CN108097794A - 一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料塑性加工领域，并公开了一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法。该工艺方法包括下列步骤：(a)设计预成形件的结构参数，该结构参数包括预成形件的材料、形状、尺寸和壁厚；(b)设计电磁渐进预成形所使用的成形线圈的线圈形状、层数、尺寸、缠绕匝数和截面面积,以及该成形线圈的移动轨迹和放电次数；(c)原材料的电磁渐进预成形获得预成形件；(d)采用旋轮预成形件进行旋压，使得预成形完全贴合所述模具，成形为所需的形状，由此实现预成形件的精整形。通过本发明，获得成形产品质量优良，提高生产效率、节省生产成本，满足大批量、机械化、高效率的生产需求。

Description

一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法

技术领域

本发明属于金属材料塑性加工领域，更具体地，涉及一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法。

背景技术

大型壳体件广泛应用于航空航天、能源化工等领域，以火箭燃料贮箱和重型容器封头为典型代表，为满足轻量化的发展需求，铝合金等轻质金属常作为大型壳体件的成形材料。目前，铝合金大型壳体件主要采用多道次强力热旋压进行成形，虽然旋压成形后的工件具有良好的尺寸精度和表面质量，但该工艺存在单道次变形量小，成形效率低；每道次之间需进行退火热处理，工艺操作复杂；准静态条件下，材料成形极限低，回弹严重；生产周期长，成本较高等问题。虽然，国内外学者先后从旋轮形状、摩擦系数、角度及进给量调控等方面进行工艺优化，但效果并不显著。所以，寻求大型壳体件尤其是铝合金大型壳体件的成形新方法已经迫在眉睫。

电磁成形是利用洛伦兹力使金属材料发生高速率塑性变形的成形加工方法，具有回弹小、残余应力低、工件表面质量好和成形极限高等特点，是未来制造业的先进成形技术之一。由于电磁成形设备能量和放电线圈的限制，国内外学者目前针对大型壳体件提出了电磁渐进成形方法，即放电线圈在计算机控制下按照特定的轨迹进行移动，移动至规定位置进行放电，使局部材料发生塑性变形，然后放电线圈移动到下一规定位置再次放电，最终通过多次放电促使材料变形逐渐累积，完成大型壳体件的柔性成形。

电磁渐进成形技术只需小型线圈和较低的放电能量，就可以实现大型壳体件的整体成形，此外，该方法还具有材料成形极限高；单次放电变形量大，成形效率高；每次放电之间，材料无需退火处理，工艺操作简单等优点。但目前该工艺存在成形后的工件厚度均匀性较差，尺寸精度低；不同放电点之间相互耦合，已变形区域对未变形区域的成形影响严重，工件形状难以精确控制等问题，虽然，国内外学者先后提出应力波、集肤深度、端部悬空等假说，试图解释并控制不同放电点之间的耦合作用，但效果甚微，这也导致了电磁渐进成形技术目前依然停留在实验室研究阶段，无法进行大规模的工业化应用和生产。

综上所述，针对大型壳体件的成形而言，旋压工艺具有工件尺寸精度高，单道次材料变形量小，成形效率低等特点；电磁渐进成形工艺具有成形效率高，材料成形极限大，工件尺寸难以精准控制等特点。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法，通过将电磁渐进预成形和旋压精整形两个工艺结合，两种工艺的优缺点彼此互补，由此解决材料成形极限低、生产成本高和电磁渐进成形技术所存在的尺寸精度难以控制的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法，其特征在于，该工艺方法包括下列步骤：

(a)根据所需成形的大型壳体零件的结构特点，设计预成形件的结构参数，该结构参数包括预成形件的材料、形状、尺寸和壁厚；

(b)根据步骤(a)获得的所述预成形件结构参数，并结合电磁渐进预成形的电磁成形效率，利用有限元数值模拟分析的方法模拟电磁渐进预成形过程，由此确定电磁渐进预成形所使用的成形线圈的线圈形状、层数、尺寸、缠绕匝数和截面面积,以及该成形线圈的移动轨迹和放电次数；

(c)将待成形板材装夹在模具上，采用步骤(b)中获得的所述成形线圈对所述待成形板材进行放电，使得所述待成形板材贴近所述模具，由此完成所述待成形板材的电磁渐进预成形获得预成形件；

(d)采用旋轮对步骤(c)中获得的预成形件进行旋压，旋压时旋轮的移动轨迹与所述电磁渐进预成形时成形线圈的移动轨迹相对应，使得预成形件完全贴合所述模具，成形为所需的形状，由此实现预成形件的精整形。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述预成形件的形状优选采用直边椭圆状，其中，椭圆的直径为所需大型壳体零件直径的1.1～1.5倍，直边的长度为椭圆短轴的1/4～1/3。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述预成形件的材料优选采用铝合金或铜合金。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述成形线圈的截面优选采用圆形或矩形，所述成形线圈放电时的移动轨迹采用由上到下，由里到外的方式。

进一步优选地，所述成形线圈放电的移动轨迹分为多层进行，每层按照“等高线轨迹”进行移动，即成形线圈放电结束后，保持成形线圈竖直高度不变，通过绕待成形板材中心轴线旋转到达下一放电位置，再次进行放电，直至完成所有层的放电。

进一步优选地，在步骤(d)中，所述旋轮优选采用凸面旋轮，旋轮的材料包括高速钢、钨钢或Cr₁₂。

进一步优选地，在步骤(d)中，所述旋压时旋轮的移动轨迹优选采用从预成形件的底部开始，由里到外进行旋压。

进一步优选地，在步骤(d)中，所述旋压优选采用强旋和普旋相结合的方式。

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、本发明提出的电磁渐进预成形和旋压精整形复合工艺相比传统多道次旋压工艺，在大型壳体件的成形方面，可大大减少退火热处理的次数，具有更高的能量利用率，大大降低了加工成本，具有良好的经济效益，由于电磁渐进成形方法具有成形极限高的独特优势，故可以获得变形量较大的预成形件，随后只需进行单次退火处理，即可通过强旋+普旋的旋压方式，获得合格的大型壳体件；

2、本发明提出的电磁渐进预成形和旋压精整形复合工艺可以有效提高大型壳体件的成形精度，改善壁厚不均，避免局部区域出现起皱、开裂等缺陷，虽然，电磁渐进成形技术具有成形极限高的优势，但其成形精度难以精准控制，故可以利用该技术获得带直边椭圆封头的预成形件，进而通过强旋工艺解决壁厚不均的问题，再通过普选工艺提高大型壳体件的整体贴膜精度，从而获得高精度工件；

3、本发明提出的电磁渐进预成形和旋压精整形复合工艺可以充分发挥电磁成形和旋压成形在技术上的独特优势，并弥补彼此的先天不足，最终获得成形质量优良的合格大型壳体件，大大提高了生产效率、节省生产成本，与此同时，该复合工艺的提出也实现了电磁渐进成形技术从实验室研究向工业化生产的突破，满足大批量、机械化、高效率的生产需求。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的工艺方法的流程示意图；

图2a是按照本发明的优选实施例所构建的所需大型壳体件结构示意图；

图2b是按照本发明的优选实施例所构建的带直边椭圆封头预成形件结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的成形线圈结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的电磁渐进成形过程的示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的旋轮示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的旋压精整形过程的示意图。

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。

本发明提供的一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺成形方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1：设计预成形件的几何结构参数。根据大型壳体件的结构特征、电磁渐进成形和旋压精整形的成形特点，设计预成形件的形状、尺寸等参数，如图2a和图2b所示，根据塑性加工理论的“体积不变原则”设计预成形件的几何结构，最终设计成带直边的椭球封头。

根据塑性加工理论的“体积不变原则”设计预成形件的结构参数，在本文中，“体积不变原则”是通过预成形件和大型壳体件的中性层表面积相等进行实现的，最终，预成形件设计为带直边椭球封头，其形状接近所需成形的大型壳体件的形状，以充分利用电磁渐进预成形所具有的成形极限高、生产效率高等优点。

带直边椭圆封头的预成形件的椭球面离心率严重影响着后续旋压精整形过程，椭球面离心率较大，将增加旋压精整形的变形抗力，造成旋压困难；椭球面离心率较小，将导致旋压精整形变形程度严重不足，造成工件贴膜较差。

本实施例中带直边椭球封头的椭球面离心率为e＝0.85，直径约为大型壳体件直径的1.1-1.5倍，长短轴比约为2:1，直边长度约为短轴的1/4-1/3。大型壳体件材料一般为导电性较好且传统塑性加工成形性能较差的铝、铜等合金材料。

步骤2：设计电磁渐进成形所使用的成形线圈结构。根据预成形件的尺寸和电磁成形效率，采用有限元数值模拟分析方法，基于成形线圈放电次数最少和所形成的集肤深度等于板料厚度原则，确定电磁渐进成形所用的成形线圈的形状、尺寸、缠绕匝数和截面形状等参数，如图3所示，大型壳体件电磁渐进预成形的成形线圈，电磁渐进预成形所用成形线圈的外径为150mm，线圈层数为3，线圈截面形状为矩形，截面尺寸为3x10mm²。三层线圈可以在电磁渐进预成形过程中，为材料提供足够大的动力，驱使材料实现大程度变形。

电磁渐进预成形所使用的成形线圈的截面形状为圆形或矩形，由数值模拟结果可知：成形线圈的截面积严重影响着成形线圈的磁场强度和使用寿命，成形线圈截面积过小，线圈缠绕密集，线圈使用寿命较低；成形线圈截面积过大，电磁力分散严重，材料受力不足，根据带直边椭圆封头预成形件的结构特征，本文最终设计电磁成形线圈的截面积大小为20～40mm²，截面形状为矩形。

步骤3：规划成形线圈的移动轨迹、放电次数等工艺参数。在电磁渐进预成形阶段，采用“由上到下，由里到外”的分层方式进行成形，逐渐迫使工件贴膜。放电次数根据最终所需产品的形状决定，根据成形线圈的电磁力场特征和预成形件的几何参数，利用有限元数值模拟模拟放电后原材料的变形结果，尽可能贴近模具，确定具体轨迹的分层数和成形线圈的移动轨迹，进行预成形件的电磁渐进预成形加工，如图4所示。

成形线圈以3层移动轨迹进行带直边椭圆封头预成形件的电磁渐进成形，每层按照“等高线轨迹”进行移动，即成形线圈首次放电结束后，保持线圈竖直高度不变，使其绕中心轴线旋转一定角度到达下一放电位置，再次进行放电，直至完成第一层放电。

成形线圈完成第一层放电后，将成形线圈移至第二层位置，适当调整成形线圈的角度，保证成形线圈与待成形材料垂直放置，按照“等高线轨迹”进行移动，直至完成第二层贴膜。重复此过程，完成第三层电磁渐进成形过程，直至实现带直边椭圆封头预成形件的大程度变形。

电磁渐进预成形后所获得的带直边椭圆封头预成形件由于经历了大程度的塑性变形，其内部容易出现加工硬化现象，应根据预成形件的厚度、尺寸和变形程度，设计相应热处理规范，一般情况下，选择单次退火软化处理，然后再继续步骤4的操作。

成形线圈移动轨迹具体分成3层，每层轨迹按照“等高线轨迹”进行移动，即成形线圈在某层实现首次单点放电后，保持线圈竖直高度不变，使其绕中心轴线旋转一定角度到达下一放电位置，再次进行放电，直至完成该层的全部放电点。本文第一层放电点为6个，第二层放电点为10个，第三层放电点为18个。

步骤4：设计旋压成形所用的旋轮结构。根据预成形件的结构特征及材料校形程度，在充分考虑成形线圈移动轨迹的基础上，设计旋轮结构。

旋压成形所用的旋轮为凸面旋轮，如图5所示，旋轮可选用的材料为高速钢、钨钢或Cr₁₂，但不限于这几种材料，本实施中旋轮材料为Cr₁₂Mo，为保证工件获得良好的旋压质量，旋轮头中的主要零件(如：旋轮，轴和轴承等)加工精度和装配精度要求较高，其中轴承的加工精度等级应选的高一些，轴承和轴采用圆柱配合的形式。

步骤5：规划旋压旋轮的移动轨迹、旋压道次等工艺参数。为保证大型壳体件的良好贴膜，旋压旋轮的移动轨迹应与电磁渐进成形放电线圈的移动轨迹相匹配，从工件底部开始，由里到外进行旋压，最终实现大型壳体件的复合成形方法，由于预成形件存在口部直线段，其变形方式主要为缩径旋压，故变形量不宜过大，以免出现贴膜效果较差；旋压道次也不宜过多，以免出现反挤现象。基于本文的工件尺寸，推荐采用的旋压道次为：1道次强旋+1道次普旋进行工件成形。

由上述工艺方法可知，上述两种工艺的优缺点彼此互补，把两者进行合理组合，即获得“电磁渐进预成形-旋压精整形”的复合工艺成形方法，大大提高大型壳体件的成形质量，并克服目前旋压技术所存在的材料成形极限低、生产成本高和电磁渐进成形技术所存在的尺寸精度难以控制等问题。通过合理设计预成形件的形状，使其成为电磁渐进预成形工艺和旋压精整形工艺的良好纽带，以充分利用电磁渐进成形的材料成形极限高和旋压精整形的尺寸精度高的优点。旋压工艺和电磁渐进成形工艺具有一定的工艺相似性，即旋轮和放电线圈的形状、运动轨迹路线等重要工艺参数，严重影响着大型壳体件的成形质量，在成形方法的设计中必须耦合考虑旋轮和放电线圈等相关重要工艺参数。

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 (8)

1.一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法，其特征在于，该工艺方法包括下列步骤：

(a)根据所需成形的大型壳体零件的结构特点，设计预成形件的结构参数，该结构参数包括预成形件的材料、形状、尺寸和壁厚；

(b)根据步骤(a)获得的所述预成形件结构参数，并结合电磁渐进预成形的电磁成形效率，利用有限元数值模拟分析的方法模拟电磁渐进预成形过程，由此确定电磁渐进预成形所使用的成形线圈的线圈形状、层数、尺寸、缠绕匝数和截面面积,以及该成形线圈的移动轨迹和放电次数；

(c)将待成形板材装夹在模具上，采用步骤(b)中获得的所述成形线圈对所述待成形板材进行放电，使得所述待成形板材贴近所述模具，由此完成所述待成形板材的电磁渐进预成形获得预成形件；

(d)采用旋轮对步骤(c)中获得的预成形件进行旋压，旋压时旋轮的移动轨迹与所述电磁渐进预成形时成形线圈的移动轨迹相对应，使得预成形件完全贴合所述模具，成形为所需的形状，由此实现预成形件的精整形。

2.如权利要求1所述的一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述预成形件的形状优选采用直边椭圆状，其中，椭圆的直径为所需大型壳体零件直径的1.1～1.5倍，直边的长度为椭圆短轴的1/4～1/3。

3.如权利要求1或2所述的一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述预成形件的材料优选采用铝合金或铜合金。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述成形线圈的截面优选采用圆形或矩形，所述成形线圈放电时的移动轨迹采用由上到下，由里到外的方式。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法，其特征在于，所述成形线圈放电的移动轨迹分为多层进行，每层按照“等高线轨迹”进行移动，即成形线圈放电结束后，保持成形线圈竖直高度不变，通过绕待成形板材中心轴线旋转到达下一放电位置，再次进行放电，直至完成所有层的放电。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述旋轮优选采用凸面旋轮，旋轮的材料包括高速钢、钨钢或Cr₁₂。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述旋压时旋轮的移动轨迹优选采用从预成形件的底部开始，由里到外进行旋压。

8.如权利要求1-7任一项所述的一种电磁渐进预成形和旋压精整形的复合工艺方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述旋压优选采用强旋和普旋相结合的方式。