CN108971312A - 一种柔性板料电磁成形系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性板料电磁成形系统，包括电磁成形机、板料电磁成形机器人控制装置、板料夹持装置和集成控制系统；所述集成控制系统分别与电磁成形机、板料电磁成形机器人控制装置连接；所述板料夹持装置设置在板料电磁成形机器人控制装置前方，并将待加工板料定位夹紧。首先板料夹持装置夹持待成形板料；机器人控制系统控制机械臂运动，将集磁器前端针对待成形部位，其轴线与待成形部位外法线方向一致且保持与板料间合理的初始距离；电磁成形控制系统控制电磁成形机充电并放电进行板料电磁成形。最后重复上述步骤按预先设定的成形路径进行板料的依次逐点电磁成形。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施、且能实现柔性的板料成形等优点。

Description

一种柔性板料电磁成形系统

技术领域

本发明涉及材料加工成形技术领域，尤其涉及一种柔性板料电磁成形系统。

背景技术

电磁成形是一种利用电磁力对金属材料进行高速率成形的加工方法，成形时在线圈中通过一瞬时的脉冲电流产生一瞬时的脉冲强磁场，从而在对应的工件中产生涡流，然后相互作用产生洛伦兹力，实现金属材料高速成形加工。因为在成形过程中载荷是以脉冲的方式作用于毛坯，因此又称为磁脉冲成形。

电磁成形基本原理是楞次定律，即通过随时间变化的磁场在金属工件内感应一个抵抗磁场变化的涡流，两者相互作用，瞬间产生一个巨大的电磁力，使金属工件变形。典型电磁成形系统如图1所示，其成形过程：首先通过充电系统对电容器组进行充电，将电能储存在电容器中，随后闭合放电开关，电容器组、线圈及线路构成一个RLC震荡电路，从而在线圈中产生一个瞬时的交变大电流。该电流产生一个强大的脉冲磁场，进而在工件中激发出感应涡流，感应涡流与磁场相互作用产生强大的排斥力，驱动工件变形。

电磁成形装置主要由三个部件构成：电源系统、成形线圈、控制系统。

电源系统：电源系统需要在极短时间内提供足够的能量以产生足够强大的电磁力驱动工件变形，是电磁成形设备的能量源。

成形线圈：电磁成形线圈是将电源系统中的电磁能转化为工件动能的关键部件，其磁场大小和磁场位形直接影响待成形工件的受力大小和受力分布，最后直接影响加工成形效果。

控制系统：控制系统是电磁成形装置的重要组成部分，对成形过程及充放电时间、电压等工艺参量进行控制。

相比于传统金属成形工艺，电磁成形具有以下一些优点：

1)高应变率：整个成形过程一般在几百微秒到几个毫秒左右，成形速度一般超过300m/s。电磁成形的高应变率特性，可显著提高材料的塑性变形能力和变形均匀性，有效减少零件回弹，并抑制材料起皱。

2)非接触：电磁成形磁场为介质对工件施加作用，变形过程不与工件发生接触，成形工件表面完整性髙，疲劳寿命大幅提髙。

3)单模具：电磁成形一般只需要单独的凸模或凹模，工装要求简单，装备柔性强，可适应多种规格零件的加工制造。

4)电塑性效应：电磁成形中，金属材料在电的作用下(电流、电场或者电子照射等)的变形行为与常规变形行为不同，其微观结构会发生变化，这些变化可以降低金属变形过程中的流动应力，大幅度提高材料的成形极限即产生电塑性效应。

5)工艺重复性好：与其他高速成形技术(如爆炸成形，电液成形等)相比，电磁成形中的磁脉冲强度能够准确控制，易于实现机械化、自动化，重复性好、稳定度高。

由于电磁成形存在的工艺特点，该工艺在管坯成形、板坯成形、体积成形及粉末成形等领域都得到应用。

尽管电磁成形具有相应的优点，但目前电磁成形系统对于特点形状尺寸工件的成形，都需要根据工件的形状尺寸制造相应的凸模或凹模、线圈及压边圈等装置，导致生产成本增加、制造周期增长，从而限制了电磁成形的应用。因此，发明一种柔性的智能的电磁成形系统，只需采用通用线圈和标准凸模或凹模就能进行不同形状尺寸复杂工件的电磁成形，这对金属零件的成形加工特别是单件小批量零件的电磁成形具有十分重要的意义，对推广应用电磁成形工艺也具有重要意义。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种柔性板料电磁成形系统。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种柔性板料电磁成形系统，该电磁成形系统主要包括电磁成形机、板料电磁成形机器人控制装置、板料夹持装置、以及集成控制系统。所述集成控制系统分别与电磁成形机、板料电磁成形机器人控制装置连接。所述板料夹持装置设置在板料电磁成形机器人控制装置前方，并将待加工板料定位夹紧。

具体的，所述板料电磁成形机器人控制装置包括机器人、机器人控制系统、线圈、以及集磁器。所述机器人固定安装，所述机器人控制系统与机器人连接，并控制机器人机械臂的运动。所述线圈安装在机器人的机械臂上，与电磁成形机电连接。所述集磁器安装在机器人的机械臂上，位于线圈前方，与线圈固定连接。

具体的，所述板料夹持装置包括板料夹持、板料夹持支撑座、以及板料夹持移动阻尼器。所述板料夹持支撑座固定设置。所述板料夹持移动阻尼器安装在板料夹持支撑座上。所述板料夹持将待加工板料定位夹紧，穿过板料夹持移动阻尼器并实现加工过程中的带阻尼往复运动。

具体的，所述电磁成形机包括用于产生瞬时电脉冲的电磁成形充放电系统和用于控制电脉冲的频率和电压的电磁成形控制系统。所述电磁成形控制系统与电磁成形充放电系统电连接。所述电磁成形充放电系统与线圈电连接。

作为本发明的优选方案，板料夹持力度如果太松会导致加工过程板料夹持不稳、定位不准确，而夹得太紧则不利于金属板料的塑性流动，因此本发明所述板料夹持力设为小于10Mpa。

作为本发明的优选方案，所述待加工板料在电磁成形时可在板料夹持内移动。

作为本发明的优选方案，为了在电磁成形力的作用下板料夹持还可在支撑座上沿夹持轴向左右移动，以协调板料的变形，本发明所述板料夹持移动阻尼器的阻尼力大小设为电磁成形力的1至2倍，且可根据电磁成形力的大小进行阻尼力的调整。

作为本发明的优选方案，所述板料夹持在电磁成形时受电磁力的作用能在所述板料夹持移动阻尼器内移动。

作为本发明的优选方案，为了保证所产生的电磁力垂直板料，使板料均匀受力变形，本发明所述集磁器的轴线与板料待成形部位的外法线方向一致，且集磁器前端与板料间设有初始距离。

所述集成控制系统连接电磁成形控制系统、机器人控制系统，根据工件电磁成形工艺要求，对电磁成形机、板料电磁成形机器人控制装置进行协调控制。根据工件形状尺寸和材料，设计确定出电磁成形的工艺，集成控制系统将充放电周期、充放电电压和放电频率等电磁成形充放电工艺参数传递给电磁成形控制系统，控制电磁成形机的脉冲充放电进行单次或依次电磁成形。集成控制系统将电磁成形线圈和集磁器前端的轨迹传输至机器人控制系统，通过控制机械臂的运动将集磁器前端针对板料待成形部位，调节线圈和集磁器轴向方向与成形部位的法线方向基本一致，控制集磁器与工件之间合理的初始距离，实现工件的依次逐点电磁成形。

本发明的工作过程和原理是：首先，将电磁成形充放电周期和电压、频率等成形工艺参数、集磁器与工件之间的初始距离、板料逐点电磁成形的路径及成形点板料法线方向等输入至设备集成控制系统，设备集成控制系统将相关参数传送给电磁成形控制系统、机器人控制系统，并对电磁成形机、机器人控制装置进行协调控制。然后，执行以下具体步骤：1、板料夹持装置夹持好待成形板料；2、机器人控制系统控制机器人的机械臂运动，将集磁器前端针对板料待成形部位，集磁器轴线与板料待成形部位的外法线方向基本一致，且保持磁器前端与板料间合理的初始距离；3、电磁成形控制系统控制电磁成形机充电，然后放电进行板料的电磁成形。最后，重复步骤2和步骤3按预先设定的成形路径进行板料的依次逐点电磁成形。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的柔性板料电磁成形系统采只需采用通用线圈且无需模具就能进行不同形状尺寸复杂工件的电磁成形，这对金属零件的成形加工特别是单件小批量零件的电磁成形具有十分重要的意义，对推广应用电磁成形工艺也具有重要意义。

附图说明

图1是本发明所提供的柔性板料电磁成形系统的结构示意图。

上述附图中的标号说明：

1-电磁成形机，2-机器人，3-线圈，4-集磁器，5-板料，6-板料夹持，7-板料夹持支撑座，8-板料夹持移动阻尼器，9-集成控制系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开了一种柔性板料电磁成形系统，该电磁成形系统主要包括电磁成形机1、板料电磁成形机1器人控制装置、板料夹持装置、以及集成控制系统9。所述集成控制系统9分别与电磁成形机1、板料电磁成形机1器人控制装置连接。所述板料夹持装置设置在板料电磁成形机1器人控制装置前方，并将待加工板料5定位夹紧。

具体的，所述板料电磁成形机1器人控制装置包括机器人2、机器人控制系统、线圈3、以及集磁器4。所述机器人2固定安装，所述机器人控制系统与机器人2连接，并控制机器人2机械臂的运动。所述线圈3安装在机器人2的机械臂上，与电磁成形机1电连接。所述集磁器4安装在机器人2的机械臂上，位于线圈3前方，与线圈3固定连接。

具体的，所述板料夹持装置包括板料夹持6、板料夹持支撑座7、以及板料夹持移动阻尼器8。所述板料夹持支撑座7固定设置。所述板料夹持移动阻尼器8安装在板料夹持支撑座7上。所述板料夹持6将待加工板料5定位夹紧，穿过板料夹持移动阻尼器8并实现加工过程中的带阻尼往复运动。

具体的，所述电磁成形机1包括用于产生瞬时电脉冲的电磁成形充放电系统和用于控制电脉冲的频率和电压的电磁成形控制系统。所述电磁成形控制系统与电磁成形充放电系统电连接。所述电磁成形充放电系统与线圈3电连接。

作为本发明的优选方案，板料夹持6力度如果太松会导致加工过程板料5夹持不稳、定位不准确，而夹得太紧则不利于金属板料5的塑性流动，因此本发明所述板料夹持6力设为小于10Mpa。

作为本发明的优选方案，所述待加工板料5在电磁成形时可在板料夹持6内移动。

作为本发明的优选方案，为了在电磁成形力的作用下板料夹持6还可在支撑座上沿夹持轴向左右移动，以协调板料5的变形，本发明所述板料夹持移动阻尼器8的阻尼力大小设为电磁成形力的1至2倍，且可根据电磁成形力的大小进行阻尼力的调整。

作为本发明的优选方案，所述板料夹持6在电磁成形时受电磁力的作用能在所述板料夹持移动阻尼器8内移动。

作为本发明的优选方案，为了保证所产生的电磁力垂直板料5，使板料5均匀受力变形，本发明所述集磁器4的轴线与板料5待成形部位的外法线方向一致，且集磁器4前端与板料间设有初始距离。

所述集成控制系统9连接电磁成形控制系统、机器人控制系统，根据工件电磁成形工艺要求，对电磁成形机1、板料电磁成形机1器人控制装置进行协调控制。根据工件形状尺寸和材料，设计确定出电磁成形的工艺，集成控制系统9将充放电周期、充放电电压和放电频率等电磁成形充放电工艺参数传递给电磁成形控制系统，控制电磁成形机1的脉冲充放电进行单次或依次电磁成形。集成控制系统9将电磁成形线圈3和集磁器4前端的轨迹传输至机器人控制系统，通过控制机械臂的运动将集磁器4前端针对板料5待成形部位，调节线圈3和集磁器4轴向方向与成形部位的法线方向基本一致，控制集磁器4与工件之间合理的初始距离，实现工件的依次逐点电磁成形。

本发明的工作过程和原理是：首先，将电磁成形充放电周期和电压、频率等成形工艺参数、集磁器4与工件之间的初始距离、板料5逐点电磁成形的路径及成形点板料5法线方向等输入至设备集成控制系统9，设备集成控制系统9将相关参数传送给电磁成形控制系统、机器人控制系统，并对电磁成形机1、机器人控制装置进行协调控制。然后，执行以下具体步骤：1、板料夹持装置夹持好待成形板料5；2、机器人控制系统控制机器人2的机械臂运动，将集磁器4前端针对板料5待成形部位，集磁器4轴线与板料5待成形部位的外法线方向基本一致，且保持磁器前端与板料5间合理的初始距离；3、电磁成形控制系统控制电磁成形机1充电，然后放电进行板料5的电磁成形。最后，重复步骤2和步骤3按预先设定的成形路径进行板料5的依次逐点电磁成形。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。

实施例2：

本实施例公开了一种柔性的智能的电磁成形系统，系统由电磁成形机1、板料电磁成形机1器人控制装置、板料夹持装置、集成控制系统9等4部分组成。

电磁成形机1为一般典型的电磁成形设备，由电磁成形充放电系统和电磁成形控制系统组成，电磁成形充放电系统产生瞬时电脉冲，电磁成形控制系统控制电脉冲的频率和电压。

板料电磁成形机1器人控制装置由机器人2、机器人控制系统、线圈3和集磁器4组成，线圈3安装在机器人2的机械臂上，集磁器4与线圈3相连。机器人控制系统控制机器人机械臂的运动，将集磁器4前端正对需要进行电磁成形的部位，集磁器4轴线与板料5待成形部位的外法线方向基本一致，并调节集磁器4前端与板料5间合理的初始距离，且可控制集磁器4前端按设定的轨迹运动。

板料夹持装置由板料夹持6、板料夹持支撑座7和板料夹持移动阻尼器8组成；板料夹持6在电磁成形时夹持板料5，夹持力小于10Mpa，电磁成形板料5变形时可以在夹持内移动，板料夹持6上安装有板料夹持移动阻尼器8，在电磁成形力的作用下板料夹持6还可在支撑座上沿夹持轴向左右移动，以协调板料5的变形，板料夹持移动阻尼器8提供板料夹持6轴向左右移动的运动阻尼力，阻尼力大小为电磁成形力1-2倍。

集成控制系统9连接电磁成形控制系统、机器人控制系统，根据工件电磁成形工艺要求，对电磁成形机1、板料电磁成形机1器人控制装置进行协调控制。根据工件形状尺寸和材料，设计确定出电磁成形的工艺，集成控制系统9将充放电周期、充放电电压和放电频率等电磁成形充放电工艺参数传递给电磁成形控制系统，控制电磁成形机1的脉冲充放电进行单次或依次电磁成形。集成控制系统9将电磁成形线圈3和集磁器4前端的轨迹传输至机器人控制系统，通过控制机械臂的运动将集磁器4前端针对板料5待成形部位，调节线圈3和集磁器4轴向方向与成形部位的法线方向基本一致，控制集磁器4与工件之间合理的初始距离，实现工件的依次逐点电磁成形。

运用该系统进行板料电磁成形的一般流程为：将电磁成形充放电周期和电压、频率等成形工艺参数、集磁器4与工件之间的初始距离、板料5逐点电磁成形的路径及成形点板料5法线方向等输入至设备集成控制系统9，设备集成控制系统9将相关参数传送给电磁成形控制系统、机器人控制系统，并对电磁成形机1、机器人控制装置进行协调控制。具体步骤为：1、板料夹持装置夹持好待成形板料5；2、机器人控制系统控制机器人2的机械臂运动，将集磁器4前端针对板料5待成形部位，集磁器4轴线与板料5待成形部位的外法线方向基本一致，且保持磁器前端与板料5间合理的初始距离；3、电磁成形控制系统控制电磁成形机1充电，然后放电进行板料5的电磁成形。重复2步和3步按预先设定的成形路径进行板料5的依次逐点电磁成形。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柔性板料电磁成形系统，其特征在于，包括电磁成形机、板料电磁成形机器人控制装置、板料夹持装置、以及集成控制系统；所述集成控制系统分别与电磁成形机、板料电磁成形机器人控制装置连接；所述板料夹持装置设置在板料电磁成形机器人控制装置前方，并将待加工板料定位夹紧；

所述板料电磁成形机器人控制装置包括机器人、机器人控制系统、线圈、以及集磁器；所述机器人固定安装，所述机器人控制系统与机器人连接，并控制机器人机械臂的运动；所述线圈安装在机器人的机械臂上，与电磁成形机电连接；所述集磁器安装在机器人的机械臂上，位于线圈前方，与线圈固定连接；

所述板料夹持装置包括板料夹持、板料夹持支撑座、以及板料夹持移动阻尼器；所述板料夹持支撑座固定设置；所述板料夹持移动阻尼器安装在板料夹持支撑座上；所述板料夹持将待加工板料定位夹紧，穿过板料夹持移动阻尼器并实现加工过程中的带阻尼往复运动。

2.根据权利要求1所述的柔性板料电磁成形系统，其特征在于，所述电磁成形机包括电磁成形充放电系统和电磁成形控制系统；所述电磁成形控制系统与电磁成形充放电系统电连接；所述电磁成形充放电系统与线圈电连接。

3.根据权利要求1所述的柔性板料电磁成形系统，其特征在于，所述板料夹持力设为小于10Mpa。

4.根据权利要求1所述的柔性板料电磁成形系统，其特征在于，所述待加工板料在电磁成形时可在板料夹持内移动。

5.根据权利要求1所述的柔性板料电磁成形系统，其特征在于，所述板料夹持移动阻尼器的阻尼力大小设为电磁成形力的1至2倍，且可根据电磁成形力的大小进行阻尼力的调整。

6.根据权利要求1所述的柔性板料电磁成形系统，其特征在于，所述板料夹持在电磁成形时受电磁力的作用能在所述板料夹持移动阻尼器内移动。

7.根据权利要求1所述的柔性板料电磁成形系统，其特征在于，所述集磁器的轴线与板料待成形部位的外法线方向一致，且集磁器前端与板料间设有初始距离。