阅读说明：本技术 采用双线圈的金属板件吸引式成形方法及成形装置 (Metal plate attraction type forming method and forming device adopting double coils ) 是由 熊奇 杨猛 刘馨 闫佳颖 宋先祺 李哲 邱立 江进波 余坤 于 2019-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了采用双线圈组的金属板件吸引式成形方法,对成形金属板件边缘施加压力将金属板件固定,控制第一脉冲发生电路,在成形区域产生背景磁场,确定成形过程需要的金属板件中的感应涡流大小,控制第二脉冲发生电路,在第二线圈组中产生短脉宽电流,使得金属板件中产生成形需要的感应涡流,受到向上的洛伦兹力,成形区域向上变形。本发明还公开了一种金属板件成形装置。通过两组线圈组对金属板件的成形进行控制,第一线圈组在成形区域形成背景磁场,第二线圈组在金属板件中产生成形需要的感应涡流,通过第一线圈组、第二线圈组分别对背景磁场、感应涡流进行控制,实现金属板件的高效、精确成形。(The invention discloses a sheet metal suction type forming method adopting a double-coil group, which comprises the steps of applying pressure to the edge of a formed sheet metal to fix the sheet metal, controlling a first pulse generating circuit to generate a background magnetic field in a forming area, determining the size of induced eddy current in the sheet metal required in the forming process, controlling a second pulse generating circuit to generate short-pulse-width current in a second coil group, so that the induced eddy current required by forming is generated in the sheet metal and is subjected to upward Lorentz force, and the forming area is deformed upwards. The invention also discloses a metal plate forming device. The forming of the metal plate is controlled through the two groups of coil groups, the first coil group forms a background magnetic field in a forming area, the second coil group generates induction eddy currents required by forming in the metal plate, and the background magnetic field and the induction eddy currents are controlled through the first coil group and the second coil group respectively, so that the efficient and accurate forming of the metal plate is realized.)

采用双线圈的金属板件吸引式成形方法及成形装置

技术领域

本发明属于金属成形制造领域，具体涉及一种采用双线圈的金属板件吸引式成形方法及成形装置。

背景技术

轻质合金大量应用于飞机、火箭、汽车等各种高精端产品的制造中，因此对轻质合金的凹痕修复，其目的和意义重大。现有的吸引式板件成形方法包括梯度磁场力法、金属屏法和热成形法。如文献《Pulsed electromagnetic attraction of sheet metals-fundamentals and perspective applications》所示，梯度磁场力法采用基于低频电流的线圈磁化磁性材料制成的金属板件，线圈与工件之间产生较强的梯度磁场力进而实现板件吸引力成形；如文献《Pulsed electromagnetic attraction of nonmagnetic sheetmetals》所示，金属屏法在线圈和金属板件之间增加一块金属良导体，在线圈中通入脉冲电流以在金属导体和板件中产生相同方向的感应涡流，实现吸引力成形；热成形法利用高温气体或液体对板件进行加热，再利用特定工具进行拉拔式成形，如汽车凹痕修复技术，则主要为拉拔式和顶翘式成形。

发明内容

本发明的技术问题是现有的金属板件的成形方法包括梯度磁场力法、金属屏法和热成形法，这些方法效果不理想，效率不高，且成形质量不可控。

本发明的目的是解决上述问题，提供一种采用双线圈的金属板件吸引式成形方法及成形装置，利用第一线圈组在金属板件成形区域产生背景磁场，利用第二线圈组在金属板件成形区域产生感应涡流，使金属板件的成形区域受到向上的洛伦兹力，产生变形，达到金属板件成形的规格。

本发明的技术方案是采用双线圈的金属板件吸引式成形方法，分别采用第一线圈组、第二线圈组在成形的金属板件的成形区域产生背景磁场和感应涡流，金属板件的成形区域受到向上的洛伦兹力，使成形区域向上变形，金属板件的成形方法包括以下步骤，

步骤1：对金属板件边缘施加压力将金属板件固定，在金属板件上方放置第一线圈组，并将第二线圈组设置在金属板件的成形区域的上方；

步骤2：将第一线圈组连接到第一脉冲发生电路，控制第一脉冲发生电路，在第一线圈组中产生长脉宽电流，在成形区域产生背景磁场；

步骤3：根据背景磁场的大小以及成形金属板件成形规格，确定成形过程需要的金属板件中的感应涡流大小；

步骤4：将第二线圈组连接到第二脉冲发生电路，控制第二脉冲发生电路，在第二线圈组中产生短脉宽电流，使得金属板件中产生成形需要的感应涡流，产生感应涡流的金属板件的成形区域在背景磁场的作用下，受到向上的洛伦兹力，成形区域向上变形；

步骤5：判断步骤4的成形金属板件的成形是否达到金属板件的成形规格；

步骤5.1：若没有达到成形规格，则执行步骤2；

步骤5.2：若达到成形规格，则结束。

采用双线圈的金属板件吸引式成形方法还包括步骤1之前的对金属板件做退火预处理。

进一步地，成形的金属板件为用于汽车蒙皮的合金板件。

优选地，所述第一脉冲发生电路为电容器组，电容为2880～3200μF。

优选地，所述第二脉冲发生电路为电容器组，电容为40～160μF。

金属板件成形装置，包括第一线圈组、第二线圈组、第一脉冲发生电路、第二脉冲发生电路、压边设备，第一线圈组经开关管VT1与第一脉冲发生电路连接，第二线圈组经开关管VT2与第二脉冲发生电路连接，压边设备用于将金属板件的边缘固定住。

优选地，第一线圈组并联有续流二极管VD1。

优选地，第二线圈组并联有续流二极管VD2。

相比现有技术，本发明的有益效果：

1)通过两组线圈组对金属板件的成形进行控制，第一线圈组在成形区域形成背景磁场，第二线圈组在成形金属板件中产生成形需要的感应涡流，成形金属板件的成形区域在背景磁场的作用下，受到向上的洛伦兹力，成形区域向上变形，通过第一线圈组、第二线圈组分别对背景磁场、感应涡流进行控制，实现金属板件的高效、精确成形；

2)通过控制第二线圈组连接的电容器组的电压、电容对第二线圈组的脉冲电流进行控制，进而对金属板件的成形质量进行控制；

3)通过控制第一线圈组连接的电容器组的电压、电容对第一线圈组的脉冲电流进行控制，控制金属板件成形的背景磁场；

4)本发明的方法实现了金属板件成形效果的准确控制，可反复多次对金属板件的成形区域进行成形调节。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为采用双线圈的金属板件吸引式成形方法的流程图。

图2为本发明的金属板件成形装置示意图。

图3为实施例的线圈组的结构示意图。

图4为第一线圈组、第二线圈组中的电流波形图。

图5第一线圈组、第二线圈组的磁感线示意图。

图6为金属板件上产生的感应涡流和洛伦兹力的示意图。

图7为金属板件成形的仿真结果示意图。

附图标记说明：第一线圈组1、第二线圈组2、第一脉冲发生电路3、第二脉冲发生电路4、压边设备5、金属板件6。

具体实施方式

如图1所示，采用双线圈的板件吸引式成形方法，对用于汽车蒙皮的合金板件退火预处理后，利用压边设备的液压机构将金属板件从边缘固定后，采用第一线圈组、第二线圈组分别在成形的金属板件的成形区域产生背景磁场和感应涡流，金属板件的成形区域受到向上的洛伦兹力，使成形区域向上变形，成形方法包括以下步骤，

步骤1：对成形金属板件边缘施加压力将金属板件固定，在成形金属板件上方放置第一线圈组，并将第二线圈组设置在成形金属板件的成形区域的上方；

步骤2：将第一线圈组连接到第一脉冲发生电路，控制第一脉冲发生电路，在第一线圈组中产生长脉宽电流，在成形区域产生背景磁场；

步骤3：根据背景磁场的大小以及成形金属板件成形规格，确定成形过程需要的成形金属板件中的感应涡流大小；

步骤4：将第二线圈组连接到第二脉冲发生电路，控制第二脉冲发生电路，在第二线圈组中产生短脉宽电流，使得成形金属板件中产生成形需要的感应涡流，产生感应涡流的成形金属板件的成形区域在背景磁场的作用下，受到向上的洛伦兹力，成形区域向上变形；

步骤5：判断步骤4的成形金属板件的成形是否达到成形金属板件的成形规格；

步骤5.1：若没有达到成形规格，则执行步骤2；

步骤5.2：若达到成形规格，则结束。

实施例中，第一脉冲发生电路为电容器组，电容为3200μF。第二脉冲发生电路为电容器组，电容为120μF。

通过计算机分别对第一脉冲发生电路、第二脉冲发生电路进行控制，第一线圈组在第一脉冲发生电路的时序调控下产生长脉宽电流I_L，在成形区域产生较大的背景磁场B_L＝12T和较小的逆时针感应涡流J_L＝9.11×10⁴A/m²；第二线圈组在第二脉冲发生电路的时序控制下产生短脉宽电流I_S，在长脉宽电流快达到峰值时，导通第二脉冲发生电路产生短脉宽电流；在金属板件上产生较小的磁感应强度B_S＝1.5T和较大的顺时针感应涡流J_S＝4.38×10⁸A/m²；根据左手定则，板件受到一个较大的轴向向上的洛伦兹力F_Z。长脉宽电流I_L、短脉宽电流I_S如图4所示。第一线圈组、第二线圈组的磁感线如图5所示。

对金属板件进行受力分析，

分析金属板件上的感应涡流密度，当t₁＞＞t₂-t₁时；

感应涡流密度

J_S＞＞J_L

并且I_{L max}＞＞I_{S max}，

进而得到

F_z≈-J_S×B_L-R；

式中F_Z为轴向洛伦兹力，F_R为径向洛伦兹力；J_e为金属板件上的感应涡流密度，以顺时针方向为正；B_Z、B_R分别为轴向磁场分量、径向磁场分量；J_L为长脉宽电流在金属板件上产生的感应涡流，J_S为短脉宽电流在金属板件上产生的感应涡流；B_L-R为长脉宽电流在金属板件成形区域产生的径向磁场，B_S-R为短脉宽电流在金属板件成形区域产生的径向磁场；t代表时间，t₁为长脉宽电流到达峰值的时刻，t₂为短脉宽电流到达峰值的时刻；I_{L max}为长脉宽电流I_L的峰值，I_{S max}为短脉宽电流I_S的峰值。金属板件上产生的感应涡流、洛伦兹力如图6所示。

实施例中，第一线圈组1为45匝，截面为1mm×4mm，第二线圈组2为12匝，截面为1mm×4mm，制作适配线圈几何形状的线圈骨架，利用高强度纤维进行线圈层间加固和外部固定，将第一线圈组1、第二线圈组2组装成一体，如图3所示。

如图2所示，实施例中，金属板件成形装置金属板件成形装置，包括第一线圈组1、第二线圈组、第一脉冲发生电路3、第二脉冲发生电路4、压边设备5，第一线圈组1经开关管VT1与第一脉冲发生电路3连接，第二线圈组2经开关管VT2与第二脉冲发生电路4连接，压边设备2用于将金属板件3的边缘固定住。第一线圈组1并联有续流二极管VD1。第二线圈组2并联有续流二极管VD2。电感Ls为第一线圈组1的线路电感，电阻Rs为第一线圈组1的线路电阻。电感Lf为第二线圈组2的线路电感，电阻Rf为第二线圈组2的线路电阻。

采用有限元软件COMSOL5.4a对金属板件的成形进行仿真，设置第一线圈组的放电电压为11kV,第一脉冲发生电路的电容器数值设置为3200uF,设置第二线圈组放电电压为6.8kV,第二脉冲发生电路的电容器数值设置为120uF，仿真结果表明金属板件中心点最大轴向位移为3.12mm，如图7所示。