双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置的制造方法

本发明属于金属塑性成形装备领域，具体来说，是一种可使金属板材具有一定初始预应力状态，并利用脉冲电磁力对其进行渐进式调形与调性的四轴装置，。

背景技术：
大型铝合金蒙皮和整体壁板能有效满足航空航天领域结构轻量化需求，其在强度及波纹度等方面也优于小蒙皮拼接结构，在飞机设计中被普遍采用。大型蒙皮和整体壁板成形需要与其尺寸相应的大型设备，同时也对成形设备的形状控制能力提出了更高要求。传统的滚弯、闸压、拉形等成形设备已经不能满足大型蒙皮和整体壁板的生产要求，空客、波音等大飞机制造公司主要采用喷丸成形和蠕变时效成形技术以解决上述问题。由于他们都强烈的依赖于工艺装备，特别是对于一些大型构件，给装备制造业提出了极大的挑战。空客的喷丸成形机床尺寸为13.5m×4.5m×6m，而蠕变热压罐重达到300t，直径6m，长度42m。其安装空间极大，不适合一般的小型工厂和实验室研究使用。电容器中存储的电量突然释放会在与其串联的电磁线圈附近产生强而短促的磁场，当磁场作用在临近导体上时会在导体上产生与线圈电流方向相反的涡流，涡流与磁场共同产生作用于线圈和导体的脉冲电磁排斥力。电磁成形是一种基于该脉冲电磁力的单模成形工艺，也称为磁脉冲成形，主要应用于管件、板件等薄壁类零件的成形。与之相应地，电磁成形领域的相关学者研制了许多专用的电磁成形装置。经对现有国内外专利技术文献检索，得到与本发明相关的专利如下：中国专利授权公告号为CN100447690C，发明名称为：板材动圈电磁渐进成形方法及其装置。该发明通过分层渐进塑性成形的方式，用小电磁脉冲力实施有顺序的局部塑性成形，然后逐渐累积成为大变形，最后金属板材渐进地加工成有三维复杂曲面形状的薄壳件。但其仅限于在低强度薄壳类毛坯电磁成形方面的应用，成形力相对较小，通用性较差。此外，其夹持装置不可调，导致成形毛坯大小固定，不能根据实际生产情况更改毛坯大小，适应性和经济性有待改善。中国专利授权公告号为CN103817197A，发明名称为：一种电磁成形装置及方法。该专利涉及的电磁成形装置具有两套放电装置分别控制两个电磁线圈，驱动线圈驱动成形线圈使得成形过程中成形线圈始终贴近工件，能有效提高工件的成形深度，并改善工件的贴模性。但其只能用于小尺寸零件基于凹模的成形，成形过程依赖人工操作。中国专利授权公告号为CN104475531A，发明名称为：一种金属板材电磁脉冲局部流动渐进成形装置及方法。该专利通过小型线圈在金属板材不同位置进行放电，不同位置产生的局部变形逐渐累积成大变形来成形大型金属板材。由于使用的线圈尺寸小，成形力小，放电次数多，能量利用率低。此外，其夹具相对位置固定，适应性与柔性化程度也有待改善。上述装置还存在一些共性的不足：1)不能提供预应力，只能对原始零应力状态的板材进行直接成形。2)安装空间大。装置均采用线圈运动的渐进方式，装置的外形尺寸规格要大到满足所有尺寸的试件要求。3)空间利用率低。装置的工作空间与安装空间等大，不工作时空间得不到合理利用。综上可知，目前国内外尚未出现能够克服上述不足且基于脉冲电磁力对金属板材进行形状与性能综合研究的试验装置。

技术实现要素：
针对上述问题本发明提出一种可使金属板材产生一定初始预应力状态的双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置，应用于基于脉冲电磁力的大型铝合金蒙皮壁板类零件的预应力状态调形与调性试验研究。本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置，包括主框架、线圈控制液压缸组件、液压缸平移驱动组件、液压缸摆角驱动组件、板材进给框组件、板材夹头组件、板材进给框驱动组件、压边框组件以及柔性模具。其中，主框架具有上梁板与下梁板；上梁板上安装有线圈控制液压缸组件；线圈控制液压缸组件采用中间铰轴式液压缸，在液压缸活塞杆上安装电磁线圈，使电磁线圈具有绕自身轴线转动与沿轴线运动两个自由度；同时，通过液压缸平移驱动组件、液压缸摆角驱动组件分别实现线圈控制液压杆缸组件沿空间Y轴的移动以及摆动，进而使电磁线圈具有沿空间Y轴的移动以及摆动两个自由度。板材进给框组件为可调节长度矩形框架，安装在下梁板上，通过板材进给框驱动组件实现板材进给框组件沿空间X轴的移动。板材进给框空间X轴方向上的两条侧边上安装有板材夹头组件，对板材进行夹持，且为板材提供拉伸预载荷。压边框组件设置在板材进给框组件与上梁板间，通过压边框组件对板材施加材施加弯曲预应力；柔性模具安装在下梁板上，与压边框组件配合对金属板材进行弯曲预加载，并承受电磁线圈工作时产生的脉冲电磁力。通过上述结构，可依次交替执行板材沿其长度方向渐进，与电磁线圈沿板材宽度方向渐进调形，通过二者配合实现电磁线圈产生的脉冲电磁力对整个板材曲面的作用，对具有一定初始预应力状态的金属板材进行调形与调形作用。本发明的优点在于：1、本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置，采用了电磁线圈渐进与板材渐进相结合的双动渐进，缩小了装置的长宽差异、减小了安装空间，提高了空间利用率；2、本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置，实现了对金属板材的拉伸和弯曲预加载，使得金属板材具有不同的初始应力应变状态；3、本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置，实现了电磁线圈的四个运动自由度，包括三个平动自由度和一个转动自由度，在四轴联动的情况下，可以实现电磁线圈与金属板材任意复杂的空间相对运动路径，可以对具有复杂曲面特征的金属板材进行调形与调性试验。4、本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置，实现了操作过程的全自动化，克服了目前装置中装卸繁琐的问题，节约劳动力和时间，工作效率得到提高；5、本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置，采用了柔性模具，可针对不同曲率特征的金属板材，具有通用性和适应性；6、本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置，通过液压系统可精确控制电磁线圈夹紧力的大小，消除由人为因素对成形效果的影响，使得成形零件重复性好。7、本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置，为基于脉冲电磁力的金属板材预应力调形与调形方法提供了工作平台，可承受不同方位的大脉冲电磁力载荷，既能满足小尺寸板材的脉冲电磁力调形与调性，也能完成大尺寸板材与电磁线圈在复杂相对运动路径下的脉冲电磁力调形与调性，对不同尺寸的金属板材均具有很强的适应性；即可以用于工厂实际生产，也可在实验室中用于完成一些简单的基础试验，具有广阔的应用空间和发展前景。附图说明图1为本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置结构示意图；图2为本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置中主框架结构示意图；图3为本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置中线圈控制液压缸组件结构示意图；图4为本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置中液压缸平移驱动组件结构示意图；图5为本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置中液压缸摆角驱动组件结构示意图；图6为本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置中板材进给框组件结构示意图；图7为本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置中板材夹头组件结构示意图；图8为本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置中板材进给框驱动组件结构示意图；图9为本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置中压边框组件结构示意图；图10为本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置中顶面为平面的柔性模具；图11为本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置中顶面为曲面的柔性模具；图12为使用本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置对金属板材前部进行脉冲电磁力作用的示意图。图13为使用本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置对金属板材中部进行脉冲电磁力作用的示意图；图14为使用本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置对金属板材后部进行脉冲电磁力作用的示意图。图中：1-主框架2-线圈控制液压缸组件3-液压缸平移驱动组件4-液压缸摆角驱动组件5-板材进给框组件6-板材夹头组件7-板材进给框驱动组件8-压边框组件9-柔性模具101-上梁板102-立柱103-下梁板104-滑块导轨105-滑块106-锁紧螺母107-地脚螺母201-安装基座202-安装耳片203-中间铰轴式液压缸204-线圈连接座205-电磁线圈301-平移驱动梯形丝杠302-平移驱动伺服电机401-摆角驱动梯形丝杠402-摆角驱动伺服电机403-导轨404-连接板405-十字滑块406-摆杆405a-滑块主体405b-直线轴承A405c-直线轴承B405d-转轴501-安装座502-支撑座503-可伸缩导轨504-铝合金型材505-齿条504a-条形型材504b-U型框型材601-安装口框602-双向螺杆603-钳口组成701-进给驱动伺服电机702-电机座703-齿轮轴704-齿轮801-压边框802-压边辊803-导套804-液压缸901-模具基座902-螺杆903-钉头904-固定角铁具体实施方式本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置，用于将脉冲电磁力施加在金属板材上，调整板材内部的应力应变状态以及材料组织结构，以达到改变板材形状和性能的目的。在运用脉冲电磁力对板材进行击打之前，要求通过施加预拉伸、预弯曲或同时施加预拉伸与预弯曲的方式对板材进行预加载，使得板材具有不同的预应力状态。本发明双动渐进式预应力板材四轴脉冲电磁调形与调性装置，包括主框架1、线圈控制液压缸组件2、液压缸平移驱动组件3、液压缸摆角驱动组件4、板材进给框组件5、板材夹头组件6、板材进给框驱动组件7、压边框组件8以及柔性模具9，如图1所示。所述主框架1为本发明装置的整体支撑框架，如图2所示，主框架1采用“两梁四柱”形式，包括上梁板101、立柱102、下梁板103、滑块导轨104及滑块105、锁紧螺母106与地脚螺母107。上梁板101与下梁板103水平设置，两者周向上四角处分别套接在四根空心结构立柱102上。其中，上梁板101与下梁板103分别通过空心立柱102上设计的轴肩定位，并通过锁紧螺母106锁紧固定。上梁板101与下梁板103选用实心厚板进行切割成形的镂空框架结构，保留主要受力部分。四根立柱102底端安装有地脚螺母107，根据装置的安放平面，由地脚螺母107对主框架1进行调平，使上梁板101与下梁板103与水平面保持平行，进而保证整体装置处在水平状态。滑块导轨104为两条，沿空间Y轴方向设置，固定安装在上梁板101下表面。两条滑块导轨104上均安装有可沿滑块导轨104移动的滑块105，通过两个滑块105共同实现线圈控制液压缸组件2的安装。所述线圈控制液压缸组件2用于控制电磁...