CN109702072A - 一种金属件电磁吸引成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属件电磁吸引成形装置，包括：电磁成形模块和控制电路；电磁成形模块用于产生成形驱动磁场和在板管件中感应出涡流，进而产生电磁力驱动板件发生变形；控制电路用于调控电磁成形模块中的电流波形，形成上升沿较缓、下降沿较陡的电流，来实现成形过程中电磁力方向的调控。金属板管件在电流快速下降阶段会产生很大的吸引力从而可实现吸引式成形。通过本发明实现了单电源‑单线圈下金属板管件的电磁吸引成形，无须任何时序配合装置，有效简化了传统金属板管件吸引成形工艺的同时大幅降低了经济成本。

Description

一种金属件电磁吸引成形装置

技术领域

本发明属于金属板管件成形领域，更具体地，涉及一种基于单电源-单线圈的金属板管件电磁吸引成形装置。

背景技术

电磁成形是一种利用脉冲电磁功率实现金属胚料成形的方法，因其具有高速率、高能率的特点，特别适合轻质航空材料(如铝合金)的加工。

电磁成形的原理是利用板料中的电流在磁场受到的洛伦兹力实现成形工艺。电磁成形按照电磁力的方向可以分为排斥式和吸引式。传统的电磁成形以排斥式为主，目前已有大量的实验研究和可观的商业化应用案例，而吸引式电磁成形提出的时间较晚，研究较少，并且由于其实现过程往往需要多级线圈、多个电源的多时空配合，实现难度较大。但吸引式成形在金属件凹陷修补和小尺寸板管件塑形方面有着重要的应用前景。

在原理上，实现吸引式成形需要在成形线圈和金属工件中产生同向的电流。一种有效的方式是通过实现线圈中电流的快速下降从而在金属胚料上感应出同相电流。如文献1《Electromagnetic attractive forming of sheet metals by means of a dual-frequency discharge current:design and implementation》中提到的采用双电源来实现电流的快速下降波形，具体做法是采用两套电源，首先在成形线圈中通入长脉宽电流，在电流达到峰值时刻，再通入反向的短脉宽电流，此时线圈中的电流大小快速下降，金属胚料上感应出与线圈中同向的电流，从而实现吸引式的电磁成形。专利公开号为CN 206763690U的文献2中介绍的金属管件的吸引力成形装置，包括线圈、集磁器、管件和模具等。该装置管件位于线圈内部，亦采用与文献1类似的双频率式放电电流波形，在电流下降阶段管件中可感应出与线圈同方向的电流，电磁力表现为吸引力，从而实现管件的胀形。

上述方法的缺点在于：(1)装置方面，需要两套脉冲电源提供电流，设备占地面积大，且成本高昂。(2)实现过程方面，需要精确的时序控制，一方面需要高水平的控制系统，另一方面对开关的相应速度提出了很高的要求，进一步的提高了实现难度和成本价格。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种金属板管件电磁吸引成形装置，旨在解决现有技术中由于采用多电源多线圈系统所导致的时序配合难和成本高昂等问题。

本发明提供了一种金属件电磁吸引成形装置，包括：控制电路和电磁成形模块；所述电磁成形模块用于在成形线圈和工件之间产生电磁力，促使待成形工件发生塑性变形；所述控制电路与所述电磁成形模块连接，所述控制电路用于通过给所述电磁成形模块中成形线圈通以设定波形的电流来实现成形过程中电磁力方向的调控。

更进一步地，所述控制电路包括：储能单元、续流单元和负载单元；储能单元的一端与电磁成形模块中成形线圈的一端连接，储能单元的另一端接地；续流单元和负载单元并联后一端与电磁成形模块中成形线圈的另一端连接，并联后的另一端接地。

其中，储能单元为电容器，所述电容器的容值应当在几十微法到几十毫法之间可调。

其中，续流单元包括：串联连接的续流二极管和可调电阻，所述可调电阻的阻值应当在零到几欧之间可调。

更进一步地，当对板件进行成形时，电磁成形模块包括：第一成形线圈、压边块、板件、凹模和底座；将凹模设置在底座上，将板件设置在凹模上，将压边块设置在板件上，将板件第一成形线圈设置在压边块的定位槽内；通过板件第一成形线圈的接线端子与控制电路相连接。

其中，所述第一成形线圈为螺旋线圈。

其中，在所述压边块上设置有排气孔，用于在成形过程中平衡模具内外气压。

更进一步地，当对管件进行成形时，电磁成形模块包括：管件固定块和第二成形线圈，管件固定块用于固定待成行管件；将待成行管件固定在管件固定块上，再将待成行管件和管件固定块一同安装在第二成形线圈的中心孔内，通过第二成形线圈的接线端子与控制电路相连接。

其中，所述第二成形线圈为空心螺旋线圈。

其中，所述设定波形为上升沿较缓且下降沿较陡的电流波形。本发明与现有的技术相比，具有以下优点：

(1)基于新型电路拓扑结构，仅需一套电源和单个成形线圈就可以实现吸引式电磁成形所需要的特定电流波形，降低了设备要求，实现成本更加低廉，且接线安装更加简便，具有很好的经济性和适应性。

(2)采用续流回路中的二极管在电容极性改变时刻自动实现电流波形的转变，无需额外的触发控制单元，降低了设备要求，且比外部触发更加的精确。

附图说明

图1为金属板管件电磁吸引成形装置的第一实施例示意图。

图2为金属板管件电磁吸引成形装置的第二实施例示意图。

图3为电容电流即线圈电流波形示意图。

图4为金属板管件上受到的电磁力波形示意图。

附图中相同的标号表示相同的元件，其中：1为板件成形线圈，2为压边块，3为排气孔，4为板件，5为凹模，6为底座，7为电容器，8为续流二极管，9为可调电阻，10为脉冲开关，11为感性负载，12为管件，13为管件固定块，14为管件成形线圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加的清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为实现上述技术目的，本发明提供了一种金属板管件电磁吸引成形装置，包括：控制电路和电磁成形模块；控制电路与电磁成形模块连接，控制电路用于给电磁成形模块中成形线圈通设定波形的电流，使得待成型工件先发生弹性形变后再发生塑性形变，实现吸引式的成形。

在本发明实施例中，电磁成形模块可以根据应用场景的不同分为用于板件的第一电磁成形模块和用于管件的第二电磁成形模块。

在本发明实施例中，不管是针对于板件成形还是针对于管件成形，控制电路的结构相同，均包括：储能单元、续流单元和负载单元；储能单元的一端与电磁成形模块中成形线圈的一端连接，储能单元的另一端接地；续流单元和负载单元并联后一端与电磁成形模块中成形线圈的另一端连接，并联后的另一端接地；储能单元用于储存电磁成形所需的电能；续流单元用于调节脉冲电流的下降沿波形；负载单元用于提高脉冲电流的脉宽，并保护成形线圈。

作为本发明的一个实施例，续流单元包括：续流二极管8和可调电阻9，续流二极管8与可调电阻9串联连接，续流二极管8用于实现续流回路的续流功能；可调电阻9用于调节脉冲电流的下降沿波形；其中可调电阻9的阻值应当在零到几欧之间可调。

负载单元包括脉冲开关10和感性负载11，脉冲开关10和感性负载11串联连接，脉冲开关10用于闭合回路；感性负载11用于提高脉冲电流的脉宽，并保护成形线圈；其中脉冲开关10应当有几十千安的通流能力，感性负载11的电感值应当大于成形线圈的电感值。

储能单元可以为电容器7。

在本发明实施例中，通过调节控制电路中元器件的参数，调节电容器和感性负载的参数，使得线圈中电流波形的上升沿达到几个毫秒以上；调节可调电阻使得线圈中电流波形下降沿在1ms以内。线圈磁场的波形与线圈电流波形一致，胚料中的涡流大小与磁场变化率正相关，较长的上升沿可以在胚料中感应出较小的反向涡流，较短的下降沿可以在胚料中感应出较大的正向涡流。胚料受到的电磁力大小与涡流的大小正相关，因此可以实现胚料上先受到较小的排斥力，再受到较大的吸引力。

在本发明实施例中，将续流单元、负载单元和储能单元并联，并将储能单元的负极接地，最后将电磁成形模块与储能单元串联，从而组成一带的续流回路的脉冲放电回路。由于续流回路的存在，该回路可以实现电容器中电流到达峰值后快速下降的电流波形。

在本发明实施例中，用于板件成形的第一电磁成形模块的结构如图1所示，第一电磁成形模块包括：第一成形线圈1、压边块2、排气孔3、板件4、凹模5和底座6；将凹模5设置在底座6上，将板件4设置在凹模5上，将压边块2设置在板件4上，将板件第一成形线圈1设置在压边块2的定位槽内。通过板件第一成形线圈1的接线端子与控制电路相连接。

其中，第一成形线圈1为一螺旋线圈，用于产生电磁成形驱动磁场。述压边块2为绝缘材料制成，用于固定板件，压边块上还开有排气孔，用于在成形过程中平衡模具内外气压。底座6为绝缘材料制成，用来固定整个工装，底座中心还开有排气孔，用于平衡内外气压。

在本发明实施例中，用于管件成形的第二电磁成形模块的结构如图2所示，第二电磁成形模块包括：管件固定块13和第二成形线圈14，管件固定块13用于固定待成行管件12；将待成行管件12固定在管件固定块13上，再将待成行管件12和管件固定块13一同安装在第二成形线圈14的中心孔内，通过第二成形线圈14的接线端子与控制电路相连接。

其中，管件第二成形线圈14为一空心螺旋线圈，用于产生电磁成形驱动磁场。

在本发明实施例中，基于上述金属件电磁吸引成形装置的吸引成形方法，包括如下步骤：

S1：首先对电容进行充电，此时电容的极性与二极管的极性相反，开关触发后，线圈内流经一个脉冲电流。根据电磁感应定律和毕奥萨伐尔定律，胚料中受到的电磁力，在上述脉冲电流上升时为排斥力，在上述脉冲电流下降时为吸引力，且大小与di/dt和电流的乘积正相关。

S2：选取合适的感性负载，使得上述脉冲电流的上升沿宽度较大，也即使得di/dt较小，因此脉冲电流产生的磁场在胚料中感应出的电流较小，受到的排斥电磁力较小，胚料不会发生过度胀形。

S3：在当电容的极性反向时，续流回路中的二极管导通，电容内流经的电流迅速下降，此时di/dt很大，胚料受到一个很大的吸引电磁力。由于胚料在排斥力阶段有一定的弹性形变，所以同时还受到一个与吸引电磁力方向相同的弹性力，在合力的作用下，实现吸引式的成形。

第一实施例

图1为本发明提供的金属板管件电磁吸引成形装置的第一实施例，用于金属板件成形。金属板件4材料为5052-O铝合金圆板，厚度为1mm，半径为100mm。安装时将板件4放置在凹模5上，并采用压边块2压紧，为了确保板件法兰区域不发生轴向运动，本实施例中压边块上的压力为40kN。将板件第一成形线圈1放置在板件4上方9mm处，由于板件第一成形线圈1底部骨架厚度为1mm，故线圈与板件之间的距离为10mm。将板件第一成形线圈1的正极与电容7的正极相连接，板件第一成形线圈1的负极与续流二极管8的负极相连接，将续流二极管8的正极与可调电阻9相连接，将脉冲开关10与感性负载11串联组成支路，并与续流二极管8和可调电阻9所组成的支路并联，最后再将上述两条支路未与板件第一成形线圈1连接的另一端子与电容7的负极相连接，并接地。

为了能使本实施例有更好的效果，调整电容7和感性负载11的参数，使得板件第一成形线圈1中的电流上升沿宽度为3ms，调节可调电阻9的阻值，使得下降沿宽度为700μs左右，并使得电流的最低点处在零点附近。这样做的目的，一是实现电流上升速率较小，不至于产生出过大的电磁排斥力，二是实现电流下降速率较大，产生较大的电磁吸引力，三是使得电流不会再次反向，或反向时电流较小，不再出现电磁排斥力，影响吸引式电磁成形的最终效果。上述实现的电流参数如图3所示。

用充电机给电容7充电，本实施例中充电到12kV。通过控制信号触发脉冲开关10闭合，此时板件第一成形线圈1中流经图3中的脉冲电流。板件4中所受到的电磁力如图4所示。应当注意的是，电磁吸引力的幅值并不必显著大于电磁排斥力，而是在于合理的电流脉宽设计，使得电磁排斥力阶段成形效率不高，不产生过度胀形，而在电磁吸引力阶段通过较大且上升迅速的吸引力高效的实现吸引式成形。事实上，在排斥阶段较小的排斥式成形也能够通过回弹的方式帮助实现吸引式成形，并拓展本装置的应用范围，即同时可以运用在板件悬空和板件底部垫实两种不同的情况。

第二实施例

图2为本发明提供的金属板管件电磁吸引成形装置的第二实施例，用于金属管件成形。金属管件材料为5052-O铝合金薄壁管，管厚1mm，内半径为22mm。安装时，将管件12安装在管件固定块13上，并放入管件第二成形线圈14的正中心。优选地，在管件第二成形线圈14的空腔内设计管件定位槽，使管件12更加稳固。优选地，采用地钉将管件第二成形线圈14固定在底面上，防止其移动。将管件第二成形线圈14接入电路中，其连接方式与第一实施例相同，产生的线圈电流与电磁力形式也与图3和图4类似，此处不再赘述。

与板件的电磁吸引成形不同，管件由于其几何形貌影响，成形所需的最小电磁力也显著的提升，在储能一定的情况下，对于成形线圈的所能够提供的磁场有着更高的要求。在进行线圈设计时，需要合理的增加成形线圈的匝数，以提高成形区域的磁感应强度，换言之，需要有更多的能量储存在成形线圈中。应当注意的是，成形线圈的电感值不应超过感性负载11的电感值，否则下降沿di/dt过小，不足以产生足够的电磁吸引力。本实施例中，成形线圈匝数高达144匝，吸引力阶段管件12区域最大轴向应强度达6.25T，最大径向电磁力达22kN，最终成形量达5mm。

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)

1.一种金属件电磁吸引成形装置，其特征在于，包括：控制电路和电磁成形模块；

所述电磁成形模块用于在成形线圈和工件之间产生电磁力，促使待成形工件发生塑性变形；

所述控制电路与所述电磁成形模块连接，所述控制电路用于通过给所述电磁成形模块中成形线圈通以设定波形的电流来实现成形过程中电磁力方向的调控。

2.如权利要求1所述的金属件电磁吸引成形装置，其特征在于，所述控制电路包括：储能单元、续流单元和负载单元；储能单元的一端与电磁成形模块中成形线圈的一端连接，储能单元的另一端接地；续流单元和负载单元并联后一端与电磁成形模块中成形线圈的另一端连接，并联后的另一端接地。

3.如权利要求2所述的金属件电磁吸引成形装置，其特征在于，所述储能单元为电容器，所述电容器的容值在几十微法到几十毫法之间可调。

4.如权利要求2或3所述的金属件电磁吸引成形装置，其特征在于，所述续流单元包括：串联连接的续流二极管和可调电阻，所述可调电阻的阻值在零到几欧之间可调。

5.如权利要求1-4任一项所述的金属件电磁吸引成形装置，其特征在于，当对板件进行成形时，电磁成形模块包括：第一成形线圈、压边块、凹模和底座；

工作时，将凹模设置在底座上，将板件设置在凹模上，将压边块设置在板件上，将板件第一成形线圈设置在压边块的定位槽内；通过板件第一成形线圈的接线端子与控制电路相连接。

6.如权利要求5所述的金属件电磁吸引成形装置，其特征在于，所述第一成形线圈为螺旋线圈。

7.如权利要求5或6所述的金属件电磁吸引成形装置，其特征在于，在所述压边块上设置有排气孔，用于在成形过程中平衡模具内外气压。

8.如权利要求1-4任一项所述的金属件电磁吸引成形装置，其特征在于，当对管件进行成形时，电磁成形模块包括：管件固定块和第二成形线圈。

所述管件固定块用于固定待成行管件；工作时，将待成行管件固定在管件固定块上，再将待成行管件和管件固定块一同安装在第二成形线圈的中心孔内，通过第二成形线圈的接线端子与控制电路相连接。

9.如权利要求8所述的金属件电磁吸引成形装置，其特征在于，所述第二成形线圈为空心螺旋线圈。

10.如权利要求1-9任一项所述的金属件电磁吸引成形装置，其特征在于，所述设定波形为上升沿较缓且下降沿较陡的电流波形。