CN114713702B - 一种基于电爆炸的金属加工工件矫形加工装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于电爆炸的金属加工工件矫形加工装置及方法，属于金属材料加工领域，方法为：根据金属加工工件达到贴合模具条件所需受力大小和分布，设置导电金属阵列的空间分布；在金属加工工件与电极盖板之间的间隙中灌注液体，使导电金属阵列浸入液体中；利用脉冲电源系统向导电金属阵列中通入脉冲电流，使导电金属阵列发生不同方向不同强度的爆炸冲击波，进而使金属加工工件发生变形，与模具贴合。本发明能够确保在大尺寸金属加工工件高速成形的过程中，使金属加工工件与模具贴合。

Description

一种基于电爆炸的金属加工工件矫形加工装置及方法
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，更具体地，涉及一种基于电爆炸的金属加工工件矫形加工装置及方法。
背景技术
轻质合金材料的广泛使用为工业生产轻量化提供了有效的实现途径，在其诸多加工工艺中，轻质合金材料壳体件的成形在航空航天领域有十分重要的应用。然而，常规工艺无法满足其高性能成形制造需求，常用的轻质合金材料(如铝合金和钛合金等)在常温下成形性能较差，容易出现过度减薄和显著回弹等缺陷。研究表明，高速成形可以显著改善成形质量。根据驱动的机理不同，常见的高速成形工艺主要包括以下两种：
电磁成形，是通过在金属加工工件中产生与焊接线圈方向相反的涡流，进一步产生电磁排斥力驱动金属加工工件的局部区域发生高速形变进而达到加工目的，可用于铝和铜等高电导率小尺寸金属板管件成形与焊接自动批量化生产。但以下几点不足，限制了其应用：(1)针对不同加工需求，需针对性地设计和制造专用的磁场发生器，导致装备成本较高；(2)受限于磁场发生器极限能量密度，该工艺的能量加载有限，所以很难应用于大尺寸、高厚度的工件加工；(3)电磁脉冲加工因为需要在工件表面感应涡流，只能应用于电导率较强的金属材料；(4)电磁成型加工的壳体件外缘起皱明显，仍需要后续工艺进行矫正。
电爆炸成形，是指利用脉冲电源系统向铝丝通入脉冲电流，铝丝在水中爆炸产生剧烈的冲击波，冲击波的能量转化为水的动能，进而使金属工件产生机械响应，完成高速变形过程。电爆炸成形加工工艺相较于电磁成形加工工艺有如下优点：(1)无需进行线圈设计，每次加工仅需要更换金属丝，实施成本较低；(2)电爆炸工艺是利用类似爆炸原理产生的机械冲击波进行金属加工，对待加工金属工件的电导率等电磁特性无特殊要求，能量利用率高，工艺适用性广泛。
虽然电爆炸成形在使用成本和金属加工工件的选择范围上明显优于电磁成形工艺，但是由于传统的电爆炸成形的爆炸源为单点爆炸源，主要在板件中心正上方爆炸，对于尺寸较小的加工件的加工效果较好，但是对于大尺寸金属加工工件而言，单点爆炸源会导致板件在高速变形的过程中受力分布极不均匀，进而引发加工件边缘起皱，贴模精度不达标等一系列问题。
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基于电爆炸的金属加工工件矫形加工装置及方法，旨在解决现有的对大尺寸金属加工工件加工时，单点爆炸源会导致金属加工工件在高速变形的过程中受力分布极不均匀，引发金属加工工件边缘起皱，贴模精度不达标的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于电爆炸的金属加工工件矫形加工装置，包括：固定约束结构、电极盖板、模具、导电金属阵列和脉冲电源系统；
导电金属阵列安装在电极盖板的下方，导电金属阵列在电极盖板下方的安装位置由金属加工工件各位置与模具贴合所需的受力分布确定；导电金属阵列与脉冲电源系统相连；电极盖板的上方设置有固定约束结构；
当金属加工工件矫形加工时，金属加工工件放置在模具上方，金属加工工件与电极盖板间隙间灌注有液体，电极盖板放置在金属加工工件上方，导电金属阵列浸入液体中；导电金属阵列与脉冲电源系统导通；
模具用于支撑金属加工工件；固定约束结构用于将金属加工工件固定在电极盖板与模具之间；脉冲电源系统用于为导电金属阵列提供脉冲电流；导电金属阵列用于通过设置不同的空间分布，在脉冲电流的作用下产生不同方向不同强度的爆炸冲击波，使金属加工工件发生变形；
其中，金属加工工件为与电极盖板下表面不完全贴合的金属板件。
进一步优选地，导电金属阵列为铝丝阵列或者铝箔阵列。
进一步优选地，铝丝阵列或铝箔阵列中各铝丝或铝箔之间串联或并联或独立设置后，与各脉冲电源系统相连。
进一步优选地，各脉冲电源系统能够在不同时刻进行放电，通过时序配合的方式完成对爆炸冲击波能量时空分布的调控。
进一步优选地，金属加工工件的长度为3m～5m。
进一步优选地，液体为水。
另一方面，基于本发明提供的基于电爆炸的金属加工工件矫形加工装置，本发明提供了相应的基于电爆炸的金属加工工件矫形加工方法，包括以下步骤：
根据金属加工工件达到贴合模具条件所需受力大小和分布，设置导电金属阵列的空间分布；
在金属加工工件与电极盖板之间的间隙中灌注液体，使导电金属阵列浸入液体中；
利用脉冲电源系统向导电金属阵列中通入脉冲电流，使导电金属阵列发生不同方向不同强度的爆炸冲击波，进而使金属加工工件发生变形，与模具贴合。
进一步优选地，导电金属阵列为铝丝阵列或者铝箔阵列。
进一步优选地，铝丝阵列或铝箔阵列中各铝丝或铝箔之间串联或并联或独立设置后，与各脉冲电源系统相连。
进一步优选地，各脉冲电源系统能够在不同时刻进行放电，通过时序配合的方式完成对爆炸冲击波能量时空分布的调控。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供了一种基于电爆炸的金属加工工件矫形加工装置，其中，在金属加工工件矫形加工时，金属加工工件与电极盖板的间隙间注入液体，导电金属阵列浸入液体中，导电金属阵列与脉冲电源系统在空间分布和时序分配上相互结合，其中，导电金属阵列在电极盖板下方的安装位置由金属加工工件各位置与模具贴合所需受力分布确定，能够确保在大尺寸金属加工工件高速成形的过程中，使金属加工工件与模具贴合，这种电爆炸加工方式明显优于传统的单根铝丝电爆炸加工方式。
本发明中导电金属阵列可以为铝丝阵列或者铝箔阵列，铝材料具有良好的导电性能，同时铝箔阵列相比铝丝阵列，可以增大铝与液体的接触面积，能够使电爆炸的效果增强。
本发明中铝丝阵列或者铝箔阵列的排布具有灵活性，铝丝和铝箔可以是多根串联或并联，也可以独立设置，形式多样化，接通不同脉冲电源系统，脉冲电源系统可以选择不同时刻进行放电，通过时序配合方式可以完成对爆炸冲击波能量时空分布的调控，因此，由于导电金属阵列的空间分布与脉冲电源系统的时序分配，可以多维设置电液成形的初始条件，灵活应对金属加工工件不同位置的不同形变需求，使得本发明的金属加工工件长度可以达到3m～5m。
附图说明
图1是本发明实施例提供的利用单套脉冲电源系统，对串联的铝丝阵列通以脉冲电流进行大尺寸金属加工工件电爆炸加工装置示意图；
图2是本发明实施例提供的电极盖板的俯视图；
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-固定约束结构；2-电极盖板；3-模具；4-铝丝阵列；5-金属加工工件；6-脉冲电源系统。
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。
实施例
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于电爆炸的金属加工工件矫形加工装置，包括：固定约束结构1、电极盖板2、模具3、铝丝阵列4和脉冲电源系统6；
成形加工时，将大尺寸金属加工工件5置于模具3上方，并在大尺寸金属加工工件5的凹陷内部注入一定量的水；铝丝阵列4安装在如图2所示的电极盖板2上，铝丝阵列4中每根铝丝的安装位置根据金属加工工件5实际需要的受力分布以确定；电极盖板2放置在金属加工工件的上方；将铝丝阵列4放置在金属加工工件5中的水里；在电极盖板2的上方加以固定约束结构1，将脉冲电源系统6与电极盖板2上的电极相连接，如图1所示的铝丝阵列4中的铝丝全部串联在一起，通以脉冲电流，铝丝阵列4产生剧烈的冲击波，进而使金属加工工件5发生高速变形，实现高精度贴合模具的加工目标；其中，金属加工工件为与电极盖板下表面和模具均不完全贴合的金属板件。
具体进一步地，通过将铝丝阵列4更换为铝箔阵列，可以增大铝与水的接触面积，进而使电爆炸的效果增强；
具体进一步地，铝丝阵列可以由多套脉冲电源系统控制多根相互独立的铝丝进行爆炸，不同脉冲电源系统在不同时刻进行放电，通过时序配合的方式完成对爆炸冲击波能量时空分布的调控；
具体进一步地，可以通过改变铝丝阵列4的空间分布，将电极位置安置于金属加工工件为贴模处，从而对贴模精度未达标的大尺寸金属加工工件进行矫形。
具体进一步地，基于电爆炸的金属加工工件矫形加工方法，具体操作方法为：
S1：将金属加工工件置于模具3之上，向预成型后的金属加工工件5凹槽内部注入水；其中，金属加工工件为与电极盖板下表面和模具均不完全贴合的金属板件；若实际应用中待矫形的金属加工工件与电极盖板下表面贴合，则需要对待矫形金属加工工件进行预成型，使金属加工工件与电极盖板下表面不完全贴合；
S2：在电极盖板上安装铝丝阵列；
根据之前预成型的结果预估金属加工工件达到贴模条件时的受力大小及分布，进而有目的地选择铝丝在电极盖板2上安装的位置；
S3：将电极盖板2、预成型后的金属加工工件以及模具3进行安装配合，并在安装后完毕的成形系统上方安装固定约束结构；最后与脉冲电源系统连接；
S4：利用脉冲电源系统向铝丝通入脉冲电流，铝丝在爆炸产生剧烈的冲击波使预成型金属加工工件发生高速变形，进而达到贴模加工的目的。
综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下优势：
本发明提供了一种基于电爆炸的金属加工工件矫形加工装置，其中，在金属加工工件矫形加工时，金属加工工件与电极盖板的间隙间注入液体，导电金属阵列浸入液体中，导电金属阵列与脉冲电源系统在空间分布和时序分配上相互结合，其中，导电金属阵列在电极盖板下方的安装位置由金属加工工件各位置与模具贴合所需受力分布确定，能够确保在大尺寸金属加工工件高速成形的过程中，使金属加工工件与模具贴合，这种电爆炸加工方式明显优于传统的单根铝丝电爆炸加工方式。
本发明中导电金属阵列可以为铝丝阵列或者铝箔阵列，铝材料具有良好的导电性能，同时铝箔阵列相比铝丝阵列，可以增大铝与液体的接触面积，能够使电爆炸的效果增强。
本发明中铝丝阵列或者铝箔阵列的排布具有灵活性，铝丝和铝箔可以是多根串联或并联，也可以独立设置，形式多样化，接通不同脉冲电源系统，脉冲电源系统可以选择不同时刻进行放电，通过时序配合方式可以完成对爆炸冲击波能量时空分布的调控，因此，由于导电金属阵列的空间分布与脉冲电源系统的时序分配，可以多维设置电液成形的初始条件，灵活应对金属加工工件不同位置的不同形变需求，使得本发明的金属加工工件长度可以达到3m～5m。
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 (4)

1.一种基于电爆炸的金属加工工件矫形加工装置，其特征在于，包括：固定约束结构(1)、电极盖板(2)、模具(3)、导电金属阵列和脉冲电源系统(6)；
所述电极盖板(2)的上方设置有所述固定约束结构(1)；所述导电金属阵列安装在所述电极盖板(2)的下方；所述脉冲电源系统(6)与所述导电金属阵列相连；其中，所述导电金属阵列在所述电极盖板(2)下方的安装位置由所述金属加工工件(5)各位置与所述模具(3)贴合所需的受力分布确定；
当所述金属加工工件(5)矫形加工时，所述金属加工工件(5)放置在所述模具(3)上方，所述金属加工工件(5)与所述电极盖板(2)的间隙间灌注有液体，所述电极盖板(2)放置在所述金属加工工件(5)的上方，所述导电金属阵列浸入液体中；所述导电金属阵列与所述脉冲电源系统(6)导通；
所述固定约束结构(1)用于将所述金属加工工件(5)固定在所述电极盖板(2)与所述模具(3)之间；所述模具(3)用于支撑所述金属加工工件(5)；所述脉冲电源系统(6)用于为所述导电金属阵列提供脉冲电流；所述导电金属阵列用于通过设置不同的空间分布，在脉冲电流的作用下产生不同方向不同强度的爆炸冲击波，使所述金属加工工件(5)发生变形，与所述模具(3)贴合；
所述导电金属阵列为铝丝阵列或者铝箔阵列；
所述铝丝阵列或者所述铝箔阵列中的各铝丝或铝箔之间串联或并联或独立设置后，与各所述脉冲电源系统(6)相连；
各所述脉冲电源系统(6)在不同时刻进行放电，通过时序配合的方式完成对爆炸冲击波能量时空分布的调控。
2.根据权利要求1所述的金属加工工件矫形加工装置，其特征在于，所述金属加工工件(5)的长度为3m～5m。
3.根据权利要求1或2所述的金属加工工件矫形加工装置，其特征在于，所述液体为水。
4.基于权利要求1所述的金属加工工件矫形加工装置的金属加工工件矫形加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据所述金属加工工件(5)达到贴合所述模具(3)所需受力大小和分布，设置所述导电金属阵列的空间分布；
在所述金属加工工件(5)与所述电极盖板(2)间的间隙中灌注液体，使所述导电金属阵列浸入液体中；
利用脉冲电源系统(6)向导电金属阵列中通入脉冲电流，使所述导电金属阵列发生不同方向不同强度的爆炸冲击波，进而使所述金属加工工件(5)发生变形，与所述模具(3)贴合。
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