本發(fā)明涉及電磁成形領域，特別是一種電流突變引發(fā)電磁吸引力成形金屬板料的裝置與控制方法。

背景技術：
電磁成形主要應用于導電材料的成形制造工藝中，是一種利用電能轉化為磁場能成形金屬板料的方法，傳統(tǒng)的電磁成形設備往往利用電磁排斥力，如中國專利公開號為CN101406913A的文獻介紹的金屬板料電磁成形裝置，包括線圈、集磁器、工件與成形模具。線圈外部裝配集磁器置于工件的一側，集磁器有效集磁的工作面靠近工件。而成形模具則位于工件的另一側，成形時在線圈中通過脈沖大電流，在線圈與工件之間產生排斥力推動工件向模具運動使工件貼緊模具，以此成形工件。但在遇到成形工件為封閉區(qū)域蒙皮或覆蓋件的工況時，所述的電磁成形設備的缺點就呈現出來，首先電磁成形設備的模具與線圈分別置于工件的兩邊，使得設備整體分為兩個部分不方便操作；成形需要在反向設置模具需要先行拆卸覆蓋件，工藝和操作都變復雜。

技術實現要素：
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種電流突變引發(fā)電磁吸引力成形金屬板料的裝置與控制方法，簡化操作。本發(fā)明的裝置采用以下方案實現：一種電流突變引發(fā)電磁吸引力成形金屬板料的裝置，包括執(zhí)行部分與電源系統(tǒng)；所述的執(zhí)行部分包括工作線圈、模具、金屬板料，所述的模具設置在所述的工作線圈與金屬板料之間，所述工作線圈與模具固定連接在一起作為執(zhí)行器；所述電源系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、充電回路、放電回路，所述充電回路連接在所述儲能系統(tǒng)兩端，所述放電回路兩端也連接在所述儲能系統(tǒng)兩端，所述控制系統(tǒng)與所述充電回路、放電回路電性連接，所述的工作線圈與所述的放電回路電性連接。較佳的，電源系統(tǒng)在放電回路中施加一個緩慢上升的電流，并在電流到達峰值時突變，這一電流作用在與放電回路串聯的線圈中，在線圈周圍產生一個感應磁場，并致使金屬板料中產生一個感應渦流與線圈中電流方向一致，金屬板料向工作線圈移動，受到模具的限制成形為指定的形狀。進一步的，施加在所述工作線圈上的電流突變前為正弦衰減電流，并滿足I(t)＝Imaxe-βsin(ωt)，所述電流在1/4周期到達峰值時突變快速下降，峰值前電流頻率滿足峰值后電流頻率滿足其中，I為電流；e為自然數；β為衰減系數；ω為角頻率；t為時間，f為頻率；μ0為金屬板料磁導率；γ為金屬板料電導率；d為金屬板料厚度。進一步的，所述的工作線圈包括纏繞成盤形的銅線以及包覆在所述銅線外側的絕緣材料，所述銅線的兩端作為所述工作線圈的兩輸入端與放電回路相連。進一步的，所述的放電回路包括放電開關K2與電流突變模塊，所述的放電開關K2與所述工作線圈串聯在一起，包含所述放電開關K2與所述工作線圈的支路連接在儲能系統(tǒng)的兩端；所述電流突變模塊連接在所述工作線圈兩端；所述放電開關K2以及電流突變模塊與所述控制系統(tǒng)電性相連。其中所述的電流突變模塊可以快速短路開關K3或者相互串聯的輔助電容器C3’與快速開關K3’；其中所述的快速短路開關K3與快速開關K3’為晶閘管可控硅開關。特別的，所述的電流突變模塊還可以為熔斷開關K3″，此時所述電流突變模塊與所述工作線圈串聯。所述的熔斷開關K3″包含熔斷器進行斷路。進一步的，所述的充電回路包括依次相連的充電開關K1、整流濾波模塊、逆變電路模塊、高頻脈沖變壓模塊以及最終整流模塊；其中，所述整流濾波模塊包括一第一低頻整流橋、限流電阻R2、濾波電容CZ以及限流開關K4，工頻交流電通過所述充電開關K1與所述第一低頻整流橋的輸入端相連，所述第一低頻整流橋的負輸出端連接至所述限流電阻R2的一端，所述限流電阻R2的另一端連接至所述濾波電容CZ的一端，所述第一低頻整流橋的正輸出端連接至所述濾波電容CZ的另一端，所述限流開關K4的兩端分別與所述限流電阻R2的兩端相連，其中所述充電開關K1以及所述限流開關K4均與所述控制系統(tǒng)電性相連；其中，所述逆變電路模塊包括第一橋臂電容C1、第二橋臂電容C2、第一功率保護模塊、第二功率保護模塊、第一主功率管Tr1、第二主功率管Tr2，其中第一橋臂電容C1、第二橋臂電容C2、第一主功率管Tr1以及第二主功率管Tr2共同構成半橋形式，所述第一功率保護模塊以及第二功率保護模塊分別并聯在第一主功率管Tr1的集電極與發(fā)射極以及第二主功率管Tr2的集電極與發(fā)射極；其中所述第一功率保護模塊以及第二功率保護模塊均包括相互串聯的一電阻與一電容，所述電阻的兩端并接有一功率二極管；其中，所述高頻脈沖變壓模塊包括初級繞組、鐵芯以及次級繞組，所述初級繞組的兩端分別與所述逆變電路模塊中第一橋臂電容C1與第二橋臂電容C2的連接點以及第二主功率管Tr2的集電極，所述次級繞組的兩端與所述最終整流模塊相連；其中，所述最終整流模塊包括第二低頻整流橋641，所述第二低頻整流橋的兩輸入端與所述高頻脈沖變壓模塊內的次級繞組的兩端相連，所述第二低頻整流橋的正輸出端與負輸出端分別并聯至所述儲能系統(tǒng)的兩端。進一步的，所述的儲能系統(tǒng)包括N個并聯的電容器，所述電容器的兩端作為所述儲能系統(tǒng)的兩端，其中N為大于等于1的正整數。本發(fā)明的方法采用以下方案實現：一種基于權利要求4所述的電流突變引發(fā)電磁吸引力成形金屬板料的裝置的控制方法，具體包括以下步驟：步驟S1:將包含工作線圈與模具的執(zhí)行器置于待成形金屬板料的上方；步驟S2：由控制系統(tǒng)控制所述充電回路中的充電開關K1閉合、所述放電回路中的放電開關K2開路、電流突變模塊中的快速短路開關K3或者快速開關K3’開路，儲能系統(tǒng)開始充電，工頻交流電依次通過所述充電回路中的整流濾波模塊、逆變電路模塊、高頻脈沖變壓模塊、最終整流模塊完成給儲能系統(tǒng)的充電；隨后自動斷開充電開關K1；步驟S3：閉合放電開關K2，儲能系統(tǒng)與工作線圈、形成完整的RLC回路，在工作線圈中通過低頻率緩慢上升的脈沖強電流；步驟S4：所述放電回路中的電流突變模塊在放電開關K2閉合后一定時間聯動工作，反向施加高頻率快速的脈沖強電流，工作線圈中的電流突變快速下降；其中，所述一定時間為工作線圈中電流上升至最大值的時間；步驟S5：工作線圈中施加的緩慢上升快速下降的電流引發(fā)的磁場和金屬板料中的感應渦流，促使金屬板料向工作線圈移動，受到模具的限制成形。本發(fā)明還提供了一種基于上文所述的電流突變引發(fā)電磁吸引力成形金屬板料的裝置的控制方法，具體包括以下步驟：步驟S1:將包含工作線圈與模具的執(zhí)行器置于待成形金屬板料的上方；步驟S2：由控制系統(tǒng)控制所述充電回路中的充電開關K1閉合、所述放電回路中的放電開關K2開路、電流突變模塊中的熔斷開關K3″未到達熔斷電流正常工作，儲能系統(tǒng)開始充電，工頻交流電依次通過所述充電回路中的整流濾波模塊、逆變電路模塊、高頻脈沖變壓模塊、最終整流模塊完成給儲能系統(tǒng)的充電；隨后自動斷開充電開關K1；步驟S3：閉合放電開關K2，儲能系統(tǒng)與工作線圈、形成完整的RLC回路，在工作線圈中通過低頻率緩慢上升的脈沖強電流；步驟S4：所述放電回路中的電流突變模塊在放電開關K2閉合后一定時間聯動工作，反向施加高頻率快速的脈沖強電流，工作線圈中的電流突變快速下降；其中，所述一定時間為工作線圈中電流上升至最大值的時間；步驟S5：工作線圈中施加的緩慢上升快速下降的電流引發(fā)的磁場和金屬板料中的感應渦流，促使金屬板料向工作線圈移動，受到模具的限制成形。較佳地，電磁吸引力的產生基于以下原理：與成形原理相關的部件為工作線圈、金屬板料與模具。工作時，在工作線圈中施加一個低頻率(緩慢)的脈沖強電流其波形滿足式(1)為正弦衰減波形。要求其產生的磁場能夠滲透電磁屏與工件，在電磁屏與工件的兩個面上都產生渦流，根據趨膚效應這就要求施加在單匝工作線圈頻率fmax足夠低，即滿足式(2)的要求。這時流過線圈電流的di/dt很小，這時金屬板料內的感應電流很小，于是金屬板料內表面受到的磁場力很小，遠不足以達到屈服點。那么無論電流I值升高到多大也無法使金屬板料發(fā)生變形。這時可以忽略金屬板料內的感應電流及其產生的感應磁場，認為金屬板料內部及周圍始終處于線圈產生的均勻磁場中。當電流上升到一定值Im時，反向施加高頻率(快速)的脈沖強電流，即不滿足式(2)的要求。令其以很大的變化率衰減(即令di/dt變?yōu)樨撝?，并且其絕對值很大)，這時磁場也突然衰減。根據楞次定律可知金屬板料內部將產生感應電流，其方向與線圈中衰減的電流方向一致，并且感應電流同時產生感應磁場。在金屬板料內部空間，感應磁場與線圈產生的磁場方向相反而相互抵消，在金屬板料外部空間方向相同而加強。其結果使金屬板料外表面受到強大的磁場力——吸引力，如果金屬板料受力到達屈服點，則發(fā)生朝向線圈方向的變形。I(t)＝Imaxe-βsin(ωt)(1)式中：I為電流；e為自然數；β為衰減系數；ω為角頻率；t為時間式中：f為頻率；μ0為金屬板料磁導率；γ為金屬板料電導率；d為板料厚度進一步的，控制系統(tǒng)控制充電開關閉合，放電開關開路時，所述充電回路給儲能系統(tǒng)充電，充電達到指定的能量后充電回路施加一個反饋使充電開關開路完成充電。充電回路外部連接低壓工頻電流，在充電回路中包含整流濾波模塊、逆變電路模塊、高頻脈沖變壓模塊、最終整流模塊，工頻交流電經過整流濾波、逆變電路、高頻脈沖變壓器的轉化，形成所需要的直流電源給儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)由大容量電容器構成。進一步的，充電開關開路，放電開關閉合時，所述放電回路中儲能系統(tǒng)與工作線圈和保護電感串聯在一起，并在放電回路中設置電流突變模塊同樣由控制系統(tǒng)控制。進一步的，所述電流突變模塊可以并聯在工作線圈兩端，為一個快速短路開關，在放電開關閉合后一定時間，電流到達峰值，閉合快速短路開關，原本通過線圈的電流轉而由電流突變模塊通過，線圈電流快速下降。與現有技術相比，本發(fā)明有以下有益效果：本發(fā)明轉化傳統(tǒng)的電磁成形排斥力為吸引力，可將工作線圈與模具組合為一體，減少配合難度，在工藝上擴大了電磁成形技術的使用范圍。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例1的除去充電回路的電路及工裝位置示意圖。圖2為本發(fā)明實施例的最終成型示意圖。圖3為本發(fā)明實施例的充電回路的示意圖。圖4為本發(fā)明的突變電流波形。圖5為本發(fā)明實施例2的除去充電回路的電路及工裝位置示意圖。圖6為本發(fā)明實施例3的除去充電回路的電路及工裝位置示意圖。[主要組件符號說明]圖中：1為工作線圈，2為模具，3為金屬板料，4為控制系統(tǒng)，5為儲能系統(tǒng)，6為充電回路，7為放電回路；11為銅線，12為絕緣材料；61為整流濾波模塊，62為逆變電路模塊，63為高頻脈沖變壓模塊，64為最終整流模塊，65為充電開關；71為電流突變模塊；611為第一低頻整流橋，621為第一功率保護模塊，622為第二功率保護模塊，631為初級繞組，632為鐵芯，633為次級繞組，641為第二低頻整流橋。具體實施方式下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例1。如圖1所示，本實施例提供了一種電流突變引發(fā)電磁吸引力成形金屬板料的裝置，包括執(zhí)行部分與電源系統(tǒng)；所述的執(zhí)行部分包括工作線圈1、模具2、金屬板料3，所述的模具2設置在所述的工作線圈1與金屬板料3之間，所述工作線圈1與模具2固定連接在一起作為執(zhí)行器；所述電源系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)4、儲能系統(tǒng)5、充電回路6、放電回路7，所述充電回路連接在所述儲能系統(tǒng)兩端，所述放電回路兩端也連接在所述儲能系統(tǒng)兩端，所述控制系統(tǒng)4與所述充電回路6、放電回路7電性連接，所述的工作線圈與所述的放電回路7電性連接。較佳的，電源系統(tǒng)在放電回路中施加一個緩慢上升的電流，并在電流到達峰值時突變，這一電流作用在與放電回路串聯的線圈中，在線圈周圍產生一個感應磁場，并致使金屬板料中產生一個感應渦流與線圈中電流方向一致，金屬板料向工作線圈移動，受到模具的限制成形為指定的形狀。在本實施例中，施加在所述工作線圈上的電流突變前為正弦衰減電流，并滿足I(t)＝Imaxe-βsin(ωt)，所述電流在1/4周期到達峰值時突變快速下降，峰值前電流頻率滿足峰值后電流頻率滿足其中，I為電流；e為自然數；β為衰減系數；ω為角頻率；t為時間，f為頻率；μ0為金屬板料磁導率；γ為金屬板料電導率；d為金屬板料厚度。在本實施例中，所述的工作線圈包括纏繞成盤形的銅線11以及包覆在所述銅線外側的絕緣材料12，保證銅線層與層之間的絕緣性。所述銅線的兩端作為所述工作線圈的兩輸入端與放電回路相連。在本實施例中，如圖1所示，所述的放電回路包括保護電感L1、放電開關K2、快速短路開關K3、保護電阻R1；所述保護電感L1的一端與所述快速短路開關K3的一端分別連接至所述儲能系統(tǒng)的兩端，所述保護電感L1的另一端連接至所述放電開關K2的一端，所述快速短路開關K3的另一端與所述放電開關K2的另一端相連，所述放電開關K2的另一端還連接至保護電阻R1的一端，所述保護電阻R1的另一端以及所述所述快速短路開關K3的一端分別連接至工作線圈的兩輸入端；所述放電開關K2以及快速短路開關K3與所述控制系統(tǒng)電性相連。所述快速短路開關為電流突變模塊71。所述快速短路開關K3為晶閘管可控硅開關。在本實施例中，如圖3所示，所述的充電回路包括依次相連的充電開關K1(65)、整流濾波模塊61、逆變電路模塊62、高頻脈沖變壓模塊63以及最終整流模塊64；所述整流濾波模塊包括一第一低頻整流橋611、限流電阻R2、濾波電容CZ以及限流開關K4，工頻交流電通過所述充電開關K1與所述第一低頻整流橋的輸入端相連，所述第一低頻整流橋的負輸出端連接至所述限流電阻R2的一端，所述限流電阻R2的另一端連接至所述濾波電容CZ的一端，所述第一低頻整流橋的正輸出端連接至所述濾波電容CZ的另一端，所述限流開關K4的兩端分別與所述限流電阻R2的兩端相連，其中所述充電開關K1以及所述限流開關K4均與所述控制系統(tǒng)電性相連；其中，所述限流電阻R2用以防止浪涌電流損壞開關。所述逆變電路模塊包括第一橋臂電容C1、第二橋臂電容C2、第一功率保護模塊621、第二功率保護模塊622、第一主功率管Tr1、第二主功率管Tr2，其中第一橋臂電容C1、第二橋臂電容C2、第一主功率管Tr1以及第二主功率管Tr2共同構成半橋形式，所述第一功率保護模塊以及第二功率保護模塊分別并聯在第一主功率管Tr1的集電極與發(fā)射極以及第二主功率管Tr2的集電極與發(fā)射極；其中所述第一功率保護模塊以及第二功率保護模塊均包括相互串聯的一電阻與一電容，所述電阻的兩端并接有一功率二極管；其中通過兩個橋臂電容的充放電來實現電流方向的變化，并加入功率保護模塊控制逆變電路模塊的運行。所述高頻脈沖變壓模塊包括初級繞組631、鐵芯632以及次級繞組633，所述初級繞組的兩端分別與所述逆變電路模塊中第一橋臂電容C1與第二橋臂電容C2的連接點以及第二主功率管Tr2的集電極，所述次級繞組的兩端與所述最終整流模塊相連；所述最終整流模塊包括第二低頻整流橋，所述第二低頻整流橋的兩輸入端與所述高頻脈沖變壓模塊內的次級繞組的兩端相連，所述第二低頻整流橋的正輸出端與負輸出端分別并聯至所述儲能系統(tǒng)的兩端。在本實施例中，所述的儲能系統(tǒng)包括N個并聯的電容器，所述電容器的兩端作為所述儲能系統(tǒng)的兩端，其中，N為大于等于1的正整數。本實施例還提供了一種基于上文所述的電流突變引發(fā)電磁吸引力成形金屬板料的裝置的控制方法，主要包括以下步驟：步驟S1:將包含工作線圈與模具的執(zhí)行器置于待成形金屬板料的上方；步驟S2：由控制系統(tǒng)控制所述充電回路中的充電開關K1閉合、限流開關K4開路、所述放電回路中的放電開關K2開路、快速短路開關K3開路，由外接工頻交流電輸入電流穩(wěn)定后，閉合限流開關K4開始充電，工頻交流電依次通過所述充電回路中的整流濾波模塊、逆變電路模塊、高頻脈沖變壓模塊、最終整流模塊完成給儲能系統(tǒng)的充電；隨后自動斷開充電開關K1與限流開關K4；步驟S3：閉合放電開關K2，儲能系統(tǒng)與工作線圈、保護電阻R1、保護電感L1形成完整的RLC回路，在工作線圈中通過低頻率緩慢上升的脈沖強電流；步驟S4：所述放電回路中的電流突變模塊在放電開關K2閉合后一定時間聯動工作，反向施加高頻率快速的脈沖強電流，工作線圈中的電流突變快速下降；其中，所述一定時間為工作線圈中電流上升至最大值的時間；步驟S5：工作線圈中施加的緩慢上升快速下降的電流引發(fā)的磁場和金屬板料中的感應渦流，促使金屬板料向工作線圈移動，受到模具的限制成形如圖2。特別的，如圖4所示，電源系統(tǒng)在放電回路中施加一個緩慢上升的電流，并在電流到達峰值時突變，這一電流作用在與放電回路串聯的工作線圈中，在工作線圈1周圍產生一個感應磁場，并致使金屬板料3中產生一個感應渦流與工作線圈中電流方向一致，金屬板料3向工作線圈1移動，受到模具2的限制成形為指定的形狀。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。實施例2如圖5所示，與實施例1的區(qū)別在于：電流突變模塊71包括輔助電容器C3’與快速開關K3’替換實施例1中的快速短路開關K3，輔助電容器C3’與快速開關K3’串聯后，與工作線圈并聯。其中，所述快速開關K3’為晶閘管可控硅開關。由此本實施例提供了一種基于上文所述的電流突變引發(fā)電磁吸引力成形金屬板料的裝置的控制方法，主要包括以下步驟：步驟S1:將包含工作線圈與模具的執(zhí)行器置于待成形金屬板料的上方；步驟S2：由控制系統(tǒng)控制所述充電回路中的充電開關K1閉合、限流開關K4開路、所述放電回路中的放電開關K2開路、快速開關K3’開路，由外接工頻交流電輸入電流穩(wěn)定后，閉合限流開關K4開始充電，工頻交流電依次通過所述充電回路中的整流濾波模塊、逆變電路模塊、高頻脈沖變壓模塊、最終整流模塊完成給儲能系統(tǒng)的充電；隨后自動斷開充電開關K1與限流開關K4；步驟S3：閉合放電開關K2，儲能系統(tǒng)與工作線圈、保護電阻R1、保護電感L1形成完整的RLC回路，在工作線圈中通過低頻率緩慢上升的脈沖強電流；步驟S4：所述放電回路中的電流突變模塊在放電開關K2閉合后一定時間聯動工作，反向施加高頻率快速的脈沖強電流，工作線圈中的電流突變快速下降；其中，所述一定時間為工作線圈中電流上升至最大值的時間；步驟S5：工作線圈中施加的緩慢上升快速下降的電流引發(fā)的磁場和金屬板料中的感應渦流，促使金屬板料向工作線圈移動，受到模具的限制成形如圖2。實施例3如圖6所示，與實施例1的區(qū)別在于：電流突變模塊71包括熔斷開關K3″替換實施例1中的快速短路開關K3，熔斷開關K3″與工作線圈串聯。其中，所述的熔斷開關K3″包含熔斷器進行斷路。由此本實施例提供了一種基于上文所述的電流突變引發(fā)電磁吸引力成形金屬板料的裝置的控制方法，主要包括以下步驟：步驟S1:將包含工作線圈與模具的執(zhí)行器置于待成形金屬板料的上方；步驟S2：由控制系統(tǒng)控制所述充電回路中的充電開關K1閉合、限流開關K4開路、所述放電回路中的放電開關K2開路、熔斷開關K3″閉合，由外接工頻交流電輸入電流穩(wěn)定后，閉合限流開關K4開始充電，工頻交流電依次通過所述充電回路中的整流濾波模塊、逆變電路模塊、高頻脈沖變壓模塊、最終整流模塊完成給儲能系統(tǒng)的充電；隨后自動斷開充電開關K1與限流開關K4；步驟S3：閉合放電開關K2，儲能系統(tǒng)與工作線圈、保護電阻R1、保護電感L1形成完整的RLC回路，在工作線圈中通過低頻率緩慢上升的脈沖強電流；步驟S4：所述放電回路中的電流突變模塊在放電開關K2閉合后一定時間聯動工作，熔斷器K3″斷開，工作線圈中的電流突變快速下降；其中，所述一定時間為工作線圈中電流上升至最大值的時間；步驟S5：工作線圈中施加的緩慢上升快速下降的電流引發(fā)的磁場和金屬板料中的感應渦流，促使金屬板料向工作線圈移動，受到模具的限制成形如圖2。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。