CN108856444B - 一种设有随形布置线圈的工件电磁渐进成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设有随形布置线圈的工件电磁渐进成形装置，包括支撑架、模具、板料、用于固定夹持所述板料的夹板组件和用于驱动所述模具运动以对所述板料拉形的驱动件，所述夹板组件设于所述支撑架上，所述板料被固定夹持在所述夹板组件之间，所述驱动件与所述模具连接，还包括多个环绕设置于被模具拉形后的板料表面周围的随形布置线圈，各所述随形布置线圈分设于所述板料上方的不同高度层。本发明还公开了一种电磁渐进成形方法，包括固定板料、拉形板料、用随形布置线圈电磁成形等步骤，通过重复执行板料拉形‑电磁成形实现板料与模具的贴合。本发明具有成形精度高、成形质量好、成效效率高、放电能量利用率高且设备能量需求低等优点。

Description

一种设有随形布置线圈的工件电磁渐进成形装置及方法

技术领域

本发明属于板料成形技术领域，尤其涉及一种设有随形布置线圈的工件电磁渐进成形装置及方法。

背景技术

随着航空航天等高新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型整体薄壁壳体，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。

大型壳体构件的塑性成形方法主要有：(1)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。文献“强力旋压成形技术在航空领域的新进展”中提到，目前我国最大的1000KN立式旋压设备的参数为：占地面积18m×20m，高度13m，可加工的零件直径最大达到2.6m；(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。文献“板材液压成形技术与装备新进展”中提到，哈尔滨工业大学正在研制世界最大吨位的“150MN双动板料液压成形装备”，整个装备高度达高度19.5m，工作台面尺寸为4.5m×4.5m。在考虑压边的情况下，该装备能够加工零件的最大尺寸在3.5～4m。因此，目前大型构件的整体成形都需要巨型装备，投入资金巨大。并且针对我国的长征五号火箭(最大芯径5m)和重型运载火箭(最大芯径10m)的大型贮箱箱底的整体制造，现有技术都难以达到。因此，如何采用小型装备，实现大型、薄壁、曲面的铝合金件精确制造成为亟待解决的科学技术问题。

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”。但一般的平板电磁脉冲成形工艺，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胀形，并最终成形为一个锥形零件。

针对大尺寸板型零件的电磁加工，文献“Electromagnetic incremental forming(EMIF):a novel aluminum alloy sheet and tube forming technology”中，崔晓辉等提出了采用移动电磁脉冲磁体加工大型板材的方法。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放电两次，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，但该研究中，板料相对固定不动、无拉形过程，且线圈无摆动的动作，成形后零件的高度只有10mm，成形精度差，难以成形大型薄壁件。

在文献“大尺寸铝合金板件电磁成形设计与实验”中，熊奇提出了采用电磁线圈放电一次即可实现大型铝合金零件成形方法。但大型零件的一次大变形，就需要大线圈和大放电能量。在成形直径1000mm，高160mm的椭球形零件，成形过程的放电参数为：放电电压16KV，电容量2860μF，合计放电能量366KJ。虽然整体成形的效率高，成形的质量更好。但所需的放电能量巨大，从而导致放电能量设备价格昂贵，超过上千万。当针对2m、3m乃至更大直径零件成形时，这种大线圈、大能量设备的一次成形具有明显缺陷。

在文献“Large-scale sheet deformation process by electromagneticincremental forming combined with stretch forming”中，崔晓辉等提出采用电磁渐进成形和传统拉形相互复合的成形工艺，实现了“小线圈+小能量设备”就可以实现高度75mm、直径约600mm的椭球形铝合金零件成形。成形过程中放电参数为：放电电压8KV，电容量213μF，合计放电能量6.8KJ。

在文献号为CN104785621A的专利“一种大型薄壁件的拉形和电磁复合渐进成形方法及装置”中，李建军、崔晓辉等提出了适合于低电导率材料的大型板材成形方法。但上述两种工件的成形方法存在三个问题：(1)小线圈需要在一层旋转，并对局部小区域多次放电，这导致线圈正对板料区域的变形量和相邻两次线圈放电位置的重叠区域所对板料的变形量往往不一致，导致同一层板料的变形均匀性较差；(2)整个过程均采用相同尺寸的小线圈，但每一等高层板料被拉型后的半径并不一致，这导致采用同样弧度的线圈并不能保证板料每一层的成形精度；(3)为了保证线圈旋转一周后，四个油缸下降，拉动托板和压板，并带动板料发生塑形变形。但在实验的过程中，4个油缸即使在采用同步马达的情况下，也难以保证油缸的每一次下降都具有相同的位移量，这最终导致油缸拉形后，压板和托板不会在一个水平面，需要人为的增加垫块等办法将压板和托板调整水平，成形过程复杂并费时。

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，提供一种成形精度高、成形质量好、成效效率高、放电能量利用率高且设备能量需求低的设有随形布置线圈的工件电磁渐进成形装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种设有随形布置线圈的工件电磁渐进成形装置，包括支撑架、模具、板料、用于固定夹持所述板料的夹板组件和用于驱动所述模具运动以对所述板料拉形的驱动件，所述夹板组件设于所述支撑架上，所述板料被固定夹持在所述夹板组件之间，所述驱动件与所述模具连接，还包括多个环绕设置于被模具拉形后的板料表面周围的随形布置线圈，各所述随形布置线圈分设于所述板料上方的不同高度层。

上述的工件电磁渐进成形装置，优选的，各所述随形布置线圈呈闭合状，各所述随形布置线圈的尺寸大小和形状与所述板料被拉形后的形状相匹配。

上述的工件电磁渐进成形装置，优选的，所述随形布置线圈紧邻被拉形后的所述板料的表面设置，所述随形布置线圈正对板料的内表面与板料表面平齐设置。

上述的工件电磁渐进成形装置，优选的，所述夹板组件包括螺杆、托板和压板，所述螺杆固定于所述支撑架上，所述托板和压板设于所述螺杆上，所述板料被固定夹持于所述托板和压板之间。

上述的工件电磁渐进成形装置，优选的，所述模具上设有用于对模具运动进行导向的导柱。

上述的工件电磁渐进成形装置，优选的，所述驱动件为与所述模具连接的单个油缸。

上述的工件电磁渐进成形装置，优选的，所述模具为凸模或者凹模，所述随形布置线圈为单层或多层，所述随形布置线圈的截面为圆形或者矩形的紫铜线绕制而成。

一种工件电磁渐进成形方法，采用上述的设有随形布置线圈的工件电磁渐进成形装置进行成形包括以下步骤，

S1、用夹板组件将待成形的板料夹持固定；

S2、用驱动件驱动模具上升至一定的高度层，将板料顶弯拉形；

S3、将位于步骤S2所述高度层的随形布置线圈靠近拉形后的板料设置，随形布置线圈放电，使步骤S2所述高度层的板料与模具贴紧；

S4、重复执行步骤S2至S3，实现板料拉形-电磁成形的多次交替成形过程，直至板料成形结束。

上述的工件电磁渐进成形方法，优选的，所述步骤S4中重复执行步骤S2时，模具再次上升至另一高度层，未与模具贴紧的板料被拉直，同时移去前一步骤中的随形布置线圈。

上述的工件电磁渐进成形方法，优选的，所述步骤S1中，用托板和压板夹持住板料，然后将托板和压板放置在螺杆上，使用螺母将托板、压板和板料压紧，采用托板和压板从上下两个方向将板料彻底夹紧，保证在拉形过程中板料不会发生位移，只会在模具的作用下发生相应的形变，拉形的效果好。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明的工件电磁渐进成形装置，在板料上方的不同高度层均设置有随形布置线圈，各随形布置线圈具有各自的尺寸大小和形状，以能够环绕设置于被模具拉形后的板料表面周围，当模具上升一定距离并对板料顶弯后，板料会绷紧，在模具上升的这一高度层上设有相应的随形布置线圈，线圈放电后，驱使这一高度层的板料与模具贴合，由于环绕设置的随形布置线圈作为一个整体放电，因此可以使同一高度层的板料发生相同的变形，保证了每一层的成形精度均一致，最终累加为整体的成形质量得以保证，并且可以增大每一层的成形高度，大幅提高成形效率。

2.由于是采用电磁力驱动板料高速率变形，能提高材料的成形极限。

3.和工件一次放电的整体大变形相比，预拉成形后，使随形布置线圈正对待变形的板料区域，只需较小能量就可以实现板料与模具的贴合，能明显提高成形精度，并显著提高放电能量利用率，大幅度降低对设备能量的要求。

4.随形布置的放电线圈对应的待变形板料区域较大，放电过程中会带动其周围材料的流动，抑制板料的减薄，改善板料厚度分布。

5.本发明的工件电磁渐进成形方法，将拉形与电磁成形结合，且采用随形布置线圈进行电磁渐进成形，通过多次交替实现板料拉形-电磁成形的过程，进而完成工件的精确成形，具有成形精度好、成形效率高、设备所需能量少等优点。

附图说明

图1是本实施例中执行步骤S1夹持板料后的剖视结构示意图。

图2是本实施例中执行步骤S2进行第一次拉形后的剖视结构示意图。

图3是本实施例中执行步骤S3进行第一次电磁成形后的剖视结构示意图。

图4是本实施例中执行步骤S4进行第二次拉形后的剖视结构示意图。

图5是本实施例中执行步骤S5进行第二次电磁成形后的剖视结构示意图。

图6是本实施例中设有随形布置线圈的工件电磁渐进成形装置的立体结构示意图。

图例说明：

1、支撑架；2、模具；21、导柱；3、板料；4、夹板组件；41、螺杆；42、托板；43、压板；5、驱动件；6、随形布置线圈。

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。

如图1至图6所示，本实施例的设有随形布置线圈的工件电磁渐进成形装置，包括支撑架1、模具2、板料3、用于固定夹持板料3的夹板组件4和用于驱动模具2运动以对板料3拉形的驱动件5，夹板组件4设于支撑架1上，板料3被固定夹持在夹板组件4之间，驱动件5与模具2连接，还包括多个环绕设置于被模具2拉形后的板料3表面周围的随形布置线圈6，各随形布置线圈6分设于板料3上方的不同高度层。具体的，支撑架1包括底板和设于底板下方的底板支撑柱。采用环状闭合的随形布置线圈6实现每一高度层板料3的电磁成形，解决了同一层板料3多次放电会出现的变形不均匀的问题，最终提高成形精度；采用多个随形布置线圈6分别在不同高度层放电，减小了一次整体成形对线圈尺寸的要求，同时模具2拉形后板料3与模具2只存在较小的距离，只需要较小的能量放电，即可实现板料3与模具2的贴合，减小了对设备放电能量的要求。

本实施例中，各随形布置线圈6呈闭合状，各随形布置线圈6的尺寸大小和形状与板料3被拉形后的形状相匹配。闭合的随形布置线圈6组成一个完整的环状结构，能连续设置于板料3的表面周围，由于随形布置线圈6的设置高度、尺寸大小和形状与板料3被拉形后的形状、高度等条件相匹配设计，因此也能提高成形效率和成形精度。

本实施例中，随形布置线圈6紧邻被拉形后的板料3的表面设置，随形布置线圈6正对板料3的内表面与板料3表面平齐设置。随形布置线圈6的内表面与板料3表面平齐，内表面与板料3表面的距离保持一致并保证距离足够小，从而能保证通电后各处受力均匀一致，能提高成形精度和成形效率。

本实施例中，夹板组件4包括螺杆41、托板42和压板43，螺杆41固定于支撑架1上，托板42和压板43设于螺杆41上，板料3被固定夹持于托板42和压板43之间。具体的，通过螺母将板料3压紧。采用托板42和压板43从上下两个方向将板料3彻底夹紧，保证在拉形过程中板料3不会发生位移，只会在模具2的作用下发生相应的形变并绷紧，拉形的效果好。

本实施例中，模具2上设有用于对模具2运动进行导向的导柱21。导柱21能够对模具2的运动进行导向，提高模具2运动的精度，进而提高成形的精度。

本实施例中，驱动件5为与模具2连接的单个油缸，采用单一油缸驱动模具2实现板料3的拉形，解决了多油缸会出现的不同步的问题。

本实施例中，模具2为轴对称的半球形凸模，随形布置线圈6为多层，随形布置线圈6的截面为圆形的紫铜线绕制而成。

一种工件电磁渐进成形方法，采用本实施例的设有随形布置线圈的工件电磁渐进成形装置进行成形，包括以下步骤，

S1、用托板42和压板43夹持住板料3，然后将托板42和压板43放置在螺杆41上，使用螺母将托板42、压板43和板料3压紧；

S2、用驱动件5驱动模具2上升至的第一高度层，将板料3顶弯拉形；

S3、将位于第一高度层的第一随形布置线圈靠近拉形后的板料3设置，第一随形布置线圈放电，使第一高度层的板料3与模具2贴紧；

S4、用驱动件5驱动模具2上升至第二高度层，未与模具2贴紧的板料3被拉直，同时移去第一随形布置线圈；

S5、将位于第二高度层的第二随形布置线圈靠近拉形后的板料3设置，第二随形布置线圈放电，使第二高度层的板料3与模具2贴紧；

S6、重复执行拉形和电磁成形的过程，实现板料3拉形-电磁成形-再拉形-再电磁成形的多次交替成形过程，直至板料3成形结束。

其他实施例中，模具2也可以是椭球形、圆台形或圆筒形，随形布置线圈6可以为单层，随形布置线圈6的截面可以为矩形的紫铜线绕制而成。

在其他实施例中，模具2可以是凹模，板料3放置于压边圈和凹模之间，成形过程中，随形布置线圈6移动到不同等高层面的待放电位置，随形布置线圈6放电使每一层的板料3与凹模贴合。

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 (9)

1.一种设有随形布置线圈的工件电磁渐进成形装置，包括支撑架(1)、模具(2)、板料(3)、用于固定夹持所述板料(3)的夹板组件(4)和用于驱动所述模具(2)运动以对所述板料(3)拉形的驱动件(5)，所述夹板组件(4)设于所述支撑架(1)上，所述板料(3)被固定夹持在所述夹板组件(4)之间，所述驱动件(5)与所述模具(2)连接，其特征在于：还包括多个环绕设置于被模具(2)拉形后的板料(3)表面周围的随形布置线圈(6)，各所述随形布置线圈(6)分设于所述板料(3)上方的不同高度层，各所述随形布置线圈(6)呈闭合状，各所述随形布置线圈(6)的尺寸大小和形状与所述板料(3)被拉形后的形状相匹配。

2.根据权利要求1所述的工件电磁渐进成形装置，其特征在于：所述随形布置线圈(6)紧邻被拉形后的所述板料(3)的表面设置，所述随形布置线圈(6)正对板料(3)的内表面与板料(3)表面平齐设置。

3.根据权利要求1所述的工件电磁渐进成形装置，其特征在于：所述夹板组件(4)包括螺杆(41)、托板(42)和压板(43)，所述螺杆(41)固定于所述支撑架(1)上，所述托板(42)和压板(43)设于所述螺杆(41)上，所述板料(3)被固定夹持于所述托板(42)和压板(43)之间。

4.根据权利要求1所述的工件电磁渐进成形装置，其特征在于：所述模具(2)上设有用于对模具(2)运动进行导向的导柱(21)。

5.根据权利要求1所述的工件电磁渐进成形装置，其特征在于：所述驱动件(5)为与所述模具(2)连接的单个油缸。

6.根据权利要求1所述的工件电磁渐进成形装置，其特征在于：所述模具(2)为凸模或者凹模，所述随形布置线圈(6)为单层或多层，所述随形布置线圈(6)的截面为圆形或者矩形的紫铜线绕制而成。

7.一种工件电磁渐进成形方法，其特征在于：采用如权利要求1至6任一项所述的设有随形布置线圈的工件电磁渐进成形装置进行成形，包括以下步骤，

S1、用夹板组件(4)将待成形的板料(3)夹持固定；

S2、用驱动件(5)驱动模具(2)上升至一定的高度层，将板料(3)顶弯拉形；

S3、将位于步骤S2所述高度层的随形布置线圈(6)靠近拉形后的板料(3)设置，随形布置线圈(6)放电，使步骤S2所述高度层的板料(3)与模具(2)贴紧；

S4、重复执行步骤S2至S3，实现板料(3)拉形-电磁成形的多次交替成形过程，直至板料(3)成形结束。

8.根据权利要求7所述的工件电磁渐进成形方法，其特征在于：所述步骤S4中重复执行步骤S2时，模具(2)再次上升至另一高度层，未与模具(2)贴紧的板料(3)被拉直，同时移去前一步骤中的随形布置线圈(6)。

9.根据权利要求7或8所述的工件电磁渐进成形方法，其特征在于：所述步骤S1中，用托板(42)和压板(43)夹持住板料(3)，然后将托板(42)和压板(43)放置在螺杆(41)上，使用螺母将托板(42)、压板(43)和板料(3)压紧。