本发明属于材料塑性成形领域，具体涉及金属材料的电磁脉冲成形方法及装置，特别涉及一种金属材料的电磁热成形方法及装置。
背景技术：
：电磁脉冲成形技术是一种新兴的高能率成形技术，其原理是在成形线圈中通入脉冲大电流，待成形金属坯料区域会产生随时间变化的磁场，金属坯料内会感生一个抵抗磁场变化的涡流，在磁场与涡流相互作用下，待成形金属胚料受到一个巨大电磁力的作用，从而发生塑性变形。由于惯性效应、电塑性效应及高速率下材料本构关系等因素，电磁成形具有成形极限高、回弹小、成形速度快等优点，可以解决轻质高强度、但成形性能差等材料(如钛、铝、镁合金等)的成形困难问题，促进轻量化结构与技术的发展应用。虽然从理论上而言，电磁成形技术可用于加工此类难成形的材料。然而，金属坯料中感应的涡流大小和方向与脉冲电流源以及线圈产生的成形磁场的空间分布情况密切相关，对于不适于冷加工的材料或者高电阻率的材料，更需要设计复杂的成形系统来控制磁场和作用于工件上的磁场力。其存在的主要问题有：(1)对于不适于冷加工的材料，往往需要先加热提高塑性而后成形，若采用传统的电磁成形工艺加工此类材料往往需要配置电参数很大的脉冲电流源、复杂的成形线圈以及耗费很大的电磁能量且成形效果不佳。为此专利文献cn101590501a提出一种镁合金温热电磁成形的加工方法，先利用加热棒对镁合金板材加热到适合的温度再利用匀压力线圈在样件上感应涡流成形。然而这种方法在对镁合金板材加热提高塑性的同时镁合金的电导率因温度升高相应减少，导致样件上的感应涡流减少从而成形力大大减弱，从而不能完全发挥镁合金板材由温度升高导致塑性提高的特性，金属成形的温度区间有限。而专利cn104772380a同样采用加热棒加热钛合金，但不同的是采用铝板作为驱动板驱动加热后的钛合金成形，虽然克服了由于温升提高电导率降低的缺陷，但引入驱动板导致成形装置极其复杂，成本增加等问题(2)大多数的加热方法采用类似感应加热棒这种热传导方式加热金属，这种方法加热时间较长导致金属易氧化且能量利用率不高、装置复杂。为此cn105344972a提出一种非晶合金零件快速成形方法，首先采用一套电源对非晶样件进行快速加热到合适温度再利用另外一套电源作用于成形线圈在非晶上感应涡流使其成形。但这种方法不适于合金金属成形，因为合金金属即使温度升高仍需具有很大的屈服强度，感应涡流无法提高足够的成形力。上述问题成为限制电磁成形工艺的成形能力与发展应用的主要因素。技术实现要素：针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属材料的电磁热成形方法及装置，旨在解决现有技术中金属材料由于温度升高电导率下降从而导致电磁成形力不足以及加热效率低等问题，同时为更好的对成形温度和电磁成形力调控，提供一种结构简单、能量利用率高的任意多峰脉冲大电流源拓扑。为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属材料的电磁热成形装置，包括：脉冲电流源、成形模具、成形线圈、线圈压块以及开关；所述成形模具与所述成形线圈之间用于放置待成形样件；所述脉冲电流源的第一输出端用于与所述待成形样件的第一端连接，所述成形线圈的第一端及所述开关的第一端用于与所述待成形样件的第二端连接，所述成形线圈的第二端与所述开关的第二端及所述脉冲电流源的第二输出端连接；所述脉冲电流源，用于在所述开关闭合时，为所述待成形样件提供脉冲电流并加热所述待成形样件，在所述开关断开时，为所述成形线圈及所述待成形样件提供脉冲电流，以通过所述成形线圈为所述待成形样件提供电磁成形力；所述成形模具，用于约束所述待成形样件的成形形状；所述线圈压块，用于防止所述成形线圈受反作用力而弹起。优选地，所述装置还包括：样件压边圈，所述样件压边圈，用于放置在所述待成形样件上表面边缘，以防止所述待成形样件在受力趋近于所述成形模具后边缘部分起皱。优选地，所述装置还包括：绝缘层，所述绝缘层用于将所述待成形样件与所述成形模具及所述样件压边圈绝缘。优选地，所述成形线圈采用多匝多层、多匝单层、单匝多层、单匝单层的螺旋线圈及平行于所述待成形样件的单根导电导线中的任一种构成方式。优选地，在所述成形线圈为螺旋线圈时，应使所述成形线圈所环流的电流所在平面与所述待成形样件流过的电流所在的直线平行。优选地，所述脉冲电流源包括充电机、二极管、n个充电开关、n个储能电容器、n个放电开关、n个放电二极管、续流二极管及保护电阻；所述充电机的正极端与所述二极管的正极端连接，所述二极管的负极端分别与所述n个充电开关中的各充电开关的第一端连接；所述n个充电开关中的各充电开关的第二端分别与所述n个储能电容器中各储能电容器的第一端及所述n个放电开关中各放电开关的第一端一一对应连接；所述n个放电开关中各放电开关的第二端分别与所述n个放电二极管中各放电二极管的正极端一一对应连接，所述n个放电二极管中各放电二极管的负极端均与所述续流二极管的负极端连接，所述续流二极管的正极端与所述保护电阻的第一端连接，所述保护电阻的第二端分别与所述n个储能电容器中各储能电容器的第二端连接，并与所述充电机的负极端连接。优选地，所述脉冲电流源，用于通过所述充电机，在所述n个充电开关中各充电开关的通断控制下选择性地对所述n个储能电容器中对应的储能电容器进行充电；并在放电过程中，在所述n个放电开关中各放电开关的通断控制下按照任意时序独立放电。按照本发明的另一方面，提供了一种金属材料的电磁热成形方法，包括：将待成形样件放置于所述成形线圈与所述成形模具之间，通过所述充电机，在所述n个充电开关中各充电开关的通断控制下选择性地对所述n个储能电容器中对应的储能电容器进行充电；在所述n个放电开关中各放电开关的通断控制下选择性地按照任意时序独立放电，首先闭合所述开关仅为所述待成形样件提供电流，使得所述待成形样件升到目标温度区间，然后断开所述开关，为所述待成形样件及所述成形线圈提供脉冲电流，使得所述成形线圈在所述待成形样件所在区域产生脉冲磁场，以使所述待成形样件中的脉冲电流与所述成形线圈产生的脉冲磁场相互作用产生用于驱动所述待成形样件发生变形的电磁力，使所述待成形样件受所述电磁力发生形变，向所述成形模具趋近成形。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，能够取得下列有益效果：(1)本发明采用同一套脉冲电流源，通过设定电流源中的储能电容器组的放电时序，先对金属材料加载电流升温，在此基础上采用对金属材料直接加载电流的电磁成形工艺。该方法不仅可以显著提高金属材料中的电流，有效解决高电阻率材料因感应涡流小而电磁成形力不足的问题；还可以针对不适于冷加工、塑性差、尺寸过大的材料，通过预加热处理以提高塑性，进而降低对电磁成形工艺中成形力、成形线圈、脉冲电流源等重要组成部分的要求和标准，以实现用更简单易于制造的成形装置实现更高水平的成形工艺的目的。(2)本发明中的脉冲电流源可采用一种多峰脉冲大电流源的拓扑结构，在各充电开关的作用下可对储能电容器组中的电容分别充独立的电压，储能电容器组中的电容也可在放电开关的控制下按照设置好的时序独立放电，实现双峰、多峰、峰上峰等多种电流波形，满足电磁成形技术用的电流源的要求。(3)本发明也可采用电流源、成形线圈与待成形样件串联的电气结构，利用同一套电源既可以为成形线圈提供电流，又可以直接对待成形样件通电流，且避免了现有技术中需要同时使用多套电源的现象。(4)本发明中所述的成形装置结构简单，操作简便，在不增加成本的情况下达到节约成本、有效利用能源的目的。(5)本发明待成形样件的成形温度区间不受限制，可对金属材料进行温成形，亦可进行超塑性成形，甚至是某些金属特有的成形方式，如非晶合金加热到过冷液态区实现热成形。附图说明图1为本发明实施例提供的一种金属材料的电磁热成形装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种多峰脉冲大电流源拓扑图，其中req、leq分别为负载(待成形样件或者成形线圈)的等效电阻和等效电感；图3为本发明实施例提供的另一种金属材料的电磁热成形装置的结构示意图；图4(a)为本发明实施案提供的一种电源电容器c1充电时的电流通路图；图4(b)为本发明实施案提供的一种电源电容器c2充电时的电流通路图；图4(c)为本发明实施案提供的一种电源电容器c1放电时的电流通路图；图4(d)为本发明实施案提供的一种电源电容器c2放电时的电流通路图；图5为本发明实施案例提供的一种电源电容触发时序与放电回路时序，以及温升和电磁力随时间的变化图；图6为本发明实施例提供的一种多峰脉冲大电流源拓扑典型应用的电流波形，其中，图6(a)、图6(b)及图6(c)反映了三种不同的电流波形。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。如图1所示为本发明实施例提供的一种金属材料的电磁热成形装置的结构示意图，包括：脉冲电流源1、成形模具6、成形线圈4、线圈压块10以及开关3；成形模具6与成形线圈4之间用于放置待成形样件；脉冲电流源1的第一输出端用于与待成形样件的第一端连接，成形线圈4的第一端及开关3的第一端用于与待成形样件的第二端连接，成形线圈4的第二端与开关3的第二端及脉冲电流源1的第二输出端连接；脉冲电流源1，用于在开关3闭合时，为待成形样件提供脉冲电流并加热待成形样件，在开关3断开时，为成形线圈4及待成形样件提供脉冲电流，以通过成形线圈4为待成形样件提供电磁成形力；其中，在开关3闭合时，脉冲电流源1可以与待成形样件及成形线圈组成串联结构，对成形线圈和待成形样件分别提供同样的电流实现加热待成形样件和为成形线圈提供电流的双重目的。脉冲电流源1可以通过开关3的断开或闭合对成形线圈和待成形样件分别提供不同电流方便对温度与成形力独立调控。成形模具6，用于约束待成形样件的成形形状；线圈压块10，用于防止成形线圈4受反作用力而弹起。其中，成形线圈4可以采用多匝多层、多匝单层的螺旋线圈及平行于待成形样件的单根导电导线中的任一种构成方式，或者单匝多层、单匝单层等其他可以满足需求的螺旋线圈，具体采用何种构成方式本发明实施例不做唯一性限定。在成形线圈4为螺旋线圈时，应使成形线圈4所环流的电流所在平面与待成形样件流过的电流所在的直线平行，且成形线圈4的形状可以待成形样件所需成形形状合理设计，不限于长方形，矩形，跑道型或者任何平面形状的组合。在一个可选的实施方式中，该装置还包括：样件压边圈9，样件压边圈9，用于放置在待成形样件上表面边缘，以防止待成形样件在受力趋近于所述成形模具6后边缘部分起皱。在一个可选的实施方式中，该装置还包括：绝缘层7，绝缘层7用于将待成形样件与成形模具6及样件压边圈9绝缘。其中，绝缘层7优选类似于陶瓷材料、硅胶片等导热率高绝缘性能好的材料。在一个可选的实施方式中，如图2所示，脉冲电流源1可以采用一种可产生任意多峰脉冲大电流的拓扑结构，该电源电路包括电源电容充电回路、电源电容放电回路、续流回路。电源电容充电回路用于给储能电容器组充电；电源电容放电回路用于将储能电容器组中储存的电能释放，在负载(req、leq)产生电流；续流回路用于消除震荡电流，有效减少线圈温升。续流回路可根据实际需要选择性使用。具体地，脉冲电流源1包括充电机、二极管、n个充电开关、n个储能电容器、n个放电开关、n个放电二极管、续流二极管及保护电阻；充电机的正极端与二极管的正极端连接，二极管的负极端分别与n个充电开关中的各充电开关的第一端连接；n个充电开关中的各充电开关的第二端分别与n个储能电容器中各储能电容器的第一端及n个放电开关中各放电开关的第一端一一对应连接；n个放电开关中各放电开关的第二端分别与n个放电二极管中各放电二极管的正极端一一对应连接，n个放电二极管中各放电二极管的负极端均与续流二极管的负极端连接，续流二极管的正极端与保护电阻的第一端连接，保护电阻的第二端分别与n个储能电容器中各储能电容器的第二端连接，并与充电机的负极端连接。其中，n为正整数，可以根据实际需要进行确定，以构成任意多个电源电容的充放电回路，可以实现任意多峰电流波形，如双峰、多峰、峰上峰。其中，由充电机u与二极管e、n个充电开关、n个储能电容器依次顺序连接构成电源电容充电回路。由n个储能电容器分别与n个放电开关及n个放电二极管依次相连，再与负载(req、leq)相连构成电源电容放电回路。由续流二极管vd和二极管保护电阻r0串联构成续流回路，且续流支路并联在n个储能电容器、n个放电开关和n个放电二极管两端。其中，脉冲电流源1，用于通过充电机，在n个充电开关中各充电开关的通断控制下选择性地对n个储能电容器中对应的储能电容器进行充电；并在放电过程中，在n个放电开关中各放电开关的通断控制下按照任意时序独立放电。例如在第n个电容放电时，对1～n-1组电容进行充电，从而实现连续不断的电流波形。在本发明的另一个实施例中，还提供了一种金属材料的电磁热成形方法，由脉冲电流源为待成形样件提供脉冲电流使其加热到合适的温度区间，该温度区间不受限制，可以是金属材料的温成形区间，亦可其超塑性成形区间，亦可以是某些金属特有的成形区间，如非晶合金的过冷液态区。当待成形样件加热到合适的温度区间后，脉冲电流源为待成形样件或成形线圈提供脉冲电流，在脉冲电流和磁场共同作用的洛伦兹力下，待成形样件发生变形直至贴膜。具体地，包括以下步骤：将待成形样件放置于成形线圈4与成形模具6之间，通过充电机，在n个充电开关中各充电开关的通断控制下选择性地对n个储能电容器中对应的储能电容器进行充电；在n个放电开关中各放电开关的通断控制下选择性地按照任意时序独立放电，首先闭合开关3仅为待成形样件提供电流，使得待成形样件升到目标温度区间，然后断开开关3，为待成形样件及成形线圈4提供脉冲电流，使得成形线圈4在待成形样件所在区域产生脉冲磁场，以使待成形样件中的脉冲电流与成形线圈4产生的脉冲磁场相互作用产生用于驱动待成形样件发生变形的电磁力，使待成形样件受所述电磁力发生形变，向成形模具6趋近成形。以下结合附图及具体实例对本发明进行详细说明。如图3所示，n为2时，本发明的成形方法包括：(1)将待成形样件放置于成形线圈4与成形模具6之间；(2)通过控制充电开关模块k1、k2的开断与闭合给储能电容器组c1、c2充电，可根据需要分别对电容器组的每个电容充适当大小的电压；(3)通过控制放电开关模块s1的闭合，储能电容器组c1按照设定的时序放电，产生第一个宽放电脉冲，其主要作用是给待成形样件提供电流，使得待成形样件升到合适的温度区间，其中，该温度区间不受限制，可以是低于再结晶温度的利用材料温成形特性成形亦可以高于再结晶温度利用材料超塑性特性成形；更进一步的此步骤可以闭合开关3只对待成形样件提供电流。(4)通过控制放电开关模块s2的闭合，储能电容器组c2按照设定的时序放电，产生第二个窄放电脉冲，其主要作用是为成形线圈提供脉冲电流，使得成形线圈在待成形样件所在区域产生脉冲磁场，同时为待成形样件提供电流，使得待成形样件中的脉冲电流与成形线圈产生的脉冲磁场相互作用产生用于驱动待成形样件发生高速变形的电磁力；更进一步若开关3处于闭合状态则需保证开关3处于断开状态。(5)待成形样件受所述的电磁力发生形变，向成形模具趋近成形；(6)对于一次电容器放电加热不到指定温度时，可以相应扩展电容支路，通过多峰脉冲电流对样件进行加热。对于一次电容器放电成形深度不够时，可以相应扩展电容支路，通过峰上峰脉冲电流提高电磁力。实施例1以用于tc4板材的成形对本发明进行详细说明。所选tc4合金成分为：alvfecnohti6.50004.25000.04000.02000.01500.16000.0018bal.具体参数为：比强度为230n/m2，密度为4.5g/cm3，工作温度范围为-100℃～500℃，热强度高，导热系数为15.24w/(m.k)。采用结构如图1所示的金属材料的电磁热成形装置，包括脉冲电流源1、开关3、成形线圈4、加电电极5-1和5-2、成形模具6、绝缘层7、tc4待成形样件8、样件压边圈9、线圈压块10。其中，脉冲电流源1采用多峰脉冲大电流源拓扑结构，在n为2时，拓扑图如图3所示，该脉冲电流源包括充电机、充电开关模块k1和k2、储能电容器组c1和c2及充电二极管e构成的电源电容充电回路，储能电容器组c1和c2、放电开关模块s1和s2、放电二极管d1和d2构成的储能电容放电回路，续流电阻r0和续流二极管vd构成的续流回路。脉冲电流源1的一端连接到待成形样件8的一端，待成形样件8的另一端连接到成形线圈4的一端，成形线圈4的另一端连接到上述电源1的另一端，构成串联的结构。成形线圈4位于紧靠待成形样件8的上方，成形模具6置于待成形样件8的下方，线圈压块10置于成形线圈4的上方，样件压边圈9压在待成形样件8的边缘部分，防止待成形样件8受力后边缘部分起皱。成形方法步骤如下：(1)tc4待成形样件8按照上述物理结构放置于成形线圈4与成形模具6之间后，线圈压块10与样件压边圈9同样按照物理结构分别放置于成形线圈4和待成形样件8上，防止成形线圈4受反作用的电磁力弹起及待成形样件8受力后边缘部分起皱的现象；(2)脉冲电流源1中的电源电容c1优选值为0.5f的电容、电源电容c2优选值为160μf的电容；(3)通过控制脉冲电流源1中的充电开关模块k1的触发控制，时序控制如图5所示，在t1时刻控制开关k1闭合给电容器c1充到电压为100-200v；此时电磁成形电路中的电流通路如图4(a)所示；(4)通过控制脉冲电流源1中的充电开关模块k2的触发控制，时序控制如图5所示，在t2时刻控制开关k2闭合给电容器c2充到电压为8.0kv；此时电磁成形电路中的电流通路如图4(b)所示；(5)通过控制脉冲电流源1中的放电开关模块s1的触发控制，时序控制如图5所示，在t3时刻闭合放电开关模块中的开关s1，储能电容器c1开始放电，放电回路中的电流波形为图5中脉冲电流波形的第一个峰，此时电磁成形电路中的电流通路如图4(c)所示，该电流的主要作用是为待成形样件8提供脉冲电流，使得待成形样件产生焦耳热效应从而温度升高，同时产生电塑性效应以提高样件的塑性；；(6)在t4时刻紧接着闭合开关s2，电容器c2开始放电，放电回路中的电流波形为图5中脉冲电流波形的第二个峰，此时放电回路中的放电电流流向为图4(d)所示，该电流的主要作用是既为成形线圈4提供脉冲电流，使得成形线圈4在待成形样件8所在区域产生脉冲磁场，同时给待成形样件8提供电流，使得待成形样件8中产生脉冲电流，该脉冲电流可对待成形样件8产生焦耳热效应和电塑性效应以提高塑性；(7)待成形样件8中脉冲电流与成形线圈4产生的脉冲磁场相互作用产生用于驱动待成形样件8发生高速变形的电磁力；(8)待成形样件8受所述的电磁力发生形变，向成形模具6趋近成形；(9)整个成形过程瞬间完成，取出待成形样件，成形过程结束。如图6所示，当n为3时，通过控制充电开关模块k1、k2、k3的开断与闭合给储能电容器组c1、c2、c3充电，可根据需要分别对电容器组的每个电容充适当大小的电压。通过合适的时间间隔t依次对c1、c2、c3进行放电，此期间当c3放电时对c1进行充电，当c1放电时对c2进行充电，当c2放电时对c3进行充电，如此反复可产出如图6(a)所示类似平顶电流波形，该波形提高样件温度；通过合适的时间间隔t1,t2,t3依次对c1、c2、c3进行放电,可产出如图6(b)所示类似峰上峰电流波形，该波形提高样件电磁成形力。通过合适的时间间隔t1,t2,t3依次对c1、c2、c3进行放电,可产出如图6(c)所示类似任意多峰电流波形，t1,t2,t3的时刻可以根据实际需要的控制。实施例2本发明实施例2提供了一种针对非晶合金的超塑性成形方法：本实施方式与实施例1不同点在于，待成形样件换成1mm非晶合金zr35ti30cu7.5be27.5板材，同时通过第一次放电将非晶合金加热到接近非晶合金的过冷液态区，合理控制第二次放电波形致使非晶在过冷液态区时受到巨大的电磁力，在电磁力的作用非晶发生超塑性变形，直至贴膜。实施例3发明实施例3提供了一种针对非晶合金的超塑性成形方法：本实施方式与实施例1不同点在于，待成形样件换成0.1mm非晶合金zr35ti30cu7.5be27.5板材，同时通过第一次放电将非晶合金快速的被加热到过冷液态区(加热速率大于1×103k/s),此时虽然电流由于有衰减所受的电磁力有所下降，但此时的电磁力仍足以使呈现出的粘滞流变特性(粘度为102pa·s左右)的非晶合金下实现超塑性成形。然后与模具瞬速接触冷却，使处于高温状态的下非晶合金不至于晶化或氧化。实施例4本发明实施例4提供了一种针对非晶合金的电塑性成形方法：本实施方式与实施例1不同点在于，待成形样件换成1mm非晶合金zr35ti30cu7.5be27.5板材，同时通过第一次放电将非晶合金加热到150～200摄氏度，合理控制第二次放电波形致使非晶在三百度摄氏度左右受到巨大的电磁力，在电磁力的作用非晶合金发生电塑性变形，直至贴膜。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。当前第1页12