CN1284017A - 用于从平面板脉冲成形盘形物的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于成形大体上平面金属板为具有三维图形的盘形物的设备,包括:模具,所说模具具有其外形对应于所说三维图形的成形表面,并且具有对应于盘形物的边界的边缘,这些边缘由基本上垂直于成形平面的侧壁确定;成形装置,所说成形装置包括一个流体盆和在流体中的多对放电部件,所说成形装置具有一个面对模具的开口,以便允许压力波从流体传送到金属板;以及放电电路,用于通过多对放电部件放电来产生短而强的电流,在流体内产生电火花或击穿,从而形成等离子体、蒸汽、或两者。

Description

用于从平面板脉冲成形盘形物的方法和设备
发明领域
本发明一般来说涉及成形领域，提供用于成形的设备和方法。本发明具体来说涉及其中的成形力是通过电脉冲快速放电产生的设备。
背景技术
可以通过各种各样的方法将金属物体加工成形为所期望的形状。例如，可将液态形式的金属模注成期望的最终形状。然而，这样一种方法只能应用于某些特殊的情况，并且这种方法还需要消耗大量的能量，而并且需要复杂的和昂贵的加热和冷却设备。
金属具有一定塑性，因此，一种形状的金属工件经常可成形为另一种形状。例如，通过使用一台机械式的压力机可以将金属板成形和切割成许多的期望形状。这样一种压制方法就需要极昂贵的大型设备，才能获得必要的压力，获得所期望的最终的工件。
PMF是通过脉冲磁场使金属工件或其一部分快速移动因而可使工件变形的的一种方法。PMF方法的一个优点是这种方法的能耗最小，因此根本不需或只需极少对工件加热。此外，这种方法没有留下加工痕迹的缺点，许多其它技术有这种缺点。PMF方法使用一个或多个放电电容器，一个成形线圈，并且通常使用一个磁场整形器，用于产生一个瞬时的强磁场。按PMF方法产生的极强磁场是存储在电容器中的电能通过成形线圈迅速释放的结果。在工件中感应出来的最终的涡流在工件和成形线圈之间产生磁性排斥，使工件变形。
在美国专利3654787、3961739、4170887、4531393、4807731、5353617、5442846和PCT申请出版物WO97/22426中可以找到有关用PMF方法加工金属工件的现有技术的方法和设备的背景技术。
脉冲放电成形(PDF)是利用通过一种流体放电产生的电火花或击穿的一种方法，这种流体是可以产生等离子体和/或形成蒸汽的特殊液体，这种电火花或击穿将在液体内产生冲击波。PDF方法已经用于大量的需要产生一个突发的压力波来实施加工的过程，例如岩石爆破等。
当从平面金属板成形为有一定形状的金属工件时，经常必须作的两件事一是将板成形为期望的三维图式形状，二是修整边缘以确定成形的金属工件的边界。
本发明的一个目的是提供一种设备和方法，用于使金属板成形为具有期望的三维图式形状的盘形物。
发明概述
本发明提供一种用于成形大体上平面金属板为具有三维图形的盘形物的设备，该设备包括：
模具，所说模具具有其外形对应于所说三维图形的成形表面，并且具有对应于盘形物的边界的边缘，这些边缘由基本上垂直于成形平面的侧壁确定；
成形装置，所说成形装置包括一个流体盆和在流体中的多对放电部件，所说成形装置具有一个面对模具的开口，以便允许压力波从流体传送到金属板；和
放电电路，用于通过多对放电部件放电来产生短而强的电流，在流体内产生电火花或击穿，从而形成等离子体、蒸汽、或两者。
在流体盆中形成等离子体或蒸汽，将产生冲击金属板的压力波，使金属板变形，并且通过模具呈现三维图形。在此过程中，沿模具的所说边缘对于周边部分进行了剪切。
在流体盆中的流体最好是液体，特别是一种水性溶液。
按照本发明的另一个方面，提供一种用于成形大体上平面金属板为具有三维图形的盘形物的方法，该方法包括如下步骤：
(a)提供一个模具，所说模具具有其外形对应于所说三维图形的成形表面，并且具有对应于盘形物的边界的边缘，这些边缘由基本上垂直于成形平面的侧壁确定；
(b)把金属板放在模具的成形表面上；
(c)提供一个成形装置，所说成形装置包括流体盆和在流体中的多对放电部件，所说成形装置具有一个面对模具的开口，多对放电部件连接到放电电路；和
(d)促使所说放电电路放电，产生通过每一对放电部件的强电流短脉冲，在流体内产生电火花或击穿，在所说流体盆内产生压力波，这个压力波冲击靠在所说模具上的金属板并使其变形。
可以理解，步骤(a)、(b)、(c)的顺序是可以改变的，例如改变成如下的顺序：(a)-(c)-(b)或(c)-(b)-(a)或(c)-(b)-(a)等。
按照本发明的一个实施例，盘形物有一个中凹的凹陷部分，用作盘形物的中凹部分的型板。在这种情况下的模具的周边部分基本上为平面形，因此确定了这个盘形物的裙部。模具的周边部分还可以包括凹陷部分，例如环形的凹陷部分，于是确定了盘形物的裙部的图形。这种盘形物的一个非限制性实例是企图用作天线的盘形物，例如卫星盘形天线。
电流通过多对放电部件脉冲放电的结果，促使各部分金属板极其快速移动，或者产生成形或者产生剪切。在快速移动的金属表面移动进入凹陷部分的地方，仍旧存在在凹陷部分内的任何气体都可能阻碍这种移动，妨碍获得由模具确定的所期望形状，在凹陷部分很大的情况下，例如，在上述实施例的中凹的凹陷部分，这尤其成为问题。因此，按照本发明的一个优选的实施例，提供气体导管，以便让气体从模具中的一个或多个凹陷部分流走。优选地，将这些导管连接到一个真空源，借此在产生脉冲磁力之前排走所有的气体。
按照本发明的一个实施例，将金属板直接放在流体盆的开口处。按照本发明的另一个实施例，流体盆的开口用一个柔性壁密封，这个柔性壁可以将冲击波传送到金属板。
按照本发明的一个实施例，该设备包括一个平面形的成形线圈部件，对于平面形成形线圈部件进行配置以确定一个围绕流体盆的开口的框架，用于使板的周边部分变形。将这样一种线圈部件连接到放电电路，以便通过这个线圈部件产生强电流放电。例如，线圈部件可定位在模具边缘的对面。
按照本发明的一个实施例，每一对放电部件都由一对流体盆内的电极组成。按照本发明的另一个实施例，每一对放电部件都由一个同轴电极的两个极组成。按照本发明的下一个实施例，这个放电部件对由流体盆的壁和一个电极组成，因此放电在这个电极和所说的壁之间发生。
该设备可以包括任何数目的放电部件对。例如，该设备包括的放电部件对的数目可以是2、3、4、6、8、等。在多个放电部件对的情况下，所有的放电部件对都连接到同一个放电电路，在这种情况下放电电流同时通过所有的电极；或者，按另一种方式，每个放电部件对都连接到不同的放电电路。在后一种情况下，通过所有的放电部件对的放电可以是同时的，或者，优选地，对于放电定时，以得到预定的放电顺序。
可以理解，所产生的冲击金属板的压力波在板的不同部分产生不同的作用力。为了在位于开口处板的整个表面上产生基本上均匀的力，分布在整个流体盆上的一系列放电部件对在流体中可以基本上同时地放电。其结果是，一系列压力波或一个基本上均匀的压力波前，在整个所说的部分上产生了基本上均匀的成形力，所说的压力波前是冲击金属板的各个压力波的组合。然而，经常发生的情况是，期望依次在板的不同部分上施加成形力。按照本发明的一个实施例可以实现这一要求，即为多个放电部件对中的每一个提供单独地放电电路，然后依次通过不同的放电部件对产生放电电流脉冲。
按照本发明的另一个其它方面，本发明进一步提供一个成形力产生装置，它包括其中设有放电部件的一个流体盆，放电部件连接到放电电路，以便通过放电部件产生快速和强大的放电电流，在各对放电部件之间产生电火花或击穿，在流体内产生压力冲击波；其特征在于：
放电电路包括一个电容器组，电容器组的一个极连接到这种放电部件对的至少一个放电部件上，电容器组的另一个极连接到电源的一个极并且连接到放电开关的一个极；放电开关的另一个极连接到所说这对放电部件对的另一个放电部件上，并且连接到所说电源的另一个极上。
上述的成形力产生装置例如可以用作任何一个上述设备中的成形装置。
下面，参照附图以非限制性的方式描述本发明。
附图简述
图1是通过本发明的一个实施例的成形设备的在成形金属板之前的示意剖面图；
图2是成形方法的示意图；
图3是用图1的设备和所示的方法形成的盘形物的剖面图；
图4是图1所示的设备的PDF电极的放大的剖面图；
图5是按照本发明的另一个实施例的PDF电极的放大剖面图；
图6是通过本发明的另一个实施例的成形设备的在成形金属板之前的示意剖面图；
图7是按照本发明的另一个实施例的成形设备的示意平面图；
图8A和8B是通过PDF电极并且通过图1的成形线圈的快速和强大的放电电流脉冲的两个可替换的电路的示意图；
图9表示具有本发明的电路的一个液体内放电(DIL)成形力产生设备；
图10表示具有现有技术放电电路的成形力产生(DIL)设备；
图11和12分别表示分别通过图9和10的放电电压特性曲线。
特定实施例的详细描述
首先参照附图1，其中表示用标号10总体表示的一个设备，设备10包括模具12和成形力产生装置14，在它们之间夹持一块金属板16。
模具12有大体上圆形的成形表面18，成形表面18的边缘20由直壁22确定，直壁22有一个中间为拱顶形的凹陷部分24和一个环形槽26。可以理解，确定在设备中要成形的盘形物的形状的模具的这种具体形状只是一个例子，模具可以采取各种其它形状。例如，模具可以有完全矩形形状，可以有不同种类的凹陷部分来形成具有不同三维图形的盘形物，等。于是，具体说明的实施例不会降低这里定义的本发明的普遍性。
在模具12中形成多个导管28，导管从凹陷部分24引到一个真空源(未示出)，真空源从凹陷部分24抽吸空气(在图2中用箭头表示)。
模具12的周围有一个环形部件32，环形部件32在距平面表面18一定距离处有上表面34，并且具有倒角的内部36，用于接纳和保持剪下的材料废物(参见下述)。
成形力产生装置14包括一个PDF装置，总体用标号40表示，PDF装置40包括一个流体盆42，保存其中放置的流体43和多个放电电极44(在这个剖面图中只示出两个放电电极44，但可以理解，可以在流体盆内各个不同位置提供较多数量的放电电极)。流体43在一般情况下是一种液体(但不排除其它)，一般来说是水性溶液。流体43有时也可以是一种气体。流体盆有开口46，开口46通过在开口的边缘50上延伸的并且固定到这个边缘50上的一个柔性壁48封闭(固定的方式本身是公知的，这里没有示出)。
开口46的大小应该是这样的：开口46在模具的主凹陷部分的对面，并且最好还要在其它的凹陷部分(如凹陷部分26)的对面。
成形力产生装置14进一步包括平面形成形线圈部件52，对于这个线圈部件52进行安排以确定出一个围绕开口46的框架，并且具有一个面54，所说的这个面54面对金属板并且紧密靠近金属板16。线圈部件54的位置和尺寸应该是这样的：线圈部件54是板16的对面的部分，并且包括对面的边缘20和从这里沿周边方向伸出的那些部分在内。应该理解，在成形线圈部件52内的成形线圈56最好是和板16以及其它的导电物体(如PDF装置40的主体)电绝缘，这是在这个PDF装置40的主体是由金属或其它导电物体制成的情况所要求的。但应该注意的是，PDF装置40的主体最好由具有刚性的非金属硬物质构成，以便承受流体盆42内产生的压力，并且相应地可将其嵌入电绝热材料中或用电绝热材料覆盖。
电极44和成形线圈56电连接到放电电路60。
图4表示电极44的结构的示意图。电极44是由一个具有腔62的金属管构成，所说的管有逐渐变细的放电端64。电极涂有电绝缘层66。腔62连接到气体源，如空气，由压缩机或压缩气体库(未示出)向腔62提供气体。进入流体盆42的这种气体便于在流体盆42中所包含的液体43(一般为水性溶液)内产生放电和形成等离子体。在本发明的某些实施例中，电极可以包括单个导电的尖端(非透气体的尖端)。
对于图4所示的这种类型的电极，或者包括单个导电尖端的电极，每个放电部件对都是由两个电极构成的。
在图5中可以看见本发明的电极100的另一个实施例。这个实施例的电极100是一个同轴电极，具有一个中央电极部件102和一个周边环形电极部件104，用非导电层106隔离这两个电极部件。电极部件102和104连接到放电电路110。以此方式，在发生快速和强大的放电电流脉冲时，将在电极102和104之间产生火花。
应该注意，在某些其它的实施例中，流体盆107主体可以形成放电部件对的放电部件之一，因此，放电将在一个电极和这个主体之间进行。
按照本发明的另一个实施例的设备120示于图6之中。设备120不同于图1所示的设备10之处在于：(ⅰ)设备120不包括柔性壁，因此流体盆中的流体和金属板直接接触；和(ⅱ)设备不包括周边剪切线圈。对于设备120，在液体内产生的压力波直接作用在金属板上使其变形并且剪切它的周边部分。
现在参照附图7，图7表示设备130，它包括具有多个电极134、136、138、140的流体盆132。每个电极对(134、136、等)分别都连接到一个对应的放电电路142、144、146、148，它们都在控制电路150的控制之下。
在每对电极之间都产生放电电流，并且可以对它们进行定时，或者使得所有的放电都是同时进行的，或者按照预定的顺序通过不同的放电部件对进行放电。
在图8A和8B中分别表示放电电路60A和60B的两个实施例。放电电路60A包括电源70、大电流快速放电开关72、和触发单元74，电源70可以是一个电容器或一组电容器，诸如可控的真空放电管(可以是本身已知的任何一个这样的器件，或者是在以色列专利出版物第119826号及其对应的PCT申请第PCT/IL97/00383号中公开的这种器件)，触发单元74驱动开关72放电。开关和电源与成形线圈54串联连接，并且与没入流体盆42中的电极44串联连接。这个放电电路在80处一起接地。在通过触发单元74触发时，开关72闭合，在电极44中产生通过线圈53的放电。
对于另一种放电电路60B，其中的线圈54和电极44不是串联连接，电路60B中提供两个并联的电路82和84，第一个电路82用于通过线圈54放电，第二个电路84用于产生通过流体盆42内的电极44放电。通过一个触发单元74′并行地触发两个电路中的电开关70′和70。这两个电路82和84各有它们自已的独立的电源。图5B中的所示的的电路60B用于电极和线圈之间的阻抗失配的情况。
现在回到图2，在激励电路60时，(或者按另一种方式，如图5B所示的那样)，放电电流同时穿过电极44和线圈56，在流体盆42中产生火花，在液体43中产生等离子体和蒸汽。这就产生了压力波，压力波在柔性壁48上施加压力，借此使金属板16按照模具12中的凹陷部分提供的型板变形。通过线圈56的放电在板的周边部分产生脉冲式的磁力，将这些周边部分切掉。于是，如图3所示，形成一个盘形物90。盘形物90有一个中凹的凹陷部分92和周边环形槽94。这样一种盘形物是有用的，例如用作一个天线，尤其是可以用在卫星通信中。
然后把环形部件32推向并超过边缘20，以释放周边部分84。
图9表示一个成形力产生装置160，其中所产生的成形力来自于液体内的放电。按照本发明，将装置160连接到一个放电电路162。为了进行比较，参照附图10，图10表示的是一个相同的设备160′，但设备160′连接到现有技术的放电电路164。通过比较在图11和12(现有技术)之间分别放电时电位随时间的变化，就可以评价图9的电路优于图10所示电路的优点。在图9的放电电路中，电容器电池166与装置160串联连接，两者再并联连接到和控制器170相联的放电开关168。来自于电源(由电极172、174表示)的电荷给电容器电池166充电，因此，总能在装置160的放电部件对之间建立一个恒定的电位，这个电位可以达到由电源提供的最大值。因此，当控制电路170使开关168闭合时，电位保持在最高电平，因此，在装置160的放电部件之间的放电电荷最大。然而，与此相对照，在图10所示的现有技术电路中(使用和本发明的视图相同的标号表示相似的部件)，由于电极中的缺陷或由于电极尖端长，有电流泄漏到液体中，因此不能达到最大的期望电位(在图12中由虚线表示)，在较低的电位下产生火花，因而装置的总体性能较差。

Claims (31)

1．一种用于成形大体上平面金属板为具有三维图形的盘形物的设备，该设备包括：
模具，所说模具具有其外形对应于所说三维图形的成形表面，并且具有对应于盘形物的边界的边缘，这些边缘由基本上垂直于成形平面的侧壁确定；
成形装置，所说成形装置包括流体盆和在流体中的多对放电部件，所说成形装置具有面对模具的开口，以便允许压力波从流体传送到金属板；和
放电电路，用于通过多对放电部件放电来产生短而强的电流，在流体内产生电火花或击穿，从而形成等离子体、蒸汽、或两者均有。
2．如权利要求1的设备，其特征在于：在所说流体盆中的流体是一种液体。
3．如权利要求2的设备，其特征在于：该液体是一种水性液体。
4．如权利要求1-3中任何一项中所述的设备，其特征在于：所说成形表面包括对应于所说三维图形的凹陷部分。
5．如权利要求1-3中任何一项中所述的设备，其特征在于：所说模具的成形表面有一个中凹部分，它确定并用作要成形的盘形物的中凹部分的一个型板。
6．如权利要求4或5的设备，其特征在于：中央凹陷部分设有导管，用于排放气体。
7．如权利要求6的设备，其特征在于：所说导管连接到一个真空源，用于从凹陷部分排走气体。
8．如权利要求4-7中任何一项中所述的设备，其特征在于：用于形成具有中凹部分和周边裙部的盘形物。
9．如权利要求8的设备，其特征在于：成形表面有周边环形凹陷部分，用于成形盘形物的裙部中的周边环形槽。
10．如前述权利要求中任何一项中所述的设备，其特征在于：流体盆的开口由一个柔性壁密封。
11．如前述权利要求中任何一项中所述的设备，其特征在于：成形设备包括一个平面形的成形线圈部件，对于成形线圈部件进行安排，以便可以在所说的开口的周围确定出一个框架，用于变形板的周边部分，所说的线圈部件连接到一个放电电路，以便可以通过线圈部件产生强放电电流。
12．如权利要求11的设备，其特征在于：所说的线圈部件定位在所说模具的所说边缘的对面。
13．如前述权利要求中任何一项中所述的设备，其特征在于：每一对放电部件都由一对电极组成。
14．如权利要求1-12中任何一项中所述的设备，其特征在于：每一个放电部件对都包括一个同轴电极。
15．如前述权利要求中任何一项中所述的设备，其特征在于：放电在所有的放电部件中同时发生。
16．如权利要求1-14中任何一项中所述的设备，其特征在于：按照一个预定的顺序在不同的放电部件中放电。
17．一种成形力产生装置，它包括其中设有放电部件的流体盆，放电部件连接到放电电路，以便通过放电部件产生快速和强大的放电电流，在各对放电部件之间产生电火花或击穿，在流体内产生压力冲击波；其特征在于：
放电电路包括一个电容器电池，电容器电池的一个极连接到一个这样的放电部件对的至少一个放电部件上，电容器电池的另一个极连接到一个电源的一个极并且连接到放电开关的一个极；放电开关的另一个极连接到所说这对放电部件对的另一个放电部件上，并且连接到所说电源的另一个极上。
18．如权利要求11-16中任何一项中所述的设备，其特征在于：所说设备包括权利要求17中所述的成形力产生装置。
19．一种用于成形大体上平面金属板为具有三维图形的盘形物的方法，该方法包括如下步骤：
(a)提供一个模具，所说模具具有其外形对应于所说三维图形的成形表面，并且具有对应于盘形物的边界的边缘，这些边缘由基本上垂直于成形平面的侧壁确定；
(b)把金属板放在模具的成形表面上；
(c)提供一个成形装置，所说成形装置包括流体盆和在流体中的多对放电部件，所说成形装置具有一个面对模具的开口，多对放电部件连接到放电电路；和
(d)促使所说放电电路放电，产生通过每一对放电部件的强电流短脉冲，在流体内产生电火花或击穿，在所说流体盆内产生压力波，这个压力波使靠在所说模具上的金属板变形。
20．如权利要求19的方法，其特征在于：所说流体是一种液体。
21．如权利要求20的方法，其特征在于：该液体是一种水性液体。
22．如权利要求19-21中任何一项中所述的方法，其特征在于：所说模具的成形表面有一个中凹凹陷部分，它确定并用作盘形物的中凹部分的型板。
23．如权利要求22的方法，其特征在于：包括从所说凹陷部分排放气体。
24．如权利要求23的设备，其特征在于：借助于一个真空源从所说的凹陷部分排走气体。
25．如权利要求23和24中任何一项中所述的方法，其特征在于：盘形物形成有大体上平面形的裙部。
26．如权利要求25的方法，其特征在于：裙部形成一个环形槽。
27．如权利要求19-26中任何一项中所述的方法，其特征在于：所形成的盘形物是天线的盘形物。
28．如权利要求19-27中任何一项中所述的方法，其特征在于：所说的成形设备包括一个平面形的成形线圈部件，对于成形线圈部件进行安排，以便可以在所说的开口的周围确定出一个框架，用于变形板的周边部分，所说的线圈部件连接到一个放电电路，以便可以通过线圈部件产生强放电电流，并且，步骤(d)包括：通过成形线圈产生强放电电流的短脉冲。
29．如权利要求19-28的方法，其特征在于：流体盆包括多个放电部件对。
30．如权利要求29的方法，其特征在于：放电电流在所说的多个放电部件中同时发生。
31．如权利要求29方法，其特征在于：按照一个预定的顺序在不同的放电部件中放电。
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