CN109865760A - 一种基于模块化集磁器的电磁成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模块化集磁器的电磁成形装置与方法，该装置包括成形线圈、模具、工件以及多个集磁器模块。将工件与模具相邻放置，模块化集磁器与工件相邻放置，电磁线圈与模块化集磁器相邻放置，电源通过电缆与成形线圈连接。当电源开关闭合后，成形线圈将通过脉冲电流，进而在周围产生脉冲磁场，脉冲磁场通过模块化集磁器的集磁效应将电磁力集中于目标成形区域，实现预期变形行为；针对不同的成形需求，通过多个集磁器模块之间的灵活组合，实现不同的集磁效果。本发明通过集磁器的模块化工作方式，实现对电磁成形力场的有效控制，能够提高力场调控的灵活性，降低装备的成本，通过单套装备即可满足多种丰富的成形需求，显著拓展工艺的柔性。

Description

一种基于模块化集磁器的电磁成形装置及方法

技术领域

本发明属于金属成形制造技术领域，更具体地，涉及一种基于模块化集磁器的电磁成形装置及方法。

背景技术

全球化能源危机，使得铝合金等轻合金材料广泛使用于各个工业领域。然而，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。电磁成形技术因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装备的成形柔性。虽然从理论上讲，通过改变线圈的几何结构可实现任意分布的电磁力，然而实际应用中，由于成形线圈自身承受了巨大的电磁、热、机械载荷，极其容易发生破坏，线圈结构的设计往往受到诸多限制。这造成了线圈柔性和线圈寿命之间的冲突和矛盾，而基于现阶段的技术，目前仅通过线圈结构来调节力场分布的成形方法的成本依然较高，难度依然较大。

集磁器是电磁成形中用于辅助成形线圈来调节力场分布的重要装置，在板管类零件成形中都有应用。集磁器通常由良导体加工而成，在实际使用中，通常放置于工件和成形线圈之间，通过导体对脉冲磁场的屏蔽作用，实现对磁场空间分布的调节，进而实现对力场分布的调节。虽然集磁器的引入有效降低了线圈结构设计的难度，同时提高了工艺的成形柔性，然而，现有集磁器的缺点也很显著。集磁器通常是由块状良导体(如铜)通过机械加工而成，对于大尺寸零件的成形，集磁器需要大量的导体原材料，其材料成本和加工成本都很高。进一步地，现有的集磁器所能实现的力场分布由其几何构型决定，而对某一特定的集磁器，其所能实现的力场分布时固定的，无法通过单一集磁器实现多种时间分布的力场；这使得集磁器的柔性和通用性非常有限。较高的成本、受限的柔性和通用性限制了集磁器更广泛的应用。

上述两点现存的技术瓶颈表明，为拓展电磁成形的应用，急需提出柔性更高、成本更低的电磁成形装置与工艺方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有电磁成形装置仅通过线圈结构来调节力场分布的成形方法的成本依然较高，难度依然较大，或者无法通过单一集磁器实现多种时间分布的力场，使得集磁器的柔性和通用性非常有限的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种基于模块化集磁器的电磁成形装置，包括：成形线圈、模具、工件以及多个模块化的集磁器；

所述成形线圈位于工件上方，用于通过脉冲电流放电在其周围产生脉冲磁场；

所述多个模块化集磁器位于成形线圈和工件之间，用于通过集磁效应将电磁力集中于所述工件的待成形区域；所述多个模块化集磁器包括多个不同几何尺寸的集磁器；

所述工件位于模具上方，所述工件的待成形区域在所述电磁力的作用下变形至模具；在所述工件变形至模具的过程中，根据工件在不同变形阶段的具体形状选择多个模块化集磁器中的一个或多个集磁器组合，以通过集磁效应将电磁力集中于所述工件对应的待成形区域；

所述模具用于约束所述工件的成形形状。

可选地，该成形装置还包括：电源；所述电源用于为成形线圈提供能量，以通过脉冲电流放电驱动成形线圈产生脉冲磁场。

可选地，所述成形线圈可以由多套成形线圈构成，每套成形线圈可分别对应一个电源。

可选地，根据工件成形的几何形状，选择单次或者多次脉冲电流放电成形，在每一次脉冲电流放电时，依据当前工件的几何形貌选取所使用的一个或多个集磁器组合的数量和几何尺寸，通过对选取的集磁器优化组合，实现对每次成形电磁力空间分布的调控，以实现最佳成形效果。

第二方面，本发明提供一种基于模块化集磁器的电磁成形方法，包括以下步骤；

通过脉冲电流对成形线圈放电，以在成形线圈周围产生脉冲磁场；

通过位于成形线圈和工件之间的多个模块化集磁器的集磁效应将电磁力集中于所述工件的待成形区域；所述多个模块化集磁器包括多个不同几何尺寸的集磁器；

通过工件待成形区域所受的电磁力，作用工件以使其变形至模具；在所述工件变形至模具的过程中，根据工件在不同变形阶段的具体形状选择多个模块化集磁器中的一个或多个集磁器组合，以通过集磁效应将电磁力集中于所述工件对应的待成形区域；

通过模具约束所述工件的成形形状。

可选地，该成形方法还包括：通过电源为成形线圈提供能量，以通过脉冲电流放电驱动成形线圈产生脉冲磁场。

可选地，所述成形线圈可以由多套成形线圈构成，每套成形线圈可分别对应一个电源。

可选地，根据工件成形的几何形状，选择单次或者多次脉冲电流放电成形，在每一次脉冲电流放电时，依据当前工件的几何形貌选取所使用的一个或多个集磁器组合的数量和几何尺寸，通过对选取的集磁器优化组合，实现对每次成形电磁力空间分布的调控，以实现最佳成形效果。

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，具有以下有益效果：

本发明提供的电磁成形装置和方法，通过集磁器的模块化工作方式的创新，显著增强了对脉冲电磁力空间分布调控的灵活性，提升了工艺的成形柔性，同时，显著降低了装备的制造难度，加工和维护成本，也有助于提高工艺的成形能力。

附图说明

图1(a)是本发明实施例提供的集磁器工作原理示意图；

图1(b)是本发明实施例提供的集磁器组件俯视图；

图1(c)是本发明实施例提供的集磁器工作原理示意图；

图2(a)是本发明实施例提供的电磁成形装置第一次放电成形前示意图；

图2(b)是本发明实施例提供的电磁成形装置第一次放电成形后示意图；

图3(a)是本发明实施例提供的电磁成形装置第二次放电成形前示意图；

图3(b)是本发明实施例提供的电磁成形装置第二次放电成形后示意图；

图4(a)是本发明实施例提供的电磁成形装置第三次放电成形前示意图；

图4(b)是本发明实施例提供的电磁成形装置第三次放电成形后示意图；

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 为成形线圈、2为工件、3为模块化集磁器、4为模具、5为电源。

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。

本发明提供了一种基于模块化集磁器的电磁成形装置及方法。通过电源对成形线圈放电，在成形线圈产生脉冲大电流，进而在周围空间产生脉冲强磁场；通过对模块化集磁器的灵活组合，实现对磁场空间分布的柔性调控，实现对电磁成形力场分布的有效调控，进而实现对工件变形行为的有效、合理控制。通过将集磁器进行模块化的创新设计，可通过一套***，实现集磁器的多种几何构型，进而实现多种力场分布形式。其带来的显著效益在于，可通过一套***，满足多种成形功能，显著提供了成形柔性；同时，模块化的集磁器，还显著降低了使用和维护成本，若出现集磁器的破坏，仅需对部分模块进行维修或更换，而无需像常规集磁器一样，整体进行维护。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于模块化集磁器的电磁成形装置，包括成形线圈、电源、模具、工件、多个模块化的集磁器；所述工件与所述模具相邻放置，所述的模块化集磁器与工件相邻放置，所述成形线圈和所述集磁器之间，所述电源与所述成形线圈通过电缆连接。

优选地，所述的模块化集磁器的几何结构，可根据所述工件和所述模具的几何形状，及其电学、力学性能等参数，进行优化设置和组合；通过对所述模块化集磁器几何结构的灵活配置，实现脉冲电磁力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。

优选地，成形线圈不限于单线圈，电源不限于单电源***，成形线圈和电源可以分别由多套成形线圈和电源***构成，以实现更为丰富的力场调控。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于模块化集磁器的电磁成形装置方法，包括如下步骤：

步骤(1)：将所述的多个模块化集磁器，依据所述工件和所述模具的几何形貌进行优化组合和安装；

步骤(2)：将所述的工件与所述的模具相邻；

步骤(3)：将所述的模块化集磁器，放置于所述工件的位于所述模具相反的另一侧；

步骤(4)：将所述的成形线圈，放置于所述的模块化集磁器的位于所述工件的另一侧；

步骤(5)：将所述的电源通过电缆与所述的成形线圈连接；

步骤(6)：通过所述电源对所述成形线圈放电，产生巨大的脉冲电流，产生脉冲强磁场，在所述工件区域感应脉冲电磁力，而同时通过所述的模块化集磁器对电磁力空间分布进行有效调控，最终实现所述工件的成形加工。

优选地，所述的成形方法可根据工件几何复杂度，分别采用单次或者多次放电成形的工艺，在每一次放电时，依据当前工件的几何形貌选取所使用的集磁器基本组件的数量和几何尺寸，通过对集磁器模块的优化组合，实现对每次成形工艺的参数优化，最终实现成形工艺的全局优化，实现最佳成形效果。

本发明实施例的电磁成形装置包括：包括成形线圈1、工件2、模块化集磁器3、模具4、电源5。工件2与模具4相邻放置，模块化集磁器3与工件2相邻放置，成形线圈1与模块化集磁器3相邻放置，电源5与成形线圈1通过电缆连接。其中，模块化集磁器3由3套集磁器基本组件(3-1， 3-2和3-3)构成，通过3套基本组件(3-1，3-2和3-3)的有机组合，实现不同力场需求。

电源5用于为成形线圈1提供能量，驱动成形线圈1产生脉冲磁场；模具4用于定义目标成形形貌，模块化集磁器3用于调控脉冲磁场的空间分布，实现对工件2脉冲电磁力空间分布的控制。

如图1(a)、图1(b)和图1(c)所示，用于金属板材电磁成形的集磁器，其基本工作原理是通过感应涡流，改变成形线圈所产生脉冲磁场的磁通路径，进而改变其空间分布，进而实现对工件电磁力的调控。其中，集磁器的几何结构是电磁力空间分布调控的关键参数。

如图2(a)所示，在首次放电成形时，工件2的初始状态为2-1，为平板毛坯，其成形需要对位于模具4型腔上方的工件2-1平面区域施加电磁力。此时，采用集磁器组件3-1，将脉冲电磁力施加于位于集磁器组件3-1下方的工件2-1平面投影区域，驱动其高速变形，如图2(b)所示，将工件2 由状态2-1驱动至2-2状态。

如图3(a)所示，在二次放电成形时，工件2的初始状态为2-2，具有曲面轮廓，其成形需要对位于模具-4型腔上方的工件2-2区域施加电磁力。此时，将集磁器组件3-1、3-2进行组合，将脉冲电磁力施加于位于集磁器组件3-1、3-2下方的工件2-2曲面投影区域，驱动其高速变形，如图3(b) 所示，将工件2由状态2-2驱动至2-3状态。

如图4(a)所示，在三次放电成形时，工件2的初始状态为2-3，具有曲面轮廓，且与图1(c)所示的2-2状态相比具有更深的成形深度；其成形需要对位于模具4型腔上方的工件2-3区域施加电磁力。此时，将集磁器组件3-1、3-2、3-3进行组合，将脉冲电磁力施加于位于集磁器组件3-1、 3-2、3-3下方的工件2-3曲面投影区域，驱动其高速变形，如图4(b)所示，将工件2由状态2-3驱动至2-4状态，即贴模状态。

本发明实施例的基于模块化集磁器的电磁成形方法包括如下步骤：

步骤(1)：依据工件和模具的几何形貌，对多个模块化集磁器进行优化组合和安装；

步骤(2)：将工件与模具相邻；

步骤(3)：将模块化集磁器放置工件的位于模具相反的另一侧；

步骤(4)：将成形线圈放置于模块化集磁器的位于工件的另一侧；

步骤(5)：将电源通过电缆与成形线圈连接；

步骤(6)：通过电源对所述成形线圈放电，产生巨大的脉冲电流，产生脉冲强磁场，在工件区域感应脉冲电磁力，而同时通过所述的模块化集磁器对电磁力空间分布进行有效调控，最终实现所述工件的成形加工。

本发明并不局限于上述实施例。具体地，本发明提供的电磁成形方法既可用于板材零件的加工，亦可用于管材零件的加工。本发明提供的电磁成形装置和方法既可采用单次放电成形工艺，亦可采用多次放电成形工艺。成形线圈和电源可以分别由多套成形线圈和电源***构成。

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)

1.一种基于模块化集磁器的电磁成形装置，其特征在于，包括：成形线圈、模具、工件以及多个模块化的集磁器；

所述成形线圈位于工件上方，用于通过脉冲电流放电在其周围产生脉冲磁场；

所述多个模块化集磁器位于成形线圈和工件之间，用于通过集磁效应将电磁力集中于所述工件的待成形区域；所述多个模块化集磁器包括多个不同几何尺寸的集磁器；

所述工件位于模具上方，所述工件的待成形区域在所述电磁力的作用下变形至模具；在所述工件变形至模具的过程中，根据工件在不同变形阶段的具体形状选择多个模块化集磁器中的一个或多个集磁器组合，以通过集磁效应将电磁力集中于所述工件对应的待成形区域；

所述模具用于约束所述工件的成形形状。

2.根据权利要求1所述的基于模块化集磁器的电磁成形装置，其特征在于，还包括：电源；

所述电源用于为成形线圈提供能量，以通过脉冲电流放电驱动成形线圈产生脉冲磁场。

3.根据权利要求1所述的基于模块化集磁器的电磁成形装置，其特征在于，所述成形线圈可以由多套成形线圈构成，每套成形线圈可分别对应一个电源。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于模块化集磁器的电磁成形装置，其特征在于，根据工件成形的几何形状，选择单次或者多次脉冲电流放电成形，在每一次脉冲电流放电时，依据当前工件的几何形貌选取所使用的一个或多个集磁器组合的数量和几何尺寸，通过对选取的集磁器优化组合，实现对每次成形电磁力空间分布的调控，以实现最佳成形效果。

5.一种基于模块化集磁器的电磁成形方法，其特征在于，包括以下步骤；

通过脉冲电流对成形线圈放电，以在成形线圈周围产生脉冲磁场；

通过位于成形线圈和工件之间的多个模块化集磁器的集磁效应将电磁力集中于所述工件的待成形区域；所述多个模块化集磁器包括多个不同几何尺寸的集磁器；

通过工件待成形区域所受的电磁力，作用工件以使其变形至模具；在所述工件变形至模具的过程中，根据工件在不同变形阶段的具体形状选择多个模块化集磁器中的一个或多个集磁器组合，以通过集磁效应将电磁力集中于所述工件对应的待成形区域；

通过模具约束所述工件的成形形状。

6.根据权利要求5所述的基于模块化集磁器的电磁成形方法，其特征在于，还包括：

通过电源为成形线圈提供能量，以通过脉冲电流放电驱动成形线圈产生脉冲磁场。

7.根据权利要求5所述的基于模块化集磁器的电磁成形方法，其特征在于，所述成形线圈可以由多套成形线圈构成，每套成形线圈可分别对应一个电源。

8.根据权利要求5至7任一项所述的基于模块化集磁器的电磁成形方法，其特征在于，根据工件成形的几何形状，选择单次或者多次脉冲电流放电成形，在每一次脉冲电流放电时，依据当前工件的几何形貌选取所使用的一个或多个集磁器组合的数量和几何尺寸，通过对选取的集磁器优化组合，实现对每次成形电磁力空间分布的调控，以实现最佳成形效果。