一種金屬板材的電磁脈衝成形裝置及方法與流程
2023-04-25 13:03:36
本發明屬於金屬材料塑性成形領域，更具體地，涉及一種金屬板材的電磁脈衝成形裝置及方法。
背景技術：
輕量化是航空航天、汽車等領域提高運載器件承載極限能力、實現節能減排的重要技術手段。高性能鋁合金、鈦合金、鎂合金等則已成為現代航空航天裝備提高結構承載能力極限的首選材料。
然而，在現有的準靜態成形工藝下，上述輕合金的塑性成形性能差，易於出現回彈和破裂現象，進而直接影響成形零件的質量。電磁脈衝成形技術是利用脈衝電磁力對金屬坯料進行塑性加工的一種高能率、高速率特種加工方法，由於慣性效應、高速率下材料本構關係以及電磁成形過程中的電塑性效應等因素使得金屬材料的成形性能得到改善(成形極限提高、回彈小、抑制起皺等)，此外還具有單模具、無需傳壓介質等優點，進而被認為是實現鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕質材料加工的重要方法。因此，電磁成形已被用於多種金屬板管類零件的加工成形。
但傳統的電磁脈衝成形工藝是通過在成形線圈中通入脈衝電流，在金屬板件區域產生隨時間變化的磁場，同時可在金屬板件內感應一個抵抗磁場變化的渦流，磁場與渦流間相互作用，瞬間產生一個巨大的電磁力，使金屬板件發生塑性變形。其存在的主要問題有：
(1)工件成形電磁力所需要的電流是由於電磁感應作用而在金屬材料內部感生的渦流，其大小與金屬材料的電導率直接相關，一般適用於鋁、銅板材這類具有高電導率特性的材料成形，但對於導電性差的金屬材料(如鈦合金、鋼等)，現有的工藝無法提供這類材料變形所必須的電磁成形力。
(2)工件中的渦流大小和方向與線圈產生的成形磁場分布及變化特性直接相關，二者因具有很強的關聯性而使得無法獨立調控，相應地，電磁成形力的分布特性難以根據實際需要而進行調整。如現有的成形工藝一般是在工件與線圈間產生排斥力來實現成形，對於吸引力成形較難以實現。
上述問題使得電磁成形技術的成形能力及應用範圍受限。
技術實現要素：
針對現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種金屬板材的電磁脈衝成形裝置及方法，旨在解決現有技術中採用低導電率材料感應渦流小導致成形力不足的問題。
本發明提供了一種金屬板材的電磁脈衝成形裝置，包括：成形線圈、壓邊圈、壓力設備、成形模具、第一電源模塊和第二電源模塊，成形線圈的兩端分別與第一電源模塊的兩端連接，第一電源模塊用於為成形線圈提供電流；當成形線圈中通電流後在金屬板件中成形區域產生電磁力；第二電源模塊用於連接在金屬板件的兩端，為金屬板件提供電流；成形模具位於線圈和工件之間，主要起著約束工件成形形狀的作用；壓力設備用於實現防止成形線圈反彈，且用於對壓邊圈施加壓力使得工件法蘭區域不起皺。
更進一步地，第一電源模塊包括：充電機、電容器組、開關和續流迴路，所述電容器組的一端與成形線圈的一端連接，所述電容器組的另一端通過所述開關與所述成形線圈的另一端連接，所述續流迴路與所述成形線圈並聯，所述充電機與所述成形線圈並聯；充電機用於對電容器進行充電；所述電容器組用於儲存電能；所述開關用於控制電路的開斷，閉合時將電容器中儲存的電能釋放，在線圈中產生電流；所述續流迴路用於在金屬板件中產生一個非振蕩波形的電流，以確保在成形過程中工件中的所受到的電磁力方向一直維持不變。
更進一步地，續流迴路包括：相互並聯連接的續流二極體和續流電阻。
更進一步地，第二電源模塊與第一電源模塊結構相同。
更進一步地，成形模具的結構根據實際需求進行匹配設置，當進行自由脹形時，成形模具為柱形腔結構；當進行非自由脹形時，所述成形模具為與成形形狀相一致的凹模結構。
更進一步地，成形模具的材料為非導電材料。
更進一步地，壓邊圈為柱形結構，材料為非導電材料。
本發明還提供了一種金屬板材的電磁脈衝成形方法，包括下述步驟：
s1當待成形金屬板件置於成形模具與成形線圈之間時，採用壓力設備通過壓邊圈施壓以防金屬板件法蘭區域起皺；
s2通過第一電源模塊給成形線圈提供電流，通電後的成形線圈在金屬板件區域產生脈衝磁場；
通過第二電源模塊給金屬板件提供電流，使得金屬板件中產生脈衝電流；所述脈衝電流與所述脈衝磁場相互作用產生用於驅動金屬板件發生高速變形的電磁力；
s3通過所述電磁力使得待成形金屬板件發生形變。
更進一步地，成形線圈中產生的磁場存在任一分量方向與金屬板件中的電流方向垂直。
更進一步地，所述金屬板件和所述成形線圈中的電流波形均為非振蕩式波形。
更進一步地，成形線圈可由一個或一個以上的截面為矩形或圓形線圈組成；通過多個線圈在多個方向上產生磁場共同作用後在成形區域疊加產生一合磁場。
本發明具有如下有益效果：
(1)本發明中採用對金屬板件進行直接加載電流的方式來代替傳統感應式渦流。直接加載模式下，金屬板件中的電流大小可顯著得到提升，且電流大小受電阻率的影響較小，可以有效解決低導電率材料感應渦流小而使得成形力不足的問題。故該方法對高導電率(銅、鋁合金等)和低導電率金屬(鎂合金、鈦合金、鋼板等)材料成形均有效；
(2)本發明中金屬成形所需的電磁力主要由金屬板件上加載的電流和成形線圈中產生的磁場來決定(電磁體積力f的大小和方向取決於電流矢量j和磁場矢量b的矢量積，f＝j×b)。而金屬板件電流和產生成形磁場所需的成形線圈中的電流分別由兩套獨立的電源系統來供電，故可通過調節兩個電源系統的能量大小、放電時間及電容幅值等改變這兩類電流在大小、方向、脈寬及放電時序等，從而最終所產生的電磁力方向、大小易可調可控，成形系統柔性強。
附圖說明
圖1是根據本發明第一實施方式的一種針對金屬板件的電磁脹形示意圖；
圖2(a)是根據本發明第一實施方式的線圈結構及電流示意圖；
圖2(b)是根據本發明第一實施方式的金屬板件結構及電流示意圖；
圖2(c)是根據本發明第一實施方式的金屬板件中的磁場、電流及受力示意圖；
圖3(a)是傳統電磁成形工件中的渦流分布示意圖；
圖3(b)是根據本發明第一實施方式的工件中的電流分布示意圖；
圖4是根據本發明第一實施方式的一種線圈和工件的放電電流波形示意圖；
圖5(a)是根據本發明第二實施方式的金屬板件結構及電流示意圖；
圖5(b)是根據本發明第二實施方式的線圈結構示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明對金屬板材進行直接加載脈衝電流，而不需要通過感應成形線圈磁場變化而產生渦流。所加載的脈衝電流與成形線圈中所產生的脈衝磁場可以瞬間產生強脈衝電磁力，當磁壓力達到材料的屈服強度時，將驅動金屬板件發生高速塑性變形。
實現電磁成形方法的裝置包括：成形線圈1、金屬板件3、壓邊圈6、壓力設備7、成形模具5、第一電源模塊2和第二電源模塊4；
壓力設備7用於實現防止成形線圈1反彈，且用於對壓邊圈6施加壓力使得工件法蘭區域不起皺；
成形線圈1的兩端與第一電源模塊2的兩端連接，第一電源模塊2用於給成形線圈1提供電流；當成形線圈1中通電流後在工件3中成形區域產生電磁力。
成形模具5的結構可以根據實際需求設置，自由脹形時一般採用如圖1所示的簡單柱形型腔結構，非自由脹形時，相應的採用與成形形狀相一致的凹模結構。模具材料可以為非導電材料如環氧板等，亦可為常用的非良導體材料如模具鋼等。
壓邊圈6為柱形結構，可採用非導電材料如環氧板等，亦可為常用的非良導體材料如模具鋼等。
第一電源模塊2包括：充電機、電容器組、開關和續流迴路，電容器組的一端與成形線圈1的一端連接，電容器組的另一端通過開關與成形線圈1的另一端連接，續流迴路與成形線圈1並聯，充電機與成形線圈1並聯。充電機用於對電容器進行充電；電容器組用於儲存電能；開關用於控制電路的開斷，閉合時將電容器中儲存的電能釋放，在線圈中產生電流；續流迴路用於在板件中產生一個非振蕩波形的電流，以確保在成形過程中工件中的所受到的電磁力方向一直維持不變，其由續流二極體和續流電阻組成。續流迴路用於調整電流波形的原理在於：電路一開始工作時，續流二極體兩端承受反向電壓，處於關閉狀態，迴路不導通；當電容器兩端電壓開始反向時，續流二極體開始導通，電流會流過續流迴路，此時電流波形將與續流電阻有關。一般來說，為了避免出現振蕩波形，續流電阻不應過大亦不宜過小。
第二電源模塊4連接在金屬板件3的兩端，用於為金屬板件3提供電流。第二電源模塊4的具體結構與第一電源模塊2的結構相同，但功能不同，第一電源模塊為成形線圈1供電，在成形線圈1中產生電流，進而在金屬板件3區域產生較大的磁場，而第二電源模塊是為金屬板件3供電，在金屬板件中產生較大的電流。為了實現金屬板件3中電流和磁場的獨立調控，第一電源模塊和第二電源模塊無電路連接，為兩個獨立電源。
本發明實施例提供的金屬板材的電磁脈衝成形方法具體包括下述步驟：
步驟一：將待成形金屬板件置於成形模具與成形線圈之間，並採用壓力設備通過壓邊圈施壓，以防工件法蘭區域起皺；
步驟二：第一電源模塊包括：充電機、電容器組、開關和續流迴路，充電機用於對電容器組進行充電，續流迴路用於調節電流波形，電容器組通過開關、導線與成形線圈的兩個出口引線鼻子相連接，通過閉合開關可對成形線圈放電，在金屬板件區域產生脈衝磁場；
步驟三：第二電源模塊包括由充電機、電容器組、開關以及續流迴路組成，充電機用於對電容器組進行充電，續流迴路用於調節電流波形，電容器組通過開關、導線與金屬板件的兩埠相連接，通過閉合開關可對金屬板件放電，在金屬板件中直接產生脈衝電流，電流與步驟二中的磁場相互作用產生電磁力驅動工件發生高速變形。
步驟四：重複步驟二、三可對金屬板件進行多次成形。
在本發明實施例中，上述第一和第二電源模塊分別為成形線圈和金屬板件進行放電，二者各自的放電參數(電壓、脈寬、觸發時間)獨立可調，如通過改變兩套電源模塊中電容器組的電容量可以調整放電電流脈寬，通過對兩套電源模塊設置不同的觸發時間可以改變二者的放電時序等。
在本發明實施例中，成形線圈所產生的磁場存在任一分量方向與金屬板件中的電流方向垂直。
在本發明實施例中，金屬板件和成形線圈中的電流為非振蕩式波形，方向不發生變化，通過選取合適的續流迴路參數(調整續流電阻的大小)可實現。
在本發明實施例中，成形線圈可由一個或一個以上的截面為矩形或圓形線圈組成。通過多個線圈在多個方向上產生磁場，從而共同作用可在成形區域疊加產生一合磁場，該磁場大小及方向由各個線圈所-產生的磁場大小和方向共同決定，通過調節各線圈的磁場參數，可實現合磁場的大小及方向可調。
在本發明實施例中，金屬板件的截面形狀可為任意規則。
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。
本發明第一實施例提供了一種針對金屬板件的電磁脹形方法，如圖1所示，包括以下步驟：
(1)將成形線圈1固定在壓力設備7上。成形線圈1的結構示意圖如圖2(a)所示，為一方形線圈，可在金屬板件成形區域產生沿著y方向較為均勻的磁場，其中y方向為線圈的繞線軸所在方向，與金屬板件所通入的電流方向(x方向)垂直。與傳統電磁成形相比，該成形方式的一個明顯區別在於工件中電流的流向，如圖3所示。傳統電磁成形中，金屬板件20中產生的電流為一環向渦流21，見圖3(a)，而在本發明所提及的方案中，金屬板件20中產生的電流沿著水平方向。相應地，若要在金屬板件20中產生沿著紙面向內的電磁力，兩種情況下所需的外加磁場方向亦不同，前者需要為徑向，後者則為垂直方向。
(2)將金屬板件3置於非金屬成形模具5與成形線圈1之間，並採用壓力設備7通過壓邊圈6施壓，以防工件法蘭區域起皺。
(3)將成形線圈1接入由充電機、電容器2-1、開關2-2和續流二極體2-3組成的第一電源模塊2，其中續流二極體2-3的主要目的是為了在板件中產生一個非振蕩波形的電流，以確保在成形過程中工件中的所受到的電磁力方向一直維持不變。
(4)將金屬板件3接入由充電機、電容器4-1、開關4-2和續流二極體4-3組成的第二電源模塊4，其中續流二極體4-3的主要目的是為了在線圈中產生一個非振蕩波形的電流，以確保在成形過程中工件中的所受到的電磁力方向一直維持不變。
(5)第一電源模塊2和第二電源模塊4分別對成形線圈和金屬板件進行放電，在金屬板件成形區域8分別產生成形力所需要的成形磁場和電流，其產生電磁力的示意圖如圖2所示。成形線圈1中的電流ic可在線圈側邊產生沿著y方向的磁場，如圖2(a)所示；金屬板件3中通入的激勵電流iw的方向沿著x方向，圖2(b)；y方向的磁場10與x方向的電流9產生朝著z方向的電磁力11，如圖2(c)所示。
(6)金屬板件3受到z方向的強脈衝電磁力，驅動板件朝著凹模區域發生高速變形。
(7)本發明由於電流是直接通過電源-控制系統加載到金屬板件上，故其材料不僅可以是高導電性材料(如銅、鋁合金等)，也可以是低導電性材料(鈦合金、鋼板材)等；成形磁場和工件中激勵電流的脈寬、放電時序及方向可根據實際需要進行調整和優化，體現在：(a)當需要在線圈與工件中產生吸引式電磁力時，可在工件中通入與圖2(b)反向的電流，此時工件中受到的作用力方向與圖2(c)相反。(b)當金屬板件為高導電性材料時，為避免線圈中產生的交變磁場在工件中感應出較大的渦流，從而影響成形效果，可在成形線圈中通入長脈寬電流(脈寬ms級)，起到一個近似穩態背景磁場的效果，此時可在成形線圈電流達到峰值附近時刻進行放電，電流波形及放電時刻示意圖如圖4所示。(c)當金屬板件為低導電性材料時，線圈和金屬板件中的電流可同步變化，亦可與(b)中情況相反，在金屬板件中通入長脈寬電流，在成形線圈中產生短脈寬電流，此時可進一步降低工件與線圈間的電磁耦合作用，降低因工件所產生的交變磁場對成形線圈中電流的影響。
本發明第二實施例提供了一種針對異形金屬構件的高速成形方法；本實施方式與具體實施方式一的不同點在於這裡所述的金屬構件形狀和相應的模具形狀截面可為任意形狀(非傳統的圓形或矩形等對稱截面)，如圖5(a)所示。在傳統電磁成形中，工件中的感應電流(渦流)路徑一般都為一個閉合的圓形迴路，而在本發明實施例中，由於工件中電流是直接加載的，故其可沿著工件導體的形狀而流動，其路徑隨著構件形狀變化而變化，從而為其應用在任意形狀金屬構件上提供了前提條件。當對金屬構件進行放電時，可在構件內部產生電流，電流方向沿著構件形狀流動，如圖5(a)所呈現的類s曲線金屬構件12。此時電流iw有x和y兩分量電流，為了對該構件進行有效成形和調控，相應地需要有y和x分量的磁場，故採取如圖5(b)所示的y方向線圈13和x方向線圈14共同作用在成形區域15產生大小、方向可調(大小可通過調節兩個方向上的線圈電流大小來實現，方向可通過調節兩個方向上線圈電流的比例來實現)的磁場，從而相應的與構件中的電流作用產生靈活可控的電磁作用力，促使工件受力發生塑性變形。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。