[发明专利]一种金属材料的电磁热成形方法及装置

说明书

本发明公开了一种金属材料的电磁热成形方法及装置，该装置包括：脉冲电流源、成形模具、成形线圈、线圈压块以及开关；成形模具与成形线圈之间用于放置待成形样件；脉冲电流源、待成形样件、成形线圈以及开关依次连接；脉冲电流源在开关闭合时，为待成形样件提供脉冲电流加热待成形样件，在开关断开时，为成形线圈及待成形样件提供脉冲电流，以通过成形线圈为待成形样件提供电磁成形力；成形模具用于约束待成形样件的成形形状；线圈压块用于防止成形线圈受反作用力而弹起。通过本发明解决了金属材料由于温度升高电导率下降从而导致电磁成形力不足以及加热效率低等问题，同时提供一种结构简单、能量利用率高的任意多峰脉冲大电流源拓扑。

技术领域

本发明属于材料塑性成形领域，具体涉及金属材料的电磁脉冲成形方法及装置，特别涉及一种金属材料的电磁热成形方法及装置。

背景技术

电磁脉冲成形技术是一种新兴的高能率成形技术，其原理是在成形线圈中通入脉冲大电流，待成形金属坯料区域会产生随时间变化的磁场，金属坯料内会感生一个抵抗磁场变化的涡流，在磁场与涡流相互作用下，待成形金属胚料受到一个巨大电磁力的作用，从而发生塑性变形。由于惯性效应、电塑性效应及高速率下材料本构关系等因素，电磁成形具有成形极限高、回弹小、成形速度快等优点，可以解决轻质高强度、但成形性能差等材料(如钛、铝、镁合金等)的成形困难问题，促进轻量化结构与技术的发展应用。

虽然从理论上而言，电磁成形技术可用于加工此类难成形的材料。然而，金属坯料中感应的涡流大小和方向与脉冲电流源以及线圈产生的成形磁场的空间分布情况密切相关，对于不适于冷加工的材料或者高电阻率的材料，更需要设计复杂的成形系统来控制磁场和作用于工件上的磁场力。其存在的主要问题有：

(1)对于不适于冷加工的材料，往往需要先加热提高塑性而后成形，若采用传统的电磁成形工艺加工此类材料往往需要配置电参数很大的脉冲电流源、复杂的成形线圈以及耗费很大的电磁能量且成形效果不佳。为此专利文献CN101590501A提出一种镁合金温热电磁成形的加工方法，先利用加热棒对镁合金板材加热到适合的温度再利用匀压力线圈在样件上感应涡流成形。然而这种方法在对镁合金板材加热提高塑性的同时镁合金的电导率因温度升高相应减少，导致样件上的感应涡流减少从而成形力大大减弱，从而不能完全发挥镁合金板材由温度升高导致塑性提高的特性，金属成形的温度区间有限。而专利CN104772380A同样采用加热棒加热钛合金，但不同的是采用铝板作为驱动板驱动加热后的钛合金成形，虽然克服了由于温升提高电导率降低的缺陷，但引入驱动板导致成形装置极其复杂，成本增加等问题

(2)大多数的加热方法采用类似感应加热棒这种热传导方式加热金属，这种方法加热时间较长导致金属易氧化且能量利用率不高、装置复杂。为此CN105344972A提出一种非晶合金零件快速成形方法，首先采用一套电源对非晶样件进行快速加热到合适温度再利用另外一套电源作用于成形线圈在非晶上感应涡流使其成形。但这种方法不适于合金金属成形，因为合金金属即使温度升高仍需具有很大的屈服强度，感应涡流无法提高足够的成形力。

上述问题成为限制电磁成形工艺的成形能力与发展应用的主要因素。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属材料的电磁热成形方法及装置，旨在解决现有技术中金属材料由于温度升高电导率下降从而导致电磁成形力不足以及加热效率低等问题，同时为更好的对成形温度和电磁成形力调控，提供一种结构简单、能量利用率高的任意多峰脉冲大电流源拓扑。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属材料的电磁热成形装置，包括：脉冲电流源、成形模具、成形线圈、线圈压块以及开关；

所述成形模具与所述成形线圈之间用于放置待成形样件；所述脉冲电流源的第一输出端用于与所述待成形样件的第一端连接，所述成形线圈的第一端及所述开关的第一端用于与所述待成形样件的第二端连接，所述成形线圈的第二端与所述开关的第二端及所述脉冲电流源的第二输出端连接；