一种用于多曲率蒙皮件的拉形-电磁复合成形装置及其方法与流程

本发明涉及板材成形技术领域，尤其涉及一种用于多曲率蒙皮件的拉形-电磁复合成形装置及其方法。

背景技术：

随着航空航天等高技术产业的迅速发展，先进飞机、航天器、火箭及导弹等迫切需要采用结构效益十分显著的多曲率蒙皮构件，以减轻质量、提高运载器承载能力极限和航程等整体性能。在多曲率蒙皮件中，板料的不同区域往往承受不同方向的应力状态。当拉应力过大会出现零件过度减薄甚至破裂，当压应力过大会出现起皱。并且蒙皮件往往存在较为明显的回弹问题。

目前铝合金、钛合金等高强度轻质材料在航空航天上大量应用，这类材料相比于传统的钢材具有更大的回弹量，回弹控制更加困难。而常用的解决回弹的方法就是对模具进行修正，这就需要多次调试和修模，来满足成形精度的要求。最终造成产品的生产效率低、成本高、生产周期长，造成了时间和资源的巨大浪费。

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的方法。研究表明：材料在高速冲击下，产生不同于传统加工方法准静态的变形行为而出现一种动态行为，即材料在变形弹性波、塑性波的冲击下出现晶体孪生、组织相变、绝热剪切等动力学行为。因而能够有效提高难变形材料的成形极限、降低回弹。

中国专利cn201810607906.8公开的“一种蒙皮件的温热电磁成形装置及方法”中，参见说明书附图1，崔晓辉等提出“拉形-加热-电磁”多次交替进行实现板料的精确成形以及回弹控制。但是多次交替进行的成形工艺需要不断调整各工艺参数、线圈的位置，导致成形效率低下，并且每一层板料被拉型后，板料与模具之间的距离较大，必须精确控制放电参数才能实现板料与模具的精确贴合，从而也增加了成形过程的复杂性。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种用于多曲率蒙皮件的拉形-电磁复合成形装置及其方法，从而解决上述问题。

为实现上述目的，本发明首先公开了一种用于多曲率蒙皮件的拉形-电磁复合成形装置，包括底板、模具和用于对模具上的板料成形的电磁线圈，所述模具安装在所述底板上，所述电磁线圈设置于所述模具上方，还包括竖直油缸、切向油缸和用于夹持所述板料边缘的夹头，用于切向拉伸板料的所述切向油缸的一端与所述底板铰接，另一端与所述夹头铰接，用于竖向拉伸板料的所述竖直油缸的一端与所述底板铰接，另一端与所述夹头铰接。

进一步的，还包括可以移动设置在所述板料上方以对所述板料进行热处理的加热件。

进一步的，所述加热件为电磁感应加热装置、热辐射加热装置或电极。

进一步的，所述板料和模具之间设置有弹性垫。

进一步的，所述弹性垫为橡胶弹性垫或者聚氨酯树脂弹性垫。

进一步的，所述电磁线圈为一体式的整体电磁线圈，所述整体电磁线圈的底面与所述模具的成型面匹配，所述整体电磁线圈为可沿着所述板料上表面移动设置。

进一步的，所述电磁线圈由多个可沿着所述板料上表面移动设置的离散电磁线圈组成，所述离散电磁线圈的下表面为平面或者与所述模具的成型面匹配的曲面结构。

然后本发明公开了一种用于多曲率蒙皮件的拉形-电磁复合成形方法，包括上述方案中用于多曲率蒙皮件的拉形-电磁复合成形装置，包括如下步骤：

s1、将板料放置在所述模具上，在所述板料和模具之间设置所述弹性垫；

s2、采用所述夹头夹紧所述板料的边缘，驱动竖直油缸和切向油缸对板料拉形，使弹性垫和板料完全包覆在模具上；

s3、控制电磁线圈对板料放电，实现电磁线圈正对的板料区域的回弹消除；

s4、移动电磁线圈，使电磁线圈对所述板料不同区域依次放电，最终实现板料整体的回弹消除。

进一步的，在步骤s2中，对所述板料容易出现起皱的部位加热，使其发生回复再结晶，消除过大的压应力，从而消除起皱现象。

进一步的，在所述步骤s2后，驱动切向油缸动作，对所述板料再次施加切向拉应力以降低回弹。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)采用电磁力驱动板料高速率变形，能提高材料的成形极限；

(2)当板料被拉形后，板料的形面与模具形面一致。因此只需要较小的放电能量使板料发生较小的塑性变形既可以产生高频震荡现象，较小的塑性变形会降低板料减薄；

(3)与采用电磁力消除回弹相比，采用拉应力+电磁力共同消除回弹，可以在板料厚度减薄量允许的情况下，进一步降低放电能量。同时由于在放电前板料受到较大的拉应力，避免了多曲率板料成形容易出现的起皱问题，提高成形质量；

(4)对于大型零件，可以使线圈沿与冲压方向垂直的方向移动放电，实现板料的分区成形及分区回弹消除，从而大幅度降低成形装置的尺寸；

(5)由于弹性垫较软，当线圈放电驱使板料向背离线圈方向运动外，弹性垫的恢复又驱动板料反向移动，保证板料最终的变形精度。同时由于电磁成形的高频震荡效应消除回弹，以及弹性垫驱动零件反向弯曲变形，都有助于消除回弹；

(6)本发明的多曲率蒙皮件成形过程中通过多重举措避免容易出现起皱问题。相比于钢模直接成形，本发明所采用的弹性垫成形有利于避免板料拉形时出现的悬空区而造成的起皱；另外，通过对板料局部区域加热有利于消除过大的压应力，有利于消除起皱；并且，采用离散的多个线圈对板料放电成形，能够精准控制板料不同区域的应力应变状态，进一步消除板料的起皱现象。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为传统板料拉弯成形方法示意图；

图2为本发明实施例一公开的用于多曲率蒙皮件的拉形-电磁复合成形装置的板料被拉弯示意图；

图3为本发明实施例一公开的拉弯后板料及与其形面相匹配的整体电磁线圈的配合示意图；

图4为本发明实施例二公开的拉弯后板料及与其形面相匹配的离散电磁线圈的配合示意图；

图5为发明实施例一公开的用于多曲率蒙皮件的拉形-电磁复合成形装置的总体示意图；

图6为发明实施例一公开的加热件对板材加热的示意图。

图例说明：

1、底板；2、模具；3、弹性垫；4、切向油缸；5、竖直油缸；6、板料；7、整体电磁线圈；8、离散电磁线圈；9、加热件；10、夹头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一：

如图2、3、5和6所示，本发明实施例首先公开了一种用于多曲率蒙皮件的拉形-电磁复合成形装置，包括底板1、模具2和用于对模具2(凸模)上的板料6成形的电磁线圈，模具2安装在底板1上，电磁线圈设置于模具2上方，还包括竖直油缸5、切向油缸4和用于夹持板料6边缘的夹头10，用于切向拉伸板料6的切向油缸4的一端与底板1铰接，另一端与夹头10铰接，用于竖向拉伸板料6的竖直油缸5的一端与底板1铰接，另一端与夹头10铰接，从而，通过竖直油缸5可以使板料6覆盖到模具2的成形面上，而通过切向油缸4的切向拉伸确保板料6起皱和回弹，而通过电磁线圈最后放电，最终实现整体零件的回弹消除。在本实施例中，板料6和模具2之间设置有弹性垫3，具体的，弹性垫3为橡胶弹性垫或者聚氨酯树脂弹性垫。由于弹性垫3较软，当线圈放电驱使板料6向背离线圈方向运动，弹性垫3的恢复又驱动板料6反向移动，保证板料6最终的变形精度。同时由于电磁成形的高频震荡效应消除回弹，以及弹性垫3驱动零件反向弯曲变形，都有助于消除回弹。也使板料6拉形过程中板料6与弹性垫3能充分接触，避免采用刚性的模具2而出现悬空区，进一步降低起皱。

在本实施例中，还包括可以移动设置在板料6上方以对板料6进行退火处理的加热件9。具体的，加热件9为电磁感应加热装置、热辐射加热装置或电极。从而，在板料6包覆在模具2上时，对板料6容易出现起皱的部位加热，使其发生回复再结晶，消除过大的压应力，从而消除起皱现象。

在本实施例中，电磁线圈为一体式结构的整体电磁线圈7，电磁线圈的底面与模具2的成型面匹配，电磁线圈为可沿着板料6上表面移动设置。

然后本发明公开了一种用于多曲率蒙皮件的拉形-电磁复合成形方法，包括如下步骤：

s1、将板料6放置在模具2上，在板料6和模具2之间设置弹性垫3；

s2、采用夹头10夹紧板料6的边缘，驱动竖直油缸5和切向油缸4对板料6拉形，使弹性垫3和板料6完全包覆在模具2上；

s3、控制电磁线圈对板料6放电，实现电磁线圈正对的板料6区域的回弹消除；

s4、移动电磁线圈，使电磁线圈对板料6不同区域依次放电，最终实现板料6整体的回弹消除。

在本实施例中，在步骤s2中，对板料6容易出现起皱的部位加热，使其发生回复再结晶，消除过大的压应力，从而消除起皱现象，同时，在步骤s2后，驱动切向油缸4动作，对板料6再次施加切向拉应力以降低回弹。具体操作时，该切向拉应力会使板料6发生减薄变形，但需要控制板料6的减薄量不能达到材料的抗拉强度或者不能超过设计要求的厚度减薄量。当全部采用电磁力消除回弹，那么所需要的放电能量较大。当采用拉形+放电的复合工艺，拉形已克服一定的回弹问题，随后通过电磁力消除剩余回弹，这样可以使板料6的减薄量达到设计要求，同时又可以大幅度降低对电磁成形能量的要求。

从而，通过采用拉形装置使板料6包覆在模具2上。在板料6拉形过程中对板料6容易起皱的部位进行加热，使其发生回复再结晶，以消除该处过大的压应力。并且在板料6和模具2之间设置弹性垫3，使板料6拉形过程中板料6与弹性垫3能充分接触，避免采用刚性的模具2而出现的悬空区，进一步降低起皱。另外，在板料6被包覆模具2上时，沿板料6的切向方向施加拉力用于降低回弹，同时切向应力的增大，也有助于降低起皱区域的切向压应力，从而进一步降低起皱。但是切向拉应力过大，会导致板料6过度减薄，甚至被拉裂。因此为了克服板料6拉裂与回弹之间的矛盾，采用线圈对板料6放电成形，使板料6沿弹性垫3曲面的法向方向出现高频振动现象和微弱的塑性变形，实现回弹的完全消除。

实施例二：

在本实施例中，如图4所示，复合成形装置与实施例基本相同，不同之处在于：电磁线圈由多个可沿着板料6上表面移动设置的离散电磁线圈8组成，离散电磁线圈8的下表面为平面或者与模具2的成型面匹配的曲面结构，从而，具体使用时，通过离散电磁线圈即可完成，从而避免了目前需要制造多套随形布置线圈的问题，进而能大幅度降低线圈制造成本。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。