CN107127243B - 一种金属板材的电磁脉冲成形装置及方法 - Google Patents

一种金属板材的电磁脉冲成形装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属板材的电磁脉冲成形装置及方法，电磁脉冲成形方法包括：S1当待成形金属板件置于成形模具与成形线圈之间时，采用压力设备通过压边圈施压以防金属板件法兰区域起皱；S2通过第一电源模块给成形线圈提供电流，通电后的成形线圈在金属板件区域产生脉冲磁场；通过第二电源模块给金属板件提供电流，使得金属板件中产生脉冲电流；所述脉冲电流与脉冲磁场相互作用产生用于驱动金属板件发生高速变形的电磁力；S3通过电磁力使得待成形金属板件发生形变。本发明在直接加载电流的模式下，金属板件中的电流大小可显著得到提升，且电流大小受电阻率的影响较小，可以有效解决低导电率材料感应涡流小而使得成形力不足的问题。

Description

一种金属板材的电磁脉冲成形装置及方法
技术领域
本发明属于金属材料塑性成形领域，更具体地，涉及一种金属板材的电磁脉冲成形装置及方法。
背景技术
轻量化是航空航天、汽车等领域提高运载器件承载极限能力、实现节能减排的重要技术手段。高性能铝合金、钛合金、镁合金等则已成为现代航空航天装备提高结构承载能力极限的首选材料。
然而，在现有的准静态成形工艺下，上述轻合金的塑性成形性能差，易于出现回弹和破裂现象，进而直接影响成形零件的质量。电磁脉冲成形技术是利用脉冲电磁力对金属坯料进行塑性加工的一种高能率、高速率特种加工方法，由于惯性效应、高速率下材料本构关系以及电磁成形过程中的电塑性效应等因素使得金属材料的成形性能得到改善(成形极限提高、回弹小、抑制起皱等)，此外还具有单模具、无需传压介质等优点，进而被认为是实现铝合金、镁合金、钛合金等轻质材料加工的重要方法。因此，电磁成形已被用于多种金属板管类零件的加工成形。
但传统的电磁脉冲成形工艺是通过在成形线圈中通入脉冲电流，在金属板件区域产生随时间变化的磁场，同时可在金属板件内感应一个抵抗磁场变化的涡流，磁场与涡流间相互作用，瞬间产生一个巨大的电磁力，使金属板件发生塑性变形。其存在的主要问题有：
(1)工件成形电磁力所需要的电流是由于电磁感应作用而在金属材料内部感生的涡流，其大小与金属材料的电导率直接相关，一般适用于铝、铜板材这类具有高电导率特性的材料成形，但对于导电性差的金属材料(如钛合金、钢等)，现有的工艺无法提供这类材料变形所必须的电磁成形力。
(2)工件中的涡流大小和方向与线圈产生的成形磁场分布及变化特性直接相关，二者因具有很强的关联性而使得无法独立调控，相应地，电磁成形力的分布特性难以根据实际需要而进行调整。如现有的成形工艺一般是在工件与线圈间产生排斥力来实现成形，对于吸引力成形较难以实现。
上述问题使得电磁成形技术的成形能力及应用范围受限。
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金属板材的电磁脉冲成形装置及方法，旨在解决现有技术中采用低导电率材料感应涡流小导致成形力不足的问题。
本发明提供了一种金属板材的电磁脉冲成形装置，包括：成形线圈、压边圈、压力设备、成形模具、第一电源模块和第二电源模块，成形线圈的两端分别与第一电源模块的两端连接，第一电源模块用于为成形线圈提供电流；当成形线圈中通电流后在金属板件中成形区域产生电磁力；第二电源模块用于连接在金属板件的两端，为金属板件提供电流；成形模具位于线圈和工件之间，主要起着约束工件成形形状的作用；压力设备用于实现防止成形线圈反弹，且用于对压边圈施加压力使得工件法兰区域不起皱。
更进一步地，第一电源模块包括：充电机、电容器组、开关和续流回路，所述电容器组的一端与成形线圈的一端连接，所述电容器组的另一端通过所述开关与所述成形线圈的另一端连接，所述续流回路与所述成形线圈并联，所述充电机与所述成形线圈并联；充电机用于对电容器进行充电；所述电容器组用于储存电能；所述开关用于控制电路的开断，闭合时将电容器中储存的电能释放，在线圈中产生电流；所述续流回路用于在金属板件中产生一个非振荡波形的电流，以确保在成形过程中工件中的所受到的电磁力方向一直维持不变。
更进一步地，续流回路包括：相互并联连接的续流二极管和续流电阻。
更进一步地，第二电源模块与第一电源模块结构相同。
更进一步地，成形模具的结构根据实际需求进行匹配设置，当进行自由胀形时，成形模具为柱形腔结构；当进行非自由胀形时，所述成形模具为与成形形状相一致的凹模结构。
更进一步地，成形模具的材料为非导电材料。
更进一步地，压边圈为柱形结构，材料为非导电材料。
本发明还提供了一种金属板材的电磁脉冲成形方法，包括下述步骤：
S1当待成形金属板件置于成形模具与成形线圈之间时，采用压力设备通过压边圈施压以防金属板件法兰区域起皱；
S2通过第一电源模块给成形线圈提供电流，通电后的成形线圈在金属板件区域产生脉冲磁场；
通过第二电源模块给金属板件提供电流，使得金属板件中产生脉冲电流；所述脉冲电流与所述脉冲磁场相互作用产生用于驱动金属板件发生高速变形的电磁力；
S3通过所述电磁力使得待成形金属板件发生形变。
更进一步地，成形线圈中产生的磁场存在任一分量方向与金属板件中的电流方向垂直。
更进一步地，所述金属板件和所述成形线圈中的电流波形均为非振荡式波形。
更进一步地，成形线圈可由一个或一个以上的截面为矩形或圆形线圈组成；通过多个线圈在多个方向上产生磁场共同作用后在成形区域叠加产生一合磁场。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明中采用对金属板件进行直接加载电流的方式来代替传统感应式涡流。直接加载模式下，金属板件中的电流大小可显著得到提升，且电流大小受电阻率的影响较小，可以有效解决低导电率材料感应涡流小而使得成形力不足的问题。故该方法对高导电率(铜、铝合金等)和低导电率金属(镁合金、钛合金、钢板等)材料成形均有效；
(2)本发明中金属成形所需的电磁力主要由金属板件上加载的电流和成形线圈中产生的磁场来决定(电磁体积力f的大小和方向取决于电流矢量J和磁场矢量B的矢量积，f＝J×B)。而金属板件电流和产生成形磁场所需的成形线圈中的电流分别由两套独立的电源系统来供电，故可通过调节两个电源系统的能量大小、放电时间及电容幅值等改变这两类电流在大小、方向、脉宽及放电时序等，从而最终所产生的电磁力方向、大小易可调可控，成形系统柔性强。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的一种针对金属板件的电磁胀形示意图；
图2(a)是根据本发明第一实施方式的线圈结构及电流示意图；
图2(b)是根据本发明第一实施方式的金属板件结构及电流示意图；
图2(c)是根据本发明第一实施方式的金属板件中的磁场、电流及受力示意图；
图3(a)是传统电磁成形工件中的涡流分布示意图；
图3(b)是根据本发明第一实施方式的工件中的电流分布示意图；
图4是根据本发明第一实施方式的一种线圈和工件的放电电流波形示意图；
图5(a)是根据本发明第二实施方式的金属板件结构及电流示意图；
图5(b)是根据本发明第二实施方式的线圈结构示意图。
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。
本发明对金属板材进行直接加载脉冲电流，而不需要通过感应成形线圈磁场变化而产生涡流。所加载的脉冲电流与成形线圈中所产生的脉冲磁场可以瞬间产生强脉冲电磁力，当磁压力达到材料的屈服强度时，将驱动金属板件发生高速塑性变形。
实现电磁成形方法的装置包括：成形线圈1、金属板件3、压边圈6、压力设备7、成形模具5、第一电源模块2和第二电源模块4；
压力设备7用于实现防止成形线圈1反弹，且用于对压边圈6施加压力使得工件法兰区域不起皱；
成形线圈1的两端与第一电源模块2的两端连接，第一电源模块2用于给成形线圈1提供电流；当成形线圈1中通电流后在工件3中成形区域产生电磁力。
成形模具5的结构可以根据实际需求设置，自由胀形时一般采用如图1所示的简单柱形型腔结构，非自由胀形时，相应的采用与成形形状相一致的凹模结构。模具材料可以为非导电材料如环氧板等，亦可为常用的非良导体材料如模具钢等。
压边圈6为柱形结构，可采用非导电材料如环氧板等，亦可为常用的非良导体材料如模具钢等。
第一电源模块2包括：充电机、电容器组、开关和续流回路，电容器组的一端与成形线圈1的一端连接，电容器组的另一端通过开关与成形线圈1的另一端连接，续流回路与成形线圈1并联，充电机与成形线圈1并联。充电机用于对电容器进行充电；电容器组用于储存电能；开关用于控制电路的开断，闭合时将电容器中储存的电能释放，在线圈中产生电流；续流回路用于在板件中产生一个非振荡波形的电流，以确保在成形过程中工件中的所受到的电磁力方向一直维持不变，其由续流二极管和续流电阻组成。续流回路用于调整电流波形的原理在于：电路一开始工作时，续流二极管两端承受反向电压，处于关闭状态，回路不导通；当电容器两端电压开始反向时，续流二极管开始导通，电流会流过续流回路，此时电流波形将与续流电阻有关。一般来说，为了避免出现振荡波形，续流电阻不应过大亦不宜过小。
第二电源模块4连接在金属板件3的两端，用于为金属板件3提供电流。第二电源模块4的具体结构与第一电源模块2的结构相同，但功能不同，第一电源模块为成形线圈1供电，在成形线圈1中产生电流，进而在金属板件3区域产生较大的磁场，而第二电源模块是为金属板件3供电，在金属板件中产生较大的电流。为了实现金属板件3中电流和磁场的独立调控，第一电源模块和第二电源模块无电路连接，为两个独立电源。
本发明实施例提供的金属板材的电磁脉冲成形方法具体包括下述步骤：
步骤一：将待成形金属板件置于成形模具与成形线圈之间，并采用压力设备通过压边圈施压，以防工件法兰区域起皱；
步骤二：第一电源模块包括：充电机、电容器组、开关和续流回路，充电机用于对电容器组进行充电，续流回路用于调节电流波形，电容器组通过开关、导线与成形线圈的两个出口引线鼻子相连接，通过闭合开关可对成形线圈放电，在金属板件区域产生脉冲磁场；
步骤三：第二电源模块包括由充电机、电容器组、开关以及续流回路组成，充电机用于对电容器组进行充电，续流回路用于调节电流波形，电容器组通过开关、导线与金属板件的两端口相连接，通过闭合开关可对金属板件放电，在金属板件中直接产生脉冲电流，电流与步骤二中的磁场相互作用产生电磁力驱动工件发生高速变形。
步骤四：重复步骤二、三可对金属板件进行多次成形。
在本发明实施例中，上述第一和第二电源模块分别为成形线圈和金属板件进行放电，二者各自的放电参数(电压、脉宽、触发时间)独立可调，如通过改变两套电源模块中电容器组的电容量可以调整放电电流脉宽，通过对两套电源模块设置不同的触发时间可以改变二者的放电时序等。
在本发明实施例中，成形线圈所产生的磁场存在任一分量方向与金属板件中的电流方向垂直。
在本发明实施例中，金属板件和成形线圈中的电流为非振荡式波形，方向不发生变化，通过选取合适的续流回路参数(调整续流电阻的大小)可实现。
在本发明实施例中，成形线圈可由一个或一个以上的截面为矩形或圆形线圈组成。通过多个线圈在多个方向上产生磁场，从而共同作用可在成形区域叠加产生一合磁场，该磁场大小及方向由各个线圈所-产生的磁场大小和方向共同决定，通过调节各线圈的磁场参数，可实现合磁场的大小及方向可调。
在本发明实施例中，金属板件的截面形状可为任意规则。
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。
本发明第一实施例提供了一种针对金属板件的电磁胀形方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)将成形线圈1固定在压力设备7上。成形线圈1的结构示意图如图2(a)所示，为一方形线圈，可在金属板件成形区域产生沿着y方向较为均匀的磁场，其中y方向为线圈的绕线轴所在方向，与金属板件所通入的电流方向(x方向)垂直。与传统电磁成形相比，该成形方式的一个明显区别在于工件中电流的流向，如图3所示。传统电磁成形中，金属板件20中产生的电流为一环向涡流21，见图3(a)，而在本发明所提及的方案中，金属板件20中产生的电流沿着水平方向。相应地，若要在金属板件20中产生沿着纸面向内的电磁力，两种情况下所需的外加磁场方向亦不同，前者需要为径向，后者则为垂直方向。
(2)将金属板件3置于非金属成形模具5与成形线圈1之间，并采用压力设备7通过压边圈6施压，以防工件法兰区域起皱。
(3)将成形线圈1接入由充电机、电容器2-1、开关2-2和续流二极管2-3组成的第一电源模块2，其中续流二极管2-3的主要目的是为了在板件中产生一个非振荡波形的电流，以确保在成形过程中工件中的所受到的电磁力方向一直维持不变。
(4)将金属板件3接入由充电机、电容器4-1、开关4-2和续流二极管4-3组成的第二电源模块4，其中续流二极管4-3的主要目的是为了在线圈中产生一个非振荡波形的电流，以确保在成形过程中工件中的所受到的电磁力方向一直维持不变。
(5)第一电源模块2和第二电源模块4分别对成形线圈和金属板件进行放电，在金属板件成形区域8分别产生成形力所需要的成形磁场和电流，其产生电磁力的示意图如图2所示。成形线圈1中的电流Ic可在线圈侧边产生沿着y方向的磁场，如图2(a)所示；金属板件3中通入的激励电流Iw的方向沿着x方向，图2(b)；y方向的磁场10与x方向的电流9产生朝着z方向的电磁力11，如图2(c)所示。
(6)金属板件3受到z方向的强脉冲电磁力，驱动板件朝着凹模区域发生高速变形。
(7)本发明由于电流是直接通过电源-控制系统加载到金属板件上，故其材料不仅可以是高导电性材料(如铜、铝合金等)，也可以是低导电性材料(钛合金、钢板材)等；成形磁场和工件中激励电流的脉宽、放电时序及方向可根据实际需要进行调整和优化，体现在：(a)当需要在线圈与工件中产生吸引式电磁力时，可在工件中通入与图2(b)反向的电流，此时工件中受到的作用力方向与图2(c)相反。(b)当金属板件为高导电性材料时，为避免线圈中产生的交变磁场在工件中感应出较大的涡流，从而影响成形效果，可在成形线圈中通入长脉宽电流(脉宽ms级)，起到一个近似稳态背景磁场的效果，此时可在成形线圈电流达到峰值附近时刻进行放电，电流波形及放电时刻示意图如图4所示。(c)当金属板件为低导电性材料时，线圈和金属板件中的电流可同步变化，亦可与(b)中情况相反，在金属板件中通入长脉宽电流，在成形线圈中产生短脉宽电流，此时可进一步降低工件与线圈间的电磁耦合作用，降低因工件所产生的交变磁场对成形线圈中电流的影响。
本发明第二实施例提供了一种针对异形金属构件的高速成形方法；本实施方式与具体实施方式一的不同点在于这里所述的金属构件形状和相应的模具形状截面可为任意形状(非传统的圆形或矩形等对称截面)，如图5(a)所示。在传统电磁成形中，工件中的感应电流(涡流)路径一般都为一个闭合的圆形回路，而在本发明实施例中，由于工件中电流是直接加载的，故其可沿着工件导体的形状而流动，其路径随着构件形状变化而变化，从而为其应用在任意形状金属构件上提供了前提条件。当对金属构件进行放电时，可在构件内部产生电流，电流方向沿着构件形状流动，如图5(a)所呈现的类S曲线金属构件12。此时电流Iw有x和y两分量电流，为了对该构件进行有效成形和调控，相应地需要有y和x分量的磁场，故采取如图5(b)所示的y方向线圈13和x方向线圈14共同作用在成形区域15产生大小、方向可调(大小可通过调节两个方向上的线圈电流大小来实现，方向可通过调节两个方向上线圈电流的比例来实现)的磁场，从而相应的与构件中的电流作用产生灵活可控的电磁作用力，促使工件受力发生塑性变形。
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 (7)

1.一种金属板材的电磁脉冲成形装置，其特征在于，包括：成形线圈(1)、压边圈(6)、压力设备(7)、成形模具(5)、第一电源模块(2)和第二电源模块(4)，
所述成形线圈(1)的两端分别与所述第一电源模块(2)的两端连接，所述第一电源模块(2)用于为所述成形线圈(1)提供电流；当所述成形线圈(1)中通电流后在金属板件(3)中成形区域产生电磁力；
所述第二电源模块(4)用于连接在金属板件(3)的两端，为所述金属板件(3)提供电流；
所述成形模具(5)位于成形线圈(1)和金属板件(3)之间，用于约束工件成形形状；
所述压力设备(7)用于实现防止所述成形线圈(1)反弹，且用于对所述压边圈(6)施加压力使得工件法兰区域不起皱；成形线圈由一个以上的截面为矩形或圆形线圈组成，通过多个线圈在多个方向上产生磁场，从而共同作用在成形区域叠加产生一合磁场，该磁场大小及方向由各个线圈所产生的磁场大小和方向共同决定，通过调节各线圈的磁场参数，实现合磁场的大小及方向可调，在所述合磁场的大小及方向可调的前提下，所述金属构件形状和相应的模具形状截面可为任意形状；
所述第一电源模块(2)包括：充电机、电容器组、开关和续流回路，
所述电容器组的一端与成形线圈(1)的一端连接，所述电容器组的另一端通过所述开关与所述成形线圈(1)的另一端连接，所述续流回路与所述成形线圈(1)并联，所述充电机与所述成形线圈(1)并联；
所述充电机用于对电容器进行充电；所述电容器组用于储存电能；所述开关用于控制电路的开断，闭合时将电容器中储存的电能释放，在线圈中产生电流；所述续流回路用于在金属板件中产生一个非振荡波形的电流，以确保在成形过程中工件中的所受到的电磁力方向一直维持不变。
2.如权利要求1所述的电磁脉冲成形装置，其特征在于，所述第二电源模块(4)与所述第一电源模块(2)结构相同。
3.如权利要求1或2所述的电磁脉冲成形装置，其特征在于，所述成形模具(5)的结构根据实际需求进行匹配设置，当进行自由胀形时，所述成形模具(5)为柱形腔结构；当进行非自由胀形时，所述成形模具(5)为与成形形状相一致的凹模结构。
4.如权利要求3所述的电磁脉冲成形装置，其特征在于，所述成形模具(5)的材料为非导电材料。
5.如权利要求1或2所述的电磁脉冲成形装置，其特征在于，所述压边圈(6)为柱形结构，材料为非导电材料。
6.一种金属板材的电磁脉冲成形方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1当待成形金属板件置于成形模具与成形线圈之间时，采用压力设备通过压边圈施压以防金属板件法兰区域起皱，成形线圈由一个以上的截面为矩形或圆形线圈组成；通过多个线圈在多个方向上产生磁场共同作用后在成形区域叠加产生一合磁场，在所述合磁场的大小及方向可调的前提下，所述金属构件形状和相应的模具形状截面可为任意形状；
S2通过第一电源模块给成形线圈提供电流，通电后的成形线圈在金属板件区域产生脉冲磁场；
通过第二电源模块给金属板件提供电流，使得金属板件中产生脉冲电流；所述脉冲电流与所述脉冲磁场相互作用产生用于驱动金属板件发生高速变形的电磁力，所述金属板件和所述成形线圈中的电流波形均为非振荡式波形，以确保在成形过程中工件中的所受到的电磁力方向一直维持不变；
S3通过所述电磁力使得待成形金属板件发生形变。
7.如权利要求6所述的电磁脉冲成形方法，其特征在于，成形线圈中产生的磁场存在任一分量方向与金属板件中的电流方向垂直。
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