专利名称：板材动圈电磁渐进成形方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于金属板材成形方法及装置，特别适用于各种复杂形状的汽车覆盖件、航空航天飞行器复杂钣金件及具有复杂曲面形状的壳体成形。
背景技术：
至今为止，汽车覆盖件等壳体类工件的加工大多是用压力机压延成形，其能够拉伸的深度、成型的复杂程度都是有限的；而且模具的制造成本高、制造周期长。这对于企业开发新产品、争夺市场都是较大的障碍。
电磁成形技术具有加工能量易于精确控制、成形速度快、成形工件精度高、成形模具简单及设备通用性强等特点，且整个成形过程无污染，现已广泛应用于机械、电子、汽车工业、轻化工及仪器仪表、航空航天、兵器工业等诸多领域。电磁成形的基本原理是物理学中的电磁感应定律，一脉冲磁场穿过工件而在工件上产生感应电流，产生的磁场与初始电场、磁场相互间产生了巨大的作用力，当冲击压力值达到工件材料的屈服强度时，工件将发生塑性变形，电磁成形加工正是利用电磁力对工件塑性变形达到金属零件成形目的。
专利号92232008.X，名称为“利用电磁力工作的金属工件成形机”的实用新型专利中，电磁成形线圈与被加工工件在加工时是被固定的，能实现多点成形。专利号98813440.3名称为“利用脉冲式磁力将平板制成碟的设备和方法”的发明专利中，提出了两种平板成形为蝶形件的模式，一种是由多个线圈组成的成形线圈组可以沿着垂直于板材的方向移动，使板材被成形压靠在凹模上；另一种是线圈可以沿着平行于板材的平面作直线移动，并利用间歇的脉冲电磁使板材被成形压靠在凹模上；该专利中提出的成形方式，电磁成形线圈组只能在二维平面上运动，其加工柔性程度不高。这些电磁成形工艺目前都存在着一定的局限性，对加工零件的形状有一定的要求，深拉深或变形量大的工件的操作都不便在这些电磁成形设备上进行。
专利号00230779.0名称为“多功能数控成型加工机”的实用新型专利中，日本的松原茂夫提出了板材数控渐进成型的加工方式。其工作原理是将被加工板材架在一个芯模上，在板材四周用压板夹紧材料，该压板可沿导柱上下滑动。加工时，将该装置固定在三轴联动的立铣加工机床上，用事先编制的加工程序控制一个工具头走等高线的方式，将板材逐步压靠在模芯上，最终成形为一个零件。但是该方法有如下缺点成形零件的尺寸精度差，其曲率半径受到工具头半径的限制，不能很小，而且表面存在划痕，表面质量较差；由于工具压头在板材上做摩擦滑动，阻力大，易起皱和拉破。
发明内容
本发明提出一种板材动圈电磁渐进成形方法及其装置，目的是针对现有技术中的不足，把电磁成形技术引入板材数控渐进成形中，综合平板电磁成形和板材数字化渐进成形的特点，用CAD模型直接驱动，依靠电磁成形线圈和板坯之间的电磁力使板坯贴模分层成形。
本发明的一种板材动圈电磁渐进成形方法，包括如下步骤(1)根据待加工工件CAD三维模型切片分层所获得的数据，转换成NC数据；(2)计算机通过NC数据控制电磁成形线圈在三轴数控成形系统上实现三轴联动；(3)电磁成形线圈作规定的三维曲线移动的同时通过电磁力发生系统的脉冲储能电容器不断充放电释放电磁脉冲力，依靠电磁成形线圈和板材之间的电磁力对板材进行单点渐进局部的塑性加工，使板料逐步成形为所需的工件。
所述的板材动圈电磁渐进成形方法，所述脉冲储能电容器的电容量可以为10～60000μF、工作电压可以为300～30000V，电磁成形线圈形状可以为圆形或椭圆形，电磁成形线圈导线截面形状可以为矩形以实现对不同形状及材料的工件成形。
本发明的一种板材动圈电磁渐进成形装置，由计算机控制系统、电磁力发生系统和三轴数控成形系统组成；所述三轴数控成形系统框架式机身内下部装设工作台，工作台上方的框形托板装有四根导柱构成托架，框形托板上面具有框形夹板，四根导柱可以通过工作台上的导套上下滑动，在工作台下设置有支撑托板并可带动托板升降的支撑传动装置；动梁位于框架式机身顶面，可沿X方向移动；滑板装在动梁上、可沿动梁在Y方向移动；下端设置有夹持杆的滑块装在滑板内，夹持杆端头安装电磁成形线圈，在计算机控制系统控制下，夹持杆带着电磁成形线圈可作三维曲线运动；其特征在于电磁力发生系统包括脉冲储能电容器组、充电装置、充电开关、放电开关和电磁成形线圈，脉冲储能电容器组与充电装置、充电开关串联构成充电回路；脉冲储能电容器组与放电开关和电磁成形线圈串联构成放电回路；脉冲储能电容器组的电容量为10～60000μF、工作电压300～30000V。
所述的板材动圈电磁渐进成形装置，所述充电装置可以为直流充电器；电磁成形线圈可以为圆形或椭圆形密绕导线平板线圈，电磁成形线圈导线截面形状可以为矩形。
所述的板材动圈电磁渐进成形装置，所述带动托板升降的支撑传动装置可以为气缸、液压缸、直线电机传动装置或者齿轮齿条传动装置中的一种。
本发明应用小能量的电磁脉冲力、计算机、数控技术形成一种金属板材数控电磁三维渐进成形方法，根据CAD三维模型切片分层所获得的数据转换成NC数据，通过计算机控制三轴联动，控制安置在滑块端头的电磁成形线圈作三维曲线移动，同时依靠程序控制电容器组反复进行充放电不断释放电磁脉冲力，对被固定在夹持支撑机构上的板材进行有选择地分层成形加工。如设定的层间距为Δh，则以工件最顶端为零点控制电磁成形线圈，脉冲储能电容器组首次放电，在板材和电磁成形线圈之间产生电磁力，使电磁成形线圈的下方的板材被压下一个高度为Δh的凹坑，接着电磁成形线圈沿着根据该层的轮廓线得到的运动轨迹指定的方向移动一段设定的距离，同时脉冲储能电容器组完成充电再次放电，使板材被压下第二个高度为Δh凹坑并与第一个凹坑衔接，形成连续的变形，然后放电—移动—放电—移动反复进行，直到电磁成形线圈按该层等高线环的轨迹走完一圈回到起点，此时完成对工件顶层轮廓的加工，形成了第一层的轮廓曲面，接着电磁成形线圈再下降Δh高度并重复上述过程，以此类推，直到完成全部层的成形，即通过分层渐进塑性成形的方式，用小电磁脉冲力施行许多有顺序的局部塑性成形累积成为大变形的方法把板材渐进地加工成与三维数字模型形状相同的薄壳件。
本发明具有如下优点(1)电磁成形线圈作三维曲线移动的同时，脉冲储能电容器组反复进行充放电不断释放电磁脉冲力使板材渐进成形，由于是电磁力在起作用，成形速度不受移动部件机械惯性的限制，电磁脉冲载荷时间可以达到微秒的精度，电磁脉冲载荷的强度可以电力控制达到很高的精度，电磁成形线圈产生的能量和对金属平板施加的力的变化可控制在总量的0.5％以内，因为电磁成形线圈的结构形状尺寸可调，所以既能进行大板的复杂成形，又可以进行局部微细成形，实现定量精确成形。因为电磁渐进成形的各种工艺参数的可定量控制，所以重复性好、容易实现能量控制和自动化生产。
(2)由于电磁成形是以磁场作介质，并能穿过非电导体材料，为非接触加工过程，无工具与工件变形表面相接触，在成形部位表面无机械损伤，因此工件在数控电磁渐进加工前可先电镀、阳极化、喷漆，成形后其表面不受任何影响。另外，对某些成形后不易抛光的或表面处理困难的工件可先抛光或先表面处理再成形。由于成形过程无机械接触，无摩擦，不需润滑，因而对工作环境或工件均不污染；(3)与传统的金属成形工艺不同，大部分的金属成形发生在脉冲载荷结束之后。在脉冲载荷作用期间，金属迅速地加速而获得很高的动能，之后动能转化为金属变形的变形能。这就能使成形操作中工件与模具的精确一致，且这种高速成形提高了材料的成形极限；(4)由于脉冲载荷的持续时间是微秒级的，由于在成形过程中没有静态力，作用在模具上的力较小，因此对模具材料要求较低，可以将相对较轻的材质用于模具；(5)工件的残余应力低。电磁成形实质上是工件材料中带有电荷的分子、原子或电子受力，与工件形状无关，因此工件受力均匀，这有利于工件的充分变形，可提高材料的塑性，且变形后残余应力小，能有效地提高产品的寿命；(6)成形精度高且工件材料性能不变。电磁成形加工的速度极快，又无接触，成形过程几乎不产生热量，所以工件材料的机械、物理、化学性能也就不变；(7)电磁渐进成形成本低，速度快，成形精确，电磁渐进成形时只需半边模具即凸模或凹模，不存在一对凸模、凹模之间的配合关系，适用与形状复杂或异形的工件成形。模具安装容易，易于制造，降低了生产成本，其成本有时不到一般压力成形模具的10％。适用于成形几乎任何形状的板坯，板坯外部的起皱能减少到可忽略的程度，可实现对曲面复杂的汽车大型覆盖件、航空、航天飞行器的成形；
图1本发明装置原理图；图2本发明装置立体图；图3A、图3B利用本发明的加工方法示意图；图4A利用本发明加工圆台示意图；图4B加工出的圆台立体图；图5A利用本发明加工方锥台示意图；图5B加工出的方锥台立体图；图6本发明成形船形实例立体图。
附图中标记为计算机控制系统1、电磁力发生系统2、三轴数控成形系统3、脉冲储能电容器组4、充电装置5、充电开关6、放电开关7、滑板8、滑块9、线圈挟持杆10、电磁成形线圈11、板材12、夹板13、动梁14、框架式机身15、托板16、导柱17、支撑传动装置18、支架19、支撑模型20、工作台21、导套22、加工轨迹23、加工路径24、固定支撑25。
具体实施例方式
下面结合图1、图2及图3详细说明本发明实施例设备的具体细节和工作情况。
如图1和图2所示，本发明的装置由计算机控制系统1、电磁力发生系统2和三轴数控成形系统3组成；电磁力发生系统包括脉冲储能电容器组4、充电装置5、充电开关6、放电开关7和电磁成形线圈11；三轴数控成形系统3由动梁14、框架式机身15、滑板8、滑块9、夹持杆10、夹板13、托板16、导柱17、支撑传动装置18、支架19、工作台21等组成。滑块9装在滑板8内，滑块9的下端设置有夹持杆10，电磁成形线圈11装在夹持杆10端头，在计算机控制下，夹持杆10带着电磁成形线圈11可作三维曲线运动。被加工板材12被放置在托板16上，在支撑模型20与电磁成形线圈11之间，并用一夹板13将板材12夹紧。托板16装有四根导柱17构成托架，导柱17可以通过工作台21上的四个导套22上下自由滑动。在工作台下设置有可支撑托板16并可带动托板16作上下运动的支撑传动装置18。三轴数控成形系统3可以是板材数控无模成型加工机，见中国专利ZL00115996.8。
图3A、3B说明板材动圈电磁渐进成形的实施方法，将板材12夹持在夹板13和托板16中间，然后根据CAD三维模型切片分层所获得的轮廓线得到的轨迹数据转换成NC数据，通过计算机控制系统1控制安置在夹持杆10下端的电磁成形线圈11施行三维运动；在计算机控制下，电磁成形线圈11先走到模型顶端的运动轨迹指定起点位置，设定的分层层间距为Δh，电磁成形线圈11与被加工板材12表面相对立并且最接近成形表面；根据事先编制的程序可通过计算机控制系统1控制脉冲储能电容器组4的连续充放电及充放电时机，开始放电开关7是不导通的，充电装置5向脉冲储能电容器6充电，使其存储足够的能量，达到工作电压后，通过计算机控制系统1控制触发放电开关7导通，脉冲储能电容器组4对电磁成形线圈11快速放电，产生高压强脉冲电流，从而激发强脉冲磁场B，瞬变强脉冲磁场在板材表面产生感应电流，该感应电流又产生反向磁通B′，并与线圈产生的磁场在工件和线圈之间同向而相互加强，由楞次定律可知，在板材和电磁成形线圈之间产生电磁力，当作用于板材的电磁力超过材料的屈服极限时，板材12在电磁成形线圈11的下方被压下一个高度为Δh的凹坑产生局部的塑性变形，接着电磁成形线圈11沿着根据该层的轮廓线得到的运动轨迹指定的方向移动到下一个位置和板材12的另一部分相对，同时脉冲储能电容器组4充电完毕并再次放电，使板材被压下第二个高度为Δh的凹坑并与第一个凹坑衔接，形成连续的变形，然后放电—移动—放电—移动反复进行，直到电磁成形线圈11按该层等高线环的轨迹走完一圈回到起点，此时完成对工件顶层轮廓的加工，形成了第一层的轮廓曲面，如图3A所示；接着电磁成形线圈11下降Δh高度，被控制进入工件第二层轮廓的运动轨迹的起点，并与板材12保持相对，如第一层一样走完一圈轨迹回到起点，此时形成了工件第二层的轮廓，如图3B所示；如此一圈圈一层层通过脉冲储能电容器组4反复进行充放电不断释放电磁脉冲力，使板材12被由一个个的局部变形逐渐地累积加工形成一个整体的三维形状，直到整个工件成形完成。
板材动圈电磁渐进成形方法包括正向渐进拉伸成形(外成形)和反向渐进拉伸成形(内成形)两种方式。本发明下面将结合具体实施例作进一步说明。
实施例1在成形装置中，脉冲储能电容器取56000μF，工作电压400V，电磁成形线圈由规格为2.5mm×5mm的紫铜电磁线绕制成为直径Φ70mm的圆形密绕导线平板线圈，成形线圈匝与匝之间用环氧树脂和玻璃布绝缘，放电回路总电阻0.167Ω，总电感3.7μH，充电时间为4秒，板材为AA6061-T6铝合金，厚度为1mm，初始尺寸为410mm×410mm，成形为底边直径为Φ350mm，高150mm，锥角为76°的圆台。如图4A所示，采取正向电磁渐进拉伸成形的方式，电磁成形线圈11依靠电磁力沿着模型20的外表面渐进成形板材12，板材12的边缘随着电磁成形线圈11的下降而下降，直至成形完成，如图4B所示。
具体实施过程为在计算机控制下，电磁成形线圈11先走到模型20顶端的运动轨迹指定起点位置，设定的分层层间距为7mm，电磁成形线圈11与被加工板材12表面相对立并且最接近成形表面，脉冲储能电容器组4对电磁成形线圈11首次放电，在板材12和电磁成形线圈11之间产生电磁力，板材12在电磁成形线圈11的下方被压下一个高度为7mm的凹坑，接着电磁成形线圈11沿着根据该层的轮廓线得到的运动轨迹指定的方向移动35mm，到下一个位置和板材12的另一部分相对，同时脉冲储能电容器组4充电完毕并再次放电，使板材被压下第二个高度为7mm的凹坑并与第一个凹坑衔接，形成连续的变形，然后放电—移动—放电—移动反复进行，直到电磁成形线圈按该层等高线环的轨迹走完一圈回到起点，此时完成对工件顶层轮廓的加工，形成了第一层的轮廓曲面，接着电磁成形线圈再下降7mm高度并重复上述过程，以此类推，直到完成全部层的成形，工件成形完毕后切边的形状如图4B所示。
实施例2在成形装置中，脉冲储能电容器取60μF，工作电压26.9KV，电磁成形线圈由规格为2mm×6mm的紫铜电磁线绕制成为直径Φ90mm的圆形密绕导线平板线圈，成形线圈匝与匝之间用环氧树脂和玻璃布绝缘，放电回路总电阻0.159Ω，总电感3.4μH.，充电时间为5秒，板材为SUS304不锈钢，厚度为0.2mm，初始尺寸为410mm×410mm，成形为底边边长为350mm，高150mm，锥角为60°的方锥台。如图5A所示，采取反向电磁渐进拉伸成形的方式，电磁成形线圈11沿着模型20的内表面成形，板材12的边缘由固定支撑25固定不下降，电磁成形线圈11由边缘向心部依靠电磁力使板材12渐进成形，直至成形完成，如图5B所示。
具体实施过程为在计算机控制下，电磁成形线圈11先走到模型20顶端的运动轨迹指定起点位置，设定的分层层间距为10mm，电磁成形线圈11与被加工板材12表面相对立并且最接近成形表面，脉冲储能电容器组4对电磁成形线圈11首次放电，在板材和电磁成形线圈之间产生电磁力，板材12在电磁成形线圈11的下方被压下一个高度为10mm的凹坑，接着电磁成形线圈11沿着根据该层的轮廓线得到的运动轨迹指定的方向移动45mm到下一个位置和板材12的另一部分相对，同时脉冲储能电容器组4充电完毕并再次放电，使板材被压下第二个高度为10mm的凹坑并与第一个凹坑衔接，形成连续的变形，然后放电—移动—放电—移动反复进行，直到电磁成形线圈按该层等高线环的轨迹走完一圈回到起点，此时完成对工件顶层轮廓的加工，形成了第一层的轮廓曲面，接着电磁成形线圈再下降10mm高度并重复上述过程，以此类推，直到完成全部层的成形，工件成形完毕后切边的形状如图5B所示。
实施例3在成形装置中，脉冲储能电容器取1000μF，工作电压2500V，电磁成形线圈由规格为2.2mm×5mm的紫铜电磁线绕制成为直径Φ100mm的圆形密绕导线平板线圈，成形线圈匝与匝之间用环氧树脂和玻璃布绝缘，放电回路总电阻0.115Ω，总电感2.7μH，充电时间为5秒，板材为OHFC铜，厚度为1.6mm，本例是一个制作成船舶形状的壳体，如图6所示，该壳体的两面相对的侧壁部分相对于垂直方向的角度为15°，长800mm，宽400mm，高300mm。如实施例1采取正向电磁渐进拉伸成形的方式。
具体实施过程为在计算机控制下，电磁成形线圈11先走到模型20顶端的运动轨迹指定起点位置，设定的分层层间距为15mm，电磁成形线圈11与被加工板材12表面相对立并且最接近成形表面，脉冲储能电容器组4对电磁成形线圈11首次放电，在板材和电磁成形线圈之间产生电磁力，板材12在电磁成形线圈11的下方被压下一个高度为15mm的凹坑，接着电磁成形线圈11沿着根据该层的轮廓线得到的运动轨迹指定的方向移动50mm，到下一个位置和板材12的另一部分相对，同时脉冲储能电容器组4充电完毕并再次放电，使板材被压下第二个高度为15mm的凹坑并与第一个凹坑衔接，形成连续的变形，然后放电—移动—放电—移动反复进行，直到电磁成形线圈按该层等高线环的轨迹走完一圈回到起点，此时完成对工件顶层轮廓的加工，形成了第一层的轮廓曲面，接着电磁成形线圈再下降15mm高度并重复上述过程，以此类推，直到完成全部层的成形，工件成形完毕后切边的形状如图6所示。
权利要求
1.一种板材动圈电磁渐进成形方法，包括如下步骤(1)根据待加工工件CAD三维模型切片分层所获得的数据，转换成NC数据；(2)计算机通过NC数据控制电磁成形线圈在三轴数控成形系统上实现三轴联动；(3)电磁成形线圈作规定的三维曲线移动的同时通过电磁力发生系统的脉冲储能电容器不断充放电释放电磁脉冲力，依靠电磁成形线圈和板材之间的电磁力对板材进行单点渐进局部的塑性加工，使板料逐步成形为所需的工件。
2.如权利要求1所述的板材动圈电磁渐进成形方法，其特征在于所述脉冲储能电容器的电容量为10～60000μF、工作电压为300～30000V，电磁成形线圈形状为圆形或椭圆形，电磁成形线圈导线截面形状为矩形以实现对不同形状及材料的工件成形。
3.用于权利要求1所述的板材动圈电磁渐进成形方法的板材动圈电磁渐进成形装置，由计算机控制系统、电磁力发生系统和三轴数控成形系统组成；所述三轴数控成形系统框架式机身内下部装设工作台，工作台上方的框形托板装有四根导柱构成托架，框形托板上面具有框形夹板，四根导柱可以通过工作台上的导套上下滑动，在工作台下设置有支撑托板并可带动托板升降的支撑传动装置；动梁位于框架式机身顶面，可沿X方向移动；滑板装在动梁上、可沿动梁在Y方向移动；下端设置有夹持杆的滑块装在滑板内，夹持杆端头安装电磁成形线圈，在计算机控制系统控制下，夹持杆带着电磁成形线圈可作三维曲线运动；其特征在于电磁力发生系统包括脉冲储能电容器组、充电装置、充电开关、放电开关和电磁成形线圈，脉冲储能电容器组与充电装置、充电开关串联构成充电回路；脉冲储能电容器组与放电开关和电磁成形线圈串联构成放电回路；脉冲储能电容器组的电容量为10～60000μF、工作电压300～30000V。
4.如权利要求3所述的板材动圈电磁渐进成形装置，其特征在于，所述充电装置为直流充电器；电磁成形线圈为圆形或椭圆形密绕导线平板线圈，电磁成形线圈导线截面形状为矩形。
5.如权利要求3或4所述的板材动圈电磁渐进成形装置，其特征在于，所述带动托板升降的支撑传动装置为气缸、液压缸、直线电机传动装置或者齿轮齿条传动装置中的一种。
全文摘要
板材动圈电磁渐进成形方法及其装置，属于金属板材成形方法及装置，该装置的组成包括计算机控制系统、电磁力发生系统、包括板材夹持升降装置、支撑模型架、电磁成形夹持杆等的三轴数控成形系统。通过上述装置，根据模型轮廓等高线数据，计算机控制电磁成形线圈从模型顶部开始，沿着模型轮廓等高线一层层向下运动，同时依靠电磁成形线圈产生的电磁力使板材发生局部成形，直至模型底部并完成整个成形过程为止。本发明通过分层渐进塑性成形的方式，用小电磁脉冲力施行有顺序的局部塑性成形累积成为大变形的方法把金属板材渐进地加工成有三维复杂曲面形状的薄壳件。
文档编号G05B19/4097GK1821910SQ20061001849
公开日2006年8月23日 申请日期2006年3月7日 优先权日2006年3月7日
发明者莫健华, 黄树槐, 韩飞 申请人:华中科技大学