CN108435874A - 一种板型零件的电磁脉冲成形装置及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板型零件的电磁脉冲成形装置，包括支撑架、凸模、升降机构、夹持机构、电磁脉冲元件，所述凸模安装在支撑架上，所述升降机构的上方与凸模的下方连接，所述夹持机构的数量为两个，分别对称分布在凸模的两侧，夹持机构的顶端设有夹持元件，所述电磁脉冲元件位于凸模的上方，并与凸模之间存有空隙，该空隙用于放置待成形的板料；该发明还提供了采用上述装置的成形方法。本发明可有效降低模具的尺寸，利于降低模具的制作成本，并且具有较高的成形精度，利于大尺寸板料的精确成形。

Description

一种板型零件的电磁脉冲成形装置及其成形方法

技术领域

本发明涉及材料塑性成形领域，具体涉及一种板型零件的电磁脉冲成形装置及其成形方法。

背景技术

随着航空航天等高技术产业的迅速发展，先进飞机、航天器、火箭及导弹中迫切需要采用结构效益十分显著的大尺寸板型零件，以减轻质量、提高运载器承载能力极限和航程等整体性能。大尺寸、薄壁、质轻、高精度、高强度、良好的抗疲劳性能的零部件就是其中的典型代表。比如：航天器的大型贮箱封头、巡航导弹舱段、飞机和航天器头罩、副油箱和发动机壳体等。

大尺寸板型零件的塑性成形方法主要有：(1)利用巨型压力机强力模压成形，比如美、法、俄等发达国家拥有450～750MN级的巨型液压机，而我国也启动了8万t巨型液压机的研制。但这种设备需要投入巨资、并且设备极其复杂；(2)板料充液拉深，该方法利用液体作为成形传力介质代替刚性凹模传递载荷，利用液池内液体受到压缩产生相对压力使毛坯贴紧在凸模上，形成凸模形面所约束的形状，具有液体润滑、径向推力和“摩擦保持效应”等优点，能显著提高常规板料的拉深极限和表面质量，但充液拉深成形需要更大的拉深力和压边力，会显著增加设备成本，同时高压下密封困难；(3)旋压成形，该工艺是目前针对大型回转体薄壁零件塑性加工最为有效的办法。成形过程属于连续局部逐点变形，变形区的材料处于两向或三向压应力状态，显著提高材料的变形程度，但对薄壁件的成形需要采用多道次旋压，材料会经历多次局部加载与卸载的不均匀变形，工艺参数复杂且非线性耦合，容易出现鼓包、破裂等缺陷，并且成形件表面存在划痕，制约了成形质量和成形极限的提高。另外对于镁、钛等合金常温下塑性变形性能差的材料，往往采取热旋压方式。尤其钛合金的成形温度达到900度以上。但高温条件下需要相应的加热装置，并对模具性能有很高要求。另外，我国最新的旋压设备仅能能够加工直径2600mm的回转体，采用的设备尺寸巨大(高度13m，占地面积18m×20m，)，而美国已研制出直径达5.5m，深度达1.6m的铝锂合金火箭液体燃料罐圆顶。因此针对大型轻质材料的薄壁零件精确塑性制造，已成为我国科技亟待解决的关键科学技术问题。

板料渐进成形是近年来兴起的板料成形技术，具有成形方式灵活，柔性高等特点。渐进成形采用“轨迹”成形方法，通过工具头的运动进行表面轮廓的生成。在文献“Investigation into a new hybrid forming process:Incremental sheet formingcombined with stretch forming”(CIRP Annals–Manufacturing Technology)中提出了采用先拉深进行预成形，然后采用渐进成形方法加工细节特征的方法，证明了成形精度、板料厚度分布和成形时间相对于单纯渐进成形都有改善。但是单点渐进成形过程中，也存在以下缺点：(1)工具头与板料接触区域小，工具头的周边材料难以流动，使板料呈现整体的变薄变形过程，限制了板料的成形高度；(2)工具头尺寸小，刚度差，难以适合高硬度、大厚度板料的精确成形；(3)板料表面存在明显划痕，板料成形精度差。

电磁脉冲成形是一种利用脉冲磁场力对金属工件进行高速加工方法，研究表明：材料在高速变形条件下能够获得高于传统冲压加工下的成形性能，并把这种较高成形性的现象称为“高塑性”。因此，高速变形为轻质、高强度材料的加工难问题提供了一个可靠地解决途径。但，一般的电磁脉冲成形工艺，放电线圈处于一个固定位置，其尺寸要与模具的大小一致，通过一次放电使金属板料发生变形。但该技术至今很难直接实现大尺寸板型零件的精确成形。

针对大尺寸板型零件的电磁加工，1998年，美国学者G.S.Daehn课题组提出了一种新的板材塑性成形方法—与工具结合的板料电磁辅助成形(Matched Tool-Electromagnetic Hybrid Sheet Forming，MT-EM)。这种方法将电磁脉冲成形与普通冲压成形工艺结合。即：首先采用普通冲压技术得到零件的大致变形轮廓(预成形)，然后用嵌入到冲头里的电磁线圈成形工件的难变形部位(尖角、棱线等)，以达到需要的形状，提高成形精度。

在专利申请号为200610018429.2的“板材动圈电磁渐进成形方法及其装置”的发明专利中，华中科技大学莫健华课题组提出一种动线圈电磁成形方法。线圈在三维空间沿着模型轮廓等高线层层向下移动，同时依靠电磁线圈产生的电磁力使板材发生局部成形，直至成形过程中止。华中科技大学莫健华课题组开展了基于凹模的采用移动电磁脉冲磁体加工大型板材的研究。在文献“Electromagnetic incremental forming(EMIF):a novelaluminum alloy sheet and tube forming technology”中，作为脉冲放电的电磁体在板料上沿着模具轮廓一步一步移动，每移动一步在一个位置连续两次放电。第一次放电使板料接近模具轮廓，第二次放电对前一步校形，并使板料与模具贴合。该研究表明，电磁脉冲渐进成形工艺采用小线圈和小能量设备能够成形大尺寸板形零件。但该实验中，线圈没有在轴向移动，成形后零件的高度只有10mm。

在专利申请号为201510180447.6的“一种大型薄壁件的拉形和电磁复合渐进成形方法及装置”的发明专利中，李建军、崔晓辉和莫健华等提出采用“拉形-放电-再拉形-再放电”的交替成形过程，最终实现大型零件成形的方法。在文献“Large-scale sheetdeformation process by electromagnetic Incremental forming combined withstretch forming”中，Cui XH等通过有限元仿真和实验证明了该方法可以实现大尺寸板型零件的成形。在所描的成形过程，线圈放电后只有与线圈正对的板料发生了塑性变形。因此，对于回转体或线型等对称性零件的成形，理论上不需要一个整体模具就可以实现大型板料的成形制造，从而大幅度降低模具的制作成本。并且上述的专利和论文中都是采用多个油缸对板料进行拉形，但在实际使用过程中，多个油缸的运动容易不同步。当板料的尺寸越大，这种不同步就使板料拉形后发生倾斜的程度越大，最终影响成形精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种板型零件的电磁脉冲成形装置及其成形方法，它可有效降低模具的尺寸，利于降低模具的制作成本，并且具有较高的成形精度，利于大尺寸板料的精确成形。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种板型零件的电磁脉冲成形装置，包括支撑架、凸模、升降机构、夹持机构、电磁脉冲元件，所述凸模安装在支撑架上，所述升降机构的上方与凸模的下方连接，所述夹持机构的数量为两个，分别对称分布在凸模的两侧，夹持机构的顶端设有夹持元件，所述电磁脉冲元件位于凸模的上方，并与凸模之间存有空隙。

作为上述技术方案的进一步改进：所述夹持机构包括夹持元件、螺栓和紧固螺母，所述夹持元件包括压板和托板，压板和托板平行放置，并均固定在螺栓的上部，所述螺栓的底部螺母固定在支撑架上，所述紧固螺母位于夹持元件的上方，并固定在螺栓的顶部，紧固螺母可实现支撑架位置的固定，进而实现加持机构位置的固定，通过拧松和拧紧紧固螺母可实现夹持机构位置的调整。

进一步的，所述支撑架包括底板和支撑柱，所述底板的上表面设有倒置的T型槽，所述螺栓的螺母固定在T型槽内，并能沿T型槽进行滑动，进而带动支撑架可在T型槽内做直线运动，最终实现夹持元件带动板料可做直线运动，此结构可实现对线型零件的成形。

进一步的，所述升降机构包括液压油缸，液压油缸位于凸模的正下方。

进一步的，所述升降结构与凸模之间还设有能使凸模旋转或固定的旋转机构，此旋转机构可方便旋转凸模，使回转型零件的成形过程中也可以不旋转板料，而通过旋转凸模也能达到相同的成形效果，利于实现板料成形向自动化方向发展，利于节省人力，提高成形效率和成形精度；此旋转机构可以是现有技术中常见的旋转机构，如CN207145735U、CN107906320A或CN202606645U等公开的旋转机构的结构，只需要将该旋转机构固定在升降机构和凸模之间，使凸模可进行旋转和固定即可。

进一步的，所述电磁脉冲元件包括线圈和线圈上方用于固定线圈的线圈夹持杆。

进一步的，所述线圈为单层或多层，所述线圈截面为圆形或矩形的紫铜线绕制而成。

进一步的，所述电磁脉冲元件的数量为一个或沿凸模中心轴对称的两个或多个，可根据成形效率的需要进行合理选择，电磁脉冲元件的数量越多，越利于提高成形的速度。

进一步的，所述凸模由实心或空心的模具刚材料制成，强度较高，本身不易发生变形。

进一步的，所述凸模、压板和托板均为回转体整体凸模、压板和托板的一部分，两个所述夹持机构与凸模轴线的距离相等，保证板料变形的均匀性；所述凸模、压板和托板的宽度不小于电磁脉冲元件的宽度，这是因为线圈的尺寸决定了放电后板料变形区域的大小，只有板料变形区域的宽度小于凸模、压板和托板的宽度，才能保证板料能完全与凸模贴合，并在成形过程中被压板和托板夹紧；此种凸模结构在凸模下方旋转机构的支持下进行旋转，可形成与整体回转体凸模的效果相同的情况，既节省凸模材料，又利于实现成形过程的自动化。

进一步的，所述凸模为线型整体凸模的一部分或为球形凸模；或所述凸模为线型整体凸模结构；所述压板和托板均为整体压板和托板的一部分，或压板和托板均为整体结构的压板和托板；当凸模为线型整体凸模的一部分时，板料沿凸模做直线运动的变形后轨迹构成线型零件，当凸模为球形凸模时，不需要凸模的旋转就能实现回转体零件的快速加工；当压板和托板均为整体压板和托板的一部分时，可将压板和托板对称分布，利于保证板料的位置稳定性；当压板和托板均为整体压板和托板时，板料被固定的更为牢固。

一种板型零件的电磁脉冲成形装置的成形方法，包括如下步骤：

a：用夹持元件夹持待成形板料的边缘，并将待成形板料放置于凸模上；

b：升降机构向上运动，并带动凸模运动，使待成形板料被小幅度拉弯和绷紧；

c：将电磁脉冲元件移动到特定的位置，电磁脉冲元件根据板料拉弯后的形状旋转，使电磁脉冲元件正对已拉弯的板料区域并放电；与电磁脉冲元件正对的板料在电磁力作用下变形，并与凸模贴合；

d：凸模下降，松开夹持元件，使下一步板料的待变形区域与电磁脉冲元件正对，随后凸模上升到与步骤b相同的高度，并加紧夹持元件,再次使板料拉弯；

e：重复操作步骤c和步骤d，实现板料在同一层的整体成形。

作为上述技术方案的进一步改进：步骤d中根据最终所需产品的形状是回转体或线型结构的不同，在凸模下降，松开夹持元件后选择沿板料的轴线旋转板料或沿直线方向移动板料，然后在完成步骤d后，反复操作步骤b至步骤e，实现板料的拉形-多次放电和旋转/移动板料-再拉形-再多次放电和旋转/移动板料的交替成形过程，直至完成板料的精确塑形制造。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的板型零件的电磁脉冲成形装置通过移动板料或凸模，来实现板料与凸模相对位置的调整，从而实现整体零件的制造。通过升降机构带动凸模实现凸模的上升，凸模上升后可实现板料一处的拉弯变形，随后电磁脉冲元件可通过放电使拉弯后板料的局部区域在电磁力作用下进行快速的精确变形，通过凸模与电磁脉冲元件的交替配合作用，尤其可使大尺寸板料的成形过程精度较高，用时较短，还能利用电磁脉冲成形的高速率特点，提高难变形材料的成形极限；

2、本发明的板型零件的电磁脉冲成形装置将电磁脉冲元件设置在凸模的上方，可以选用位置灵活、结构较小的电磁脉冲元件，保证电磁脉冲元件的每一步线圈放电都能实现板料的局部小区域成形，若想实现板料不同位置的精确变形，可以通过移动板料或移动电磁脉冲元件来实现，灵活性较高，能够有效降低对电磁成形设备的要求；

3、本发明的板型零件的电磁脉冲成形中，通过凸模上升实现预拉成形后，调整电磁脉冲元件的位置，使电磁脉冲元件的线圈正对待成形的板料区域，线圈放电矫形，可实现板料与模具贴合，提高了成形精度，同时提高了放电能量利用率；

4、本发明所成形的零件为整体结构，但所需要的凸模、压板和托板可以是现有的整体回转体凸模、压板和托板的一部分，从而极大的降低了凸模、压板和托板的尺寸以及其加工和材料成本，同时还降低了后续模具安装的复杂度；

5、本发明除了可以实现回转体板料的精确成形，还可实现由相同重复单元沿直线堆积构成的线性零件的精确成形，通过板料相对凸模做直线运动，实现板料的变形，然后逐步调整电磁脉冲元件的位置，逐步实现板料每个重复单元的精确变形。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明使用状态下的结构示意图；

图3是本发明所需要的凸模结构和整体回转体凸模对比示意图；

图4是本发明线圈放电后板料旋转示意图。

图例说明：

1、支撑架；11、底板；111、T型槽；12、支撑柱；2、凸模；3、升降机构；4、夹持机构；41、夹持元件；411、压板；412、托板；42、螺栓；43、紧固螺母；5、电磁脉冲元件；51、线圈；52、线圈夹持杆。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

如图1至图4所示，一种板型零件的电磁脉冲成形装置，包括支撑架1、凸模2、升降机构3、夹持机构4、电磁脉冲元件5，凸模2安装在支撑架1上，升降机构3的上方与凸模2的下方连接，夹持机构4的数量为两个，分别对称分布在凸模2的两侧，夹持机构4的顶端设有夹持元件41，电磁脉冲元件5位于凸模2的上方，并与凸模2之间存有空隙。

本实施例中，夹持机构4包括夹持元件41、螺栓42和紧固螺母43，夹持元件41包括压板411和托板412，压板411和托板412平行放置，并均固定在螺栓42的上部，螺栓42的底部螺母固定在支撑架1上，紧固螺母43位于夹持元件41的上方，并固定在螺栓42的顶部。

本实施例中，支撑架1包括底板11和支撑柱12，底板11的上表面设有倒置的T型槽111，螺栓42的螺母固定在T型槽111内，并能沿T型槽进行滑动。

本实施例中，升降机构3包括液压油缸，液压油缸位于凸模2的正下方。

本实施例中，电磁脉冲元件5的数量为一个，电磁脉冲元件5包括线圈51和线圈51上方用于固定线圈51的线圈夹持杆52。

本实施例中，凸模2、压板411和托板412均为回转体整体凸模、压板和托板的一部分，具体如图3所示，图中虚线内的封闭曲线部分为整体回转体凸模，阴影部分为本发明所需要的凸模结构，两个夹持机构4与凸模2轴线的距离相等，本实施例是回转体零件成形过程的实施例。

一种板型零件的电磁脉冲成形装置的成形方法，包括如下步骤：

a：用夹持元件41夹持待成形板料的边缘，并将待成形板料放置于凸模2上；

b：升降机构3向上运动，并带动凸模2运动，使待成形板料被小幅度拉弯和绷紧；

c：将电磁脉冲元件5移动到特定的位置，电磁脉冲元件5根据板料拉弯后的形状旋转，使电磁脉冲元件5正对已拉弯的板料区域并放电；与电磁脉冲元件5正对的板料在电磁力作用下变形，并与凸模2贴合；

d：凸模2下降，松开夹持元件41，使下一步板料的待变形区域与电磁脉冲元件5正对，随后凸模2上升到与步骤b相同的高度，并加紧夹持元件41,再次使板料拉弯；

e：重复操作步骤c和步骤d，实现板料在同一层的整体成形。

本实施例中，步骤d中根据最终所需产品的形状是回转体，在凸模2下降，松开夹持元件41后选择沿板料的轴线旋转板料或凸模，然后在完成步骤d后，反复操作步骤b至步骤e，实现板料的拉形-多次放电和旋转板料或凸模-再拉形-再多次放电和旋转板料或凸模的交替成形过程，直至完成板料的精确塑形制造；在本发明的其他实施例中，对于线型类零件，在凸模2下降，松开夹持元件41后选择沿直线移动转板料(即沿直线移动支撑架1)，然后在在完成步骤d后，反复操作步骤b至步骤e，实现板料的拉形-多次放电和移动板料-再拉形-再多次放电和移动料的交替成形过程，直至完成板料的精确塑形制造；在本发明的本实施例中和其他实施例中，升降结构3与凸模2之间还设有能使凸模2旋转或固定的旋转机构，该旋转机构可以是现有技术中常见的旋转机构，如CN207145735U、CN107906320A或CN202606645U等公开的旋转机构的结构，通过旋转机构可实现凸模的自动旋转或固定。

Claims (10)

1.一种板型零件的电磁脉冲成形装置，其特征在于：包括支撑架(1)、凸模(2)、升降机构(3)、夹持机构(4)、电磁脉冲元件(5)，所述凸模(2)安装在支撑架(1)上，所述升降机构(3)的上方与凸模(2)的下方连接，所述夹持机构(4)的数量为两个，分别对称分布在凸模(2)的两侧，夹持机构(4)的顶端设有夹持元件(41)，所述电磁脉冲元件(5)位于凸模(2)的上方，并与凸模(2)之间存有空隙。

2.根据权利要求1所述的板型零件的电磁脉冲成形装置，其特征在于：所述夹持机构(4)包括夹持元件(41)、螺栓(42)和紧固螺母(43)，所述夹持元件(41)包括压板(411)和托板(412)，压板(411)和托板(412)平行放置，并均固定在螺栓(42)的上部，所述螺栓(42)的底部螺母固定在支撑架(1)上，所述紧固螺母(43)位于夹持元件(41)的上方，并固定在螺栓(42)的顶部。

3.根据权利要求2所述的板型零件的电磁脉冲成形装置，其特征在于：所述支撑架(1)包括底板(11)和支撑柱(12)，所述底板(11)的上表面设有倒置的T型槽(111)，所述螺栓(42)的螺母固定在T型槽(111)内，并能沿T型槽进行滑动。

4.根据权利要求1所述的板型零件的电磁脉冲成形装置，其特征在于：所述升降机构(3)包括液压油缸，液压油缸位于凸模(2)的正下方。

5.根据权利要求1所述的板型零件的电磁脉冲成形装置，其特征在于：所述升降结构(3)与凸模(2)之间还设有能使凸模(2)旋转或固定的旋转机构。

6.根据权利要求1所述的板型零件的电磁脉冲成形装置，其特征在于：所述电磁脉冲元件(5)包括线圈(51)和线圈(51)上方用于固定线圈(51)的线圈夹持杆(52)。

7.根据权利要求2或3所述的板型零件的电磁脉冲成形装置，其特征在于：所述凸模(2)、压板(411)和托板(412)均为回转体整体凸模、压板和托板的一部分，两个所述夹持机构(4)与凸模(2)轴线的距离相等。

8.根据权利要求2或3所述的板型零件的电磁脉冲成形装置，其特征在于：所述凸模(2)为线型整体凸模的一部分或为球形凸模；或所述凸模(2)为线型整体凸模结构；所述压板(411)和托板(412)均为整体压板和托板的一部分，或压板(411)和托板(412)均为整体结构的压板和托板。

9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的板型零件的电磁脉冲成形装置的成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

a：用夹持元件(41)夹持待成形板料的边缘，并将待成形板料放置于凸模(2)上；

b：升降机构(3)向上运动，并带动凸模(2)运动，使待成形板料被小幅度拉弯和绷紧；

c：将电磁脉冲元件(5)移动到特定的位置，电磁脉冲元件(5)根据板料拉弯后的形状旋转，使电磁脉冲元件(5)正对已拉弯的板料区域并放电；与电磁脉冲元件(5)正对的板料在电磁力作用下变形，并与凸模(2)贴合；

d：凸模(2)下降，松开夹持元件(41)，使下一步板料的待变形区域与电磁脉冲元件(5)正对，随后凸模(2)上升到与步骤b相同的高度，并加紧夹持元件(41)，再次使板料拉弯；

e：重复操作步骤c和步骤d，实现板料在同一层的整体成形。

10.根据权利要求9所述的板型零件的电磁脉冲成形装置的成形方法，其特征在于，步骤d中根据最终所需产品的形状是回转体或线型结构的不同，在凸模(2)下降，松开夹持元件(41)后选择沿板料的轴线旋转板料或沿直线方向移动板料，然后在完成步骤d后，反复操作步骤b至步骤e，实现板料的拉形-多次放电和旋转/移动板料-再拉形-再多次放电和旋转/移动板料的交替成形过程，直至完成板料的精确塑形制造。