CN109013820B - 柔性板料电磁成形系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了柔性板料电磁成形系统，包括电磁成形机、线圈和模具安装调节装置、板料夹持及成形位置控制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、线圈和模具安装调节装置和板料夹持及成形位置控制装置电连接；所述板料夹持及成形位置控制装置设置在线圈和模具安装调节装置旁，所述线圈和所述电磁成形机的电磁成形充放电系统电连接。首先选定通用模具和调节初始距离；然后调节板料位置方向，将板料待成形区域转移电磁成形区间；接着控制电磁成形机充电并放电进行电磁成形。如模具和初始距离不变，重复2、3步按预设成形路径进行依次逐点电磁成形。如模具和初始距离有变化，则重复上述步骤按预设成形路径进行板料依次逐点电磁成形。

Description

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：

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、线圈和模具安装调节装置、板料夹持及成形位置控制装置、以及集成控制系统。所述集成控制系统分别与电磁成形机、线圈和模具安装调节装置、以及板料夹持及成形位置控制装置电连接。所述板料夹持及成形位置控制装置设置在线圈和模具安装调节装置旁，并将待加工板料夹紧。

具体的，所述线圈和模具安装调节装置主要包括线圈和模具安装装置、电磁成形线圈、集磁器、通用模具、通用模具库、以及线圈和模具控制系统。所述线圈和模具安装装置包括底座、上横梁、以及滑块。所述底座和上横梁可固定连接成一体形成线圈和模具安装装置的机身。所述上横梁固定安装在成形工位的上方，所述滑块安装在上横梁上，带着电磁成形线圈和集磁器上下滑动，实现初始距离的调整。所述电磁成形线圈安装在滑块上，与电磁成形机电连接。所述集磁器安装在电磁成形线圈上，与电磁成形线圈固定连接。所述底座固定在成形工位下方，所述通用模具库安装在底座上，与线圈和模具控制系统电连接。若干所述通用模具设置在通用模具库内，实现通用模具的调出和切换。

具体的，所述板料夹持及成形位置控制装置包括机器人、板料夹持装置、以及机器人控制系统。所述机器人固定安装在成形工位旁，与机器人控制系统电连接。所述板料夹持装置固定在机器人的机械臂上，与机器人控制系统电连接，实现待加工板料的夹紧、固定和移位操作，并可将待成形板料放置于所述线圈和模具安装装置的通用模具上进行局部位置的电磁成形。

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电磁成形线圈电连接。

作为本发明的优选方案，若干所述通用模具设置在通用模具库内，电磁成形时可根据需要变换不同的模具。

作为本发明的优选方案，板料夹持力度如果太松则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装置的夹持力度设为小于10Mpa。

作为本发明的优选方案，为了在电磁成形板料变形时可以在板料夹持装置内移动，本发明在电磁成形力的作用下板料夹持装置还可沿板料夹紧方向带阻尼的上下移动，以协调板料的变形，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，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，机器人控制系统能控制机器人的机械臂及板料夹持装置运动，将夹持板料的待成形部位板料按设定的成形路径依次放置于所述线圈和模具安装装置的通用模具上进行电磁成形。

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，本发明板料受力变形的区域中心位于感应磁场中心，且区域中心的法线方向与所述通用模具和所述电磁成形线圈的轴向或滑块运动的上下方向一致，且所述集磁器前端与板料间有初始距离。

集成控制系统分别连接电磁成形控制系统、线圈和模具控制系统、机器人控制系统，并根据工件电磁成形工艺要求，对电磁成形机、线圈和模具安装调节装置、机器人和板料夹持装置进行协调控制。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、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。集成控制系统将工件与集磁器之间的初始距离和对模具的要求传送给线圈和模具控制系统，通过调节线圈和模具安装装置上横梁和滑块的运动控制线圈和集磁器与工件之间的合理初始距离，同时控制底座上的模具选择确定的通用模具。集成控制系统将设计的工件成形轨迹转送给机器人控制系统，控制机器人运动，调节板料位置和方向，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、通用模具和集磁器与工件之间的初始距离等要求、板料逐点电磁成形的路径及成形点板料的方位输入至设备的集成控制系统，设备的集成控制系统将相关参数传送给电磁成形控制系统、线圈和模具控制系统、机器人控制系统，并对电磁成形机、线圈与模具安装调节装置、机器人和板料夹持及成形位置控制装置进行协调控制。具体步骤为：1、线圈和模具控制系统控制线圈和模具安装调节装置选定通用模具和调节初始距离；2、机器人控制系统控制机器人板料夹持及成形位置控制装置调节板料位置方向，将板料待成形区域转移至模具与集磁器之间电磁成形区间；3、电磁成形控制系统控制电磁成形机充电然后放电进行电磁成形。如模具和初始距离不变，重复2步和3步按预设的成形路径进行板料的依次逐点电磁成形。如模具和初始距离在成形过程有变化，则重复步骤1、2和3按预设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。

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-线圈和模具安装装置，3-电磁成形线圈，4-集磁器，5-通用模具，6-通用模具库，7-板料，8-板料夹持装置，9-机器人，10-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、线圈和模具安装调节装置、板料夹持及成形位置控制装置、以及集成控制系统10。所述集成控制系统10分别与电磁成形机1、线圈和模具安装调节装置、以及板料夹持及成形位置控制装置电连接。所述板料夹持及成形位置控制装置设置在线圈和模具安装调节装置旁，并将待加工板料7夹紧。

具体的，所述线圈和模具安装调节装置主要包括线圈和模具安装装置2、电磁成形线圈3、集磁器4、通用模具5、通用模具库6、以及线圈和模具控制系统。所述线圈和模具安装装置2包括底座、上横梁、以及滑块。所述底座和上横梁可固定连接成一体形成线圈和模具安装装置2的机身。所述上横梁固定安装在成形工位的上方，所述滑块安装在上横梁上，带着电磁成形线圈3和集磁器4上下滑动，实现初始距离的调整。所述电磁成形线圈3安装在滑块上，与电磁成形机1电连接。所述集磁器4安装在电磁成形线圈3上，与电磁成形线圈3固定连接。所述底座固定在成形工位下方，所述通用模具库6安装在底座上，与线圈和模具控制系统电连接。若干所述通用模具5设置在通用模具库6内，实现通用模具5的调出和切换。

具体的，所述板料夹持及成形位置控制装置包括机器人9、板料夹持装置8、以及机器人控制系统。所述机器人9固定安装在成形工位旁，与机器人控制系统电连接。所述板料夹持装置8固定在机器人9的机械臂上，与机器人控制系统电连接，实现待加工板料7的夹紧、固定和移位操作，并可将待成形板料7放置于所述线圈和模具安装装置2的通用模具5上进行局部位置的电磁成形。

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电磁成形线圈3电连接。

作为本发明的优选方案，若干所述通用模具5设置在通用模具库6内，电磁成形时可根据需要变换不同的模具。

作为本发明的优选方案，板料7夹持力度如果太松则会导致加工过程板料7夹持不稳、定位不准确，而夹得太紧则不利于金属板料7的塑性流动，因此本发明所述板料夹持装置8的夹持力度设为小于10Mpa。

作为本发明的优选方案，为了在电磁成形板料7变形时可以在板料夹持装置8内移动，本发明在电磁成形力的作用下板料夹持装置8还可沿板料7夹紧方向带阻尼的上下移动，以协调板料7的变形，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，待加工板料7在电磁成形时可在板料夹持装置8内移动。

作为本发明的优选方案，机器人控制系统能控制机器人9的机械臂及板料夹持装置8运动，将夹持板料7的待成形部位板料按设定的成形路径依次放置于所述线圈和模具安装装置2的通用模具5上进行电磁成形。

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7，使板料7均匀受力变形，本发明板料7受力变形的区域中心位于感应磁场中心，且区域中心的法线方向与所述通用模具5和所述电磁成形线圈3的轴向或滑块运动的上下方向一致，且所述集磁器4前端与板料7间有初始距离。

集成控制系统10分别连接电磁成形控制系统、线圈和模具控制系统、机器人控制系统，并根据工件电磁成形工艺要求，对电磁成形机1、线圈和模具安装调节装置、机器人9和板料夹持装置8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10将充放电周期、充放电电压、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10将工件与集磁器4之间的初始距离和对模具的要求传送给线圈和模具控制系统，通过调节线圈和模具安装装置2上横梁和滑块的运动控制线圈和集磁器4与工件之间的合理初始距离，同时控制底座上的模具选择确定的通用模具5。集成控制系统10将设计的工件成形轨迹转送给机器人控制系统，控制机器人9运动，调节板料7位置和方向，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、通用模具5和集磁器4与工件之间的初始距离等要求、板料7逐点电磁成形的路径及成形点板料7的方位输入至设备的集成控制系统10，设备的集成控制系统10将相关参数传送给电磁成形控制系统、线圈和模具控制系统、机器人控制系统，并对电磁成形机1、线圈与模具安装调节装置、机器人9和板料夹持及成形位置控制装置进行协调控制。具体步骤为：1、线圈和模具控制系统控制线圈和模具安装调节装置选定通用模具5和调节初始距离；2、机器人控制系统控制机器人板料夹持及成形位置控制装置调节板料7位置方向，将板料7待成形区域转移至模具与集磁器4之间电磁成形区间；3、电磁成形控制系统控制电磁成形机1充电然后放电进行电磁成形。如模具和初始距离不变，重复2步和3步按预设的成形路径进行板料7的依次逐点电磁成形。如模具和初始距离在成形过程有变化，则重复步骤1、2和3按预设的成形路径进行板料7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、线圈和模具安装调节装置、板料夹持及成形位置控制装置、集成控制系统10等四部分组成。

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周期和电压。

线圈和模具安装调节装置由线圈和模具安装装置2、电磁成形线圈3、集磁器4、通用模具5、通用模具库6、线圈和模具控制系统组成；线圈和模具安装装置2包括底座、上横梁、滑块等部件，滑块安装在上横梁上，可作上下运动，以调节集磁器4与通用模具5间的距离；线圈安装在滑块上，线圈与电磁成形机1充放电系统连接，可瞬时充放电生成脉冲电磁场；集磁器4安装在线圈上，起增强磁场强度，缩小感应磁场区域的作用；模具库与线圈和模具安装装置2的底座相连，模具库内有若干通用模具5，每次脉冲放电成形选用其中1个模具，电磁成形过程，可以根据成形要求变换模具；线圈和模具控制系统根据板料7电磁成形要求控制滑块上下运动，确保工件与集磁器4之间合理的初始距离，同时可以在模具库中选定模具，并将模具变换至成形位置。

板料夹持及成形位置控制装置由机器人和板料夹持装置8组成，板料夹持装置8夹持板料7放置于模具上，夹持力小于10Mpa，电磁成形板料7变形时可以在夹持装置内移动，在电磁成形力的作用下夹持还可沿板料7夹紧方向上下移动，以协调板料7的变形；夹持装置安装在机器人9的机械臂上，通过机器人控制系统控制机器人9带动板料7移动，确保按预先设定的轨迹进行板料7的电磁成形，且成形时板料7受力变形的区域处于合理的方位，即板料7受力变形的区域中心位于感应磁场中心，区域中心的法线方向与模具和线圈的轴向(或滑块运动的上下方向)一致。

集成控制系统10连接电磁成形控制系统、线圈和模具控制系统、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、线圈和模具安装调节装置、机器人板料夹持装置8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10将充放电周期、充放电电压、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10将工件与集磁器4之间的初始距离和对模具的要求传送给线圈和模具控制系统，通过调节线圈和模具安装装置2上横梁上滑块的运动控制线圈和集磁器4与工件之间的合理初始距离，同时控制底座上的模具选择确定的通用模具5。集成控制系统10将设计的工件成形轨迹转送给机器人控制系统，控制机器人9运动，调节板料7位置和方向，实现工件的依次逐点电磁成形。

运用该系统进行板料7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、通用模具5和集磁器4与工件之间的初始距离等要求、板料7逐点电磁成形的路径及成形点板料7的方位输入至设备集成控制系统10，设备集成控制系统10将相关参数传送给电磁成形控制系统、线圈和模具控制系统、机器人控制系统，并对电磁成形机1、线圈与模具安装调节装置、机器人板料夹持及成形位置控制装置进行协调控制。具体步骤为：1、线圈和模具控制系统控制线圈和模具安装调节装置选定模具和调节初始距离；2、机器人控制系统控制机器人板料夹持及成形位置控制装置调节板料7位置方向，将板料7待成形区域转移至模具与集磁器4之间电磁成形区间；3、电磁成形控制系统控制电磁成形机1充电然后放电进行电磁成形。如模具和初始距离不变，重复2步和3步按预设的成形路径进行板料7的依次逐点电磁成形。如模具和初始距离在成形过程有变化，则重复1、2和3步按预设的成形路径进行板料7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 (5)

1.柔性板料电磁成形系统，其特征在于，包括电磁成形机、线圈和模具安装调节装置、板料夹持及成形位置控制装置、以及集成控制系统；所述集成控制系统分别与电磁成形机、线圈和模具安装调节装置、以及板料夹持及成形位置控制装置电连接；所述板料夹持及成形位置控制装置设置在线圈和模具安装调节装置旁，并将待加工板料夹紧；

所述线圈和模具安装调节装置包括线圈和模具安装装置、电磁成形线圈、集磁器、通用模具、通用模具库、以及线圈和模具控制系统；所述线圈和模具安装装置包括底座、上横梁、以及滑块；所述底座和上横梁固定连接成一体形成线圈和模具安装装置的机身；所述上横梁固定安装在成形工位的上方，所述滑块安装在上横梁上，实现上下滑动；所述电磁成形线圈安装在滑块上，与电磁成形机电连接；所述集磁器安装在电磁成形线圈上，与电磁成形线圈固定连接；所述底座固定在成形工位下方，所述通用模具库安装在底座上，与线圈和模具控制系统电连接；若干所述通用模具设置在通用模具库内；

所述板料夹持及成形位置控制装置包括机器人、板料夹持装置、以及机器人控制系统；所述机器人固定安装在成形工位旁，与机器人控制系统电连接；所述板料夹持装置固定在机器人的机械臂上，与机器人控制系统电连接，实现待加工板料的夹紧、固定和移位操作，并可将待成形板料放置于所述线圈和模具安装装置的通用模具上进行局部位置的电磁成形；所述板料夹持装置可沿板料夹持方向带阻尼的上下移动，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；待加工板料在电磁成形时可在板料夹持装置内移动；

板料受力变形的区域中心位于感应磁场中心，且区域中心的法线方向与所述通用模具和所述电磁成形线圈的轴向或滑块运动的上下方向一致，且所述集磁器前端与板料间设有初始距离。

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电磁成形线圈电连接。

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，若干所述通用模具设置在通用模具库内，电磁成形时可根据需要变换不同的模具。

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，所述板料夹持装置的夹持力度设为小于10Mpa。

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，机器人控制系统能控制机器人的机械臂及板料夹持装置运动，将夹持板料的待成形部位板料按设定的成形路径依次放置于所述线圈和模具安装装置的通用模具上进行电磁成形。