一种高效率板件电磁成形装置制造方法及图纸
一种高效率板件电磁成形装置，将待加工的金属板件首尾相连组成多边形导电回路；根据成形要求，在金属板件变形侧安装相同或不同的模具；通过加载的脉冲电流，在多边形导电回路中产生感应电流；脉冲电流与感应电流之间的脉冲电磁力，驱动金属板件加速并进入模具，实现多个金属板件的同时加工。本实用新型专利技术一种高效率板件电磁成形装置，将待加工的金属板件首尾相连组成多边形导电回路，实现了多个金属板件同时加工的功能，可大大提升电磁成形的利用率和效率。
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技术实现步骤摘要
本技术属于金属成形制造领域，特别涉及一种高效率板件电磁成形装置，主要用于金属板件的成形加工。技术介绍轻量化是航空航天、汽车工业等领域实现节能减排的重要技术手段。而实现轻量化的主要途径是采用轻质合金材料，高性能铝合金、钛合金、镁合金成为现代航空航天、汽车工业等实现轻量化的首选材料。然而，轻质合金材料在室温下成形塑性较低，局部拉延性差，容易产生裂纹，回弹较大，采用传统加工工艺进行加工效果并不理想。某航天用铝质方盒零件，采用拉深成形时，需要5次拉深，期间还需增加多次退火工艺以消除加工硬化；生产周期长、成本高，且成品率较低。电磁成形是一种高速率脉冲成形技术，能大幅改善金属材料成形性能，是解决轻质合金成形困难的有效手段之一。通过电容器电源对驱动线圈放电，在驱动线圈内产生一强脉冲电流，同时在金属板件（位于驱动线圈附近）中感应涡流；线圈电流和工件涡流之间的相互电磁力，驱动金属板件加速并发生塑性变形，进而实现对工件的成形加工。整个电磁成形过程为毫秒级，电磁能瞬间释放，工件成形速度一般超过300 m/s。与传统加工工艺相比，电磁成形具有两大优势：一是高应变率（103-105s-1），可提高材料塑性变形能力，使材料成形极限提高5-10倍；二是非接触施力，成形件表面质量高，仅需要单模具，能减少变形过程中的应力集中。电磁成形按加工工件类型，主要分为板材电磁成形和管件电磁成形，现有板件电磁成形技术中，单次成形只能加工一个工件，加工效率低下。现有的电磁成形专利，如专利“板材动圈电磁渐进成形方法及其装置（CN1821910）”，其采用小型驱动线圈在大型工件局部产生电磁力，再通过计...【详细说明在详细技术资料中】
技术保护点
一种高效率板件电磁成形装置，包括驱动线圈（1）、金属板件（2）、导体触头装置（3），其特征在于：相邻金属板件（2）之间采用导体触头装置（3）连接，导体触头装置（3）包括导体触头（31）与端部紧固环（32）。
技术保护范围摘要
1.一种高效率板件电磁成形装置，包括驱动线圈（1）、金属板件（2）、导体触头装置（3），其特征在于：相邻金属板件（2）之间采用导体触头装置（3）连接，导体触头装置（3）包括导体触头（31）与端部紧固环（32）。2.根据权利要求1所述一种高效率板件电磁成形装置，其特征在于：导体触头（31）的数量等于多边形导电回路的边数，导体触头（31）表面设有镀银层。3.根据权利要求1所述一种高效率板件电磁成形装置，其特征在于：端部紧固环（32）为一多边形环；端部紧固环（32）的边数等于多边形导电回路的边数；端部紧固环（32）采用绝缘材料制成。4.根据权利要求1所述一种高效率板件电磁成形装置，其特征在于：驱动线...
专利技术属性
发明(设计)人：，，，，，，
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专利类型：新型
国别省市：湖北;42
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成形电磁高效高效率
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电磁成形现状及其发展
导读：高放电频率导致铆钉成形时间短，国外从70年代初开始研究电磁铆接技术，美国80年代末开始研究低电压电磁铆接技术，90年代初研制成功低压电磁铆接设备，使电磁铆接技术很快得到广泛应用，(5)电磁焊接，虽然很少见到有关电磁成形在焊接方面应用的报道，电磁成形确实可以应用于焊接，(6)电磁粉末压制，研究开发高密度、高性能、近终成形粉末制品的集成化技术，是推动粉末材料应用与发展的关键????，各国研究人员竞体积庞大，成本高，安全可靠性差，放电频率高。高放电频率导致铆钉成形时间短，材料的应变率高，镦头容易产生微裂纹，加之人们对高电压的畏惧心理，所以限制了这一先进工艺方法的应用。国外从70年代初开始研究电磁铆接技术，到80年代末，该技术在航空工业中已成为解决铆接难题的一项关键技术。为消除高电压铆接时应变率过大而导致铆钉镦头出现微裂纹和剪切破坏，美国80年代末开始研究低电压电磁铆接技术，并申请了低压铆接专利，90年代初研制成功低压电磁铆接设备，开始在波音747、A320等飞机上应用。低电压铆接方法解决了高电压铆接不能解决的许多问题，使电磁铆接技术很快得到广泛应用。 (5)电磁焊接。虽然很少见到有关电磁成形在焊接方面应用的报道，但当某些条件满足时，电磁成形确实可以应用于焊接。比如管与板之间的焊接，管与管之间的焊接以及薄板与厚板之间的焊接等。焊接所要求的条件包括清洁的表面，焊接时要有利于间隙中空气的排出，要有足够的能量和适当的频率(使运动件达到一定的速度)，运动件要以某一角度(而不是垂直的)向静止件的表面撞击等。焊接的实现在于高速撞击使材料表面产生瞬时剧烈变形(特别是当以一定角度撞击时)，从而产生高温甚至熔化，使两块材料焊合起来或通过扩散连接起来，从而实现材料的焊接。 (6)电磁粉末压制。粉末冶金是制取各种高性能结构材料、功能材料的有效途径，研究开发高密度、高性能、近终成形粉末制品的集成化技术，是推动粉末材料应用与发展的关键????。用强冲击压制粉末材料是获取高密度粉末冶金制品的有效方法，20世纪50年代，各国研究人员竞相研究爆炸成形，对于提高超硬粉末压制密度起了很大作用，但由于爆炸成形工艺重复性差，自动化程度低，限制了其应用。电磁压制成形也是高能率成形方法，且在成形能量与速度控制方面优于爆炸成形。1976年，Clyeds等率先将电磁成形的思想引入粉末材料压制，用放电压制法压制出棒料、条料及形状更为复杂的制件，通过筛选粉末粒度，还能成功地制造出具有尖角的棒料和条料。此后Williams.J.D还尝试过将难熔材料与低熔点金属混合压制以获得高密度的制品，随后各国学者也做过一些跟踪研究。
电磁粉末压制工装图 1-座套
6-凹模分体式嵌套
13-螺母 3.2.2 电磁成形加工的工艺特点 (1)非机械接触性加工。电磁力是工件变形的动力，它不同于一般的机械力，工件变形时施力设备无需与工件进行直接接触，因此工件表面无机械擦痕，也无需添加润滑剂，工件表面质量较好。电磁成形是以磁场为介质向坯料施加压力，磁场能够穿透非导体材料，实现非接触加工，可直接对有非金属涂层或表面已抛光的工件进行加工，成形后零件表面质量高。 (2)工件变形源于工件内部带电粒子受磁场力作用。因此，工件变形受力均匀，残余应力小，疲劳强度高，使用寿命长，加工后不影响零件的机械、物理、化学性能，也不需要热处理。电磁成形属高能率成形方法，与常规冲压成形相比，可有效提高材料塑性变形能力。因此，对于塑性差的难成形材料，是一种理想的成形方法。 (3)加工精度高。电磁力的控制精确，误差可在0.5%之内。电磁成形时，零件以很高的速度贴膜，零件与模具之间的冲击力很大，这不但有利于提高零件的贴膜性，而且可有效地减小零件弹复，显著地提高零件成形精度。 (4)加工效率高，时间短，成本低，便于实现生产的自动化。采用电磁成形方法可在一道工序中完成用常规成形方法多道工序才能完成的零件，有利于实现复合工艺。因此，可有效地缩短生产周期，降低成本。 (5)电磁成形设备可实现工件的多步、多点、多工位成形，有助于实现生产的柔性化????。 (6)污染轻。电磁成形过程不会产生废渣废液等污染物，有利于环境的保护。
4 电磁成形的有限元分析 电磁成形涉及电学、电磁学、电动力学和塑性动力学等学科的内容，由于电学、电磁学、电动力学的复杂性和塑性动力学本身的不完善，特别是由于电磁成形过程中电学过程和力学过程的交互影响，使电磁成形的理论研究复杂而困难， 应用解析法来精确求解该过程几乎是不可能的. 而随着有限元理论的日趋完善，使用有限元软件来模拟电磁成形过程中的电参数、力学参数、变形过程已成为诸多方法中的首选????。 4.1 分析方法选取 有限元分析电磁问题时首先要选择分析方法，ANSYS有3种分析方法：磁标势法、磁矢势法、基于单元边的分析法。 2D模型要用二维单元来表示结构的几何形状。虽然所有的物体都是三维的，但在实际计算时首先要考虑能否将它简化成2D平面对称或轴对称问题，这是因为2D模型建立起来更容易，运算起来也更快捷。本文采用基于节点的分析法中的磁矢势法来模拟2-D瞬态场产生的磁场力。 4.2 网格剖分 分析电磁胀形磁场力时，在成形线圈较近区域一般选用四边形8节点或三角形6节点单元，每节点具有2个自由度，矢量磁位A和电流。矢量磁位前已述及，电流是载压线圈中每匝中的电流值，用于给线圈施加电压载荷。对成形线圈、管件、模具选取映射四边形网格进行剖分比较合适，映射网格是指网格的形状是规则的，这样易于读取线圈、管件、模具上的磁场力。对于在此区间的空气，可以选取自由网格剖分，减小工作量。 在距离成形线圈较远的区域选用四边形4节点或8节点的远场单元INFIN110，为提高精度，采用映射网格剖分。 除此之外，对管件进行网格剖分时，在透人深度内要有一层以上的单元，根据测得的放电电流频率计算透人深度?的公式为： ?????f 式中
f-放电电流频率，Hz；
?-管件的绝对磁导率；
?-管件的电阻率，??m。 4.3 磁场力模拟及工艺参数分析 为了论述方便，在以后的章节中统一定义磁场力表示剖分单元或节点受力，
单位N；磁压力表示单位面积受力，单位MPa。 4.3.1 电磁校形时磁场力分布 胀形、校形时管件受力相似：管件端部均受到径向外胀力、轴向下压力；而其它部分则只受到径向外胀力。校形时模具内表面附近受到的磁压力以径向外胀力为主，端部受到轴向下压力、径向外胀力，其余部分仅受到径向外胀力。从模拟的数值结果看，胀形、校形时管件受到的最大外胀力均出现在管件中部，最大力的幅值接近。模具中内表面及端部受力相对较大。 4.3.2 电磁校形时涡流分布 对电流模拟结果进行分析，管件中的电流沿厚度方向呈衰减趋势，管件、模具内侧第一层单元电流最大，这是由于集肤效应，临近效应引起的。 管件中感生出的最大电流值相同，分布也基本相同。管件中感生电流密度幅值与线圈中电流密度幅值的比值约为6：1，可见管件中感生出强大的涡流。模具中感生的涡流相对较小，其幅值与线圈中的电流密度幅值的比值约为1：3。同时模具中有涡流存在也说明了校形时会有一部分磁场能消耗在模具加热上。由楞次定律可知，模具中的电流是由线圈中的电流产生的磁场与管件中感生电流产生的磁场耦合后引起的。从电流的方向来看，模具中的感生电流与线圈中的电流同向与管件中的感生电流反向，由此推断出模具中的电流主要是由管件中的电流诱发的，这是由于管件中的电流密度大，且距离模具近，故对模具的影响大。 5 电磁成形存在问题及解决办法 5.1 电磁成形技术的局限性 (1)单一的电磁成形工艺很难获得深拉深工件； (2)不是所有的金属材料可以用该技术直接加工，低电导率的材料需用高导电率的材料做“驱动体”； (3)电磁成形工艺对工件形状有严格的要求，以保证形成感应电流； (4)对工件的几何尺寸有严格的要求。 5.2 解决办法 电磁成形设备尽管已成为定形产品，但是还可以不断改进。如采用多路放电技术，提高设备的安全性和可靠性。高比容电容器的使用，可使设备结构紧凑，同时提高设备能力。还可以在设备中加入加热和检测装置，以利于大形实体工件的加工、试验数据的采集、记录和处理。 近年来，有关电磁成形过程中的脉冲磁场及磁场力及其作用下工件的变形理论、电磁-结构耦合场理论研究日趋增加，提出了许多新的计算方法和理论。随着有限元法及无网格法、边界元法在耦合场领域的发展以及人们对脉冲力作用下工件变形性能的深入认识，许多困扰着人们的电磁成形问题都将迎刃而解，电磁成形工艺将在更广泛的领域得到推广应用。 6 展望 新世纪要求塑性加工向着更精、更省、更净的方向发展，追求高效率、高质量、低消耗、低成本，成形过程要求绿色无污染。成形工件（毛坯）将由近净成形无余量的净成形发展????，产品开发周期要短，生产工艺应具备快速市场响应能力，而电磁成形技术具有单位能量小、效能高、材料微观变形均匀、加工质量好等优点，正顺应了这一发展要求，可以预见，电磁成形技术必将会成为金属塑性加工中的重要方法之一，将在众多工业领域中得到越来越广泛的应用。 电磁成形加工作为一种新型的金属塑性加工技术，不同于传统的冷锻、温锻和热锻等加工方法，它以其独特的加工特点展现出巨大发展潜力。目前，全球性的能源和环境危机的日益凸现，为此在2004年世界工程师大会上，徐匡迪院士在《发展中国家新型工业化道路》一文中提出“4R”(Reduce，Reuse，Recycle， Remanufacture)理论。该理论的第一条就是“Reduce(减量化)”，其含义就是要求制造过程中控制零件的重量，尽量减少产品的重量，大力提倡使用轻质金属如铝、镁等合金。电磁成形技术对于此类金属的加工有着独特的优势，尤其是在铝材加工中，电磁成形技术和其它工艺相结合可以实现复杂零件的加工。可以预见，电磁成形技术必将会成为金属塑性加工中的重要方法之一。 目前电磁成形工艺在航空航天工业的应用情况好于一般工业。这主要是航空航天工业中使用了大量的铝合金，而电磁成形适合应用于铝合金等高导电性的材料。在其他行业(如汽车行业、仪表行业、玩具行业)中，电磁成形也有非常重要的应用，使用普通冲压成形技术与电磁成形技术相结合的方法可以解决汽车行业中铝合金板料成形问题。而功能陶瓷电磁粉末压制为电磁成形技术在功能陶瓷行业、敏感元件和传感器行业又开辟了广阔的应用前景，随着电磁成形技术的不断完善以及电磁成形设备的不断改进和提高，电磁成形工艺将在众多工业领域 得到越来越广泛的应用。 参考文献 [1] 高能成形编写组.高能成形.北京：国防工业出版社，1969 [2] 李春峰，高能率成形技术[M]。北京：国防工业出版社，2001。 [3] PANSHIKAR H M。Computer modeling of electro-magnetic forming and impact welding [D]。Ohio State：Graduate School of The Ohio State University，2000。 [4] 赵志衡，李春峰。电磁成形用螺线管线圈电感的研究[J]。哈尔滨工业大学学报，)：64-66。 [5] 杨应平，黄尚宇.电磁成形的物理学原理.工科物理，1999，(9)
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镁合金板材温热电磁成形性能及本构方程的研究.pdf 149页
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申请学位级别 王堂盛±学科专业名称挝盘垄三墨猩
论文提交日期
20091L论文答辩日期
学位授予单位盎墨墨三盘堂 学位授予日期
答辩委员会主席
DissertationSubmittedto
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UniversityTechnology
Doctor’S of
DegreePhilosophy
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andConstitutive
StudyFormability
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ElectromagneticHybrid Condition
Candidate：MengZhenghua
or：Materials
Processing
Engineering
Supervisor：Prof．HangShangyu
AssociateProf．HUJianhua
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