一種電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚窝b置及方法與流程

本發(fā)明屬于金屬成形制造領(lǐng)域，特別涉及一種電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚窝b置及方法，主要用于金屬板件的溫?zé)岢尚渭庸ぁ?/p>

背景技術(shù)：

輕量化是航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排的重要技術(shù)手段。而實(shí)現(xiàn)輕量化的主要途徑是采用輕質(zhì)合金材料，高性能鋁合金、鈦合金、鎂合金成為現(xiàn)代航空航天、汽車工業(yè)等實(shí)現(xiàn)輕量化的首選材料；電磁成形是一種高速率脈沖成形技術(shù)，能大幅改善金屬材料成形性能，是解決輕質(zhì)合金成形困難的有效手段之一。

現(xiàn)有常溫板件電磁成形技術(shù)中，成形工件通常處于常溫成形塑性較低，局部拉延性差，容易產(chǎn)生裂紋；且常溫時(shí)，成形工件的剛度大，所需的成形電磁力更大?，F(xiàn)有的溫?zé)犭姶懦尚畏椒ㄖ?，常采用加熱棒的形式?duì)工件進(jìn)行加熱，加熱效率低，且會(huì)引起其他部件溫升亦很高。

為進(jìn)一步提高電磁成形對(duì)金屬材料成形性能的改善作用，提出采用電磁成形與溫?zé)岢尚蜗嘟Y(jié)合的方法——溫?zé)犭姶懦尚畏椒?。中?guó)專利“鎂合金板材溫?zé)犭姶懦尚畏椒ǎ╟n101590501a）”公開了一種能夠提高鎂合金板材成形性能的塑性加工方法——溫?zé)犭姶懦尚畏椒ǎ摲椒ㄍㄟ^(guò)凹模內(nèi)的加熱棒加熱使鎂合金板材升溫至100-300℃。該方法通過(guò)加熱棒加熱，加熱效率低。專利“基于感應(yīng)加熱及電磁成形的鎂合金/碳鋼管復(fù)合連接方法（cn104384701a）”利用同一個(gè)線圈實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱與成形功能，并將其應(yīng)用于鎂合金、碳鋼管件的復(fù)合連接。因管件和板材的磁路具有明顯差異，該方法僅適用于管件，且因感應(yīng)加熱和成形功能對(duì)線圈的要求不同，采用同一線圈實(shí)現(xiàn)可行性較差。專利“一種鈦合金板材的磁脈沖溫?zé)釀?dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)成形裝置及其成形方法（cn104772380a）”公開了一種鈦合金板材的磁脈沖溫?zé)釀?dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)成形裝置及方法，采用鋼套內(nèi)設(shè)置加熱棒對(duì)板材進(jìn)行加熱，同時(shí)采用鋁驅(qū)動(dòng)片驅(qū)動(dòng)鈦合金板材成形。顯然這一方法并未從本質(zhì)上解決加熱效率的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為此，本發(fā)明提供一種電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚窝b置及方法，實(shí)現(xiàn)了電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚危尚喂ぜ?73k-573k溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)成形加工，可提高成形工件的成形塑性，操作簡(jiǎn)單、加熱效率高。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚窝b置，包括：

加熱線圈，用于給成形工件加熱，

l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料，

環(huán)型加熱硅鋼薄片，

高頻電源，為加熱線圈提供交流電流，

成形線圈，用于給成形工件提供電磁力，

脈沖電源，為成形線圈提供脈沖電流，

溫度傳感器，用于測(cè)量成形工件溫度，

凹模，用于約束成形工件。

多塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料按照?qǐng)A周均勻布置，加熱線圈、成形線圈依次置于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊所包圍的空間內(nèi)，在l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊的端部，依次放置環(huán)型加熱硅鋼薄片、成形工件、溫度傳感器、凹模，溫度傳感器位于成形工件與凹模之間且圓周均勻布置。

該裝置還包括緊貼環(huán)型加熱硅鋼薄片、遠(yuǎn)離成形工件一側(cè)的環(huán)型絕熱片；緊貼凹模7、靠近成形工件一側(cè)的另一環(huán)型絕熱片。

所述加熱線圈采用多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導(dǎo)線繞制而成；成形線圈采用單根絕緣銅線和加固材料間隔繞制而成。

加熱線圈為高頻電源供電，多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導(dǎo)線可有效減小其損耗；成形線圈由脈沖電源供電，需要足夠的強(qiáng)度，故采用單根絕緣銅線和加固材料間隔繞制。

所述加熱線圈的外直徑小于等于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊所包圍的空間等效內(nèi)直徑，是為了最大可能的利用徑向空間制作加熱線圈。加熱線圈和成形線圈的總高度小于等于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊的邊長(zhǎng)，是為了最大可能的利用軸向空間制作加熱線圈和成形線圈。所述成形線圈的外直徑小于等于環(huán)型加熱硅鋼薄片的內(nèi)直徑。

所述成形線圈的外直徑小于等于環(huán)型加熱硅鋼薄片的內(nèi)直徑，避免用于成形工件成形的電磁力作用于環(huán)型加熱硅鋼薄片上。

所述凹模的外直徑、成形工件的外直徑、環(huán)型加熱硅鋼薄片的外直徑、l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊構(gòu)成的空間等效外直徑相等，能減小磁阻，增大加熱效率。

所述l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料圓周均勻分布，總塊數(shù)為4-8個(gè)：數(shù)量太少，達(dá)不到減小磁阻的目的，數(shù)量太多，會(huì)導(dǎo)致單個(gè)l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料寬度不夠大。溫度傳感器位于凹模與成形工件之間且圓周均勻分布，總個(gè)數(shù)為2-6個(gè)：數(shù)量太少，不能得到各點(diǎn)溫度是否均勻，數(shù)量太多，測(cè)量意義不大。

本發(fā)明一種電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚窝b置及方法，優(yōu)點(diǎn)在于：

1．本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚?，較傳統(tǒng)電磁成形而言，成形工件在373k-573k溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)成形加工，可提高成形工件的成形塑性。

2．本發(fā)明采用電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚?，較現(xiàn)有板材溫?zé)犭姶懦尚畏椒ǘ?，操作?jiǎn)單，加熱效率高。

3.本發(fā)明采用加熱線圈和成形線圈單獨(dú)設(shè)計(jì)，加熱線圈采用多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導(dǎo)線繞制而成，而成形線圈采用單根絕緣銅線和加固材料間隔繞制而成；加熱線圈能有效減少高頻工作下的趨膚效應(yīng)，成形線圈能有效抵抗脈沖大電流下的電磁力。

4.本發(fā)明采用多塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料及環(huán)型加熱硅鋼薄片構(gòu)建電磁回路，可有效增加電磁加熱效率。

5.本發(fā)明采用的環(huán)型絕熱片，能加加熱區(qū)域限制在成形工件這一范圍，進(jìn)一步提升電磁加熱效率。

附圖說(shuō)明

圖1為電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚窝b置示意圖；

圖1(a)為電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚窝b置示意圖；

圖1(b)為電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚窝b置剖面示意圖。

圖2為帶環(huán)型絕熱片的電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚窝b置示意圖；

圖2(a)為帶環(huán)型絕熱片的電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚窝b置示意圖；

圖2(b)為帶環(huán)型絕熱片的電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚窝b置剖面示意圖。

圖3為多塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料布置示意圖；

圖3（a）為四塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料布置示意圖；

圖3（b）為五塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料布置示意圖；

圖3（c）為六塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料布置示意圖；

圖3（d）為八塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料布置示意圖。

圖4為多個(gè)溫度傳感器布置示意圖。

圖4（a）為兩個(gè)溫度傳感器布置示意圖；

圖4（b）為三個(gè)溫度傳感器布置示意圖；

圖4（c）為四個(gè)溫度傳感器布置示意圖；

圖4（d）為六個(gè)溫度傳感器布置示意圖。

圖5為加熱線圈和成形線圈截面示意圖；

圖5（a）為加熱線圈截面示意圖；

圖5（b）為成形線圈截面示意圖。

其中：1.加熱線圈；11.多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導(dǎo)線；2.成形線圈；21.單根絕緣銅線；22.加固材料；3.l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料；31.l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊;32.l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料橫邊;33.l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊所包圍的空間等效內(nèi)直徑d1；34.l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊構(gòu)成的空間等效外直徑d2；35.l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊的邊長(zhǎng)h1；4.環(huán)型加熱硅鋼薄片；5.成形工件；6.溫度傳感器；7.凹模；8.脈沖電源；9.高頻電源；10.環(huán)型絕熱片。

具體實(shí)施方式

一種電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚窝b置，包括：

加熱線圈1，用于給成形工件5加熱，

l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3，

環(huán)型加熱硅鋼薄片4，

高頻電源9，為加熱線圈1提供交流電流，

成形線圈2，用于給成形工件5提供電磁力，

脈沖電源8，為成形線圈2提供脈沖電流，

溫度傳感器6，用于測(cè)量成形工件5溫度，

凹模7，用于約束成形工件5。多塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3按照?qǐng)A周均勻布置，加熱線圈1、成形線圈2依次置于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊所包圍的空間內(nèi)，在l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊的端部，依次放置環(huán)型加熱硅鋼薄片4、成形工件5、溫度傳感器6、凹模7，溫度傳感器6位于成形工件5與凹模7之間且圓周均勻布置。

該裝置還包括緊貼環(huán)型加熱硅鋼薄片4、遠(yuǎn)離成形工件5一側(cè)的環(huán)型絕熱片10；緊貼凹模7、靠近成形工件5一側(cè)的環(huán)型絕熱片。

所述加熱線圈1采用多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導(dǎo)線繞制而成；成形線圈2采用單根絕緣銅線和加固材料間隔繞制而成。

所述加熱線圈1的外直徑小于等于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊所包圍的空間等效內(nèi)直徑；加熱線圈1和成形線圈2的總高度小于等于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊的邊長(zhǎng)。

所述成形線圈2的外直徑小于等于環(huán)型加熱硅鋼薄片4的內(nèi)直徑。

所述凹模7的外直徑、成形工件5的外直徑、環(huán)型加熱硅鋼薄片4的外直徑、l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊構(gòu)成的空間等效外直徑相等。

所述l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3圓周均勻分布，總塊數(shù)為4-8個(gè)；溫度傳感器6位于凹模7與成形工件5之間且圓周均勻分布，總個(gè)數(shù)為2-6個(gè)。

方案一：

一種電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚畏椒?，包括以下步驟：

第一，將l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3按照?qǐng)A周均勻布置，使l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3的豎邊平行于對(duì)稱軸、橫邊指向?qū)ΨQ軸；

第二，將加熱線圈1、成形線圈2依次置于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊所包圍的空間內(nèi)，加熱線圈1、成形線圈2的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3的對(duì)稱軸共線；

第三，在l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊的端部，依次放置環(huán)型加熱硅鋼薄片4、成形工件5、溫度傳感器6、凹模7，環(huán)型加熱硅鋼薄片4、成形工件5、凹模7的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3的對(duì)稱軸共線，溫度傳感器6位于成形工件5與凹模7之間且圓周均勻布置；

第四，開通高頻電源9為加熱線圈1供電，并通過(guò)溫度傳感器6測(cè)量成形工件5的溫度；

第五，當(dāng)成形工件5的溫度達(dá)到預(yù)期的成形溫度，開通脈沖電源8給成形線圈2供電，在成形工件5中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，成形線圈2中的脈沖電流與成形工件5中的感應(yīng)渦流相互作用產(chǎn)生脈沖電磁力，驅(qū)動(dòng)工件加速并實(shí)現(xiàn)溫?zé)岢尚巍?/p>

方案二：

一種電磁加熱式溫?zé)岚寮姶懦尚畏椒?，?dāng)設(shè)置絕熱片時(shí)，包括以下步驟：

第一，將多塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3按照?qǐng)A周均勻布置，使l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3的豎邊平行于對(duì)稱軸、橫邊指向?qū)ΨQ軸；

第二，將加熱線圈1、成形線圈2依次置于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊所包圍的空間內(nèi)，加熱線圈1、成形線圈2的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3的對(duì)稱軸共線；

第三，將環(huán)型絕熱片10緊貼在環(huán)型加熱硅鋼薄片4遠(yuǎn)離成形工件5一側(cè)，將另一環(huán)型絕熱片緊貼在凹模7靠近成形工件5一側(cè)；

第四，在l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3豎邊的端部，依次放置帶環(huán)型絕熱片的環(huán)型加熱硅鋼薄片4、成形工件5、溫度傳感器6、帶環(huán)型絕熱片的凹模7，環(huán)型加熱硅鋼薄片4、成形工件5、凹模7的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料3的對(duì)稱軸共線，溫度傳感器6位于成形工件5與凹模7之間且圓周均勻布置；

第五，開通高頻電源9為加熱線圈1供電，并通過(guò)溫度傳感器6測(cè)量成形工件5的溫度；

第六，當(dāng)成形工件5的溫度達(dá)到預(yù)期的成形溫度，開通脈沖電源8給成形線圈2供電，在成形工件5中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，成形線圈2中的脈沖電流與成形工件5中的感應(yīng)渦流相互作用產(chǎn)生脈沖電磁力，驅(qū)動(dòng)工件加速并實(shí)現(xiàn)溫?zé)岢尚巍?/p>

脈沖電源8為成形線圈2提供100μs-1000μs的脈沖電流；高頻電源9為加熱線圈1提供頻率為20khz-30khz的交流電流。

實(shí)施例1：

步驟一：按照?qǐng)D3（c）將六塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料按照?qǐng)A周均勻布置，使l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料的一條邊（豎邊）平行于對(duì)稱軸、另一條邊（橫邊）指向?qū)ΨQ軸；步驟二：按照?qǐng)D5示意，采用多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導(dǎo)線繞制加熱線圈；采用單根絕緣銅線和加固材料間隔的形式繞制成形線圈；步驟三：按照?qǐng)D1所示，將加熱線圈、成形線圈依次置于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊所包圍的空間內(nèi)，加熱線圈、成形線圈的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料的對(duì)稱軸共線；步驟四：按照?qǐng)D1所示，在l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊的端部，依次放置環(huán)型加熱硅鋼薄片、成形工件、溫度傳感器、凹模，環(huán)型加熱硅鋼薄片、成形工件、凹模的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料的對(duì)稱軸共線，溫度傳感器位于成形工件與凹模之間且圓周均勻布置；步驟五：開通高頻電源為加熱線圈供電，并通過(guò)溫度傳感器測(cè)量成形工件的溫度；步驟六：當(dāng)成形工件的溫度達(dá)到預(yù)期的成形溫度400k時(shí)，開通脈沖電源給成形線圈供電，在成形工件中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，成形線圈中的脈沖電流與成形工件中的感應(yīng)渦流相互作用產(chǎn)生脈沖電磁力，驅(qū)動(dòng)工件加速并實(shí)現(xiàn)溫?zé)岢尚巍?/p>

實(shí)施例2：

步驟一：按照?qǐng)D3（d）將八塊l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料按照?qǐng)A周均勻布置，使l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料的一條邊（豎邊）平行于對(duì)稱軸、另一條邊（橫邊）指向?qū)ΨQ軸；步驟二：按照?qǐng)D5示意，采用多股直徑小于0.3mm的絕緣銅導(dǎo)線繞制加熱線圈；采用單根絕緣銅線和加固材料間隔的形式繞制成形線圈；步驟三：按照?qǐng)D2所示，將加熱線圈、成形線圈依次置于l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊所包圍的空間內(nèi)，加熱線圈、成形線圈的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料的對(duì)稱軸共線；步驟四：將環(huán)型絕熱片緊貼在環(huán)型加熱硅鋼薄片遠(yuǎn)離成形工件一側(cè)，將另一環(huán)型絕熱片緊貼在凹?？拷尚喂ぜ粋?cè)；步驟五：按照?qǐng)D2所示，在l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料豎邊的端部，依次放置帶環(huán)型絕熱片的環(huán)型加熱硅鋼薄片、成形工件、溫度傳感器、帶環(huán)型絕熱片的凹模，環(huán)型加熱硅鋼薄片、成形工件、凹模的軸線與l形狀的軟磁鐵氧體磁芯材料的對(duì)稱軸共線，溫度傳感器位于成形工件與凹模之間且圓周均勻布置；步驟六：開通高頻電源為加熱線圈供電，并通過(guò)溫度傳感器測(cè)量成形工件的溫度；步驟七：當(dāng)成形工件的溫度達(dá)到預(yù)期的成形溫度500k時(shí)，開通脈沖電源給成形線圈供電，在成形工件中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，成形線圈中的脈沖電流與成形工件中的感應(yīng)渦流相互作用產(chǎn)生脈沖電磁力，驅(qū)動(dòng)工件加速并實(shí)現(xiàn)溫?zé)岢尚巍?/p>