多级多向电磁成形方法及装置

摘要

本发明提供了多级多向电磁成形方法，采用准稳态电流建立稳定磁场区域，利用脉冲电流在工件中产生感应涡流，感应涡流与脉冲电流间的电磁力驱使工件位于凹模外部的部分向远离凹模的方向变形，而工件位于凹模内部的部分向靠近凹模的方向变形，当凹模内部的部分变形到稳定磁场区域时，稳定磁场与工件中的感应涡流作用驱使工件加速运动贴合凹模，完成成形。本发明还提供实现上述方法的装置，主要包括压边环和设在凹模不同位置的线圈。本发明通过多级多向电磁成形的方式加速工件，实现更长时间范围和更大空间范围内的成形加工制造，有效提高工件的成形深度。

权利要求

1.多级多向电磁成形方法，该方法具体为：压边环与凹模之间放置工件，利用脉冲磁场在工件中产生感应涡流，感应涡流与脉冲磁场间的电磁力驱使工件位于凹模外部的部分向远离凹模底部的方向变形，而工件位于凹模内部的部分向靠近凹模底部的方向变形，工件位于凹模外部的部分在凹模内部的部分变形牵引作用下流入凹模内，完成贴膜成形。

2.根据权利要求1所述的多级多向电磁成形方法，其特征在于，还将凹模下部分置于一磁场区域中，当工件位于凹模内部的部分变形到该磁场区域时，该磁场与工件中的感应涡流作用驱使工件加速运动贴合凹模。

3.实现权利要求1所述成形方法的装置，包括位于凹模正上方的压边环，位于凹模外部且靠近凹模与压边环相接面的辅助成形线圈，位于凹模内部且靠近凹模与压边环相接面的感应涡流线圈。

4.根据权利要求3所述的成形装置，还包括位于凹模侧壁外表面的电磁线圈。

5.根据权利要求3所述的成形装置，还包括位于凹模底部外表面的电磁吸力线圈。

6.根据权利要求3或4或5所述的装置，其特征在于，所述各线圈由一个以上的子线圈组合而成。

说明书

多级多向电磁成形方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于成形加工制造领域，特别涉及一种多级多向电磁成形方法及装置，主要用于金属材料的深度加工和精确成形。

背景技术

[0002] 节能和环保的要求促使以铝合金为代表的高强度轻质合金材料在先进制造领域得到广泛应用。但传统成形技术在高强度轻质合金材料加工应用中遇到重大障碍，主要体现为轻质合金塑性差难成形、成形后回弹大等，亟需一种新的成形技术。

[0003] 研究表明，高速率成形时，材料的成形性能得到显著提高，这种因高速率加工而提高的成形性被称为“高塑性(Hyperplasticity)”。电磁成形是一种利用洛仑兹力使金属材料成形的快速制造技术，属于高速率成形。由于其具有成形快、非接触及单模具等优势，是替代传统加工技术的新兴技术。

[0004] 但传统电磁成形技术主要基于单机设备、低能量密度的加工模式，通过单线圈产生的单脉冲电磁力难以实现工件的单次深度加工；工件依靠惯性力与模具贴模，贴模性往往很差。

发明内容

[0005] 针对传统电磁成形技术的局限性，本发明提出一种单次深度成形加工的多级多向电磁成形方法，实现更长时间范围和更大空间范围内的成形加工制造，有效提高工件的成形深度，改善工件的贴模性。

[0006] 多级多向电磁成形方法，该方法具体为：压边环与凹模之间放置工件，利用脉冲磁场在工件中产生感应涡流，感应涡流与脉冲磁场间的电磁力驱使工件位于凹模外部的部分向远离凹模底部的方向变形，而工件位于凹模内部的部分向靠近凹模底部的方向变形，工件位于凹模外部的部分在凹模内部的部分变形牵引作用下流入凹模内，完成贴膜成形。

[0007] 进一步地，还将凹模下部分置于一磁场区域中，当工件位于凹模内部的部分变形到该磁场区域时，该磁场与工件中的感应涡流作用驱使工件加速运动贴合凹模。

[0008] 实现所述成形方法的装置，包括位于凹模正上方的压边环，位于凹模外部且靠近凹模与压边环相接面的辅助成形线圈，位于凹模内部且靠近凹模与压边环相接面的感应涡流线圈。

[0009] 进一步地，还包括位于凹模侧壁外表面的电磁线圈。

[0010] 进一步地，还包括位于凹模底部外表面的电磁吸力线圈。

[0011] 进一步地，所述各线圈由一个以上的子线圈组合而成。

[0012] 本发明的技术效果体现在：

[0013] 本发明将工件置于凹模上，根据成形要求预先布置多套线圈，通过控制多套独立电源系统对线圈放电，实现工件电磁力在时间上的多级脉冲、在空间上的多区域和多方向性分布，以此电磁力驱动工件持续加速并完成深度成形。本发明通过多级多向电磁成形的方式加速工件，实现更长时间范围和更大空间范围内的成形加工制造，能有效提高工件的成形深度，且电磁吸力能改善工件的贴模性。

附图说明

[0014] 图1为多级多向电磁成形装置示意图；

[0015] 图2为各线圈电流波形图；

[0016] 图3为多级多向电磁力时空分布示意图；

[0017] 图3(a)为感应涡流线圈和辅助成形线圈作用的电磁力的时空分布示意图；

[0018] 图3(b)为电磁线圈作用的电磁力的时空分布示意图；

[0019] 图3(c)为电磁吸力线圈作用的电磁力的时空分布示意图；

[0020] 图4为感应涡流线圈组合形式；

具体实施方式

[0021] 以下结合附图对本发明的较佳实施例进一步说明。

[0022] 该多级多向电磁成形装置包括感应涡流线圈、辅助成形线圈、电磁线圈、电磁吸力线圈和压边环。

[0023] 所述的感应涡流线圈1主要为工件提供多级脉冲电流(图2所示的长脉冲电流10-1)或长脉冲涡流；所述的辅助成形线圈2主要产生一短脉冲电流(图2所示的短脉冲电流10-2)，为工件提供一反向预成形，使工件更容易流入凹模；所述的电磁线圈3主要为工件提供一电磁斥力推动工件持续加速；所述的电磁吸力线圈4主要为工件提供一电磁吸力促使工件的精确贴模。

[0024] 所述的感应涡流线圈1、辅助成形线圈2、电磁线圈3和电磁吸力线圈4都可设计为多个子线圈的组合形式，以实现该多级多向电磁成形方法的空间控制，体现多级多向加速效果。

[0025] 以感应涡流线圈1为例，如图4所示，感应涡流线圈1可设计为感应涡流内线圈1-1和感应涡流外线圈1-2的组合，内线圈1-1提供工件初始加速感应涡流和电磁力，外线圈1-2提供工件在稳定磁场区域内的感应涡流。

[0026] 为各线圈供电的电源系统可分别独立控制，以实现该多级多向电磁成形方法的时序控制。所述的感应涡流线圈1的电源系统6-1为长脉冲电源或多个短脉冲电源，该线圈产生一脉冲电流，并在工件内产生感应涡流；所述的辅助成形线圈2的电源系统6-2为短脉冲电源；所述的电磁线圈3和电磁吸力线圈4的电源系统6-3、6-4为准稳态电源，该线圈为工件在凹模下部产生一磁场区域。

[0027] 为明确准稳态电源和准稳态磁场，结合图2所示的电磁斥力电流10-3和电磁吸力电流10-4作进一步说明，电磁斥力电流10-3和电磁吸力电流10-4均为准稳态电流，该电流的特征在于，除了电流上升沿和电流下降沿外，该电流存在一电流相对稳定的时间，该稳定时间区域应覆盖所有脉冲电流时间区域，即大于t0-t3时间区域，产生该特征电流的电源系统称为准稳态电源系统，而该电流产生的磁场即为准稳态磁场。准稳态磁场的加入为了给工件提供持续时间的加速，更好地实现贴膜。

[0028] 所述的压边环8与凹模7配合放置工件5，并在凹模外部的工件反向预成形时起模具作用。

[0029] 多级多向电磁成形方法的实现：按照图1装配整个多级多向电磁成形装置，将工件5置于初始位置5-1。通过电源系统6-3和6-4分别控制启动电磁线圈3和电磁吸力线圈4，使其产生两个准稳态电流10-3和10-4，该电流在特定区域形成电磁斥力和电磁吸力所需的背景磁场。在t0时刻，通过电源系统6-1和6-2分别控制启动感应涡流线圈1和辅助成形线圈2，使其产生长脉冲电流10-1和短脉冲电流10-2；该长脉冲电流10-1将在工件凹模内区域中感应一脉冲涡流，短脉冲电流10-2将在工件凹模外区域中感应一脉冲涡流；长、短脉冲电流分别与之对应的感应涡流的电磁力力使工件加速并变形到初成形位置5-2。
工件5进入电磁线圈3背景磁场作用区域，在电磁斥力的作用下运动至斥力引导位置5-3；
工件5进入电磁吸力线圈4背景磁场作用区域，在电磁吸力的作用下工件达到贴模位置，完成该次深度成形加工。

[0030] 图3为多级多向电磁成形过程中多级多向电磁力时空分布示意图。成形过程中电磁力的多级多向性体现为：。在t0-t1时间区域内，感应涡流线圈1对工件5的电磁力F1驱动工件5开始向凹模7运动，辅助成形线圈2对工件5的电磁力F2驱动工件5实现预成形，该预成形将有利于工件更容易流入凹模，工件5在t1时刻达到预成形位置5-2。在t1-t2时间区域内，电磁线圈3对工件5的电磁力F3驱动工件5持续加速，工件在t2时刻达到斥力引导位置5-3。在t2-t3时间区域内，电磁吸力线圈4对工件5的电磁力F4驱动工件5贴模，工件在t3时刻达到吸力贴模位置5-3。工件在各时间段、各空间区域受到的电磁力方向与性质都不一样，在各种电磁力的共同作用下工件完成深度成形。