一种大型薄壁件的拉形和电磁复合渐进成形方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于板材渐进成形领域，更具体地，涉及一种大型薄壁件的拉形和电磁复合渐进成形方法和装置。
【背景技术】
[0002]随着航空航天等高技术产业的迅速发展，先进飞机、航天器、火箭及导弹中迫切需要采用结构效益十分显著的大型整体薄壁壳体，以减轻质量、提高运载器承载能力极限和航程等整体性能。大尺寸、薄壁、质轻、高精度、高强度、良好的抗疲劳性能的零部件就是其中的典型代表，比如航天器的大型贮箱封头、巡航导弹舱段、飞机和航天器头罩、副油箱和发动机壳体等。
[0003]大型壳体构件的塑性成形方法主要有:(I)利用巨型压力机强力模压成形，比如美、法、俄等发达国家拥有450?750MN级的巨型液压机，而我国也启动了 8万t巨型液压机的研制，但这种设备需要投入巨资、并且设备极其复杂；(2)板料充液拉深，该方法利用液体作为成形传力介质代替刚性凹模传递载荷，利用液池内液体受到压缩产生相对压力使毛坯贴紧在凸模上，形成凸模形面所约束的形状，但该成形方法需要大的拉深力和压边力，会显著增加设备成本，同时高压下密封困难；(3)旋压成形，该工艺是目前针对大型回转体薄壁零件塑性加工最为有效的办法，成形过程属于连续局部逐点变形，变形区的材料处于两向或三向压应力状态，显著提高材料的变形程度。但对薄壁件的成形需要采用多道次旋压，材料会经历多次局部加载与卸载的不均匀变形，工艺参数复杂且非线性耦合，容易出现鼓包、破裂等缺陷，并且成形件表面存在划痕，制约了成形质量和成形极限的提高。因此针对大型轻质材料的薄壁零件精确塑性制造，已成为我国科技亟待解决的关键科学技术问题。
[0004]板料渐进成形是近年来兴起的板料成形技术，具有成形方式灵活，柔性高等特点，渐进成形采用“轨迹”成形方法，通过工具头的运动进行表面轮廓的生成。在文献“Investigat1n into a new hybrid forming process:1ncremental sheet formingcombined with stretch forming，，(CIRP Annals - Manufacturing Technology)中提出了采用先拉深进行预成形，然后采用刚性工具头碾压一次加工细节特征的方法，证明了成形精度、板料厚度分布和成形时间相对于单纯渐进成形都有改善，但是该渐进成形方法存在以下缺点:(1)刚性工具头与板料接触区域小，工具头的周边材料难以流动，使板料呈现整体的变薄变形过程，限制了板料的成形精度；(2)刚性工具头尺寸小，刚度差，难以适合高硬度、大厚度板料的精确成形；(3)刚性工具头与板料直接接触，板料表面存在明显划痕，板料成形质量差。
[0005]电磁脉冲成形是一种利用脉冲磁场力对金属工件进行高速加工方法，研宄表明:材料在高速变形条件下能够获得高于传统冲压加工下的成形性能，并把这种较高成形性的现象称为“高塑性”。但一般的平板电磁脉冲成形工艺，放电线圈处于一个固定位置，其尺寸要与模具的大小一致，通过一次放电使金属板料发生胀形，并最终成形为一个锥形零件，如图1所示，同时该技术也很难直接实现大尺寸、深成形零件的精确成形。针对大尺寸板型零件的电磁加工，华中科技大学莫健华课题组开展了基于凹模的采用移动电磁脉冲磁体加工大型板材的研宄，在文献“Electromagnetic incremental forming(EMIF):a novelaluminum alloy sheet and tube forming technology” 中，作为脉冲放电的电磁体在板料上沿着模具轮廓一步一步移动，每移动一步在一个位置连续放电两次，第一次放电使板料接近模具轮廓，第二次放电对前一步校形，并使板料与模具贴合，该研宄表明，电磁脉冲渐进成形工艺采用小线圈和小能量设备能够成形大尺寸板形零件，但该研宄中，板料相对固定不动、无拉形过程，且线圈无摆动的动作，成形后零件的高度只有10mm，成形精度差，难以成形大型薄壁件；公开号CN1821910A，公开日2006年8月23日的专利文献公开了一种板材动圈电磁渐进成形方法及其装置，提出了采用小型线圈实现大尺寸板料成形的电磁成形方法，但该专利的电磁线圈采用放电-移动-再放电-再移动的形式进行成形，其只能沿X、Y、Z轴移动，其同样无拉形过程，线圈也无法相对夹持杆摆动以使其正对板料待放电区域进行放电，其电磁成形效率低，且成形精度难以控制；另外，电磁成形适合于高电导率材料，该专利并不适用于高强钢、钛合金以及复合材料、塑料等低电导率材料的变形。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种大型薄壁件的拉形和电磁复合渐进成形方法，其中采用拉形-放电-再拉形-再放电的渐进成形方法，相应的能够提高成形精度、提高放电能量利用率以及板料厚度的均匀性；此外，本发明还通过对实现拉形和电磁复合渐进成形方法的具体设备及其关键组件如拉形组件、电磁放电组件的结构及其设置方式进行改进，相应的能够提高难变形材料的成形极限，因而尤其适用于大尺寸、难变形材料的精确成形等应用场合。
[0007]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种大型薄壁件的拉形和电磁复合渐进成形方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0008]步骤1:预定位操作
[0009]将与待变形板料尺寸相适应的驱动板放置于待变形板料上方，并且所述驱动板的电导率被设定为高于所述待变形板料的电导率；然后采用框形压板和框形托板分别将这两者予以夹持，并将这两者置于凸模的上方；此外，在所述驱动板的上方设置有位置可调的夹持杆，在该夹持杆的下端部安装有可绕其枢轴摆动的电磁线圈；
[0010]步骤2:多步骤拉形和电磁复合操作
[0011]步骤(21):通过升降油缸带动所述框形托板和所述框形压板向下移动，使所述驱动板和所述待变形板料初步拉弯和绷紧，实现拉形过程；
[0012]步骤(22):根据所述驱动板经过步骤(21)执行初步拉弯后的形状，调节所述夹持杆的位置，并保持其高度位置不变，随后操控所述电磁线圈执行摆动，使得所述电磁线圈的底面与执行初步拉弯后的驱动板的表面之间基本平行；
[0013]步骤(23):所述电磁线圈经过步骤(22)调整完毕后，正对所述驱动板开始放电，使得驱动板在电磁力的作用下高速变形，与此同时，所述驱动板下方的待变形板料也发生变形，使得所述待变形板料与所述凸模贴合；
[0014]步骤(24):所述电磁线圈保持在同一高度并绕所述凸模轴线在所述驱动板的整个外表面上做旋转移动，以实现同一高度下的待变形板料与所述凸模贴合，以此完成薄壁件圆周面的放电成形；
[0015]步骤(25):反复执行步骤(21)_(24)，实现待变形板料的拉形-放电-再拉形-再放电的交替成形过程，以使整个待变形板料与所述凸模贴合，直至完成大型薄壁件的精确成形。
[0016]作为进一步优选地，所述电磁线圈为两个，其沿所述凸模的轴线对称布置，并且由同一个电源系统供电。
[0017]作为进一步优选地，所述电磁线圈为单层或多层，其由截面为圆形或矩形的紫铜线绕制而成。
[0018]按照本发明的另一方面，提供了一种大型薄壁件的拉形电磁复合渐进成形装置，其特征在于，该装置包括模具组件、待变形组件、拉形组件及电磁放电组件，其中:
[0019]该模具组件包括凸模和凸模座，所述凸模通过凸模座置于底座的中间；
[0020]该待变形组件包括待变形板料和驱动板，所述驱动板的电导率被设定为高于所述待变形板料的电导率，所述待变形板料置于所述凸模的上方，并且所述驱动板置于所述待变形板料的上方；
[0021]该拉形组件包括升降油缸、框形托板和框形压板，所述升降油缸置于底座的两侧，其顶端与框形托板相连，所述框形托板和所述框形压板相连并夹持住所述待变形板料和所述驱动板，当所述升降油缸向下移动时，带动所述框形托板和所述框形压板向下移动，使得所述驱动板和待变形板料拉弯和绷紧，以此实现拉形过程；
[0022]该电磁放电组件包括电磁线圈和夹持杆，所述电磁线圈置于所述驱动板的上方，其根据所述驱动板拉弯后的形状发生摆动，使得所述电磁线圈的底面与拉弯后驱动板的表面之间基本平行；所述电磁线圈正对所述驱动板进行放电，以使所述驱动板在电磁力的作用下高速变形，并驱动所述待变形板料与模具贴合，实现电磁放电过程；所述电磁线圈在同一高度绕所述凸模轴线在所述驱动板的整个外表面上做旋转移动，以实现同一高度下待变形板料的放电成形；
[0023]所述拉形组件和所述电磁放电组件交替作用以实现待变形板料的拉形-放电-再拉形-再放电的交替成形过程，使得整个待变形板料与所述凸模贴合，最终完成大型薄壁件的精确成形。
[0024]作为进一步优选地，所述电磁线圈为两个，其沿所述凸模的轴线对称布置，并且由同一个电源系统供电。
[0025]作为进一步优选地，所述电磁线圈为单层或多层，其由截面为圆形或矩形的紫铜线绕制而成。
[0026]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:
[0027]1.采用拉形与电磁复合的渐进成形方式，即拉形-放电-再拉形-再放电的成形方式，可实现板料与模具的完美贴合，提高成形精度；预拉成形后，转动线圈使线圈正