一種大型薄壁件的拉形和電磁復合漸進成形方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于板材漸進成形領(lǐng)域，更具體地，涉及一種大型薄壁件的拉形和電磁復合漸進成形方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空航天等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，先進飛機、航天器、火箭及導彈中迫切需要采用結(jié)構(gòu)效益十分顯著的大型整體薄壁殼體，以減輕質(zhì)量、提高運載器承載能力極限和航程等整體性能。大尺寸、薄壁、質(zhì)輕、高精度、高強度、良好的抗疲勞性能的零部件就是其中的典型代表，比如航天器的大型貯箱封頭、巡航導彈艙段、飛機和航天器頭罩、副油箱和發(fā)動機殼體等。
[0003]大型殼體構(gòu)件的塑性成形方法主要有:(I)利用巨型壓力機強力模壓成形，比如美、法、俄等發(fā)達國家擁有450?750MN級的巨型液壓機，而我國也啟動了 8萬t巨型液壓機的研制，但這種設(shè)備需要投入巨資、并且設(shè)備極其復雜；(2)板料充液拉深，該方法利用液體作為成形傳力介質(zhì)代替剛性凹模傳遞載荷，利用液池內(nèi)液體受到壓縮產(chǎn)生相對壓力使毛坯貼緊在凸模上，形成凸模形面所約束的形狀，但該成形方法需要大的拉深力和壓邊力，會顯著增加設(shè)備成本，同時高壓下密封困難；(3)旋壓成形，該工藝是目前針對大型回轉(zhuǎn)體薄壁零件塑性加工最為有效的辦法，成形過程屬于連續(xù)局部逐點變形，變形區(qū)的材料處于兩向或三向壓應力狀態(tài)，顯著提高材料的變形程度。但對薄壁件的成形需要采用多道次旋壓，材料會經(jīng)歷多次局部加載與卸載的不均勻變形，工藝參數(shù)復雜且非線性耦合，容易出現(xiàn)鼓包、破裂等缺陷，并且成形件表面存在劃痕，制約了成形質(zhì)量和成形極限的提高。因此針對大型輕質(zhì)材料的薄壁零件精確塑性制造，已成為我國科技亟待解決的關(guān)鍵科學技術(shù)問題。
[0004]板料漸進成形是近年來興起的板料成形技術(shù)，具有成形方式靈活，柔性高等特點，漸進成形采用“軌跡”成形方法，通過工具頭的運動進行表面輪廓的生成。在文獻“Investigat1n into a new hybrid forming process:1ncremental sheet formingcombined with stretch forming，，(CIRP Annals - Manufacturing Technology)中提出了采用先拉深進行預成形，然后采用剛性工具頭碾壓一次加工細節(jié)特征的方法，證明了成形精度、板料厚度分布和成形時間相對于單純漸進成形都有改善，但是該漸進成形方法存在以下缺點:(1)剛性工具頭與板料接觸區(qū)域小，工具頭的周邊材料難以流動，使板料呈現(xiàn)整體的變薄變形過程，限制了板料的成形精度；(2)剛性工具頭尺寸小，剛度差，難以適合高硬度、大厚度板料的精確成形；(3)剛性工具頭與板料直接接觸，板料表面存在明顯劃痕，板料成形質(zhì)量差。
[0005]電磁脈沖成形是一種利用脈沖磁場力對金屬工件進行高速加工方法，研宄表明:材料在高速變形條件下能夠獲得高于傳統(tǒng)沖壓加工下的成形性能，并把這種較高成形性的現(xiàn)象稱為“高塑性”。但一般的平板電磁脈沖成形工藝，放電線圈處于一個固定位置，其尺寸要與模具的大小一致，通過一次放電使金屬板料發(fā)生脹形，并最終成形為一個錐形零件，如圖1所示，同時該技術(shù)也很難直接實現(xiàn)大尺寸、深成形零件的精確成形。針對大尺寸板型零件的電磁加工，華中科技大學莫健華課題組開展了基于凹模的采用移動電磁脈沖磁體加工大型板材的研宄，在文獻“Electromagnetic incremental forming(EMIF):a novelaluminum alloy sheet and tube forming technology” 中，作為脈沖放電的電磁體在板料上沿著模具輪廓一步一步移動，每移動一步在一個位置連續(xù)放電兩次，第一次放電使板料接近模具輪廓，第二次放電對前一步校形，并使板料與模具貼合，該研宄表明，電磁脈沖漸進成形工藝采用小線圈和小能量設(shè)備能夠成形大尺寸板形零件，但該研宄中，板料相對固定不動、無拉形過程，且線圈無擺動的動作，成形后零件的高度只有10mm，成形精度差，難以成形大型薄壁件；公開號CN1821910A，公開日2006年8月23日的專利文獻公開了一種板材動圈電磁漸進成形方法及其裝置，提出了采用小型線圈實現(xiàn)大尺寸板料成形的電磁成形方法，但該專利的電磁線圈采用放電-移動-再放電-再移動的形式進行成形，其只能沿X、Y、Z軸移動，其同樣無拉形過程，線圈也無法相對夾持桿擺動以使其正對板料待放電區(qū)域進行放電，其電磁成形效率低，且成形精度難以控制；另外，電磁成形適合于高電導率材料，該專利并不適用于高強鋼、鈦合金以及復合材料、塑料等低電導率材料的變形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點和/或改進需求，本發(fā)明提供了一種大型薄壁件的拉形和電磁復合漸進成形方法，其中采用拉形-放電-再拉形-再放電的漸進成形方法，相應的能夠提高成形精度、提高放電能量利用率以及板料厚度的均勻性；此外，本發(fā)明還通過對實現(xiàn)拉形和電磁復合漸進成形方法的具體設(shè)備及其關(guān)鍵組件如拉形組件、電磁放電組件的結(jié)構(gòu)及其設(shè)置方式進行改進，相應的能夠提高難變形材料的成形極限，因而尤其適用于大尺寸、難變形材料的精確成形等應用場合。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提出了一種大型薄壁件的拉形和電磁復合漸進成形方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0008]步驟1:預定位操作
[0009]將與待變形板料尺寸相適應的驅(qū)動板放置于待變形板料上方，并且所述驅(qū)動板的電導率被設(shè)定為高于所述待變形板料的電導率；然后采用框形壓板和框形托板分別將這兩者予以夾持，并將這兩者置于凸模的上方；此外，在所述驅(qū)動板的上方設(shè)置有位置可調(diào)的夾持桿，在該夾持桿的下端部安裝有可繞其樞軸擺動的電磁線圈；
[0010]步驟2:多步驟拉形和電磁復合操作
[0011]步驟(21):通過升降油缸帶動所述框形托板和所述框形壓板向下移動，使所述驅(qū)動板和所述待變形板料初步拉彎和繃緊，實現(xiàn)拉形過程；
[0012]步驟(22):根據(jù)所述驅(qū)動板經(jīng)過步驟(21)執(zhí)行初步拉彎后的形狀，調(diào)節(jié)所述夾持桿的位置，并保持其高度位置不變，隨后操控所述電磁線圈執(zhí)行擺動，使得所述電磁線圈的底面與執(zhí)行初步拉彎后的驅(qū)動板的表面之間基本平行；
[0013]步驟(23):所述電磁線圈經(jīng)過步驟(22)調(diào)整完畢后，正對所述驅(qū)動板開始放電，使得驅(qū)動板在電磁力的作用下高速變形，與此同時，所述驅(qū)動板下方的待變形板料也發(fā)生變形，使得所述待變形板料與所述凸模貼合；
[0014]步驟(24):所述電磁線圈保持在同一高度并繞所述凸模軸線在所述驅(qū)動板的整個外表面上做旋轉(zhuǎn)移動，以實現(xiàn)同一高度下的待變形板料與所述凸模貼合，以此完成薄壁件圓周面的放電成形；
[0015]步驟(25):反復執(zhí)行步驟(21)_(24)，實現(xiàn)待變形板料的拉形-放電-再拉形-再放電的交替成形過程，以使整個待變形板料與所述凸模貼合，直至完成大型薄壁件的精確成形。
[0016]作為進一步優(yōu)選地，所述電磁線圈為兩個，其沿所述凸模的軸線對稱布置，并且由同一個電源系統(tǒng)供電。
[0017]作為進一步優(yōu)選地，所述電磁線圈為單層或多層，其由截面為圓形或矩形的紫銅線繞制而成。
[0018]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種大型薄壁件的拉形電磁復合漸進成形裝置，其特征在于，該裝置包括模具組件、待變形組件、拉形組件及電磁放電組件，其中:
[0019]該模具組件包括凸模和凸模座，所述凸模通過凸模座置于底座的中間；
[0020]該待變形組件包括待變形板料和驅(qū)動板，所述驅(qū)動板的電導率被設(shè)定為高于所述待變形板料的電導率，所述待變形板料置于所述凸模的上方，并且所述驅(qū)動板置于所述待變形板料的上方；
[0021]該拉形組件包括升降油缸、框形托板和框形壓板，所述升降油缸置于底座的兩側(cè)，其頂端與框形托板相連，所述框形托板和所述框形壓板相連并夾持住所述待變形板料和所述驅(qū)動板，當所述升降油缸向下移動時，帶動所述框形托板和所述框形壓板向下移動，使得所述驅(qū)動板和待變形板料拉彎和繃緊，以此實現(xiàn)拉形過程；
[0022]該電磁放電組件包括電磁線圈和夾持桿，所述電磁線圈置于所述驅(qū)動板的上方，其根據(jù)所述驅(qū)動板拉彎后的形狀發(fā)生擺動，使得所述電磁線圈的底面與拉彎后驅(qū)動板的表面之間基本平行；所述電磁線圈正對所述驅(qū)動板進行放電，以使所述驅(qū)動板在電磁力的作用下高速變形，并驅(qū)動所述待變形板料與模具貼合，實現(xiàn)電磁放電過程；所述電磁線圈在同一高度繞所述凸模軸線在所述驅(qū)動板的整個外表面上做旋轉(zhuǎn)移動，以實現(xiàn)同一高度下待變形板料的放電成形；
[0023]所述拉形組件和所述電磁放電組件交替作用以實現(xiàn)待變形板料的拉形-放電-再拉形-再放電的交替成形過程，使得整個待變形板料與所述凸模貼合，最終完成大型薄壁件的精確成形。
[0024]作為進一步優(yōu)選地，所述電磁線圈為兩個，其沿所述凸模的軸線對稱布置，并且由同一個電源系統(tǒng)供電。
[0025]作為進一步優(yōu)選地，所述電磁線圈為單層或多層，其由截面為圓形或矩形的紫銅線繞制而成。
[0026]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，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點:
[0027]1.采用拉形與電磁復合的漸進成形方式，即拉形-放電-再拉形-再放電的成形方式，可實現(xiàn)板料與模具的完美貼合，提高成形精度；預拉成形后，轉(zhuǎn)動線圈使線圈正