CN208728412U - 一种电磁成形装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种电磁成形装置，包括：成形线圈模块，用于在放电时，其在空间中产生的磁场与板件成形区域所感应的涡流相互作用，产生成形力，成形线圈模块包括多个成形线圈，多个成形线圈在板件成形区域上方分散排列；压边线圈模块，用于在放电时，其在空间中产生的磁场与板件法兰区域所感应的涡流相互作用，产生压边力，压边线圈模块包括多个压边线圈，板件可以为不规则分布的形状。本实用新型在板件电磁成形过程中引入随时间和空间变化的成形力和压边力调控方式，获得板件的最优成形性能，特别适合非轴对称板件和大型板件的成形研究。

Description

一种电磁成形装置

技术领域

本实用新型属于成形制造领域，更具体地，涉及一种电磁成形装置。

背景技术

电磁成形是利用洛伦兹力使金属材料快速变形的一种高速率加工方法。基本原理是楞次定律，它通过随时间变化的磁场在金属板件内感应一个抵抗磁场变化的涡流，两者相互作用，瞬间产生一个巨大的电磁力，使金属板件产生变形。和传统加工工艺相比，电磁成形具有提高材料成形极限、抑制起皱、减小回弹，同时有效降低成本等巨大优势。

常用的平板件电磁成形系统包括脉冲电容器组、模具、板件、压边环和成形线圈等等。脉冲电容器组通过放电电路对成形线圈放电，产生瞬时变化的电流。该电流产生一个强大的脉冲磁场，进而在板件中激发出感应涡流，感应涡流与磁场相互作用产生强大的排斥力，驱动板件变形。

平板件的成形性能和成形形貌通常取决于成形线圈所提供的成形力和压边环所提供的压边力。成形线圈的合理设计决定了脉冲电磁力的空间分布，从而驱动金属板材成形至期望的形貌。压边力的施加则有利于板材的材料流动，对于抑制板材的成形缺陷(比如破裂和起皱等)具有重要的作用。

在现有的板件成形系统中，成形线圈通常为单个线圈，线圈形状可以为椭圆形、圆形和方形。目前关于大尺寸板件成形方法公开的论文和专利主要有以下两方面内容：

1、采用单个大尺寸成形线圈，线圈外径接近模具内腔尺寸，通过一次放电完成指定要求的板件成形。这种方法要求线圈尺寸随着成形板件尺寸的增加而增加，线圈体积大，绕制过程复杂，制作成本高。线圈制作完成后，只能用于某一固定尺寸的板件，不具备通用性。此外，这种方法通常需要很高的放电能量，对线圈的结构强度要求很高。为了减小线圈电感，成形线圈多采用铜皮材料绕制，导致这种类型的线圈无法进行分层加固，线圈强度受到限制，容易发生破坏，因此该方法中成形线圈往往可靠性低，使用寿命短。

2、采用单个小尺寸成形线圈，通过多次变形的累积，来达到板件成形的目的。具体是通过一个较小的成形线圈，以较小的能量，对板件进行多次放电，在每次放电之后，变换线圈的位置，对新的板件区域进行放电，通过调控线圈的放电能量和行走路径，最终实现预定的成形形状。这种利用单个小线圈渐进成形的方法，其缺点在于由于应力波作用，使得变形过程在整个板件内传播，使得成形的变形行为很难控制。实验表明，电磁渐进成形中存在明显起皱，很难保证成形板件具有较高的平整度。当板件尺寸进一步增大，厚度进一步减小时，起皱将更加严重。此外，由于这种方法中线圈的结构强度和磁场强度均不高，产生的电磁力空间分布区域及幅值都较小，这种方法所要求的放电实验次数通常较多，可达上百次，且实验放电次数随板件尺寸的增加急剧增加，成形单个板件耗时长，不利于工业化生产。

在现有的板件电磁成形装置中，压边方式多以压力机提供压边力为主。利用电磁力提供板材成形过程压边力的方式称为电磁压边。现有的电磁压边方法，通常利用两个线圈之间的相互作用力为板件成形提供压边力。它通常采用两个整体式线圈，线圈尺寸需大于模具内腔。利用这种方法所设计的压边线圈尺寸随着成形板件尺寸的增加迅速增加，绕制工艺难度大，制作成本高。当线圈尺寸和参数固定后，压边力的幅值和脉宽只能通过改变电源系统硬件连接进行调整，调节难度大，操作复杂，难以获得理想的放电波形，装置灵活性弱。如果改变板件尺寸，只能重新设计并制作压边线圈，对于不同尺寸和形状的成形板件不具备通用性。此外，对于盒形件等简单非轴对称零件和车身覆盖件等复杂零件而言，传统的压边方式多采用变压边力控制策略，即可以在板件的法兰区域提供随时间和空间所变化的压边力，以提高板料的成形质量，但传统方式的实现需要借助复杂的控制算法和多个液压油缸，装置成本高，运行稳定性差，占地面积大。现有电磁压边方法由于采用整体式线圈进行压边，无法在板件法兰区域提供随空间位置所变化的压边力，也不能满足非轴对称件和复杂板件的成形要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电磁成形装置，旨在解决现有电磁成形装置采用单个大尺寸成形线圈提供成形力，线圈不具备通用性且需要很高的放电能量，线圈的可靠性低，采用单个小尺寸成形线圈提供成形力，通过多次变形的累积使板件成形，成形中存在明显起皱，很难保证成形板件的平整度，以及采用压边线圈提供压边力，对不同尺寸和形状的成形板件不具备通用性，不能满足复杂板件的成形要求等技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种电磁成形装置，包括：成形线圈模块、压边线圈模块以及模具；

所述成形线圈模块包括多个成形线圈，所述多个成形线圈在板件成形区域上方分散排列，每个成形线圈对应一个空间分布的成形力，多个分散排列的成形线圈形成空间灵活可控的成形力，所述多个成形线圈用于在放电时，其在空间中产生的磁场与板件成形区域所感应的涡流相互作用，产生成形力，使得板件成形区域受到成形力作用发生变形至指定形状；

所述压边线圈模块包括多个压边线圈，所述多个压边线圈分散在板件的法兰区域上方，每个压边线圈对应一个空间分布的压边力，多个分散排列的压边线圈形成空间灵活可控的压边力，所述多个压边线圈用于在放电时，其在空间中产生的磁场与板件法兰区域所感应的涡流相互作用，产生压边力，以保证板件成形过程中的材料流动，所述板件的形状可以为不规则分布的形状，所述成形线圈模块和压边线圈模块的放电脉宽和触发时间可控，以得到不同时间分布和空间分布的成形力和压边力，获取板件的最优成形性能；

所述模具用于限定所述指定形状；

当经过一次放电后，板件未能变形至指定形状时，所述成形线圈模块用于改变其包括的成形线圈的位置，再次放电，直至板件变形至指定形状。

需要说明的是，板件的法兰区域指的是板件的边缘区域。成形线圈模块改变其包括的成形线圈的位置，例如将成形线圈的位置移动到上次成形得到的板件的上方，使得成形线圈再次放电的成形立场在上次成形得到的板件周围，以对上次成形得到的板件再次放电使其成形至指定形状。

可选地，所述多个成形线圈根据板件形状和尺寸，在板件成形区域分散排列，每个成形线圈的几何形状、尺寸和匝数不受限制，具体由板件局部区域形状、板件局部区域成形所需力场决定；所述多个压边线圈根据板件形状和尺寸，在板件法兰区域分散排列，每个压边线圈的几何形状、尺寸和匝数不受限制，具体由板件法兰区域形状、板件成形过程中局部区域压边力需求决定。

可选地，所述成形线圈模块中各成形线圈可全部串联，可通过采用一套电源系统，改变每个成形线圈的几何结构、匝数，实现成形力的空间分布调控；或者各成形线圈可以通过部分串联，由多个脉冲电源及控制系统进行调控；或者每个成形线圈单独由单个脉冲电源及控制系统直接调控，使得可通过改变成形线圈模块中各成形线圈的电气连接形式，调控板件的局部成形形貌和性能。

可选地，所述压边线圈模块中各压边线圈可全部串联，可通过采用一套电源系统，改变每个压边线圈的几何结构、匝数，实现压边力的空间分布调控；或者各压边线圈可以通过部分串联，由多个个脉冲电源及控制系统进行调控；或者每个压边线圈单独由单个脉冲电源及控制系统直接调控，使得可通过改变压边线圈模块中各压边线圈之间的电气连接形式，灵活调控压边力的脉宽和幅值，从而在板件成形过程中实现随时间和空间变化的压边力调控方式，获得最优成形性能。

可选地，该装置还包括：多个压边环；

各个压边线圈下面放置一个压边环，所述压边力还可通过压边线圈在空间中产生的磁场与压边环所感应的涡流相互作用产生，所述压边力通过压边环传递至板件的法兰区域；或

所述压边线圈模块包括多组压边线圈，所述压边力通过多组压边线圈之间的吸引力或者排斥力产生，所述多组压边线圈分散在板件的法兰区域周围。

总体而言，通过本实用新型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：

1、本实用新型采用线圈模块的形式，压边力和成形力分别由压边线圈模块和成形线圈模块解耦调节，对于压边力和成形力的时序关系可以施加任意的时序配合策略。不同于传统电磁成形中通常采用单个整体式线圈作为成形线圈或压边线圈的形式，本实用新型通过线圈模块间任意灵活的电气连接和组合方式，即全部串联，部分串联或者每个模块独立调控的方法，可以在板件的任意区域产生任意变化的电磁力，灵活控制板件成形过程中成形力和压边力的空间分布和时间分布。也可以通过改变每个小线圈的几何结构、匝数等设计，只需一套电源系统，实现对电磁力的空间分布调控。此外，本实用新型可以实现变压边力控制方法，在板件电磁成形过程中引入随时间和空间变化的压边力调控方式，获得板件的最优成形性能，特别适合非轴对称板件和大型板件的成形研究。

2、本实用新型采用线圈模块的形式，由一个个单独的小线圈构成成形线圈模块和压边线圈模块，由于单个小线圈电感小，降低了对电源系统能量的需求，有利于提高电源利用率。同时，小线圈通常采用铜线绕制，可以采用分层加固技术，改善线圈的应力分布，有利于提高线圈的机械强度，保证了线圈的使用寿命。此外，通过把传统单个整体的线圈形式，改变为线圈模块的形式，减轻了装置的体积和重量，降低了制作成本和装配难度。

3、本实用新型所采用的线圈模块的形式，每个线圈模块的几何参数方便可控，比如形状、匝数和尺寸可以完全相同，有利于工业化生产。线圈模块的个数和空间分布取决于板件的尺寸和形状，线圈模块的用途相对独立，某次实验中构成成形线圈模块的线圈，可以在其他实验场合中构成压边线圈模块。对于不同尺寸和形状的板件可以重复使用同样的线圈模块，扩容简单，极大的提高了装置的灵活性和通用性。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的电磁成形装置示意图(二分之一模型)；

图2是本实用新型实施例提供的电磁成形装置的俯视图；

图3是本实用新型提供的成形线圈模块和压边线圈模块通入脉冲电流的波形示意图；

图4是本实用新型提供的成形线圈模块与压边线圈模块通入脉冲电流的时序控制配合示意图，图4a-图4c分别为成形线圈模块与压边线圈模块不同的脉冲电流时序关系图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型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结合。

本实用新型提供了一种电磁成形装置。通过采用线圈模块的方式，根据板件形状和尺寸合理布局线圈模块，同时选择合适的模块连接及组合方式，为板件成形提供方便可控的成形力和压边力，从而获得理想的板件成形性能和形貌。

本实用新型提供的电磁成形装置，通过下述步骤实现：

(1)根据板件形状和尺寸，在板件的成形区域按一定规律顺序排列放置多个成形线圈模块。

(2)在板件的法兰区域按一定规律顺序排列放置多个分块的压边环，每个压边环轴向上方放置对应的压边线圈模块。

(3)通过脉冲电源系统对成形线圈模块和压边线圈模块放电，每个线圈模块在空间上产生磁场，磁场和压边环所感应的涡流相互作用，产生成形力和压边力，压边力通过压边环传递至板件的法兰区域，保证板件的材料流动。磁场与板件区域所感应的涡流相互作用，产生洛伦兹力(成形力)，板件成形区域受到洛伦兹力作用发生变形，成形至某一特定形貌。

(4)变换成形线圈模块的空间位置，重复步骤(3)，直至板件成形至指定形状。

可选地，板件法兰区域按一定规律顺序排列放置多个分块的压边环，在压边环径向外部放置对应的线圈模块一，在线圈模块一所包含每个线圈的轴向上方设置对应的线圈模块二。通过脉冲电源系统对线圈模块一、二放电，线圈模块一和线圈模块二相互作用产生压边力(吸引力或者排斥力)，压边力通过压边环传递至板件的法兰区域，保证板件的材料流动，抑制起皱。

进一步地，成形线圈模块和压边线圈模块可以包含任意个线圈，每个线圈的空间位置、几何参数和排列方式相互独立，每个线圈的几何形状、尺寸和匝数不受限制，可以完全相同，也可以不同。具体由板件局部区域形状、板件局部区域成形所需力场、板件成形过程中局部区域压边力需求决定。

进一步地，成形线圈模块和压边线圈模块所包含的任意个线圈电气连接上相互独立，可以全部串联，或部分串联，或每个线圈独立供电。通过成形线圈模块和压边线圈模块的不同电气连接和组合形式，可以灵活改变成形力和压边力的脉宽和幅值，灵活调控电磁力的空间分布，可以在板件成形过程中实现随时间和空间变化的压边力调控方式，从而获得板件最优的成形性能和形貌。

进一步地，所述压边线圈形状取决于板件法兰区域的形状。

本实用新型中，板件成形过程中的成形力和压边力均为大小、脉宽可调的强电磁脉冲力，可以满足不同尺寸和形状的板件的成形需求。

本实用新型还提供了一种电磁成形装置，包括：成形线圈模块，压边线圈模块，分块压边环，模具和板件。板件置于模具的上方，成形线圈模块置于板件成形区域上方，分块压边环置于所述板件法兰区域上方，压边线圈模块对应置于分块压边环上方。

成形线圈模块用于在放电时，其在空间中产生的磁场与板件成形区域所感应的涡流相互作用，产生成形力，使得板件成形区域受到成形力作用发生变形至指定形状，成形线圈模块包括多个成形线圈，所述多个成形线圈在板件成形区域上方分散排列，模具用于限定所述指定形状。压边线圈模块用于在放电时，其在空间中产生的磁场与板件法兰区域所感应的涡流相互作用，产生压边力，以保证板件成形过程中的材料流动，所述压边线圈模块包括多个压边线圈，多个压边线圈分散在板件的法兰区域上方，板件的形状可以为不规则分布的形状。当经过一次放电后，板件未能变形至指定形状时，则改变成形线圈的位置，再次放电，直至板件变形至指定形状。

可选地，分块压边环即包括多个压边环，各个压边线圈下面放置一个压边环，压边力还可通过压边线圈在空间中产生的磁场与压边环所感应的涡流相互作用产生，压边力通过压边环传递至板件的法兰区域；或压边线圈模块包括多组压边线圈，所述压边力通过多组压边线圈之间的吸引力或者排斥力产生，多组压边线圈分散在板件的法兰区域周围。

可选地，分块压边环置于板件法兰区域上方，压边线圈模块放置在分块压边环的径向外围，压边线圈模块的轴向上方再放上一一对应的压边线圈模块。

进一步地，成形线圈模块包括多个独立的小成形线圈，每个小成形线圈的几何形状、尺寸和匝数相互独立，可以相同，也可以不同。具体取决于板件形状和空间电磁力分布需求。

进一步地，压边线圈模块为多个独立的小压边线圈，每个小压边线圈的几何形状、尺寸和匝数相互独立，可以相同，也可以不同。具体取决于压边力需求。

进一步地，分块压边环形状取决于板件法兰形状。

进一步地，成形线圈模块中各线圈可全部串联，可以通过采用一套电源系统，改变每个线圈的几何结构、匝数等设计，实现成形力的空间分布调控；或者各线圈可以通过部分串联，由若干个脉冲电源及控制系统进行调控；或者每个线圈单独由单个脉冲电源及控制系统直接调控。板件的局部成形形貌和性能可以通过改变成形线圈模块的电气连接形式进行调控。

进一步地，压边线圈模块中各线圈可全部串联，可以通过采用一套电源系统，改变每个线圈的几何结构、匝数等设计，实现压边力的空间分布调控；或者各线圈可以通过部分串联，由若干个脉冲电源及控制系统进行调控；或者每个线圈单独由单个脉冲电源及控制系统直接调控。通过改变压边线圈模块中各线圈之间的电气连接形式，可以灵活调控压边力的脉宽和幅值，从而在板件成形过程中实现随时间和空间变化的压边力调控方式，获得最优成形性能。

在一个具体的示例中，如图1所示，本实用新型实施例的电磁成形装置包括：成形线圈模块1，压边线圈模块2，分块压边环3，板件4，模具5。其中板件4置于模具5上，分块压边环3至于板件4法兰区域的上方，压边线圈模块2分别一一对应放置在分块压边环3的上方。成形线圈模块1放置于板件4成形区域的上方。

成形线圈模块1可总共包含9个成形线圈(如图2所示)，成形线圈的排列方式为：在板件4中心区域的上方放置一个较大尺寸成形线圈1-1，沿着成形线圈1-1的外围周向等距放置8个小尺寸成形线圈1-2至1-9。

压边线圈模块2可总共包含4个压边线圈(如图2所示)，压边线圈2-1至2-4沿板件4法兰区域上方沿周向等距排列。

分块压边环3可总共包含4个压边环(如图2所示)，压边环3-1至3-4紧贴板件4上表面，放置于板件4的法兰区域上方，沿法兰区域周向等距排列。

成形线圈模块1中成形线圈1-1至1-9的电路连接形式任意，可以采用一套电源系统，成形线圈1-1至1-9全部串联后由一套脉冲电源系统供电及控制，通过对9个线圈的几何结构、匝数的设计，实现成形力空间分布的调控；可以采用两套电源系统，成形线圈1-1由一套脉冲电源单独供电及控制，成形线圈1-2至1-8全部串联后由一套脉冲电源系统单独供电及控制；也可以采用九套电源系统，成形线圈1-1至1-9分别由单个独立的脉冲电源系统进行供电及控制；或采用任意多套电源系统，任意搭配组合成形线圈1-1至1-9的串并联形式，通过改变成形线圈模块1中各成形线圈之间的电气连接形式，调整放电电流的脉宽和幅值(如图3所示，其中，a段表示脉冲电流的上升沿，b段表示脉冲电流的下降沿)，从而灵活控制线圈下方板件4局部区域的受力及变形。

压边线圈模块2中压边线圈2-1至2-4的电路连接形式任意，可以采用一套电源系统，压边线圈2-1至2-4全部串联后由一套脉冲电源系统单独供电及控制；也可以采用四套电源系统，压边线圈2-1至2-4分别由单个独立的脉冲电源系统进行供电及控制；或采用任意多套电源系统，任意搭配组合压边线圈2-1至2-4的串并联形式，通过改变压边线圈模块2中各压边线圈之间的电气连接形式，调整放电电流的脉宽和幅值(如图3所示)，灵活调控压边力。

通过调整成形线圈模块电流和压边线圈模块电流之间不同的时序配合策略(如图4)，能够在板件4电磁成形的过程中提供随时间变化(即递增式压边力(如图4a)、递减式压边力(如图4b)、随着成形过程先增加后减小的压边力(如图4c))和随位置变化的压边力，有利于获得最优的成形性能。

进一步地，成形板件的几何形状和尺寸不受限制。

进一步地，成形线圈模块、压边线圈模块几何和电气连接上相互独立。它们各自所包含线圈的个数和线圈的空间排列方式不受限制。每个线圈的几何尺寸、几何形状和匝数相互独立，可以相同，也可以不同。可根据实际成形的板件需求进行针对性调整。

进一步地，分块压边环的形状和数目不受限制，可根据实际成形板件进行针对性调整。原则上分块压边环的数目应与压边线圈模块中所含压边线圈数目相等，每个压边线圈的下方对应放置一个压边环。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电磁成形装置，其特征在于，包括：成形线圈模块、压边线圈模块以及模具；

所述成形线圈模块包括多个成形线圈，所述多个成形线圈在板件成形区域上方分散排列，每个成形线圈对应一个空间分布的成形力，多个分散排列的成形线圈形成空间可控的成形力，所述多个成形线圈用于在放电时，其在空间中产生的磁场与板件成形区域所感应的涡流相互作用，产生成形力，使得板件成形区域受到成形力作用发生变形至指定形状；

所述压边线圈模块包括多个压边线圈，所述多个压边线圈分散在板件的法兰区域上方，每个压边线圈对应一个空间分布的压边力，多个分散排列的压边线圈形成空间可控的压边力，所述多个压边线圈用于在放电时，其在空间中产生的磁场与板件法兰区域所感应的涡流相互作用，产生压边力，以保证板件成形过程中的材料流动，所述板件的形状为不规则分布的形状，所述成形线圈模块和压边线圈模块的放电脉宽和触发时间可控，以得到不同时间分布和空间分布的成形力和压边力，获取板件的最优成形性能；

所述模具用于限定所述指定形状；

当经过一次放电后，板件未能变形至指定形状时，所述成形线圈模块用于改变其包括的成形线圈的位置，再次放电，直至板件变形至指定形状。

2.如权利要求1所述的电磁成形装置，其特征在于，所述多个成形线圈根据板件形状和尺寸，在板件成形区域分散排列，每个成形线圈的几何形状、尺寸和匝数具体由板件局部区域形状、板件局部区域成形所需力场决定；

所述多个压边线圈根据板件形状和尺寸，在板件法兰区域分散排列，每个压边线圈的几何形状、尺寸和匝数具体由板件法兰区域形状、板件成形过程中局部区域压边力需求决定。

3.如权利要求2所述的电磁成形装置，其特征在于，所述压边线圈模块中各压边线圈可全部串联，可通过采用一套电源系统，改变每个压边线圈的几何结构、匝数，实现压边力的空间分布调控；或者各压边线圈可以通过部分串联，由多个脉冲电源及控制系统进行调控；或者每个压边线圈单独由单个脉冲电源及控制系统直接调控，使得可通过改变压边线圈模块中各压边线圈之间的电气连接形式，调控压边力的脉宽和幅值，从而在板件成形过程中实现随时间和空间变化的压边力调控方式，获得最优成形性能。

4.根据权利要求1至3任一项所述的电磁成形装置，其特征在于，还包括：多个压边环；

各个压边线圈下面放置一个压边环，所述压边力还可通过压边线圈在空间中产生的磁场与压边环所感应的涡流相互作用产生，所述压边力通过压边环传递至板件的法兰区域；或

所述压边线圈模块包括多组压边线圈，所述压边力通过多组压边线圈之间的吸引力或者排斥力产生，所述多组压边线圈分散在板件的法兰区域周围。