CN110014067A - 一种均压力线圈式的电磁成形装置和成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均压力线圈式的电磁成形装置，包括线圈金属导线、绝缘体和能与待成形金属工件形成闭合回路的导体，待成形金属工件放置在线圈金属导线的上方，所述导体与待成形金属工件直接接触，所述待成形金属工件与线圈金属导线不直接接触，所述线圈金属导线放置在绝缘体内并与绝缘体构成一个放电线圈，本发明还包括上述均压力线圈式的电磁成形装置的成形方法。本发明可以大幅度简化均压力线圈结构和提高线圈使用寿命。

Description

一种均压力线圈式的电磁成形装置和成形方法

技术领域

本发明涉及材料塑性成形的电磁成形技术领域，具体涉及一种均压力线圈式的电磁成形装置和成形方法。

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。

工作线圈是将电能转化为磁场能使工件变形的重要部件，其结构设计直接影响工件的成形质量、成形效率和线圈使用寿命。目前板材电磁成形所采用的平面线圈虽然具有较好的使用强度和使用寿命，但存在磁压力分布不均的缺陷，这相当程度上限制了平板毛坯电磁成形工艺的应用范围。鉴于此，俄亥俄州立大学的G.S.Daehn教授团队在文献“Auniform pressure electromagnetic actuator for forming flat sheets”中提出了一种适合板料成形的均压力线圈。该线圈通过在类似螺线管线圈外部设置一个凹形导体通道，该外部通道和板料组成了一个封闭的电流回路。在文献“Magnetic forcedistribution and deformation law of sheet using uniform pressureelectromagnetic actuator”中，崔晓辉等采用有限元方法分析了均压力磁场力的产生原理。但该均压力线圈的制作工艺复杂，需要制作一个类似螺线管线圈和一个外部金属通道，再将两者用绝缘材料固化在一起。并且由于线圈的受力形式，往往线圈的底部会发生鼓起，造成线圈失效。

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，提供一种均压力线圈式的电磁成形装置和成形方法，它可以大幅度简化均压力线圈结构和提高线圈使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种均压力线圈式的电磁成形装置，包括线圈金属导线、绝缘体和能与待成形金属工件形成闭合回路的导体，待成形金属工件放置在线圈金属导线的上方，所述导体与待成形金属工件直接接触，所述待成形金属工件与线圈金属导线不直接接触，所述线圈金属导线放置在绝缘体内并与绝缘体构成一个放电线圈。

作为上述技术方案的进一步改进：所述线圈金属导线所在平面与待成形金属工件所在平面平行，只有这样磁场力才会均匀。

进一步，所述导体由金属材料制成，包括金属凹模、线圈外部金属套和金属板条中的全部、任意两个或任意一个。

进一步，所述导体的电导率为1E-8Ω·m～1E-5Ω·m。

进一步，所述导体包括导电凹模、线圈外部导电套和导电板条中的全部、任意两个或任意一个，只要满足上述中的任一种情况，即可以跟待成形金属工件上的电流构成回路，导电凹模是放置于待成形金属工件上方，线圈外部导电套是放置于待成形金属工件下方，导电板条更加节省材料，放置的位置更加方便。

进一步，所述线圈金属导线为一维直线、二维曲线或三维曲线中的任何一种，所述线圈金属导线的形状与正对待成形金属工件的表面形状相匹配。

一种均压力线圈式的电磁成形方法，采用上述的均压力线圈式的电磁成形装置，包括如下步骤：

1)将待成形金属工件放置在线圈金属导线的正上方位置的绝缘体上，再在待成形金属工件上放置直接接触并能与之形成闭合回路的导体，向线圈金属导线中通入脉冲电流，在待成形金属工件上得到感应电流；

2)待成形金属工件与导体构成一个闭合电流回路，使待成形金属工件获得均匀的磁压力，在磁压力作用下，待成形金属工件沿着导体发生均匀的塑性变形。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、和传统的螺线管线圈与外部通道组合而成的均压力线圈相比，本发明装置和方法中的均压力线圈采用传统的平面线圈结构，具有较高的使用强度，由于无需专门的外部通道，可大幅度降低线圈的复杂性；

2、传统的均匀压力线圈，只能通过螺线圈与外部通道组合而成，本发明所采用的均压力线圈，能够根据需要采用金属工件与金属凹模、线圈外部金属套和金属板条的某一种或几种方式自由组合，大幅度提高均匀压力线圈的使用范围；

3、传统的均匀压力线圈主要针对平板成形，对于异形结构，需要将螺线管线圈和外部通道均设计为异形结构，结构会极其复杂，而本发明的均压力线圈，只需将线圈金属导线绕制为异形形状，再加入一个能与待成形金属工件构成电流回路的导体即可(线圈金属导线绕制可采用手工绕制或机械绕制，或者线切割当很容易得到异形形状)，可以大幅度降低线圈装置的制作难度，提高线圈的使用领域。

附图说明

图1是实施例1中待成形金属工件与金属凹模构成回路的2D均压力线圈结构；

图2是实施例1中待成形金属工件与金属凹模成回路的3D均压力线圈结构立体图；

图3是图2的相对立体图；

图4是实施例1中线圈金属导线通电示意图；

图5是实施例1中待成形金属工件和金属凹模上感应得到的电流方向示意图；

图6是实施例1中有限元模拟得到金属凹模内腔对应板料上的磁场力分布；

图7是实施例1中的线圈金属导线的结构示意图；

图8是实施例2中待成形金属工件与线圈外部金属套构成回路的均压力线圈结构；

图9是实施例2中的线圈金属导线的结构示意图

图10是实施例3中待成形金属工件与金属板条构成回路的2D均压力线圈的主视图；

图11是实施例3中待成形金属工件与金属板条构成回路的2D示意图的俯视图。

图例说明：

1、线圈金属导线；2、绝缘体；3、待成形金属工件；4、导体；41、金属凹模；42、线圈外部金属套；43、金属板条；5、闭合回路；6、电流方向。

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。

实施例1：

如图1至7所示，一种均压力线圈式的电磁成形装置，包括线圈金属导线1、绝缘体2和能与待成形金属工件3形成闭合回路的导体4，形成的闭合回路如附图3和附图6中的标号5所示，待成形金属工件3放置在线圈金属导线1的上方，导体4与待成形金属工件3直接接触，待成形金属工件3与线圈金属导线1不直接接触，线圈金属导线1放置在绝缘体2内并与绝缘体2构成一个放电线圈，线圈金属导线1通电时产生的电流方向如附图4中的标号6所示。

本实施例中，线圈金属导线1所在平面分别与待成形金属工件3所在平面平行。

本实施例中，导体4由金属材料制成，导体4为金属凹模41。

本实施例中，导体4的电导率为1E-8Ω·m～1E-5Ω·m。

本实施例中，线圈金属导线1为一维直线结构，线圈金属导线1的形状与正对的待成形金属工件3的表面平行。

一种均压力线圈式的电磁成形方法，采用上述的均压力线圈式的电磁成形装置，包括如下步骤：

1)将待成形金属工件3放置在线圈金属导线1的正上方位置的绝缘体2上，再在待成形金属工件3上放置直接接触并能与之形成闭合回路的导体4，向线圈金属导线1中通入脉冲电流，在待成形金属工件3上得到感应电流；

2)待成形金属工件3与导体4构成一个闭合电流回路，使待成形金属工件3获得均匀的磁压力，在磁压力作用下，待成形金属工件3沿着导体4发生均匀的塑性变形。

实施例2：

如图8和图9所示，一种均压力线圈式的电磁成形装置，包括线圈金属导线1、绝缘体2和能与待成形金属工件3形成闭合回路的导体4，待成形金属工件3放置在线圈金属导线1的上方，导体4与待成形金属工件3直接接触，待成形金属工件3与线圈金属导线1不直接接触，线圈金属导线1放置在绝缘体2内并与绝缘体2构成一个放电线圈。

本实施例中，线圈金属导线1所在平面分别与待成形金属工件3所在平面平行。

本实施例中，导体4由金属材料制成，导体4为线圈外部金属套42。

本实施例中，导体4的电导率为1E-8Ω·m～1E-5Ω·m。

本实施例中，线圈金属导线1为二维曲线结构，线圈金属导线1的形状与正对待成形金属工件3的表面平行。

一种均压力线圈式的电磁成形方法，采用上述的均压力线圈式的电磁成形装置，包括如下步骤：

1)将待成形金属工件3放置在线圈金属导线1的正上方位置的绝缘体2上，再在待成形金属工件3上放置直接接触并能与之形成闭合回路的导体4，向线圈金属导线1中通入脉冲电流，在待成形金属工件3上得到感应电流；

2)待成形金属工件3与导体4构成一个闭合电流回路，使待成形金属工件3获得均匀的磁压力，在磁压力作用下，待成形金属工件3沿着导体4发生均匀的塑性变形。

实施例3：

如图10至图11所示，一种均压力线圈式的电磁成形装置，包括线圈金属导线1、绝缘体2和能与待成形金属工件3形成闭合回路的导体4，待成形金属工件3放置在线圈金属导线1的上方，导体4与待成形金属工件3直接接触，待成形金属工件3与线圈金属导线1不直接接触，线圈金属导线1放置在绝缘体2内并与绝缘体2构成一个放电线圈。

本实施例中，线圈金属导线1所在平面分别与待成形金属工件3所在平面平行。

本实施例中，导体4由金属材料制成，导体4为金属板条43和金属凹模41的组合。

本实施例中，导体4的电导率为1E-8Ω·m～1E-5Ω·m。

本实施例中，线圈金属导线1由一维和二维结构组成，线圈金属导线1的形状与正对待成形金属工件3的表面平行。

一种均压力线圈式的电磁成形方法，采用上述的均压力线圈式的电磁成形装置，包括如下步骤：

1)将待成形金属工件3放置在线圈金属导线1的正上方位置的绝缘体2上，再在待成形金属工件3上放置直接接触并能与之形成闭合回路的导体4，向线圈金属导线1中通入脉冲电流，在待成形金属工件3上得到感应电流；

2)待成形金属工件3与导体4构成一个闭合电流回路，使待成形金属工件3获得均匀的磁压力，在磁压力作用下，待成形金属工件3沿着导体4发生均匀的塑性变形。

Claims (7)

1.一种均压力线圈式的电磁成形装置，其特征在于：包括线圈金属导线(1)、绝缘体(2)和能与待成形金属工件(3)形成闭合回路的导体(4)，待成形金属工件(3)放置在线圈金属导线(1)的上方，所述导体(4)与待成形金属工件(3)直接接触，所述待成形金属工件(3)与线圈金属导线(1)不直接接触，所述线圈金属导线(1)放置在绝缘体(2)内并与绝缘体(2)构成一个放电线圈。

2.根据权利要求1所述的均压力线圈式的电磁成形装置，其特征在于：所述线圈金属导线(1)所在平面与待成形金属工件(3)所在平面平行。

3.根据权利要求1所述的均压力线圈式的电磁成形装置，其特征在于：所述导体(4)由金属材料制成，包括金属凹模(41)、线圈外部金属套(42)和金属板条(43)中的全部、任意两个或任意一个。

4.根据权利要求1所述的均压力线圈式的电磁成形装置，其特征在于：所述导体(4)的电导率为1E-8Ω·m～1E-5Ω·m。

5.根据权利要求1所述的均压力线圈式的电磁成形装置，其特征在于：所述导体(4)包括导电凹模、线圈外部导电套和导电板条中的全部、任意两个或任意一个。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的均压力线圈式的电磁成形装置，其特征在于：所述线圈金属导线(1)为一维直线、二维曲线或三维曲线中的任何一种，所述线圈金属导线(1)的形状与正对待成形金属工件(3)的表面形状相匹配。

7.一种均压力线圈式的电磁成形方法，其特征在于：采用权利要求1-5中任一项所述的均压力线圈式的电磁成形装置，包括如下步骤：

1)将待成形金属工件(3)放置在线圈金属导线(1)的正上方位置的绝缘体(2)上，再在待成形金属工件(3)上放置直接接触并能与之形成闭合回路的导体(4)，向线圈金属导线(1)中通入脉冲电流，在待成形金属工件(3)上得到感应电流；

2)待成形金属工件(3)与导体(4)构成一个闭合电流回路，使待成形金属工件(3)获得均匀的磁压力，在磁压力作用下，待成形金属工件(3)沿着导体(4)发生均匀的塑性变形。