CN107052128A - 基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置及成形方法 - Google Patents
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Abstract
基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置及成形方法，属于金属材料加工成形领域，解决了现有磁脉冲成形工艺仅适用于高导电率材料的成形，成形精度低以及所用平板线圈的通用性差的问题。所述装置：所述板材的外缘固定设置在凹模与支撑体之间，支撑体与所述板材构成气室。气室、第一高压气体储存单元和第二高压气体储存单元的内部两两连通，气体增压单元为第二高压气体储存单元内的气体增压。压缩单元在电磁脉冲发生单元的作用下，将第一高压气体储存单元的气体挤压入气室。所述方法包括加热所述板材、通过电磁脉冲发生单元和压缩单元对所述板材进行预成形和通过气体增压单元完成所述板材的最终成形的步骤。本发明用于轻合金板材的复杂成形。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属板材成形装置及成形方法，属于金属材料加工成形领域。
背景技术
近年来，随着能源和环境问题的日渐突出，以铝合金、镁合金和钛合金为代表的轻合金材料的应用越来越广泛，轻合金材料早已成为与人类生活、生产和社会发展密不可分的重要材料。
轻合金板材的复杂成形一直以来都是金属材料加工成形领域的热门课题。常温下，轻合金板材的塑性较差，在进行复杂成形的过程中，轻合金板材易发生断裂。采用热成形工艺虽然能够显著地提升轻合金板材的成形性能，但是现有的热成形工艺的周期较长，成本较高，不适用于大规模量产。
磁脉冲成形工艺是一种新兴的成形技术，具有高速率成形的优点，能够大幅度地提升金属板材的成形性能。但是，现有的磁脉冲成形工艺仍存在以下问题：
一、现有的磁脉冲成形工艺仅适用于高导电率的材料，对低导电率材料的成形效果较差。
二、现有的磁脉冲成形工艺因电磁力的瞬时性和惯性的不可控性，导致金属板材在变形时的贴模性差。因此，现有的磁脉冲成形工艺的成形精度较差，不适用于精度要求高的复杂成形。
三、现有的磁脉冲成形工艺所用的平板线圈的通用性差，成形不同形状的构件时需要制作与构件形状相匹配的线圈，且制作难度较大。
发明内容
本发明为解决现有磁脉冲成形工艺仅适用于高导电率材料的成形，成形精度低以及所用平板线圈的通用性差的问题，提出了一种基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置及成形方法。
本发明所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置包括压力单元、气胀成形单元、加热单元、第一高压气体储存单元1、第二高压气体储存单元2、气体增压单元3、电磁脉冲发生单元和压缩单元；
气胀成形单元包括凹模4和支撑体5，凹模4的底面开口，支撑体5的顶面开口，待成形的轻合金板材6的外缘固定设置在凹模4的开口端与支撑体5的开口端之间，支撑体5与待成形的轻合金板材6构成气室；
压力单元用于对待成形的轻合金板材6的外缘施加压力，所述压力可调；
加热单元用于加热待成形的轻合金板材6；
所述气室、第一高压气体储存单元1和第二高压气体储存单元2的内部两两连通，气体增压单元3用于为第二高压气体储存单元2内的气体增压；
电磁脉冲发生单元包括高压脉冲发生子单元和平板线圈11，高压脉冲发生子单元与平板线圈11构成电气回路；
压缩单元包括前端14和后端15，所述前端14用于承受来自于平板线圈11的磁场力，所述后端15用于将第一高压气体储存单元1的气体挤压入所述气室。
进一步的是，压力单元为液压机。
进一步的是，气胀成形单元还包括上模座板16、上模套板17、下模座板18和下模套板19；
上模套板17固定设置在上模座板16的底面上，凹模4固定设置在上模套板17内；
下模套板19固定设置在下模座板18的顶面上，支撑体5固定设置在下模套板19内；
凹模4与上模套板17、支撑体5与下模套板19和凹模4与支撑体5均榫卯连接；
在凹模4与支撑体5的交接环面处设置有第一密封圈。
进一步的是，在上模套板17的内壁上、靠近其顶面的位置，围绕着其中心轴线水平设置有第一凹槽；
在凹模4的外壁上、靠近其顶面的位置，围绕着其中心轴线水平设置有第一凸条；
在下模套板19的内壁上、靠近其底面的位置，围绕着其中心轴线水平设置有第二凹槽；
在支撑体5的外壁上、靠近其底面的位置，围绕着其中心轴线水平设置有第二凸条；
第一凹槽与第一凸条匹配，第二凹槽与第二凸条匹配；
凹模4的开口端与支撑体5的开口端均为环周阶梯状，里侧阶梯和外侧阶梯同轴设置，凹模4的开口端与支撑体5的开口端互相咬合；
上模套板17与下模套板19通过导柱23与导套24对合。
进一步的是，加热单元包括多个加热棒20，多个加热棒20均匀且贯穿设置在凹模4和支撑体5内。
进一步的是，高压脉冲发生子单元包括升压变压器、整流器7、限流电阻8、储能电容9和限位开关10，升压变压器的原边线圈12的第一端和第二端分别为交流电源的正极接入端和负极接入端，升压变压器的副边线圈13的第一端通过整流器7与限流电阻8的第一端相连，限流电阻8的第二端同时与储能电容9的第一端和限位开关10的第一端相连，限位开关10的第二端与平板线圈11的第一端相连，平板线圈11的第二端同时与储能电容9的第二端和升压变压器的副边线圈13的第二端相连。
进一步的是，所述前端14和后端15均为圆盘结构，所述前端14和后端15通过连接杆固定设置，在所述前端14上设置有驱动片，驱动片与平板线圈11的环面相对且接触；
所述后端15设置在第一高压气体储存单元1内，在所述后端15的环面上设置有第二密封圈。
进一步的是，在成形装置的气路上设置有第一阀门21和第二阀门22；
第一阀门21用于控制所述气室与第二高压气体储存单元2之间的气路通断；
第二阀门22用于控制第一高压气体储存单元1与第二高压气体储存单元2之间的气路通断；
第一阀门21和第二阀门22用于共同控制所述气室与第一高压气体储存单元1之间的气路的通断。
本发明所述的成形方法基于所述成形装置来实现，所述成形方法包括：
步骤一、将待成形的轻合金板材6固定设置在凹模4与支撑体5之间，并通过压力单元对待成形的轻合金板材6的外缘施加压力；
步骤二、保持所述气室与第一高压气体储存单元1和第二高压气体储存单元2之间、第一高压气体储存单元1与第二高压气体储存单元2之间的气路连通，并通过气体增压单元3对第二高压气体储存单元2内的气体进行第一次增压；
步骤三、采用加热单元对待成形的轻合金板材6进行加热；
步骤四、通过高压脉冲发生子单元产生高压脉冲，作用于平板线圈11，进而对待成形的轻合金板材6进行快速预成形；
步骤五、保持所述气室与第二高压气体储存单元2之间的气路的连通，并关断第一高压气体储存单元1与所述气室和第二高压气体储存单元2之间的气路，采用气体增压单元3对第二高压气体储存单元2内的气体进行第二次增压，直至待成形的轻合金板材6完成贴模成形。
本发明所述的成形装置及成形方法，采用气胀的方式对待成形的轻合金板材进行成形处理，解决了现有磁脉冲成形工艺仅适用于高导电率材料的成形和所用平板线圈的通用性差的问题。
本发明所述的成形装置及成形方法，高压脉冲发生子单元产生的高压脉冲流经平板线圈，平板线圈周围产生强大磁场，所述前端位于磁场中，压缩单元因磁场力的作用，将第一高压气体储存单元的气体挤压入所述气室，快速地对待成形的轻合金板材进行预成形。之后，通过气体增压单元为第二高压气体储存单元增压，第二高压气体储存单元内的高压气体流入所述气室作用于预成形后的轻合金板材，使其完全贴于凹模的模面，实现了高精度的成形，有效地解决了现有磁脉冲成形工艺的成形精度低的问题。
本发明具有加工能量易于精确控制、成形速度快、成形精度高、成形模具简单、设备通用性强和绿色无污染等特点。本发明将磁脉冲成形和气胀热成形结合起来，充分利用了二者的复合优势，通过磁脉冲高速率冲击与准静态气胀使轻合金板材发生高速变形与准静态成形，解决复杂构件的高精度成形问题，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。为板材的高精度加工提供了一种安全、高效、清洁的复合成形方法。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置及成形方法进行更详细的描述，其中：
图1为实施例一所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置的结构示意图；
图2为实施例六提及的电磁脉冲发生单元的电路原理图；
图3A为实施例四提及的上模座板的剖视图；
图3B为实施例四提及的上模座板的俯视图；
图4A为实施例四提及的下模座板的剖视图；
图4B为实施例四提及的下模座板的俯视图；
图5A为实施例四提及的上模套板的剖视图；
图5B为实施例四提及的上模套板的俯视图；
图6A为实施例四提及的下模套板的剖视图；
图6B为实施例四提及的下模套板的俯视图；
图7A为实施例四提及的凹模的剖视图；
图7B为实施例四提及的凹模的俯视图；
图8A为实施例四提及的支撑体的剖视图；
图8B为实施例四提及的支撑体的俯视图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置及成形方法进一步说明。
实施例一：下面结合图1详细地说明本实施例。
本实施例所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置包括压力单元、气胀成形单元、加热单元、第一高压气体储存单元1、第二高压气体储存单元2、气体增压单元3、电磁脉冲发生单元和压缩单元；
气胀成形单元包括凹模4和支撑体5，凹模4的底面开口，支撑体5的顶面开口，待成形的轻合金板材6的外缘固定设置在凹模4的开口端与支撑体5的开口端之间，支撑体5与待成形的轻合金板材6构成气室；
压力单元用于对待成形的轻合金板材6的外缘施加压力，所述压力可调；
加热单元用于加热待成形的轻合金板材6；
所述气室、第一高压气体储存单元1和第二高压气体储存单元2的内部两两连通，气体增压单元3用于为第二高压气体储存单元2内的气体增压；
电磁脉冲发生单元包括高压脉冲发生子单元和平板线圈11，高压脉冲发生子单元与平板线圈11构成电气回路；
压缩单元包括前端14和后端15，所述前端14用于承受来自于平板线圈11的磁场力，所述后端15用于将第一高压气体储存单元1的气体挤压入所述气室。
在采用本实施例所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置对轻合金板材进行成形的过程中，既包含高速率的磁脉冲效应又包含准静态气胀成形中的热效应，先通过磁脉冲高速率冲击间接地对轻合金板材进行快速预成形，再采用气胀方式使预成形后的轻合金板材实现最终的贴模成形，规避了现有磁脉冲成形工艺存在的问题。
实施例二：本实施例是对实施例一所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置作进一步的限定。
本实施例所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，压力单元为液压机。
实施例三：本实施例是对实施例二所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置作进一步的限定。
本实施例所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，气胀成形单元还包括上模座板16、上模套板17、下模座板18和下模套板19；
上模套板17固定设置在上模座板16的底面上，凹模4固定设置在上模套板17内；
下模套板19固定设置在下模座板18的顶面上，支撑体5固定设置在下模套板19内；
凹模4与上模套板17、支撑体5与下模套板19和凹模4与支撑体5均榫卯连接；
在凹模4与支撑体5的交接环面处设置有第一密封圈。
在本实施例中，通过调整第一密封圈的弹性和厚度，通过液压机调整凹模对待成形的轻合金板材的压边力，能够提高板材的成形性能。
实施例四：下面结合图3A至图8B详细地说明本实施例。本实施例是对实施例三所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置作进一步的限定。
本实施例所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，在上模套板17的内壁上、靠近其顶面的位置，围绕着其中心轴线水平设置有第一凹槽；
在凹模4的外壁上、靠近其顶面的位置，围绕着其中心轴线水平设置有第一凸条；
在下模套板19的内壁上、靠近其底面的位置，围绕着其中心轴线水平设置有第二凹槽；
在支撑体5的外壁上、靠近其底面的位置，围绕着其中心轴线水平设置有第二凸条；
第一凹槽与第一凸条匹配，第二凹槽与第二凸条匹配；
凹模4的开口端与支撑体5的开口端均为环周阶梯状，里侧阶梯和外侧阶梯同轴设置，凹模4的开口端与支撑体5的开口端互相咬合；
上模套板17与下模套板19通过导柱23与导套24对合。
本实施例的上模套板与下模套板通过导柱和导套配合安装合模，安装精度高，进而保证了轻合金板材的成形精度。导柱和导套的设置也为开模取出板材成形件提供了方便。
实施例五：下面结合图1详细地说明本实施例。本实施例是对实施例四所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置作进一步的限定。
本实施例所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，加热单元包括多个加热棒20，多个加热棒20均匀且贯穿设置在凹模4和支撑体5内。
本实施例的多个加热棒均匀且贯穿设置在凹模和支撑体内，用于间接地对待成形的轻合金板材进行均匀加热，加热效果好，能够有效地提升轻合金板材的塑性和成形性能。
实施例六：下面结合图2详细地说明本实施例。本实施例是对实施例五所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置作进一步的限定。
本实施例所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，高压脉冲发生子单元包括升压变压器、整流器7、限流电阻8、储能电容9和限位开关10，升压变压器的原边线圈12的第一端和第二端分别为交流电源的正极接入端和负极接入端，升压变压器的副边线圈13的第一端通过整流器7与限流电阻8的第一端相连，限流电阻8的第二端同时与储能电容9的第一端和限位开关10的第一端相连，限位开关10的第二端与平板线圈11的第一端相连，平板线圈11的第二端同时与储能电容9的第二端和升压变压器的副边线圈13的第二端相连。
实施例七：下面结合图1详细地说明本实施例。本实施例是对实施例六所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置作进一步的限定。
本实施例所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，所述前端14和后端15均为圆盘结构，所述前端14和后端15通过连接杆固定设置，在所述前端14上设置有驱动片，驱动片与平板线圈11的环面相对且接触；
所述后端15设置在第一高压气体储存单元1内，在所述后端15的环面上设置有第二密封圈。
实施例八：下面结合图1详细地说明本实施例。本实施例是对实施例七所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置作进一步的限定。
本实施例所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，在成形装置的气路上设置有第一阀门21和第二阀门22；
第一阀门21用于控制所述气室与第二高压气体储存单元2之间的气路通断；
第二阀门22用于控制第一高压气体储存单元1与第二高压气体储存单元2之间的气路通断；
第一阀门21和第二阀门22用于共同控制所述气室与第一高压气体储存单元1之间的气路的通断。
在本实施例中，通过在所述成形装置的气路上设置第一阀门和第二阀门，能够灵活地控制所述气室、第一高压气体储存单元与第二高压气体储存单元之间气路的通断。
实施例九：本实施例所述的轻合金板材成形方法基于实施例一所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置来实现，所述方法包括：
步骤一、将待成形的轻合金板材6固定设置在凹模4与支撑体5之间，并通过压力单元对待成形的轻合金板材6的外缘施加压力；
步骤二、保持所述气室与第一高压气体储存单元1和第二高压气体储存单元2之间、第一高压气体储存单元1与第二高压气体储存单元2之间的气路连通，并通过气体增压单元3对第二高压气体储存单元2内的气体进行第一次增压；
步骤三、采用加热单元对待成形的轻合金板材6进行加热；
步骤四、通过高压脉冲发生子单元产生高压脉冲，作用于平板线圈11，进而对待成形的轻合金板材6进行快速预成形；
步骤五、保持所述气室与第二高压气体储存单元2之间的气路的连通，并关断第一高压气体储存单元1与所述气室和第二高压气体储存单元2之间的气路，采用气体增压单元3对第二高压气体储存单元2内的气体进行第二次增压，直至待成形的轻合金板材6完成贴模成形。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (9)
1.基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，其特征在于，所述成形装置包括压力单元、气胀成形单元、加热单元、第一高压气体储存单元(1)、第二高压气体储存单元(2)、气体增压单元(3)、电磁脉冲发生单元和压缩单元；
气胀成形单元包括凹模(4)和支撑体(5)，凹模(4)的底面开口，支撑体(5)的顶面开口，待成形的轻合金板材(6)的外缘固定设置在凹模(4)的开口端与支撑体(5)的开口端之间，支撑体(5)与待成形的轻合金板材(6)构成气室；
压力单元用于对待成形的轻合金板材(6)的外缘施加压力，所述压力可调；
加热单元用于加热待成形的轻合金板材(6)；
所述气室、第一高压气体储存单元(1)和第二高压气体储存单元(2)的内部两两连通，气体增压单元(3)用于为第二高压气体储存单元(2)内的气体增压；
电磁脉冲发生单元包括高压脉冲发生子单元和平板线圈(11)，高压脉冲发生子单元与平板线圈(11)构成电气回路；
压缩单元包括前端(14)和后端(15)，所述前端(14)用于承受来自于平板线圈(11)的磁场力，所述后端(15)用于将第一高压气体储存单元(1)的气体挤压入所述气室。
2.如权利要求1所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，其特征在于，压力单元为液压机。
3.如权利要求2所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，其特征在于，气胀成形单元还包括上模座板(16)、上模套板(17)、下模座板(18)和下模套板(19)；
上模套板(17)固定设置在上模座板(16)的底面上，凹模(4)固定设置在上模套板(17)内；
下模套板(19)固定设置在下模座板(18)的顶面上，支撑体(5)固定设置在下模套板(19)内；
凹模(4)与上模套板(17)、支撑体(5)与下模套板(19)和凹模(4)与支撑体(5)均榫卯连接；
在凹模(4)与支撑体(5)的交接环面处设置有第一密封圈。
4.如权利要求3所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，其特征在于，
在上模套板(17)的内壁上、靠近其顶面的位置，围绕着其中心轴线水平设置有第一凹槽；
在凹模(4)的外壁上、靠近其顶面的位置，围绕着其中心轴线水平设置有第一凸条；
在下模套板(19)的内壁上、靠近其底面的位置，围绕着其中心轴线水平设置有第二凹槽；
在支撑体(5)的外壁上、靠近其底面的位置，围绕着其中心轴线水平设置有第二凸条；
第一凹槽与第一凸条匹配，第二凹槽与第二凸条匹配；
凹模(4)的开口端与支撑体(5)的开口端均为环周阶梯状，里侧阶梯和外侧阶梯同轴设置，凹模(4)的开口端与支撑体(5)的开口端互相咬合；
上模套板(17)与下模套板(19)通过导柱(23)与导套(24)对合。
5.如权利要求4所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，其特征在于，加热单元包括多个加热棒(20)，多个加热棒(20)均匀且贯穿设置在凹模(4)和支撑体(5)内。
6.如权利要求5所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，其特征在于，高压脉冲发生子单元包括升压变压器、整流器(7)、限流电阻(8)、储能电容(9)和限位开关(10)，升压变压器的原边线圈(12)的第一端和第二端分别为交流电源的正极接入端和负极接入端，升压变压器的副边线圈(13)的第一端通过整流器(7)与限流电阻(8)的第一端相连，限流电阻(8)的第二端同时与储能电容(9)的第一端和限位开关(10)的第一端相连，限位开关(10)的第二端与平板线圈(11)的第一端相连，平板线圈(11)的第二端同时与储能电容(9)的第二端和升压变压器的副边线圈(13)的第二端相连。
7.如权利要求6所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，其特征在于，所述前端(14)和后端(15)均为圆盘结构，所述前端(14)和后端(15)通过连接杆固定设置，在所述前端(14)上设置有驱动片，驱动片与平板线圈(11)的环面相对且接触；
所述后端(15)设置在第一高压气体储存单元(1)内，在所述后端(15)的环面上设置有第二密封圈。
8.如权利要求7所述的基于电磁脉冲的轻合金板材气胀成形装置，其特征在于，在成形装置的气路上设置有第一阀门(21)和第二阀门(22)；
第一阀门(21)用于控制所述气室与第二高压气体储存单元(2)之间的气路通断；
第二阀门(22)用于控制第一高压气体储存单元(1)与第二高压气体储存单元(2)之间的气路通断；
第一阀门(21)和第二阀门(22)用于共同控制所述气室与第一高压气体储存单元(1)之间的气路的通断。
9.如权利要求1所述的成形装置的轻合金板材成形方法，其特征在于，所述成形方法包括：
步骤一、将待成形的轻合金板材(6)固定设置在凹模(4)与支撑体(5)之间，并通过压力单元对待成形的轻合金板材(6)的外缘施加压力；
步骤二、保持所述气室与第一高压气体储存单元(1)和第二高压气体储存单元(2)之间、第一高压气体储存单元(1)与第二高压气体储存单元(2)之间的气路连通，并通过气体增压单元(3)对第二高压气体储存单元(2)内的气体进行第一次增压；
步骤三、采用加热单元对待成形的轻合金板材(6)进行加热；
步骤四、通过高压脉冲发生子单元产生高压脉冲，作用于平板线圈(11)，进而对待成形的轻合金板材(6)进行快速预成形；
步骤五、保持所述气室与第二高压气体储存单元(2)之间的气路的连通，并关断第一高压气体储存单元(1)与所述气室和第二高压气体储存单元(2)之间的气路，采用气体增压单元(3)对第二高压气体储存单元(2)内的气体进行第二次增压，直至待成形的轻合金板材(6)完成贴模成形。
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