CN109622718A - 一种基于电磁驱动的液压成形的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁驱动的液压成形的装置及方法，装置包括：机体、运行腔体、冲击体、电磁驱动器和进液口；机体为截面为任意形状的空心的柱状结构，在柱状结构的外侧设置有至少一个运行腔体，且该运行腔体的一端与空心的柱状结构连通；运行腔体的另一端设置有可沿着运行腔体内壁运动的冲击体，电磁驱动器用于驱动冲击体实现往复运动；进液口设置在柱状结构顶端，用于给成形介质提供入口。成形时，电磁驱动器驱动冲击体快速冲击成形介质，在高速运动的成形介质作用下，使待成形样件变形直至贴合模具。本发明成形时间短，使传统的液压成形的准静态应变速率提高到高应变速率，从而极大的提高了成形极限。

Description

一种基于电磁驱动的液压成形的装置及方法

技术领域

本发明属于零件成形制造领域，更具体地，涉及一种基于电磁驱动的液压成形的装置及方法。

背景技术

随着汽车、航空、航天等工业的不断发展，轻量化结构，因节省材料、降低能耗和减轻污染等显得日益重要。实现结构轻量化主要途径是采用轻质合金材料，如铝合金、镁合金、钛合金，这些轻质合金密度小，强度高，却属于难变形合金，在成形过程中容易发生起皱、破裂等现象，阻碍其应用广泛。

为改善提高轻质合金的成形能力，一方面可以采用温热成形技术，即先将轻质合金加热合适的温度以提高塑性，再通过传统加工技术进行加工，这样增加工序也带来氧化和能耗高等问题；另一方面可以采用先进的成形技术，如电磁成形、电液成形、液压成形等。电液成形以水中的爆丝获得冲击力，每次成形都需要换丝，增加了工艺的复杂性；电磁成形以电磁力作用于工件，成形速率高，能够极大的提高材料的成形能力，但因其线圈结构的限制难以成形复杂形状的零件；液压成形具有工装少，成形质量好，能够整体成形复杂形状零件等优点，但是升压速度无法得到较大的提升，仍属于准静态成范围，无法使难变形材料的成形性能获得显著的提高。

近来有学者研发一种冲击液压复合工艺，该工艺用于解决小特征成形困难问题，把冲击成形作为液压成形的辅助工艺，但是需要提供两台独立的液压源和冲击源，增加了工序和成本。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于电磁驱动的液压成形的装置及方法，其目的在于提高液压成形的速率进而提高成形极限。

本发明提供了一种基于电磁驱动的液压成形的装置，包括：机体、运行腔体、冲击体、电磁驱动器和进液口；所述机体为截面为任意形状的空心的柱状结构，在柱状结构的外侧设置有至少一个运行腔体，且该运行腔体的一端与空心的柱状结构连通；运行腔体的另一端设置有可沿着所述运行腔体内壁运动的冲击体，所述电磁驱动器用于驱动冲击体实现往复运动；所述进液口设置在柱状结构顶端，用于给成形介质提供入口；工作时，机体的下部与待成形样件连接；模具置于待成形板件下方以约束待成形工件的形状；机体及运行腔体通过进液口充满成形介质，充液完成后进液口封闭；成形时，电磁驱动器驱动冲击体快速冲击成形介质，在高速运动的成形介质作用下，使待成形样件变形直至贴合模具；待成形完成后，电磁驱动器可驱动冲击体回到初始位置，为下次冲击做准备。

更进一步地，还包括：压边线圈，所述压边线圈套设在机体的柱状结构下端，且位于待成形工件边缘上部。

更进一步地，冲击体包括：相互固定连接的两部分，第一部分为筒状空腔或实腔，其可沿运行腔体内壁轴向滑动，第二部分为从属线圈或导体，且第二部分与电磁驱动器配合。

其中，当第二部分为从属线圈时，脉冲电源在从属线圈和电磁驱动器的驱动线圈中通反向电流产生相互排斥力使冲击体冲击成形介质，通以同向电流产生相互吸引力使冲击体远离介质返回到初始位置；这种双线圈的设计可以通过电流波形灵活控制冲击体的行程，并极大的提高了相互作用的电磁力，进而提高了成形速率。

其中，当第二部分为高导电率的材料时，驱动线圈通以短脉冲电流在导体上产生反向涡流产生排斥力，推动冲击体作用于成形介质，驱动线圈通以长脉冲电流在导体产生同向涡流产生吸引力，吸引冲击体远离成形介质。这种单线圈的设计只需对一个线圈进行放电，在满足成形要求下极大地节约了能量。

更进一步地，所述运行腔体为一个或多个，当运行腔体为多个时，与之匹配的冲击体和电磁驱动器也需要多个，并环绕在机体侧壁周围。

其中，运行腔体可以为任意截面形状的直管或者L型管。

更进一步地，还包括牵引机构，与所述冲击体连接，用于使得所述冲击体处于合适的位置。

本发明还提供了一种基于上述的装置的电磁驱动的液压成形的方法，包括下述步骤：

步骤1：将待成形工件置于模具中并固定，压边线圈置于待成形样件的上边缘，充入成形介质；通过牵引装置使电磁驱动器和冲击体处在合适的位置，并固定电磁驱动器；

步骤2：脉冲电源对压边线圈进行放电，当电流达到峰值附近时，脉冲电源对驱动线圈或从属线圈放电，冲击体受到电磁力高速的冲击成形介质，成形介质驱动待成形工件变形向模具运动，同时压边线圈所产生轴向电磁力对待成形样件进行压边，以防成形过程中待成形样件起皱，所产生径向电磁力对待成形样件向里径向推进可进一步提高成形深度；

步骤3，根据材料的特性和成形的要求选择放电电流的大小与波形、以及所需冲击体以及匹配的运行腔体、电磁驱动器的个数；若运行腔体为多个时，可以一次成形过程中同时驱动多个冲击体以提高单次冲击力，一次冲击即完成成形贴膜；亦可以依次驱动多个冲击体渐进成形待成形样件，以提高延展性差的材料的成形深度和成形极限；

步骤4：脉冲电源对驱动线圈或从属线圈放电，冲击体受到吸引力，冲击体返回；若运行腔体为多个时，所有冲击体可以完成驱动后再统一返回，亦可相对应冲击体进行放电驱动后立即放电放回，为下次冲击做准备；

步骤5：重复步骤3、4完成零件终成形，直至贴膜。

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)采用电磁驱动控制冲击体的行程，通过两次数微秒放电即可完成冲击体往返动作，避免繁琐的液压控制系统，同时电磁驱动器所用线圈具有更小的体积，控制方便等优点。

(2)通过数微秒的放电过程，通过电磁力将冲击体加速到数百米每秒，高速的冲击体冲击成形介质形成冲击波作用于待成形样件，成形时间短，使传统的液压成形的准静态应变速率提高到高应变速率，从而极大的提高了成形极限。

(3)可以同时放电作用于一个或多个冲击体，极大的提高成形力和成形深度，亦可对多个冲击体依次驱动，渐进成形待成形样件，避免样件破裂提高成形极限。

附图说明

图1是本发明实施例提供的板件成形结构示意图；

图2是本发明实施例提供的管件成形结构示意图；

图3本发明实施例提供的典型成形放电波形图；

图4本发明实施例提供的典型L型运行腔体图。

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。

为克服现有成形技术中存在的不足之处，本发明提供了一种基于电磁驱动的液压成形装置与方法，其结合了电磁驱动的高速率、工装简单和液压成形的适用于复杂形状两者的优势。

本发明提供的基于电磁驱动的液压成形装置包括：机体10、运行腔体、冲击体、电磁驱动器和进液口4，机体10为截面为任意形状的空心的柱状结构，在柱状结构的外侧设置有至少一个运行腔体，且该运行腔体的一端与空心的柱状结构连通；运行腔体的另一端设置有可沿着所述运行腔体内壁运动的冲击体，电磁驱动器用于驱动冲击体实现往复运动；进液口4设置在柱状结构顶端，用于给成形介质提供入口。

工作时，机体10的下部与待成形样件连接；模具1置于待成形板件下方以约束待成形工件的形状；机体及运行腔体通过进液口4充满成形介质，充液完成后进液口4封闭；成形时，电磁驱动器驱动冲击体快速冲击成形介质，在高速运动的成形介质作用下，使待成形样件变形直至贴合模具。待成形完成后，电磁驱动器可驱动冲击体回到初始位置，为下次冲击做准备。

在本发明实施例，为了避免工件成形过程中反弹，可以增加压边线圈2，压边线圈2套设在机体10的柱状结构下端，且位于待成形工件边缘上部。压边线圈还可以用于待成形样件成形过程中压边以防样件移动过程中起皱，以及在待成形样件成形过程中提供径向推动力以提高成形深度。

作为本发明的一个实施例，机体10具体可以为空筒状或管状结构。运行腔体可以为任意截面形状的直管或者L型管。直管具结构简单的特点，而L型管则具有更好的密封效果，以防成形过程中成形介质溢出。

在本发明实施例中，冲击体包括：相互固定连接的两部分，其中第一部分为筒状空腔或实腔，其可沿运行腔体内壁轴向滑动，第一部分的材料可以为高强度的材料构成，如不锈钢、陶瓷等；第二部分为从属线圈或导体，且第二部分与电磁驱动器配合；具体地，当第二部分为从属线圈时，脉冲电源在从属线圈和电磁驱动器的驱动线圈中通反向电流产生相互排斥力使冲击体冲击成形介质，通以同向电流产生相互吸引力使冲击体远离介质返回到初始位置；这种双线圈的设计可以通过电流波形灵活控制冲击体的行程，并极大的提高了相互作用的电磁力，进而提高了成形速率。

作为本发明的另一个实施例，当第二部分为高导电率的材料(比如铜、铝、金、银等)时，驱动线圈通以短脉冲电流在导体上产生反向涡流产生排斥力，推动冲击体作用于成形介质，驱动线圈通以长脉冲电流在导体产生同向涡流产生吸引力，吸引冲击体远离成形介质。这种单线圈的设计只需对一个线圈进行放电，在满足成形要求下极大地节约了能量。

在本发明实施例中，在电磁驱动器用于控制冲击体的行程。电磁驱动器由驱动线圈，线圈骨架、加固层构成。驱动线圈绕制在线圈骨架上，并采用绝缘材料加固，如柴龙、环氧等。电磁驱动器在脉冲电源的作用下，在其周围产生时变磁场，进而作用于冲击体。

在本发明实施例中，成形介质可以为液体、橡胶、颗粒或者液体于颗粒的混合物。当机体上部位为进液开关，可以补充上一次成形过程中损失的成形介质，亦可促使冲击体回到初始位置。

在本发明实施例中，待成形样件可以为板材或者管材。

在本发明实施例中，运行腔体可以为一个，也可以为多个，当运行腔体为多个时，与之匹配的冲击体和电磁驱动器也需要多个，并环绕在机体10侧壁周围；当运行腔体为多个时，可以更好完成待成形工件成形：比如一次成形过程中同时驱动多个冲击体以提高单次冲击力，一次冲击即完成成形贴膜；亦可以依次驱动多个冲击体渐进成形待成形样件，以提高延展性差的材料的成形深度和成形极限。

作为本发明的一个实施例，冲击体亦可附带牵引机构，以便使牵引冲击体处于合适的位置。

为实现上述目的，另一方面，本发明提供了一种基于电磁驱动的液压成形方法，包括以下步骤：

步骤1：将待成形工件置于模具中并固定，压边线圈置于待成形样件的上边缘，充入成形介质。通过牵引装置使电磁驱动器和冲击体处在合适的位置，并固定电磁驱动器；

步骤2：所述的脉冲电源对压边线圈进行放电，当电流达到峰值附近时，所述的脉冲电源对驱动线圈或从属线圈放电，所述的冲击体受到电磁力高速的冲击成形介质，成形介质驱动待成形工件变形向模具运动，同时所述的压边线圈所产生轴向电磁力对待成形样件进行压边，以防成形过程中待成形样件起皱，所产生径向电磁力对待成形样件向里径向推进可进一步提高成形深度；

步骤3，根据材料的特性和成形的要求选择放电电流的大小与波形、以及所需冲击体以及匹配的运行腔体、电磁驱动器的个数；若采用多组冲击体时，可以一次成形过程中同时驱动多个冲击体以提高单次冲击力，一次冲击即完成成形贴膜；亦可以依次驱动多个冲击体渐进成形待成形样件，以提高延展性差的材料的成形深度和成形极限；

步骤4：所述的脉冲电源对驱动线圈或从属线圈放电，冲击体受到吸引力，冲击体返回；若采用多组冲击体时，可所有冲击体可以完成驱动后再统一返回，亦可相对应冲击体进行放电驱动后立即放电放回，为下次冲击做准备；

步骤5：重复步骤3、4，完成零件终成形，直至贴膜。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于电磁驱动的液压成形的装置及方法，现参照附图并结合具体实例详述如下。

实施例1：

如图1所示，本发明的第一实施方式提供的用于金属板件成形的装置的结构如下：该装置包括：第一运行腔体8-1、第二运行腔体8-2，第一冲击体(6-1、6-2、)第二冲击体(6-3、6-4)，压边线圈2，第一电磁驱动器7-1、第二电磁驱动器7-2，进液口4和机体10；

机体10为截面为任意形状的空心的柱状结构，在柱状结构的外侧设置有第一运行腔体8-1、第二运行腔体8-2，第一运行腔体8-1的一端与空心的柱状结构连通，第一运行腔体8-1的另一端设置有可沿着所述运行腔体内壁运动的第一冲击体，第一电磁驱动器用于驱动第一冲击体，实现第一冲击体往复运动；第二运行腔体8-1的一端与空心的柱状结构连通，第二运行腔体8-2的另一端设置有可沿着所述运行腔体内壁运动的第二冲击体，第二电磁驱动器用于驱动第二冲击体，实现第二冲击体往复运动；进液口4设置在柱状结构顶端，用于给成形介质提供入口；

压边线圈2套设在柱状结构下端，且位于待成形工件边缘上部，用于压边以防样件成形过程中弹起。所述的压边线圈所产生轴向电磁力对待成形样件进行压边，以防成形过程中待成形样件起皱，所产生径向电磁力对待成形样件向里径向推进可进一步提高成形深度

工作时，待成形板件9放在压边线圈2和模具1之间。所述的压边线圈2用于待成形样件成形过程中压边以防样件移动过程中起皱，同时亦可以在待成形样件成形过程中提供径向推动力以提高成形深度。所述的电磁驱动器用于控制冲击体的行程。所述的电磁驱动器由驱动线圈，线圈骨架、加固层构成。所述的驱动线圈绕制在线圈骨架上，并采用柴龙、环氧或者其他绝缘材料加固。所述电磁驱动器在脉冲电源的作用下，在其周围产生磁场，进而作用于冲击体。为使待成形工件一次冲击过程完成贴膜成形以节约时间，可以同时利用第一电磁驱动器7-1、第二电磁驱动器7-2驱动对应的第一冲击体(6-1、6-2、)第二冲击体(6-3、6-4)提高冲击力，成形完成之后，同时驱动对应的冲击体返回初始状态，为下次冲击做准备；对于一些延展性较差的金属，以防金属某局部应力过大从而局部破裂问题，可以采用渐进成形待成形样件的方式成形。首先利用第一电磁驱动器7-1驱动第一冲击体(6-1、6-2、)驱动成形介质高速运动作用于待成形材料，使待成形样件变形，再次利用第二电磁驱动器7-2驱动第一冲击体(6-3、6-4、)驱动成形介质高速运动作用于待成形材料，使待成形样件变形直至贴膜。成形完成之后，同时驱动对应的冲击体返回初始状态，为下次冲击做准备。

所述的冲击体由相互固定连接的两部分构成组成；所述的第一部分为如不锈钢、陶瓷等高强度的材料构成的筒状空腔或实腔，其可沿所述运行腔体内壁轴向滑动，所述的第二部分与所述的电磁驱动器配合，可以是从属线圈或者类似铜高导电率材料构成导体。所述的第二部分为线圈时，在脉冲电源在从属线圈和驱动线圈中通反向电流产生相互排斥力使冲击体冲击成形介质，通以同向电流产生相互吸引力使冲击体远离介质回到初始位置；所述的第二部分为类似铜高导电率的材料的导体时，驱动线圈通以短脉冲电流在导体上产生反向涡流产生排斥力，推动冲击体作用于成形介质，驱动线圈通以长脉冲电流在导体产生同向涡流产生吸引力，吸引冲击体远离成形介质。

所述成形步骤如下：

步骤1：将待成形工件置于模具中并固定，压边线圈置于待成形样件的边缘，充入成形介质。通过牵引装置使电磁驱动器和冲击体处于合适的位置，并固定电磁驱动器。

步骤2：所述的脉冲电源对压边线圈进行放电，典型放电波形如图3a-1所示，当电流达到峰值左右时，所述的脉冲电源对驱动线圈或从属线圈放电，冲击体受到排斥力高速冲击成形介质，成形介质作用驱动待成形工件变形；当所述的冲击体第二部分为类似铜高导电率的导体时，驱动线圈通以如图3a-2所示短脉冲电流在导体上产生如图3中b-1反向涡流产生排斥力；当所述的冲击体第二部分为从属线圈时，驱动线圈通以如图3a-2所示短脉冲电流同时从属线圈通以如图3中b-2所示的反向脉冲电流，这样可以获得更大的排斥力，也更方便调控。

步骤3：所述的脉冲电源对驱动线圈或从属线圈放电，冲击体受到吸引力，冲击体返回，为下次成形做准备。当所述的冲击体第二部分为类似铜高导电率的导体时，驱动线圈通以如图3中a-4所示长脉冲电流在导体上产生反向涡流后产生同向涡流，电流波形如图3中b-4所示，产生吸引力，使冲击体返回；当所述的冲击体第二部分为从属线圈时，驱动线圈通以如图3中a-3所示短脉冲电流同时从属线圈通以如图3中b-3所示的反向脉冲电流，这样同样获得吸引力使冲击体返回。

步骤4，根据材料的特性和成形的要求选择合适放电电流的大小和脉宽。短脉宽可以获得更大的排斥力，长脉宽则相反，电流越大电磁力也越大。重复步骤3、4可完成零件终成形，直至贴膜。

在本发明实施例中，当运行腔体为L型管状时，如图4所示，L型管的一端于机体10相连，另一端于冲击体连接。所述的冲击体由相互固定连接的两部分组成；所述的第一部分为如不锈钢、陶瓷等高强度的材料构成的筒状空腔或实腔，其可沿所述运行腔体内壁轴向滑动，冲击体的第二部分与电磁驱动配合以获得电磁力。

实施例2：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于本实施方式待成形样件为燃料电池双极板所需的0.1mm钛合金板材胚料，所述的模具为双极板相对应的蛇形凹槽模具。对于这种介观尺度材料复杂形状成形，本发明避免了传统冲压双模具，实现一次成形节约成本，同时由于成形介质的作用更好的避免了工件回弹，使工件的平整度大大提高。

实施例3：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：如图2所示，本实施方式采用厚度为2mm直径为30mm的铝合金管件，增设压边线圈11，模具1亦更改对应的柱状管件成形模具，1-1为模具1对应的出气孔。为适用小尺度管件复杂成形需求，所述的模具与机体10的下部连接，压边线圈2套设在柱状结构下端并置于机体10的内部，并位于待成形管件上部；压边线圈11则置于待成形管件下部。成形过程中，所述的压边线圈2和压边线圈1l同时作用，一方面可以避免管件成形过程中弹出，更重要是进一步为管件提供向模具的轴向电磁力，使样件获得更好的成形效果。

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 (10)

1.一种基于电磁驱动的液压成形的装置，其特征在于，包括：机体、运行腔体、冲击体、电磁驱动器和进液口；

所述机体为截面为任意形状的空心的柱状结构，在柱状结构的外侧设置有至少一个运行腔体，且该运行腔体的一端与空心的柱状结构连通；运行腔体的另一端设置有可沿着所述运行腔体内壁运动的冲击体，所述电磁驱动器用于驱动冲击体实现往复运动；所述进液口设置在柱状结构顶端，用于给成形介质提供入口；

工作时，机体的下部与待成形样件连接；模具置于待成形板件下方以约束待成形工件的形状；机体及运行腔体通过进液口充满成形介质，充液完成后进液口封闭；成形时，电磁驱动器驱动冲击体快速冲击成形介质，在高速运动的成形介质作用下，使待成形样件变形直至贴合模具；待成形完成后，电磁驱动器可驱动冲击体回到初始位置，为下次冲击做准备。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：压边线圈，所述压边线圈套设在机体的柱状结构下端，且位于待成形工件边缘上部。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述冲击体包括：相互固定连接的两部分，第一部分为筒状空腔或实腔，其可沿运行腔体内壁轴向滑动，第二部分为从属线圈或导体，且第二部分与电磁驱动器配合。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，当第二部分为从属线圈时，脉冲电源在从属线圈和电磁驱动器的驱动线圈中通反向电流产生相互排斥力使冲击体冲击成形介质，通以同向电流产生相互吸引力使冲击体远离介质返回到初始位置；这种双线圈的设计可以通过电流波形灵活控制冲击体的行程，并极大的提高了相互作用的电磁力，进而提高了成形速率。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，当第二部分为高导电率的材料时，驱动线圈通以短脉冲电流在导体上产生反向涡流产生排斥力，推动冲击体作用于成形介质，驱动线圈通以长脉冲电流在导体产生同向涡流产生吸引力，吸引冲击体远离成形介质。这种单线圈的设计只需对一个线圈进行放电，在满足成形要求下极大地节约了能量。

6.如权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，当运行腔体为多个时，与之匹配的冲击体和电磁驱动器也需要多个，并环绕在机体侧壁周围。

7.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述运行腔体为任意截面形状的直管或者L型管。

8.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括牵引机构，与所述冲击体连接，用于使得所述冲击体处于合适的位置。

9.一种基于权利要求1所述的装置的电磁驱动的液压成形的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：将待成形工件置于模具中并固定，压边线圈置于待成形样件的上边缘，充入成形介质；通过牵引装置使电磁驱动器和冲击体处在合适的位置，并固定电磁驱动器；

步骤2：脉冲电源对压边线圈进行放电，当电流达到峰值附近时，脉冲电源对驱动线圈或从属线圈放电，冲击体受到电磁力高速的冲击成形介质，成形介质驱动待成形工件变形向模具运动，同时压边线圈所产生轴向电磁力对待成形样件进行压边，以防成形过程中待成形样件起皱，所产生径向电磁力对待成形样件向里径向推进可进一步提高成形深度；

步骤3，根据材料的特性和成形的要求选择放电电流的大小与波形、以及所需冲击体以及匹配的运行腔体、电磁驱动器的个数；

步骤4：脉冲电源对驱动线圈或从属线圈放电，冲击体受到吸引力，冲击体返回；

步骤5：重复步骤3、4完成零件终成形，直至贴膜。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，当运行腔体为多个时，在步骤3中，一次成形过程中同时驱动多个冲击体以提高单次冲击力，一次冲击即完成成形贴膜；或者依次驱动多个冲击体渐进成形待成形样件，以提高延展性差的材料的成形深度和成形极限；

在步骤4中，所有冲击体可以完成驱动后再统一返回，亦可相对应冲击体进行放电驱动后立即放电放回，为下次冲击做准备。