CN111842610B - 一种电磁驱动-电液管件成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁驱动‑电液管件成形装置及方法，所述装置包括：电源模块、成形模块、助推模块、成形模具以及固定单元；通过触发成形用电源1‑2，使金属丝2‑2与腔室6中的液体发生化学反应，产生爆炸冲击波，驱使待成形工件发生塑性变形，并在模具型腔4‑1的约束作用下成形；此外，通过助推用电源1‑1触发助推线圈3‑1在驱动板3‑2上产生感应涡流和时变磁场，通过时序配合，为整个成形过程提供轴向助推电磁力，同时，通过驱动板3‑2传递电磁作用力到待成形工件7的端部，从而增大管件的轴向运动趋势，提高材料的流动性。如此，在高速冲击波载荷和驱动板轴向助推力的协同作用下，实现对待成形工件7的塑性变形加工，能有效提高工件的成形能力和贴模性能。

Description

一种电磁驱动-电液管件成形装置及方法

技术领域

本发明属于金属成形制造领域，更具体地，涉及一种电磁驱动-电液管件成形装置及方法。

背景技术

金属是最为普遍的加工材料，镁合金、铝合金等轻质合金更是实现轻量化、节能减排的重要途径，在航空航天、汽车工业等被广泛采用。在管件深成形、波纹管制作等加工制造中，由于工件变形量较大，在加工过程中会出现局部过度减薄甚至撕裂的情况，因此一直是加工制造业中的难题。专利文献CN103406418B中公开了一种径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法及装置，能够在金属管件径向胀形的过程中，通过施加脉冲电磁力的方式在管件端部提供轴向推送，从而增强材料的流动性，提高工件的成形极限，增大管件的径向变形量。但是该方法仅适用于铝合金等导电性能好的金属材料，对于导电性能差的材料，例如镁合金、钢等，则难以实现电磁力的加载。同时，该方法存在管件轴向易失稳、贴模性差等问题。

电液成形是一种高速率成形的加工技术。利用金属丝在通大电流的情况下急速升温爆炸，并与周围液体发生反应体积迅速膨胀，从而产生冲击波传递于工件表面，在冲击载荷的作用下，工件发生塑性变形而进行加工制造。相较于传统的准静态加工方式，电液成形的高速率冲击载荷能极大地提高材料的成形极限。相较于电磁成形，不需要工件具有良好的导电性能，因此适用性更广；由于液体作为传播冲击波的介质，具有一定的不可压缩性，因此能很好抑制端部过度推送引起的管件轴向失稳，贴模性能可以得到显著提升。但是电液成形的冲击波载荷作用时间极短且不可控，同时存在对液体有效密闭的实际工装问题，难以在整个加工过程中通过准静态的方式提供持续稳定的轴向推送力；而低电导率材料难以通过线圈放电的方式，直接加载足够的轴向电磁推送力。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种电磁驱动-电液管件成形装置及方法，其目的在于解决管件在深成形、波纹管制造等大变形加工制造时，工件易发生减薄、破裂，以及电磁成形工艺无法直接作用于非良性导体材质工件的局限性等问题。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种电磁驱动-电液管件成形装置，包括：

电源模块，包括助推用电源和成形用电源，其中，所述助推用电源为助推线圈提供第一脉冲电流，所述成形用电源为金属丝提供第二脉冲电流，且所述第二脉冲电流脉宽小于所述第一脉冲电流脉宽，所述第二脉冲电流与所述第一脉冲电流不同步，其可在所述第一脉冲电流不同位置触发。

成形模块，包括电极、金属丝，用于产生爆炸冲击波；其中，所述金属丝缠绕于所述电极上，并放置于腔室内；

助推模块，包括助推线圈、驱动板，所述驱动板位于所述助推线圈与待成形工件端部之间；所述助推线圈产生交变磁场，并在所述驱动板中感应涡流，所述涡流与磁场在所述驱动板上产生轴向助推力，使所述驱动板动作，进而使所述待成形工件端部轴向流动；

成形模具，包括模具型腔、排气孔、密封塞；其中，所述模具型腔用于为工件成形提供空间与形貌约束，所述密封塞和所述待成形工件形成所述腔室；

固定单元，包括固定框架、伸缩垫环，为所述装置提供安装固定结构。

进一步地，所述驱动板几何形状为壁厚和轴长不同的两个同轴空心圆柱体的组合体，沿轴线剖面为“T形”；所述“T形”顶部放置所述助推线圈，所述“T形”底部连接所述待成形工件。

进一步地，所述伸缩垫环由多层薄板叠加而成。

进一步地，在一次成形不能有效贴模时，通过调节所述伸缩垫环实现所述助推线圈的跟进，从而增大推送力，实现贴模成形。

进一步地，所述助推线圈绕制于所述固定单元的上下盖板中。

进一步地，所述助推用电源和所述成形用电源通过时序控制系统实现脉冲电流的时序配合。

作为本发明的另一个方面，提供了一种电磁驱动-电液管件成形装置的管件成形方法，包括以下步骤：

S1：将所述待成形工件与所述成形模具相对放置，液体介质贮存于腔室内；所述金属丝缠绕于所述电极上，并放置于腔室内；

S2：将所述驱动板放置于所述待成形工件端部，并将所述助推线圈放置于所述驱动板上；接入所述助推用电源和所述成形用电源；

S3：通过所述助推用电源为所述助推线圈提供第一脉冲电流，通过电磁感应作用为所述驱动板提供轴向助推力，使所述待成形工件轴向流动；

S4：在轴向助推力作用过程中，通过所述成形用电源为所述金属丝提供第二脉冲电流，产生爆炸冲击波，为所述待成形工件提供成形冲击载荷，进而在爆炸冲击波和轴向助推力的协同作用下，实现贴模成形。

进一步地，在一次成形不能有效贴模时，通过调节所述伸缩垫环实现助推线圈的跟进，重复所述步骤S3和S4，进行多次复合成形。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明采用电液-电磁相结合的成形方法，在高速冲击波载荷和驱动板轴向助推力的协同作用下，实现对待成形工件的塑性变形加工，与单一方法成形相比，有效增加了材料流动，抑制工件减薄和撕裂，提升了材料的成形极限。

(2)本发明采用得到电液成形方式，以及驱动线圈将电磁力作用于驱动板，从而间接加载于工件端部的电磁推送方式，均对工件材质的电导率无要求，适用于各种金属材料，如铝合金、镁合金、钢等的加工制造，成功摆脱工件材质电导率的束缚。

(3)本发明主体采用电液胀形方式，由于液体的不可压缩性，传递冲击波载荷的同时可抑制因轴向过度推送引发的轴向失稳问题，显著的提高工件的贴模性。

(4)本发明中推送线圈固定于固定单元的上下盖板中，简化了装置结构的同时，有效抵消线圈所受反作用力。

(5)伸缩垫环的设计，使得该装置能够对助推线圈进行精准定位，同时可实现逐步跟进，使得助推线圈始终贴近驱动板，从而实现多次成形，进一步提升成形极限。

附图说明

图1是本发明提供的电磁驱动-电液管件成形装置的典型电流时序配合示意图；

图2是本发明提供的电磁驱动-电液管件成形装置的管件受力配合成形过程示意图；

图3是本发明实施例一提供的电磁驱动-电液管件成形装置的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的电磁驱动-电液管件成形装置中多次成形的过程示意图；其中，图4-1是一次成形后、线圈跟进、二次成形开始前的状态示意图，图4-2是最后贴模成形的状态示意图；

图5是本发明实施例二提供的电磁驱动-电液管件成形装置的结构示意图；

图6是本发明实施例三提供的电磁驱动-电液管件成形装置的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-1为助推用电源、1-2为成形用电源，2-1为电极、2-2为金属丝，3-1为助推线圈、3-2为驱动板，4-1为模具型腔、4-2为排气孔、4-3为密封塞，5-1为固定框架、5-2为伸缩垫环，6为腔室，7为待成形工件。

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。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。

实施例一

如图3所示，为本发明实施例一提供的电磁驱动-电液管件成形装置的结构示意图，装置包括：电源模块、成形模块、助推模块、成形模具、固定单元。

其中，电源模块包括助推用电源1-1、成形用电源1-2；成形模块包括金属电极2-1、金属丝2-2；助推模块包括助推线圈3-1、驱动板3-2；成形模具包括模具型腔4-1、排气孔4-2、密封塞4-3；固定单元包括固定框架5-1、伸缩垫环5-2。

具体的，电源模块包括助推用电源1-1、成形用电源1-2。成形用电源1-2用于为金属丝2-2提供脉冲电流；金属丝2-2处于模具型腔中部，在脉冲电流作用下产生爆炸，冲击波作用于待成形工件，驱动其胀形。推送用电源1-1用于为助推线圈3-1提供脉冲电压；助推线圈3-1用于产生交变磁场，从而在驱动板3-2上产生轴向电磁力，进而作用于待成形工件端部，提供轴向推送。

成形模块包括金属电极2-1、金属丝2-2。用以接收并转化成形用电源1-2的能量，从而产生爆炸冲击波，驱动待成形工件7向模具腔内成形。

助推模块包括助推线圈3-1、驱动板3-2。助推线圈和驱动板均由两端对称布置的一对组成，助推线圈3-1在助推用电源1-1的激励下，在驱动板3-2上产生轴向电磁力，进而作用于待成形工件端部，提供轴向推送。

成形模具包括模具型腔4-1、排气孔4-2、密封塞4-3。模具型腔4-1用于为工件成形提供空间，同时约束其形貌；排气孔4-2主要用于平衡模具腔内外气压；密封塞4-3用于和待成形工件7一同形成腔室6。

固定单元包括固定框架5-1、伸缩垫环5-2。固定框架5-1由上下盖板、紧固螺杆和螺丝等组成，为整个装置提供安装固定结构。伸缩垫环5-2用以灵活提供支撑作用。

腔室6由模具4和待成形工件7配合形成，用于放置金属丝和填充传导液体等。

具体的，所述助推用电源1-1和所述成形用电源1-2可通过时序控制系统实现时序配合，便于根据实际需求，实现在轴向助推力的上升沿、峰值或下降沿触发金属丝发生爆炸，从而获得成形冲击载荷与轴向助推力的不同配合情况，实现灵活配合，进而实现对待成形工件变形行为的有效调控。轴向助推力与成形冲击载荷的大小选择、时序配合是影响成形效果的关键所在。

具体的，通过推送用电源1-1触发，助推线圈3-1在驱动板3-2上感应涡流和时变磁场，进而产生助推电磁力，通过驱动板3-2传递于待成形工件7端部，从而提升材料流动性；通过成形用电源1-2触发，在金属丝2-2上产生脉冲电流，金属丝2-2焦耳热积累，温度迅速升高，发生汽化爆炸，并与腔室6内液体介质发生剧烈作用，压强骤增，从而在待成形工件7上产生高速冲击载荷；在高速冲击载荷和驱动板轴向推力的协同作用下，实现对待成形工件7的塑性变形加工，能有效提高成形能力和贴模性能。

具体的，金属丝的材质、几何尺寸以及缠绕方式等的选取可根据待成形管件和模具的结构、形貌及其电学、力学参数进行设置，以期取得较优值。

具体的，驱动线圈可直接绕制于固定单元的上下盖板中，再简化结构的同时，便于实现线圈的加固及定位。

具体的，驱动板优选电导率高、刚性好的材质，同时驱动板的形貌和尺寸可根据具体参数进行优化设计，以便于更好的感应轴向助推力并传递至待成形工件的端部；优选地，所述驱动板几何形状为壁厚和轴长不同的两个同轴空心圆柱体的组合体，沿轴线剖面为“T形”，所述“T形”顶部放置所述助推线圈，所述“T形”底部连接所述待成形工件，有利于更好地传递电磁推送力。

具体的，成形模具的型腔应根据待成形工件的成形目标形貌来选取；成形模具上开有排气孔，在成形过程中有效平衡模具内外气压，有效提升贴模性能。

具体的，固定单元中采用的伸缩垫环可用多层薄板叠加的方式实现，其目的一在于实现驱动线圈与驱动板的紧密结合；目的二在于对固定单元和成形模具之间的支撑与定位，确保其相对位置保持合适。

本实施例中的金属丝爆炸产生冲击载荷和驱动板推力相结合作用于待成形工件7的电液-电磁管件成形方法包括以下步骤：

(1)将待成形金属工件7与成形模具相对放置，液体介质贮存于腔室6内；

(2)金属丝2-2缠绕于金属电极2-1上，并放置于腔室6内；

(3)驱动板3-2放置于待成形工件7端部，同时驱动线圈3-1放置于驱动板3-2上；

(4)通过固定结构完成搭建，并接入两套电源系统；

(5)通过推送用电源1-1控制助推线圈3-1为驱动板3-2提供助推电磁力，通过驱动板3-2驱动待成形工件7轴向流动；通过成形用电源1-2控制金属丝2-2为待成形工件7提供成形冲击载荷，进而在高速冲击载荷和驱动板轴向推力的协同作用下，实现贴模成形。

进一步地，如图4所示，对于更深成形工件，一次成形不足以实现有效贴模，此时需要进行如下步骤进行多次复合成形：

(6)重复步骤(1)～(3)；

(7)通过对伸缩垫环5-2的调节实现驱动线圈的跟进；

(8)重复步骤(4)和(5)。

实施例二

如图5所示，本发明提供的第二实施例中成形模具与实施例一不同；采用多金属丝的方式与实施例一不同；其它结构与实施例一相同。

本实施方式中成形模具为波纹状，用以进行波纹管成形，波纹管特征在于，成型区存在多个成形中心，单一金属丝爆炸贴模效率较低；同时由于多纹路的结构导致难以采取多次轴向推送的复合成形。

本实施例给出了多金属丝状态下对于波纹管的电液电磁相结合的成形实施例的装置及方式。

其装置与方法基本与实施例一相同，其区别在于：

(1)金属丝2-2布置数目与模具波纹数相同，且位置对应；

(2)电源模块中的成形用电源与助推用电源产生的第一、第二两脉冲电流的大小和时序配合应调整适当，确保能够单次实现贴模成形。

实施例三

如图6所示，当待成形工件只需一端进行助推时，可以采取单端加载轴向助推装置；其具体步骤与实施例一相同，此处不再赘述。

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 (7)

1.一种电磁驱动-电液管件成形装置，其特征在于，包括：

电源模块，包括助推用电源(1-1)和成形用电源(1-2)，其中，所述助推用电源(1-1)为助推线圈(3-1)提供第一脉冲电流，所述成形用电源(1-2)为金属丝(2-2)提供第二脉冲电流，且所述第二脉冲电流脉宽小于所述第一脉冲电流脉宽；

成形模块，包括电极(2-1)、金属丝(2-2)，用于产生爆炸冲击波；其中，所述金属丝(2-2)缠绕于所述电极(2-1)上，并放置于腔室(6)内；

助推模块，包括助推线圈(3-1)、驱动板(3-2)，所述驱动板(3-2)位于所述助推线圈(3-1)与待成形工件(7)端部之间；所述助推线圈(3-1)产生交变磁场，并在所述驱动板(3-2)中感应涡流，所述涡流与磁场在所述驱动板(3-2)上产生轴向助推力，使所述驱动板(3-2)动作，进而使所述待成形工件(7)端部轴向流动；

成形模具，包括模具型腔(4-1)、排气孔(4-2)、密封塞(4-3)；其中，所述模具型腔(4-1)用于为工件成形提供空间与形貌约束，所述密封塞(4-3)和所述待成形工件(7)形成所述腔室(6)；

固定单元，包括固定框架(5-1)、伸缩垫环(5-2)，为所述装置提供安装固定结构；其中，所述伸缩垫环(5-2)由多层薄板叠加而成。

2.如权利要求1所述的电磁驱动-电液管件成形装置，其特征在于，所述驱动板(3-2)几何形状为壁厚和轴长不同的两个同轴空心圆柱体的组合体，沿轴线剖面为“T形”；所述“T形”顶部放置所述助推线圈(3-1)，所述“T形”底部连接所述待成形工件(7)。

3.如权利要求1所述的电磁驱动-电液管件成形装置，其特征在于，在一次成形不能有效贴模时，通过调节所述伸缩垫环(5-2)实现所述助推线圈(3-1)的跟进，从而增大推送力，实现贴模成形。

4.如权利要求1所述的电磁驱动-电液管件成形装置，其特征在于，所述助推线圈(3-1)绕制于所述固定单元的上下盖板中。

5.如权利要求1至4任一项所述的电磁驱动-电液管件成形装置，其特征在于，所述助推用电源(1-1)和所述成形用电源(1-2)通过时序控制系统实现脉冲电流的时序配合。

6.一种如权利要求1所述的电磁驱动-电液管件成形装置的管件成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将所述待成形工件(7)与所述成形模具相对放置，液体介质贮存于腔室(6)内；所述金属丝(2-2)缠绕于所述电极(2-1)上，并放置于腔室(6)内；

S2：将所述驱动板(3-2)放置于所述待成形工件(7)端部，并将所述助推线圈(3-1)放置于所述驱动板(3-2)上；接入所述助推用电源(1-1)和所述成形用电源(1-2)；

S3：通过所述助推用电源(1-1)为所述助推线圈(3-1)提供第一脉冲电流，通过电磁感应作用为所述驱动板(3-2)提供轴向助推力，使所述待成形工件(7)轴向流动；

S4：在轴向助推力作用过程中，通过所述成形用电源(1-2)为所述金属丝(2-2)提供第二脉冲电流，产生爆炸冲击波，为所述待成形工件(7)提供成形冲击载荷，进而在爆炸冲击波和轴向助推力的协同作用下，实现贴模成形。

7.如权利要求6所述的管件成形方法，其特征在于，在一次成形不能有效贴模时，通过调节所述伸缩垫环(5-2)实现助推线圈的跟进，重复所述步骤S3和S4，进行多次复合成形。

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