CN107138587B - 一种电磁加热式温热板件电磁成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种电磁加热式温热板件电磁成形装置及方法，包括加热线圈，L形状的软磁铁氧体磁芯材料，环型加热硅钢薄片，高频电源，成形线圈，脉冲电源，温度传感器，凹模。多块L形状的软磁铁氧体磁芯材料按照圆周均匀布置，加热线圈、成形线圈依次置于L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边所包围的空间内，在L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边的端部，依次放置环型加热硅钢薄片、成形工件、温度传感器、凹模，温度传感器位于成形工件与凹模之间且圆周均匀布置。该装置还包括紧贴环型加热硅钢薄片、远离成形工件一侧的环型绝热片；紧贴凹模、靠近成形工件一侧的另一环型绝热片。本发明实现了电磁加热式温热板件电磁成形，成形工件在373K‑573K温度范围内实现成形加工，可提高成形工件的成形塑性，操作简单、加热效率高。
Description
技术领域
本发明属于金属成形制造领域，特别涉及一种电磁加热式温热板件电磁成形装置及方法，主要用于金属板件的温热成形加工。
背景技术
轻量化是航空航天、汽车工业等领域实现节能减排的重要技术手段。而实现轻量化的主要途径是采用轻质合金材料，高性能铝合金、钛合金、镁合金成为现代航空航天、汽车工业等实现轻量化的首选材料；电磁成形是一种高速率脉冲成形技术，能大幅改善金属材料成形性能，是解决轻质合金成形困难的有效手段之一。
现有常温板件电磁成形技术中，成形工件通常处于常温成形塑性较低，局部拉延性差，容易产生裂纹；且常温时，成形工件的刚度大，所需的成形电磁力更大。现有的温热电磁成形方法中，常采用加热棒的形式对工件进行加热，加热效率低，且会引起其他部件温升亦很高。
为进一步提高电磁成形对金属材料成形性能的改善作用，提出采用电磁成形与温热成形相结合的方法——温热电磁成形方法。中国专利“镁合金板材温热电磁成形方法（CN101590501 A）”公开了一种能够提高镁合金板材成形性能的塑性加工方法——温热电磁成形方法，该方法通过凹模内的加热棒加热使镁合金板材升温至100-300℃。该方法通过加热棒加热，加热效率低。专利“基于感应加热及电磁成形的镁合金/碳钢管复合连接方法（CN104384701 A）”利用同一个线圈实现感应加热与成形功能，并将其应用于镁合金、碳钢管件的复合连接。因管件和板材的磁路具有明显差异，该方法仅适用于管件，且因感应加热和成形功能对线圈的要求不同，采用同一线圈实现可行性较差。专利“一种钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置及其成形方法（CN 104772380 A）”公开了一种钛合金板材的磁脉冲温热动态驱动成形装置及方法，采用钢套内设置加热棒对板材进行加热，同时采用铝驱动片驱动钛合金板材成形。显然这一方法并未从本质上解决加热效率的问题。
发明内容
为此，本发明提供一种电磁加热式温热板件电磁成形装置及方法，实现了电磁加热式温热板件电磁成形，成形工件在373K-573K温度范围内实现成形加工，可提高成形工件的成形塑性，操作简单、加热效率高。
本发明采取的技术方案为：
一种电磁加热式温热板件电磁成形装置，包括：
加热线圈，用于给成形工件加热，
L形状的软磁铁氧体磁芯材料，
环型加热硅钢薄片，
高频电源，为加热线圈提供交流电流，
成形线圈，用于给成形工件提供电磁力，
脉冲电源，为成形线圈提供脉冲电流，
温度传感器，用于测量成形工件温度，
凹模，用于约束成形工件。
多块L形状的软磁铁氧体磁芯材料按照圆周均匀布置，加热线圈、成形线圈依次置于L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边所包围的空间内，在L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边的端部，依次放置环型加热硅钢薄片、成形工件、温度传感器、凹模，温度传感器位于成形工件与凹模之间且圆周均匀布置。
该装置还包括紧贴环型加热硅钢薄片、远离成形工件一侧的环型绝热片；紧贴凹模7、靠近成形工件一侧的另一环型绝热片。
所述加热线圈采用多股直径小于0.3mm的绝缘铜导线绕制而成；成形线圈采用单根绝缘铜线和加固材料间隔绕制而成。
加热线圈为高频电源供电，多股直径小于0.3mm的绝缘铜导线可有效减小其损耗；成形线圈由脉冲电源供电，需要足够的强度，故采用单根绝缘铜线和加固材料间隔绕制。
所述加热线圈的外直径小于等于L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边所包围的空间等效内直径，是为了最大可能的利用径向空间制作加热线圈。加热线圈和成形线圈的总高度小于等于L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边的边长，是为了最大可能的利用轴向空间制作加热线圈和成形线圈。所述成形线圈的外直径小于等于环型加热硅钢薄片的内直径。
所述成形线圈的外直径小于等于环型加热硅钢薄片的内直径，避免用于成形工件成形的电磁力作用于环型加热硅钢薄片上。
所述凹模的外直径、成形工件的外直径、环型加热硅钢薄片的外直径、L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边构成的空间等效外直径相等，能减小磁阻，增大加热效率。
所述L形状的软磁铁氧体磁芯材料圆周均匀分布，总块数为4-8个：数量太少，达不到减小磁阻的目的，数量太多，会导致单个L形状的软磁铁氧体磁芯材料宽度不够大。温度传感器位于凹模与成形工件之间且圆周均匀分布，总个数为2-6个：数量太少，不能得到各点温度是否均匀，数量太多，测量意义不大。
本发明一种电磁加热式温热板件电磁成形装置及方法，优点在于：
1．本发明实现了电磁加热式温热板件电磁成形，较传统电磁成形而言，成形工件在373K-573K温度范围内实现成形加工，可提高成形工件的成形塑性。
2．本发明采用电磁加热式温热板件电磁成形，较现有板材温热电磁成形方法而言，操作简单，加热效率高。
3.本发明采用加热线圈和成形线圈单独设计，加热线圈采用多股直径小于0.3mm的绝缘铜导线绕制而成，而成形线圈采用单根绝缘铜线和加固材料间隔绕制而成；加热线圈能有效减少高频工作下的趋肤效应，成形线圈能有效抵抗脉冲大电流下的电磁力。
4. 本发明采用多块L形状的软磁铁氧体磁芯材料及环型加热硅钢薄片构建电磁回路，可有效增加电磁加热效率。
5.本发明采用的环型绝热片，能加加热区域限制在成形工件这一范围，进一步提升电磁加热效率。
附图说明
图1为电磁加热式温热板件电磁成形装置示意图；
图1(a)为电磁加热式温热板件电磁成形装置示意图；
图1(b)为电磁加热式温热板件电磁成形装置剖面示意图。
图2为带环型绝热片的电磁加热式温热板件电磁成形装置示意图；
图2(a)为带环型绝热片的电磁加热式温热板件电磁成形装置示意图；
图2(b)为带环型绝热片的电磁加热式温热板件电磁成形装置剖面示意图。
图3为多块L形状的软磁铁氧体磁芯材料布置示意图；
图3（a）为四块L形状的软磁铁氧体磁芯材料布置示意图；
图3（b）为五块L形状的软磁铁氧体磁芯材料布置示意图；
图3（c）为六块L形状的软磁铁氧体磁芯材料布置示意图；
图3（d）为八块L形状的软磁铁氧体磁芯材料布置示意图。
图4为多个温度传感器布置示意图。
图4（a）为两个温度传感器布置示意图；
图4（b）为三个温度传感器布置示意图；
图4（c）为四个温度传感器布置示意图；
图4（d）为六个温度传感器布置示意图。
图5为加热线圈和成形线圈截面示意图；
图5（a）为加热线圈截面示意图；
图5（b）为成形线圈截面示意图。
其中：1.加热线圈；11. 多股直径小于0.3mm的绝缘铜导线；2.成形线圈；21. 单根绝缘铜线；22. 加固材料；3. L形状的软磁铁氧体磁芯材料；31. L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边;32. L形状的软磁铁氧体磁芯材料横边;33. L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边所包围的空间等效内直径D1；34. L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边构成的空间等效外直径D2；35. L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边的边长H1；4. 环型加热硅钢薄片；5. 成形工件；6. 温度传感器；7. 凹模；8. 脉冲电源；9. 高频电源；10.环型绝热片。
具体实施方式
一种电磁加热式温热板件电磁成形装置，包括：
加热线圈1，用于给成形工件5加热，
L形状的软磁铁氧体磁芯材料3，
环型加热硅钢薄片4，
高频电源9，为加热线圈1提供交流电流，
成形线圈2，用于给成形工件5提供电磁力，
脉冲电源8，为成形线圈2提供脉冲电流，
温度传感器6，用于测量成形工件5温度，
凹模7，用于约束成形工件5。多块L形状的软磁铁氧体磁芯材料3按照圆周均匀布置，加热线圈1、成形线圈2依次置于L形状的软磁铁氧体磁芯材料3竖边所包围的空间内，在L形状的软磁铁氧体磁芯材料3竖边的端部，依次放置环型加热硅钢薄片4、成形工件5、温度传感器6、凹模7，温度传感器6位于成形工件5与凹模7之间且圆周均匀布置。
该装置还包括紧贴环型加热硅钢薄片4、远离成形工件5一侧的环型绝热片10；紧贴凹模7、靠近成形工件5一侧的环型绝热片。
所述加热线圈1采用多股直径小于0.3mm的绝缘铜导线绕制而成；成形线圈2采用单根绝缘铜线和加固材料间隔绕制而成。
所述加热线圈1的外直径小于等于L形状的软磁铁氧体磁芯材料3竖边所包围的空间等效内直径；加热线圈1和成形线圈2的总高度小于等于L形状的软磁铁氧体磁芯材料3竖边的边长。
所述成形线圈2的外直径小于等于环型加热硅钢薄片4的内直径。
所述凹模7的外直径、成形工件5的外直径、环型加热硅钢薄片4的外直径、L形状的软磁铁氧体磁芯材料3竖边构成的空间等效外直径相等。
所述L形状的软磁铁氧体磁芯材料3圆周均匀分布，总块数为4-8个；温度传感器6位于凹模7与成形工件5之间且圆周均匀分布，总个数为2-6个。
方案一：
一种电磁加热式温热板件电磁成形方法，包括以下步骤：
第一，将L形状的软磁铁氧体磁芯材料3按照圆周均匀布置，使L形状的软磁铁氧体磁芯材料3的竖边平行于对称轴、横边指向对称轴；
第二，将加热线圈1、成形线圈2依次置于L形状的软磁铁氧体磁芯材料3竖边所包围的空间内，加热线圈1、成形线圈2的轴线与L形状的软磁铁氧体磁芯材料3的对称轴共线；
第三，在L形状的软磁铁氧体磁芯材料3竖边的端部，依次放置环型加热硅钢薄片4、成形工件5、温度传感器6、凹模7，环型加热硅钢薄片4、成形工件5、凹模7的轴线与L形状的软磁铁氧体磁芯材料3的对称轴共线，温度传感器6位于成形工件5与凹模7之间且圆周均匀布置；
第四，开通高频电源9为加热线圈1供电，并通过温度传感器6测量成形工件5的温度；
第五，当成形工件5的温度达到预期的成形温度，开通脉冲电源8给成形线圈2供电，在成形工件5中产生感应涡流，成形线圈2中的脉冲电流与成形工件5中的感应涡流相互作用产生脉冲电磁力，驱动工件加速并实现温热成形。
方案二：
一种电磁加热式温热板件电磁成形方法，当设置绝热片时，包括以下步骤：
第一，将多块L形状的软磁铁氧体磁芯材料3按照圆周均匀布置，使L形状的软磁铁氧体磁芯材料3的竖边平行于对称轴、横边指向对称轴；
第二，将加热线圈1、成形线圈2依次置于L形状的软磁铁氧体磁芯材料3竖边所包围的空间内，加热线圈1、成形线圈2的轴线与L形状的软磁铁氧体磁芯材料3的对称轴共线；
第三，将环型绝热片10紧贴在环型加热硅钢薄片4远离成形工件5一侧，将另一环型绝热片紧贴在凹模7靠近成形工件5一侧；
第四，在L形状的软磁铁氧体磁芯材料3竖边的端部，依次放置带环型绝热片的环型加热硅钢薄片4、成形工件5、温度传感器6、带环型绝热片的凹模7，环型加热硅钢薄片4、成形工件5、凹模7的轴线与L形状的软磁铁氧体磁芯材料3的对称轴共线，温度传感器6位于成形工件5与凹模7之间且圆周均匀布置；
第五，开通高频电源9为加热线圈1供电，并通过温度传感器6测量成形工件5的温度；
第六，当成形工件5的温度达到预期的成形温度，开通脉冲电源8给成形线圈2供电，在成形工件5中产生感应涡流，成形线圈2中的脉冲电流与成形工件5中的感应涡流相互作用产生脉冲电磁力，驱动工件加速并实现温热成形。
脉冲电源8为成形线圈2提供100μs-1000μs的脉冲电流；高频电源9为加热线圈1提供频率为20kHz-30kHz的交流电流。
实施例1：
步骤一：按照图3（c）将六块L形状的软磁铁氧体磁芯材料按照圆周均匀布置，使L形状的软磁铁氧体磁芯材料的一条边（竖边）平行于对称轴、另一条边（横边）指向对称轴；步骤二：按照图5示意，采用多股直径小于0.3mm的绝缘铜导线绕制加热线圈；采用单根绝缘铜线和加固材料间隔的形式绕制成形线圈；步骤三：按照图1所示，将加热线圈、成形线圈依次置于L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边所包围的空间内，加热线圈、成形线圈的轴线与L形状的软磁铁氧体磁芯材料的对称轴共线；步骤四：按照图1所示，在L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边的端部，依次放置环型加热硅钢薄片、成形工件、温度传感器、凹模，环型加热硅钢薄片、成形工件、凹模的轴线与L形状的软磁铁氧体磁芯材料的对称轴共线，温度传感器位于成形工件与凹模之间且圆周均匀布置；步骤五：开通高频电源为加热线圈供电，并通过温度传感器测量成形工件的温度；步骤六：当成形工件的温度达到预期的成形温度400K时，开通脉冲电源给成形线圈供电，在成形工件中产生感应涡流，成形线圈中的脉冲电流与成形工件中的感应涡流相互作用产生脉冲电磁力，驱动工件加速并实现温热成形。
实施例2：
步骤一：按照图3（d）将八块L形状的软磁铁氧体磁芯材料按照圆周均匀布置，使L形状的软磁铁氧体磁芯材料的一条边（竖边）平行于对称轴、另一条边（横边）指向对称轴；步骤二：按照图5示意，采用多股直径小于0.3mm的绝缘铜导线绕制加热线圈；采用单根绝缘铜线和加固材料间隔的形式绕制成形线圈；步骤三：按照图2所示，将加热线圈、成形线圈依次置于L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边所包围的空间内，加热线圈、成形线圈的轴线与L形状的软磁铁氧体磁芯材料的对称轴共线；步骤四：将环型绝热片紧贴在环型加热硅钢薄片远离成形工件一侧，将另一环型绝热片紧贴在凹模靠近成形工件一侧；步骤五：按照图2所示，在L形状的软磁铁氧体磁芯材料竖边的端部，依次放置带环型绝热片的环型加热硅钢薄片、成形工件、温度传感器、带环型绝热片的凹模，环型加热硅钢薄片、成形工件、凹模的轴线与L形状的软磁铁氧体磁芯材料的对称轴共线，温度传感器位于成形工件与凹模之间且圆周均匀布置；步骤六：开通高频电源为加热线圈供电，并通过温度传感器测量成形工件的温度；步骤七：当成形工件的温度达到预期的成形温度500K时，开通脉冲电源给成形线圈供电，在成形工件中产生感应涡流，成形线圈中的脉冲电流与成形工件中的感应涡流相互作用产生脉冲电磁力，驱动工件加速并实现温热成形。
Claims (10)
1.一种电磁加热式温热板件电磁成形装置，包括：
加热线圈（1），用于给成形工件（5）加热，
L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3），
环型加热硅钢薄片（4），
高频电源（9），为加热线圈（1）提供交流电流，
成形线圈（2），用于给成形工件（5）提供电磁力，
脉冲电源（8），为成形线圈（2）提供脉冲电流，
温度传感器（6），用于测量成形工件（5）温度，
凹模（7），用于约束成形工件（5）；其特征在于：
多块L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）按照圆周均匀布置，加热线圈（1）、成形线圈（2）依次置于L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）竖边所包围的空间内，在L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）竖边的端部，依次放置环型加热硅钢薄片（4）、成形工件（5）、温度传感器（6）、凹模（7），温度传感器（6）位于成形工件（5）与凹模（7）之间且圆周均匀布置。
2.根据权利要求1所述一种电磁加热式温热板件电磁成形装置，其特征在于：该装置还包括紧贴环型加热硅钢薄片（4）、远离成形工件（5）一侧的环型绝热片（10）；紧贴凹模（7）、靠近成形工件（5）一侧的另一环型绝热片(10)。
3.根据权利要求1所述一种电磁加热式温热板件电磁成形装置，其特征在于：所述加热线圈（1）采用多股直径小于0.3mm的绝缘铜导线绕制而成；成形线圈（2）采用单根绝缘铜线和加固材料间隔绕制而成。
4.根据权利要求1所述一种电磁加热式温热板件电磁成形装置，其特征在于：所述加热线圈（1）的外直径小于等于L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）竖边所包围的空间等效内直径；加热线圈（1）和成形线圈（2）的总高度小于等于L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）竖边的边长。
5.根据权利要求2所述一种电磁加热式温热板件电磁成形装置，其特征在于：所述成形线圈（2）的外直径小于等于环型加热硅钢薄片（4）的内直径。
6.根据权利要求2所述一种电磁加热式温热板件电磁成形装置，其特征在于：所述凹模（7）的外直径、成形工件（5）的外直径、环型加热硅钢薄片（4）的外直径、L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）竖边构成的空间等效外直径相等。
7.根据权利要求2所述一种电磁加热式温热板件电磁成形装置，其特征在于：所述L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）圆周均匀分布，总块数为4-8个；温度传感器（6）位于凹模（7）与成形工件（5）之间且圆周均匀分布，总个数为2-6个。
8.一种电磁加热式温热板件电磁成形方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一，将L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）按照圆周均匀布置，使L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）的竖边平行于对称轴、横边指向对称轴；
第二，将加热线圈（1）、成形线圈（2）依次置于L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）竖边所包围的空间内，加热线圈（1）、成形线圈（2）的轴线与L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）的对称轴共线；
第三，在L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）竖边的端部，依次放置环型加热硅钢薄片（4）、成形工件（5）、温度传感器（6）、凹模（7），环型加热硅钢薄片（4）、成形工件（5）、凹模（7）的轴线与L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）的对称轴共线，温度传感器（6）位于成形工件（5）与凹模（7）之间且圆周均匀布置；
第四，开通高频电源（9）为加热线圈（1）供电，并通过温度传感器（6）测量成形工件（5）的温度；
第五，当成形工件（5）的温度达到预期的成形温度，开通脉冲电源（8）给成形线圈（2）供电，在成形工件（5）中产生感应涡流，成形线圈（2）中的脉冲电流与成形工件（5）中的感应涡流相互作用产生脉冲电磁力，驱动工件加速并实现温热成形。
9.一种电磁加热式温热板件电磁成形方法，其特征在于：当设置绝热片时，包括以下步骤：
第一，将多块L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）按照圆周均匀布置，使L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）的竖边平行于对称轴、横边指向对称轴；
第二，将加热线圈（1）、成形线圈（2）依次置于L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）竖边所包围的空间内，加热线圈（1）、成形线圈（2）的轴线与L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）的对称轴共线；
第三，将环型绝热片（10）紧贴在环型加热硅钢薄片（4）远离成形工件（5）一侧，将另一环型绝热片紧贴在凹模（7）靠近成形工件（5）一侧；
第四，在L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）竖边的端部，依次放置带环型绝热片的环型加热硅钢薄片（4）、成形工件（5）、温度传感器（6）、带环型绝热片的凹模（7），环型加热硅钢薄片（4）、成形工件（5）、凹模（7）的轴线与L形状的软磁铁氧体磁芯材料（3）的对称轴共线，温度传感器（6）位于成形工件（5）与凹模（7）之间且圆周均匀布置；
第五，开通高频电源（9）为加热线圈（1）供电，并通过温度传感器（6）测量成形工件（5）的温度；
第六，当成形工件（5）的温度达到预期的成形温度，开通脉冲电源（8）给成形线圈（2）供电，在成形工件（5）中产生感应涡流，成形线圈（2）中的脉冲电流与成形工件（5）中的感应涡流相互作用产生脉冲电磁力，驱动工件加速并实现温热成形。
10.如权利要求8或9所述一种电磁加热式温热板件电磁成形方法，其特征在于： 脉冲电源（8）为成形线圈（2）提供100μs-1000μs的脉冲电流；高频电源（9）为加热线圈（1）提供频率为20kHz-30kHz的交流电流。
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