用于厚板件或厚弧形件的电磁脉冲翻孔成形设备的制作流程

本技术属于材料塑性成形领域，公开了一种用于厚板件或厚弧形件的电磁脉冲翻孔成形装置，其中用于厚板件的成形装置包括线圈和位于线圈一侧的集磁器(103)，集磁器(103)呈圆盘状，且具有表面积互不相同的两个圆盘表面；记表面积较大的为A面，表面积较小的为B 面，A面更靠近线圈，B面用于靠近待成形的工件；利用面积差在集磁器(103)靠近B面的一端将产生更大的电流密度，使待成形的工件受到更大的电磁力，从而便于电磁脉冲翻孔成形。

本技术通过对装置的整体结构设计等进行改进，在线圈与板料之间加集磁器，配合多层线圈，尤其通过存在表面积差异的集磁器A面、B面设计，使电磁力集中在集磁器B面所对应的成形区域，能够达到良好的成形效果。

权利要求书
1.一种用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置，其特征在于，包括线圈和位于线圈一侧的集磁器(103)，其中，所述集磁器(103)呈圆盘状，且具有表面积互不相同的上下两个呈平面形的圆盘表面，该集磁器(103)的圆盘中心开设有通孔，位于圆盘中轴线一侧的狭缝与该通孔相连通使该狭缝两旁的集磁器区域被该狭缝完全隔离；
所述线圈为单层线圈或多层线圈；当线圈为单层线圈时，该单层线圈是由金属线材(101)围绕圆盘中轴线在同一平面内内外分布设置，且所在平面平行于所述集磁器(103)的上下表面；当线圈为多层线圈时，该多层线圈中任意一层线圈均是由金属线材(101)围绕圆盘中轴线在同一平面内内外分布设置，每一层线圈所在平面均平行于所述集磁器(103)的上下表面；
记所述集磁器(103)表面积较大的表面为A面，表面积较小的表面为B面，则，所述A面较所述B面更靠近所述线圈，所述B面则用于靠近待成形的工件，并且，所述线圈与所述集磁器(103)通过绝缘树脂连接集成为一体；当对所述线圈施加交流电时，该线圈在A面产生的感应电流会通过所述狭缝流向B面，利用A面与B面的面积差，在集磁器(103)靠近B面的一端将产生更大的电流密度，使待成形的工件受到更大的电磁力，从而便于电磁脉冲翻孔成形。

2.如权利要求1所述用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置，其特征在于，所述金属线材(101)的截面形状为矩形，匝间距为2mm到5mm之间；当所述线圈为为多层线圈时，层间距为2mm 到4mm之间。

3.如权利要求1所述用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置，其特征在于，所述线圈为3层线圈；所述金属线材(101)为紫铜线材。

4.如权利要求1所述用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置，其特征在于，在多层线圈的缠绕中心还开设有螺栓孔，该螺栓孔的一端与所述集磁器(103)的圆盘中心通孔相连通；所述螺栓孔中安装有紧固螺栓，用于加强所述线圈与所述集磁器(103)集成后的整体结构的强度；并且所述紧固螺栓的表面还经过绝缘处理。

5.如权利要求1所述用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置，其特征在于，所述集磁器(103)采用铬锆铜。

6.如权利要求1所述用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置，其特征在于，所述集磁器(103)的厚度为趋肤深度的两倍。

7.如权利要求1所述用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置，其特征在于，所述A面与所述B面的直径之比不超过2，优选等于2。

8.如权利要求1所述用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置，其特征在于，所述绝缘树脂为环氧树脂(105)。

9.如权利要求1所述用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置，其特征在于，所述待成形的工件为待成形的板料；优选的，所述待成形的板料为待成形的厚度为7～8mm的铝合金厚板料。

10.一种用于厚弧形件的电磁脉冲翻孔成形装置，其特征在于，包括线圈和位于线圈一侧的集磁器(103)，其中，所述集磁器(103)呈圆盘状，且具有表面积互不相同的上下两个圆盘表面，其中表面积较大的表面呈平面形，表面积较小的表面呈弧面形；该集磁器(103)的圆盘中心开设有通孔，位于圆盘中轴线一侧的狭缝与该通孔相连通使该狭缝两旁的集磁器区域被该狭缝完全隔离；
所述线圈为单层线圈或多层线圈；当线圈为单层线圈时，该单层线圈是由金属线材(101)围绕圆盘中轴线在同一平面内内外分布设置，且所在平面平行于所述集磁器(103)中表面积较大的表面；当线圈为多层线圈时，该多层线圈中任意一层线圈均是由金属线材(101)围绕圆盘中轴线在同一平面内内外分布设置，每一层线圈所在平面均平行于所述集磁器(103)中表面积较大的表面；
记所述集磁器(103)表面积较大的表面为A面，表面积较小的表面为B面，则，所述A面较所述B面更靠近所述线圈，所述B面则用于靠近待成形的工件，并且，所述线圈与所述集磁器(103)通过绝缘树脂连接集成为一体；当对所述线圈施加交流电时，该线圈在A面产生的感应电流会通过所述狭缝流向B面，利用A面与B面的面积差，在集磁器(103)靠近B面的一端将产生更大的电流密度，使待成形的工件受到更大的电磁力，从而便于电磁脉冲翻孔成形。

技术说明书
一种用于厚板件或厚弧形件的电磁脉冲翻孔成形装置
技术领域
本技术属于材料塑性成形技术领域，更具体地，涉及一种用于厚板件或厚弧形件的电磁脉冲翻孔成形装置，本技术利用特殊形状设计的集磁器，进一步配合多层平板螺旋线圈，解决了当前电磁成形线圈无法承受高电压高能量放电条件的问题，使电磁成形在厚板件翻孔的应用更加成熟。

背景技术
为了满足结构轻量化和材料轻量化的需要，减少能量消耗和环境污染，密度较小，比强度较高的铝合金越来越多应用于汽车以及航空航天领域。

然而铝合金存在成形极限低，回弹严重等问题，严重制约了铝合金的发展。

电磁成形是利用洛伦兹力使金属材料发生高速率塑性变形的成形加工方法，该方法可以提高材料的成形极限，有效减小回弹，成形后的工件具有较小的残余应力，工件具有较高的表面质量，在成形铝合金方面具有广阔的前景。

且电磁成形工装简单，不需要大平台进行定位，只需要将成形线圈和凹模固定在成形区域即可，线圈位置的调节也较灵活。

航空航天领域，需要成形许多大形零件，采用传统工艺制造时，对工装平台、模具以及设备提出了较高要求；且有些零件需要成形出局部特征，以实现特定功能，难度极高。

与传统方法相比，电磁成形在航空航天领域具有很大的优势，既可提高生产效率，获得精度较高，质量较好的工件；同时可利用线圈加工制造的灵活性来成形局部特征。

电磁成形是通过给线圈通脉冲电流，在电磁感应的作用下，板料上也会产生一定深度的瞬时电流，板料上的电流所产生的磁场与线圈中电流所产生的磁场相互排斥，当排斥力超过材料的屈服强度时，板料会发生变形。

在板料上形成的电流的深度成为趋肤深度，该区域为电磁体积力作用区域。

趋肤深度与材料电阻率、材料磁导率、放电频率相关。

式(1)中，d：趋肤深度；ρ：电阻率；μ：磁导率；f：放电频率。

电磁成形过程中，板料短时间内迅速获得很高的运动速度，绝大部分塑性变形由高速运动下的惯性效应造成。

现如今，在利用电磁成形进行薄板翻边时，已经可以达到较好的效果。

板
料厚度增加，成形难度提升，其主要原因是，非电磁体积力作用区域增加，受体积力作用区域相对比例降低，电磁体积力效应被削弱。

在板料厚度增加的情况下，想要达到理想的成形效果，则需要增加电磁成形过程中的趋肤深度。

由式(1)可知，在材料不变的情况下，增加趋肤深度需要降低放电频率。

由式(2)可知，控制电感不变，增加电容可以降低放电频率，但会导致放电能量的急剧增加，线圈在放电过程所要承受的能量和反作用力也就越大。

式(2)中，f：放电频率；c：电容；l：电感。

由于制造工艺的限制，现在使用的线圈在高能量放电时，在力和热的综合作用下，环氧树脂失效，导致线圈结构强度急剧降低，导线相互挤压时造成短路，往往在一次放电之后，线圈无法再次使用。

解决这一问题的途径有两个：一是采用性能更加优良的材料代替铜线绕制线圈；二是优化线圈的结构设计，提高线圈的强度。

在新的理想材料出来之前，更多的是进行结构方面的研究。

电磁成形所使用的成形线圈的截面形状为圆形或矩形，研究表明：成形线圈的截面积严重影响着线圈的成形能力和使用寿命。

线圈的截面积较小时，线圈产生的电磁力可以较好地集中在成形区域，成形效果较好，但是由于现有制造工艺的限制，线圈在密绕时，其结构强度较低，使用寿命很短。

尤其对于厚板件(例如厚度为7～8mm的板件等)的电磁脉冲翻孔成形，由于板料厚度较大，成形时需要较大的电压，线圈在成形过程中受到较大的冲击载荷，线圈易损坏；倘若采用匝间距较大的线圈，线圈结构的强度有很大的提高，但是会导致电磁力不集中，无法达到理想的成形效果。

为了使线圈的投影面积与板料成形区域对应以保证电磁力有良好的分布，在小区域成形时，现有工艺大都采用密绕即匝间距很小的形式绕制，在板料厚度较小时，低电压放电可以保证线圈的使用寿命；当板料厚度增加到一定量时，由于所需成形力的增大，需要较大的放电能量，在力和热的综合作用下，线圈极易失效，甚至在一次放电后就需更换新线圈，导致线圈成本增加，产品制造周期变长。

技术内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本技术的目的在于提供一种用于厚板件或厚弧形件的电磁脉冲翻孔成形装置，通过对装置的整体结构设计等进行改进，在线圈与板料之间加集磁器，配合多层线圈，尤其通过存在表面积差异的集磁器A面、B面设计(其中A面的表面积较大，B面的表面积较小)，使B面附近的感应电流密度较A面附近更大，B面附近的电磁力也更大，从而使电磁力集中在集磁器B面所对应的成形区域，能够达到良好的成形效果。

本技术解决了当前电磁成形线圈无法承受高电压高能量放电条件的问题，使电磁成形在厚板件翻孔的应用更加成熟。

并且，基于本技术，所使用的线圈既能够经受大电压、又能够确保对小区域进行放电成形的成形效果，本技术通过设置特定表面积形状的集磁器配合线圈，线圈的匝间距可以保持较大的匝间距设计，既提高了线圈的强度，保证了线圈的使用寿命，又可以使电磁力集中在成形区域，达到较好的成形效果。

为实现上述目的，按照本技术的一个方面，提供了一种用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置，其特征在于，包括线圈和位于线圈一侧的集磁器(103)，其中，所述集磁器(103)呈圆盘状，且具有表面积互不相同的上下两个呈平面形的圆盘表面，该集磁器(103)的圆盘中心开设有通孔，位于圆盘中轴线一侧的狭缝与该通孔相连通使该狭缝两旁的集磁器区域被该狭缝完全隔离；
所述线圈为单层线圈或多层线圈；当线圈为单层线圈时，该单层线圈是由金属线材(101)围绕圆盘中轴线在同一平面内内外分布设置，且所在平面平行于所述集磁器(103)的上下表面；当线圈为多层线圈时，该多层线圈中任意一层线圈均是由金属线材(101)围绕圆盘中轴线在同一平面内内外分布设置，每一层线圈所在平面均平行于所述集磁器(103)的上下表面；
记所述集磁器(103)表面积较大的表面为A面，表面积较小的表面为B面，则，所述A面较所述B面更靠近所述线圈，所述B面则用于靠近待成形的工件，并且，所述线圈与所述集磁器(103)通过绝缘树脂连接集成为一体；当对所述线圈施加交流电时，该线圈在A面产生的感应电流会通过所述狭缝流向B面，利用A面与B面的面积差，在集磁器(103)靠近B面的一端将产生更大的电流密度，使待成形的工件受到更大的电磁力，从而便于电磁脉冲翻孔成形。

作为本技术的进一步优选，所述金属线材(101)的截面形状为矩形，匝间距为2mm到5mm之
间；当所述线圈为为多层线圈时，层间距为2mm到4mm之间。

作为本技术的进一步优选，所述线圈为3层线圈；所述金属线材(101)为紫铜线材。

作为本技术的进一步优选，在多层线圈的缠绕中心还开设有螺栓孔，该螺栓孔的一端与所述集磁器(103)的圆盘中心通孔相连通；所述螺栓孔中安装有紧固螺栓，用于加强所述线圈与所述集磁器(103)集成后的整体结构的强度；并且所述紧固螺栓的表面还经过绝缘处理。

作为本技术的进一步优选，所述集磁器(103)采用铬锆铜。

作为本技术的进一步优选，所述集磁器(103)的厚度为趋肤深度的两倍。

作为本技术的进一步优选，所述A面与所述B面的直径之比不超过2，优选等于2。

作为本技术的进一步优选，所述绝缘树脂为环氧树脂(105)。

作为本技术的进一步优选，所述待成形的工件为待成形的板料；优选的，所述待成形的板料为待成形的厚度为7～8mm的铝合金厚板料。

按照本技术的一个方面，提供了一种用于厚弧形件的电磁脉冲翻孔成形装置，其特征在于，包括线圈和位于线圈一侧的集磁器(103)，其中，所述集磁器(103)呈圆盘状，且具有表面积互不相同的上下两个圆盘表面，其中表面积较大的表面呈平面形，表面积较小的表面呈弧面形；该集磁器(103)的圆盘中心开设有通孔，位于圆盘中轴线一侧的狭缝与该通孔相连通使该狭缝两旁的集磁器区域被该狭缝完全隔离；
所述线圈为单层线圈或多层线圈；当线圈为单层线圈时，该单层线圈是由金属线材(101)围绕圆盘中轴线在同一平面内内外分布设置，且所在平面平行于所述集磁器(103)中表面积较大的表面；当线圈为多层线圈时，该多层线圈中任意一层线圈均是由金属线材(101)围绕圆盘中轴线在同一平面内内外分布设置，每一层线圈所在平面均平行于所述集磁器(103)中表面积较大的表面；
记所述集磁器(103)表面积较大的表面为A面，表面积较小的表面为B面，则，所述A面较所述B面更靠近所述线圈，所述B面则用于靠近待成形的工件，并且，所述线圈与所述集磁器(103)通过绝缘树脂连接集成为一体；当对所述线圈施加交流电时，该线圈在A面产生的感应电流会通过所述狭缝流向B面，利用A面与B面的面积差，在集磁器(103)靠近B面的一端将产生更大的电流密度，使待成形的工件受到更大的电磁力，从而便于电磁脉冲翻孔成形。

通过本技术所构思的以上技术方案，以用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置为例，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1)本技术通过在线圈与板料之间加入圆盘上下表面积大小存在差异的集磁器，实现了大型线圈对小区域的成形，尤其适用于厚板件(如厚度为7～8mm的铝合金厚板件)的电磁脉冲翻孔成形装置，能够克服成形力不够的弊端。

集磁器的A面(即，表面积较大的表面)靠近线圈，B 面(即，表面积较小的表面)靠近待成形工作(如待成形板料)。

线圈在集磁器上产生的感应电流集中在B面，同时在板料成形区域产生感应电流，达到电磁力集中的目的。

而且相对于线圈难加工、成本高、寿命短等问题，可通过进一步更换不同形状的集磁器(上下表面积、厚度)来改变电磁力的区域分布，以实现不同成形区域的变形，更为简单，方便。

本技术中集磁器的厚度优选为趋肤深度的两倍，能够有效避免A面、B面的电流发生反向抵消。

本技术中集磁器的A面、B面表面积之比越大，就意味着能量被集中在更小的区域上，使得该区域获得更大的磁场强度和电磁力，更有利于成形。

本技术中集磁器的A面、B面表面积之比优选不超过4(A面的表面积要大于B表的表面积)，即，A面与B面的直径之比不超过2，集磁器的A面、B面直径之比称为集磁器的相对直径，电磁力最大值随相对直径的增大而增大，但增大的程度越来越小，一般相对直径达到2以后，电磁力的升幅就很缓慢，本技术A面与B面的直径之比(即相对直径)优选等于2。

2)本技术优化了线圈结构，尤其可采用多层线圈，既保证了较高的强度，能够经受住成形时巨大的反作用力(线圈的层数越多，越能够提供大的成形力)，能够配合集磁器组件进一步提升电磁成形力的大小，满足厚板件成形时对电磁力大小的需要。

本技术优选采用多层线圈，在进行厚板料翻孔时，也能获得良好的贴模效果。

3)基于本技术，所使用的线圈既能够经受大电压、又能够确保对小区域进行放电成形的成形效果，在保证理想成形效果的同时，也保证了线圈的使用寿命，降低了成本，缩短了制造周
期。

传统线圈设计时，为了保证成形效果，线圈的投影面积与板料成形区域对应，在小区域成形时，为了达到大板厚成形所需要的巨大的力，线圈只能采用多匝密绕的方式，匝与匝之间会有强大的相互作用力，并且单位面积内的电流密度很大，电流的热效应使得放电时，线圈的温升很大，甚至将环氧树脂碳化，线材相互挤压后接触短路，导致线圈损坏。

本技术由于集磁器的存在，能够利用集磁器表面的进一步设计实现集磁器B面与待成形小区域的匹配，避免线圈多匝密绕的排布方式，优化了线圈结构，具有较高的结构强度，提高了线圈的使用寿命，克服了当前线圈损坏造成的成本高的问题。

本技术可采用紫铜线材绕制线圈结构，匝间距优选控制为2mm到5mm之间，除了匝间距外，本技术还通过控制线圈结构的截面形状为矩形，矩形导线截面的线圈相对圆形导线截面的线圈使板料变形更加均匀。

此外，当使用多层线圈时，本技术还通过优选控制多层线圈结构的层间距为2mm到4mm；层间距过小，会导致线材的集中，由于电流的热效应和线材之间的相互排斥力，通电时产生的热量和力的作用也会相对集中，会影响到线圈的结构强度和使用寿命，而间距的增加，又会减弱电磁力的作用；因此选取合适的层间距，既可以保证线圈有足够的结构强度，也能确保在成形过程中提供足够的电磁力。

本技术中的集磁器通过上下面积差起到了将电磁力集中到成形小区域的作用，线圈可以采用具有较大匝间距的线圈；相对于密绕型线圈，匝数相同的情况下，加大线圈的匝间距，电磁力的峰值有所降低；而本技术利用多层线圈与集磁器的配合，能够避免该不利现象(通过后续有限元数值模拟，也验证了该方法的可行性)。

本技术可优选采用三层线圈，每层线圈在绕制时均优选采用较大的匝间距(匝间距优选为2mm到5mm之间)，由于匝间距加大，线圈中单位面积内的电流密度降低，通电时，热量有足够的空间扩散；且另一方面，导线之间的空间有足够厚度的环氧树脂来填充，从而约束线材的相互挤压，保证最终能够承受住高能量多次放电，延长线圈的使用寿命，减少线圈的损耗，使线圈可重复利用，有效降低成本。

上述分析是以用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置(其中使用的集磁器具有上下两个呈平面形的圆盘表面)为例，当待成形的工件为弧形件，尤其是厚弧形件时，可将集磁器中面积较小的下表面设计成与板料曲面特征相符的曲面(即弧面形)，相应可得到用于厚弧形件的电磁脉冲翻孔成形装置；该用于厚弧形件的电磁脉冲翻孔成形装置中的其他结构(如线圈等)，均可以与用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置相似进行设置，取得相似的有益效果。

附图说明
图1为用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置中集磁器结构示意图。

图2为用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置中线圈与集磁器相对位置示意图。

图3为用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置中线圈示意图。

图4为用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置中各部件相对位置示意图。

图5为用于厚板件的电磁脉冲翻孔成形装置的工装示意图。

图6为电磁成型机与脉冲放电电路的连接电路图。

图7为用于厚弧形件的电磁脉冲翻孔成形装置的工装示意图，其中的集磁器部件具有弧面形的下表面。

图中各附图标记的含义如下：1为线圈和集磁器形成的整体组件，2为压边圈，3为板料，4为模具，5为开关，6为电阻，7为电容，101为金属线材(对应金属线圈)，102为紧固螺栓，103为集磁器，104为垫片，105为环氧树脂。

具体实施方式
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。

此外，下面所描述的本技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本技术中的成形装置，即，电磁翻孔成形装置，如图5所示，包括脉冲放电电路，成形线圈，凹模，压边圈和板料。

线圈系统包括三层平板螺旋线圈和集磁器，三层平板螺旋线圈串联连接(即，线圈采用纵向三层同心线圈的形式，且采用串联连接，能够满足成形时力和能
量的需求)，集磁器在平板线圈下方，不与线圈接触，采用环氧树脂绝缘分离(也就是说，线圈和集磁器集成在一块，其间的间隙用环氧树脂填充)。

集磁器，如图1所示，呈圆盘状，且具有表面积互不相同的上下两个圆盘表面，该集磁器的圆盘中心开设有通孔，位于圆盘中轴线一侧的狭缝与该通孔相连通使该狭缝两旁的集磁器区域被该狭缝完全隔离。

集磁器通过上下面积差起到了将电磁力集中到成形小区域的作用。

该狭缝在加工后被环氧树脂填充，集磁器狭缝作用是使感应电流由上表面流向下表面。

线圈中可进一步包含有紧固螺栓，进一步加强线圈的强度，提高使用寿命。

也就是说，为了保证整体具有较高的结构强度，能够经受住成形过程中巨大的反作用力，可以在线圈和集磁器之间的孔中加入螺栓紧固，螺栓表面进行绝缘处理(例如，螺栓可用绝缘纸包裹，保证与线圈和集磁器有良好的绝缘)。

进一步，图3中所示的螺栓102和垫片104包裹在环氧树脂中，用上方的螺母来调节松紧。

如图5所示，将板料置于凹模上方，对板料上待成形的区域进行压边，然后将成形线圈压在压边圈上。

实际实验过程中可以用压力机对线圈A面施加压力(线圈的A面、B面是以集磁器A面、B面为参照，按线圈A面-线圈B面-集磁器A面-集磁器B面依次排列的方式命名)，压力的大小要满足压边力的要求，并且足够抵抗成形过程中板料对于线圈的反作用力。

线圈1依次连接开关5，保护电阻6，储能电容7。

电磁成型机9在另一端通过开关8与开关5，保护电阻6，储能电容7相连。

按照成形工件所需要的能量，设定满足条件的电参数。

本技术适用于厚板翻孔，使用时需要有能够提供足够电压和能量的电磁成形机。

闭合开关8和5，电磁成形机给电容7充电，电充满后，断开开关8，电容7给线圈1放电。

进一步，串联的三层平板螺旋线圈中的脉冲电流，在下方的集磁器上表面产生感应电流。

进一步，线圈在集磁器大面积端产生的感应电流会流向下表面，由于上下表面具有面积差，集磁器下表面的电流密度大于上表面，进而在板料上产生较大的感应电流，电磁排斥力使板料成形。