一种基于电磁能场协同调控的多源电磁成形装置及方法

本发明涉及金属板材电磁成形，具体而言，涉及一种基于电磁能场协同调控的多源电磁成形装置及方法。

背景技术：

1、随着航空航天、轨道交通、新能源汽车等领域对轻量化、高性能复杂曲面板材构件需求的不断增加，传统机械冲压成形由于模具接触摩擦大、成形极限低，且易产生起皱、开裂及回弹等问题，已难以满足复杂结构件高质量、高精度制造的要求。电磁成形技术作为一种高速无接触塑性成形技术，通过脉冲电源向成形线圈瞬时释放高密度电流，产生瞬态强磁场，在导电板材内部感应出涡流，并在外磁场与感应电流相互作用下产生洛伦兹力，从而驱动板材在微秒级完成高速塑性变形。由于具有成形速度快、材料成形极限高、模具磨损小及回弹小等优点，电磁成形技术已成为先进塑性成形领域的重要研究方向。

2、目前，现有电磁成形装置大多采用单一平面螺旋线圈或矩形线圈作为主成形线圈，其结构通常为等截面导体，在线圈各位置产生的磁场分布基本固定，磁压力主要由线圈几何尺寸及放电能量决定，难以根据复杂构件的成形需求实现磁场强度的空间分布调控。对于形状较简单、变形深度较小的构件，传统单线圈电磁成形方式能够获得一定的成形效果；但是，当成形复杂曲面、深腔结构、局部凸起结构或复杂圆角过渡结构时，板材不同区域对电磁力大小和作用方向的需求不同，单一主成形线圈难以实现差异化调控，容易导致局部变形不足、边缘变形过大以及壁厚分布不均等问题。

3、在实际成形过程中，若目标区域驱动力不足，通常需要通过提高整体放电能量来增加板材变形量。然而，整体提高放电能量会使板材非目标区域也受到更大的电磁力作用，容易引起局部减薄、应变集中、起皱、开裂、边缘区域过度变形或贴模过早等问题。尤其是在深腔类构件成形时，凹模型腔底部或圆角区域往往需要更多材料补充，而边缘区域或过渡区域又需要抑制过度变形，传统电磁成形装置难以兼顾上述不同区域的成形需求。

4、为了改善上述问题，已有研究提出采用磁通聚集器、辅助线圈或多线圈组合等方式对局部磁场进行增强，以提高局部电磁力，改善成形效果。然而，这类技术大多仅能够实现局部磁场增强，磁场调控方式较为单一，对于非目标区域的磁场削弱及材料流动方向的主动控制能力有限。同时，多数辅助线圈仅与主成形线圈同步工作，缺乏对不同能场独立控制和协同调节的能力，难以根据板材运动阶段、目标构件几何特征以及局部贴模需求精确构建复杂电磁场。

5、此外，现有电磁成形线圈通常采用等截面导体结构，线圈各匝电流密度分布相对固定，无法主动构建梯度磁场，导致洛伦兹力大小及空间分布缺乏可调性。在复杂曲面成形过程中，材料流动主要依赖电磁力自然分布，难以根据目标构件几何特征实现材料向特定区域的定向流动，因此容易出现局部减薄、应变集中、充模不足及成形精度下降等问题。

6、进一步地，在深腔、圆角或局部特征区域成形过程中，板材在接近凹模型腔时不仅需要足够的成形驱动力，还需要电磁力方向与型腔轮廓及材料流动路径相匹配。传统电磁成形中，板材所受洛伦兹力的方向主要由主线圈磁场和板材感应电流共同决定，局部力方向调节能力较弱。当板材运动至凹模型腔附近时，若局部电磁力方向不能引导材料沿圆角、深腔或局部特征区域继续流动，容易出现圆角处贴模不足、深腔底部充模不足、局部悬空、回弹或成形精度下降等缺陷。

7、综上所述，现有电磁成形技术仍存在以下不足：

8、（1）主成形线圈多采用等截面结构，难以主动构建梯度磁场，电磁力空间分布不可调，不能满足复杂曲面或深腔构件不同区域对驱动力差异化分布的需求；

9、（2）现有辅助磁场多侧重于局部增强，缺乏增强、削弱及改向等多种磁场的协同调控机制，难以同时解决目标区域驱动力不足和非目标区域驱动力过大的问题；

10、（3）现有技术难以实现电磁力大小、空间分布及作用方向的综合调控，材料流动路径难以主动控制，尤其难以引导材料向深腔、圆角或局部特征区域定向流动；

11、（4）多数辅助线圈或多线圈结构缺少独立放电控制和时序调节能力，难以根据板材运动阶段和局部成形状态实现不同能场的协同作用；

12、（5）在复杂曲面及深腔板材构件成形过程中，容易出现局部减薄、应变集中、充模不足、贴模不充分、成形精度低及成形极限受限等问题。

13、因此，有必要提供一种基于电磁能场协同调控的多源电磁成形装置及方法来解决上述这些问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述背景技术中提出的技术问题，提供了一种基于电磁能场协同调控的多源电磁成形装置及方法。

2、本发明的上述目的是这样实现的：一种基于电磁能场协同调控的多源电磁成形装置，包括主成形螺旋线圈、增强能场模块、削弱能场模块、凹模、主成形电源、调控能场电源、改向线圈和改向线圈电源，所述增强能场模块位于待成形板材的上方，所述削弱能场模块和所述凹模位于所述待成形板材的下方；所述主成形螺旋线圈与所述主成形电源电连接，且所述主成形螺旋线圈的导体横截面积沿螺旋延伸方向渐变，以在所述待成形板材所在区域形成梯度主磁场；所述增强能场模块和所述削弱能场模块分别与所述调控能场电源电连接，以分别形成与所述梯度主磁场方向一致的增强磁场和与所述梯度主磁场方向相反的削弱磁场；所述改向线圈设置于所述凹模的型腔附近并与所述改向线圈电源电连接，以形成使局部磁场方向发生偏转的改向磁场；所述主成形电源、所述调控能场电源和所述改向线圈电源相互独立。

3、作为本发明优选的技术方案，所述增强能场模块和所述削弱能场模块相对设置，所述凹模位于所述削弱能场模块的内侧；所述增强能场模块和所述削弱能场模块的中心分别设有轴向对应的贯穿安装孔，所述主成形螺旋线圈设置于所述贯穿安装孔形成的安装空间内，且所述主成形螺旋线圈、所述增强能场模块和所述削弱能场模块同轴布置。

4、作为本发明优选的技术方案，所述主成形螺旋线圈为平面螺旋线圈，所述导体横截面积沿螺旋延伸方向连续渐变或分段渐变，使所述导体横截面积较小区域的电流密度大于所述导体横截面积较大区域的电流密度。

5、作为本发明优选的技术方案，所述主成形螺旋线圈的导体横截面为矩形、梯形、圆形或椭圆形。

6、作为本发明优选的技术方案，所述增强能场模块和所述削弱能场模块均为环形结构，所述增强能场模块产生的增强磁场与所述梯度主磁场在目标成形区域叠加，所述削弱能场模块产生的削弱磁场与所述梯度主磁场在非目标成形区域至少部分抵消。

7、作为本发明优选的技术方案，所述调控能场电源包括相互独立的第一开关支路和第二开关支路，所述第一开关支路与所述增强能场模块电连接，所述第二开关支路与所述削弱能场模块电连接；或者，所述增强能场模块和所述削弱能场模块分别由相互独立的调控能场电源驱动。

8、作为本发明优选的技术方案，所述改向线圈为单匝线圈、多匝线圈、平面螺旋线圈或三维绕组，并沿所述凹模的型腔连续布置、分段布置或局部嵌入布置，以使所述待成形板材所受洛伦兹力具有指向所述凹模的目标成形区域的分量。

9、本发明还提供了一种基于电磁能场协同调控的多源电磁成形方法，包括以下步骤：

10、s1、将待成形板材放置于增强能场模块与削弱能场模块之间，使凹模位于所述待成形板材的下方；

11、s2、根据目标构件的几何形状和所述待成形板材的材料性能，分别设定主成形电源、调控能场电源和改向线圈电源的放电参数和触发时序；

12、s3、控制所述主成形电源向主成形螺旋线圈放电，由所述主成形螺旋线圈产生梯度主磁场，使所述待成形板材朝向所述凹模变形；

13、s4、控制所述调控能场电源向所述增强能场模块和所述削弱能场模块放电，使所述增强能场模块产生增强磁场，并使所述削弱能场模块产生削弱磁场；

14、s5、控制所述改向线圈电源向改向线圈放电，使所述改向线圈产生改向磁场，以改变所述凹模的型腔附近的局部磁场方向；

15、s6、通过所述梯度主磁场、所述增强磁场、所述削弱磁场和所述改向磁场的协同作用，使所述待成形板材向所述凹模的目标成形区域流动并完成成形。

16、作为本发明优选的技术方案，在所述待成形板材的初始加速阶段，控制所述调控能场电源向所述增强能场模块放电；在所述待成形板材运动至预设位置或自所述主成形电源放电起达到预设时间时，控制所述调控能场电源向所述削弱能场模块放电；在所述待成形板材接近所述凹模的型腔时，控制所述改向线圈电源向所述改向线圈放电。

17、作为本发明优选的技术方案，所述主成形电源、所述调控能场电源和所述改向线圈电源均为脉冲放电电源，且能够分别调节充电电压、储能电容、放电能量、放电时刻和触发时序，并能够按照同步放电、顺序放电、延迟放电或重叠放电的方式工作。