一种电流突变引发电磁吸引力成形金属板料的装置与控制方法与流程

本发明涉及电磁成形领域，特别是一种电流突变引发电磁吸引力成形金属板料的装置与控制方法。

背景技术：
电磁成形主要应用于导电材料的成形制造工艺中，是一种利用电能转化为磁场能成形金属板料的方法，传统的电磁成形设备往往利用电磁排斥力，如中国专利公开号为CN101406913A的文献介绍的金属板料电磁成形装置，包括线圈、集磁器、工件与成形模具。线圈外部装配集磁器置于工件的一侧，集磁器有效集磁的工作面靠近工件。而成形模具则位于工件的另一侧，成形时在线圈中通过脉冲大电流，在线圈与工件之间产生排斥力推动工件向模具运动使工件贴紧模具，以此成形工件。但在遇到成形工件为封闭区域蒙皮或覆盖件的工况时，所述的电磁成形设备的缺点就呈现出来，首先电磁成形设备的模具与线圈分别置于工件的两边，使得设备整体分为两个部分不方便操作；成形需要在反向设置模具需要先行拆卸覆盖件，工艺和操作都变复杂。

技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是提出一种电流突变引发电磁吸引力成形金属板料的装置与控制方法，简化操作。本发明的装置采用以下方案实现：一种电流突变引发电磁吸引力成形金属板料的装置，包括执行部分与电源系统；所述的执行部分包括工作线圈、模具、金属板料，所述的模具设置在所述的工作线圈与金属板料之间，所述工作线圈与模具固定连接在一起作为执行器；所述电源系统包括控制系统、储能系统、充电回路、放电回路，所述充电回路连接在所述储能系统两端，所述放电回路两端也连接在所述储能系统两端，所述控制系统与所述充电回路、放电回路电性连接，所述的工作线圈与所述的放电回路电性连接。较佳的，电源系统在放电回路中施加一个缓慢上升的电流，并在电流到达峰值时突变，这一电流作用在与放电回路串联的线圈中，在线圈周围产生一个感应磁场，并致使金属板料中产生一个感应涡流与线圈中电流方向一致，金属板料向工作线圈移动，受到模具的限制成形为指定的形状。进一步的，施加在所述工作线圈上的电流突变前为正弦衰减电流，并满足I(t)＝Imaxe-βsin(ωt)，所述电流在1/4周期到达峰值时突变快速下降，峰值前电流频率满足峰值后电流频率满足其中，I为电流；e为自然数；β为衰减系数；ω为角频率；t为时间，f为频率；μ0为金属板料磁导率；γ为金属板料电导率；d为金属板料厚度。进一步的，所述的工作线圈包括缠绕成盘形的铜线以及包覆在所述铜线外侧的绝缘材料，所述铜线的两端作为所述工作线圈的两输入端与放电回路相连。进一步的，所述的放电回路包括放电开关K2与电流突变模块，所述的放电开关K2与所述工作线圈串联在一起，包含所述放电开关K2与所述工作线圈的支路连接在储能系统的两端；所述电流突变模块连接在所述工作线圈两端；所述放电开关K2以及电流突变模块与所述控制系统电性相连。其中所述的电流突变模块可以快速短路开关K3或者相互串联的辅助电容器C3’与快速开关K3’；其中所述的快速短路开关K3与快速开关K3’为晶闸管可控硅开关。特别的，所述的电流突变模块还可以为熔断开关K3″，此时所述电流突变模块与所述工作线圈串联。所述的熔断开关K3″包含熔断器进行断路。进一步的，所述的充电回路包括依次相连的充电开关K1、整流滤波模块、逆变电路模块、高频脉冲变压模块以及最终整流模块；其中，所述整流滤波模块包括一第一低频整流桥、限流电阻R2、滤波电容CZ以及限流开关K4，工频交流电通过所述充电开关K1与所述第一低频整流桥的输入端相连，所述第一低频整流桥的负输出端连接至所述限流电阻R2的一端，所述限流电阻R2的另一端连接至所述滤波电容CZ的一端，所述第一低频整流桥的正输出端连接至所述滤波电容CZ的另一端，所述限流开关K4的两端分别与所述限流电阻R2的两端相连，其中所述充电开关K1以及所述限流开关K4均与所述控制系统电性相连；其中，所述逆变电路模块包括第一桥臂电容C1、第二桥臂电容C2、第一功率保护模块、第二功率保护模块、第一主功率管Tr1、第二主功率管Tr2，其中第一桥臂电容C1、第二桥臂电容C2、第一主功率管Tr1以及第二主功率管Tr2共同构成半桥形式，所述第一功率保护模块以及第二功率保护模块分别并联在第一主功率管Tr1的集电极与发射极以及第二主功率管Tr2的集电极与发射极；其中所述第一功率保护模块以及第二功率保护模块均包括相互串联的一电阻与一电容，所述电阻的两端并接有一功率二极管；其中，所述高频脉冲变压模块包括初级绕组、铁芯以及次级绕组，所述初级绕组的两端分别与所述逆变电路模块中第一桥臂电容C1与第二桥臂电容C2的连接点以及第二主功率管Tr2的集电极，所述次级绕组的两端与所述最终整流模块相连；其中，所述最终整流模块包括第二低频整流桥641，所述第二低频整流桥的两输入端与所述高频脉冲变压模块内的次级绕组的两端相连，所述第二低频整流桥的正输出端与负输出端分别并联至所述储能系统的两端。进一步的，所述的储能系统包括N个并联的电容器，所述电容器的两端作为所述储能系统的两端，其中N为大于等于1的正整数。本发明的方法采用以下方案实现：一种基于权利要求4所述的电流突变引发电磁吸引力成形金属板料的装置的控制方法，具体包括以下步骤：步骤S1:将包含工作线圈与模具的执行器置于待成形金属板料的上方；步骤S2：由控制系统控制所述充电回路中的充电开关K1闭合、所述放电回路中的放电开关K2开路、电流突变模块中的快速短路开关K3或者快速开关K3’开路，储能系统开始充电，工频交流电依次通过所述充电回路中的整流滤波模块、逆变电路模块、高频脉冲变压模块、最终整流模块完成给储能系统的充电；随后自动断开充电开关K1；步骤S3：闭合放电开关K2，储能系统与工作线圈、形成完整的RLC回路，在工作线圈中通过低频率缓慢上升的脉冲强电流；步骤S4：所述放电回路中的电流突变模块在放电开关K2闭合后一定时间联动工作，反向施加高频率快速的脉冲强电流，工作线圈中的电流突变快速下降；其中，所述一定时间为工作线圈中电流上升至最大值的时间；步骤S5：工作线圈中施加的缓慢上升快速下降的电流引发的磁场和金属板料中的感应涡流，促使金属板料向工作线圈移动，受到模具的限制成形。本发明还提供了一种基于上文所述的电流突变引发电磁吸引力成形金属板料的装置的控制方法，具体包括以下步骤：步骤S1:将包含工作线圈与模具的执行器置于待成形金属板料的上方；步骤S2：由控制系统控制所述充电回路中的充电开关K1闭合、所述放电回路中的放电开关K2开路、电流突变模块中的熔断开关K3″未到达熔断电流正常工作，储能系统开始充电，工频交流电依次通过所述充电回路中的整流滤波模块、逆变电路模块、高频脉冲变压模块、最终整流模块完成给储能系统的充电；随后自动断开充电开关K1；步骤S3：闭合放电开关K2，储能系统与工作线圈、形成完整的RLC回路，在工作线圈中通过低频率缓慢上升的脉冲强电流；步骤S4：所述放电回路中的电流突变模块在放电开关K2闭合后一定时间联动工作，反向施加高频率快速的脉冲强电流，工作线圈中的电流突变快速下降；其中，所述一定时间为工作线圈中电流上升至最大值的时间；步骤S5：工作线圈中施加的缓慢上升快速下降的电流引发的磁场和金属板料中的感应涡流，促使金属板料向工作线圈移动，受到模具的限制成形。较佳地，电磁吸引力的产生基于以下原理：与成形原理相关的部件为工作线圈、金属板料与模具。工作时，在工作线圈中施加一个低频率(缓慢)的脉冲强电流其波形满足式(1)为正弦衰减波形。要求其产生的磁场能够渗透电磁屏与工件，在电磁屏与工件的两个面上都产生涡流，根据趋肤效应这就要求施加在单匝工作线圈频率fmax足够低，即满足式(2)的要求。这时流过线圈电流的di/dt很小，这时金属板料内的感应电流很小，于是金属板料内表面受到的磁场力很小，远不足以达到屈服点。那么无论电流I值升高到多大也无法使金属板料发生变形。这时可以忽略金属板料内的感应电流及其产生的感应磁场，认为金属板料内部及周围始终处于线圈产生的均匀磁场中。当电流上升到一定值Im时，反向施加高频率(快速)的脉冲强电流，即不满足式(2)的要求。令其以很大的变化率衰减(即令di/dt变为负值，并且其绝对值很大)，这时磁场也突然衰减。根据楞次定律可知金属板料内部将产生感应电流，其方向与线圈中衰减的电流方向一致，并且感应电流同时产生感应磁场。在金属板料内部空间，感应磁场与线圈产生的磁场方向相反而相互抵消，在金属板料外部空间方向相同而加强。其结果使金属板料外表面受到强大的磁场力——吸引力，如果金属板料受力到达屈服点，则发生朝向线圈方向的变形。I(t)＝Imaxe-βsin(ωt)(1)式中：I为电流；e为自然数；β为衰减系数；ω为角频率；t为时间式中：f为频率；μ0为金属板料磁导率；γ为金属板料电导率；d为板料厚度进一步的，控制系统控制充电开关闭合，放电开关开路时，所述充电回路给储能系统充电，充电达到指定的能量后充电回路施加一个反馈使充电开关开路完成充电。充电回路外部连接低压工频电流，在充电回路中包含整流滤波模块、逆变电路模块、高频脉冲变压模块、最终整流模块，工频交流电经过整流滤波、逆变电路、高频脉冲变压器的转化，形成所需要的直流电源给储能系统，储能系统由大容量电容器构成。进一步的，充电开关开路，放电开关闭合时，所述放电回路中储能系统与工作线圈和保护电感串联在一起，并在放电回路中设置电流突变模块同样由控制系统控制。进一步的，所述电流突变模块可以并联在工作线圈两端，为一个快速短路开关，在放电开关闭合后一定时间，电流到达峰值，闭合快速短路开关，原本通过线圈的电流转而由电流突变模块通过，线圈电流快速下降。与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明转化传统的电磁成形排斥力为吸引力，可将工作线圈与模具组合为一体，减少配合难度，在工艺上扩大了电磁成形技术的使用范围。附图说明图1为本发明实施例1的除去充电回路的电路及工装位置示意图。图2为本发明实施例的最终成型示意图。图3为本发明实施例的充电回路的示意图。图4为本发明的突变电流波形。图5为本发明实施例2的除去充电回路的电路及工装位置示意图。图6为本发明实施例3的除去充电回路的电路及工装位置示意图。[主要组件符号说明]图中：1为工作线圈，2为模具，3为金属板料，4为控制系统，5为储能系统，6为充电回路，7为放电回路；11为铜线，12为绝缘材料；61为整流滤波模块，62为逆变电路模块，63为高频脉冲变压模块，64为最终整流模块，65为充电开关；71为电流突变模块；611为第一低频整流桥，621为第一功率保护模块，622为第二功率保护模块，631为初级绕组，632为铁芯，633为次级绕组，641为第二低频整流桥。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。实施例1。如图1所示，本实施例提供了一种电流突变引发电磁吸引力成形金属板料的装置，包括执行部分与电源系统；所述的执行部分包括工作线圈1、模具2、金属板料3，所述的模具2设置在所述的工作线圈1与金属板料3之间，所述工作线圈1与模具2固定连接在一起作为执行器；所述电源系统包括控制系统4、储能系统5、充电回路6、放电回路7，所述充电回路连接在所述储能系统两端，所述放电回路两端也连接在所述储能系统两端，所述控制系统4与所述充电回路6、放电回路7电性连接，所述的工作线圈与所述的放电回路7电性连接。较佳的，电源系统在放电回路中施加一个缓慢上升的电流，并在电流到达峰值时突变，这一电流作用在与放电回路串联的线圈中，在线圈周围产生一个感应磁场，并致使金属板料中产生一个感应涡流与线圈中电流方向一致，金属板料向工作线圈移动，受到模具的限制成形为指定的形状。在本实施例中，施加在所述工作线圈上的电流突变前为正弦衰减电流，并满足I(t)＝Imaxe-βsin(ωt)，所述电流在1/4周期到达峰值时突变快速下降，峰值前电流频率满足峰值后电流频率满足其中，I为电流；e为自然数；β为衰减系数；ω为角频率；t为时间，f为频率；μ0为金属板料磁导率；γ为金属板料电导率；d为金属板料厚度。在本实施例中，所述的工作线圈包括缠绕成盘形的铜线11以及包覆在所述铜线外侧的绝缘材料12，保证铜线层与层之间的绝缘性。所述铜线的两端作为所述工作线圈的两输入端与放电回路相连。在本实施例中，如图1所示，所述的放电回路包括保护电感L1、放电开关K2、快速短路开关K3、保护电阻R1；所述保护电感L1的一端与所述快速短路开关K3的一端分别连接至所述储能系统的两端，所述保护电感L1的另一端连接至所述放电开关K2的一端，所述快速短路开关K3的另一端与所述放电开关K2的另一端相连，所述放电开关K2的另一端还连接至保护电阻R1的一端，所述保护电阻R1的另一端以及所述所述快速短路开关K3的一端分别连接至工作线圈的两输入端；所述放电开关K2以及快速短路开关K3与所述控制系统电性相连。所述快速短路开关为电流突变模块71。所述快速短路开关K3为晶闸管可控硅开关。在本实施例中，如图3所示，所述的充电回路包括依次相连的充电开关K1(65)、整流滤波模块61、逆变电路模块62、高频脉冲变压模块63以及最终整流模块64；所述整流滤波模块包括一第一低频整流桥611、限流电阻R2、滤波电容CZ以及限流开关K4，工频交流电通过所述充电开关K1与所述第一低频整流桥的输入端相连，所述第一低频整流桥的负输出端连接至所述限流电阻R2的一端，所述限流电阻R2的另一端连接至所述滤波电容CZ的一端，所述第一低频整流桥的正输出端连接至所述滤波电容CZ的另一端，所述限流开关K4的两端分别与所述限流电阻R2的两端相连，其中所述充电开关K1以及所述限流开关K4均与所述控制系统电性相连；其中，所述限流电阻R2用以防止浪涌电流损坏开关。所述逆变电路模块包括第一桥臂电容C1、第二桥臂电容C2、第一功率保护模块621、第二功率保护模块622、第一主功率管Tr1、第二主功率管Tr2，其中第一桥臂电容C1、第二桥臂电容C2、第一主功率管Tr1以及第二主功率管Tr2共同构成半桥形式，所述第一功率保护模块以及第二功率保护模块分别并联在第一主功率管Tr1的集电极与发射极以及第二主功率管Tr2的集电极与发射极；其中所述第一功率保护模块以及第二功率保护模块均包括相互串联的一电阻与一电容，所述电阻的两端并接有一功率二极管；其中通过两个桥臂电容的充放电来实现电流方向的变化，并加入功率保护模块控制逆变电路模块的运行。所述高频脉冲变压模块包括初级绕组631、铁芯632以及次级绕组633，所述初级绕组的两端分别与所述逆变电路模块中第一桥臂电容C1与第二桥臂电容C2的连接点以及第二主功率管Tr2的集电极，所述次级绕组的两端与所述最终整流模块相连；所述最终整流模块包括第二低频整流桥，所述第二低频整流桥的两输入端与所述高频脉冲变压模块内的次级绕组的两端相连，所述第二低频整流桥的正输出端与负输出端分别并联至所述储能系统的两端。在本实施例中，所述的储能系统包括N个并联的电容器，所述电容器的两端作为所述储能系统的两端，其中，N为大于等于1的正整数。本实施例还提供了一种基于上文所述的电流突变引发电磁吸引力成形金属板料的装置的控制方法，主要包括以下步骤：步骤S1:将包含工作线圈与模具的执行器置于待成形金属板料的上方；步骤S2：由控制系统控制所述充电回路中的充电开关K1闭合、限流开关K4开路、所述放电回路中的放电开关K2开路、快速短路开关K3开路，由外接工频交流电输入电流稳定后，闭合限流开关K4开始充电，工频交流电依次通过所述充电回路中的整流滤波模块、逆变电路模块、高频脉冲变压模块、最终整流模块完成给储能系统的充电；随后自动断开充电开关K1与限流开关K4；步骤S3：闭合放电开关K2，储能系统与工作线圈、保护电阻R1、保护电感L1形成完整的RLC回路，在工作线圈中通过低频率缓慢上升的脉冲强电流；步骤S4：所述放电回路中的电流突变模块在放电开关K2闭合后一定时间联动工作，反向施加高频率快速的脉冲强电流，工作线圈中的电流突变快速下降；其中，所述一定时间为工作线圈中电流上升至最大值的时间；步骤S5：工作线圈中施加的缓慢上升快速下降的电流引发的磁场和金属板料中的感应涡流，促使金属板料向工作线圈移动，受到模具的限制成形如图2。特别的，如图4所示，电源系统在放电回路中施加一个缓慢上升的电流，并在电流到达峰值时突变，这一电流作用在与放电回路串联的工作线圈中，在工作线圈1周围产生一个感应磁场，并致使金属板料3中产生一个感应涡流与工作线圈中电流方向一致，金属板料3向工作线圈1移动，受到模具2的限制成形为指定的形状。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。实施例2如图5所示，与实施例1的区别在于：电流突变模块71包括辅助电容器C3’与快速开关K3’替换实施例1中的快速短路开关K3，辅助电容器C3’与快速开关K3’串联后，与工作线圈并联。其中，所述快速开关K3’为晶闸管可控硅开关。由此本实施例提供了一种基于上文所述的电流突变引发电磁吸引力成形金属板料的装置的控制方法，主要包括以下步骤：步骤S1:将包含工作线圈与模具的执行器置于待成形金属板料的上方；步骤S2：由控制系统控制所述充电回路中的充电开关K1闭合、限流开关K4开路、所述放电回路中的放电开关K2开路、快速开关K3’开路，由外接工频交流电输入电流稳定后，闭合限流开关K4开始充电，工频交流电依次通过所述充电回路中的整流滤波模块、逆变电路模块、高频脉冲变压模块、最终整流模块完成给储能系统的充电；随后自动断开充电开关K1与限流开关K4；步骤S3：闭合放电开关K2，储能系统与工作线圈、保护电阻R1、保护电感L1形成完整的RLC回路，在工作线圈中通过低频率缓慢上升的脉冲强电流；步骤S4：所述放电回路中的电流突变模块在放电开关K2闭合后一定时间联动工作，反向施加高频率快速的脉冲强电流，工作线圈中的电流突变快速下降；其中，所述一定时间为工作线圈中电流上升至最大值的时间；步骤S5：工作线圈中施加的缓慢上升快速下降的电流引发的磁场和金属板料中的感应涡流，促使金属板料向工作线圈移动，受到模具的限制成形如图2。实施例3如图6所示，与实施例1的区别在于：电流突变模块71包括熔断开关K3″替换实施例1中的快速短路开关K3，熔断开关K3″与工作线圈串联。其中，所述的熔断开关K3″包含熔断器进行断路。由此本实施例提供了一种基于上文所述的电流突变引发电磁吸引力成形金属板料的装置的控制方法，主要包括以下步骤：步骤S1:将包含工作线圈与模具的执行器置于待成形金属板料的上方；步骤S2：由控制系统控制所述充电回路中的充电开关K1闭合、限流开关K4开路、所述放电回路中的放电开关K2开路、熔断开关K3″闭合，由外接工频交流电输入电流稳定后，闭合限流开关K4开始充电，工频交流电依次通过所述充电回路中的整流滤波模块、逆变电路模块、高频脉冲变压模块、最终整流模块完成给储能系统的充电；随后自动断开充电开关K1与限流开关K4；步骤S3：闭合放电开关K2，储能系统与工作线圈、保护电阻R1、保护电感L1形成完整的RLC回路，在工作线圈中通过低频率缓慢上升的脉冲强电流；步骤S4：所述放电回路中的电流突变模块在放电开关K2闭合后一定时间联动工作，熔断器K3″断开，工作线圈中的电流突变快速下降；其中，所述一定时间为工作线圈中电流上升至最大值的时间；步骤S5：工作线圈中施加的缓慢上升快速下降的电流引发的磁场和金属板料中的感应涡流，促使金属板料向工作线圈移动，受到模具的限制成形如图2。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。