CN109590371A - 一种大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种大型板材的电磁‑电爆‑准静态冲压复合成形装置，包括底板、凹模、凸模，所述凸模位于凹模的正上方，凹模上部设有压边圈，压边圈与凹模之间设有径向侧推线圈，待成形板材的边缘固定在径向侧推线圈内，凹模内设有若干个能***放电的环状的金属电爆元件，若干个金属电爆元件沿凹模同心排列，金属电爆元件与外接电源连接；待成形板材完全覆盖凹模上端时，凹模内充满有传力介质，底板上设有供传力介质进出的进出孔；本发明还包括一种大型板材的电磁‑电爆‑准静态冲压复合成形方法。本发明能提高材料的成形性能，材料的变形均匀性较高，不容易起皱，并可实现不同尺寸的大型零件的柔性加工，适应范围广，成本较低。

Description

一种大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置和方法

技术领域

本发明涉及材料塑性加工的高速率成形技术领域，具体涉及一种大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置和方法。

背景技术

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。因而能够有效提高铝合金、镁合金和钛合金等难变形材料的成形极限、降低回弹。

在专利“一种大型薄壁件的拉形和电磁复合渐进成形方法及装置”中，李建军、崔晓辉等提出了一种采用“拉形和电磁渐进”的交替变形实现大型零件的成形。在文献“Large-scale sheet deformation process by electromagnetic incremental formingcombined with stretch forming”中，崔晓辉等采用“拉形和电磁渐进”工艺，实现了高度75mm、直径约600mm的椭球形铝合金零件成形。但线圈在每一层都需要移动多次放电，线圈正对的板料发生大的变形，其他区域几乎没有变形。这种不均匀的变形随着成形高度的增加，板料的变形不均匀性加剧，最终容易出现起皱。

为了解决大型零件任意层在电磁力作用下的均匀变形，在专利“一种随形布置线圈的大型件电磁渐进成形方法及装置”中，崔晓辉等提出在任意层均设置一个整体线圈以保证该层板材的均匀变形。该层线圈的截面与板料拉形后的截面正对以提高电磁成形效率。通过多个不同直径的随形布置线圈分次放电，最终得到一个均匀变形的整体零件。但整个变形过程中，需要多个不同直径、不同截面的线圈，会大幅度增加线圈的制作成本。当针对不同的零件成形形状，往往需要另一套随形布置线圈的装置，适应范围窄。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置和方法，它能提高材料的成形性能，材料的变形均匀性较高，不容易起皱，并可实现不同尺寸的大型零件的柔性加工，适应范围广，成本较低。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置，包括底板、凹模、凸模，所述凸模位于凹模的正上方，所述凹模上部设有压边圈，压边圈与凹模之间设有径向侧推线圈，待成形板材的边缘固定在径向侧推线圈内，凹模深度大于凸模的高度，所述凹模内设有若干个能***放电的金属电爆元件，若干个所述金属电爆元件沿凹模同心排列，金属电爆元件与外接电源连接；待成形板材完全覆盖凹模上端时，凹模内充满有传力介质，所述底板上设有供传力介质进出的进出孔。

作为上述技术方案的进一步改进：所述金属电爆元件为金属管、金属丝或金属薄片中的任一种。

进一步，所述金属管或金属丝的直径为0.001～10mm，所述金属薄片的厚度为0.001～10mm。

进一步，所述金属电爆元件在待成形板材下方随多次变形过程分多次设置或随一次变形过程一次设置完成，金属电爆元件气化后产生瞬时高压并驱动待成形板材高速向凸模方向变形，最终使待成形板材在高压下与凸模完全贴合。

进一步，所述凹模上底面上设有凹槽A，凹槽A内设有下侧推线圈；所述压边圈下底面上设有凹槽B，凹槽B内设有上侧推线圈；所述下侧推线圈和上侧推线圈对称设置，待成形板材的边缘固定在下侧推线圈和上侧推线圈之间。

进一步，所述传力介质为液体或气体，其中液体可以使纯净水、油等，气体可以是空气等。

进一步，所述金属电爆元件的形状与待成形板材的形状一致，当待成形板材为环形结构时，金属电爆元件的结构也为环形结构，当待成形板材为片状结构时，金属电爆元件的结构也为片状结构。

一种大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形方法，采用上述的大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置，包括如下步骤：

1)预拉形：将凸模下压，对待成形板材进行准静态冲压的预拉形，预拉形至待成形板材的待变形区域靠近金属电爆元件；

2)电磁-电爆成形：对金属电爆元件通电，使金属电爆元件在电流作用下发生气化，向金属电爆元件周围产生强大压强并驱动传力介质膨胀，传力介质进一步驱动其周边的待成形板材向凸模方向变形进行电爆成形过程；与此同时，径向侧推线圈通电，使待成形板材法兰部位的材料向待成形板材中心方向流动进行电磁变形过程，以配合金属电爆元件气化所促使待成形板材发生的快速变形；并在传力介质的压力作用下待成形板材与凸模完全贴合，最终完成待成形板材的变形过程；

3)依次重复步骤1)和2)，直至待成形板材完全与凸模贴合。

作为上述技术方案的进一步改进：步骤2)中的电爆成形过程为一次进行完成或分层/分区域多次进行完成。

进一步，步骤2)中包含对传力介质的温度调整，传力介质的温度能从-200℃到待成形板材熔化温度区间任意调节。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的装置和方法利用电磁力的径向侧推力作用，改善零件变形过程中的厚度减薄；利用凸模的准静态冲压，降低放电后零件的每一次变形量，并最终实现零件完全靠模，提高成形精度；利用电爆的高速率变形特性，提高零件的成形性能，并由于金属丝等材料的便于制作，降低成形工艺的难度；

2、本发明的装置和方法中金属电爆元件气化所形成的电爆成形，是一种高速成形方法，能提高材料的成形性能，电爆成形与电磁线圈产生的径向力配合，最终可以大幅度提高零件的拉深高度；

3、本发明的装置和方法中采用金属电爆元件替代线圈，可大幅度减小线圈的制作成本，不同直径、不同截面的线圈，用不同直径、不同尺寸、不同匝数的金属丝替代，成本几乎可以忽略不计，可实现不同尺寸的大型零件的柔性加工，适应范围广，成本较低；

4、本发明的装置和方法中通过改变传力介质的温度，可实现深冷成形、室温成形、温成形和热成形等，传力介质温度越低越有利于细化晶粒，提高零件使用性能；传力介质温度越高越有利于降低零件的变形抗力，改善零件的塑性变形能力。

附图说明

图1是本发明具体实施例中电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置从中部切开的结构示意图；

图2是本发明具体实施例中电磁-电爆-准静态冲压复合成形方法的成形初始状态结构示意图。

图3是本发明具体实施例中电磁-电爆-准静态冲压复合成形方法的凸模第一次拉型后的结构示意图；

图4是本发明具体实施例中电磁-电爆-准静态冲压复合成形方法的金属电爆元件第一次放电后的结构示意图；

图5是本发明具体实施例中电磁-电爆-准静态冲压复合成形方法的凸模第二次拉型后的结构示意图；

图6是本发明具体实施例中电磁-电爆-准静态冲压复合成形方法的金属电爆元件第二次放电后的结构示意图；

图7是本发明具体实施例中电磁-电爆-准静态冲压复合成形方法最后结束时的变形结果图。

图例说明：

1、底板；11、进出孔；2、凹模；3、凸模；4、压边圈；5、径向侧推线圈；51、上侧推线圈；52、下侧推线圈；6、金属电爆元件；7、传力介质；8、待成形板材。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

如图1至图7所示，一种大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置，包括底板1、凹模2、凸模3，凸模3位于凹模2的正上方，凹模2上部设有压边圈4，压边圈4与凹模2之间设有径向侧推线圈5，待成形板材8的边缘固定在径向侧推线圈5内，凹模2深度大于凸模3的高度，凹模2内设有若干个能***放电的金属电爆元件6，若干个金属电爆元件6沿凹模2同心排列，金属电爆元件6与外接电源连接，金属电爆元件6通电后可发生气化；待成形板材8完全覆盖凹模2上端时，凹模2内充满有传力介质7，底板1上设有供传力介质7进出的进出孔11。

本实施例中，金属电爆元件6为金属管、金属丝或金属薄片中的任一种。

本实施例中，金属管或金属丝的直径为0.1mm，金属薄片的厚度为0.1mm。

本实施例中，金属电爆元件6在待成形板材8下方随多次变形过程分多次设置或随一次变形过程一次设置完成，金属电爆元件6气化后产生瞬时高压并驱动待成形板材8高速向凸模3方向变形，最终使待成形板材8在高压下与凸模3完全贴合。

本实施例中，凹模2上底面上设有凹槽A，凹槽A内设有下侧推线圈52；压边圈4下底面上设有凹槽B，凹槽B内设有上侧推线圈51；下侧推线圈52和上侧推线圈51对称设置，待成形板材8的边缘固定在下侧推线圈52和上侧推线圈51之间。

本实施例中，传力介质7为纯净水。

本实施例中，金属电爆元件6的形状与待成形板材8的形状一致，因为本实施例中待成形板材8为环形结构，所以本实施例使用的金属电爆元件6的结构也为环形结构。

一种大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形方法，采用上述的大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置，包括如下步骤：

1)预拉形：将凸模3下压，对待成形板材进行准静态冲压的预拉形，预拉形至待成形板材8的待变形区域靠近金属电爆元件6；

2)电磁-电爆成形：对金属电爆元件6通电，使金属电爆元件6在电流作用下发生气化，向金属电爆元件6周围产生强大压强并驱动传力介质7膨胀，传力介质7进一步驱动其周边的待成形板材8向凸模3方向变形进行电爆成形过程；与此同时，径向侧推线圈5通电，使待成形板材8法兰部位的材料向待成形板材8中心方向流动进行电磁变形过程，以配合金属电爆元件6气化所促使待成形板材8发生的快速变形；并在传力介质7的压力作用下待成形板材8与凸模3完全贴合，最终完成待成形板材8的变形过程；

3)依次重复步骤1)和2)，直至待成形板材8完全与凸模3贴合。

本实施例中，步骤2)中的电爆成形过程为一次进行完成或分层/分区域多次进行完成。

本实施例中，步骤2)中包含对传力介质7的温度调整，传力介质7的温度能从-200℃到待成形板材8熔化温度区间任意调节。

Claims (10)

1.一种大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置，包括底板(1)、凹模(2)、凸模(3)，所述凸模(3)位于凹模(2)的正上方，所述凹模(2)上部设有压边圈(4)，压边圈(4)与凹模(2)之间设有径向侧推线圈(5)，待成形板材(8)的边缘固定在径向侧推线圈(5)内，凹模(2)深度大于凸模(3)的高度，其特征在于：所述凹模(2)内设有若干个能***放电的金属电爆元件(6)，若干个所述金属电爆元件(6)沿凹模(2)同心排列，金属电爆元件(6)与外接电源连接；待成形板材(8)完全覆盖凹模(2)上端时，凹模(2)内充满有传力介质(7)，所述底板(1)上设有供传力介质(7)进出的进出孔(11)。

2.根据权利要求1所述的大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置，其特征在于：所述金属电爆元件(6)为金属管、金属丝或金属薄片中的任一种。

3.根据权利要求2所述的大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置，其特征在于：所述金属管或金属丝的直径为0.001～10mm，所述金属薄片的厚度为0.001～10mm。

4.根据权利要求2所述的大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置，其特征在于：所述金属电爆元件(6)在待成形板材(8)下方随多次变形过程分多次设置或随一次变形过程一次设置完成，金属电爆元件(6)气化后产生瞬时高压并驱动待成形板材(8)高速向凸模(3)方向变形，最终使待成形板材(8)在高压下与凸模(3)完全贴合。

5.根据权利要求1所述的大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置，其特征在于：所述凹模(2)上底面上设有凹槽A，凹槽A内设有下侧推线圈(52)；所述压边圈(4)下底面上设有凹槽B，凹槽B内设有上侧推线圈(51)；所述下侧推线圈(52)和上侧推线圈(51)对称设置，待成形板材(8)的边缘固定在下侧推线圈(52)和上侧推线圈(51)之间。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置，其特征在于：所述传力介质(7)为液体或气体。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置，其特征在于：所述金属电爆元件(6)的形状与待成形板材(8)的形状一致，当待成形板材(8)为环形结构时，金属电爆元件(6)的结构也为环形结构，当待成形板材(8)为片状结构时，金属电爆元件(6)的结构也为片状结构。

8.一种大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形方法，其特征在于：采用权利要求1-7中任一项所述的大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形装置，包括如下步骤：

1)预拉形：将凸模(3)下压，对待成形板材(8)进行准静态冲压的预拉形，预拉形至待成形板材(8)的待变形区域靠近金属电爆元件(6)；

2)电磁-电爆成形：对金属电爆元件(6)通电，使金属电爆元件(6)在电流作用下发生气化，向金属电爆元件(6)周围产生强大压强并驱动传力介质(7)膨胀，传力介质(7)进一步驱动其周边的待成形板材(8)向凸模(3)方向变形进行电爆成形过程；与此同时，径向侧推线圈(5)通电，使待成形板材(8)法兰部位的材料向待成形板材(8)中心方向流动进行电磁变形过程，以配合金属电爆元件(6)气化所促使待成形板材(8)发生的快速变形；并在传力介质(7)的压力作用下待成形板材(8)与凸模(3)完全贴合，最终完成待成形板材(8)的变形过程；

3)依次重复步骤1)和2)，直至待成形板材(8)完全与凸模(3)贴合。

9.根据权利要求8所述的大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形方法，其特征在于：步骤2)中的电爆成形过程为一次进行完成或分层/分区域多次进行完成。

10.根据权利要求8或9所述的大型板材的电磁-电爆-准静态冲压复合成形方法，其特征在于：步骤2)中包含对传力介质(7)的温度调整，传力介质(7)的温度能从-200℃到待成形板材(8)熔化温度区间任意调节。