基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置及成形方法與流程

本發明涉及一種金屬板材成形裝置及成形方法，屬于金屬材料加工成形領域。

背景技術：

近年來，隨著能源和環境問題的日漸突出，以鋁合金、鎂合金和鈦合金為代表的輕合金材料的應用越來越廣泛，輕合金材料早已成為與人類生活、生產和社會發展密不可分的重要材料。

輕合金板材的復雜成形一直以來都是金屬材料加工成形領域的熱門課題。常溫下，輕合金板材的塑性較差，在進行復雜成形的過程中，輕合金板材易發生斷裂。采用熱成形工藝雖然能夠顯著地提升輕合金板材的成形性能，但是現有的熱成形工藝的周期較長，成本較高，不適用于大規模量產。

磁脈沖成形工藝是一種新興的成形技術，具有高速率成形的優點，能夠大幅度地提升金屬板材的成形性能。但是，現有的磁脈沖成形工藝仍存在以下問題：

一、現有的磁脈沖成形工藝僅適用于高導電率的材料，對低導電率材料的成形效果較差。

二、現有的磁脈沖成形工藝因電磁力的瞬時性和慣性的不可控性，導致金屬板材在變形時的貼模性差。因此，現有的磁脈沖成形工藝的成形精度較差，不適用于精度要求高的復雜成形。

三、現有的磁脈沖成形工藝所用的平板線圈的通用性差，成形不同形狀的構件時需要制作與構件形狀相匹配的線圈，且制作難度較大。

技術實現要素：

本發明為解決現有磁脈沖成形工藝僅適用于高導電率材料的成形，成形精度低以及所用平板線圈的通用性差的問題，提出了一種基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置及成形方法。

本發明所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置包括壓力單元、氣脹成形單元、加熱單元、第一高壓氣體儲存單元1、第二高壓氣體儲存單元2、氣體增壓單元3、電磁脈沖發生單元和壓縮單元；

氣脹成形單元包括凹模4和支撐體5，凹模4的底面開口，支撐體5的頂面開口，待成形的輕合金板材6的外緣固定設置在凹模4的開口端與支撐體5的開口端之間，支撐體5與待成形的輕合金板材6構成氣室；

壓力單元用于對待成形的輕合金板材6的外緣施加壓力，所述壓力可調；

加熱單元用于加熱待成形的輕合金板材6；

所述氣室、第一高壓氣體儲存單元1和第二高壓氣體儲存單元2的內部兩兩連通，氣體增壓單元3用于為第二高壓氣體儲存單元2內的氣體增壓；

電磁脈沖發生單元包括高壓脈沖發生子單元和平板線圈11，高壓脈沖發生子單元與平板線圈11構成電氣回路；

壓縮單元包括前端14和后端15，所述前端14用于承受來自于平板線圈11的磁場力，所述后端15用于將第一高壓氣體儲存單元1的氣體擠壓入所述氣室。

進一步的是，壓力單元為液壓機。

進一步的是，氣脹成形單元還包括上模座板16、上模套板17、下模座板18和下模套板19；

上模套板17固定設置在上模座板16的底面上，凹模4固定設置在上模套板17內；

下模套板19固定設置在下模座板18的頂面上，支撐體5固定設置在下模套板19內；

凹模4與上模套板17、支撐體5與下模套板19和凹模4與支撐體5均榫卯連接；

在凹模4與支撐體5的交接環面處設置有第一密封圈。

進一步的是，在上模套板17的內壁上、靠近其頂面的位置，圍繞著其中心軸線水平設置有第一凹槽；

在凹模4的外壁上、靠近其頂面的位置，圍繞著其中心軸線水平設置有第一凸條；

在下模套板19的內壁上、靠近其底面的位置，圍繞著其中心軸線水平設置有第二凹槽；

在支撐體5的外壁上、靠近其底面的位置，圍繞著其中心軸線水平設置有第二凸條；

第一凹槽與第一凸條匹配，第二凹槽與第二凸條匹配；

凹模4的開口端與支撐體5的開口端均為環周階梯狀，里側階梯和外側階梯同軸設置，凹模4的開口端與支撐體5的開口端互相咬合；

上模套板17與下模套板19通過導柱23與導套24對合。

進一步的是，加熱單元包括多個加熱棒20，多個加熱棒20均勻且貫穿設置在凹模4和支撐體5內。

進一步的是，高壓脈沖發生子單元包括升壓變壓器、整流器7、限流電阻8、儲能電容9和限位開關10，升壓變壓器的原邊線圈12的第一端和第二端分別為交流電源的正極接入端和負極接入端，升壓變壓器的副邊線圈13的第一端通過整流器7與限流電阻8的第一端相連，限流電阻8的第二端同時與儲能電容9的第一端和限位開關10的第一端相連，限位開關10的第二端與平板線圈11的第一端相連，平板線圈11的第二端同時與儲能電容9的第二端和升壓變壓器的副邊線圈13的第二端相連。

進一步的是，所述前端14和后端15均為圓盤結構，所述前端14和后端15通過連接桿固定設置，在所述前端14上設置有驅動片，驅動片與平板線圈11的環面相對且接觸；

所述后端15設置在第一高壓氣體儲存單元1內，在所述后端15的環面上設置有第二密封圈。

進一步的是，在成形裝置的氣路上設置有第一閥門21和第二閥門22；

第一閥門21用于控制所述氣室與第二高壓氣體儲存單元2之間的氣路通斷；

第二閥門22用于控制第一高壓氣體儲存單元1與第二高壓氣體儲存單元2之間的氣路通斷；

第一閥門21和第二閥門22用于共同控制所述氣室與第一高壓氣體儲存單元1之間的氣路的通斷。

本發明所述的成形方法基于所述成形裝置來實現，所述成形方法包括：

步驟一、將待成形的輕合金板材6固定設置在凹模4與支撐體5之間，并通過壓力單元對待成形的輕合金板材6的外緣施加壓力；

步驟二、保持所述氣室與第一高壓氣體儲存單元1和第二高壓氣體儲存單元2之間、第一高壓氣體儲存單元1與第二高壓氣體儲存單元2之間的氣路連通，并通過氣體增壓單元3對第二高壓氣體儲存單元2內的氣體進行第一次增壓；

步驟三、采用加熱單元對待成形的輕合金板材6進行加熱；

步驟四、通過高壓脈沖發生子單元產生高壓脈沖，作用于平板線圈11，進而對待成形的輕合金板材6進行快速預成形；

步驟五、保持所述氣室與第二高壓氣體儲存單元2之間的氣路的連通，并關斷第一高壓氣體儲存單元1與所述氣室和第二高壓氣體儲存單元2之間的氣路，采用氣體增壓單元3對第二高壓氣體儲存單元2內的氣體進行第二次增壓，直至待成形的輕合金板材6完成貼模成形。

本發明所述的成形裝置及成形方法，采用氣脹的方式對待成形的輕合金板材進行成形處理，解決了現有磁脈沖成形工藝僅適用于高導電率材料的成形和所用平板線圈的通用性差的問題。

本發明所述的成形裝置及成形方法，高壓脈沖發生子單元產生的高壓脈沖流經平板線圈，平板線圈周圍產生強大磁場，所述前端位于磁場中，壓縮單元因磁場力的作用，將第一高壓氣體儲存單元的氣體擠壓入所述氣室，快速地對待成形的輕合金板材進行預成形。之后，通過氣體增壓單元為第二高壓氣體儲存單元增壓，第二高壓氣體儲存單元內的高壓氣體流入所述氣室作用于預成形后的輕合金板材，使其完全貼于凹模的模面，實現了高精度的成形，有效地解決了現有磁脈沖成形工藝的成形精度低的問題。

本發明具有加工能量易于精確控制、成形速度快、成形精度高、成形模具簡單、設備通用性強和綠色無污染等特點。本發明將磁脈沖成形和氣脹熱成形結合起來，充分利用了二者的復合優勢，通過磁脈沖高速率沖擊與準靜態氣脹使輕合金板材發生高速變形與準靜態成形，解決復雜構件的高精度成形問題，具有重要的理論意義和廣闊的應用前景。為板材的高精度加工提供了一種安全、高效、清潔的復合成形方法。

附圖說明

在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發明所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置及成形方法進行更詳細的描述，其中：

圖1為實施例一所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置的結構示意圖；

圖2為實施例六提及的電磁脈沖發生單元的電路原理圖；

圖3a為實施例四提及的上模座板的剖視圖；

圖3b為實施例四提及的上模座板的俯視圖；

圖4a為實施例四提及的下模座板的剖視圖；

圖4b為實施例四提及的下模座板的俯視圖；

圖5a為實施例四提及的上模套板的剖視圖；

圖5b為實施例四提及的上模套板的俯視圖；

圖6a為實施例四提及的下模套板的剖視圖；

圖6b為實施例四提及的下模套板的俯視圖；

圖7a為實施例四提及的凹模的剖視圖；

圖7b為實施例四提及的凹模的俯視圖；

圖8a為實施例四提及的支撐體的剖視圖；

圖8b為實施例四提及的支撐體的俯視圖。

在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標記。附圖并未按照實際的比例。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置及成形方法進一步說明。

實施例一：下面結合圖1詳細地說明本實施例。

本實施例所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置包括壓力單元、氣脹成形單元、加熱單元、第一高壓氣體儲存單元1、第二高壓氣體儲存單元2、氣體增壓單元3、電磁脈沖發生單元和壓縮單元；

氣脹成形單元包括凹模4和支撐體5，凹模4的底面開口，支撐體5的頂面開口，待成形的輕合金板材6的外緣固定設置在凹模4的開口端與支撐體5的開口端之間，支撐體5與待成形的輕合金板材6構成氣室；

壓力單元用于對待成形的輕合金板材6的外緣施加壓力，所述壓力可調；

加熱單元用于加熱待成形的輕合金板材6；

所述氣室、第一高壓氣體儲存單元1和第二高壓氣體儲存單元2的內部兩兩連通，氣體增壓單元3用于為第二高壓氣體儲存單元2內的氣體增壓；

電磁脈沖發生單元包括高壓脈沖發生子單元和平板線圈11，高壓脈沖發生子單元與平板線圈11構成電氣回路；

壓縮單元包括前端14和后端15，所述前端14用于承受來自于平板線圈11的磁場力，所述后端15用于將第一高壓氣體儲存單元1的氣體擠壓入所述氣室。

在采用本實施例所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置對輕合金板材進行成形的過程中，既包含高速率的磁脈沖效應又包含準靜態氣脹成形中的熱效應，先通過磁脈沖高速率沖擊間接地對輕合金板材進行快速預成形，再采用氣脹方式使預成形后的輕合金板材實現最終的貼模成形，規避了現有磁脈沖成形工藝存在的問題。

實施例二：本實施例是對實施例一所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置作進一步的限定。

本實施例所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置，壓力單元為液壓機。

實施例三：本實施例是對實施例二所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置作進一步的限定。

本實施例所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置，氣脹成形單元還包括上模座板16、上模套板17、下模座板18和下模套板19；

上模套板17固定設置在上模座板16的底面上，凹模4固定設置在上模套板17內；

下模套板19固定設置在下模座板18的頂面上，支撐體5固定設置在下模套板19內；

凹模4與上模套板17、支撐體5與下模套板19和凹模4與支撐體5均榫卯連接；

在凹模4與支撐體5的交接環面處設置有第一密封圈。

在本實施例中，通過調整第一密封圈的彈性和厚度，通過液壓機調整凹模對待成形的輕合金板材的壓邊力，能夠提高板材的成形性能。

實施例四：下面結合圖3a至圖8b詳細地說明本實施例。本實施例是對實施例三所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置作進一步的限定。

本實施例所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置，在上模套板17的內壁上、靠近其頂面的位置，圍繞著其中心軸線水平設置有第一凹槽；

在凹模4的外壁上、靠近其頂面的位置，圍繞著其中心軸線水平設置有第一凸條；

在下模套板19的內壁上、靠近其底面的位置，圍繞著其中心軸線水平設置有第二凹槽；

在支撐體5的外壁上、靠近其底面的位置，圍繞著其中心軸線水平設置有第二凸條；

第一凹槽與第一凸條匹配，第二凹槽與第二凸條匹配；

凹模4的開口端與支撐體5的開口端均為環周階梯狀，里側階梯和外側階梯同軸設置，凹模4的開口端與支撐體5的開口端互相咬合；

上模套板17與下模套板19通過導柱23與導套24對合。

本實施例的上模套板與下模套板通過導柱和導套配合安裝合模，安裝精度高，進而保證了輕合金板材的成形精度。導柱和導套的設置也為開模取出板材成形件提供了方便。

實施例五：下面結合圖1詳細地說明本實施例。本實施例是對實施例四所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置作進一步的限定。

本實施例所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置，加熱單元包括多個加熱棒20，多個加熱棒20均勻且貫穿設置在凹模4和支撐體5內。

本實施例的多個加熱棒均勻且貫穿設置在凹模和支撐體內，用于間接地對待成形的輕合金板材進行均勻加熱，加熱效果好，能夠有效地提升輕合金板材的塑性和成形性能。

實施例六：下面結合圖2詳細地說明本實施例。本實施例是對實施例五所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置作進一步的限定。

本實施例所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置，高壓脈沖發生子單元包括升壓變壓器、整流器7、限流電阻8、儲能電容9和限位開關10，升壓變壓器的原邊線圈12的第一端和第二端分別為交流電源的正極接入端和負極接入端，升壓變壓器的副邊線圈13的第一端通過整流器7與限流電阻8的第一端相連，限流電阻8的第二端同時與儲能電容9的第一端和限位開關10的第一端相連，限位開關10的第二端與平板線圈11的第一端相連，平板線圈11的第二端同時與儲能電容9的第二端和升壓變壓器的副邊線圈13的第二端相連。

實施例七：下面結合圖1詳細地說明本實施例。本實施例是對實施例六所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置作進一步的限定。

本實施例所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置，所述前端14和后端15均為圓盤結構，所述前端14和后端15通過連接桿固定設置，在所述前端14上設置有驅動片，驅動片與平板線圈11的環面相對且接觸；

所述后端15設置在第一高壓氣體儲存單元1內，在所述后端15的環面上設置有第二密封圈。

實施例八：下面結合圖1詳細地說明本實施例。本實施例是對實施例七所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置作進一步的限定。

本實施例所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置，在成形裝置的氣路上設置有第一閥門21和第二閥門22；

第一閥門21用于控制所述氣室與第二高壓氣體儲存單元2之間的氣路通斷；

第二閥門22用于控制第一高壓氣體儲存單元1與第二高壓氣體儲存單元2之間的氣路通斷；

第一閥門21和第二閥門22用于共同控制所述氣室與第一高壓氣體儲存單元1之間的氣路的通斷。

在本實施例中，通過在所述成形裝置的氣路上設置第一閥門和第二閥門，能夠靈活地控制所述氣室、第一高壓氣體儲存單元與第二高壓氣體儲存單元之間氣路的通斷。

實施例九：本實施例所述的輕合金板材成形方法基于實施例一所述的基于電磁脈沖的輕合金板材氣脹成形裝置來實現，所述方法包括：

步驟一、將待成形的輕合金板材6固定設置在凹模4與支撐體5之間，并通過壓力單元對待成形的輕合金板材6的外緣施加壓力；

步驟二、保持所述氣室與第一高壓氣體儲存單元1和第二高壓氣體儲存單元2之間、第一高壓氣體儲存單元1與第二高壓氣體儲存單元2之間的氣路連通，并通過氣體增壓單元3對第二高壓氣體儲存單元2內的氣體進行第一次增壓；

步驟三、采用加熱單元對待成形的輕合金板材6進行加熱；

步驟四、通過高壓脈沖發生子單元產生高壓脈沖，作用于平板線圈11，進而對待成形的輕合金板材6進行快速預成形；

步驟五、保持所述氣室與第二高壓氣體儲存單元2之間的氣路的連通，并關斷第一高壓氣體儲存單元1與所述氣室和第二高壓氣體儲存單元2之間的氣路，采用氣體增壓單元3對第二高壓氣體儲存單元2內的氣體進行第二次增壓，直至待成形的輕合金板材6完成貼模成形。

雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發明，但是應該理解的是，這些實施例僅是本發明的原理和應用的示例。因此應該理解的是，可以對示例性的實施例進行許多修改，并且可以設計出其他的布置，只要不偏離所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍。應該理解的是，可以通過不同于原始權利要求所描述的方式來結合不同的從屬權利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結合單獨實施例所描述的特征可以使用在其他所述實施例中。