本發(fā)明屬于金屬成形制造領(lǐng)域，更具體地，涉及一種電磁深成形裝置及方法。

背景技術(shù)：

節(jié)能和環(huán)保的要求促使鋁合金為代表的高強(qiáng)度輕質(zhì)合金材料在先進(jìn)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)成形技術(shù)在高強(qiáng)度輕質(zhì)合金材料加工應(yīng)用中遇到重大障礙，主要體現(xiàn)為輕質(zhì)合金塑性差、難成形，亟需一種新的成形技術(shù)。研究表明，高速率成形時(shí)，材料的成形性能得到顯著提高。電磁成形是一種利用洛倫茲力使金屬材料成形的快速制造技術(shù)，屬于高速率成形，能極大地提高材料的成形性能。但在進(jìn)行深沖型構(gòu)件成形時(shí)，一方面，其與傳統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)成形均面臨工件易減薄的問題，另一方面，對(duì)于復(fù)雜工件來說，電磁成形技術(shù)下工件的貼模性有待提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決傳統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)成形輕質(zhì)合金塑性差、易撕裂，以及貼模性差、工藝要求高問題，本發(fā)明提出了一種可以兼顧提升材料拉深成形極限和提高板件成形精度的電磁深成形裝置及方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提供了一種電磁深成形裝置，包括：

驅(qū)動(dòng)線圈，用于當(dāng)通入第一脈沖電流時(shí)產(chǎn)生第一變化磁場(chǎng)；

固定單元，位于驅(qū)動(dòng)線圈上方，用于約束驅(qū)動(dòng)線圈；

成形沖頭，位于驅(qū)動(dòng)線圈下方，用于當(dāng)受到軸向脈沖電磁力時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，并通過與待成形板件直接接觸將軸向脈沖電磁力傳遞至待成形板件上；軸向脈沖電磁力是由第一變化磁場(chǎng)與第一渦流作用后產(chǎn)生的，第一渦流是由第一變化磁場(chǎng)產(chǎn)生的；

助推線圈，位于待成形板件法蘭區(qū)域的上方，用于當(dāng)通入第二脈沖電流時(shí)產(chǎn)生第二變化磁場(chǎng)；第二變化磁場(chǎng)在待成形板件上產(chǎn)生第二渦流，由第二變化磁場(chǎng)與第二渦流作用在待成形板件上產(chǎn)生助推脈沖電磁力，助推脈沖電磁力用于促進(jìn)待成形板件法蘭區(qū)域材料向成形模具的腔體內(nèi)部流動(dòng)，并為待成形板件法蘭區(qū)域提供壓邊力；

壓邊單元，位于助推線圈上方，用于約束助推線圈；

成形模具，位于待成形板件下表面，設(shè)有腔體，通過腔體與成形沖頭配合使待成形板件加工至所需形狀；

且第一脈沖電流寬度小于第二脈沖電流寬度，第一脈沖電流觸發(fā)時(shí)刻晚于第二脈沖電流觸發(fā)時(shí)刻。

本發(fā)明提供的電磁深成形裝置，由驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的第一變化磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)成形沖頭快速運(yùn)動(dòng)，成形沖頭撞擊金屬板件成形，提高工件的成形速度，由于第一脈沖電流寬度小于第二脈沖電流寬度，第一脈沖電流觸發(fā)時(shí)刻晚于第二脈沖電流觸發(fā)時(shí)刻，在每一個(gè)軸向脈沖電磁力驅(qū)動(dòng)成形沖頭撞擊待成形板件成形的過程中，在待成形板件的法蘭區(qū)域都存在助推脈沖電磁力，促進(jìn)材料流動(dòng)性，有效減少待成形板件在成形過程中由于材料減薄而造成待成形板件撕裂。同時(shí)由成形沖頭撞擊待成形板件成形，能夠保成形過程中的貼膜性。因此，本發(fā)明提供的電磁深成形裝置能夠兼顧提升材料拉深成形極限和提高板件成形精度。

優(yōu)選地，成形沖頭包括：

驅(qū)動(dòng)板，位于驅(qū)動(dòng)線圈下方，用于當(dāng)受到第一變化磁場(chǎng)后感應(yīng)出第一渦流，第一變化磁場(chǎng)與第一渦流作用產(chǎn)生軸向脈沖電磁力，由軸向脈沖電磁力驅(qū)使驅(qū)動(dòng)板向下運(yùn)動(dòng)；以及

空心沖頭，與驅(qū)動(dòng)板固定連接，同驅(qū)動(dòng)板共同向下運(yùn)動(dòng)，用于并通過與待成形板件直接接觸將軸向脈沖電磁力傳遞至待成形板件上。

成形沖頭采用空心結(jié)構(gòu)，在保證沖頭外形不變的情況下，減輕沖頭的質(zhì)量，提高成形沖頭向下運(yùn)動(dòng)的速度，提高待成形板件的成形性能。

優(yōu)選地，助推線圈的外徑大于待成形板件的直徑，且助推線圈覆蓋待成形板件的法蘭區(qū)域。

優(yōu)選地，助推線圈包括多個(gè)助推子線圈，每個(gè)助推子線圈為環(huán)形結(jié)構(gòu)，多個(gè)助推子線圈依次嵌套排列，并位于待成形板件法蘭區(qū)域的上方，且當(dāng)待成形板件邊緣行進(jìn)至任意一個(gè)助推子線圈時(shí)，該助推子線圈通入脈沖電流。

優(yōu)選地，成形模具底部開有排氣孔，用于平衡待成形板件上表面與下表面的壓強(qiáng)。

優(yōu)選地，成形模具上設(shè)有凸臺(tái)，用于讓助推線圈不與待成形板件直接接觸。

作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種電磁深成形方法，包括如下步驟：

(1)通過電磁感應(yīng)在待成形板件法蘭區(qū)域產(chǎn)生助推脈沖電磁力，助推脈沖電磁力用于加快待成形板件法蘭區(qū)域的材料向成形模具的腔體內(nèi)部流動(dòng)，并為待成形板件提供壓邊力；

(2)在每個(gè)助推脈沖電磁力持續(xù)期間，通過成形沖頭與待成形板件直接接觸施加軸向脈沖電磁力于待成形板件上，并通過成形沖頭與成形模具之間配合使待成形板件加工成所需形狀。

進(jìn)一步地，包括如下步驟：

當(dāng)每個(gè)助推脈沖力達(dá)到峰值時(shí)，通過成形沖頭與待成形板件直接接觸施加軸向脈沖電磁力于待成形板件上。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1、采用脈沖電磁力驅(qū)動(dòng)成形沖頭，使成形沖頭快速向下運(yùn)動(dòng)，通過與待成形板件直接接觸傳遞脈沖電磁力，有效的提高了板件的成形速率，同時(shí)在用脈沖電磁力驅(qū)動(dòng)輕質(zhì)沖頭成形的過程中通過助推線圈產(chǎn)生脈沖電磁力，促進(jìn)材料向模具內(nèi)部流動(dòng)，可以讓成形部分有材料填充，與傳統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)沖壓成形比較，能顯著提高材料的成形極限。同時(shí)，利用成形沖頭與成形模具進(jìn)行高速?zèng)_壓，與現(xiàn)有的電磁成形技術(shù)相比，能顯著改善貼模性，提高電磁能轉(zhuǎn)化率、有效的減小工件回彈，提高成形精度。

2、通過固定單元在驅(qū)動(dòng)線圈上方提供壓力，保證第一電源單元放電過程中，待成形板件產(chǎn)生變形向下位移時(shí)，不會(huì)因?yàn)槌尚螞_頭撞擊工件而使裝置振動(dòng)，從而導(dǎo)致壓邊單元墜落致使損壞設(shè)備。

3、助推線圈的外徑大于待成形工件的直徑，確保了助推線圈對(duì)待成形板件法蘭區(qū)域徑向作用力的整體趨勢(shì)是向成形模具的腔體內(nèi)部，同時(shí)助推線圈覆蓋法蘭區(qū)域，可以為整個(gè)待成形板件法蘭區(qū)域提供均勻的助推脈沖電磁徑向力。

4、排氣孔控制成形過程中待成形板件與成形模具間的壓強(qiáng)，使待成形板件不會(huì)因?yàn)樯媳砻媾c下表面壓強(qiáng)過大而導(dǎo)致板件的變形。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：

圖1為本發(fā)明提供的電磁深成形裝置的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的第一實(shí)施例、第二實(shí)施例以及第三實(shí)施例中助推線圈在待成形板件的法蘭區(qū)域產(chǎn)生第二渦流和脈沖電磁力的原理圖；

圖3為本發(fā)明提供的第一實(shí)施例、第二實(shí)施例以及第三實(shí)施例中助推線圈放電電流和驅(qū)動(dòng)線圈中放電電流的時(shí)序示意圖；

圖4為本發(fā)明提供的電磁深成形裝置的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明提供的電磁深成形裝置的第二實(shí)施例中多個(gè)助推子線圈的連線示意圖；

圖6為本發(fā)明提供的電磁深成形裝置的第二實(shí)施例中多個(gè)助推子線圈的工作示意圖，其中，(a)為最外層線圈工作示意圖，(b)為次外層線圈工作示意圖，(c)為中間層線圈工作示意圖，(d)最內(nèi)層線圈工作示意圖；

圖7為本發(fā)明提供的電磁深成形裝置的第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中各部分標(biāo)號(hào)說明：1：驅(qū)動(dòng)線圈、2：成形沖頭、2-1：驅(qū)動(dòng)板、2-2：空心沖頭、3：固定單元、4：壓邊單元、5：助推線圈、6：待成形板件、7：成形模具、8：排氣孔、9：電源單元、10-1：第二脈沖電流、10-2：第二渦流方向、11-1：助推脈沖徑向電磁力、11-2：助推脈沖軸向電磁力、12-1：第二脈沖電流波形、12-2：第一脈沖電流波形。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

為保證下述的三種實(shí)施方式中各部件的標(biāo)號(hào)的一致性，在某些實(shí)施方式對(duì)應(yīng)的附圖中，其標(biāo)號(hào)存在連續(xù)的情形，特此說明。

1、第一實(shí)施方式

圖1為本發(fā)明提供的電磁深成形裝置的第一實(shí)施方式。該裝置包括驅(qū)動(dòng)線圈1、成形沖頭2、固定單元3、壓邊單元4、助推線圈5、成形模具7、電源單元9。

電源單元9包括驅(qū)動(dòng)線圈電源9-2和助推線圈電源9-1，驅(qū)動(dòng)線圈電源9-2為驅(qū)動(dòng)線圈1提供脈沖電壓，驅(qū)動(dòng)線圈電源9-1為助推線圈5提供脈沖電壓。驅(qū)動(dòng)線圈1用于產(chǎn)生第一交變磁場(chǎng)，成形沖頭2位于驅(qū)動(dòng)線圈1的下方，由第一交變磁場(chǎng)在成形沖頭2上產(chǎn)生第一渦流，第一渦流與第一交變磁場(chǎng)作用，在成形沖頭2上產(chǎn)生軸向脈沖電磁力，驅(qū)動(dòng)成形沖頭向下運(yùn)動(dòng)。助推線圈5位于待成形板件法蘭區(qū)域的上方，壓邊單元4位于助推線圈5的上方，成形模具7位于待成形板件下方，助推線圈5在電源9-1放電的情況下，通過第二脈沖電流。如圖2所示，由第二脈沖電流在待成形板件上感應(yīng)出第二渦流10-2，該第二渦流與助推線圈中電流方向相反，于是產(chǎn)生背離助推線圈5的助推脈沖電磁力，該助推脈沖電磁力又可以分解為助推脈沖電磁徑向力11-1和助推脈沖電磁軸向力11-2。助推脈沖電磁徑向力11-1用于使待成形板件法蘭區(qū)域的金屬材料向成形模具的腔體內(nèi)流動(dòng)；助推脈沖電磁軸向力和壓邊單元4共同為待成形板件法蘭區(qū)域提供壓邊力。防止待成形板件在加工成形過程中翹起，影響成形精度。此時(shí)，壓邊單元4起到將助推線圈5固定在凹模模具7上，防止反作用力導(dǎo)致助推線圈5移動(dòng)。

由于助推線圈在待加工板件上產(chǎn)生的脈沖電磁力總是背離助推線圈，當(dāng)助推線圈的外徑大于待成形工件的直徑，能夠保證待加工板件上的助推脈沖徑向力總是朝向成形模具腔體內(nèi)部流動(dòng)，在成形沖頭每次撞擊待成形板件時(shí)，待成形板件的材料能夠及時(shí)流入材料減薄區(qū)域，提高材料的成形性能，且助推線圈覆蓋待成形工件的法蘭區(qū)域的區(qū)域，能夠保證在待成形板件成形過程中可以為整個(gè)待成形板件法蘭區(qū)域提供均勻的助推脈沖電磁徑向力。

本發(fā)明提供的電磁深成形的裝置還包括固定單元3，固定單元3包括上固定板、下固定板和固定螺栓，上固定板位于驅(qū)動(dòng)線圈的上方，下固定板位于成形模具的下方，上固定板和下固定板通過固定螺栓連接，固定單元用于約束驅(qū)動(dòng)線圈，與驅(qū)動(dòng)線圈受到的軸向脈沖電磁力平衡。固定單元可以為液壓機(jī)。

在上述成形模具底部上設(shè)有排氣孔8，確保了成形過程中工件與模具間的壓強(qiáng)，不會(huì)因?yàn)檫^大而影響板件的變形。

成形沖頭2包括驅(qū)動(dòng)板2-1和空芯沖頭2-2，驅(qū)動(dòng)板2-1位于驅(qū)動(dòng)線圈下方，驅(qū)動(dòng)板2-1為導(dǎo)體，例如銅，由驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)交變電磁場(chǎng)能夠在驅(qū)動(dòng)板2-1內(nèi)產(chǎn)生第一渦流，由第一渦流和第一交變磁場(chǎng)產(chǎn)生軸向脈沖電磁力，驅(qū)使驅(qū)動(dòng)板2-1向下運(yùn)動(dòng)，空芯沖頭與驅(qū)動(dòng)板2-1連接，由驅(qū)動(dòng)板2-1帶動(dòng)空芯沖頭運(yùn)動(dòng)，空芯沖頭直接與待成形板件接觸，將脈沖電磁力傳遞至待成形板件上。該結(jié)構(gòu)的成形沖頭2可以保證沖頭大小與形狀不變的情況下，減輕成形沖頭的重量，提高成形沖頭的速度，有利于提高成形性能。

驅(qū)動(dòng)線圈電源9-2與助推線圈電源9-1可以采用相同結(jié)構(gòu)，即包括放電電容和電阻，放電電容通過電阻與驅(qū)動(dòng)線圈或通過電阻與助推線圈形成的回路放電，產(chǎn)生脈沖電流。

如圖3所示，成形沖頭2主要為待成形板件6提供軸向脈沖力，其驅(qū)動(dòng)力來自于驅(qū)動(dòng)線圈電源9-2對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈進(jìn)行放電，當(dāng)助推線圈5中的的第二脈沖電流12-1快達(dá)到峰值時(shí)刻，此時(shí)待加工板件的材料流動(dòng)性能最高，驅(qū)動(dòng)線圈1通過第一脈沖電流12-2，該第一脈沖電流在成形沖頭的驅(qū)動(dòng)板上產(chǎn)生反向的第一渦流，進(jìn)而產(chǎn)生背離驅(qū)動(dòng)線圈、強(qiáng)度極大的脈沖電磁力，驅(qū)動(dòng)成形沖頭撞擊金屬板件成形，有效的降低材料的減薄，提升材料拉深成形極限。電源單元為驅(qū)動(dòng)線圈和助推線圈提供時(shí)序、能量可控的放電，由于第一脈沖電流的脈沖寬度小于第二脈沖電流的脈沖寬度，第一脈沖電流的觸發(fā)時(shí)刻位于第二脈沖電流的峰值時(shí)刻，可以保證每次待成形板件受到軸向脈沖電磁力時(shí)待成形板件的材料流動(dòng)性好。通過助推線圈5和驅(qū)動(dòng)線圈1的結(jié)構(gòu)和空間分布，電源的放電能量和放電時(shí)序調(diào)控，就可以實(shí)現(xiàn)沖壓成形過程中軸向脈沖電磁力和助推脈沖電磁力的配合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)沖壓成形中材料流動(dòng)的控制，提高極限成形深度。

2、第二實(shí)施方式

如圖4所示，本發(fā)明提供的第二實(shí)施方式中助推線圈5結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施方式中助推線圈5結(jié)構(gòu)不同，其他結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施方式的相同，助推線圈5由多個(gè)位于待成形板件法蘭區(qū)域的助推子線圈構(gòu)成。助推子線圈呈環(huán)形結(jié)構(gòu)，多個(gè)助推子線圈依次嵌套布置。

圖5為多個(gè)助推子線圈與第二電源單元的連接方式，各助推子線圈一端連接一起后由一個(gè)銅排引出形成觸頭，該觸頭與第二電源單元9-1一端連接，各助推子線圈的另一端各自連接一個(gè)銅排單獨(dú)引出形成觸頭，多個(gè)觸頭均通過開關(guān)與助推子線圈電源單元9-1另一端連接。

圖6為待成形板件加成形過程中助推線圈中各助推子線圈的通電順序圖；初始時(shí)，圖6(a)，待成形板件法蘭區(qū)域外邊緣位于助推線圈中最外層助推子線圈的作用區(qū)域，經(jīng)過一次或多次放電后，待成形板件法蘭區(qū)域外邊緣遠(yuǎn)離最外層助推子線圈，而進(jìn)入次外層助推子線圈的作用區(qū)域。通過調(diào)整電源單元放電端的電路，觸發(fā)次外層助推子線圈繼續(xù)向待成形板件法蘭區(qū)域邊緣提供電磁力進(jìn)行助推，如圖6(b)所示。重復(fù)上述過程，如圖6(c)和如圖6(d)，隨著成形過程中待成形板件法蘭區(qū)域邊緣不斷向中心移動(dòng)，相應(yīng)地改變第二電源單元中開關(guān)的狀態(tài)，直到整個(gè)成形結(jié)束。

助推線圈5中的助推子線圈由待成形板件的邊緣向內(nèi)均勻分布，且通過控制助推子線圈通入電流順序，使得待成形板件在深成形的過程中，在法蘭區(qū)域產(chǎn)生助推電磁力的助推子線圈將始終集中在待成形板件的邊緣，能夠有效的提升推送材料的效率。

通過并聯(lián)的方式連接助推線圈中的各個(gè)助推子線圈，通過選擇特定觸頭，實(shí)現(xiàn)助推待加工板材材料流動(dòng)的電磁力場(chǎng)分布的控制，即實(shí)現(xiàn)助推電磁力的控制，僅用一套電源就可實(shí)現(xiàn)深成形過程中的整個(gè)助推過程，設(shè)備要求和安裝難度極大的降低。同時(shí)，整套系統(tǒng)至多只需要兩個(gè)獨(dú)立的電源就可實(shí)現(xiàn)為助推線圈和驅(qū)動(dòng)線圈供電，降低了線圈放電時(shí)序配合的難度，提升了整個(gè)成形過程的可靠性。

3、第三實(shí)施方式

如圖7所示，本發(fā)明提供的第三實(shí)施方式中成形模具7結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施方式中成形模具7結(jié)構(gòu)不同，其他結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施方式的相同。

成形模具7表面設(shè)有凸臺(tái)，該凸臺(tái)的高度能夠保證助推線圈5放置在成形模具7上時(shí)，能夠不接觸待成形板件6的上表面。在深成形的過程中，由于助推線圈與待成形板件直接接觸，待成形板件的材料向成形模具的腔體內(nèi)流動(dòng)時(shí)，待成形板件的材料與助推線圈發(fā)生位移，兩者之間產(chǎn)生強(qiáng)大的摩擦力，導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)刮痕而受損。通過在成形模具上設(shè)置凸臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在不直接接觸的情況下，為板件提供了壓邊力，能夠滿足一些對(duì)表面光滑度有要求的成形工件加工。

作為本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供的電磁深成形方法，其具體實(shí)施方法包括：

S1：將待成形板件6置于成形模具7與助推線圈5之間，并用壓邊塊4壓緊；

S2：成形沖頭2置于待成形板件6上方；

S3：驅(qū)動(dòng)線圈1置于成形沖頭2上，并用固定單元3壓緊；

步驟四：第二電源單元9-1對(duì)助推線圈5放電，在待成形板件上產(chǎn)生助推脈沖電磁力，助推脈沖電磁力可以分解為助推脈沖電磁徑向力和助推脈沖電磁軸向力，助推脈沖電磁徑向力推送金屬板件材料向成形模具的腔體內(nèi)部流動(dòng)，助推脈沖電磁軸向力用于為待成形板件提供壓邊力；

步驟五：在第二脈沖電流觸發(fā)后，第一電源單元9-2對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈1放電，產(chǎn)生第一脈沖電流，第一脈沖電流在成形沖頭上產(chǎn)生第一交變磁場(chǎng)，產(chǎn)生強(qiáng)大的軸向脈沖電磁力驅(qū)動(dòng)成形沖頭撞擊金屬板件成形，并保證助推線圈中的脈沖電寬度大于助推線圈中脈沖電流寬度，可以使待成形板件每次成形過程中材料的流動(dòng)性能高；優(yōu)選脈沖電流接近峰值時(shí)刻，電源控制系統(tǒng)9-2對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈1放電，此時(shí)待成形板件中材料流動(dòng)性最大，成形性能最佳。

步驟六：重復(fù)步驟三、四、五，直至完成待成形板件的深成形。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。