[发明专利]一种电磁力驱动的金属材料塑性成形方法

说明书

技术领域

本发明属于金属成形加工制造领域，特别涉及一种电磁力驱动的金属材料塑性成形方法及装置，主要用于金属板材的胀形，特别是超塑性胀形。

背景技术

金属材料的板材成形历史悠久，发展到今天已经成为国民经济发展的强大技术支撑，是先进制造技术的重要组成部分。板材成形技术的发展与汽车、航空、航天等重要产业紧密相联。对于航空航天领域广泛采用的钛合金、铝合金等轻合金，由于其在常温下的塑性差、难成形等缺点，一般采用充气热胀的方法实现零件的成形制造。其一般工艺过程为：首先将板材均匀加热，并使其温度保持在合适的范围内，然后通过加压装置对坯料施加一定气压，使其在气胀模具的约束下发生变形，并保证其应变速率满足某些要求，经胀形、贴模等变形阶段使坯料与成型模具表面贴合，从而最终成型。

由于传统的充气热胀成形技术大多采用气压驱动，存在模具气路设计复杂，气压-时间曲线难以控制等问题，且广泛存在漏气现象，同时造成漏热，造成了极大的能源浪费。以电磁力作为金属材料成形的驱动力，具有无接触、柔性好的优点，且电磁力大小可通过电流的大小和磁场的大小精密控制，克服了传统充气热胀成形中驱动力由气压控制带来的响应慢、精度低等问题。

现有的电磁力驱动金属材料成形技术大多依靠外加线圈产生的磁场和磁场变化所产生的感应电流相互作用产生电磁力，其线圈磁场必须是脉冲磁场，脉冲磁场的变化率直接影响电磁驱动力的大小，这样的驱动力对于材料成型过程中形状和性能的控制是很难的；其次，由于脉冲电磁力的作用，使得金属材料成形过程中材料应变速率很高，对于某些要求低速率成形的场合就不适用了，比如现在广泛采用的超塑性成形。

发明内容

针对传统电磁力驱动金属材料成形技术驱动力不稳定、适用范围窄等局限性，本发明提出一种电磁力驱动的金属材料塑性成形方法及装置。

本发明提供了一种电磁力驱动的金属材料塑性成形方法，包括如下步骤：

a.在金属胚料上下两表面喷涂绝缘涂层后，将其置于相互对置的上、下模具之间，其中下模具具备一凹形模压区域，上模具具备一与下模具凹形模压区域相匹配的凸槽，金属胚料置于所述下模具上并用压边模压紧，且所述上模具的下表面与金属胚料的上表面平行且保持间隔；

b.对于金属胚料、上模具和下模具采用以下三种方式之一直接施加脉冲电流或直流电流：对金属胚料和上模具同时施加电流并各自构成通电回路，并且使得流经金属胚料的电流方向与流经上模具的电流方向相反；对金属胚料和下模具同时施加电流并各自构成通电回路，并且使得流经金属胚料的电流方向与流经下模具的电流方向相同；对金属胚料、上模具和下模具同时施加电流并各自构成通电回路，并且使得流经下模具的电流方向与流经金属胚料的电流方向相同，同时使得流经上模具的电流方向与流经金属胚料的电流方向相反；以此方式，金属坯料和上模具上方向相反的电流相互作用产生互斥的电磁力，使得金属胚料受到向下的电磁力驱动，金属胚料和下模具上方向相同的电流相互作用产生相吸的电磁力，使得金属胚料受到向下的电磁力驱动；

c.金属胚料在向下的电磁力驱动下经自由胀形、贴模等变形阶段，直至其与下模具凹形槽的上表面贴合，由此完成整个塑性成形过程。

作为进一步优选地，还可以在上模具和下模具之间的待成形区域施加垂直于电流方向，且与坯料表面平行的稳态磁场，通过电流和稳态磁场相互作用产生向下的稳定的电磁力进一步驱动金属坯料发生变形。

作为进一步优选地，在金属胚料、上模具和下模具上施加峰值电流密度为1×10⁸A/m²～1×10¹⁰A/m²的脉冲电流或直流电流。

作为进一步优选地，所述待加工金属胚料优选为航天领域的钛合金或铝合金，而且所述上模具和下模具采用能导电的金属材料制作。

作为进一步优选地，在所述下模具的凹形槽上表面平铺一层黄铜导体；在所述上模具的凸形下表面平铺一层黄铜导体。

作为进一步优选地，该方法尤其适用于金属材料的超塑性成型。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备如下技术优点：

1、电磁力稳定持续。直接在金属胚料和上下模具上施加直流或脉冲电流，外加磁场可为稳态磁场，较之传统的脉冲磁场更为稳定，能提供金属材料成形所需的稳态持续的驱动力。

2、适用范围广。通过选择脉冲电流或直流电流，调节电流的大小，可以调整金属材料成形过程中所需的材料应变速率，适用于高低速率成形的场合。