CN114160640B - 一种用于矩形工件的电磁压边装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁压边技术领域，公开了一种用于矩形工件的电磁压边装置与方法，电磁压边装置包括：背景场线圈、压边模块、模具和脉冲电源模块；背景场线圈用于为压边模块所在区域提供包含垂直于流过电流分量磁场的背景磁场，脉冲电源模块用于为背景场线圈和压边模块提供脉冲电流；压边模块用于为待成形工件提供可依据流过电流或背景磁场调节的电磁压边力；模具用于使得待成形工件获得目标的形状，待成形工件在电磁压边力的作用下发生塑性变形。本发明通过灵活调节背景磁场和通入的脉冲电流为工件提供柔性的电磁压边力，可以灵活地控制工件端部的塑性流动，提高工件的成形质量；压边模块直接与工件接触，可以适用于低电导率材料。

Description

一种用于矩形工件的电磁压边装置与方法

技术领域

本发明属于电磁压边技术领域，更具体地，涉及一种用于矩形工件的电磁压边装置与方法。

背景技术

在工件成形过程中，为控制工件的形貌往往需要在工件的端部进行压边处理，通过压边力调节摩擦阻力来控制金属工件的塑性流动。在传统冲压工艺中，传统是通过采用油压机在成形工件的外围施加压边力，当待加工工件的面积较大时，油压机的工作台面随之增大，油压机的体积也将变的很大，成本高，操作难。同时这种压边方式很难适用电磁成形这种高速变形工艺。电磁成形工艺是一种利用电磁力加工金属的先进制造技术，在成形过程中，工件速度可以到上百米每秒，传统压边方式很难适用于这种高速成形工艺。

为适应电磁成形等高速成形工艺，专利文献CN105537361B提供了一种适于高速成形的电磁压边方法，采用两个线圈的电磁吸引力代替传统压力机的液压力，提供电磁压边力，以解决现有能成形的工件尺寸受压力设备台面尺寸限制的问题。

但这种压边力的产生是通过电磁感应方式实现，而对于将脉冲电流直接通入工件这种电磁成形方法，对应压边装置目前存在问题：(1)脉冲电流直接与工件接触，压边力不足可能导致电流回路断开引起电弧烧蚀，而压边力过大会抑制工件塑性流动，影响成形质量。(2)传统通过线圈式提供压边力的方式适合于高电导率的金属工件，无法实现钛板等低电导率材料的压边。

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用于矩形工件的电磁压边装置，旨在解决现有技术中压边力不足或者过大影响压边成形质量，且现有技术中不能对低导电率材料进行压边的问题。

本发明公开了一种用于矩形工件的电磁压边装置，包括：背景场线圈、压边模块、模具和脉冲电源模块；背景场线圈用于为所述压边模块提供包含垂直所流过电流分量磁场的背景磁场，脉冲电源模块用于为所述背景场线圈和所述压边模块提供脉冲电流；压边模块通过待成形金属工件与所述脉冲电源模块相连，用于为待成形工件提供可依据流过电流或背景磁场大小调节的电磁压边力；模具设置于待成形工件的下方，用于使得所述待成形工件获得目标的形状，所述待成形工件在所述电磁压边力的作用下发生塑性变形。

更进一步地，背景场线圈为密绕螺线管线圈，其截面形状为圆形或者矩形，其内部中空，用于放置压边模块、模具以及待成形工件。

更进一步地，压边模块为U型结构，压边模块为U型结构，U型结构的开口端与模具的底部连接，U型结构的非开口端设置于待成形工件端部上方，并在U型结构的非开口端设置有用于与脉冲电源保持电气连接的接口。

其中，压边模块可以为金属导电材料制成。

当压边模块工作时，电流通过压边模块流入工件中，在背景磁场的作用下，压边模块受到电磁力具有向下移动的趋势，并靠近模具，实现自压边功能。

当工件成形后发生回弹时，所述压边模块的下端仍套在模具外围，所述压边模块不会因为工件回弹而与工件分离。

更进一步地，压边模块施加给工件的压边力通过调控背景磁场的大小和通入压边模块电流的大小实现压边力的调控。具体的，压边力幅值的大小通过调节背景磁场或压边模块电流幅值大小实现，压边力作用的范围通过压边模块的尺寸大小实现，压边力的持续作用时间通过通入电流的波形实现。

进一步，背景磁场亦可以由密绕螺线管线圈所用的线圈匝数和线圈尺寸调控。

本发明还提供了一种基于上述的电磁压边装置的电磁压边方法，包括下述步骤：

(1)将待成形工件的端部放置于压边模块与模具之间，且将所述压边模块与所述待成形工件保持电气连接；

(2)通过背景场线圈在压边模块与待成形金属工件区域产生脉冲磁场，待成形工件和压边模块中流过脉冲电流，在所述脉冲电流和所述脉冲磁场的共同作用下，所述压边模块和所述待成形工件在电磁力的作用下向下运动，压边模块为待成形工件提供柔性的电磁压边力。

其中，由于压边模块直接与待成形工件接触，适用于低电导率材料的压边处理，可以解决传统感应时电磁压边装置因电导率低无法获得充足的压边力问题。

更进一步地，在步骤(2)之前还包括：将待成形工件、模具、压边模块组成的组合结构放置在背景场线圈的内部，确保待成形工件的中心点与背景场线圈的中心点重合，且待成形工件所流脉冲电流的方向与背景场线圈的径向所在的平面平行。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明中的压边模块可以通过灵活调节背景磁场和脉冲通入的电流为工件提供柔性的电磁压边力，可以灵活地控制工件端部的塑性流动，可提高工件的成形质量。

(2)压边模块直接与工件接触，压边模块电流不受材料电导率影响可以适用于低电导率材料，解决传统感应时电磁压边装置因电导率低无法获得充足的压边力问题。

(3)压边模块可以通过背景磁场和通入的电流通过幅值与电流波形解耦调控，工件的电磁压边力，控制简单，易于实现。

(4)压边模块设计成U型槽，当工件成形后发生回弹时，压边装置的下端嵌在模具内部，工件在成形过程中不会发生较大反弹。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种电磁压边装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的压边模块与工件以及模具连接的示意图；

图3是本发明实施例提供的电磁压边的原理说明图。

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。

本发明提供了一种矩形金属工件的电磁压边装置和压边方法，在压边模板流过的脉冲电流和背景磁场共同作用下，为压边模块提供电磁力，同时通过压边模块趋向工件端部靠近模具，为工件提供电磁压边力。该发明解决了感应式电磁压边装置无法为低电导率工件充足压边力问题，扩大了工件电导率适用范围，同时亦可以为工件提供柔性的电磁压边力，灵活控制工件端部的塑性流动，提供工件的成形质量。

本发明提供了一种矩形金属工件的电磁压边装置，包括背景场线圈、压边模块、模具以及脉冲电源模块；背景场线圈为压边模块提供背景磁场，压边模块通过待成形金属工件与脉冲电源模块相连，脉冲电源模块为背景场线圈和压边模块提供脉冲电流，压边模块为待成形工件提供电磁压边力，模具在待成形工件的下方，用于待成形工件获得目标的形状，待成形工件在电磁力的作用下发生塑性变形。

背景场线圈为密绕螺线管线圈，其截面形状为圆形或者矩形，其内部中空，用于放置压边模块、模具以及待成形工件；

压边模块为金属导电材料制成的U型结构，放在待成形工件端部的上方并套住模具，且与待成形工件保持电气连接。在压边过程中，电流通过压边模块流入工件中，在背景磁场的作用下，压边模块也会受到电磁力具有向下移动的趋势，并靠近模具，实现自压边功能。压边模块设计成凹槽型，当工件成形后发生回弹时，压边装置的下端仍套在模具外围，压边模块不会因为工件回弹而与工件分离。

压边模块施加给工件的压边力可以通过调控背景磁场的大小和通入压边模块的电流的大小实现压边力的调控。

脉冲电源模块由充电回路和放电端组成，充电回路的电源和开关控制电容器的充电，为其提供能量，放电端开关控制电容器的放电。脉冲电源模块用于对背景场线圈、压边模块和待成形工件提供电流。

待成形样件可以是金属材料，亦可以是镀有金属的任何材料，即任何流过电流的材料。

模具可以按需要来设计，可以为波浪形，凹性等任意曲面形状以约束待成形样件的形状；亦可以任意形状的孔槽实现工件冲裁。

使用时，脉冲电源对背景场线圈和通过压边装置对待成形工件放电。背景场线圈、压边模块和待成形工件流过脉冲电流，背景场线圈中的脉冲电流将在线圈内部的压边形模块以及待成形工件区域内产生脉冲磁场，在压边模块和待成形工件流中的脉冲电流和背景场线圈中的脉冲磁场的共同作用下，压边模块产生脉冲电磁力。压边模块在电磁力的作用下趋向工件端部并模具，为工件端部提供压边力，工件中部在电磁力的驱动下发生变形，可通过调节背景磁场或脉冲电流的大小灵活控制工件的压边力，进而灵活地控制工件端部的塑性流动，提供工件的成形质量。

本发明还提供了一种电磁压边方法，包括如下步骤：

步骤1：待成形工件的工件与压边装置相连，压边模块为金属导电材料制成，设置于待成形工件端部的上方且与套住模具的底部，且待成形工件保持电气连接。

步骤2：通过脉冲电源对电容器充电，电容器充电完成后对背景场线圈和待成形工件放电，背景场线圈在压边模块与待成形金属工件区域产生脉冲磁场，待成形工件和压边模块流过脉冲电流，在脉冲电流和脉冲磁场共同作用下，压边模块和待成形工件受到在电磁力的作用下向下运动。此过程中压边模块为待成形工件的提供电磁压边力。该方法可以为工件提供柔性的电磁压边力，可以灵活地控制工件端部的塑性流动，可提高工件的成形质量。进一步，压边模块直接与工件接触，可以适用于低电导率材料，解决传统感应时电磁压边装置因电导率低无法获得充足的压边力问题。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的用于矩形板件的压边装置及压边方法，现参照附图并结合具体实施例详述如下：

结合图1～图3具体说明本实施方式。本发明实施方式提供的一种矩形板件电磁压边装置包括：背景场线圈、压边模块、模具以及脉冲电源模块；其中背景场线圈1为跑道型的密绕螺线管线圈，其横截面为跑道形状，包含平行部分和圆弧部分；压边模块4a和压边模块4b设置在待成形工件3两侧；模具2在待成形工件的下方；脉冲电源模块包括电源A和电源B。

如图1所示，跑道型线圈由线圈骨架1-1、铜导线1-2、铜电极(包括第一铜电极1-3a和第二铜电极1-3b)构成。线圈骨架1-1材料为环氧树脂，铜导线1-2为横截面积7×5mm²的紫铜导线，铜导线1-2缠绕在线圈骨架表面，并在导线上方填涂环氧固化剂进行加固，提升线圈强度。铜电极1-3a和1-3b为黄铜材料，通过线圈骨架1-1在内部与铜导线1-2连接，其中铜电极1-3a为线圈的入线端，铜电极1-3b为线圈的出线端。

如图1和图2所示，模具2的材料为高强度的绝缘材料，本实施例中模具所用材料为氧化锆材料。压边模块为金属导电材料制成，设置于待成形工件端部的上方且套住模具的底部，且待成形工件保持电气连接。在成形过程中，电流通过压边模块流入工件中，在背景磁场的作用下，压边装置也会受到电磁力从而具有向下移动的趋势，实现自压边功能。所述的压边模块设计成凹槽型，当工件成形后发生回弹时，压边装置的下端嵌在模具内部，整个装置不会发生较大反弹。

如图2所示，压边模块为金属导电材料制成，设置于待成形工件端部的上方且与套住模具的底部，且待成形工件保持电气连接。在成形过程中，电流通过压边模块流入工件中，在背景磁场的作用下，压边装置也会受到电磁力从而具有向下移动的趋势，实现自压边功能。压边模块设计成凹槽型，当工件成形后发生回弹时，压边装置的下端嵌在模具内部，整个装置不会发生较大反弹。

在本发明实施例中，脉冲电源一共有两套：电源A和电源B，其均为电容器型脉冲电源。电源A与跑道型线圈的铜电极1-a和1-b相连，产生脉冲电流经铜电极1-a流入跑道型线圈的铜导线，再经铜电极1-b流出；电源B与压边模块4a和4b相连，产生的脉冲电流I2经压边模块4a流入待校形超薄微通道工件3，再经压边模块4b流出。其中电源A采用长脉宽电容器型电源，产生毫秒级脉冲电流，电容量为3200μF，电源B采用短脉宽电容器型电源，产生微秒级脉冲电流，电容量为100μF。

结合图3说明典型的电磁压边过程，待成形工件3中的脉冲电流的方向为由压边模块4a流向压边模块4b，背景场线圈产生的脉冲磁场方向为垂直纸面向内。待成形工件通过压边模块流过脉冲电流，脉冲电流的方向有由右向左，同时背景场线圈为待成形工件与压边模块提供的磁场方向为垂直纸面向内。根据电磁力公式F＝J×B可知，待成形工件和压边模块中任意一点受到的力都是方向向下，从而实现工件端部的柔性压边。

本发明实施例采用的一种矩形工件的电磁压板装置的电磁压边方法，具体包括下述步骤：

步骤1：待成形工件的工件与压边装置相连，所述的压边模块为金属导电材料制成，设置于待成形工件端部的上方且与套住模具的底部，且待成形工件保持电气连接；

步骤2：将待成形工件、模具、压边模块组成的组合结构放置在背景场线圈的内部，确保待成形工件的中心点与背景场线圈的中心点重合，且待成形工件所流脉冲电流的方向与背景场线圈的径向所在的平面平行。；

步骤3：通过脉冲电源对电容器充电，电容器充电完成后对背景场线圈和待成形工件放电，背景场线圈在压边模块与待成形金属工件区域产生脉冲磁场，待成形工件和压边模块流过脉冲电流，在脉冲电流和脉冲磁场共同作用下，压边模块和待成形工件受到在电磁力的作用下向下运动。此过程中压边模块为待成形工件的提供电磁压边力。该压边方法可以为工件提供柔性的电磁压边力，可以灵活地控制工件端部的塑性流动，可提高工件的成形质量。

进一步，压边模块直接与工件接触，可以适用于低电导率材料，解决传统感应时电磁压边装置因电导率低无法获得充足的压边力问题。

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 (8)

1.一种用于矩形工件的电磁压边装置，其特征在于，包括：背景场线圈、压边模块、模具和脉冲电源模块；

所述背景场线圈用于为所述压边模块所在区域提供包含垂直于流过电流分量磁场的背景磁场；

所述脉冲电源模块用于为所述背景场线圈和所述压边模块提供脉冲电流；

所述压边模块通过待成形金属工件与所述脉冲电源模块相连，用于为待成形工件提供可依据流过电流或背景磁场调节的电磁压边力；

所述模具设置于待成形工件的下方，用于使得所述待成形工件获得目标的形状，所述待成形工件在所述电磁压边力的作用下发生塑性变形；

所述压边模块为U型结构，所述U型结构的开口端与所述模具的底部连接，所述U型结构的非开口端设置于所述待成形工件端部上方，并在所述U型结构的非开口端设置有用于与脉冲电源保持电气连接的接口；

所述压边模块工作时，电流通过压边模块流入工件中，在背景磁场的作用下，压边模块受到电磁力具有向下移动的趋势，并靠近模具，实现自压边功能。

2.如权利要求1所述的电磁压边装置，其特征在于，所述背景场线圈为密绕螺线管线圈，其截面形状为圆形或者矩形，其内部中空，用于放置压边模块、模具以及待成形工件。

3.如权利要求1所述的电磁压边装置，其特征在于，所述压边模块为金属导电材料制成。

4.如权利要求1所述的电磁压边装置，其特征在于，当工件成形后发生回弹时，所述压边模块的下端仍套在模具外围，所述压边模块不会因为工件回弹而与工件分离。

5.如权利要求1-4任一项所述的电磁压边装置，其特征在于，所述压边模块施加给工件的压边力通过调控背景磁场和通入压边模块的电流实现压边力的调控。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的电磁压边装置的电磁压边方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)将待成形工件的端部放置于压边模块与模具之间，且将所述压边模块与所述待成形工件保持电气连接；

(2)通过背景场线圈在压边模块与待成形金属工件区域产生脉冲磁场，待成形工件和压边模块中流过脉冲电流，在所述脉冲电流和所述脉冲磁场的共同作用下，所述压边模块和所述待成形工件在电磁力的作用下向下运动，压边模块为待成形工件提供柔性的电磁压边力。

7.如权利要求6所述的电磁压边方法，其特征在于，所述压边模块直接与待成形工件接触，适用于低电导率材料的压边处理。

8.如权利要求6或7所述的电磁压边方法，其特征在于，在步骤(2)之前还包括：将待成形工件、模具、压边模块组成的组合结构放置在背景场线圈的内部，确保待成形工件的中心点与背景场线圈的中心点重合，且待成形工件所流脉冲电流的方向与背景场线圈径向所在的平面平行。

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