CN114632862B - 一种基于轴向双线圈的电磁成形系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于轴向双线圈的电磁成形系统和方法，该系统包括：主线圈、集磁器、副线圈、夹持装置和电源控制系统；主线圈放置于待加工板件的正下方；待加工板件的上方依次放置有集磁器和副线圈；主线圈和副线圈的轴线重合；夹持装置环绕在主线圈的周围；电源控制系统与主线圈和副线圈电性连接；主线圈用于产生垂直于向上的电磁力；集磁器用于调控所述副线圈的磁场密度；副线圈用于产生垂直于向下的电磁力；夹持装置用于对待加工板件、集磁器和副线圈进行固定；电源控制系统用于为主线圈和副线圈提供脉冲电流。本发明有效解决了因为板件成形中电磁力分布不均匀造成的底部异常形态，实现了板件底部形貌可控和板件的无模成形。

Description

一种基于轴向双线圈的电磁成形系统和方法

技术领域

本发明涉及金属成形制造技术领域，尤其涉及一种基于轴向双线圈的电磁成形系统和方法。

背景技术

电磁成形是利用脉冲电磁力推动金属材料实现高速成形的加工技术，因其与传统冲压成形技术相比，具有应变率高、成形速度快、工件表面质量高等优势，在航空航天、汽车工业等领域得到了广泛的应用。板件排斥成形是电磁成形的典型应用，但在板件成形过程中，由于平面螺旋线圈提供的轴向电磁力分布是不均匀的，板件中心位置的约束最弱，因此板件中心位置成形高度最大，最终成形的板件为圆锥形状，而这种圆锥形状的形态往往并不是希望得到的成形效果。

为了应对板件电磁成形过程中电磁力分布不均问题，目前有局部电磁力成形、板件匀压力电磁成形等技术，但由于这些技术需要更大能量的电源，且存在电弧烧蚀等问题，难以大规模应用。专利CN206632187U公开了一种柔性电磁力加载式金属管件电磁成形装置，为金属管件提供径向和轴向两个方向的电磁力，消除端部效应，使工件变形更加均匀，但是其结构复杂；另外，管件成形与板件成形有着很大的区别：管件电磁成形利用的是螺线管驱动线圈施加径向电磁力，以径向分量为主，电磁成形中心位置变形大主要是由于中心位置受力大；而板件电磁成形，利用的是平板螺旋驱动线圈施加轴向电磁力，以轴向分量为主，板件电磁成形出现圆锥底主要是由于中心位置约束小。此外，板件电磁成形时，往往需要根据板件形状制造相应的凸模或凹模、线圈及压边圈等装置，导致生产成本增加、制造周期增长，进一步限制了电磁成形的大规模应用。

因此，亟需提出一种结构简单、形貌可控的电磁成形系统和方法，解决现有技术中板件电磁成形存在的成形不均匀、形貌控制操作复杂，难以实现大规模应用的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种基于轴向双线圈的电磁成形系统和方法，用以解决现有技术中存在的板件电磁成形不均匀、形貌不可控、制造成本高的问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种基于轴向双线圈的电磁成形系统，包括：主线圈、集磁器、副线圈、夹持装置和电源控制系统；

所述主线圈放置于待加工板件的正下方；所述待加工板件的上方依次放置有所述集磁器和所述副线圈；所述主线圈和所述副线圈的轴线重合；所述夹持装置环绕在所述主线圈的周围；所述电源控制系统与所述主线圈和所述副线圈电性连接；

所述主线圈用于产生垂直于所述待加工板件向上的电磁力；

所述集磁器用于调控所述副线圈的磁场密度；

所述副线圈用于产生垂直于所述待加工板件向下的电磁力；

所述夹持装置用于对所述待加工板件、所述集磁器和所述副线圈进行固定；

所述电源控制系统用于为所述主线圈和所述副线圈提供脉冲电流。

进一步地，所述主线圈的半径是所述副线圈的半径的两倍。

进一步地，所述集磁器的参数根据所述待加工板件进行调整。

进一步地，所述电源控制系统包括时序开关；

所述时序开关用于控制所述脉冲电流的放电时序。

进一步地，所述主线圈和所述副线圈的绕线方向相同；所述电源控制系统为所述主线圈提供的脉冲电流和为所述副线圈提供的脉冲电流方向相反。

进一步地，所述电源控制系统包括主线圈控制系统和副线圈控制系统；

所述主线圈控制系统用于为所述主线圈提供脉冲电流，所述副线圈控制系统用于为所述副线圈提供脉冲电流。

进一步地，所述主线圈和副线圈均为平面螺旋线圈或螺线管线圈。

进一步地，所述待加工板件与所述集磁器之间的空隙大于所述待加工板件成形时产生的变形量。

进一步地，所述夹持装置包括夹具和压边环；

所述夹具，用于将所述待加工板件、所述集磁器和所述副线圈固定；

所述压边环，用于限制所述待加工板件超过所述主线圈部分的位移。

本发明还提供一种基于轴向双线圈的电磁成形方法，采用上述技术方案中任一所述的基于轴向双线圈的电磁成形系统，包括：

根据所述待加工板件确定所述集磁器的参数和所述主线圈和副线圈的脉冲电流大小；

将所述待加工板件放置于所述主线圈的正上方，将所述集磁器和所述副线圈依次放置于所述待加工板件的上方；

通过夹持装置对所述待加工板件、所述集磁器和所述副线圈进行固定；

通过所述电源控制系统为所述主线圈和所述副线圈提供脉冲电流；

通过所述主线圈和所述副线圈产生垂直于所述待加工板件的电磁力，完成所述待加工板件的电磁成形。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明的系统通过夹持装置将待加工板件固定于轴线重合的主线圈和副线圈之间，通过电源控制系统为主线圈和副线圈提供脉冲电流，使主线圈产生垂直向上的电磁力、副线圈产生垂直向下的电磁力，有效解决了因为板件成形中电磁力分布不均匀而造成的圆锥状的底部异常形态；通过集磁器对副线圈进行调控，实现了板件底部形貌可控，同时也实现了板件的无模成形。本发明结构简单，不需要使用大能量电源，也不需要根据不同板件形状制造相应的模具，制造成本低，成形效率高，适合大规模应用。

附图说明

图1为本发明提供的板件电磁成形中一实施例的所受电磁力的示意图；

图2为本发明提供的板件受力不均匀情况一实施例的成形效果示意图；

图3为本发明提供的基于轴向双线圈的电磁成形系统一实施例的结构示意图；

图4为本发明提供的基于轴向双线圈的电磁成形系统另一实施例的结构示意图；

图5为本发明提供的主线圈对待加工板件单独作用一实施例的电磁力示意图；

图6为本发明提供的主线圈对待加工板件单独作用一实施例的成形效果示意图；

图7为本发明提供的副线圈对待加工板件单独作用一实施例的电磁力示意图；

图8为本发明提供的基于轴向双线圈的电磁成形系统对待加工板件一实施例的成形效果示意图；

图9为本发明提供的主线圈和副线圈上脉冲电流一实施例的波形示意图；

图10为本发明提供的基于轴向双线圈的电磁成形系统在图9的脉冲电流条件下的成形效果示意图；

图11为本发明提供的基于轴向双线圈的电磁成形方法一实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供了一种基于轴向双线圈的电磁成形系统和方法，利用轴线重合的主线圈和副线圈，对待加工板件进行电磁成形操作，有效解决了因为板件成形中电磁力分布不均匀的问题；通过集磁器对副线圈进行调控，实现了板件底部形貌可控，同时也实现了板件的无模成形。

在介绍本发明的实施例之前，先对板件成形存在的问题进行简单介绍。

板件排斥成形是电磁成形的典型应用，但是在板件成形的过程中，平面螺旋线圈提供的轴线电磁力分布是不均匀的。如图1所示，待加工板件在半径1/2位置所受到的电磁力明显大于板件的中心位置和边缘位置所受到的电磁力，这一区域因受到的电磁力最大，其变形速率最快，同时将带动其他区域发生加速变形。由于板件中心位置的约束最弱，因此导致了板件中心位置成形高度最大，最终成形的板件为圆锥形状，如图2所示。这种圆锥状的底部形态往往并不是我们希望得到的成形效果，理想的成形形态是圆滑的无棱角的底部形态。因此，为了使底部的形态可控，避免由于电磁力分布不均匀对所述板件底部形态的影响，本发明提供了一种基于轴向双线圈的电磁成形系统和方法，以下分别进行详细说明。

本发明实施例提供了一种基于轴向双线圈的电磁成形系统，其结构示意图如图3所示，包括：主线圈1、集磁器2、副线圈3、夹持装置4和电源控制系统5；

所述主线圈1放置于待加工板件6的正下方；所述待加工板件6的上方依次放置有所述集磁器2和所述副线圈3；所述主线圈1和所述副线圈3的轴线重合；所述夹持装置4环绕在所述主线圈1的周围；所述电源控制系统5与所述主线圈1和所述副线圈3电性连接；

所述主线圈1用于产生垂直于所述待加工板件6向上的电磁力；

所述集磁器2用于调控所述副线圈3的磁场密度；

所述副线圈3用于产生垂直于所述待加工板件6向下的电磁力；

所述夹持装置4用于对所述待加工板件6、所述集磁器2和所述副线圈3进行固定；

所述电源控制系统5用于为所述主线圈1和所述副线圈3提供脉冲电流。

与现有技术相比，本实施例提供的一种基于轴向双线圈的电磁成形系统，通过夹持装置将待加工板件固定于轴线重合的主线圈和副线圈之间，通过电源控制系统为主线圈和副线圈提供脉冲电流，使主线圈产生垂直向上的电磁力、副线圈产生垂直向下的电磁力，有效解决了因为板件成形中电磁力分布不均匀而造成圆锥状的底部异常形态；通过集磁器对副线圈进行调控，实现了板件底部形貌可控，同时也实现了板件的无模成形。本发明结构简单，不需要使用大能量电源，也不需要根据不同板件形状制造相应的模具，制造成本低，成形效率高，适合大规模应用。

由于待加工板件在半径1/2位置所受到的电磁力明显大于板件的中心位置和边缘位置所受到的电磁力，这一区域因受到的电磁力最大，其变形速率最快，因此副线圈3的主要作用是改善工件中心位置的圆锥变形，抑制下方主线圈在半径1/2处过大的电磁力，避免板件受约束弱的中心位置变形太大。相当于利用副线圈3为板件的中心位置增加了一个轴向的约束。作为优选的实施例，所述主线圈1的半径是所述副线圈3的半径的两倍；即：副线圈3的半径是主线圈1电磁力最大的位置到轴心的距离，使板件中心位置变形过大的情况得到改善。

集磁器2的作用是调控磁场分布，通过调控副线圈3产生的磁场密度，使副线圈3在保持小尺寸的情况下，还能具有较大的磁场强度；作为优选的实施例，所述集磁器的参数根据所述待加工板件进行更换。根据待加工板件的材质、厚度和电磁成形的要求，选择合适的集磁器参数。在不改变主线圈1和副线圈3情况下，仅仅通过改变集磁器就能达到调控板件受到的电磁力的效果。

作为一个具体的实施例，所述待加工板件6可以是铁磁性或者非铁磁性的材料，且厚度没有限定。根据所述待加工板件的材质和厚度，确定所述集磁器的参数，以及所述电源控制系统为主线圈和副线圈所提供的脉冲电流大小。

为保证集磁器2和副线圈3在板件成形过程中不受到待加工板件6发生变形造成的挤压损坏，待加工板件6与集磁器2之间需要保持足够的成形余量。作为优选的实施例，所述待加工板件与所述集磁器之间的空隙大于所述待加工板件成形时产生的变形量。

作为优选的实施例，所述夹持装置包括夹具和压边环；

所述夹具，用于将所述待加工板件、所述集磁器和所述副线圈固定；

所述压边环，用于限制所述待加工板件超过所述主线圈部分的位移。

作为一个具体的实施例，所述夹持装置要便于所述集磁器的更换。

作为优选的实施例，所述电源控制系统包括主线圈控制系统和副线圈控制系统；

所述主线圈控制系统用于为所述主线圈提供脉冲电流，所述副线圈控制系统用于为所述副线圈提供脉冲电流。

主线圈的控制系统和副线圈的控制系统可以为同一控制系统，也可以为两个不同的控制系统。

下面结合图4-图8对上述技术方案进行进一步说明。

如图4所示，所述夹持装置4包括夹具41和压边环42；所述电源控制系统5包括主线圈控制系统51和副线圈控制系统52。

所述主线圈1放置于坚硬的水平面7上，所述坚硬水平面7在电磁成形过程中可以认为是不会发生形变的；主线圈1周围环绕为圆形的夹具41，所述夹具41在电磁成形过程中可以认为是不会发生形变的。待加工板件6放置于主线圈1的正上方，所述待加工板件6超过主线圈1的部分使用压边环42进行限位，防止待加工板件6在成形过程中可能出现的位移。待加工板件6的上方放置有一个集磁器2，集磁器2上方为副线圈3。所述集磁器2用于增强副线圈3的磁场强度。

主线圈1在电磁成形的过程中为待加工板件6提供轴向的电磁力F₁，如图5所示，主线圈1对所述待加工板件6单独作用的电磁力F₁的方向为垂直板面向上，成形效果如图6所示。

副线圈3在电磁成形的过程中为待加工板件6提供轴向的电磁力F₂，如图7所示，副线圈3对所述待加工板件6单独作用的电磁力F₂与主线圈1单独作用的电磁力F₁的方向相反。

若所述主线圈控制系统51和副线圈控制系统52为同一控制系统，待加工板件6受到的两个成形线圈的电磁力会在同一时刻达到最大值，成形效果如图8所示。

若两个线圈分别由两套电源系统提供脉冲电流放电，即：放主线圈控制系统51和副线圈控制系统52为两个单独的控制系统，可以分别通过时序开关对脉冲电流进行精准的控制。作为优选的实施例，所述电源控制系统包括时序开关；

所述时序开关用于控制所述脉冲电流的放电时序。

通过时序开关，实现了对待加工板件6所受电磁力的精准控制，进而能够实现电磁成形无模具的形貌控制。

作为一个具体的实施例，放电时序如图9所示，图中，M是主线圈1上的脉冲电流，a、b、c分别是副线圈3上的脉冲电流；图10是放电时序为图9的条件下，对应的板件成形效果图。如图9中的c脉冲，主线圈1和副线圈3的电流同时达到峰值，其对应的成形效果如图10中c所示，从图10中的c效果图可见，待加工板件6的底部形态最平整；随着副线圈3的放电时序向后移动(副线圈3上的脉冲电流从图9中的c波形依次变为b和a)，待加工板件6成形的底部形态越接近电磁成形的主线圈1单独作用的效果，如图10中的b和a所示。因此，本发明实施例对控制待加工板件的底部形态有明显效果，能够解决板件成形中因为电磁不均匀和约束不足而导致的变形不规则问题，并且可以灵活调节电源控制系统对主线圈和副线圈提供的能量，完成对不同用途的待加工板件的电磁成形。

作为优选的实施例，所述主线圈和所述副线圈的绕线方向相同；所述电源控制系统为所述主线圈提供的脉冲电流和为所述副线圈提供的脉冲电流方向相反。当主线圈和所述副线圈的绕线方向相同时，通过为主线圈和副线圈提供反向的脉冲电流，使两个线圈所产生的电磁力方向相反，来实现对局部过大的电磁力的抑制作用。

作为优选的实施例，所述主线圈和副线圈均为平面螺旋线圈或螺线管线圈。主线圈和副线圈采用平面螺旋线圈或螺旋管线圈，在脉冲电流的作用下产生垂直于待加工板件的电磁力，完成电磁成形的操作。

本发明实施例提供了一种基于轴向双线圈的电磁成形方法，采用上述技术方案中任一所述的基于轴向双线圈的电磁成形系统，包括：

步骤S1：根据所述待加工板件确定所述集磁器的参数和所述主线圈和副线圈的脉冲电流大小；

步骤S2：将所述待加工板件放置于所述主线圈的正上方，将所述集磁器和所述副线圈依次放置于所述待加工板件的上方；

步骤S3：通过夹持装置对所述待加工板件、所述集磁器和所述副线圈进行固定；

步骤S4：通过所述电源控制系统为所述主线圈和所述副线圈提供脉冲电流；

步骤S5：通过所述主线圈和所述副线圈产生垂直于所述待加工板件的电磁力，完成所述待加工板件的电磁成形。

本发明公开的一种基于轴向双线圈的电磁成形系统和方法，通过夹持装置将待加工板件固定于轴线重合的主线圈和副线圈之间，通过电源控制系统为主线圈和副线圈提供脉冲电流，使主线圈产生垂直向上的电磁力、副线圈产生垂直向下的电磁力，有效解决了因为板件成形中电磁力分布不均匀而造成圆锥状的底部异常形态；通过集磁器对副线圈进行调控，实现了板件底部形貌可控，同时也实现了板件的无模成形。本发明结构简单，不需要使用大能量电源，也不需要根据不同板件形状制造相应的模具，制造成本低，成形效率高，适合大规模应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于轴向双线圈的电磁成形系统，其特征在于，包括：主线圈、集磁器、副线圈、夹持装置和电源控制系统；

所述主线圈放置于待加工板件的正下方；所述待加工板件的上方依次放置有所述集磁器和所述副线圈；所述主线圈和所述副线圈的轴线重合；所述夹持装置环绕在所述主线圈的周围；所述电源控制系统与所述主线圈和所述副线圈电性连接；

所述主线圈用于产生垂直于所述待加工板件向上的电磁力，所述主线圈放置于坚硬的水平面上，所述坚硬水平面在电磁成形过程中不会发生形变；

所述集磁器用于调控所述副线圈的磁场密度；

所述副线圈用于产生垂直于所述待加工板件向下的电磁力；

所述夹持装置用于对所述待加工板件、所述集磁器和所述副线圈进行固定；

所述电源控制系统用于为所述主线圈和所述副线圈提供脉冲电流；

其中，所述主线圈的半径是所述副线圈的半径的两倍；所述待加工板件与所述集磁器之间的空隙大于所述待加工板件成形时产生的变形量。

2.根据权利要求1所述的基于轴向双线圈的电磁成形系统，其特征在于，所述集磁器的参数根据所述待加工板件进行调整。

3.根据权利要求1所述的基于轴向双线圈的电磁成形系统，其特征在于，所述电源控制系统包括时序开关；

所述时序开关用于控制所述脉冲电流的放电时序。

4.根据权利要求1所述的基于轴向双线圈的电磁成形系统，其特征在于，所述主线圈和所述副线圈的绕线方向相同；所述电源控制系统为所述主线圈提供的脉冲电流和为所述副线圈提供的脉冲电流方向相反。

5.根据权利要求1所述的基于轴向双线圈的电磁成形系统，其特征在于，所述电源控制系统包括主线圈控制系统和副线圈控制系统；

所述主线圈控制系统用于为所述主线圈提供脉冲电流，所述副线圈控制系统用于为所述副线圈提供脉冲电流。

6.根据权利要求1所述的基于轴向双线圈的电磁成形系统，其特征在于，所述主线圈和副线圈均为平面螺旋线圈或螺线管线圈。

7.根据权利要求1所述的基于轴向双线圈的电磁成形系统，其特征在于，所述夹持装置包括夹具和压边环；

所述夹具，用于将所述待加工板件、所述集磁器和所述副线圈固定；

所述压边环，用于限制所述待加工板件超过所述主线圈部分的位移。

8.一种基于轴向双线圈的电磁成形方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一所述的基于轴向双线圈的电磁成形系统，包括：

根据所述待加工板件确定所述集磁器的参数和所述主线圈和副线圈的脉冲电流大小；

将所述待加工板件放置于所述主线圈的正上方，将所述集磁器和所述副线圈依次放置于所述待加工板件的上方；

通过夹持装置对所述待加工板件、所述集磁器和所述副线圈进行固定；

通过所述电源控制系统为所述主线圈和所述副线圈提供脉冲电流；

通过所述主线圈和所述副线圈产生垂直于所述待加工板件的电磁力，完成所述待加工板件的电磁成形。