CN108655252B - 一种金属成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属成形装置及方法，该装置包括金属成形线圈、模具、电源、压边圈及用于集中金属成形线圈高温气化时产生冲击波的约束型腔。模具与工件相对放置，通过压边圈给工件法兰区域施加压边力，成形线圈放置于工件和约束型腔之间，并与电源连接。工作时，成形线圈通过脉冲电流，在工件区域感应脉冲电磁力，驱动工件变形；同时，脉冲电流将在成形线圈区域产生焦耳热，进而超过金属的熔点，导致金属气化，产生等离子体，并产生冲击波，驱动工件进一步变形。本发明通过脉冲电力和通流金属等离子体气化产生的冲击波相结合，实现金属工件的高速脉冲成形，有效降低成形线圈的加工难度和成本，降低成形对工件电导率的要求，显著提高成形能力。
Description
技术领域
本发明属于金属成形制造技术领域，更具体地，涉及一种脉冲电磁力和金属丝(箔)通电爆炸冲击波协同驱动的高速成形装置及方法。
背景技术
航空航天、汽车等领域的高速发展对轻合金材料的使用提出了越来越高的要求。然而，铝合金等轻质合金材料在室温下成形塑性较低，采用传统的加工工艺进行加工效果并不理想。研究表明，电磁成形技术因为高成形速率等因素能大幅改善金属成形性能，是实现铝合金等轻质材料加工的重要方法。
目前，电磁成形技术的发展严重限制于成形线圈的寿命。通常，电磁成形过程中，成形线圈在产生驱动工件变形的脉冲电磁力的同时，其自身也承受了巨大的电磁、热、机械载荷，当载荷超过线圈承受能力时，线圈将发生破坏，进而导致成形的失效，甚至整套系统的破坏。
另一方面，受限于电磁感应的基本原理，电磁成形通常只适用于高电导率的材料(如铝、铜合金)，而对于低电导率的材料(如不锈钢)，成形效率非常低。
上述两点现存的技术瓶颈表明，为拓展电磁成形的应用，急需提出低成本、高成形能力的电磁成形线圈新结构和新加工工艺。
发明内容
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成形装置及方法，由此解决现有电磁成形技术受限于成形线圈寿命及电磁感应的基本原理，导致的成形易失效及对于低电导率成形效率低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属成形装置，包括：金属成形线圈1、电源6、模具2、压边圈3及用于集中所述金属成形线圈1高温气化时产生冲击波的约束型腔5；
所述模具2与待成形金属工件4相对放置，所述压边圈3与所述待成形金属工件4相对放置，所述约束型腔5与所述待成形金属工件4相对放置，其中，所述压边圈3与所述约束型腔5位于所述待成形金属工件4的同一侧，所述模具2位于所述待成形金属工件4的另一侧，所述金属成形线圈1位于所述待成形金属工件4和所述约束型腔5之间，所述电源6连接所述金属成形线圈1。
优选地，所述压边圈3用于为所述待成形金属工件4的法兰区域提供压边力，所述金属成形线圈1，用于在第一放电阶段为所述待成形金属工件4提供脉冲电磁力，驱动所述待成形金属工件4变形；在第二放电阶段时升温并气化产生等离子体，同时产生冲击波，实现对所述待成形金属工件4的二次加载，以通过脉冲电磁力和气化冲击波相结合的方式，实现使所述待成形金属工件4成形加工。
优选地，所述金属成形线圈1的结构可根据所述待成形金属工件4和所述模具2的几何形状及性能参数进行设置，所述待成形金属工件4所需变形量越大的区域对应的线圈的匝数越多。
优选地，所述装置包括至少一套金属成形线圈1和至少一套电源6。
按照本发明的另一方面，提供了一种金属成形方法，包括：
通过电源对金属成形线圈放电，产生脉冲电流，进而产生脉冲强磁场，在待成形金属工件区域感应脉冲电磁力，驱动所述待成形金属工件高速变形；同时，所述脉冲电流对所述金属成形线圈进行加热，使所述金属成形线圈的温度急剧升高，进而发生气化，产生高温等离子体，进而产生冲击波，进一步地实现对所述待成形金属工件的二次加载；在脉冲电磁力和气化冲击波的共同作用下，最终实现所述待成形金属工件的成形加工。
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：
通过绕制金属成形线圈，显著降低了线圈的制造成本；同时，在采用脉冲电磁力驱动待成形工件变形的基础上，有效利用了金属成形线圈在通过大电流发生等离子体气化时产生的冲击波，将冲击波用于工件高速变形的二次加载，显著提高了成形效率；此外，本发明能够有效成形传统电磁成形无法成形的低电导率材料(如不锈钢)，因而，显著扩展了工艺的适用范围。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种金属成形装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种成形线圈的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种金属成形装置的工作原理示意图，其中，(a)表示脉冲电流波形图，(b)表示脉冲电磁力作用区间图，(c)表示金属气化冲击波作用区间；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-成形线圈，2-模具，3-压边圈，4-待成形工件，5-用于约束冲击波的约束型腔，6-电源，7-脉冲电流波形。
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。
本发明提供了一种脉冲电磁力和金属通电爆炸冲击波协同驱动的高速成形装置及方法，通过电源对金属成形线圈放电，在金属成形线圈产生脉冲大电流：在放电的初期，金属成形线圈将通过电磁感应的方式，在待成形金属工件产生脉冲电磁力，驱动待成形金属工件高速变形；随着放电过程的持续，金属成形线圈温度在焦耳热的作用下，将急剧升高，进而发生气化，并与周围介质(如水、空气等)发生剧烈化学反应，产生等离子体，随着气体的高速膨胀，将在待成形金属工件产生高速冲击波，实现对待成形金属工件的二次加载，进一步驱动待成形金属工件高速变形。金属成形线圈成本低廉，同时，在金属成形线圈被巨大的焦耳热驱动，导致金属气化时，能够产生有用的冲击波，驱动待成形金属工件变形，因此能够显著提高成形能力。
如图1所示，本发明实施例的金属成形装置包括：金属成形线圈1、模具2、压边圈3、用于集中金属成形线圈1高温气化时产生冲击波的约束型腔5及电源6；
其中，待成形金属工件4与模具2相对放置，压边圈3与待成形金属工件4相对放置，约束型腔5与待成形金属工件4相对放置，金属成形线圈1位于待成形金属工件4和约束型腔5之间，电源6可以通过电缆与金属成形线圈1连接。
其中，金属成形线圈1可以由金属丝(箔)绕制而成。
其中，电源6可以通过开关与金属成形线圈1连接，在需要进行成形操作时，闭合电源开关，以通过电源6为金属成形线圈提供脉冲电流。
压边圈3用于为待成形金属工件4的法兰区域提供压边力，金属成形线圈1用于为待成形金属工件4提供脉冲电磁力，驱动待成形金属工件3变形，同时，金属成形线圈1在高温气化时产生冲击波，实现对待成形金属工件3的二次驱动，约束型腔5用于约束金属成形线圈1气化时产生的冲击波，实现效率的最大化。
如图2所示，金属成形线圈1的结构可根据待成形金属工件4和模具2的几何形状，及其电学、力学性能等参数，进行优化设置；通过对金属成形线圈1几何结构的灵活配置，实现脉冲电磁力和气化冲击波空间分布的有效调控，进而实现对工件变形行为的有效调控。在需要更大变形量的待成形金属工件4区域布置更多的安匝数，进而提高该区域的脉冲电磁力和金属气化冲击波的幅值。在图2中，金属成形线圈1的上方绕组区域为弱载荷区域，下方绕组区域为强载荷区域。
在本发明实施例中，金属成形线圈1的截面、电导率、热导率、热容量等参数，可以根据需要进行优化选择，从而保证金属成形线圈1在产生脉冲电磁力的同时，又能够在放电的后期发生金属气化，产生巨大的冲击波，实现工件的二次驱动。
如图3所示，待成形金属工件4的初始状态为41，电源6对金属成形线圈1放电，产生脉冲大电流，如图(a)所示，在脉冲电流加载的初步阶段(0～t1时刻)，金属成形线圈1温度较低，能够稳定地承载脉冲大电流，并在周围区域产生脉冲强磁场，进而在待成形金属工件的41区域感应脉冲电磁力，驱动其高速变形，将待成形金属工件驱动至42状态，如图(b)所示。随着脉冲电流的加载，金属成形线圈1的温度急剧升高，在t1时刻，金属成形线圈1发生气化，并产生高温等离子体，进而产生巨大的冲击波，进而实现对待成形金属工件42的二次加载，最终得到状态为43的良好贴模的成形金属工件，如图(c)所示。
作为一种可选的实施方式，本发明实施例的成形装置还可根据实际待成形金属工件的复杂程度，配置多套金属成形线圈，和多套电源，每套线圈可采用单独电源提供能量，通过对每套成形线圈和电容器的优化配置，实现对脉冲电磁力和等离子体气化冲击波时空分布的有效控制，进而实现成形效果的最优控制。
本发明实施例的脉冲电磁力和金属气化产生的冲击波结合的高速成形方法包括如下步骤：
(1)将待成形金属工件4与模具2相对放置；
(2)将压边圈3与待成形金属工件4相对放置；
(3)将约束型腔5与待成形金属工件4相对放置；
(4)将金属成形线圈1放置于待成形金属工件4和约束型腔5之间；
(5)将电源6通过电缆与金属成形线圈1连接；
(6)通过电源6对金属成形线圈1放电，产生巨大的脉冲电流，产生脉冲强磁场，在待成形金属工件4区域感应脉冲电磁力，驱动待成形金属工件4高速变形；同时，巨大的脉冲电流对金属成形线圈1进行加热，使金属成形线圈1的温度急剧升高，进而发生气化，产生高温等离子体，进而产生巨大的冲击波，在约束型腔5的约束下，进一步地实现对待成形金属工件4的二次加载；在脉冲电磁力和气化冲击波的共同作用下，最终实现待成形金属工件4的成形加工。
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。
Claims (5)
1.一种金属成形装置，包括：金属成形线圈(1)、电源(6)、模具(2)以及压边圈(3)，其特征在于，还包括：用于集中所述金属成形线圈(1)高温气化时产生冲击波的约束型腔(5)；
所述模具(2)与待成形金属工件(4)相对放置，所述压边圈(3)与所述待成形金属工件(4)相对放置，所述约束型腔(5)与所述待成形金属工件(4)相对放置，其中，所述压边圈(3)与所述约束型腔(5)位于所述待成形金属工件(4)的同一侧，所述模具(2)位于所述待成形金属工件(4)的另一侧，所述金属成形线圈(1)位于所述待成形金属工件(4)和所述约束型腔(5)之间，所述电源(6)连接所述金属成形线圈(1)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压边圈(3)用于为所述待成形金属工件(4)的法兰区域提供压边力，所述金属成形线圈(1)，用于在第一放电阶段为所述待成形金属工件(4)提供脉冲电磁力，驱动所述待成形金属工件(4)变形；在第二放电阶段时升温并气化产生等离子体，同时产生冲击波，实现对所述待成形金属工件(4)的二次加载，以通过脉冲电磁力和气化冲击波相结合的方式，实现使所述待成形金属工件(4)成形加工。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述金属成形线圈(1)的结构可根据所述待成形金属工件(4)和所述模具(2)的几何形状及性能参数进行设置，所述待成形金属工件(4)所需变形量越大的区域对应的线圈的匝数越多。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少一套金属成形线圈(1)和至少一套电源(6)。
5.一种金属成形方法，其特征在于，包括：
通过电源对金属成形线圈放电，产生脉冲电流，进而产生脉冲强磁场，在待成形金属工件区域感应脉冲电磁力，驱动所述待成形金属工件高速变形；同时，所述脉冲电流对所述金属成形线圈进行加热，使所述金属成形线圈的温度急剧升高，进而发生气化，产生高温等离子体，进而产生冲击波，进一步地实现对所述待成形金属工件的二次加载；在脉冲电磁力和气化冲击波的共同作用下，最终实现所述待成形金属工件的成形加工。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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