一种基于多级电磁力时序加载的板件成形装置及成形方法与流程

本发明涉及金属成形制造领域，具体涉及一种基于多级电磁力时序加载的板件成形装置及成形方法。

背景技术：

电磁成形，是利用待成形金属工件在交变磁场中感应的涡流与磁场相互作用，产生电磁力作用于工件，使工件发生变形的一种成形加工方式。相比传统的准静态成形方法，电磁成形具有成形速率高的特点，能够显著改善材料的成形性能，提高成形极限。因此，电磁成形技术在汽车、航空航天制造等领域有着广阔的应用前景。

传统的电磁成形方法为电磁直接成形法，即金属工件中感应的涡流与磁场相互作用产生的电磁力直接作用于工件。

中国实用新型专利申请(公开日：2018年04月10日、公开号：cn207204963u)公开了一种轴向-径向电磁力分时加载的板件电磁翻边装置及方法，包括：轴向电磁力加载线圈，径向电磁力加载线圈，压边，凹模，电容电源，轴向电磁力加载线圈置于压边之内，翻边工件置于轴向电磁力加载线圈与压边的上表面，径向电磁力加载线圈置于翻边工件的内孔中，凹模置于翻边工件之上；径向电磁力加载线圈与续流二极管反向串联，然后与轴向电磁力加载线圈并联，电容电源通过放电开关为连接好的线圈供电。该实用新型采用径向电磁力和轴向电磁力分开加载的方式，先通过径向电磁力直接作用于金属板件待翻边区域，使其开始翻边，后通过轴向电磁力直接作用于板件，完成最后的贴模过程。但是，电磁直接成形法存在的不足主要有两点：(1)由于没有凸模，无法在成形过程中对工件反向约束，使得工件的成形形状难以控制；(2)对于不锈钢等低电导率金属工件，成形过程中所感应的涡流强度较弱，从而难以产生强度足够使其发生明显变形的电磁力，因此该成形方法仅适用于电导率高的金属，如铝、铜等。

同时，针对这一问题，国内外学者提出了以下两种改进措施：

第一种为电磁辅助成形法，即电磁成形与准静态冲压成形相结合的成形方法，如文献“processdesignofcombineddeepdrawingandelectromagneticsharpedgeformingofdp980steelsheet”中，韩国科学技术院(kaist)的m.k.choi和h.huh等学者研究了dp980高强度不锈钢的电磁辅助成形方法，先用冲头将不锈钢板预成形至与凹模轮廓大致接近的形状，再通过嵌入冲头内的成形线圈放电，将电磁力作用于预成形后的不锈钢，完成最后的贴模过程。但该方法的不足之处在于准静态冲压力(作用时间通常为秒级)和脉冲电磁力(作用时间通常为微秒或毫秒级)难以实现时序上的连续配合加载，需将两种成形方式间歇加载于工件上，导致成形过程复杂，耗时较长。

第二种为电磁间接成形法，即通过电磁力驱动冲头对工件进行冲压成形，如：

中国发明专利申请(公开日：2017年06月13日、公开号：cn106825192a)公开了一种电磁深成形装置及方法，该装置包括驱动线圈、固定单元、成形冲头、助推线圈、压边单元以及成形模具，通过向助推线圈中注入第二脉冲电流产生第二交变磁场，第二交变电磁场在待成形板件中产生助推脉冲电磁力，由助推脉冲电磁力分解的助推脉冲电磁轴向力用于为待成形板件提供压边力，由助推脉冲电磁力分解的助推脉冲电磁径向力有助于待成形板件中材料向成形模具中流动。在第二脉冲电流期间，通过向驱动线圈中注入第一脉冲电流产生第一交变磁场，第一交变磁场在成形冲头中感应涡流，驱动成形冲头向下运动，作用于待成形板件上，此时待成形板件的流动性高，能够提高成形性能,由成形冲头作用于待成形板件使其成形，能够提高贴膜性能。但在该方法中，当冲头远离驱动线圈时，所受的电磁力将显著下降，为达到较大的成形深度，驱动线圈需在一个放电周期后，向下靠近冲头，再进行下一个放电周期，因此整个深成形过程需要多个放电周期才能完成，总体所需的时间较长。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种基于多级电磁力时序加载的板件成形装置及成形方法，使电磁成形兼具成形速率高、总成形时间短、成形金属材料种类多、成形深度大和贴模性好的特点。

为实现上述目的，本发明所设计的一种基于多级电磁力时序加载的板件成形装置，包括位于待成形板件下方的凹模，还包括位于所述待成形板件上方与所述凹模配合的凸模，通过所述凹模和凸模使所述待成形板件最终成形加工至所需形状，所述待成形板件上方设有压边圈，所述压边圈与所述凹模相配合，对所述待成形板件进行压边，防止成形过程中所述待成形板件端部起皱，影响最终成形效果，所述压边圈内设有供所述凸模运动的第一通道，所述凸模包括与所述凹模配合的冲头和固定在所述冲头上方的驱动片，所述压边圈内第一通道侧壁内从上至下依次设有至少两个产生驱动强磁场驱动所述驱动片向下运动的驱动线圈，所述驱动线圈产生驱动强磁场后，在所述驱动片中感应涡流，该涡流与强磁场相互作用产生驱动电磁力，使所述驱动片向下运动，从而使所述冲头共同向下运动，所述冲头位于所述待成形板件上方，将所述驱动片经所述驱动线圈受到的驱动电磁力传递至所述待成形板件上。

优选地，每个所述驱动线圈连有相互独立的脉冲电源，可以单独进行充放电操作。

优选地，所述脉冲电源均与充放电控制系统相连，通过所述充放电控制系统控制每个所述脉冲电源的充放电。

优选地，所述驱动片为反凹型结构，所述驱动片盖在所述冲头上，增大了所述驱动线圈对所述驱动片的感应区间。

优选地，还包括固定单元，所述固定单元包括位于所述压边圈上方的上固定板和位于所述凹模下方的下固定板，所述固定单元将整个装置进行固定。

优选地，所述压边圈和所述上固定板之间上设有支撑圈，所述支撑圈与所述上固定板相配合，将整个装置进行固定，所述支撑圈内设有与所述第一通道同轴的第二通道，所述第二通道的内径大于等于所述第一通道的内径，所述上固定板下表面设有驱动线圈，所述驱动线圈位于所述凸模正上方。

优选地，所述冲头的外径与所述驱动片的外径相等，使成形过程中，所述凸模能整体在所述压边圈所述第一通道中运动，所述压边圈内第一通道的内径与所述凸模的外径相等，使所述凸模在受到电磁力作用时，只能沿轴向运动。

优选地，所述冲头内部为空心结构，在保证冲头大小、形状不变的前提下，减轻所述凸模的质量，提高成形过程中所述凸模的速度，以提高材料成形性能，所述冲头为高强度不锈钢材料，以保证在成形过程中，所述冲头自身不至发生损坏，所述冲头形状与所述凹模相匹配，以使所述待成形板件成形至所需形状时，成形后的板件贴模性好，所述凹模的腔体底部开有排气孔，使所述待成形板件成形过程中，所述凹模的腔体内的空气得以顺利地通过所述排气孔排出，所述待成形板件端部与所述凹模和压边圈接触的部位均均匀涂有润滑剂，以在成形过程中，减小所述待成形板件端部所受摩擦力，促进所述待成形板件端部向所述凹模流动。

一种基于多级电磁力时序加载的板件成形装置的成形方法，包括如下步骤：

a)将所述待成形板件放置在所述凹模上，所述压边圈位于所述待成形板件上方压住所述待成形板件；

b)开始成形，启动最上方的驱动线圈产生驱动强磁场，在所述驱动片中产生驱动电磁力，驱动所述凸模向下运动，通过所述冲头将驱动电磁力传递至所述待成形板件，使所述待成形板件在驱动电磁力的作用下开始向所述凹模的腔内变形；

c)所述驱动片在驱动电磁力的驱动下向下运动，当经过下一个所述驱动线圈时，该所述驱动线圈产生驱动强磁场，在所述驱动片中产生驱动电磁力，驱动所述凸模继续向下运动，并通过所述冲头将驱动电磁力继续传递至所述待成形板件，使所述待成形板件进一步向所述凹模的腔内成形；

d)所述驱动片继续向下运动，每经过一个所述驱动线圈时，如所述步骤c)，循环往复，直至所述驱动片经过布置在所述压边圈内第一通道侧壁内最下方的一个所述驱动线圈时，该所述驱动线圈产生驱动强磁场，在所述驱动片中产生驱动电磁力，驱动所述凸模继续向下运动，并通过所述冲头将驱动电磁力继续传递至所述待成形板件，使所述待成形板件进一步向所述凹模的腔内成形，直到整个成形过程结束。

优选地，开始成形前，对所有所述脉冲电源充电，充电完成后，开始成形，所述充放电控制系统对每个所述脉冲电源进行精确时序控制，使成形过程中，当所述驱动片向下经过任一所述驱动线圈时，相应的所述驱动线圈所连的脉冲电源放电，使相应驱动线圈产生与所述凸模运动相协同的驱动强磁场，从而在所述驱动片中产生驱动电磁力，驱动所述凸模继续向下运动，并通过所述冲头将驱动电磁力传递至所述待成形板件，使所述待成形板件进一步成形。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、通过凸模与凹模间的配合控制板件的成形形状，成形后的板件贴模性好；

2、凸模由驱动线圈放电产生的脉冲电磁力驱动，通过驱动片和冲头将脉冲电磁力传递至待成形板件，一方面，相比传统的准静态冲压成形，其具有成形速率高的特点；另一方面，其可适用于多种金属材料、尤其是不锈钢等低电导率金属材料的高速成形，克服了传统电磁成形技术仅适用于高电导率金属材料成形的不足，更加拓宽了电磁成形技术的应用范围；

3、采用多级驱动线圈，在成形过程中从上到下依次在凸模中产生与凸模运动相协同的各级驱动电磁力，驱动待成形板件进一步向凹模腔内成形，可实现较大的板件成形深度；

4、上述各级驱动线圈分别连接相互独立的脉冲电源，通过一套充放电控制系统，对各脉冲电源的放电进行精确时序控制，使得成形过程在各脉冲电源依次进行一轮放电过程后即可结束，无需移动任意一个驱动线圈的位置，成形过程所需总时间较短。

附图说明

图1为本发明一种基于多级电磁力时序加载的板件成形装置实施例一的结构示意图；

图2为实施例一中成形过程开始时最上方驱动线圈在驱动片中产生驱动电磁力的示意图；

图3为实施例一中当驱动片到达中间位置驱动线圈所在位置时，驱动线圈在驱动片中产生驱动电磁力的示意图；

图4为实施例一中当驱动片到达下方驱动线圈所在位置时，驱动线圈在驱动片中产生驱动电磁力的示意图；

图5为本发明一种基于多级电磁力时序加载的板件成形装置实施例二的结构示意图；

图6为实施例二中成形过程开始时最上方驱动线圈在驱动片中产生驱动电磁力的示意图；

图7为本发明实施例一和实施例二中驱动线圈放电电流波形及时序关系示意图；

图8为本发明实施例一和实施例二中驱动线圈所连接脉冲电源的充放电控制原理图。

图中各部件标号如下：

待成形板件1、凹模2、凸模3、压边圈4、第一通道5、冲头6、驱动片7、驱动线圈8、脉冲电源9、上固定板10、下固定板11、支撑圈12、第二通道13、充电控制模块14、放电控制模块15。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例一

如图1所示，一种基于多级电磁力时序加载的板件成形装置，包括位于待成形板件1下方的凹模2，还包括位于待成形板件1上方与凹模2配合的凸模3，待成形板件1上方设有压边圈4，压边圈4内设有供凸模3运动的第一通道5，凸模3包括与凹模2配合的冲头6和固定在冲头6上方的驱动片7，驱动片7为反凹型结构，驱动片7盖在冲头6上，压边圈4内第一通道5侧壁内从上至下依次设有三个产生驱动强磁场驱动驱动片7向下运动的驱动线圈8，每个驱动线圈8连有相互独立的脉冲电源9，脉冲电源9均与充放电控制系统相连。

另外，还包括固定单元，固定单元包括位于压边圈4上方的上固定板10和位于凹模2下方的下固定板11，固定单元在成形过程中，将整个装置进行固定，固定单元可以为液压机平台，通过施加液压力，实现将整个装置进行固定的目的。

本实施例中，冲头6的外径与驱动片7的外径相等，使成形过程中，凸模3能整体在压边圈4第一通道5中运动，压边圈4内第一通道5的内径与凸模3的外径相等，使凸模3在受到电磁力作用时，只能沿轴向运动，冲头6内部为空心结构，在保证冲头6大小、形状不变的前提下，减轻凸模3的质量，提高成形过程中凸模3的速度，以提高材料成形性能，冲头6为高强度不锈钢材料，以保证在成形过程中，冲头6自身不至发生损坏，冲头6形状与凹模2相匹配，以使待成形板件1成形至所需形状时，成形后的板件贴模性好，凹模2的腔体底部开有排气孔，使待成形板件1成形过程中，凹模2的腔体内的空气得以顺利地通过排气孔排出，待成形板件1端部与凹模2和压边圈4接触的部位均均匀涂有润滑剂，以在成形过程中，减小待成形板件1端部所受摩擦力，促进待成形板件1端部向凹模2流动。

另外，由于驱动片7为反凹型结构，盖在冲头6上，使得当驱动片7侧面的驱动线圈8放电时，驱动片7上有较广的涡流分布范围。

本实施例使用时，结合图2所示，在成形过程开始时，凸模3上的驱动片7位于最上方驱动线圈8旁，与最上方驱动线圈8相连的脉冲电源9向相应的驱动线圈8通入脉冲电流，在其周围产生驱动强磁场，驱动片7在驱动强磁场下产生涡流，该涡流与驱动强磁场相互作用，在驱动片7上产生驱动电磁力，作用位置为驱动片7的侧面，方向向下，使驱动片7向下运动，并驱动冲头6共同向下运动，驱动电磁力经冲头6传递，作用于待成形板件5，待成形板件5在驱动电磁力的作用下，开始向凹模2腔内变形。

结合图3所示，当驱动片7经过从上往下第二个驱动线圈8时，与该驱动线圈8相连的脉冲电源9向该驱动线圈8通入脉冲电流，在其周围产生驱动强磁场，驱动片7在驱动强磁场下产生涡流，该涡流与驱动强磁场相互作用，在驱动片7上产生驱动电磁力，作用位置为驱动片7的侧面，方向向下，使驱动片7进一步向下运动，并驱动冲头6共同向下运动，驱动电磁力经冲头6传递，作用于待成形板件5，待成形板件5在驱动电磁力的作用下，使待成形板件5进一步向凹模2腔内变形。

结合图4所示，当驱动片7经过最下方驱动线圈8时，与该驱动线圈8相连的脉冲电源9向该驱动线圈8通入脉冲电流，在其周围产生驱动强磁场，驱动片7在驱动强磁场下产生涡流，该涡流与驱动强磁场相互作用，在驱动片7上产生驱动电磁力，作用位置为驱动片7的侧面，方向向下，使驱动片7进一步向下运动，并驱动冲头6共同向下运动，驱动电磁力经冲头6传递，作用于待成形板件5，待成形板件5在驱动电磁力的作用下，使待成形板件5进一步向凹模2腔内变形，直至待成形板件5成形至最终所需形状。

实施例二

如图5所示，一种基于多级电磁力时序加载的板件成形装置，包括位于待成形板件1下方的凹模2，还包括位于待成形板件1上方与凹模2配合的凸模3，待成形板件1上方设有压边圈4，压边圈4内设有供凸模3运动的第一通道5，凸模3包括与凹模2配合的冲头6和固定在冲头6上方的驱动片7，驱动片7为反凹型结构，驱动片7盖在冲头6上，压边圈4内第一通道5侧壁内从上至下依次设有两个产生驱动强磁场驱动驱动片7向下运动的驱动线圈8，其中一个驱动线圈8位于压边圈4内侧上端面，一个驱动线圈8位于压边圈4内侧下端面，每个驱动线圈8连有相互独立的脉冲电源9，脉冲电源9均与充放电控制系统相连。

另外，还包括固定整个装置的固定单元，固定单元包括位于压边圈4上方的上固定板10和位于凹模2下方的下固定板11，固定单元在成形过程中，将整个装置进行固定，固定单元可以为液压机平台，通过施加液压力，实现将整个装置进行固定的目的。

与实施例一不同的是，本实施例中，压边圈4和上固定板10之间上设有支撑圈12，支撑圈12内设有与第一通道5同轴的第二通道13，第二通道13的内径大于等于第一通道5的内径，上固定板10下表面设有驱动线圈8，驱动线圈8位于凸模3正上方。

本实施例中，冲头6的外径与驱动片7的外径相等，使成形过程中，凸模3能整体在压边圈4第一通道5中运动，压边圈4内第一通道5的内径与凸模3的外径相等，使凸模3在受到电磁力作用时，只能沿轴向运动，冲头6内部为空心结构，在保证冲头6大小、形状不变的前提下，减轻凸模3的质量，提高成形过程中凸模3的速度，以提高材料成形性能，冲头6为高强度不锈钢材料，以保证在成形过程中，冲头6自身不至发生损坏，冲头6形状与凹模2相匹配，以使待成形板件1成形至所需形状时，成形后的板件贴模性好，凹模2的腔体底部开有排气孔，使待成形板件1成形过程中，凹模2的腔体内的空气得以顺利地通过排气孔排出，待成形板件1端部与凹模2和压边圈4接触的部位均均匀涂有润滑剂，以在成形过程中，减小待成形板件1端部所受摩擦力，促进待成形板件1端部向凹模2流动。

另外，由于驱动片7为反凹型结构，盖在冲头6上，使得当驱动片7上端或侧面的额驱动线圈8放电时，驱动片7上均有较广的涡流分布范围。

本实施例使用时，结合图6所示，在成形过程开始时，驱动片7位于上固定板10下表面上驱动线圈8的正下方，与该驱动线圈8相连的脉冲电源9向该驱动线圈8通入脉冲电流，在其周围产生驱动强磁场，驱动片7在驱动强磁场下产生涡流，该涡流与驱动强磁场相互作用，在驱动片7上产生驱动电磁力，作用位置为驱动片7的上方，方向向下，使驱动片7向下运动，并驱动冲头6共同向下运动，驱动电磁力经冲头6传递，作用于待成形板件5，待成形板件5在驱动电磁力的作用下，开始向凹模2腔内变形。

结合图3所示，当驱动片7经过位于压边圈4内侧上端面的驱动线圈8时，与该驱动线圈8相连的脉冲电源9向该驱动线圈8通入脉冲电流，在其周围产生驱动强磁场，驱动片7在驱动强磁场下产生涡流，该涡流与驱动强磁场相互作用，在驱动片7上产生驱动电磁力，作用位置为驱动片7的侧面，方向向下，使驱动片7进一步向下运动，并驱动冲头6共同向下运动，驱动电磁力经冲头6传递，作用于待成形板件5，待成形板件5在驱动电磁力的作用下，使待成形板件5进一步向凹模2腔内变形。

结合图4所示，当驱动片7经过位于压边圈4内侧下端面的驱动线圈8时，与该驱动线圈8相连的脉冲电源9向该驱动线圈8通入脉冲电流，在其周围产生驱动强磁场，驱动片7在驱动强磁场下产生涡流，该涡流与驱动强磁场相互作用，在驱动片7上产生驱动电磁力，作用位置为驱动片7的侧面，方向向下，使驱动片7进一步向下运动，并驱动冲头6共同向下运动，驱动电磁力经冲头6传递，作用于待成形板件5，待成形板件5在驱动电磁力的作用下，使待成形板件5进一步向凹模2腔内变形，直至待成形板件5成形至最终所需形状。

与实施例一相比，本实施例中，上固定板10下表面上驱动线圈8产生的对驱动片7的驱动电磁力强度更高，而实施例一中，驱动线圈8无需固定于上固定板11的下表面，可有效避免对液压机台面的改造，且不需要支撑圈12结构，有效降低了装置安装的复杂程度。

本发明提供的一种基于多级电磁力时序加载的板件成形装置的成形方法，结合实施例一或实施例二，将成形装置安装并固定完毕后，包括如下步骤：

a)将待成形板件1放置在凹模2上，压边圈4位于待成形板件1上方压住待成形板件1；

b)开始成形(如图7所示t1时刻)，启动最上方的驱动线圈8产生驱动强磁场，在驱动片7中产生驱动电磁力，驱动凸模3向下运动，通过冲头6将驱动电磁力传递至待成形板件1，使待成形板件1在驱动电磁力的作用下开始向凹模2的腔内变形；

c)驱动片7在驱动电磁力的驱动下向下运动，当经过下一个驱动线圈8时(如图7所示t2时刻)，驱动线圈8产生驱动强磁场，在驱动片7中产生驱动电磁力，驱动凸模3继续向下运动，并通过冲头6将驱动电磁力继续传递至待成形板件1，使待成形板件1进一步向凹模2的腔内成形；

d)驱动片7继续向下运动，当驱动片7经过最下方的一个驱动线圈8时(如图7所示t3时刻)，驱动线圈8产生驱动强磁场，在驱动片7中产生驱动电磁力，驱动凸模3继续向下运动，并通过冲头6将驱动电磁力继续传递至待成形板件1，使待成形板件1进一步向凹模2的腔内成形，直到整个成形过程结束。

上述待成形板件1成形步骤中，各级驱动线圈8放电波形及其时序关系如图7所示，其中，各电流波形的幅值和脉宽由相关的各脉冲电源9放电参数及各驱动线圈8绕制参数决定，只需保证图示各驱动线圈8放电时序关系即可。

各脉冲电源9由脉冲电容器、续流回路以及开关管(可以是晶闸管)组成，并由一套充放电控制系统进行控制，如图8所示，该充放电控制系统由充电控制模块14和放电控制模块15组成，其中，充电控制模块14通过控制充电开关14-1、14-2和14-3，分别为各脉冲电源9的脉冲电容器充电；放电控制模块15通过控制放电开关管15-1、15-2和15-3，实现各脉冲电源9放电的精确时序控制。具体为：

t0时刻，充电过程开始，充电控制模块14对充电开关14-1、14-2和14-3同时发出指令，14-1、14-2和14-3均闭合，各脉冲电容器开始充电，当电容器充电到指定的电压时，充电控制模块14控制相应脉冲电源9的充电开关断开；

t1时刻，成形过程开始，放电控制模块15给放电开关管15-1发出指令，开关管15-1开通，与最上方的驱动线圈8连接的脉冲电源9-1对最上方的驱动线圈8放电；

t2时刻，驱动片7到达中间位置驱动线圈8的中平面处，放电控制模块15给放电开关管15-2发出指令，开关管15-2开通，与中间位置驱动线圈8连接的脉冲电源9-2对中间位置驱动线圈8放电；

t3时刻，驱动片7到达下方驱动线圈8的中平面处，放电控制模块15给放电开关管15-3发出指令，开关管15-3开通，与下方驱动线圈8连接的脉冲电源9-3对下方驱动线圈8放电。

通过上述精确时序控制方法，即可实现各脉冲电源9依次一轮放电后，待成形板件1即在各驱动电磁力依次作用下，成形至最终所需形状。

本发明一种基于多级电磁力时序加载的板件成形装置及成形方法并不局限于实施例中所示的三级驱动线圈及电源系统，根据实际的成形加工需要，可将驱动线圈8及其脉冲电源9扩展至四级、五级甚至更高的级数。

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。