一种电磁深成形装置及方法与流程

本发明属于金属成形制造领域，更具体地，涉及一种电磁深成形装置及方法。

背景技术：

节能和环保的要求促使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，亟需一种新的成形技术。研究表明，高速率成形时，材料的成形性能得到显著提高。电磁成形是一种利用洛伦兹力使金属材料成形的快速制造技术，属于高速率成形，能极大地提高材料的成形性能。但在进行深冲型构件成形时，一方面，其与传统准静态成形均面临工件易减薄的问题，另一方面，对于复杂工件来说，电磁成形技术下工件的贴模性有待提升。

技术实现要素：

为解决传统的准静态成形轻质合金塑性差、易撕裂，以及贴模性差、工艺要求高问题，本发明提出了一种可以兼顾提升材料拉深成形极限和提高板件成形精度的电磁深成形装置及方法。

为实现上述目的，作为本发明的一方面，本发明提供了一种电磁深成形装置，包括：

驱动线圈，用于当通入第一脉冲电流时产生第一变化磁场；

固定单元，位于驱动线圈上方，用于约束驱动线圈；

成形冲头，位于驱动线圈下方，用于当受到轴向脉冲电磁力时向下运动，并通过与待成形板件直接接触将轴向脉冲电磁力传递至待成形板件上；轴向脉冲电磁力是由第一变化磁场与第一涡流作用后产生的，第一涡流是由第一变化磁场产生的；

助推线圈，位于待成形板件法兰区域的上方，用于当通入第二脉冲电流时产生第二变化磁场；第二变化磁场在待成形板件上产生第二涡流，由第二变化磁场与第二涡流作用在待成形板件上产生助推脉冲电磁力，助推脉冲电磁力用于促进待成形板件法兰区域材料向成形模具的腔体内部流动，并为待成形板件法兰区域提供压边力；

压边单元，位于助推线圈上方，用于约束助推线圈；

成形模具，位于待成形板件下表面，设有腔体，通过腔体与成形冲头配合使待成形板件加工至所需形状；

且第一脉冲电流宽度小于第二脉冲电流宽度，第一脉冲电流触发时刻晚于第二脉冲电流触发时刻。

本发明提供的电磁深成形装置，由驱动线圈产生的第一变化磁场，驱动成形冲头快速运动，成形冲头撞击金属板件成形，提高工件的成形速度，由于第一脉冲电流宽度小于第二脉冲电流宽度，第一脉冲电流触发时刻晚于第二脉冲电流触发时刻，在每一个轴向脉冲电磁力驱动成形冲头撞击待成形板件成形的过程中，在待成形板件的法兰区域都存在助推脉冲电磁力，促进材料流动性，有效减少待成形板件在成形过程中由于材料减薄而造成待成形板件撕裂。同时由成形冲头撞击待成形板件成形，能够保成形过程中的贴膜性。因此，本发明提供的电磁深成形装置能够兼顾提升材料拉深成形极限和提高板件成形精度。

优选地，成形冲头包括：

驱动板，位于驱动线圈下方，用于当受到第一变化磁场后感应出第一涡流，第一变化磁场与第一涡流作用产生轴向脉冲电磁力，由轴向脉冲电磁力驱使驱动板向下运动；以及

空心冲头，与驱动板固定连接，同驱动板共同向下运动，用于并通过与待成形板件直接接触将轴向脉冲电磁力传递至待成形板件上。

成形冲头采用空心结构，在保证冲头外形不变的情况下，减轻冲头的质量，提高成形冲头向下运动的速度，提高待成形板件的成形性能。

优选地，助推线圈的外径大于待成形板件的直径，且助推线圈覆盖待成形板件的法兰区域。

优选地，助推线圈包括多个助推子线圈，每个助推子线圈为环形结构，多个助推子线圈依次嵌套排列，并位于待成形板件法兰区域的上方，且当待成形板件边缘行进至任意一个助推子线圈时，该助推子线圈通入脉冲电流。

优选地，成形模具底部开有排气孔，用于平衡待成形板件上表面与下表面的压强。

优选地，成形模具上设有凸台，用于让助推线圈不与待成形板件直接接触。

作为本发明的一个方面，本发明提供了一种电磁深成形方法，包括如下步骤：

(1)通过电磁感应在待成形板件法兰区域产生助推脉冲电磁力，助推脉冲电磁力用于加快待成形板件法兰区域的材料向成形模具的腔体内部流动，并为待成形板件提供压边力；

(2)在每个助推脉冲电磁力持续期间，通过成形冲头与待成形板件直接接触施加轴向脉冲电磁力于待成形板件上，并通过成形冲头与成形模具之间配合使待成形板件加工成所需形状。

进一步地，包括如下步骤：

当每个助推脉冲力达到峰值时，通过成形冲头与待成形板件直接接触施加轴向脉冲电磁力于待成形板件上。

本发明具有如下有益效果：

1、采用脉冲电磁力驱动成形冲头，使成形冲头快速向下运动，通过与待成形板件直接接触传递脉冲电磁力，有效的提高了板件的成形速率，同时在用脉冲电磁力驱动轻质冲头成形的过程中通过助推线圈产生脉冲电磁力，促进材料向模具内部流动，可以让成形部分有材料填充，与传统的准静态冲压成形比较，能显著提高材料的成形极限。同时，利用成形冲头与成形模具进行高速冲压，与现有的电磁成形技术相比，能显著改善贴模性，提高电磁能转化率、有效的减小工件回弹，提高成形精度。

2、通过固定单元在驱动线圈上方提供压力，保证第一电源单元放电过程中，待成形板件产生变形向下位移时，不会因为成形冲头撞击工件而使装置振动，从而导致压边单元坠落致使损坏设备。

3、助推线圈的外径大于待成形工件的直径，确保了助推线圈对待成形板件法兰区域径向作用力的整体趋势是向成形模具的腔体内部，同时助推线圈覆盖法兰区域，可以为整个待成形板件法兰区域提供均匀的助推脉冲电磁径向力。

4、排气孔控制成形过程中待成形板件与成形模具间的压强，使待成形板件不会因为上表面与下表面压强过大而导致板件的变形。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明提供的电磁深成形装置的第一实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的第一实施例、第二实施例以及第三实施例中助推线圈在待成形板件的法兰区域产生第二涡流和脉冲电磁力的原理图；

图3为本发明提供的第一实施例、第二实施例以及第三实施例中助推线圈放电电流和驱动线圈中放电电流的时序示意图；

图4为本发明提供的电磁深成形装置的第二实施例的结构示意图；

图5为本发明提供的电磁深成形装置的第二实施例中多个助推子线圈的连线示意图；

图6为本发明提供的电磁深成形装置的第二实施例中多个助推子线圈的工作示意图，其中，(a)为最外层线圈工作示意图，(b)为次外层线圈工作示意图，(c)为中间层线圈工作示意图，(d)最内层线圈工作示意图；

图7为本发明提供的电磁深成形装置的第三实施例的结构示意图；

图中各部分标号说明：1：驱动线圈、2：成形冲头、2-1：驱动板、2-2：空心冲头、3：固定单元、4：压边单元、5：助推线圈、6：待成形板件、7：成形模具、8：排气孔、9：电源单元、10-1：第二脉冲电流、10-2：第二涡流方向、11-1：助推脉冲径向电磁力、11-2：助推脉冲轴向电磁力、12-1：第二脉冲电流波形、12-2：第一脉冲电流波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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组合。

为保证下述的三种实施方式中各部件的标号的一致性，在某些实施方式对应的附图中，其标号存在连续的情形，特此说明。

1、第一实施方式

图1为本发明提供的电磁深成形装置的第一实施方式。该装置包括驱动线圈1、成形冲头2、固定单元3、压边单元4、助推线圈5、成形模具7、电源单元9。

电源单元9包括驱动线圈电源9-2和助推线圈电源9-1，驱动线圈电源9-2为驱动线圈1提供脉冲电压，驱动线圈电源9-1为助推线圈5提供脉冲电压。驱动线圈1用于产生第一交变磁场，成形冲头2位于驱动线圈1的下方，由第一交变磁场在成形冲头2上产生第一涡流，第一涡流与第一交变磁场作用，在成形冲头2上产生轴向脉冲电磁力，驱动成形冲头向下运动。助推线圈5位于待成形板件法兰区域的上方，压边单元4位于助推线圈5的上方，成形模具7位于待成形板件下方，助推线圈5在电源9-1放电的情况下，通过第二脉冲电流。如图2所示，由第二脉冲电流在待成形板件上感应出第二涡流10-2，该第二涡流与助推线圈中电流方向相反，于是产生背离助推线圈5的助推脉冲电磁力，该助推脉冲电磁力又可以分解为助推脉冲电磁径向力11-1和助推脉冲电磁轴向力11-2。助推脉冲电磁径向力11-1用于使待成形板件法兰区域的金属材料向成形模具的腔体内流动；助推脉冲电磁轴向力和压边单元4共同为待成形板件法兰区域提供压边力。防止待成形板件在加工成形过程中翘起，影响成形精度。此时，压边单元4起到将助推线圈5固定在凹模模具7上，防止反作用力导致助推线圈5移动。

由于助推线圈在待加工板件上产生的脉冲电磁力总是背离助推线圈，当助推线圈的外径大于待成形工件的直径，能够保证待加工板件上的助推脉冲径向力总是朝向成形模具腔体内部流动，在成形冲头每次撞击待成形板件时，待成形板件的材料能够及时流入材料减薄区域，提高材料的成形性能，且助推线圈覆盖待成形工件的法兰区域的区域，能够保证在待成形板件成形过程中可以为整个待成形板件法兰区域提供均匀的助推脉冲电磁径向力。

本发明提供的电磁深成形的装置还包括固定单元3，固定单元3包括上固定板、下固定板和固定螺栓，上固定板位于驱动线圈的上方，下固定板位于成形模具的下方，上固定板和下固定板通过固定螺栓连接，固定单元用于约束驱动线圈，与驱动线圈受到的轴向脉冲电磁力平衡。固定单元可以为液压机。

在上述成形模具底部上设有排气孔8，确保了成形过程中工件与模具间的压强，不会因为过大而影响板件的变形。

成形冲头2包括驱动板2-1和空芯冲头2-2，驱动板2-1位于驱动线圈下方，驱动板2-1为导体，例如铜，由驱动线圈产生的驱动交变电磁场能够在驱动板2-1内产生第一涡流，由第一涡流和第一交变磁场产生轴向脉冲电磁力，驱使驱动板2-1向下运动，空芯冲头与驱动板2-1连接，由驱动板2-1带动空芯冲头运动，空芯冲头直接与待成形板件接触，将脉冲电磁力传递至待成形板件上。该结构的成形冲头2可以保证冲头大小与形状不变的情况下，减轻成形冲头的重量，提高成形冲头的速度，有利于提高成形性能。

驱动线圈电源9-2与助推线圈电源9-1可以采用相同结构，即包括放电电容和电阻，放电电容通过电阻与驱动线圈或通过电阻与助推线圈形成的回路放电，产生脉冲电流。

如图3所示，成形冲头2主要为待成形板件6提供轴向脉冲力，其驱动力来自于驱动线圈电源9-2对驱动线圈进行放电，当助推线圈5中的的第二脉冲电流12-1快达到峰值时刻，此时待加工板件的材料流动性能最高，驱动线圈1通过第一脉冲电流12-2，该第一脉冲电流在成形冲头的驱动板上产生反向的第一涡流，进而产生背离驱动线圈、强度极大的脉冲电磁力，驱动成形冲头撞击金属板件成形，有效的降低材料的减薄，提升材料拉深成形极限。电源单元为驱动线圈和助推线圈提供时序、能量可控的放电，由于第一脉冲电流的脉冲宽度小于第二脉冲电流的脉冲宽度，第一脉冲电流的触发时刻位于第二脉冲电流的峰值时刻，可以保证每次待成形板件受到轴向脉冲电磁力时待成形板件的材料流动性好。通过助推线圈5和驱动线圈1的结构和空间分布，电源的放电能量和放电时序调控，就可以实现冲压成形过程中轴向脉冲电磁力和助推脉冲电磁力的配合，进而实现冲压成形中材料流动的控制，提高极限成形深度。

2、第二实施方式

如图4所示，本发明提供的第二实施方式中助推线圈5结构与第一实施方式中助推线圈5结构不同，其他结构与第一实施方式的相同，助推线圈5由多个位于待成形板件法兰区域的助推子线圈构成。助推子线圈呈环形结构，多个助推子线圈依次嵌套布置。

图5为多个助推子线圈与第二电源单元的连接方式，各助推子线圈一端连接一起后由一个铜排引出形成触头，该触头与第二电源单元9-1一端连接，各助推子线圈的另一端各自连接一个铜排单独引出形成触头，多个触头均通过开关与助推子线圈电源单元9-1另一端连接。

图6为待成形板件加成形过程中助推线圈中各助推子线圈的通电顺序图；初始时，图6(a)，待成形板件法兰区域外边缘位于助推线圈中最外层助推子线圈的作用区域，经过一次或多次放电后，待成形板件法兰区域外边缘远离最外层助推子线圈，而进入次外层助推子线圈的作用区域。通过调整电源单元放电端的电路，触发次外层助推子线圈继续向待成形板件法兰区域边缘提供电磁力进行助推，如图6(b)所示。重复上述过程，如图6(c)和如图6(d)，随着成形过程中待成形板件法兰区域边缘不断向中心移动，相应地改变第二电源单元中开关的状态，直到整个成形结束。

助推线圈5中的助推子线圈由待成形板件的边缘向内均匀分布，且通过控制助推子线圈通入电流顺序，使得待成形板件在深成形的过程中，在法兰区域产生助推电磁力的助推子线圈将始终集中在待成形板件的边缘，能够有效的提升推送材料的效率。

通过并联的方式连接助推线圈中的各个助推子线圈，通过选择特定触头，实现助推待加工板材材料流动的电磁力场分布的控制，即实现助推电磁力的控制，仅用一套电源就可实现深成形过程中的整个助推过程，设备要求和安装难度极大的降低。同时，整套系统至多只需要两个独立的电源就可实现为助推线圈和驱动线圈供电，降低了线圈放电时序配合的难度，提升了整个成形过程的可靠性。

3、第三实施方式

如图7所示，本发明提供的第三实施方式中成形模具7结构与第一实施方式中成形模具7结构不同，其他结构与第一实施方式的相同。

成形模具7表面设有凸台，该凸台的高度能够保证助推线圈5放置在成形模具7上时，能够不接触待成形板件6的上表面。在深成形的过程中，由于助推线圈与待成形板件直接接触，待成形板件的材料向成形模具的腔体内流动时，待成形板件的材料与助推线圈发生位移，两者之间产生强大的摩擦力，导致工件表面出现刮痕而受损。通过在成形模具上设置凸台，实现在不直接接触的情况下，为板件提供了压边力，能够满足一些对表面光滑度有要求的成形工件加工。

作为本发明的另一方面，本发明提供的电磁深成形方法，其具体实施方法包括：

S1：将待成形板件6置于成形模具7与助推线圈5之间，并用压边块4压紧；

S2：成形冲头2置于待成形板件6上方；

S3：驱动线圈1置于成形冲头2上，并用固定单元3压紧；

步骤四：第二电源单元9-1对助推线圈5放电，在待成形板件上产生助推脉冲电磁力，助推脉冲电磁力可以分解为助推脉冲电磁径向力和助推脉冲电磁轴向力，助推脉冲电磁径向力推送金属板件材料向成形模具的腔体内部流动，助推脉冲电磁轴向力用于为待成形板件提供压边力；

步骤五：在第二脉冲电流触发后，第一电源单元9-2对驱动线圈1放电，产生第一脉冲电流，第一脉冲电流在成形冲头上产生第一交变磁场，产生强大的轴向脉冲电磁力驱动成形冲头撞击金属板件成形，并保证助推线圈中的脉冲电宽度大于助推线圈中脉冲电流宽度，可以使待成形板件每次成形过程中材料的流动性能高；优选脉冲电流接近峰值时刻，电源控制系统9-2对驱动线圈1放电，此时待成形板件中材料流动性最大，成形性能最佳。

步骤六：重复步骤三、四、五，直至完成待成形板件的深成形。

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