一種用于金屬板材成形的材料流動性控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于金屬板材成形的材料流動性控制方法。利用渦流線圈在金屬板材的法蘭區(qū)域感應(yīng)渦流，并將產(chǎn)生感應(yīng)渦流的區(qū)域置于含有垂直于板面的軸向磁場分量的磁場中，在渦流與磁場的共同作用下，產(chǎn)生平行于板面的由金屬板材法蘭區(qū)域指向凹模型腔或由凹模型腔指向金屬板材法蘭區(qū)域的橫向電磁力，該橫向電磁力與軸向成形力相互配合，實現(xiàn)對材料流動性的控制。本發(fā)明通過在金屬板材法蘭區(qū)域產(chǎn)生空間分布、時序、幅值和方向可調(diào)的橫向電磁力，實現(xiàn)金屬板材成形中材料流動性的柔性、多自由度控制，有效抑制起皺和撕裂，提高極限拉深系數(shù)。該方法簡單，可廣泛用于輔助金屬板材加工。
【專利說明】一種用于金屬板材成形的材料流動性控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬成形制造【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種用于金屬板材成形的材料流動性控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬板材加工過程中(無論是傳統(tǒng)的沖壓成形，還是包括電磁成形、爆炸成形、電液成形等在內(nèi)的高速成形技術(shù))，兩種常見的缺陷是起皺和撕裂。當材料流動不足時，材料將承受過度的拉應(yīng)力，在局部發(fā)生頸縮，進而出現(xiàn)撕裂；而當材料流動過度時，材料發(fā)生塑性失穩(wěn)，出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。為抑制起皺，主要的方法是增加壓邊力，增加壓邊筋；為抑制撕裂，主要的方法是改善金屬板材法蘭與凹模、壓邊圈間的潤滑性能，如使用潤滑劑。然而，這里抑制起皺和抑制材料撕裂是相互矛盾的:一方面，增加壓邊力、施加壓邊筋將導(dǎo)致法蘭區(qū)域的變形抗力增大，進而增大金屬板材傳力區(qū)的拉應(yīng)力，增大撕裂的可能性；另一方面，改善法蘭區(qū)域的潤滑性能，減小壓邊力，可促進材料的流動性能，但同時又將增大金屬板材直壁區(qū)域起皺的可能性。
[0003]歸根到底，抑制起皺和撕裂就是要合理地控制材料的流動性能。目前主要有以下
三種方法:
[0004](I)變壓邊力控制方式。根據(jù)板材成形過程中起皺和撕裂的不同趨勢，在不同的沖程采用不同的壓邊力，這種方式能夠有效控制法蘭區(qū)域的材料流動，進而避免加工缺陷的產(chǎn)生。然而，變壓邊力控制方式的成形中，例如沖壓成形，其極限拉深比不能太大，特別是鋁合金等成形性能較差的材料。其原因在于當成形拉深比較大的金屬板材時，金屬板材的變形抗力過大，進而導(dǎo)致撕裂的發(fā)生，而壓邊力的存在在法蘭區(qū)域增加了一橫向摩擦阻力，進一步加大了金屬板材變形抗力，進而加劇了撕裂的可能性。
[0005](2)施加橫向液壓力。用于加工成形性能較差的材料或進行大拉深比的拉深成形，一種已有的方案是在法蘭最外沿施加橫向液壓力，即雙路徑充液拉深。該方法在金屬板材法蘭最外圍施加橫向液壓力，該橫向液壓力用以促進材料的流動，通過施加合適的液壓力可以有效地提高極限拉深比。然而，該方法只能在金屬板材最外圍施加橫向液壓力，且是一表面力，不能實現(xiàn)橫向力在法蘭區(qū)域空間分布的控制。
[0006](3)電磁輔助金屬板材沖壓(J.Shang, Electromagnetically assisted metalsheet stamping, Journal of Materials Processing Technology, 2011，211 (5):868 ?874)。采用電磁成形實現(xiàn)材料流動性的控制，在應(yīng)變較小的區(qū)域附近施加脈沖電磁力以產(chǎn)生額外的變形。例如，在金屬板材法蘭區(qū)域下方的凹模處嵌入電磁線圈，而在此處的壓邊圈留出一定的空隙，當沖頭下壓到某一位置時，線圈放電，在金屬板材法蘭區(qū)域形成小鼓包，這一小鼓包使得沖頭所施加的靜載荷不平衡，進而可以進一步地成形。該方法能有效地改進板件沖壓過程中的應(yīng)變分布，進而有效提高成形深度。然而，當待成形板件尺寸較大時，該方法對成形深度的增加作用有限，即對大拉深比的加工效果還不明顯。
[0007]綜上所述，以上方法均存在固有缺陷，無法很好地實現(xiàn)金屬板材成形中材料流動性的柔性控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種用于金屬板材成形的材料流動性控制方法，通過在金屬板材法蘭區(qū)域產(chǎn)生空間分布、時序、幅值和方向可調(diào)的橫向電磁力，實現(xiàn)金屬板材成形中材料流動性的柔性、多自由度控制，有效抑制起皺和撕裂，提高極限拉深系數(shù)。該方法簡單，可廣泛用于輔助金屬板材加工(傳統(tǒng)沖壓、電磁成形等)。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于金屬板材成形的材料流動性控制方法，其特征在于，利用渦流線圈在金屬板材的法蘭區(qū)域感應(yīng)渦流，并將產(chǎn)生感應(yīng)渦流的區(qū)域置于含有垂直于板面的軸向磁場分量的磁場中，在潤流與磁場的共同作用下，產(chǎn)生平行于板面的指向凹模型腔或由凹模型腔向外的橫向電磁力，該橫向電磁力與軸向成形力相互配合，實現(xiàn)對材料流動性的控制。
[0010]優(yōu)選地，包括如下步驟:
[0011]( I)將金屬板材置于凹模上；
[0012](2)將壓邊圈置于金屬板材上，壓邊圈內(nèi)嵌渦流線圈；
[0013](3)利用脈沖電源使渦流線圈內(nèi)流過脈沖電流，從而在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生感應(yīng)渦流的同時，產(chǎn)生垂直于板面的軸向磁場分量，感應(yīng)渦流與軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的指向凹模型腔或由凹模型腔向外的橫向電磁力；
[0014](4)橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，實現(xiàn)對材料流動性的控制。
[0015]優(yōu)選地，渦流線圈靠近金屬板材的法蘭外緣，其在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)潤流與軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的指向凹模型腔的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料撕裂。
[0016]優(yōu)選地，渦流線圈靠近金屬板材的法蘭內(nèi)緣，其在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)潤流與軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由凹模型腔向外的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料起皺。
[0017]優(yōu)選地，所述渦流線圈為多個，一部分渦流線圈靠近金屬板材的法蘭外緣，其在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的指向凹模型腔的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料撕裂；另一部分渦流線圈靠近金屬板材的法蘭內(nèi)緣，其在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由凹模型腔向外的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料起皺。
[0018]優(yōu)選地，包括如下步驟:
[0019]( I)將金屬板材置于凹模上；
[0020](2)將壓邊圈置于金屬板材上，壓邊圈內(nèi)嵌渦流線圈；
[0021](3)利用第一脈沖電源使渦流線圈內(nèi)流過第一脈沖電流，從而在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生感應(yīng)渦流，同時利用軸向磁場裝置在感應(yīng)渦流區(qū)域產(chǎn)生垂直于板面的軸向磁場分量，感應(yīng)渦流與軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的指向凹模型腔或由凹模型腔向外的橫向電磁力；
[0022]所述軸向磁場裝置為永磁體、電磁鐵或軸向磁場線圈；
[0023](4)橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，實現(xiàn)對材料流動性的控制。
[0024]優(yōu)選地，所述軸向磁場裝置為軸向磁場線圈，所述軸向磁場線圈在第二脈沖電源的作用下流過第二脈沖電流，從而產(chǎn)生軸向磁場，所述第二脈沖電流的上升時間大于所述第一脈沖電流的上升時間的10倍，所述上升時間為從脈沖電流峰值的10%上升至脈沖電流峰值的90%所需的時間。
[0025]優(yōu)選地，當軸向磁場線圈位于潤流線圈外圍時，潤流線圈和軸向磁場線圈的電流方向相同，渦流線圈在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場線圈產(chǎn)生的垂直于板面的軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的指向凹模型腔的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料撕裂；
[0026]當潤流線圈位于軸向磁場線圈外圍時，潤流線圈和軸向磁場線圈的電流方向相反，渦流線圈在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場線圈產(chǎn)生的垂直于板面的軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的指向凹模型腔的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料撕裂。
[0027]優(yōu)選地，當軸向磁場線圈位于潤流線圈外圍時，潤流線圈和軸向磁場線圈的電流方向相反，渦流線圈在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場線圈產(chǎn)生的垂直于板面的軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由凹模型腔向外的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料起皺；
[0028]當潤流線圈位于軸向磁場線圈外圍時，潤流線圈和軸向磁場線圈的電流方向相同，渦流線圈在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場線圈產(chǎn)生的垂直于板面的軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由凹模型腔向外的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料起皺。
[0029]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)成形對法蘭區(qū)域材料流動性能的要求，在金屬板材法蘭區(qū)域附近預(yù)先布置線圈系統(tǒng)，通過獨立控制的電源系統(tǒng)對線圈放電，在金屬板材法蘭區(qū)域產(chǎn)生空間分布、時序、幅值和方向可調(diào)的橫向電磁力，通過對橫向電磁力的控制，實現(xiàn)金屬板材塑性流動性的柔性、多自由度控制，有效抑制起皺和撕裂，提高極限拉深系數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明實施例一的金屬板材成形裝置示意圖；
[0031]圖2是本發(fā)明實施例一的用于金屬板材成形的材料流動性控制方法原理示意圖，其中，Ca)渦流線圈靠近金屬板材法蘭外緣；(b)渦流線圈靠近金屬板材法蘭內(nèi)緣；
[0032]圖3是本發(fā)明實施例一的橫向電磁力產(chǎn)生原理不意圖,其中，(a)產(chǎn)生橫向向內(nèi)電磁力，(b)產(chǎn)生橫向向外電磁力；
[0033]圖4是本發(fā)明實施例一的渦流線圈電流和橫向電磁力隨時間的變化示意圖，其中，Ca)渦流線圈靠近金屬板材法蘭外緣；(b)渦流線圈靠近金屬板材法蘭內(nèi)緣；
[0034]圖5是本發(fā)明實施例一的在橫向向內(nèi)電磁力作用下實現(xiàn)金屬板材成形的示意流程圖，其中，(a)成形開始，沖頭與橫向向內(nèi)電磁力共同作用；(b)成形中，沖頭與橫向向內(nèi)電磁力共同作用；(b)成形中，僅沖頭作用；(d)成形完成；
[0035]圖6是本發(fā)明實施例一的不規(guī)則金屬板材成形的材料流動性控制原理示意圖；
[0036]圖7是本發(fā)明實施例二的金屬板材成形裝置示意圖；
[0037]圖8是本發(fā)明實施例二的用于金屬板材成形的材料流動性控制方法原理示意圖，其中，(a)渦流線圈和軸向磁場線圈的電流極性相同；(b)渦流線圈和軸向磁場線圈的電流極性相反；
[0038]圖9是本發(fā)明實施例二的橫向電磁力產(chǎn)生原理不意圖,其中，(a)產(chǎn)生橫向向內(nèi)電磁力；(b)產(chǎn)生橫向向外電磁力；
[0039]圖10是本發(fā)明實施例二的渦流線圈和軸向磁場線圈的電流以及橫向電磁力隨時間的變化示意圖，其中，Ca)渦流線圈和軸向磁場線圈的電流極性相同；(b)渦流線圈和軸向磁場線圈的電流極性相反。
【具體實施方式】
[0040]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實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。
[0041]本發(fā)明利用電磁線圈在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生感應(yīng)渦流，并使產(chǎn)生感應(yīng)渦流的區(qū)域置于含有垂直于板面的軸向磁場分量的磁場中，在渦流與磁場的共同作用下，產(chǎn)生平行于板面的指向凹模型腔或由凹模型腔向外的橫向電磁力，該橫向電磁力與作用在金屬板材上的軸向成形力相互配合，實現(xiàn)對金屬板材法蘭區(qū)域的材料流動性的控制。具體地，當該橫向電磁力指向凹?？讜r，能有效抑制金屬板材在成形時撕裂，當該橫向電磁力由凹?？紫蛲鈺r，能有效抑制金屬板材在成形時起皺。因此，本發(fā)明的方法能實現(xiàn)對金屬板材塑性流動性的柔性、多自由度控制，提高金屬板材成形的極限拉深系數(shù)，為復(fù)雜幾何形狀構(gòu)件的成形提供了有效的解決辦法。
[0042]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的用于金屬板材成形的材料流動性控制方法進行詳細說明。
[0043]實施例一
[0044]如圖1所示，金屬板材成形裝置包括沖頭1、渦流線圈2、第一脈沖電源4-2、壓邊圈6和凹模7。金屬板材5置于凹模7上,沖頭I和壓邊圈6置于金屬板材5上,沖頭I與凹模7的型腔對應(yīng)，渦流線圈2嵌在壓邊圈6內(nèi)，第一脈沖電源4-2連接渦流線圈2。
[0045]壓邊圈6為金屬板材5提供壓邊力，沖頭I為金屬板材5提供軸向成形力，第一脈沖電源4-2為渦流線圈2提供時序、能量可控的放電，使渦流線圈2在放電過程中流過巨大的脈沖電流(脈寬在幾十微秒到數(shù)毫秒之間，電流幅值達到幾十千安甚至數(shù)百千安)，該脈沖電流在金屬板材5的法蘭區(qū)域感應(yīng)巨大渦流的同時還提供軸向磁場分量，渦流與軸向磁場分量相互作用，在金屬板材5的法蘭區(qū)域產(chǎn)生橫向電磁力。
[0046]通過控制渦流線圈2的結(jié)構(gòu)和空間分布，可以調(diào)控橫向電磁力的分布；通過控制第一脈沖電源4-2的放電能量，可以控制橫向電磁力的幅值；通過控制第一脈沖電源4-2的放電時序，可以控制橫向電磁力的作用時序；通過改變潤流線圈2與金屬板材5的相對位置，可以改變法蘭區(qū)域軸向磁場分量的方向和潤流分布，進而可改變橫向電磁力的方向。據(jù)此，該裝置有兩種工作方式，如圖2所示。
[0047]如圖2 (a)所示，渦流線圈2靠近金屬板材5的法蘭外緣，產(chǎn)生橫向向內(nèi)電磁力(由金屬板材法蘭區(qū)域指向凹模型腔)。如圖3 (a)所示，渦流線圈2的電流垂直紙面向外，金屬板材5的法蘭區(qū)域的渦流垂直紙面向內(nèi)，渦流線圈2產(chǎn)生的空間磁場存在向下的軸向磁場分量，渦流與軸向磁場分量相互作用，在金屬板材5的法蘭區(qū)域產(chǎn)生橫向向內(nèi)的電磁力，即該電磁力指向凹模7的型腔，能促進法蘭區(qū)域材料的流動，從而抑制材料撕裂。其中，一個脈沖作用下，渦流線圈電流和橫向電磁力隨時間的變化分別如圖4 Ca)中的8-1和9-1所示。
[0048]如圖2 (b)所示，渦流線圈2靠近金屬板材5的法蘭內(nèi)緣，產(chǎn)生橫向向外的電磁力(由凹模型腔指向金屬板材法蘭區(qū)域)。如圖3 (b)所示，渦流線圈2的電流垂直紙面向外，金屬板材5的法蘭區(qū)域的渦流垂直紙面向內(nèi)，渦流線圈2產(chǎn)生的空間磁場存在向上的軸向磁場分量，潤流與軸向磁場分量相互作用，在金屬板材5的法蘭區(qū)域產(chǎn)生橫向向外的電磁力，即該電磁力由凹模7的型腔向外，能阻礙法蘭區(qū)域材料的流動，從而抑制材料起皺。其中，一個脈沖作用下，渦流線圈電流和橫向電磁力隨時間的變化分別如圖4 (b)中的8-2和9-2所示。
[0049]下面以抑制金屬板材撕裂為例，結(jié)合圖5對上述金屬板材成形流動性控制的具體過程進行詳細說明。
[0050]如圖5 Ca)所示，渦流線圈2靠近金屬板材5的法蘭外緣。起始時刻，金屬板材5處在第一狀態(tài)5-1,沖頭I向下緩慢運動,驅(qū)動金屬板材5變形,與此同時,通過第一脈沖電源4-2在渦流線圈2上產(chǎn)生重復(fù)的脈沖電流(每個脈沖持續(xù)時間為數(shù)百微秒，在一個放電脈沖結(jié)束后，通過充電機對第一脈沖電源4-2快速充電，充電完成后繼續(xù)對渦流線圈2放電，如此重復(fù)脈沖放電),脈沖電流在金屬板件5的法蘭區(qū)域感應(yīng)的渦流與脈沖電流的空間磁場的軸向磁場分量相互作用，產(chǎn)生指向凹模7的型腔的橫向向內(nèi)電磁力。在沖頭I每向下運動很小的位移時間內(nèi)，有多次橫向向內(nèi)電磁力作用于金屬板材5的法蘭區(qū)域，因此，可等效地認為在沖頭I下壓的過程中，金屬板材5的法蘭區(qū)域始終存在一橫向向內(nèi)的力推動此區(qū)域的材料流入凹模7。
[0051]如圖5 (b)所示，在沖頭I與渦流線圈2的共同作用下，金屬板材5變形為第二狀態(tài)5-2。金屬板材5的法蘭區(qū)域仍較大，加之加工硬化效應(yīng)，金屬板材5的變形抗力仍然較大。為保證金屬板材5不發(fā)生撕裂，此時，除了沖頭I下壓之外，渦流線圈2繼續(xù)在金屬板材5的法蘭區(qū)域產(chǎn)生橫向向內(nèi)的重復(fù)脈沖電磁力，推動金屬板材5的法蘭區(qū)域流入凹模7的型腔。特別地，可依據(jù)成形過程中金屬板材變形抗力的變化規(guī)律，有針對性地調(diào)節(jié)脈沖電磁力的幅值。
[0052]如圖5 (C)所示，金屬板材5變形為第三狀態(tài)5-3，此時金屬板材法蘭區(qū)域足夠小，金屬板材5的變形抗力很小，此時停止脈沖電源4-2對渦流線圈2的放電，進而停止產(chǎn)生橫向脈沖電磁力，僅依靠沖頭I提供的成形力促使金屬板材成形。
[0053]如圖5 (d)所示，在沖頭I的作用下，金屬板材5的法蘭區(qū)域的剩余材料全部流入凹模中，最終完成金屬板材的拉深成形，形成如第四狀態(tài)5-4的深筒件。
[0054]特別地，金屬板材成形裝置可以包含多個渦流線圈，每個渦流線圈可由獨立電源供電，也可以由同一電源供電，以更好地實現(xiàn)電磁力的空間分布控制，進而實現(xiàn)材料流動空間分布的控制。例如，在靠近金屬板材法蘭外緣的位置設(shè)置至少一個渦流線圈，用于提供橫向向內(nèi)電磁力，在靠近金屬板材法蘭內(nèi)緣的位置設(shè)置至少一個渦流線圈，用于提供橫向向外電磁力，可根據(jù)實際加工需要，選取渦流線圈的個數(shù)及其所在的位置，通過調(diào)節(jié)各渦流線圈對應(yīng)的脈沖電源的時序和能量，調(diào)節(jié)橫向向內(nèi)電磁力和橫向向外電磁力的幅值和作用時間，實現(xiàn)金屬板材成形過程中對材料流動性的控制。
[0055]下面以不規(guī)則金屬板材為例，說明渦流線圈的設(shè)計。如圖6所示，基于對金屬板材5和凹模7特定幾何形狀下法蘭區(qū)域變形抗力分布特點的分析，采用渦流線圈2-1，渦流線圈2-2實現(xiàn)材料流動性的控制。其中，渦流線圈2-1靠近法蘭外緣區(qū)域，由于其所在法蘭區(qū)域的面積較大，金屬板材的變形抗力較大，通過渦流線圈2-1在其附近法蘭區(qū)域產(chǎn)生橫向向內(nèi)電磁力，以促進該區(qū)域的材料流動；渦流線圈2-2靠近法蘭內(nèi)緣區(qū)域，由于其所在法蘭區(qū)域的面積較小，金屬板材的變形抗力較小，通過渦流線圈2-2在其附近法蘭區(qū)域產(chǎn)生橫向向外電磁力，以抑制該區(qū)域的材料流動。
[0056]實施例二
[0057]如圖7所示，金屬板材成形裝置包括沖頭1、渦流線圈2、軸向磁場線圈3、第一脈沖電源4-2、第二脈沖電源4-3、壓邊圈6和凹模7。金屬板材5置于凹模7上,沖頭I和壓邊圈6置于金屬板材5上,沖頭I與凹模7的型腔對應(yīng),潤流線圈2嵌在壓邊圈6內(nèi)，軸向磁場線圈3設(shè)置在渦流線圈2的外圍，其匝數(shù)一般較多，第一脈沖電源4-2連接渦流線圈2，第二脈沖電源4-3連接軸向磁場線圈3。
[0058]壓邊圈6為金屬板材5提供壓邊力，沖頭I為金屬板材5提供軸向成形力。第二脈沖電源4-3為軸向磁場線圈3提供時序、能量可控的放電，因其電容器的電容值較大，其放電電流的脈沖寬度較大，分別如圖10 (a)中的8-4和圖10 (b)中的8-6所示。因此，軸線磁場線圈3產(chǎn)生的磁場在峰值附近時，其在金屬板材5上感應(yīng)的渦流較小，該線圈建立的磁場近似穩(wěn)態(tài)磁場。第一脈沖電源4-2為渦流線圈2提供時序、能量可控的放電，其電容器的電容值較小，第一脈沖電源4-2在軸向磁場線圈3的電流接近峰值時(如圖10所示的t2時刻)開始對渦流線圈2放電，因其電容值較小，渦流線圈2的電流(如圖10 Ca)中的8-3和圖10 (b)中的8-5所示，其持續(xù)時間t3-t2遠小于軸向磁場線圈3的電流持續(xù)時間t4)產(chǎn)生的磁場變化率極高，在金屬板材5的法蘭區(qū)域建立很大的渦流。
[0059]具體地，第二脈沖電流的上升時間大于第一脈沖電流的上升時間的10倍，其中，上升時間是指從脈沖電流峰值的10%上升至脈沖電流峰值的90%所需的時間。
[0060]因此，軸向磁場線圈3提供的較大的軸向磁場和渦流線圈2提供的很大的渦流共同作用，在金屬板材5的法蘭區(qū)域產(chǎn)生橫向電磁力，如圖10 (a)中的9-3和圖10 (b)中的9-4所示。該橫向電磁力與沖頭I的成形力相互配合，實現(xiàn)對金屬板材法蘭區(qū)域的材料流動性的控制。
[0061]通過控制渦流線圈2和軸向磁場線圈3的結(jié)構(gòu)和空間分布，以及第一脈沖電源4-2和第二脈沖電源4-3的放電能量和放電時序，就可以實現(xiàn)沖壓成形過程中沖程和橫向電磁力的配合，進而實現(xiàn)沖壓成形中材料流動的控制，有效提高極限成形深度。此外，改變渦流線圈2或軸向磁場線圈3的電流方向，即可改變渦流或軸向磁場方向，進而改變橫向電磁力的方向，該裝置有兩種工作方式，如圖8所示。[0062]如圖8 (a)所示，渦流線圈2和軸向磁場線圈3的電流方向相同，產(chǎn)生橫向向內(nèi)電磁力(由金屬板材法蘭區(qū)域指向凹模型腔)。如圖9 (a)所示，渦流線圈2和軸向磁場線圈3的電流均垂直紙面向外，一個脈沖作用下，它們隨時間的變化曲線分別如圖10 Ca)中的8-3和8-4所示，渦流線圈2的電流脈寬遠小于軸向磁場線圈3的電流脈寬。金屬板材5的法蘭區(qū)域的渦流垂直紙面向內(nèi)，軸向磁場線圈3產(chǎn)生的空間磁場存在向下的軸向磁場分量。渦流與軸向磁場分量相互作用，在金屬板材5的法蘭區(qū)域產(chǎn)生橫向向內(nèi)的電磁力，即該電磁力指向凹模7的型腔，能促進法蘭區(qū)域材料的流動，從而抑制材料撕裂。一個脈沖作用下，橫向電磁力隨時間的變化如圖10 Ca)中的9-3所示。
[0063]如圖8 (b)所示，渦流線圈2和軸向磁場線圈3的電流方向相反，產(chǎn)生橫向向外電磁力(由凹模型腔指向金屬板材法蘭區(qū)域)。如圖9 (b)所示，渦流線圈2的電流垂直紙面向內(nèi)，軸向磁場線圈3的電流垂直紙面向外，一個脈沖作用下，它們隨時間的變化曲線分別如圖10 (b)中的8-5和8-6所示，渦流線圈2的電流脈寬遠小于軸向磁場線圈3的電流脈寬。金屬板材5的法蘭區(qū)域的渦流垂直紙面向外，軸向磁場線圈3產(chǎn)生的空間磁場存在向下的軸向磁場分量。潤流與軸向磁場分量相互作用，在金屬板材5的法蘭區(qū)域產(chǎn)生橫向向外的電磁力，即該電磁力由凹模7的型腔向外，能阻礙法蘭區(qū)域材料的流動，從而抑制材料起皺。一個脈沖作用下，橫向電磁力隨時間的變化如圖10 (b)中的9-4所示。
[0064]軸向磁場線圈3由第二脈沖電源4-3供電，為獲得強軸向磁場，只需使脈沖電流的峰值足夠大，這對脈沖電源而言比較容易實現(xiàn)，且有利于節(jié)省能源。作為本實施例的另一種實現(xiàn)方式，將第二脈沖電源4-3替換為穩(wěn)態(tài)電源，使軸向磁場線圈3中通過穩(wěn)態(tài)電流，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)軸向磁場。
[0065]此外，還可將圖7中的渦流線圈2和軸向磁場線圈3的位置置換，即渦流線圈2置于軸向磁場線圈3的外圍,此時,該裝置產(chǎn)生指向凹模7的型腔的橫向向內(nèi)電磁力和產(chǎn)生由凹模7的型腔指向金屬板材5的法蘭區(qū)域的橫向向外電磁力這兩種工作方式的實現(xiàn)略有差異，具體體現(xiàn)在:
[0066](I)渦流線圈2和軸向磁場線圈3的電流方向相反時，將產(chǎn)生指向凹模型腔的橫向向內(nèi)的電磁力，該電磁力促進法蘭區(qū)域的材料流動，抑制材料撕裂。
[0067](2)渦流線圈2和軸向磁場線圈3的電流方向相同時，將產(chǎn)生由凹模7型腔指向金屬板材5的法蘭區(qū)域的橫向向外的電磁力，該電磁力抑制法蘭區(qū)域材料的流動，抑制材料起皺的發(fā)生。
[0068]本實施例與實施例一的區(qū)別在于軸向磁場分量由專門的軸向磁場裝置(軸向磁場線圈)提供，其對材料流動性控制的靈活性更高，效果更好。
[0069]本發(fā)明并不局限于上述實施例，具體地，提供軸向成形力的成形裝置并不局限于沖頭，而是一切能夠為凹模型腔上方金屬板材提供軸向成形力的裝置，如電磁成形中的成形線圈，液壓成形中提供液壓力的裝置等；軸向磁場并不局限于渦流線圈和軸向磁場線圈的軸向磁場分量，還可以是永磁體或電磁鐵產(chǎn)生的磁場的軸向分量。各線圈可以是軸對稱結(jié)構(gòu)，也可以是非軸對稱結(jié)構(gòu)。
[0070]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、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于金屬板材成形的材料流動性控制方法，其特征在于，利用渦流線圈在金屬板材的法蘭區(qū)域感應(yīng)渦流，并將產(chǎn)生感應(yīng)渦流的區(qū)域置于含有垂直于板面的軸向磁場分量的磁場中，在渦流與磁場的共同作用下，產(chǎn)生平行于板面的由金屬板材法蘭區(qū)域指向凹模型腔或由凹模型腔指向金屬板材法蘭區(qū)域的橫向電磁力，該橫向電磁力與軸向成形力相互配合，實現(xiàn)對材料流動性的控制。
2.如權(quán)利要求1所述的用于金屬板材成形的材料流動性控制方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將金屬板材置于凹模上； (2)將壓邊圈置于金屬板材上，壓邊圈內(nèi)嵌渦流線圈； (3)利用脈沖電源使渦流線圈內(nèi)流過脈沖電流，從而在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生感應(yīng)渦流的同時，產(chǎn)生垂直于板面的軸向磁場分量，感應(yīng)渦流與軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由金屬板材法蘭區(qū)域指向凹模型腔或由凹模型腔指向金屬板材法蘭區(qū)域的橫向電磁力； (4)橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，實現(xiàn)對材料流動性的控制。
3.如權(quán)利要求2所述的用于金屬板材成形的材料流動性控制方法，其特征在于，渦流線圈靠近金屬板材的法蘭外緣，其在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由金屬板材法蘭區(qū)域指向凹模型腔的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料撕裂。
4.如權(quán)利要求2所述的用于金屬板材成形的材料流動性控制方法，其特征在于，渦流線圈靠近金屬板材的法蘭內(nèi)緣，其在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由凹模型腔指向金屬板材法蘭區(qū)域的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料起皺。
5.如權(quán)利要求2所述的用于金屬板材成形的材料流動性控制方法，其特征在于，所述渦流線圈為多個，一部分渦流線圈靠近金屬板材的法蘭外緣，其在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由金屬板材法蘭區(qū)域指向凹模型腔的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料撕裂；另一部分渦流線圈靠近金屬板材的法蘭內(nèi)緣，其在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由凹模型腔指向金屬板材法蘭區(qū)域的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料起皺。
6.如權(quán)利要求1所述的用于金屬板材成形的材料流動性控制方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將金屬板材置于凹模上； (2)將壓邊圈置于金屬板材上，壓邊圈內(nèi)嵌渦流線圈； (3)利用第一脈沖電源使渦流線圈內(nèi)流過第一脈沖電流，從而在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生感應(yīng)渦流，同時利用軸向磁場裝置在感應(yīng)渦流區(qū)域產(chǎn)生垂直于板面的軸向磁場分量，感應(yīng)渦流與軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由金屬板材法蘭區(qū)域指向凹模型腔或由凹模型腔指向金屬板材法蘭區(qū)域的橫向電磁力；所述軸向磁場裝置為永磁體、電磁鐵或軸向磁場線圈； (4)橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，實現(xiàn)對材料流動性的控制。
7.如權(quán)利要求6所述的用于金屬板材成形的材料流動性控制方法，其特征在于，所述軸向磁場裝置為軸向磁場線圈，所述軸向磁場線圈在第二脈沖電源的作用下流過第二脈沖電流，從而產(chǎn)生軸向磁場，所述第二脈沖電流的上升時間大于所述第一脈沖電流的上升時間的10倍，所述上升時間為從脈沖電流峰值的10%上升至脈沖電流峰值的90%所需的時間。
8.如權(quán)利要求7所述的用于金屬板材成形的材料流動性控制方法，其特征在于，當軸向磁場線圈位于渦流線圈外圍時，渦流線圈和軸向磁場線圈的電流方向相同，渦流線圈在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場線圈產(chǎn)生的垂直于板面的軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由金屬板材法蘭區(qū)域指向凹模型腔的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料撕裂； 當潤流線圈位于軸向磁場線圈外圍時，潤流線圈和軸向磁場線圈的電流方向相反，潤流線圈在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場線圈產(chǎn)生的垂直于板面的軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由金屬板材法蘭區(qū)域指向凹模型腔的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料撕裂。
9.如權(quán)利要求7所述的用于金屬板材成形的材料流動性控制方法，其特征在于，當軸向磁場線圈位于渦流線圈外圍時，渦流線圈和軸向磁場線圈的電流方向相反，渦流線圈在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場線圈產(chǎn)生的垂直于板面的軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由凹模型腔指向金屬板材法蘭區(qū)域的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料起皺； 當渦流線圈位于軸向磁場線圈外圍時，渦流線圈和軸向磁場線圈的電流方向相同，渦流線圈在金屬板材的法蘭區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與軸向磁場線圈產(chǎn)生的垂直于板面的軸向磁場分量共同作用，產(chǎn)生平行于板面的由凹模型腔指向金屬板材法蘭區(qū)域的橫向電磁力，該橫向電磁力與施加在凹模型腔位置的金屬板材上的軸向成形力相互配合，以抑制材料起皺。
【文檔編號】B21D24/00GK103894468SQ201410130615
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】李亮, 賴智鵬, 曹全梁, 周中玉 申請人:華中科技大學