性地对成形后的所述工件进行退火，以提高材料的成形性能，以便于后续的成形或者校形。
步骤三，用与变形后的所述工件的形状相对应的成形线圈替换上一成形线圈，并重新设定所述电磁成形机的放电能量，以使所述工件再次进行成形。具体地，依据所述工件待成形区域的具体特征和轮廓，或上一步成形后中间工件的轮廓形状、所述工件变形的力场分布需要，可以对所述成形线圈进行具体设计，如成形线圈的轮廓形状、匝数、层数以及其他参数均可更改。
步骤四，重复步骤三，直至所述工件贴附所述凹模，成形完成。此步骤是根据实际需要选择性进行的，即所述工件需要进行成形的次数是根据实际需要而定的，成形次数可以为一次、两次、三次。
具体地，根据所述工件局部需要的成形特征、工件预制孔直径和板料厚度的相对关系、成形区域材料的变形程度、成形线圈的转化效率和机械强度以及电磁成形机的额定能量等，来设计所需要的成形次数。当所述工件直壁区倾角和高度较小，则所述工件沿周向所需的变形量不均匀程度较低；如果所述工件的厚度较小，直壁区直径较大，所述成形线圈能量转化效率较高，机械强度较高，所述电磁成形机可以提供的能量较高，那么一次成形即可使所述工件大部分贴模或者使所述工件大部分与模具碰撞。当所述工件直壁区倾角或高度较大，则所述工件沿周向所需的变形量不均匀程度较高，不同区域材料的变形差别较大，在翻孔角度较大一侧的工件直壁端部易于发生破裂；当所述工件厚度较大而直壁区直径较小，如果仅采用一次成形，工件直壁端部也因变形量过大而倾向于发生破裂；当所述成形线圈能量转化效率较低，机械强度不高，或者所述电磁成形机可以提供的能量有限时，仅采用一次成形不足以使所述工件贴模。此时，要得到贴模良好的无成形缺陷的工件，则需要采用两次或者多次成形。
步骤五，采用与所述工件的目标形状相一致的螺线管线圈对所述工件进行校形，以使所述工件获得最终形状，提高所述工件的形状及尺寸精度。
请参阅图2至图4，以下以一个两次成形的实例对本发明进行说明。首先，提供一个成形装置，所述成形装置包括凹模1、压边块3、第一成形线圈4-1及电磁成形机，所述第一成形线圈4-1包括成形线圈绕组4-1-1及成形线圈加固层4-1-2，所述成形线圈绕组4-1-1设置在所述成形线圈加固层4-1-2内，其与所述电磁成形机电性连接。所述电磁成形机通过充电电容C存储能量，并通过开关S控制放电流程，其中R代表所述电磁成形机和导线的电阻。本实施方式中，所述第一成形线圈4-1是采用平板螺旋形状的成形线圈。同时，采用所述凹模1及所述压边块3对所述工件2进行装配及固定，并将所述第一成形线圈4-1进行装配及定位，设定所述电磁成形机的放电能量，所述电磁成形机进行放电，以对所述工件2进行第一次成形。
之后，采用第二成形线圈4-2替换所述第一成形线圈4-1，并重新设定所述电磁成形机的放电能量，所述电磁成形机再次放电以对所述工件2进行第二次成形，如图3所示。如图3所示，所述第二成形线圈4-2包括成形线圈绕组4-2-1及成形线圈加固层4-2-2，所述成形线圈绕组4-2-1设置在所述成形线圈加固层4-2-2内，其与所述电磁成形机电性连接。本实施方式中，所述第一成形线圈4-1的形状不同于所述第二成形线圈4-2的形状，所述第二成形线圈4-2的形状与经第一次成形后的所述工件2的形状相对应，所述工件2第一次成形后的成形区域近似为圆锥形，所述第二成形线圈4-2为采用锥形螺旋形成的成形线圈。
最后，采用与所述工件2的目标形状相一致的第三成形线圈4-3对所述工件2进行校形，以提高所述工件2的形状精度。如图4所示，所述第三成形线圈4-3包括成形线圈绕组4-3-1及成形线圈加固层4-3-2，所述成形线圈绕组4-3-1设置在所述成形线圈加固层4-3-2内，其与所述电磁成形机电性连接。本实施方式中，所述工件2经过两次成形后，其工件成形区域已经基本贴模，但仍然存在一定的偏差，故采用所述第三成形线圈4-3对所述工件进行校形使工件成形区域充分地均匀地与所述凹模1贴合，减小所述工件2与所述凹模1的间隙，获取所述工件的最终成形形状；所述第三成形线圈4-3为采用螺线管形状的成形线圈。
请参阅图5，图5中的a图显示了采用压力机进行装配的示意图，所述第一成形线圈4a与所述压边块3a连接于上模座5a，所述凹模1a设置在下模座6a上，通过压力机对所述工件2a进行定位。放电过程中，所述压力机承受反作用力，该方法适用于相对较小的工件成形。当工件尺寸较大时，可能缺少相应的大台面大吨位压力机，当工件厚度较大且直壁区倾角较大时，若采用压力机，设备会受到较大的横向载荷。
图5中的b图为采用螺栓连接副8b实现工装的示意图，所述压边块3b连接于上底座7b，所述凹模1b设置在所述下底座9b上。所述螺栓连接副8b将所述上底座7b、所述第一成形线圈4b及所述下底座9b相连接。所述螺栓连接副8b由穿过所述上底座7b、所述第一成形线圈4b及所述下底座9b的螺栓8-1b、与所述螺栓8-1b凸出所述上底座7b的一端螺纹连接的两个螺母8-2-1b及8-2-2b、套设在所述螺栓8-1b上且位于所述螺母8-2-2b与所述上底座7b之间的垫片8-3-1b、螺纹连接于所述螺栓8-1b且邻近所述第一成形线圈4b的一端设置的螺母8-2-3b、套设在所述螺栓8-1b上且位于所述螺母8-2-3b及所述第一成形线圈4b之间的垫片8-3-2b、以及套设在所述第一成形线圈4b与所述下底座9b之间的垫片8-3-3b组成。本实施方式采用所述螺栓8-1b将所述第一成形线圈4b和所述下底座9b连接，通过所述垫片调整所述第一成形线圈4-1的相对位置，同时利用所述螺栓8-1b将所述下底座9b和所述上底座7b连接并紧固，实现了所述凹模1b、所述工件2b和所述压边块3b的定位和连接，同时确定了所述第一成形线圈4b和所述工件2b的相对位置。成形过程中，所述螺栓8-1b承受反作用力，该方法适用于成形厚度较小、预制孔直径较大的工件。
图5中的c图所示的装配方式与图5中的a图所示的装配方式基本相同，所述第一成形线圈4c与所述压边块3c连接于上模座5c，所述凹模1c设置在下模座6c上，通过压力机对所述工件2c进行定位。不同点在于图5中的c图所示的装配方式采用定位杆10c实现所述第一成形线圈4c与所述凹模1c的定位，并采用配重块11c承受成形过程中的反作用力。由于电磁成形过程中磁场力作用时间很短，惯性作用十分显著，采用质量较大的所述配重块11c能够承受所述第一成形线圈4c的反作用力。
对于非法向翻孔，圆形预制孔已经不再适合，而预制孔的位置、尺寸等对成形过程和成形质量均有重要的影响。本实施方式根据中性层长度不变及几何关系对预制孔进行设计。请参阅图6，图6中的(b)图表示椭圆形预制孔尺寸，图6中的(a)图表示翻孔方向的截面图，即长轴方向纵截面示意图，图6中的(c)图为短轴方向的纵截面示意图。由于曲率半径很大，初始工件待成形区域近似为平板，故忽略板料具体的曲面特征，假设板料为平板。同时，假设翻孔偏角较小，从而短半轴方向的纵截面在成形区域模具轮廓近似为圆柱形。设计目标为使成形后翻孔凸缘端部高度一致，图6中F1、F2和F3距平面OOd的距离相等。根据几何关系，由图6中的(a)图中，F1B1＝F2B2，得出预制孔沿翻孔方向的相对偏置δ；由对直壁区高度(F2D2长度)的要求，得出预制孔长半轴a；最后，结合图6中的(a)及(c)图,F3B3＝F2B2×cosθ，得出预制孔短半轴b，从而完成预制孔设计。为便于装配，建议以预制孔轴线位置为工装设计轴线。采用上述方法设计预制孔，能够将翻孔成形高度偏差控制在1毫米之内。
本发明提供的适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法，其根据工件实际成形的需要，采用成形校形的多步复合工艺方法，同时根据工件变形区域实际形状和所需的变形量来设计相应的成形线圈，从而较好的控制工件变形区域各部分材料的不均匀变形，实现了板材工件中以异形翻孔为代表的许多复杂的局部特征的成形；同时采用与工件形状和变形相适应的成形线圈来调控成形力场，改善了工件变形区域的受力分布，采用高速率成形来提高材料的流动能力，从而使得工件的应力状态更加合理，变形更加协调，继而使得成形后的工件厚度较为均匀，残余应力较小。
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)

1.一种适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法，所述板材工件为大形厚壁的曲面板材工件，该方法用于控制工件变形区域各部分材料的不均匀变形，以实现板材工件中以异形翻孔为代表的许多复杂的局部特征的成形，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)对于非法向翻孔，将预制孔设计为椭圆形，椭圆形预制孔能使成形后翻孔凸缘端部高度一致，能将翻孔成形高度偏差控制在1毫米之内；
(2)利用凹模和压边块将待成形的板材工件进行装配及定位，同时将成形线圈与所述工件进行定位及紧固，将电磁成形机与所述成形线圈电性连接；其中在装配所述成形线圈时，尽量使所述成形线圈与所述工件相贴合，以减小所述成形线圈与所述工件之间的间隙；
(3)设定所述电磁成形机的放电能量，并将所述电磁成形机放电，所述成形线圈中通过的脉冲电流产生脉冲磁场，使得所述工件上产生涡流，所述工件受到的背离所述成形线圈的电磁力驱动，进而使所述工件的局部区域的材料朝向所述凹模的型腔变形；其中在放电过程中，所述工件在电磁力作用下发生高速变形，并且电磁力衰减后，所述工件在惯性作用下继续变形，而当能量耗散结束后，所述工件停止变形，此步成形过程终止；
(4)对通过步骤(3)成形后的所述工件进行退火；
(5)用与变形后的所述工件的形状相对应的成形线圈替换上一成形线圈，并重新设定所述电磁成形机的放电能量，以使所述工件再次进行成形；其中用于替换上一成形线圈的所述成形线圈被设计为根据所述工件待成形区域的具体特征和轮廓或者上一步成形后中间工件的轮廓形状、以及所述工件变形的力场分布需要进行设计；
(6)重复步骤(5)，直至所述工件贴附所述凹模，成形完成；
(7)采用与所述工件的目标形状相一致的螺线管线圈对所述工件进行校形，以使所述工件获得最终形状。
2.如权利要求1所述的适用于板材工件的复合多步局部塑性电磁成形方法，其特征在于：所述工件的成形次数是根据所述工件局部需要的成形特征、工件预制孔直径和板料厚度的相对关系、成形区域材料的变形程度、成形线圈的转化效率和机械强度，以及所述电磁成形机的额定能量进行设计的。
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