CN109848279A - 一种大型零件的电磁分级成形方法及成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明的大型零件的电磁分级成形方法及成形装置，方法包括S1：设置平移路径；S2：设置成形模具；S3：将零件置于平移路径上；S4：将零件设置多个待变形区；S5：对零件施加径向电磁力和轴向电磁力，使零件的第一个待变形区向成形模具挤压成形；S6：将零件的后续待变形区拉直；S7：对零件施加径向电磁力和轴向电磁力，使零件向成形模具挤压成形；S8：保持步骤S6至步骤S7循环进行，直到待变形区成形完成；S9：对零件进行校形。装置包括成形模具、压板和托板，压板和托板之间形成平移路径，压板和托板上均设置有径向侧推线圈，零件上方设有多个轴向推力线圈。该发明具有成型均匀稳定、适用范围广、成形精度高的优点。

Description

一种大型零件的电磁分级成形方法及成形装置

技术领域

本发明主要涉及材料塑性加工的高速率成形技术领域，尤其涉及一种大型零件的电磁分级成形方法及成形装置。

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。大型壳体构件目前常用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，零件成形抗力小；但大型零件的依旧需要大尺寸、大吨位的旋压设备。并且成形过程容易出现鼓包、破裂等缺陷。为了抑制破裂和起皱，成形过程往往需要多道次旋压，并且需要多次退火工艺，成形工艺复杂；(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。但整个设备巨大，并且也难以实现直径4m以上零件的成形；(3)单点渐进成形。该方法通过工具头按照“轨迹”运动，生成表面轮廓。由于是工具头与零件单点接触，成形设备吨位小。但导致板料呈现整体的变薄成形，容易开裂。

电磁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。

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、崔晓辉等提出了先采用拉形工艺，然后采用小线圈按照3D移动轨迹渐进式放电实现零件的成形方法。但该方法存问题：(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，会在板料上出现局部的凹坑和凸起，导致同一层板料的变形均匀性较差，并造成整体成形质量不高；(2)由于放电次数多，成形效率低下。

在文献号为CN108097794A的专利“一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法”中，黄亮等提出先采用小线圈渐进式放电，实现零件的预变形。然后采用旋压工艺对零件进行整形。与文献号为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”相似，渐进式放电会导致成形效率低下，并且每一层板料都会出现局部的凹坑和凸起。这种不均匀变形是难以通过旋压成形工艺完全整形。

在文献号为CN108856444A的专利“一种设有随形布置线圈的工件电磁渐进成形装置及方法”中，崔晓辉等针对小线圈渐进式放电存在的变形均匀性差、成形效率低等问题，提出了与拉形后板料形面相对应的环形随形线圈，线圈每一次放电均可以保证每一层表面的精确贴模，显著改善零件的成形质量和成形效率。但该技术存在以下问题：(1)针对特定的模具形面和板料拉形后的形面，就需要单独一套随形布置线圈，导致该方法柔性差，适应范围窄；(2)线圈结构为塔型，会大幅度增加线圈的加工难度和成本。并且线圈放电后，会受到垂直于线圈底面的电磁力，该磁场力可分解为轴向和径向电磁力，会大幅度增加线圈的固定难度和降低线圈的使用寿命；(3)零件的主要变形通过拉形进行，电磁成形主要进行小范围的校形和贴模变形，不能完全发挥电磁成形提高零件成形极限的优势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种成型均匀稳定、适用范围广、成形精度高的大型零件的电磁分级成形方法及成形装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种大型零件的电磁分级成形方法，包括以下步骤：

S1：设置平移路径；

S2：在平移路径的上方或下方设置成形模具；

S3：将零件置于平移路径上；

S4：将零件沿轴向方向根据其变形顺序设置多个待变形区；

S5：对零件施加径向电磁力，同时对零件的首个待变形区施加轴向电磁力，使零件的第一个待变形区向成形模具挤压成形；

S6：将零件的后续待变形区拉直；

S7：对零件施加径向电磁力，同时对下一个相邻的待变形区施加轴向电磁力，使零件的该待变形区向成形模具挤压成形；

S8：保持步骤S6至步骤S7循环进行，直到所有待变形区成形完成；

S9：对零件进行校形，使零件完全贴合成形模具。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤S9中，采用旋轮对零件进行校形。

在步骤S9中，采用单点校形工具头对零件进行校形。

在步骤S9中，采用电磁力沿前述的待变形区依次对零件进行校形。

在步骤S9中，采用覆盖整个成形区域的电磁力对零件进行校形。

一种大型零件的电磁分级成形装置，包括成形模具和设置在成形模具周侧的压板，所述压板底部设有托板，所述压板和托板之间形成位于成形模具上方的平移路径，所述压板和托板上均设置有用于对零件施加径向电磁力的径向侧推线圈，所述零件上方设有多个用于分次对零件施加轴向电磁力的轴向推力线圈。

作为上述技术方案的进一步改进：

还包括用于对零件进行校形的校形工具，所述校形工具设置为旋轮。

还包括用于对零件进行校形的校形工具，所述校形工具设置为单点校形工具头。

还包括用于对零件进行校形的校形工具，所述校形工具设置为电磁渐进校形线圈。

还包括用于对零件进行校形的校形工具，所述校形工具设置为曲面分级环形线圈。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种大型零件的电磁分级成形方法，采用了多个分级轴向电磁力分次施压，适合于不同直径、不同曲率的零件成形，适用范围广；采用了电磁成形技术，电磁成形是零件成形的主要变形方式，能大幅度的提高零件的成形极限和性能；当采用电磁成形后，零件的最终轮廓已与成形模具形面接近，只需对零件进行小幅拉形，既可以保证被拉形后的零件更加贴紧成形模具形面，或完全贴紧成形模具形面；采用了径向电磁力，抑制了轴向电磁力施压后零件的厚度减薄；在后续还对零件进行了校形，保证了最终的成形精度，该校形过程只需使零件发生小变形，避免了零件的减薄、起皱和变形不均匀的出现。

本发明的大型零件的电磁分级成形装置，采用了多个分级轴向推力线圈分次释放电磁力，适合于不同直径、不同曲率的零件成形，适用范围广，轴向推力线圈都是平面结构，加工容易，使用寿命高；采用了电磁成形技术，电磁成形是零件成形的主要变形方式，能大幅度的提高零件的成形极限和性能；并且由于采用环形整体径向侧推线圈，保证每一层零件都能得到同样的变形量，变形均匀性得到大幅度提高，并且整个成形所需放电次数少，成形效率大幅度提高；当采用电磁成形后，零件的最终轮廓已与成形模具形面接近，只需对零件进行小幅拉形，既可以保证被拉形后的零件更加贴紧成形模具形面，或完全贴紧成形模具形面；采用了径向侧推线圈，抑制了轴向电磁力施压后零件的厚度减薄；在后续还对零件进行了校形，保证了最终的成形精度，该校形过程只需使零件发生小变形，避免了零件的减薄、起皱和变形不均匀的出现。

附图说明

图1是本发明大型零件的电磁分级成形方法的流程图。

图2是本发明大型零件的电磁分级成形装置实施例1的结构示意图。

图3是本发明大型零件的电磁分级成形装置实施例1的结构示意图(一级轴向推力线圈放电状态)。

图4是本发明大型零件的电磁分级成形装置实施例1的结构示意图(二级轴向推力线圈下移状态)。

图5是本发明大型零件的电磁分级成形装置实施例1的结构示意图(二级轴向推力线圈放电状态)。

图6是本发明大型零件的电磁分级成形装置实施例1的结构示意图(三级轴向推力线圈下移状态)。

图7是本发明大型零件的电磁分级成形装置实施例1的结构示意图(三级轴向推力线圈放电状态)。

图8是本发明大型零件的电磁分级成形装置实施例1的结构示意图(旋轮校形)。

图9是本发明大型零件的电磁分级成形装置实施例2的结构示意图(单点校形工具头校形)。

图10是本发明大型零件的电磁分级成形装置实施例3的结构示意图(渐进校形)。

图11是本发明大型零件的电磁分级成形装置实施例4的结构示意图(分级校形)。

图中各标号表示：

1、零件；2、平移路径；3、成形模具；4、旋轮；5、单点校形工具头；6、压板；7、托板；8、径向侧推线圈；9、轴向推力线圈；10、电磁渐进校形线圈；11、曲面分级环形线圈。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

方法实施例1：

图1至图8示出了本发明大型零件的电磁分级成形方法的第一种实施例，包括以下步骤：

S1：设置平移路径2；

S2：在平移路径2的上方或下方设置成形模具3；

S3：将零件1置于平移路径2上；

S4：将零件1沿轴向方向根据其变形顺序设置多个待变形区；

S5：对零件1施加径向电磁力，同时对零件1的首个待变形区施加轴向电磁力，使零件1的第一个待变形区向成形模具3挤压成形；

S6：将零件1的后续待变形区拉直；

S7：对零件1施加径向电磁力，同时对下一个相邻的待变形区施加轴向电磁力，使零件1的该待变形区向成形模具3挤压成形；

S8：保持步骤S6至步骤S7循环进行，直到所有待变形区成形完成；

S9：对零件1进行校形，使零件1完全贴合成形模具。

本发明的大型零件的电磁分级成形方法，采用了多个分级轴向电磁力分次施压，适合于不同直径、不同曲率的零件1成形，适用范围广；采用了电磁成形技术，电磁成形是零件1成形的主要变形方式，能大幅度的提高零件1的成形极限和性能；当采用电磁成形后，零件1的最终轮廓已与成形模具3形面接近，只需对零件1进行小幅拉形，既可以保证被拉形后的零件1更加贴紧成形模具3形面，或完全贴紧成形模具3形面；采用了径向电磁力，抑制了轴向电磁力施压后零件1的厚度减薄；在后续还对零件1进行了校形，保证了最终的成形精度，该校形过程只需使零件1发生小变形，避免了零件1的减薄、起皱和变形不均匀的出现。

本实施例中，在步骤S8中，采用旋轮4对零件1进行校形。该方法中，利用旋轮4对零件1进行校形，使零件1各点发生小变形，驱使零件1完全贴紧成形模具3形面，保证了最终的成形精度。

方法实施例2：

图1至图7及图9示出了本发明大型零件的电磁分级成形方法的第二种实施例，该成形方法与方法实施例1基本相同，区别仅于：本实施例中，在步骤S8中，采用单点校形工具头5对零件1进行校形。该方法中，利用单点校形工具头5对零件1进行校形，使零件1各点发生小变形，驱使零件1完全贴紧成形模具3形面，同样保证了最终的成形精度。

方法实施例3：

图1至图7及图10示出了本发明大型零件的电磁分级成形方法的第三种实施例，该成形方法与方法实施例1基本相同，区别仅于：本实施例中，在步骤S8中，采用电磁力沿前述的待变形区依次对零件1进行校形。采用渐进整形，会在零件1的厚度方向产生较大的压应力，从而使零件1径向、切向应力大幅度减小，避免由于径向、切向应力的不均匀导致零件1发生扭曲，回弹等缺陷。使最终的零件1获得较均匀的残余应力分布。

方法实施例4：

图1至图7及图11示出了本发明大型零件的电磁分级成形方法的第四种实施例，该成形方法与方法实施例1基本相同，区别仅于：本实施例中，在步骤S8中，采用覆盖整个成形区域的电磁力对零件1进行校形。该方法中，利用覆盖整个成形区域的电磁力对零件1进行分级校形，同样会在零件1的厚度方向产生较大的压应力，从而使零件1径向、切向应力大幅度减小，避免由于径向、切向应力的不均匀导致零件1发生扭曲，回弹等缺陷。使最终的零件1获得较均匀的残余应力分布。

装置实施例1：

图2至图8示出了本发明大型零件的电磁分级成形装置的第一种实施例，包括成形模具3和设置在成形模具3周侧的压板6，压板6底部设有托板7，压板6和托板7之间形成位于成形模具3上方的平移路径2，压板6和托板7上均设置有用于对零件1施加径向电磁力的径向侧推线圈8，零件1上方设有多个用于分次对零件1施加轴向电磁力的轴向推力线圈9。采用了多个分级轴向推力线圈9分次释放电磁力，适合于不同直径、不同曲率的零件1成形，适用范围广，轴向推力线圈9都是平面结构，加工容易，使用寿命高；采用了电磁成形技术，电磁成形是零件1成形的主要变形方式，能大幅度的提高零件1的成形极限和性能；并且由于采用环形整体径向侧推线圈8，保证每一层零件1都能得到同样的变形量，变形均匀性得到大幅度提高，并且整个成形所需放电次数少，成形效率大幅度提高；当采用电磁成形后，零件1的最终轮廓已与成形模具3形面接近，只需利用压板6和托板7对零件1进行小幅拉形，既可以保证被拉形后的零件1更加贴紧成形模具3形面，或完全贴紧成形模具3形面；采用了径向侧推线圈8，抑制了轴向电磁力施压后零件1的厚度减薄；在后续还对零件1进行了校形，保证了最终的成形精度，该校形过程只需使零件1发生小变形，避免了零件1的减薄、起皱和变形不均匀的出现。

本实施例中，还包括用于对零件1进行校形的校形工具，校形工具设置为旋轮4。利用旋轮4对零件1进行校形，使零件1各点发生小变形，驱使零件1完全贴紧成形模具3形面，保证了最终的成形精度。

装置实施例2：

图2至图7及图9示出了本发明大型零件的电磁分级成形装置的第二种实施例，该成形装置与实施例1基本相同，区别仅在于：本实施例中，还包括用于对零件1进行校形的校形工具，校形工具设置为单点校形工具头5。利用单点校形工具头5对零件1进行校形，使零件1各点发生小变形，驱使零件1完全贴紧成形模具3形面，同样保证了最终的成形精度。

装置实施例3：

图2至图7及图10示出了本发明大型零件的电磁分级成形装置的第三种实施例，该成形装置与实施例1基本相同，区别仅在于：本实施例中，还包括用于对零件1进行校形的校形工具，校形工具设置为电磁渐进校形线圈10。采用电磁渐进校形线圈10渐进整形，会在零件1的厚度方向产生较大的压应力，从而使零件1径向、切向应力大幅度减小，避免由于径向、切向应力的不均匀导致零件1发生扭曲，回弹等缺陷。使最终的零件1获得较均匀的残余应力分布。

装置实施例4：

图2至图7及图11示出了本发明大型零件的电磁分级成形装置的第四种实施例，该成形装置与实施例1基本相同，区别仅在于：本实施例中，还包括用于对零件1进行校形的校形工具，校形工具设置为曲面分级环形线圈11。利用覆盖整个成形区域的曲面分级环形线圈11对零件1进行分级校形，同样会在零件1的厚度方向产生较大的压应力，从而使零件1径向、切向应力大幅度减小，避免由于径向、切向应力的不均匀导致零件1发生扭曲，回弹等缺陷。使最终的零件1获得较均匀的残余应力分布。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，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 (10)

1.一种大型零件的电磁分级成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设置平移路径(2)；

S2：在平移路径(2)的上方或下方设置成形模具(3)；

S3：将零件(1)置于平移路径(2)上；

S4：将零件(1)沿轴向方向根据其变形顺序设置多个待变形区；

S5：对零件(1)施加径向电磁力，同时对零件(1)的首个待变形区施加轴向电磁力，使零件(1)的第一个待变形区向成形模具(3)挤压形；

S6：将零件(1)的后续待变形区拉直；

S7：对零件(1)施加径向电磁力，同时对下一个相邻的待变形区施加轴向电磁力，使零件(1)的该待变形区向成形模具(3)挤压成形；

S8：保持步骤S6至步骤S7循环进行，直到所有待变形区成形完成；

S9：对零件(1)进行校形，使零件(1)完全贴合成形模具。

2.根据权利要求1所述的大型零件的电磁分级成形方法，其特征在于：在步骤S9中，采用旋轮(4)对零件(1)进行校形。

3.根据权利要求1所述的大型零件的电磁分级成形方法，其特征在于：在步骤S9中，采用单点校形工具头(5)对零件(1)进行校形。

4.根据权利要求1所述的大型零件的电磁分级成形方法，其特征在于：在步骤S9中，采用电磁力沿前述的待变形区依次对零件(1)进行校形。

5.根据权利要求1所述的大型零件的电磁分级成形方法，其特征在于：在步骤S9中，采用覆盖整个成形区域的电磁力对零件(1)进行校形。

6.一种大型零件的电磁分级成形装置，其特征在于：包括成形模具(3)和设置在成形模具(3)周侧的压板(6)，所述压板(6)底部设有托板(7)，所述压板(6)和托板(7)之间形成位于成形模具(3)上方的平移路径(2)，所述压板(6)和托板(7)上均设置有用于对零件(1)施加径向电磁力的径向侧推线圈(8)，所述零件(1)上方设有多个用于分次对零件(1)施加轴向电磁力的轴向推力线圈(9)。

7.根据权利要求6所述的大型零件的电磁分级成形装置，其特征在于：还包括用于对零件(1)进行校形的校形工具，所述校形工具设置为旋轮(4)。

8.根据权利要求6所述的大型零件的电磁分级成形装置，其特征在于：还包括用于对零件(1)进行校形的校形工具，所述校形工具设置为单点校形工具头(5)。

9.根据权利要求6所述的大型零件的电磁分级成形装置，其特征在于：还包括用于对零件(1)进行校形的校形工具，所述校形工具设置为电磁渐进校形线圈(10)。

10.根据权利要求6所述的大型零件的电磁分级成形装置，其特征在于：还包括用于对零件(1)进行校形的校形工具，所述校形工具设置为曲面分级环形线圈(11)。