CN111112435B - 空心金属板件快速成形方法及成形装置 - Google Patents

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Abstract

空心金属板件快速成形方法，包括将上层金属板件、下层金属板件、凹模轴线对齐，从下至上依序放置并固定；将第一线圈组固定在上层金属板件上方、第二线圈组固定在下层金属板件下方；控制第一脉冲发生电路，在第一线圈组中产生长脉宽电流，形成背景磁场；控制第二脉冲发生电路，在第二线圈组中产生短脉宽电流，第二线圈组在下层金属板件成形区域产生环向涡流，下层金属板件在下方的凹模的辅助下，成形区域向下变形；将上层金属板件和下层成形后的金属板件的边缘连接进行组合成形，形成空心金属板件。本发明还公开了一种空心金属板件的成形装置。本发明的方法既降低了生产成本和生产周期，提高了工件成形质量。

Description

空心金属板件快速成形方法及成形装置
技术领域
本发明属于金属成形制造领域，具体涉及一种空心金属板件快速成形方法及成形装置。
背景技术
提高轻质合金的利用率可有效减少化石能源的消耗以及CO2的排放，在国家节能减排的政策引导下，提高轻质合金板件的成形性能对提高我国的制造工业具有重大的意义。
轻质合金板件大量应用于飞机、火箭、汽车等各种领域的制造中，而目前针对轻质合金板件特别是空心合金板件的成形工艺中存在较多不足。目前针对空心板件的制造，普遍采用气体冲压、超塑成形(Superplastic Forming,SPF)和扩散连接(DiffusionBonding,DB)等手段，虽然成形质量高，但成形工艺较为复杂。在SPF/DB空心板件成形工艺中，主要通过在下层板件的气孔中快速吹入高温、高压气体对上层板件进行加热和加压，使上层板件在模具辅助下成形；这种工艺下，高温、高压气体不可控，制造环境差，成形周期长，需要4～30分钟，且上层板件和下层板件间的连接完整性对设计者和制造者要求较高。该工艺存在成本较高，制造难度较大，制造周期长，工件最终成形质量不可控，对生产制造者存在较高的技术要求等缺点。
申请号为CN201711167673.6的中国专利“一种含实体结构的四层薄壁网格零件及其超塑成形/扩散连接方法”依靠放置在阴模内的两层面板，通过先对两层面板进行加温处理，加温至原材料的超塑成型温度，再吹入高压气体使板件在阴模的辅助下成形，然后降至室温后通过在不需要扩散连接的区域填充阻燃剂，最后组合成形。目前这种方法主要运用于金属工件的加工，但是这种加工工艺存在不可忽视的缺点，即工件成形均匀度较差，操作复杂，流程繁琐且不利于环保等缺点。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种空心金属板件快速成形方法及成形装置，对叠加的上下层金属板件进行加工预处理，通过第一线圈组产生背景磁场，通过第二线圈组在下层金属板件中产生环向感应涡流Je，使得下层金属板件主要受到向下的洛伦兹力，在凹模的辅助下高速成形，然后将上层金属板件和下层金属板件的边缘利用电磁焊接或扩散连接进行组合成形，形成空心金属板件，提高空心工件的成形质量。
本发明的技术方案是空心金属板件快速成形方法，对叠加在一起的上层金属板件和下层金属板件进行加工预处理，通过第一线圈组产生背景磁场B，通过第二线圈组在下层金属板件中产生环向感应涡流Je，使得下层金属板件受到向下的洛伦兹力，放置在凹模上的下层金属板件的中心部位向下变形，然后将上层金属板件和成形后的下层金属板件的边缘利用电磁焊接或扩散连接进行组合成形，形成空心金属板件，具体包括以下依次进行的步骤，
步骤1：将上层金属板件、下层金属板件、凹模轴线对齐，从下至上依序放置并固定；
步骤2：将第一线圈组固定在上层金属板件上方、第二线圈组固定在下层金属板件下方；
步骤3：将第一线圈组连接到第一脉冲发生电路，控制第一脉冲发生电路，在第一线圈组中产生长脉宽电流，第一线圈组在整个金属板件成形区域产生背景磁场B；
步骤4：将第二线圈组连接到第二脉冲发生电路，控制第二脉冲发生电路，在第二线圈组中产生短脉宽电流，根据电流集肤原理，调节第二线圈组中的电流仅在下层金属板件上产生环向感应涡流Je，产生环向感应涡流的成形区域在背景磁场的作用下，受到向下的洛伦兹力F＝Je×B，下层金属板件在下方的凹模的辅助下，成形区域向下变形；
步骤5：然后将上层金属板件和成形后的下层金属板件的边缘焊接或扩散连接进行组合成形，形成空心金属板件。
线圈放电电流的频率f计算公式为
Figure BDA0002322194280000021
式中L为线路电感，C为电容器电容值；
电流集肤深度d的计算公式为
Figure BDA0002322194280000022
式中μ为工件磁导率，ρ为材料的电阻率；
结合式(1)和式(2)，电流集肤深度
Figure BDA0002322194280000023
根据式(3)，通过调节第二脉冲发生电路的放电电容或改变放电回路的电感值，改变电流集肤深度d，使感应涡流集中到下层金属板件中。
优选地，所述步骤1之前，对上层金属板件和下层金属板件进行退火预处理。
优选地，所述上层金属板件的厚度为4～6mm，下层金属板件的厚度为4～6mm。根据空心金属板件的规格需要分别选择上层金属板件、下层金属板件的厚度，根据式(3)，可通过调整放电回路的电容、电感数值，使感应涡流集中到下层金属板件中。
优选地，所述第一脉冲发生电路，包括多个电容，多个电容串联或并联后形成电容器组，通过增加或减小电容的数量或改变电容与电容的连接关系对第一脉冲发生电路的电容数值进行调节。
优选地，所述第二脉冲发生电路，包括多个电容，多个电容串联或并联后形成电容器组，通过增加或减小电容的数量或改变电容与电容的连接关系对第二脉冲发生电路的电容数值进行调节。
下层金属板件成形区域的受力分析如下
Figure BDA0002322194280000031
Figure BDA0002322194280000032
式中Fz为轴向洛伦兹力，Fr为径向洛伦兹力；Je为下层金属板件上的感应涡流密度，以顺时针方向为正；Br为轴向磁场分量，Bz为径向磁场分量，以Br指向中心为正；Je-long为长脉宽电流在下层金属板件上产生的感应涡流，Je-short为短脉宽电流在下层金属板件上产生的感应涡流；Br-long为长脉宽电流在成形区域产生的径向磁场，Br-short为短脉宽电流在成形区域产生的径向磁场；t代表时间，t1为长脉宽电流到达峰值的时刻，长脉宽电流从t＝0时刻触发，t2为短脉宽电流到达峰值的时刻；Ilong为第一线圈组的长脉宽电流的电流值，Ishort为第二线圈组的短脉宽电流的电流值。
分析下层金属板件的感应涡流密度，当t1＞＞t2-t1时；
感应涡流密度
Je-short＞＞Je-long (6)
长脉宽电流的电流峰值Ilongm大于短脉宽电流的电流峰值Ishortm，第一线圈组的匝数N1远远大于第二线圈组的匝数N2，存在：
Figure BDA0002322194280000033
结合式(6)和式(7)得出t＞t1时，
Fz≈-Je-short×Br-long (8)
利用空心金属板件快速成形方法的成形装置，包括一个凹模、第一线圈组、第二线圈组、第一脉冲发生电路、第二脉冲发生电路，第一线圈组经晶闸管开关IGBT与第一脉冲发生电路连接，第二线圈组经晶闸管开关IGBT与第二脉冲发生电路连接，用于形成空心金属板件的上层金属板件、下层金属板件固定在凹模上方，第一线圈组置于上层金属板件上方，第二线圈组置于凹模下方，通过第一线圈组产生背景磁场，通过第二线圈组在下层金属板件中产生环向感应涡流，使得下层金属板件主要受到向下的洛伦兹力而变形。
相比现有技术，本发明的有益效果：
1)本发明的方法与现有空心金属板件成形工艺相比既降低了生产成本和生产周期，又提高了工件成形质量；
2)通过控制第一线圈组和第二线圈组的电压、电流以及电流的时序，对金属板件区域的磁场强度以及金属板件中的涡流大小及涡流的分布和位置进行调节，可满足不同工艺的空心板件成形要求；
3)通过改变第一线圈组、第二线圈组与金属板件的相对位置，对下层金属板件的成形进行多样控制，满足多样化的空心金属板件加工需要。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为实施例的空心金属板件的成形装置的结构示意图。
图2为第一线圈组、第二线圈组的放电电电路示意图。
图3为第一线圈组、第二线圈组通电后的磁感线示意图。
图4为下层金属板件变形时的受力方向示意图。
图5为长脉宽电流和短脉宽电流的示意图。
图6为为下层金属板件上感应涡流方向示意图。
图7为成形后的空心金属板件示意图。
图8为仿真实验的下层金属板件最终变形示意图。
图9为仿真实验的下层金属板件轴向位移示意图。
附图标记说明：第一线圈组1、第二线圈组2、第一脉冲发生电路3、第二脉冲发生电路4、凹模5、上层金属板件6、下层金属板件7。
具体实施方式
如图1所示，空心金属板件的成形装置，包括凹模5、第一线圈组1、第二线圈组2、第一脉冲发生电路3、第二脉冲发生电路4，第一线圈组1经IGBT与第一脉冲发生电路连接，第二线圈组2经IGBT与第二脉冲发生电路4连接，用于形成空心金属板件的上层金属板件6、上层金属板件7厚度均为6mm，上层金属板件6、上层金属板件7叠加后固定在凹模5上方，第一线圈组1置于上层金属板件6上方、第二线圈组2置于凹模5下方，通过第一线圈组1产生背景磁场B，通过第二线圈组2在上层金属板件7中产生环向感应涡流Je，使得上层金属板件7主要受到向下的洛伦兹力而变形。
第一线圈组1包含64匝线圈，线圈缠绕在线圈骨架上，线圈组外层采用线圈加固纤维柴龙固定。
第二线圈组2包含16匝线圈，第二线圈组2结构与第一线圈组1几何结构相似。
如图2所示，第一脉冲发生电路包括依次串联的电容器C11、C12、…、C1m以及线路电感L1，m为串联的电容器的数量，电容C11、C12、…、C1m组成的电容组的电容为3200μF。
第二脉冲发生电路4包括依次串联的电容器C21、C22、…、C2n以及线路电感L2，n为串联的电容器的数量，电容C21、C22、…、C2n组成的电容组的电容为320μF。
空心金属板件快速成形方法，对尺寸满足飞机舱门等生产规格的上层金属板件和下层金属板件进行退火预处理后，通过控制第一线圈组、第二线圈组的电压、电流以及电流的时序，使下层金属板件在凹模辅助下变形，具体包括以下依次进行的步骤，
步骤1：将上层金属板件、下层金属板件、凹模轴线对齐，从下至上依序放置并采用压边设备固定；
步骤2：将第一线圈组固定在上层金属板件上方、第二线圈组固定在下层金属板件下方；
步骤3：将第一线圈组经IGBT连接到第一脉冲发生电路，控制第一脉冲发生电路，在第一线圈组中产生长脉宽电流，第一线圈组在整个金属板件成形区域产生背景磁场B，磁感线方向如图3所示；
步骤4：将第二线圈组经IGBT连接到第二脉冲发生电路，控制第二脉冲发生电路，在第二线圈组中产生短脉宽电流，第二线圈组在下层金属板件成形区域产生环向涡流Je，如图6所示；产生环向涡流的成形区域在背景磁场的作用下，受到向下的洛伦兹力，如图4所示；下层金属板件在下方的凹模的辅助下，成形区域向下变形，成形后的金属板件如图7所示；
步骤5：将上层金属板件和成形后的下层金属板件的边缘焊接进行组合成形，形成空心金属板件；
步骤6：进行空心金属板件成形效果比对。
步骤3-4中，第一线圈组中产生的长脉宽电流Ilong、第二线圈组中产生的短脉宽电流Ishort如图5所示。
线圈放电电流的频率f计算公式为
Figure BDA0002322194280000061
式中L为线路电感，C为电容器电容值；
电流集肤深度d的计算公式为
Figure BDA0002322194280000062
式中μ为工件磁导率，ρ为材料的电阻率；
结合式(1)和式(2)，电流集肤深度
Figure BDA0002322194280000063
根据式(3)，通过调节第二线圈组的放电电容或改变放电回路的电感值，改变电流集肤深度d，使感应涡流集中到下层金属板件中。
下层金属板件成形区域的受力分析如下
Figure BDA0002322194280000064
Figure BDA0002322194280000065
式中Fz为轴向洛伦兹力，Fr为径向洛伦兹力；Je为下层金属板件上的感应涡流密度，以顺时针方向为正；Br为轴向磁场分量，Bz为径向磁场分量，以Br指向中心为正；Je-long为长脉宽电流在下层金属板件上产生的感应涡流，Je-short为短脉宽电流在下层金属板件上产生的感应涡流；Br-long为长脉宽电流在成形区域产生的径向磁场，Br-short为短脉宽电流在成形区域产生的径向磁场；t代表时间，t1为长脉宽电流到达峰值的时刻，长脉宽电流从t＝0时刻触发，t2为短脉宽电流到达峰值的时刻；第一线圈组的长脉宽电流Ilong的峰值为15kA，第二线圈组的短脉宽电流Ishort的峰值为11kA。
分析金属板件的感应涡流密度，当t1＞＞t2-t1时；
感应涡流密度
Je-short＞＞Je-long (6)
长脉宽电流的电流峰值Ilongm大于短脉宽电流的电流峰值Ishortm，第一线圈组的匝数N1远远大于第二线圈组的匝数N2，存在：
Figure BDA0002322194280000071
结合式(6)和式(7)得出t>t1时，
Fz≈-Je-short×Br-long (8)
实施例中采用有限元软件COMSOL5.4a对空心金属板件的成形进行仿真，第一脉冲发生电路的放电电压设置为11kV，第二脉冲发生电路的放电电压设置为6.8kV。仿真结果如图8、图9所示，下层金属板件的向下的轴向最大位移为3.4mm。

Claims (7)

1.空心金属板件快速成形方法，对叠加在一起的上层金属板件和下层金属板件进行加工处理，其特征在于，通过第一线圈组产生背景磁场，通过第二线圈组在下层金属板件中产生环向感应涡流，使得下层金属板件受到向下的洛伦兹力，放置在凹模上的下层金属板件的成形区域向下变形，然后将上层金属板件和下层金属板件的边缘固定连接，使上层金属板件、下层金属板件合一形成空心金属板件，具体包括以下依次进行的步骤，
步骤1：将上层金属板件、下层金属板件、凹模轴线对齐，从下至上依序放置并固定；
步骤2：将第一线圈组固定在上层金属板件上方，第二线圈组固定在凹模下方；
步骤3：将第一线圈组连接到第一脉冲发生电路，控制第一脉冲发生电路，在第一线圈组中产生长脉宽电流，第一线圈组在整个金属板件成形区域产生背景磁场；
步骤4：将第二线圈组连接到第二脉冲发生电路，控制第二脉冲发生电路，在第二线圈组中产生短脉宽电流，第二线圈组在下层金属板件成形区域产生环向感应涡流，产生环向感应涡流的成形区域在背景磁场的作用下，受到向下的洛伦兹力，下层金属板件在洛伦兹力的作用下，成形区域向下变形；
步骤5：将上层金属板件和下层金属板件的边缘固定连接，使上层金属板件、下层金属板件合一，形成空心金属板件。
2.根据权利要求1所述的空心金属板件快速成形方法，其特征在于，所述步骤1之前，对上层金属板件和下层金属板件进行退火预处理。
3.根据权利要求1所述的空心金属板件快速成形方法，其特征在于，所述上层金属板件的厚度为4~6mm。
4.根据权利要求1所述的空心金属板件快速成形方法，其特征在于，所述下层金属板件的厚度为4~6mm。
5.根据权利要求1所述的空心金属板件快速成形方法，其特征在于，所述第一脉冲发生电路，包括串联的多个电容，多个电容串联或并联后形成电容器组，用于与第一线圈组连接后在第一线圈组中产生长脉宽电流。
6.根据权利要求1所述的空心金属板件快速成形方法，其特征在于，所述第二脉冲发生电路，包括串联的多个电容，多个电容串联或并联后形成电容器组，用于与第二线圈组连接后在第二线圈组中产生短脉宽电流。
7.利用权利要求1-5任意一项所述的空心金属板件快速成形方法的成形装置，包括压边设备、第一线圈组、第二线圈组、第一脉冲发生电路、第二脉冲发生电路，第一线圈组经开关管与第一脉冲发生电路连接，第二线圈组经开关管与第二脉冲发生电路连接，用于形成空心金属板件的上层金属板件、下层金属板件固定在凹模上，第一线圈组置于上层金属板件上方、第二线圈组置于凹模下方，通过第一线圈组产生背景磁场，通过第二线圈组在下层金属板件中产生环向感应涡流，使得下层金属板件主要受到向下的洛伦兹力而变形。
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