本发明涉及一种轻合金微型复杂构件的电磁成形装置及成形方法，属于金属材料加工成形领域。
背景技术：
近年来，复杂微型构件被广泛地应用于医疗器械和航空航天等领域。然而，随着科学技术的不断发展与进步，复杂微型构件的众多应用领域对其质量和精度也提出了更高的要求。
现有复杂微型构件的成形方法主要包括在传统塑性成形基础上发展起来的微拉深、微挤压和微弯曲等成形方法。然而，这些成形方法均因易导致复杂微型构件产生裂纹等不可逆的生产缺陷而导致工件良品率低。
为了解决上述问题，有学者提出将磁脉冲成形技术推广到复杂微型构件的制造领域中。然而，在磁脉冲成形的过程中，板材与模具成形腔发生碰撞后回弹较严重，这就导致工件的精度较低。
技术实现要素：
本发明为了解决现有微型复杂构件的成形方法无法兼顾工件质量和精度的问题，提出了一种基于电致塑性效应和弹性颗粒介质辅助的轻合金微型复杂构件的电磁成形装置及成形方法。
本发明所述的基于电致塑性效应和弹性颗粒介质辅助的轻合金微型复杂构件的电磁成形装置包括组合式模具单元、电致塑性单元、温度测量单元、电磁脉冲发生单元和冲击单元；
组合式模具单元包括凹模1和弹性颗粒介质腔室2，轻合金板材3夹持在凹模1与弹性颗粒介质腔室2之间；
电致塑性单元用于使轻合金板材3发生电致塑性效应；
温度测量单元用于在轻合金板材3发生电致塑性效应的过程中，实时测量轻合金板材3的表面温度；
电磁脉冲发生单元包括第一高压脉冲发生子单元和平板线圈4，二者构成电气回路；
冲击单元用于在平板线圈4所产生的电磁力的作用下，通过弹性颗粒介质腔室2内的弹性颗粒介质对轻合金板材3施加冲击力，并使轻合金板材3贴合于凹模1的成形腔。
作为优选的是，成形腔设置在凹模1的顶面上，自弹性颗粒介质腔室2的顶面至底面竖直设置有弹性颗粒介质腔，弹性颗粒介质腔与成形腔上下相对设置，轻合金板材3位于弹性颗粒介质腔与成形腔之间，弹性颗粒介质腔内填充有弹性颗粒；
组合式模具单元还包括上模座板5、上模垫板6、上模套板7、下模套板8、下模垫板9和下模座板10；
下模垫板9、下模套板8、上模套板7和上模垫板6自下而上依次堆叠，并包覆弹性颗粒介质腔室2与凹模1构成的组合体；
上模座板5与上模垫板6固设，下模座板10、下模垫板9与下模套板8固设；
在上模座板5的两侧分别设置有第一定距拉板11和第二定距拉板12，第一定距拉板11的下端和第二定距拉板12的下端均延伸至下模垫板，在上模套板7的两侧分别设置有第一限位销13和第二限位销14，第一定距拉板11和第二定距拉板12分别与第一限位销13和第二限位销14配合工作。
作为优选的是，凹模1与弹性颗粒介质腔室2、上模套板7与弹性颗粒介质腔室2以及下模套板8与凹模1均咬合设置；
上模座板5与上模垫板6通过内六角螺钉固设；
下模座板10、下模垫板9和下模套板8通过内六角螺钉固设；
在上模座板5的底面上竖直设置有第一导柱15～第四导柱，第一导柱15的下端～第四导柱的下端均依次贯穿上模垫板6和上模套板7，并进入下模套板8的内部；
在下模垫板9的顶面上设置有第五导柱17和第六导柱18，第五导柱17的上端和第六导柱18的上端均依次贯穿下模套板8和上模套板7，并进入上模垫板6的内部；
在上模套板7的顶面上凹陷设置有第一弹簧座～第四弹簧座，在第一弹簧座～第四弹簧座内分别竖直设置有第一压缩弹簧～第四压缩弹簧，第一压缩弹簧～第四压缩弹簧分别套设在第一导柱15～第四导柱上；
第一压缩弹簧的初始高度～第四压缩弹簧的初始高度分别大于第一弹簧座的深度～第四弹簧座的深度。
作为优选的是，在上模座板5的底面上凹陷设置有平板线圈座，平板线圈4固设在平板线圈座内；
冲击单元包括驱动片19、受力板20和冲击杆21，驱动片19固设在受力板20的顶面上，冲击杆21竖直固设在受力板20的底面上；
在上模垫板6的顶面上凹陷设置有受力板滑道，受力板20位于受力板滑道内，驱动片19与平板线圈4相接触，冲击杆21的下端在贯穿受力板滑道的底面后与弹性颗粒相接触；
在受力板20与受力板滑道的底面之间设置有第五压缩弹簧22，第五压缩弹簧22套设在冲击杆21上；
第五压缩弹簧22的初始高度等于受力板20与受力板滑道底面的间距。
作为优选的是，第一高压脉冲发生子单元包括高压变压器t、整流器uf、充电电阻r、开关s、储能电容c和放电间隙f；
高压变压器t的原边线圈的两端分别与交流电压源ac的两端相连，高压变压器t的副边线圈的第一端依次通过整流器uf和充电电阻r与开关s的第一端相连，开关s的第二端同时与储能电容c的第一端和放电间隙f的第一外接端相连，放电间隙f的第二外接端与平板线圈4的第一端相连，高压变压器t的副边线圈的第二端、储能电容c的第二端和平板线圈4的第二端均与电源地相连。
作为优选的是，电致塑性单元包括第二脉冲电压信号发生子单元、第一电极23和第二电极24；
第一电极23的下端和第二电极24的下端均依次竖直贯穿上模座板5、上模垫板6和弹性颗粒介质腔室2，并与轻合金板材3相接触；
第一电极23的上端和第二电极24的上端分别与第二脉冲电压信号发生子单元的正极和负极相连。
作为优选的是，在第一电极23和第二电极24上分别紧密套设有第一绝缘套25和第二绝缘套26；
第一电极23包括第一子电极和第二子电极，第二电极24包括第三子电极和第四子电极；
第一子电极的上端和第三子电极的上端分别为第一电极23的上端和第二电极24的上端，第一子电极的下端和第三子电极的下端均依次贯穿上模座板5和上模垫板6，并超出上模垫板6的底面；
第二子电极的下端和第四子电极的下端分别为第一电极23的下端和第二电极24的下端，第二子电极的上端和第四子电极的上端均贯穿弹性颗粒介质腔室2，并与弹性颗粒介质腔室2的顶面平齐；
第一子电极的下端与第二子电极的上端、第三子电极的下端与第四子电极的上端均咬合设置。
作为优选的是，温度测量单元通过热电偶27测量轻合金板材3的表面温度。
作为优选的是，所述电磁成形装置还包括顶出单元，组合式模具单元还包括支撑板28；
支撑板28固设在下模垫板9与下模座板10之间，自支撑板28的顶面至底面竖直设置有通孔；
顶出单元包括推板29、推杆固定板30、推杆31、第七导柱32和第八导柱16，推杆31通过推杆固定板30竖直固设在推板29的顶面上；
推板29位于通孔内，并与下模座板10相接触，推杆31的上端依次贯穿下模垫板9和凹模1，并与成型腔的底面平齐；
第七导柱32和第八导柱16均竖直固设在下模垫板9与下模座板10之间；
推板29能够经第七导柱32和第八导柱16在通孔内平移。
本发明所述的轻合金微型复杂构件的成形方法基于所述基于电致塑性效应和弹性颗粒介质辅助的轻合金微型复杂构件的电磁成形装置实现，所述方法包括：
步骤一、将轻合金板材3夹持在凹模1与弹性颗粒介质腔室2之间；
步骤二、通过电致塑性单元使轻合金板材3发生电致塑性效应；
步骤三、在轻合金板材3发生电致塑性效应的过程中，通过温度测量单元实时测量轻合金板材3的表面温度，并通过电致塑性单元控制轻合金板材3的表面温度；
步骤四、开启第一高压脉冲发生子单元，并通过平板线圈4对冲击单元施加电磁力；
步骤五、通过冲击单元与弹性颗粒介质的配合作用，使轻合金板材3贴合于凹模1的成形腔。
本发明所述的基于电致塑性效应和弹性颗粒介质辅助的轻合金微型复杂构件的电磁成形装置及成形方法，通过电致塑性单元使待成形的轻合金板材发生电致塑性效应，使其塑性得到了极大的提升。这最大程度地降低了轻合金板材在接下来的磁脉冲成形中产生裂纹等不可逆的生产缺陷的可能性，有效地保证了工件质量。与此同时，在轻合金板材发生电致塑性效应的过程中，轻合金板材被快速加热，这很大程度上减轻了轻合金板材在加热的过程中发生氧化现象和产生组织缺陷，进一步地保证了成形工件的质量。
为了解决轻合金板材在磁脉冲成形时，与模具成形腔发生碰撞、回弹，进而导致贴模性差的问题，本发明在现有磁脉冲成形的基础上，增加了冲击单元和弹性颗粒介质腔室。冲击单元在承受来自电磁脉冲发生单元的瞬时、强大电磁力后，高速冲击弹性颗粒介质腔室内的弹性颗粒介质，并通过弹性颗粒介质间接对轻合金板材施加冲击力，使其贴合于凹模的成形腔。由于弹性颗粒介质具有良好的流动性和填充性能，其与轻合金板材之间不易发生应力集中的现象，并且保证了冲击单元与轻合金板材之间的密封性。这能够显著地提高轻合金板材在成形腔的截面小圆角或尖角处的贴膜性，有效地保证了工件精度。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的基于电致塑性效应和弹性颗粒介质辅助的轻合金微型复杂构件的电磁成形装置及成形方法进行更详细的描述，其中：
图1为实施例所述的基于电致塑性效应和弹性颗粒介质辅助的轻合金微型复杂构件的电磁成形装置的结构示意图；
图2为实施例提及的电磁脉冲发生单元的电路原理图；
图3为实施例提及的上模座板的剖视图；
图4为实施例提及的上模座板的俯视图；
图5为实施例提及的上模垫板的剖视图；
图6为实施例提及的上模垫板的俯视图；
图7为实施例提及的上模套板的剖视图；
图8为实施例提及的上模套板的俯视图；
图9为实施例提及的弹性颗粒介质腔室的剖视图；
图10为实施例提及的弹性颗粒介质腔室的俯视图；
图11为实施例提及的凹模的剖视图；
图12为实施例提及的凹模的俯视图；
图13为实施例提及的下模套板的剖视图；
图14为实施例提及的下模套板的俯视图；
图15为实施例提及的下模垫板的剖视图；
图16为实施例提及的下模垫板的俯视图；
图17为实施例提及的下模座板的剖视图；
图18为实施例提及的下模座板的俯视图；
图19为受力板与冲击杆的组合体的主视图；
图20为受力板与冲击杆的组合体的俯视图；
图21为实施例提及的推板的剖视图；
图22为实施例提及的推板的俯视图；
图23为实施例提及的推杆固定板的剖视图；
图24为实施例提及的推杆固定板的俯视图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的基于电致塑性效应和弹性颗粒介质辅助的轻合金微型复杂构件的电磁成形装置及成形方法进一步说明。
实施例：下面结合图1～图24详细地说明本实施例。
本实施例所述的基于电致塑性效应和弹性颗粒介质辅助的轻合金微型复杂构件的电磁成形装置，包括组合式模具单元、电致塑性单元、温度测量单元、电磁脉冲发生单元和冲击单元；
组合式模具单元包括凹模1和弹性颗粒介质腔室2，轻合金板材3夹持在凹模1与弹性颗粒介质腔室2之间；
电致塑性单元用于使轻合金板材3发生电致塑性效应；
温度测量单元用于在轻合金板材3发生电致塑性效应的过程中，实时测量轻合金板材3的表面温度；
电磁脉冲发生单元包括第一高压脉冲发生子单元和平板线圈4，二者构成电气回路；
冲击单元用于在平板线圈4所产生的电磁力的作用下，通过弹性颗粒介质腔室2内的弹性颗粒介质对轻合金板材3施加冲击力，并使轻合金板材3贴合于凹模1的成形腔。
本实施例的成形腔设置在凹模1的顶面上，自弹性颗粒介质腔室2的顶面至底面竖直设置有弹性颗粒介质腔，弹性颗粒介质腔与成形腔上下相对设置，轻合金板材3位于弹性颗粒介质腔与成形腔之间，弹性颗粒介质腔内填充有弹性颗粒；
组合式模具单元还包括上模座板5、上模垫板6、上模套板7、下模套板8、下模垫板9和下模座板10；
下模垫板9、下模套板8、上模套板7和上模垫板6自下而上依次堆叠，并包覆弹性颗粒介质腔室2与凹模1构成的组合体；
上模座板5与上模垫板6固设，下模座板10、下模垫板9与下模套板8固设；
在上模座板5的两侧分别设置有第一定距拉板11和第二定距拉板12，第一定距拉板11的下端和第二定距拉板12的下端均延伸至下模垫板，在上模套板7的两侧分别设置有第一限位销13和第二限位销14，第一定距拉板11和第二定距拉板12分别与第一限位销13和第二限位销14配合工作。
本实施例的凹模1与弹性颗粒介质腔室2、上模套板7与弹性颗粒介质腔室2以及下模套板8与凹模1均咬合设置；
上模座板5与上模垫板6通过内六角螺钉固设；
下模座板10、下模垫板9和下模套板8通过内六角螺钉固设；
在上模座板5的底面上竖直设置有第一导柱15～第四导柱，第一导柱15的下端～第四导柱的下端均依次贯穿上模垫板6和上模套板7，并进入下模套板8的内部；
在下模垫板9的顶面上设置有第五导柱17和第六导柱18，第五导柱17的上端和第六导柱18的上端均依次贯穿下模套板8和上模套板7，并进入上模垫板6的内部；
在上模套板7的顶面上凹陷设置有第一弹簧座～第四弹簧座，在第一弹簧座～第四弹簧座内分别竖直设置有第一压缩弹簧～第四压缩弹簧，第一压缩弹簧～第四压缩弹簧分别套设在第一导柱15～第四导柱上；
第一压缩弹簧的初始高度～第四压缩弹簧的初始高度分别大于第一弹簧座的深度～第四弹簧座的深度。
在实际应用中，应当选用化学性质稳定、热稳定性好和具有较强机械强度的弹性颗粒。
本实施例所采用的弹性颗粒为硅胶，其能承受的最高加热温度为200℃。因此，在通过电致塑性单元使轻合金板材3发生电致塑性效应的过程中，需要通过第二脉冲电压信号发生子单元来控制轻合金板材3的表面温度，使其不高于200℃。
然而，当选取的弹性颗粒所能承受的最高加热温度较低时，会较为严重地限制轻合金板材3的加热温度，进而影响对轻合金板材3的塑性的提升。这时，就需要先使轻合金板材3发生电致塑性效应，再向弹性颗粒介质腔室填充弹性颗粒，这就涉及到开模。
本实施例通过在上模垫板6与上模套板7之间设置第一压缩弹簧～第四压缩弹簧，使得上模垫板6与上模套板7在开模的过程中先行分开，这为弹性颗粒的填充工作提供了极大的方便。
本实施例的凹模1与下模套板8咬合设置，下模套板8通过内六角螺钉与下模座板10固设，下模套板8与上模套板7通过第五导柱17和第六导柱18配合安装合模，便于模具的导向和定位，进一步地保证了工件的成形精度。
本实施例的上模座板5的底面上凹陷设置有平板线圈座，平板线圈4固设在平板线圈座内；
冲击单元包括驱动片19、受力板20和冲击杆21，驱动片19固设在受力板20的顶面上，冲击杆21竖直固设在受力板20的底面上；
在上模垫板6的顶面上凹陷设置有受力板滑道，受力板20位于受力板滑道内，驱动片19与平板线圈4相接触，冲击杆21的下端在贯穿受力板滑道的底面后与弹性颗粒相接触；
在受力板20与受力板滑道的底面之间设置有第五压缩弹簧22，第五压缩弹簧22套设在冲击杆21上；
第五压缩弹簧22的初始高度等于受力板20与受力板滑道底面的间距。
本实施例的第一高压脉冲发生子单元包括高压变压器t、整流器uf、充电电阻r、开关s、储能电容c和放电间隙f；
高压变压器t的原边线圈的两端分别与交流电压源ac的两端相连，高压变压器t的副边线圈的第一端依次通过整流器uf和充电电阻r与开关s的第一端相连，开关s的第二端同时与储能电容c的第一端和放电间隙f的第一外接端相连，放电间隙f的第二外接端与平板线圈4的第一端相连，高压变压器t的副边线圈的第二端、储能电容c的第二端和平板线圈4的第二端均与电源地相连。
本实施例的电致塑性单元包括第二脉冲电压信号发生子单元、第一电极23和第二电极24；
第一电极23的下端和第二电极24的下端均依次竖直贯穿上模座板5、上模垫板6和弹性颗粒介质腔室2，并与轻合金板材3相接触；
第一电极23的上端和第二电极24的上端分别与第二脉冲电压信号发生子单元的正极和负极相连。
本实施例的第一电极23和第二电极24上分别紧密套设有第一绝缘套25和第二绝缘套26；
第一电极23包括第一子电极和第二子电极，第二电极24包括第三子电极和第四子电极；
第一子电极的上端和第三子电极的上端分别为第一电极23的上端和第二电极24的上端，第一子电极的下端和第三子电极的下端均依次贯穿上模座板5和上模垫板6，并超出上模垫板6的底面；
第二子电极的下端和第四子电极的下端分别为第一电极23的下端和第二电极24的下端，第二子电极的上端和第四子电极的上端均贯穿弹性颗粒介质腔室2，并与弹性颗粒介质腔室2的顶面平齐；
第一子电极的下端与第二子电极的上端、第三子电极的下端与第四子电极的上端均咬合设置。
本实施例的第一电极23和第二电极24均为分体式结构，这种分体式结构为轻合金板材成形过程中的开模提供了方便。
本实施例的第二脉冲电压信号发生子单元为高能脉冲电压源。
本实施例的温度测量单元通过热电偶27测量轻合金板材3的表面温度。
本实施例的温度测量单元采用两个热电偶作为测温元件。如图1所示，这两个热电偶贯穿设置在凹模1内，均贴近轻合金板材3，并分别与第一电极23的下端和第二电极24的下端相对设置。
本实施例所述的基于电致塑性效应和弹性颗粒介质辅助的轻合金微型复杂构件的电磁成形装置还包括顶出单元，组合式模具单元还包括支撑板28；
支撑板28固设在下模垫板9与下模座板10之间，自支撑板28的顶面至底面竖直设置有通孔；
顶出单元包括推板29、推杆固定板30、推杆31、第七导柱32和第八导柱16，推杆31通过推杆固定板30竖直固设在推板29的顶面上；
推板29位于通孔内，并与下模座板10相接触，推杆31的上端依次贯穿下模垫板9和凹模1，并与成型腔的底面平齐；
第七导柱32和第八导柱16均竖直固设在下模垫板9与下模座板10之间；
推板29能够经第七导柱32和第八导柱16在通孔内平移。
本实施例所述的基于电致塑性效应和弹性颗粒介质辅助的轻合金微型复杂构件的电磁成形装置与三缸双柱下拉式液压机配合使用，三缸双柱下拉式液压机用于所述电磁成形装置的合模、开模以及为顶出单元提供动力。
本实施例所述的基于电致塑性效应和弹性颗粒介质辅助的轻合金微型复杂构件的电磁成形装置，能够使室温下成形性能较差的轻合金板材发生高速变形，能够有效地减轻回弹、开裂以及材料的分布不均，解决截面小圆角和小尖角的贴模问题，同时又能够提高板材的成形性，有助于获得形状更加复杂，质量更高的微小成形件。
与现有的磁脉冲成形装置相比，本实施例所述的基于电致塑性效应和弹性颗粒介质辅助的轻合金微型复杂构件的电磁成形装置无需采用与微型复杂构件尺寸相匹配的平板线圈，极大地降低了平板线圈的制造难度，适用范围更加广泛。除此之外，本实施例所述的基于电致塑性效应和弹性颗粒介质辅助的轻合金微型复杂构件的电磁成形装置的平板线圈的外形无需与复杂微型构件的形状相匹配，能够对成形性能较差的轻合金板材进行多次成形，解决了现有的磁脉冲成形装置只能对板材进行一次成形的问题。
本实施例所述的轻合金微型复杂构件的成形方法基于所述电磁成形装置来实现，所述方法包括：
步骤一、将轻合金板材3夹持在凹模1与弹性颗粒介质腔室2之间；
步骤二、通过电致塑性单元使轻合金板材3发生电致塑性效应；
步骤三、在轻合金板材3发生电致塑性效应的过程中，通过温度测量单元实时测量轻合金板材3的表面温度，并通过电致塑性单元控制轻合金板材3的表面温度；
步骤四、开启第一高压脉冲发生子单元，并通过平板线圈4对冲击单元施加电磁力；
步骤五、通过冲击单元与弹性颗粒介质的配合作用，使轻合金板材3贴合于凹模1的成形腔。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。