CN108838271A - 一种基于空心线圈的成形方法及装置 - Google Patents

一种基于空心线圈的成形方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于空心线圈的成形方法，包括：控制成形线圈放电，在成形线圈内部产生成形磁场，使得待成形样件与导电块构成的感应回路在所述成形磁场的作用下产生感应电流，在所述感应电流的作用下，待成形样件会产生温升，同时在感应电流和成形磁场的共同作用下，待成形样件受到电磁力成形，所述成形线圈为空心线圈，所述待成形样件和导电块位于所述成形线圈的内部。本发明由于待成形样件以及模具被放在成形线圈的里面，其受到的电磁场远比成形线圈外层的大的多，以致受到的成形力大大增强，极大地提高了成形效率。

Description

一种基于空心线圈的成形方法及装置
技术领域
本发明涉及材料成形制造领域，更具体地，涉及一种基于空心线圈的成形方法及装置。
背景技术
电磁脉冲成形技术是一种新兴的高能率成形技术，其原理是在成形线圈中通入脉冲大电流，待成形金属板件内会感应一个抵抗磁场变化的涡流，在磁场与涡流间相互作用下，待成形金属板件受到产生一个巨大的电磁力，从而使其发生塑性变形。其具有成形极限提高，回弹小等优点，因此，可以克服的高强度低成形性材料(如钛、铝、镁合金等)成形困难问题，促进其在轻量化结构中的应用。
然而在样件承受巨大的电磁力生变形时，成形线圈同时也受到极大电磁力，若不对成形线圈予以加固，成形线圈也在电磁力的作用下发生破坏。所以一般成形线圈都会层予以加固。由于加固层的存在，致使成形样件与成形线圈存在间距，导致待成形样件所受的磁场大大减少，从而受到的电磁力也相应减少。同时由于大多数的待成形样件一般放在成形线圈的外围，其感受的磁场相对较小，这致使成形线圈与待成形样件的磁场耦合大大减弱，从而电磁成形效率也大大减少。综上，现有的电磁成形主要的问题有：
1、由于大多数的待成形样件一般放在成形线圈的外围，成形样件与成形线圈间距的限制了成形线圈的加固层的厚度，导致线圈不能充分的加固，从而寿命大大减少。
2、由于大多数的待成形样件一般放在成形线圈的外围，样件上感受的磁场相对较小，这致使成形线圈与待成形样件的磁场耦合大大减弱，从而电磁成形效率也大大减少。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有电磁成形装置中，加固层有限，成形利用率低等技术问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种基于空心线圈的成形方法，包括：
控制成形线圈放电，在成形线圈内部产生成形磁场，使得待成形样件与导电块构成的感应回路在所述成形磁场的作用下产生感应电流，在所述感应电流的作用下，待成形样件会产生温升，同时在感应电流和成形磁场的共同作用下，待成形样件受到电磁力成形，所述成形线圈为空心线圈，所述待成形样件和导电块位于所述成形线圈的内部，待成形样件可根据激励成形线圈的波形特征，在合适的温度下成形。
可选地，该基于空心线圈的成形方法还包括：通过模具约束所述待成形样件的成形形状；通过压边块受到的外部压力致使所述的感应回路中的待成形样件与导电块保持良好的电接触。
可选地，所述待成形的样件可以为一片或两片；当所述待成形样件为两片时，将所述待成形样件分布在导电块的两侧，若所述成形装置包括模具，则将所述模具相对两个待成形样件的两侧均设置凹槽，以分别约束两个待成形样件的成形形状。
可选地，该基于空心线圈的成形方法还包括：成形线圈加固层；通过成形线圈加固层对所述成形线圈进行加固。
另一方面，本发明提供一种基于空心线圈的成形装置，包括：成形线圈、导电块以及压边块；
所述成形线圈为空心，所述导电块和压边块均放置在成形线圈的内部，所述导电块用于与待成形样件构成闭合的感应回路，所述压边块用于受到外部压力致使所述的感应回路中的待成形样件与导电块保持良好的电接触；所述成形线圈用于在其放电时提供成形磁场，所述感应回路在所述成形磁场的作用下产生感应电流，在所述感应电流的作用下，待成形样件会产生温升，同时在感应电流和成形磁场的共同作用下，待成形样件受到电磁力成形。
可选地，该基于空心线圈的成形装置还包括：模具；所述模具放置在所述感应回路的内部，用于约束所述待成形样件的成形形状。
可选地，所述待成形的样件可以为一片或两片；当所述待成形样件为两片时，所述待成形样件分布在导电块的两侧，若所述成形装置包括模具，则所述模具相对两个待成形样件的两侧均设置有凹槽，以分别约束两个待成形样件的成形形状。
可选地，该基于空心线圈的成形装置还包括：成形线圈加固层；所述成形线圈加固层用于对所述成形线圈进行加固。
可选地，所述成形线圈可以采用多匝多层、多匝单层、单匝多层或单匝单层的螺旋线圈构成，其形状可以根据待成形样件所需成形形状合理设计，不限于长方形、矩形、跑道型或者其他平面形状的组合。
需要说明的是，成形线圈还可以采用其他形式满足需求的螺旋线圈，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，本发明不对此做唯一性限定。
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，具有以下有益效果：
1、在脉冲电流的作用下，成形线圈主要受到向外的径向力，而待成形样件以及模具被放在线圈的里面，因此线圈加固层不受限制，可以大大提高成形线圈的寿命。
2、由于待成形样件以及模具被放在成形线圈的里面，其受到的电磁场远比成形线圈外层的大的多，以致受到的成形力大大增强，极大地提高了成形效率。
3、待成形样件不仅受到向下的成形力，同时亦受到两侧向里的径向力，这样可以极大地提高待成形样件的成形深度。而传统的做法需要另外一套线圈系统提高径向力，节约了能量。
4、在导电块的作用下，可以提高待成形样件中所流过的感应电流，提高成形效率，而在合理线圈设计下，待成形样件可以受到使均匀的压力，保证成形质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的两片成形样件同时成形结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一片成形样件成形结构示意图；
图3是本发明实施例提供的两片成形样件焊接示意图；
图4是本发明实施例提供的典型放电电源结构和放电时序示意图；
图5是本发明实施例提供的工装示意图；
图6是本发明实施例提供的工装组合完成时示意图；
图7是本发明实施例提供的典型匹配的集磁器示意图。
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。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。
本发明提供了一种基于空心线圈的成形装置，其装置参见图1-图3所示，包括待成形样件5、成形线圈2、模具6、导电块4、压边块3、线圈加固层1以及电源。成形线圈2、成形线圈加固层1以及电源构成电磁驱动器，电源用于对成形线圈2提供电源，成形线圈加固层1分布在成形线圈2外侧，用于加固成形线圈2。
导电块4和待成形样件构成感应回路。感应回路放置在成线圈的内部。压边块3受到外部压力致使所述的感应回路中的待成形样件5与导电块4保持良好的电接触。电磁致动器通过电源为成形线圈提供时变电流，所述感应回路的会在线圈产生的变化的磁场的作用下产生感应电流，感应电流通过导电块与待成形样件构成闭合的电流回路。在感应电流的作用下，待成形样件会产生温升，同时在感应电流和磁场的共同作用下，待成形样件也会受到强大的电磁力。
激励成形线圈2的电流波形特征不同，待成形样件5上产生温升和所受到电磁力程度不同。通过一定特征的电流特征，如会呈现完全不同的特征，如长时间的周期型电流波形，可用待成形样件5可以产生的较高的温度，此类电源可以采用带充电模块的电容器通过长脉冲的电流放电实现，亦可以通过高频感应加热电源实现；如通过短时间的脉冲电流可以使样件上产生瞬态的电磁力，致使其高应变率成形，此类电源可以采用带充电模块的电容器通过窄脉冲的电流放电实现。电磁驱动器中的成形线圈2可以采用多匝多层、多匝单层、单匝多层、单匝单层或其他形式的螺旋线圈构成，成形线圈的形状可以待成形样件所需成形形状合理设计，不限于长方形，矩形，跑道型或者任何平面形状的组合。线圈制作可以采用导电导线缠绕、导电体整体切割、比特线圈(Bitter Coil)或者以上任意组合构成。
线圈2的线圈加固层1由于不受限制，故线圈加固层内可根据线圈受热情况选择性增加水冷装置，以减少线圈受热从而提高线圈寿命。
导电块4应采用导电导体构成，优选如铜、铝等良导体，同时导电块4应待成形样件保持良好的电接触，为感应电流提供回路，从而可以显著提高待成形样件上流过的感应电流。
待成形样件3可以是金属材料，亦可以是镀有金属的任何材料，即任何在交变磁场中能感应出涡流的材料。
模具6可以按需要设计，可以波浪形，凹性等任意曲面形状以约束待成形样件的形状；亦可以任意形状的凹槽实现板材冲裁；或者不设置模具6实现两片金属板材的焊接。
压边块3应采用一定强度的绝缘材料构成，为减少导电块与待成形样件的接触电阻，压边块3与待成形样件5之间可以采用类似于硅胶片这样的软膜做垫片。
本发明提供的成形装置可以一次性成形两片样件，亦可以只成形一片待成形样件。当待成形样件为两片时，待成形样件分布在导电块的两侧，若成形装置包括模具，则模具相对两个待成形样件的两侧均设置有凹槽，以分别约束两个待成形样件的成形形状。当成形一片带成形样件时，导电块与待成形样件仍需形成良好的电接触，为感应电流提供回路。
具体地，参见附图，图1为成形装置包括模具，且一次性对两个待成形样件成形。图2位成形装置包括模具，且一次性对一个待成形样件成形。图3为成形装置不包括模具，且一次性对两个待成形样件焊接。当成形装置一次性对两个待成形样件成形时，压边块3可分为压边块3-1和压边块3-2，待成形样件5分为5-1和5-2，导电块4分为4-1和4-2。图1-图3中，箭头P指的是为压边块或者整个装置所受约束力方向示意，避免压边块或者整个装置待成形过程中弹起。
本发明提供的成形装置可以配合驱动板使用，驱动板可以是金属，亦可以是镀有金属的任何材料不良导体，驱动板须与导电块保持电接触，待成形样件放置在驱动板的内侧。
本发明提供的成形装置可以配合集磁器使用，集磁器放置在电磁驱动器与感应回路的中间，集磁器可以改变电磁力的分布，达到样件上局部电磁力增强或者虚弱的目的。
本发明第一实施案例提供了燃料电池金属双极板的成形装置及方法，按下述步骤实现：
步骤1：装配装置：以图5说明，成形装置包括待成形样件5-1、5-2，成形线圈2，模具6，导电铜块4-1、4-2、压边块3-1、3-2，线圈加固层1-1、1-2，线圈骨架7、电源(未画出)。成形线圈2缠绕在线圈骨架7上，并采用线圈加固层1-1、1-2进行加固。所述的成形样件5-1、5-2放置在模具6的上下两侧，并在压边块3-3、3-2的作用下于与导电铜块4-1、4-2构成良好的电接触。装配好的成形样件5-1、5-2、模具6、压边块3-3、3-2、导电铜块4-1、4-2放入线圈2的内部，最终的装配图如图6所示。所述的待成形样件为0.1mm的SS304(不锈钢板)。所述的模具为根据双极板成形的定制的氧化锆陶瓷模具。装配完成后线圈加固层1-1的上侧采用压床以约束，以防成形过程中整个装置弹起；
步骤2：连接电路；装配完成后，采用如图4a的带续流的二极管的电容器C对成形线圈Coil进行放电，电容C为容量为50～160uF，放电电压为0V到25kV可调，二极管D与续流二极管保护电阻Rd构成续流回路以消除震荡电流，有效少线圈温升。续流回路可根据实际需要选择性使用。闭合开关s后线圈(coil)的放电波形如图4b所示。放电过程中，由导电铜块4-1、4-2和待成形样件5-1、5-2够成闭合回路在线圈2的磁场的作用下，感应出的环向电流如图1所示，在磁场与感应电流的共同作用下，待成形样件5-1、5-2受到电磁力发生塑性变形，并完成贴膜。虽然线圈也受到巨大的径向电磁力，但在线圈加固层1-1、1-2的约束下并未发生形变。整个成形过程在瞬间完成；放电结束后，关闭电源，取出待成形样件。
步骤3：重复步骤1、2可对金属的板件进行多次成形。亦可以根据样件的成形的形状再次设计线圈的形状，多次放电，直至待成形样件完成贴膜。
本发明第二实施案例提供了一种针对非晶合金的超塑性成形方法：本实施方式与具体实施方案一不同点在于，待成形样件换成100um非晶合金Zr35Ti30Cu7.5Be27.5条带，通过合理控制如图5的带续流的二极管的电容器放电电压或者电源电路中电感、电阻等电气参数，使其快速的被加热到过冷液态区，此时虽然电流由于有衰减所受的电磁力有所下降，但此时的电磁力仍足以使呈现出的粘滞流变特性(粘度为102Pa·s左右)的非晶合金下实现超塑性成形。然后与模具瞬速接触冷却，使处于高温状态的下非晶合金不至于晶化或氧化。
本发明第三实施案例提供了一种针对镁合金的温成形方法：本实施方式与具体实施方案一不同点在于，待成形样件换成镁合金。装配过程仍同第1实施案例，放电过程不同于具体实施方案一，首先采用采用高频感应加热电源对成形线圈进行放电，在感应电流的作用下，使镁合金温升达到150～250摄氏度左右，立即切换到如图4a所示高压电容进行放电，在磁场与感应电流的共同作用下，待成形样件5-1、5-2受到电磁力发生塑性变形，并完成贴膜。
本发明第四实施案例提供了一种铝板的焊接方法，本实施方式与具体实施方案一不同点在于，去除模具6，并在合理控制导电铜块的高度使铝板5-1、5-2保持合适的间隙。最后在如图4a的所示的高压电容器作用下对成形线圈进行放电，在瞬态电磁力的作用下完成铝板5-1、5-2的焊接。
本发明第五实施案例提供了一种铝板的焊接方法，本实施方式与具体实施方案四不同点在于，如图7所示的集磁器放置在电磁驱动器与由导电块与待成形样件构成的感应回路的中间，集磁器采用与成形线圈和感应回路相匹配的高导电率铜长方体或圆柱体中空切割而成，在侧壁有开通的一条立缝，且同轴方向的内孔径小于外孔径。集磁器可以改变电磁力的分布，使待成形铝板受到更集中的电磁力，以提高焊接能力。
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 (9)

1.一种基于空心线圈的成形方法，其特征在于，包括：
控制成形线圈放电，在成形线圈内部产生成形磁场，使得待成形样件与导电块构成的感应回路在所述成形磁场的作用下产生感应电流，在所述感应电流的作用下，待成形样件会产生温升，同时在感应电流和成形磁场的共同作用下，待成形样件受到电磁力成形，所述成形线圈为空心线圈，所述待成形样件和导电块位于所述成形线圈的内部；
所述的待成形样件可根据激励成形线圈的波形特征，在合适的温度下成形。
2.根据权利要求1所述的基于空心线圈的成形方法，其特征在于，还包括：
通过模具约束所述待成形样件的成形形状；
通过压边块受到的外部压力致使所述的感应回路中的待成形样件与导电块保持良好的电接触。
3.根据权利要求2所述的基于空心线圈的成形方法，其特征在于，所述待成形的样件可以为一片或两片；
当所述待成形样件为两片时，将所述待成形样件分布在导电块的两侧，若所述成形装置包括模具，则将所述模具相对两个待成形样件的两侧均设置凹槽，以分别约束两个待成形样件的成形形状。
4.根据权利要求2所述的基于空心线圈的成形方法，其特征在于，还包括：成形线圈加固层；
通过成形线圈加固层对所述成形线圈进行加固。
5.一种基于空心线圈的成形装置，其特征在于，包括：成形线圈、导电块以及压边块；
所述成形线圈为空心，所述导电块和压边块均放置在成形线圈的内部，所述导电块用于与待成形样件构成闭合的感应回路，所述压边块用于受到外部压力致使所述的感应回路中的待成形样件与导电块保持良好的电接触；
所述成形线圈用于在其放电时提供成形磁场，所述感应回路在所述成形磁场的作用下产生感应电流，在所述感应电流的作用下，待成形样件会产生温升，同时在感应电流和成形磁场的共同作用下，待成形样件受到电磁力成形。
6.根据权利要求5所述的基于空心线圈的成形装置，其特征在于，还包括：模具；
所述模具放置在所述感应回路的内部，用于约束所述待成形样件的成形形状。
7.根据权利要求5或6所述的基于空心线圈的成形装置，其特征在于，所述待成形的样件可以为一片或两片；
当所述待成形样件为两片时，所述待成形样件分布在导电块的两侧，若所述成形装置包括模具，则所述模具相对两个待成形样件的两侧均设置有凹槽，以分别约束两个待成形样件的成形形状。
8.根据权利要求5或6所述的基于空心线圈的成形装置，其特征在于，还包括：成形线圈加固层；
所述成形线圈加固层用于对所述成形线圈进行加固。
9.根据权利要求5或6所述的基于空心线圈的成形装置，其特征在于，所述成形线圈可以采用多匝多层、多匝单层、单匝多层或单匝单层的螺旋线圈构成，其形状可以根据待成形样件所需成形形状合理设计，不限于长方形、矩形、跑道型或者其他平面形状的组合。
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