CN108856443B - 一种提供持续电磁力的电磁成形装置及方法 - Google Patents

一种提供持续电磁力的电磁成形装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提供持续电磁力的电磁成形装置，包括凹模、线圈和放电回路，所述线圈设于所述凹模上，待成形的板料设于凹模和线圈之间，所述线圈与所述放电回路电连接，所述放电回路包括能产生稳态磁场的稳态磁场放电回路和能产生交变磁场的交变磁场放电回路，所述稳态磁场放电回路和交变磁场放电回路分别与所述线圈电连接。本发明还公开了一种电磁成形方法，包括稳态磁场放电回路放电、交变磁场放电回路放电并与稳态磁场放电回路产生的电流叠加、交变脉冲电流感应得到感应涡流以及板料在磁场力作用下完成成形等步骤。本发明具有成形效率高、成形精度好、有效避免板料反弹、能提供持续电磁力且能对电磁力进行精确调控进而实现柔性制造等优点。

Description

一种提供持续电磁力的电磁成形装置及方法
技术领域
本发明属于材料加工领域，尤其涉及一种提供持续电磁力的电磁成形装置及方法。
背景技术
传统的“电磁成形”技术，又叫做“电磁脉冲成形”技术，是一种利用脉冲电磁力对金属工件进行高速加工的方法。传统的电磁脉冲成形过程中，电容、线圈以及放电电路构成RLC电路。能量存储在电容中，当放电开关瞬间闭合，线圈中会流过衰减的交变电流。此交变电流会在金属工件表面上得到与线圈电流方向相反的感应电流，从而在工件上产生脉冲电磁力，见图1(具体可见文献“some measurements of the expansion of a metalliccylinder with electromagnetic pulses”)。这种脉冲电磁力存在以下两个问题：(1)脉冲电磁力主要是第一半波对材料变形起作用，其它半波因为电磁力衰减大可以忽略，因此磁场力作用时间短，成形效率低；(2)脉冲电流从初始时刻的0值开始增加，导致电磁力缓慢增加。但是由于板料的变形，导致线圈与工件的距离增大，会使工件上的感应电流和磁场力减弱；(3)电磁力驱动工件先发生加速变形，后续工件会在惯性力作用下继续变形，当工件撞击模具时，由于没有强大电磁力作用在工件上产生保压的作用，板料容易发生反弹，造成成形质量不均匀。
文献号为CN103341546A的专利文献公开了一种轻合金壳体成形件磁脉冲成形装置及方法，于海平等为了解决一体式匀压线圈难以实现轻合金壳体成形件圆角的贴模成形的问题，发明了分体式线圈。采用一体式和分体式线圈连续两次放电来提高零件的成形精度。但是为了提高精度所需要的多次放电和多套线圈结构，会减弱成形效率。并且针对高硬度材料，磁场力驱动材料与模具的高速碰撞，依旧无法解决高速碰撞后的反弹问题，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存在的不足，提供一种成形效率高、成形精度好、有效避免板料反弹、能提供持续电磁力且能对电磁力进行精确调控进而实现柔性制造的电磁成形装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种提供持续电磁力的电磁成形装置，包括凹模、线圈和放电回路，所述线圈设于所述凹模上，待成形的板料设于所述凹模和线圈之间，所述线圈与所述放电回路电连接，所述放电回路包括能产生稳态磁场的稳态磁场放电回路和能产生交变磁场的交变磁场放电回路，所述稳态磁场放电回路和交变磁场放电回路分别与所述线圈电连接。
上述的提供持续电磁力的电磁成形装置，优选的，所述稳态磁场放电回路和交变磁场放电回路之间存在一个放电时间差，所述交变磁场放电回路在所述稳态磁场放电回路的电流达到峰值并稳定后再放电，所述稳态磁场放电回路和交变磁场放电回路均放电后在线圈上叠加产生脉冲电流。
上述的提供持续电磁力的电磁成形装置，优选的，所述交变磁场放电回路产生的电流波形为脉冲的正弦波、三角波或方波。
上述的提供持续电磁力的电磁成形装置，优选的，所述电磁成形装置还包括用于给所述板料加热的加热装置，所述加热装置为电阻加热装置、电磁感应加热装置、热辐射加热装置或设于所述凹模内的加热棒。
上述的提供持续电磁力的电磁成形装置，优选的，所述线圈的外部设有外部导体。
上述的提供持续电磁力的电磁成形装置，优选的，所述凹模与所述板料接触的面上设有内凹的型腔，所述型腔的底面设有凸起、内凹或平面结构。
上述的提供持续电磁力的电磁成形装置，优选的，所述凹模包括两个凹模块，所述两个凹模块对称设置，两个凹模块之间留有供所述板料发生自由变形的缺口。
上述的提供持续电磁力的电磁成形装置，优选的，所述线圈为平板成形线圈或管件成形线圈。
一种使用上述的提供持续电磁力的电磁成形装置进行电磁成形的方法，包括以下步骤，
S2、稳态磁场放电回路放电，通过线圈的电流在t1时刻达到峰值和稳态；
S3、在t1之后的t2时刻交变磁场放电回路放电产生交变电流，交变磁场放电回路产生的交变电流与稳态磁场放电回路产生的电流叠加，从t2时刻起得到一个初始电流大于0的交变脉冲电流；
S4、从t2时刻开始线圈上流过交变脉冲电流，交变脉冲电流感应得到感应涡流，板料在电磁力的作用下发生变形并与凹模贴合完成电磁成形。
上述的电磁成形的方法，优选的，在所述步骤S2前，还包括步骤S1，
S1、使用加热装置使板料升温，当板料温度达到设定值后，调整加热速度，使板料的温度保持恒定。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的放电回路包括稳态磁场放电回路和交变磁场放电回路，板料工件的变形受到周围磁场和感应电流大小的影响，板料工件周围的磁场大小与此刻的电流数值有关，板料工件上的感应涡流与此刻通过线圈的电流数值和电流变化率有关，由于稳态磁场放电回路能产生大数值的稳态电流，交变磁场放电回路能产生小数值的交变电流，因此磁场大小主要由稳态磁场放电回路决定，电流变化率主要由交变磁场放电回路决定，通过调整交变磁场放电回路的电流波形，实现不同的电流变化率，进而能够控制作用于板料工件上的感应涡流和最终磁场力的大小，实现板料变形所需磁场力的精确调控，实现柔性制造。
(2)本发明采用两套放电回路分别产生电流并进行电流波形叠加，从t2时刻起，会有大脉冲电流通过线圈，此脉冲电流在t2时刻的数值为稳态磁场放电回路产生的大数值的稳态电流数值，因此板料工件在t2时刻一开始就受到快速增加的电磁力，且t2时刻线圈和板料的距离最近，有利于提高成形效率。
(3)交变磁场放电回路能产生小数值的交变电流，方便控制，增加交变磁场放电回路所产生的脉冲电流时间，可以对板料的变形提供持续的强电磁力，在强电磁力的作用下，板料压靠在凹模模具上，有效避免板料高速撞击凹模模具发生反弹，提高了成形精度。
(4)整个电磁成形过程只需要一套放电线圈放电一次，有利于提高成形效率。
附图说明
图1是传统电磁成形中的脉冲电流所对应的脉冲磁场力示意图。
图2是实施例1提供持续电磁力的电磁成形装置的结构示意图。
图3是实施例1中稳态磁场放电回路和交变磁场放电回路各自对应的电流波形图。
图4是实施例1中稳态磁场放电回路和交变磁场放电回路电流叠加后的电流波形图。
图5是实施例1中线圈放电后板料变形的结构示意图。
图6是实施例2中线圈放电前板料电磁成形的结构示意图。
图7是实施例2中线圈放电后板料变形的结构示意图。
图8是实施例3中线圈放电前板料电磁成形的结构示意图。
图9是实施例3中线圈放电后板料变形的结构示意图。
图10是实施例4中线圈放电前板料电磁成形的结构示意图。
图11是实施例4中线圈放电后板料变形的结构示意图。
图例说明：
1、凹模；11、型腔；12、凹模块；2、线圈；21、外部导体；3、放电回路；31、稳态磁场放电回路；32、交变磁场放电回路；4、板料；5、加热装置；51、加热棒。
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做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
实施例1：
如图1至图5所示，本实施例的提供持续电磁力的电磁成形装置，包括凹模1、线圈2和放电回路3，线圈2设于凹模1上，待成形的板料4设于凹模1和线圈2之间，线圈2与放电回路3电连接，放电回路3包括能产生稳态磁场的稳态磁场放电回路31和能产生交变磁场的交变磁场放电回路32，稳态磁场放电回路31和交变磁场放电回路32分别与线圈2电连接。稳态磁场放电回路31能产生大数值的稳态电流进而决定磁场大小，交变磁场放电回路32能产生小数值的交变电流，进而决定电流变化率，通过对两个放电回路电流的控制实现对磁场力的精确调控，实现柔性制造。
本实施例中，稳态磁场放电回路31和交变磁场放电回路32之间存在一个放电时间差，交变磁场放电回路32在稳态磁场放电回路31的电流达到峰值并稳定后再放电，稳态磁场放电回路31和交变磁场放电回路32均放电后在线圈2上叠加产生脉冲电流。叠加的脉冲电流的初始值大，因此板料工件一开始就受到快速增加的电磁力，成形效率高。
本实施例中，交变磁场放电回路32产生的电流波形为脉冲的正弦波。
本实施例中，电磁成形装置还包括用于给板料4加热的加热装置5，加热装置5为设于凹模1内的加热棒51。加热棒51可以向凹模1加热，并通过热传导加热待变形的板料4，温升使板料4升温软化，有利于板料4向凹模1的细微结构流动并发生塑性变形，适合于难变形材料的成形，提高成形效率，同时软化后的材料发生高速变形，板料4与模具碰撞产生的反弹力小，有利于板料4的精确控形。
本实施例中，线圈2的外部设有外部导体21。当线圈2放电，板料4和外部导体21都会感应涡流并构成回路，有利于磁场力在板料4上的均匀分布，同时外部导体21起到压边圈的作用，外部导体21压在板料4上防止板料4受力发生移动而影响电磁成形过程。
本实施例中，凹模1与板料4接触的面上设有内凹的型腔11，型腔11的底面为凸起的细微结构。板料4在磁场力的作用下发生变形，并与凹模1型腔11的底面贴合，得到具有凸起细微结构的板料4。
本实施例中，线圈2为平板成形线圈。
实施例2：
本实施例的提供持续电磁力的电磁成形装置与实施例1基本相同，主要不同之处在于，如图6和图7所示，本实施例中型腔11的底面为内凹的细微结构。板料4在磁场力的作用下发生变形，并与凹模1型腔11的底面贴合，得到具有内凹细微结构的板料4。
实施例3：
本实施例的提供持续电磁力的电磁成形装置与实施例1基本相同，主要不同之处在于，如图8和图9所示，本实施例中型腔11的底面为不带凸起和内凹的平面结构。板料4在磁场力的作用下发生变形，并与凹模1型腔11的底面贴合，得到具有平面结构的板料4。
实施例4：
本实施例的提供持续电磁力的电磁成形装置与实施例1基本相同，主要不同之处在于，如图10和图11所示，本实施例中凹模1包括两个凹模块12，两个凹模块12对称设置，两个凹模块12之间留有供板料4发生自由变形的缺口。板料4在磁场力的作用下发生变形，由于凹模1为无底结构，两个凹模块12之间留有缺口，因此板料4受到磁场力的作用后会发生自由变形，得到具有自由变形的板料4。
在其他实施例中，加热装置5可以为电阻加热装置、电磁感应加热装置或热辐射加热装置。
在其他实施例中，线圈2可以为管件成形线圈。
一种使用上述实施例的电磁成形装置进行电磁成形的方法，包括以下步骤：
S1、使用加热棒51使板料4升温，当板料4温度达到设定值后，调整加热速度，使板料4的温度保持恒定；
S2、稳态磁场放电回路31放电，通过线圈2的电流在t1时刻达到峰值和稳态；
S3、在t1之后的t2时刻交变磁场放电回路32放电产生交变电流，交变磁场放电回路32产生的交变电流与稳态磁场放电回路31产生的电流叠加，从t2时刻起得到一个初始电流大于0的交变脉冲电流；
S4、从t2时刻开始线圈2上流过交变脉冲电流，交变脉冲电流感应得到感应涡流，板料4在电磁力的作用下发生变形并与凹模1贴合完成电磁成形。
步骤S1中，温升会使板料4发生软化，有利于板料4向凹模1的细微结构流动和变形，提高成形效率，步骤S2中产生大数值的稳态电流，稳态磁场放电回路影响磁场大小，步骤S3中产生小数值的交变电流，交变磁场放电回路影响电流变化率，从而实现对磁场力的精确调控，两个放电回路产生的电流叠加后，板料工件在t2时刻一开始就受到快速增加的电磁力，有利于提高成形效率。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种提供持续电磁力的电磁成形装置，包括凹模(1)、线圈(2)和放电回路(3)，所述线圈(2)设于所述凹模(1)上，待成形的板料(4)设于所述凹模(1)和线圈(2)之间，所述线圈(2)与所述放电回路(3)电连接，其特征在于：所述放电回路(3)包括能产生稳态磁场的稳态磁场放电回路(31)和能产生交变磁场的交变磁场放电回路(32)，所述稳态磁场放电回路(31)和交变磁场放电回路(32)分别与所述线圈(2)电连接。
2.根据权利要求1所述的电磁成形装置，其特征在于：所述稳态磁场放电回路(31)和交变磁场放电回路(32)之间存在一个放电时间差，所述交变磁场放电回路(32)在所述稳态磁场放电回路(31)的电流达到峰值并稳定后再放电，所述稳态磁场放电回路(31)和交变磁场放电回路(32)均放电后在线圈(2)上叠加产生脉冲电流。
3.根据权利要求1所述的电磁成形装置，其特征在于：所述交变磁场放电回路(32)产生的电流波形为脉冲的正弦波、三角波或方波。
4.根据权利要求1所述的电磁成形装置，其特征在于：所述电磁成形装置还包括用于给所述板料(4)加热的加热装置(5)，所述加热装置(5)为电阻加热装置、电磁感应加热装置、热辐射加热装置或设于所述凹模(1)内的加热棒(51)。
5.根据权利要求1所述的电磁成形装置，其特征在于：所述线圈(2)的外部设有外部导体(21)。
6.根据权利要求1所述的电磁成形装置，其特征在于：所述凹模(1)与所述板料(4)接触的面上设有内凹的型腔(11)，所述型腔(11)的底面设有凸起、内凹或平面结构。
7.根据权利要求1所述的电磁成形装置，其特征在于：所述凹模(1)包括两个凹模块(12)，所述两个凹模块(12)对称设置，两个凹模块(12)之间留有供所述板料(4)发生自由变形的缺口。
8.根据权利要求1所述的电磁成形装置，其特征在于：所述线圈(2)为平板成形线圈或管件成形线圈。
9.一种提供持续电磁力的电磁成形方法，其特征在于：使用如权利要求1至8任一项所述的电磁成形装置进行电磁成形，包括以下步骤，
S2、稳态磁场放电回路(31)放电，通过线圈(2)的电流在t1时刻达到峰值和稳态；
S3、在t1之后的t2时刻交变磁场放电回路(32)放电产生交变电流，交变磁场放电回路(32)产生的交变电流与稳态磁场放电回路(31)产生的电流叠加，从t2时刻起得到一个初始电流大于0的交变脉冲电流；
S4、从t2时刻开始线圈(2)上流过交变脉冲电流，交变脉冲电流感应得到感应涡流，板料(4)在电磁力的作用下发生变形并与凹模(1)贴合完成电磁成形。
10.根据权利要求9所述的电磁成形方法，其特征在于：所述步骤S2前，还包括步骤S1，
S1、使用加热装置(5)使板料(4)升温，当板料(4)温度达到设定值后，调整加热速度，使板料(4)的温度保持恒定。
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