一種電磁加熱式溫熱板件電磁成形裝置及方法與流程

本發明屬于金屬成形制造領域，特別涉及一種電磁加熱式溫熱板件電磁成形裝置及方法，主要用于金屬板件的溫熱成形加工。

背景技術：

輕量化是航空航天、汽車工業等領域實現節能減排的重要技術手段。而實現輕量化的主要途徑是采用輕質合金材料，高性能鋁合金、鈦合金、鎂合金成為現代航空航天、汽車工業等實現輕量化的首選材料；電磁成形是一種高速率脈沖成形技術，能大幅改善金屬材料成形性能，是解決輕質合金成形困難的有效手段之一。

現有常溫板件電磁成形技術中，成形工件通常處于常溫成形塑性較低，局部拉延性差，容易產生裂紋；且常溫時，成形工件的剛度大，所需的成形電磁力更大。現有的溫熱電磁成形方法中，常采用加熱棒的形式對工件進行加熱，加熱效率低，且會引起其他部件溫升亦很高。

為進一步提高電磁成形對金屬材料成形性能的改善作用，提出采用電磁成形與溫熱成形相結合的方法——溫熱電磁成形方法。中國專利“鎂合金板材溫熱電磁成形方法（cn101590501a）”公開了一種能夠提高鎂合金板材成形性能的塑性加工方法——溫熱電磁成形方法，該方法通過凹模內的加熱棒加熱使鎂合金板材升溫至100-300℃。該方法通過加熱棒加熱，加熱效率低。專利“基于感應加熱及電磁成形的鎂合金/碳鋼管復合連接方法（cn104384701a）”利用同一個線圈實現感應加熱與成形功能，并將其應用于鎂合金、碳鋼管件的復合連接。因管件和板材的磁路具有明顯差異，該方法僅適用于管件，且因感應加熱和成形功能對線圈的要求不同，采用同一線圈實現可行性較差。專利“一種鈦合金板材的磁脈沖溫熱動態驅動成形裝置及其成形方法（cn104772380a）”公開了一種鈦合金板材的磁脈沖溫熱動態驅動成形裝置及方法，采用鋼套內設置加熱棒對板材進行加熱，同時采用鋁驅動片驅動鈦合金板材成形。顯然這一方法并未從本質上解決加熱效率的問題。

技術實現要素：

為此，本發明提供一種電磁加熱式溫熱板件電磁成形裝置及方法，實現了電磁加熱式溫熱板件電磁成形，成形工件在373k-573k溫度范圍內實現成形加工，可提高成形工件的成形塑性，操作簡單、加熱效率高。

本發明采取的技術方案為：

一種電磁加熱式溫熱板件電磁成形裝置，包括：

加熱線圈，用于給成形工件加熱，

l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料，

環型加熱硅鋼薄片，

高頻電源，為加熱線圈提供交流電流，

成形線圈，用于給成形工件提供電磁力，

脈沖電源，為成形線圈提供脈沖電流，

溫度傳感器，用于測量成形工件溫度，

凹模，用于約束成形工件。

多塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料按照圓周均勻布置，加熱線圈、成形線圈依次置于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊所包圍的空間內，在l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊的端部，依次放置環型加熱硅鋼薄片、成形工件、溫度傳感器、凹模，溫度傳感器位于成形工件與凹模之間且圓周均勻布置。

該裝置還包括緊貼環型加熱硅鋼薄片、遠離成形工件一側的環型絕熱片；緊貼凹模7、靠近成形工件一側的另一環型絕熱片。

所述加熱線圈采用多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導線繞制而成；成形線圈采用單根絕緣銅線和加固材料間隔繞制而成。

加熱線圈為高頻電源供電，多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導線可有效減小其損耗；成形線圈由脈沖電源供電，需要足夠的強度，故采用單根絕緣銅線和加固材料間隔繞制。

所述加熱線圈的外直徑小于等于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊所包圍的空間等效內直徑，是為了最大可能的利用徑向空間制作加熱線圈。加熱線圈和成形線圈的總高度小于等于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊的邊長，是為了最大可能的利用軸向空間制作加熱線圈和成形線圈。所述成形線圈的外直徑小于等于環型加熱硅鋼薄片的內直徑。

所述成形線圈的外直徑小于等于環型加熱硅鋼薄片的內直徑，避免用于成形工件成形的電磁力作用于環型加熱硅鋼薄片上。

所述凹模的外直徑、成形工件的外直徑、環型加熱硅鋼薄片的外直徑、l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊構成的空間等效外直徑相等，能減小磁阻，增大加熱效率。

所述l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料圓周均勻分布，總塊數為4-8個：數量太少，達不到減小磁阻的目的，數量太多，會導致單個l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料寬度不夠大。溫度傳感器位于凹模與成形工件之間且圓周均勻分布，總個數為2-6個：數量太少，不能得到各點溫度是否均勻，數量太多，測量意義不大。

本發明一種電磁加熱式溫熱板件電磁成形裝置及方法，優點在于：

1．本發明實現了電磁加熱式溫熱板件電磁成形，較傳統電磁成形而言，成形工件在373k-573k溫度范圍內實現成形加工，可提高成形工件的成形塑性。

2．本發明采用電磁加熱式溫熱板件電磁成形，較現有板材溫熱電磁成形方法而言，操作簡單，加熱效率高。

3.本發明采用加熱線圈和成形線圈單獨設計，加熱線圈采用多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導線繞制而成，而成形線圈采用單根絕緣銅線和加固材料間隔繞制而成；加熱線圈能有效減少高頻工作下的趨膚效應，成形線圈能有效抵抗脈沖大電流下的電磁力。

4.本發明采用多塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料及環型加熱硅鋼薄片構建電磁回路，可有效增加電磁加熱效率。

5.本發明采用的環型絕熱片，能加加熱區域限制在成形工件這一范圍，進一步提升電磁加熱效率。

附圖說明

圖1為電磁加熱式溫熱板件電磁成形裝置示意圖；

圖1(a)為電磁加熱式溫熱板件電磁成形裝置示意圖；

圖1(b)為電磁加熱式溫熱板件電磁成形裝置剖面示意圖。

圖2為帶環型絕熱片的電磁加熱式溫熱板件電磁成形裝置示意圖；

圖2(a)為帶環型絕熱片的電磁加熱式溫熱板件電磁成形裝置示意圖；

圖2(b)為帶環型絕熱片的電磁加熱式溫熱板件電磁成形裝置剖面示意圖。

圖3為多塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料布置示意圖；

圖3（a）為四塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料布置示意圖；

圖3（b）為五塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料布置示意圖；

圖3（c）為六塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料布置示意圖；

圖3（d）為八塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料布置示意圖。

圖4為多個溫度傳感器布置示意圖。

圖4（a）為兩個溫度傳感器布置示意圖；

圖4（b）為三個溫度傳感器布置示意圖；

圖4（c）為四個溫度傳感器布置示意圖；

圖4（d）為六個溫度傳感器布置示意圖。

圖5為加熱線圈和成形線圈截面示意圖；

圖5（a）為加熱線圈截面示意圖；

圖5（b）為成形線圈截面示意圖。

其中：1.加熱線圈；11.多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導線；2.成形線圈；21.單根絕緣銅線；22.加固材料；3.l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料；31.l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊;32.l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料橫邊;33.l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊所包圍的空間等效內直徑d1；34.l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊構成的空間等效外直徑d2；35.l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊的邊長h1；4.環型加熱硅鋼薄片；5.成形工件；6.溫度傳感器；7.凹模；8.脈沖電源；9.高頻電源；10.環型絕熱片。

具體實施方式

一種電磁加熱式溫熱板件電磁成形裝置，包括：

加熱線圈1，用于給成形工件5加熱，

l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3，

環型加熱硅鋼薄片4，

高頻電源9，為加熱線圈1提供交流電流，

成形線圈2，用于給成形工件5提供電磁力，

脈沖電源8，為成形線圈2提供脈沖電流，

溫度傳感器6，用于測量成形工件5溫度，

凹模7，用于約束成形工件5。多塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3按照圓周均勻布置，加熱線圈1、成形線圈2依次置于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊所包圍的空間內，在l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊的端部，依次放置環型加熱硅鋼薄片4、成形工件5、溫度傳感器6、凹模7，溫度傳感器6位于成形工件5與凹模7之間且圓周均勻布置。

該裝置還包括緊貼環型加熱硅鋼薄片4、遠離成形工件5一側的環型絕熱片10；緊貼凹模7、靠近成形工件5一側的環型絕熱片。

所述加熱線圈1采用多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導線繞制而成；成形線圈2采用單根絕緣銅線和加固材料間隔繞制而成。

所述加熱線圈1的外直徑小于等于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊所包圍的空間等效內直徑；加熱線圈1和成形線圈2的總高度小于等于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊的邊長。

所述成形線圈2的外直徑小于等于環型加熱硅鋼薄片4的內直徑。

所述凹模7的外直徑、成形工件5的外直徑、環型加熱硅鋼薄片4的外直徑、l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊構成的空間等效外直徑相等。

所述l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3圓周均勻分布，總塊數為4-8個；溫度傳感器6位于凹模7與成形工件5之間且圓周均勻分布，總個數為2-6個。

方案一：

一種電磁加熱式溫熱板件電磁成形方法，包括以下步驟：

第一，將l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3按照圓周均勻布置，使l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3的豎邊平行于對稱軸、橫邊指向對稱軸；

第二，將加熱線圈1、成形線圈2依次置于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊所包圍的空間內，加熱線圈1、成形線圈2的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3的對稱軸共線；

第三，在l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊的端部，依次放置環型加熱硅鋼薄片4、成形工件5、溫度傳感器6、凹模7，環型加熱硅鋼薄片4、成形工件5、凹模7的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3的對稱軸共線，溫度傳感器6位于成形工件5與凹模7之間且圓周均勻布置；

第四，開通高頻電源9為加熱線圈1供電，并通過溫度傳感器6測量成形工件5的溫度；

第五，當成形工件5的溫度達到預期的成形溫度，開通脈沖電源8給成形線圈2供電，在成形工件5中產生感應渦流，成形線圈2中的脈沖電流與成形工件5中的感應渦流相互作用產生脈沖電磁力，驅動工件加速并實現溫熱成形。

方案二：

一種電磁加熱式溫熱板件電磁成形方法，當設置絕熱片時，包括以下步驟：

第一，將多塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3按照圓周均勻布置，使l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3的豎邊平行于對稱軸、橫邊指向對稱軸；

第二，將加熱線圈1、成形線圈2依次置于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊所包圍的空間內，加熱線圈1、成形線圈2的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3的對稱軸共線；

第三，將環型絕熱片10緊貼在環型加熱硅鋼薄片4遠離成形工件5一側，將另一環型絕熱片緊貼在凹模7靠近成形工件5一側；

第四，在l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊的端部，依次放置帶環型絕熱片的環型加熱硅鋼薄片4、成形工件5、溫度傳感器6、帶環型絕熱片的凹模7，環型加熱硅鋼薄片4、成形工件5、凹模7的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3的對稱軸共線，溫度傳感器6位于成形工件5與凹模7之間且圓周均勻布置；

第五，開通高頻電源9為加熱線圈1供電，并通過溫度傳感器6測量成形工件5的溫度；

第六，當成形工件5的溫度達到預期的成形溫度，開通脈沖電源8給成形線圈2供電，在成形工件5中產生感應渦流，成形線圈2中的脈沖電流與成形工件5中的感應渦流相互作用產生脈沖電磁力，驅動工件加速并實現溫熱成形。

脈沖電源8為成形線圈2提供100μs-1000μs的脈沖電流；高頻電源9為加熱線圈1提供頻率為20khz-30khz的交流電流。

實施例1：

步驟一：按照圖3（c）將六塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料按照圓周均勻布置，使l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料的一條邊（豎邊）平行于對稱軸、另一條邊（橫邊）指向對稱軸；步驟二：按照圖5示意，采用多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導線繞制加熱線圈；采用單根絕緣銅線和加固材料間隔的形式繞制成形線圈；步驟三：按照圖1所示，將加熱線圈、成形線圈依次置于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊所包圍的空間內，加熱線圈、成形線圈的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料的對稱軸共線；步驟四：按照圖1所示，在l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊的端部，依次放置環型加熱硅鋼薄片、成形工件、溫度傳感器、凹模，環型加熱硅鋼薄片、成形工件、凹模的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料的對稱軸共線，溫度傳感器位于成形工件與凹模之間且圓周均勻布置；步驟五：開通高頻電源為加熱線圈供電，并通過溫度傳感器測量成形工件的溫度；步驟六：當成形工件的溫度達到預期的成形溫度400k時，開通脈沖電源給成形線圈供電，在成形工件中產生感應渦流，成形線圈中的脈沖電流與成形工件中的感應渦流相互作用產生脈沖電磁力，驅動工件加速并實現溫熱成形。

實施例2：

步驟一：按照圖3（d）將八塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料按照圓周均勻布置，使l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料的一條邊（豎邊）平行于對稱軸、另一條邊（橫邊）指向對稱軸；步驟二：按照圖5示意，采用多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導線繞制加熱線圈；采用單根絕緣銅線和加固材料間隔的形式繞制成形線圈；步驟三：按照圖2所示，將加熱線圈、成形線圈依次置于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊所包圍的空間內，加熱線圈、成形線圈的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料的對稱軸共線；步驟四：將環型絕熱片緊貼在環型加熱硅鋼薄片遠離成形工件一側，將另一環型絕熱片緊貼在凹模靠近成形工件一側；步驟五：按照圖2所示，在l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊的端部，依次放置帶環型絕熱片的環型加熱硅鋼薄片、成形工件、溫度傳感器、帶環型絕熱片的凹模，環型加熱硅鋼薄片、成形工件、凹模的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料的對稱軸共線，溫度傳感器位于成形工件與凹模之間且圓周均勻布置；步驟六：開通高頻電源為加熱線圈供電，并通過溫度傳感器測量成形工件的溫度；步驟七：當成形工件的溫度達到預期的成形溫度500k時，開通脈沖電源給成形線圈供電，在成形工件中產生感應渦流，成形線圈中的脈沖電流與成形工件中的感應渦流相互作用產生脈沖電磁力，驅動工件加速并實現溫熱成形。