CN114733954B - 一种可调高频振动辅助的电磁成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可调高频振动辅助的电磁成形装置，包括背景磁场模块、高频振动辅助模块与电磁成形模块；所述背景磁场模块，为工件提供背景磁场；所述高频振动辅助模块，为工件提供交流电，使工件产生高频振动；所述电磁成形模块，为工件提供脉冲大电流以产生脉冲电磁力，使工件完成变形；本发明提供的方法能够有效地提高线圈的使用寿命和金属材料的成形性能，特别是降低低电导率金属材料的成形难度，且成形控制更加灵活。

Description

一种可调高频振动辅助的电磁成形装置及方法

技术领域

本发明涉及金属成形领域，特别是指一种可调高频振动辅助的电磁成形装置及方法。

背景技术

轻量化是提高运载器件控制稳定性、承载极限能力、节约燃料消耗、助力节能减排的重要技术手段。交通运输、航空航天、军事等领域对高性能、轻量化的构件成形具有高要求，但各类轻质合金材料在室温下的成形性能受限，且容易发生回弹、起皱、破裂等问题，难以达到理想的成形效果。

电磁成形是突破现有金属材料加工技术瓶颈的热门研究方向之一，其具有高速率、非接触、工装设备简单、能量利用率高等特点。特别地，有研究显示高应变速率有助于改善室温下铝、镁等合金的成形性能，显著提高金属的成形极限，这在加工制造业领域拥有广阔的应用前景。

存在不足的是，当采用电磁成形技术对低电导率的高强度金属进行塑性变形时，工件通过电磁感应产生的感应涡流幅值较低，所产生的洛伦兹力通常不足以使工件发生变形，亦或者是成形深度难以满足需求。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种可调高频振动辅助的电磁成形装置及方法，通过高频振动对材料性能的影响，有效地提高成形线圈的使用寿命和金属材料的成形性能，降低低电导率金属材料的成形难度，提升成形控制的灵活性。

本发明采用如下技术方案：

一种可调高频振动辅助的电磁成形装置，包括背景磁场模块、高频振动辅助模块与电磁成形模块；

所述背景磁场模块，为工件提供背景磁场；

所述高频振动辅助模块，为工件提供交流电，使工件产生高频振动；

所述电磁成形模块，为工件提供脉冲大电流以产生脉冲电磁力，使工件完成变形。

具体地，所述背景磁场模块包括电容器组C₁放电回路与背景磁场线圈；

所述电容器组C₁放电回路，用于将特定参数的脉冲大电流施加到背景磁场线圈上；

所述背景磁场线圈，用于在成形区域中产生空间背景电磁场。

具体地，所述高频振动辅助模块中包括交流放电回路，为工件提供特定频率和幅值的交流电，在背景磁场和交流电的作用下，工件可产生高频振动。

具体地，所述电磁成形模块中包括电容器组C₂放电回路，用于将特定参数的脉冲大电流施加到待成形工件上。

具体地，待成形工件处于较为均匀的空间背景电磁场中，先直接接通交流电，工件产生高频振动，断开交流电后再接通脉冲大电流，工件发生变形。

本发明实施例另一方面提供一种可调高频振动辅助的电磁成形装置的电磁成形方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：根据待成形工件的材料、厚度、大小及成形目标，确定交流放电回路的频率与幅值；

步骤2：在已有超声振动参数作用下，通过仿真手段，对电容器组C₁与电容器组C₂放电回路中的储能电容的放电电压及放电回路电阻参数进行优化选择；

步骤3：设置所选择的交流放电参数及脉冲放电参数；

步骤4：闭合高压开关K₁，导通电容器组C₁放电回路，特定参数的脉冲大电流施加到背景磁场线圈上，在成形区域中产生空间背景电磁场。

步骤5：闭合开关K₃，导通交流放电回路，工件在电磁场与交流电的作用下产生高频振动。

步骤6：断开开关K₃，闭合高压开关K₂，电容器组C₂放电回路导通，工件在电磁场与脉冲大电流的作用下产生电磁力，发生变形。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供了一种可调高频振动辅助的电磁成形装置，包括背景磁场模块、高频振动辅助模块与电磁成形模块；所述背景磁场模块，为工件提供背景磁场；所述高频振动辅助模块，为工件提供交流电，使工件产生高频振动；所述电磁成形模块，为工件提供脉冲大电流以产生脉冲电磁力，使工件完成变形；本发明提供的方法能够有效地提高成形线圈的使用寿命和金属材料的成形性能，降低低电导率金属材料的成形难度，提升成形控制的灵活性。

2、本发明将高频振动引入到电磁成形技术中，发生高频振动后的工件，降低了材料的屈服强度和流动应力，有助于减小后续电磁成形阶段工件成形所需的成形力。同时，由于高频振动和电磁成形均采用直接对工件放电的方式，工件内的电流处于较高水平，使得其内的电塑性和热效应显著，降低工件的成形难度，有利于改善金属工件的成形性能及提高成形质量。

3、本发明高频振动及电磁成形过程中，均采用直接向工件放电的方式，因而工件中的电流受自身电导率影响非常小，适用于低电导率的金属材料成形，且无需额外附加组件即可保证工件内的电流均匀。

4、本发明工件自然接入放电回路中，工件的高频振动直接由交流电源结合强磁场产生，无需额外的接触式振动装置。

5、本发明装置可分别对交流回路中的放电频率与幅值、电容器组放电回路中的电容电压进行预设及调控，可根据不同工件的材料属性设置合适的电源参数，产生不同大小的振动与成形力，以满足不同金属材料的成形需求，达到理想的成形目标，使电源的控制更为灵活和优化。

6、本发明由于采用直接通入电流的方式，减小了线圈与工件能量传递损耗，因此降低了对电源能量、电流大小、线圈强度的要求，一定程度上突破现有电磁成形工艺的限制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的可调高频振动辅助的电磁成形装置总体示意图；

图2为本发明实施例提供的工件所受磁场与电流示意图；

图3为本发明实施例提供的可调高频振动辅助的电磁成形装置放电回路示意图。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

一定强度的振动可以有效降低金属材料的流动应力和变形抗力，增加延伸率，使材料的成形性能发生显著变化，有助于更早的进入塑性阶段和降低工件成形所需能量。结合电磁成形技术，可望大幅度提高材料的成形极限和成形质量，有效地解决变形难、成形深度不理想等问题，为轻质材料的成形制造提供一种具有前景的新途径。

本实施例为将本发明应用在金属板件成形工艺中。图1为可调高频振动辅助的电磁成形装置总体示意图。

如图1-3示，待成形工件水平置于成形模具上方，利用压边装置对待成形工件进行固定以保证其在成形过程中不发生整体水平位移。整体的成形装置置于圆柱形的背景磁场线圈的内部中心处，使工件的成形区域受到近似均匀的持续时间较长的强磁场。工件两端接有放电回路的导线，用于交流电源与电容器组的直接放电。

装置包括背景磁场模块、高频振动辅助模块与电磁成形模块。

背景磁场模块由电容器组C₁放电回路与背景磁场线圈组成。电容器组C₁放电回路向背景磁场的大线圈施加电流，该回路放电频率较低，回路中用串联电感保护放电回路；采用圆柱形线圈作为背景磁场线圈，将待成形的工件装置置于圆柱中心内磁场均匀处，为工件的高频振动和变形提供近似均匀的强磁场。

高频振动辅助模块中的交流放电回路，交流电源通过整流器、电容滤波与逆变器向工件输送频率和幅值合适的交流电。因交流放电回路与电容器组C₂放电回路均直接与工件接通，交流电源易受脉冲放电过程中的大电流和电磁干扰而发生故障，因此，为确保电源在脉冲放电过程中能够安全可靠的运行，回路中设有隔离变压器与两个晶闸管反向并联组成的静态开关，用于保护电路安全运行；在实际装置中，回路中的导线尽可能的设置较短，避免脉冲强磁场对交流电源产生较大的影响，提高电源***的可靠性。

电磁成形模块中的电容器组C₂放电回路，直接向待成形工件施加特定参数的脉冲大电流，工件内的电流大小可由放电电容器组直接调控，因而工件中的电流受自身电导率影响非常小，且工件的电流分布近似均匀，结合背景磁场的相互作用下，能获得较为均匀的电磁力。工件内的电流方向与磁场方向相配合且保持不变，以保证工件受力方向一致与正确。为避免电流的频繁换向，在电容器两端并联由二极管及续流阻抗组成的续流回路；当续流支路导通时，反向电能迅速消耗在续流支路上，减小工件的温升，可提高电路的安全和有效性。

可分别对交流回路中的放电频率与幅值、电容器组放电回路中的电容电压进行预设及调控，产生不同大小的振动与成形力，以满足不同金属材料的成形需求，达到理想的成形目标

工件所受磁场与电流如图2所示，工件内的电流方向与磁场方向相配合且保持不变，以保证工件受力方向一致与正确。在工件的成形区域中，背景磁场线圈所产生的强磁场方向竖直向下；因而在电磁成形过程中，应使电磁成形过程中的脉冲大电流方向水平向右，从而使得工件内部产生平面向里的电磁力，即电磁力方向与成形模具所在一侧的方向一致。

可调高频振动辅助的电磁成形装置放电回路如图3所示。电容器组C₁放电回路向背景磁场线圈放电，回路中用串联电感保护放电回路。闭合开关K₃，交流放电回路中交流电源通过整流器、电容滤波与逆变器直接向工件提供频率与幅值可调的交流电；且回路中设有隔离变压器与两个晶闸管反向并联组成的静态开关，用于保护电路安全运行。断开开关K₃，闭合高压开关K₂，电容器组C₂放电回路直接接通工件，向待成形工件施加特定参数的脉冲大电流；为避免电流的频繁换向，在电容器两端并联由二极管及续流阻抗组成的续流回路，提高电路的安全和有效性。

在实际装置的设置中，考虑到脉冲强磁场对交流电源的影响，背景磁场线圈与交流电源应尽可能保持一定的安全距离，且交流放电回路的导线应尽可能的短。

装置可分别对交流回路中的放电频率与幅值、电容器组放电回路中的电容电压进行预设及调控。

在本实施例中，首先根据金属工件的材料、大小、厚度及成形目标确定交流放电回路的频率与幅值，以及电容器组放电回路的参数。闭合高压开关K₁，电容器组C₁放电回路向背景磁场线圈放电，在圆柱形的中心区域即工件的成形区域产生近似均匀的强磁场。闭合开关K₃，交流放电回路直接接通工件，向其提供频率与幅值可调的交流电，工件在强磁场与交流电的作用下产生高频振动，为后续电磁成形阶段减小所需的成形力；断开开关K₃，闭合高压开关K₂，电容器组C₂放电回路直接向工件通脉冲电流，在强磁场与脉冲大电流的作用下，工件内产生电磁力，使其发生变形。

本发明提供了一种可调高频振动辅助的电磁成形装置，包括背景磁场模块、高频振动辅助模块与电磁成形模块；所述背景磁场模块，为工件提供背景磁场；所述高频振动辅助模块，为工件提供交流电，使工件产生高频振动；所述电磁成形模块，为工件提供脉冲大电流以产生脉冲电磁力，使工件完成变形；本发明提供的方法能够有效地提高成形线圈的使用寿命和金属材料的成形性能，降低低电导率金属材料的成形难度，提升成形控制的灵活性。

本发明将高频振动引入到电磁成形技术中，发生高频振动后的工件，降低了材料的屈服强度和流动应力，有助于减小后续电磁成形阶段工件成形所需的成形力。同时，由于高频振动和电磁成形均采用直接对工件放电的方式，工件内的电流处于较高水平，使得其内的电塑性和热效应显著，降低工件的成形难度，有利于改善金属工件的成形性能及提高成形质量。

本发明高频振动及电磁成形过程中，均采用直接向工件放电的方式，因而工件中的电流受自身电导率影响非常小，适用于低电导率的金属材料成形，且无需额外附加组件即可保证工件内的电流均匀。

本发明工件自然接入放电回路中，工件的高频振动直接由交流电源结合强磁场产生，无需额外的接触式振动装置。

本发明装置可分别对交流回路中的放电频率与幅值、电容器组放电回路中的电容电压进行预设及调控，可根据不同工件的材料属性设置合适的电源参数，产生不同大小的振动与成形力，以满足不同金属材料的成形需求，达到理想的成形目标，使电源的控制更为灵活和优化。

本发明由于采用直接通入电流的方式，减小了线圈与工件能量传递损耗，因此降低了对电源能量、电流大小、线圈强度的要求，一定程度上突破现有电磁成形工艺的限制。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (5)

1.一种可调高频振动辅助的电磁成形装置，其特征在于，包括背景磁场模块、高频振动辅助模块与电磁成形模块；

所述背景磁场模块，为工件提供背景磁场；

所述高频振动辅助模块，为工件提供交流电，使工件产生高频振动；

所述电磁成形模块，为工件提供脉冲大电流以产生脉冲电磁力，使工件完成变形；

所述高频振动辅助模块中包括交流放电回路，为工件提供特定频率和幅值的交流电，在背景磁场和交流电的作用下，工件可产生高频振动。

2.如权利要求1所述的可调高频振动辅助的电磁成形装置，其特征在于，所述背景磁场模块包括电容器组C₁放电回路与背景磁场线圈；

所述电容器组C₁放电回路，用于将特定参数的脉冲大电流施加到背景磁场线圈上；

所述背景磁场线圈，用于在成形区域中产生均匀的空间背景电磁场。

3.如权利要求2所述的可调高频振动辅助的电磁成形装置，其特征在于，所述电磁成形模块中包括电容器组C₂放电回路，用于将特定参数的脉冲大电流施加到待成形工件上。

4.如权利要求3所述的可调高频振动辅助的电磁成形装置，其特征在于，待成形工件处于均匀的空间背景电磁场中，先直接接通交流电，工件产生高频振动，断开交流电后再接通脉冲大电流，工件发生变形。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述可调高频振动辅助的电磁成形装置的电磁成形方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：根据待成形工件的材料、厚度、大小及成形目标，确定交流放电回路的频率与幅值；

步骤2：在已有超声振动参数作用下，通过仿真手段，对电容器组C₁与电容器组C₂放电回路中的储能电容的放电电压及放电回路电阻参数进行优化选择；

步骤3：设置所选择的交流放电参数及脉冲放电参数；

步骤4：闭合高压开关K₁，导通电容器组C₁放电回路，特定参数的脉冲大电流施加到背景磁场线圈上，在成形区域中产生空间背景电磁场；

步骤5：闭合开关K₃，导通交流放电回路，工件在电磁场与交流电的作用下产生高频振动；

步骤6：断开开关K₃，闭合高压开关K₂，电容器组C₂放电回路导通，工件在电磁场与脉冲大电流的作用下产生电磁力，发生变形。

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