（材料学专业论文）基于plc的60kj稳流充电电磁成形机的研制.pdf

武汉理上大学硕士学位论文 摘要 电磁成形是国外上世纪五十年代末发展起来的一种电磁加工新工艺，是继 爆炸成形之后的另一种高能高速成形方法。电磁成形技术及其设备在国防和各 工业领域中占有重要地位，前景非常广阔。美国、同本和西欧生产的电磁成形设 备均已系列化、标准化，取得了可观的经济效益。国内电磁成形研究一直处于 实验室阶段，因此，研制出这种6 0 k j 的新型稳流充电电磁成形机，对国内推广 应用该工艺设备具有十分重要的意义。本文对6 0 k j 高压电磁成形机的研制及基 于现代控制理论与计算机技术的电磁成形机控制系统的研究进行了详细阐述。 主要内容有： 第一、对6 0 k j 电磁成形机研制作了详细论述。对电磁成形机的工作原理进行了 研究，重点对设备充电过程进行理论分析，并在设计出相应充电电路的基础上， 开发出6 0 l ( j 高电压电磁成形机样机。 第二、提出了基于p l c 的电磁成形机控制方案，并设计了电磁成形机充电电压 控制电路和充电电流稳流控制电路。 第三、进行了电磁成形机控制系统的软硬件设计及调试。硬件设计主要包括丌 关充电电源主电路设计、电压比较电路的设计、功率器件i g b t 及其驱动电路的 设计以及p l c 装置的选型、p l c 的i o 地址的分配、外部输入电路设计、外部 输出电路设计以及a d 模块和传感器的连接电路等。软件方面，在硬件设计的 基础上编制出满足操作控制系统要求的梯形图程序，实现了监视状态下充电电 压设定、电容充电电压控制和充电电流稳流控制等功能。 关键词：电磁成形机，p l c ( 可编程控制器) ，稳流控制 武汉理丁大学硕十学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gi san e wk i n do fe l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n gt e c h n i c d e v e l o p i n gl a t e l y i na b r o a da tt h ee n do f5 0 s ，i t sa n o t h e rk i n do fh i g he n e r g y h i g h - r a t ef o r m i n gm e t h o da f t e r t h ee x p l o s i v ef o r m i n g e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g t e c h n o l o g ya n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n ge q u i p m e n to c c u p i e si m p o r t a n tp o s i t i o n i nn a t i o n a ld e f e n c ea n de v e r yi n d u s t r yf i e l d i nu s a ，j a p a na n dw e s t e r ne u r o p et h e e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n ge q u i p m e n th a v eb e e ns e r i a t e da n ds t a n d a r d i z e d ，i th a sg o t t h ec o n s i d e r a b l ee c o n o m i ce f f e c t e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gs t u d i e si sl a b o r a t o r ys t a g e a l lt h et i m ea th o m e d e v e l o p i n go u tt h e6 0k jn e wp a t t e r ne l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g m a c h i n ew i t hs t a b i l i z e dc u r r e n tc h a r g i n gf u n c t i o n ，h a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n gt o p o p u l a r i z et h ea p p l i c a t i o no ft h i sp r o c e s se q u i p m e n t t h i sp a p e rp r o c e e d st os t u d yt h e d e v e l o p m e n to fn e wp a t t e r nf o r m i n gm a c h i n ea n di t s c o n t r o ls y s t e mw i t hu s i n g m o d e mc o n t r o lt h e o r ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h i st h e s i se x p a t i a t e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f6 0 k jh i g h v o l t a g e e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gm a c h i n e t h ec h a r g i n gm o d e l sh a v eb e e np r e s e n t e da n d a n a l y z e d a n dam o d e l6 0 k jh i g h v o l t a g ee l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gm a c h i n eh a s b e e nc o m p l e t e d 。 s e c o n d ，t h em o d e lm a c h i n e s c o n t r o l s y s t e m b a s e do nt h ep l ch a sb e e n p r e s e n t e d m o r e o v e r , t h ec i r c u i to fv o l t a g ec o n t r o ls y s t e ma n ds t a b i l i z e d c u r r e n t c h a r g i n gc o n t r o ls y s t e mh a v e b e e nw o r k e do u t t h i r d ，t h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a v eb e e nd e s i g n e da n dd e b u g g e d h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e ss w i t c h i n gc h a r g i n gp o w e rs u p p l yd e s i g i n g ，v o l t a g e c o m p a r i s o nc i r c u i td e s i g i n g ，i g b ta n dt h ed r i v ec i r c u i td e s i g i n g ，p l ce q u i p m e n t s e l e c t i o n ，p l ci oa d d r e s sa s s i g n i n g ，e x t e r i o ri n p u tc i r c u i td e s i g n i n g ，e x t e r i o ro u t p u t c i r c u i td e s i g n i n g , t h ej o i n tc i r c u i to fa dm o d u l ea n ds e n s o re t c s o f t w a r ed e s i g n i n c l u d e sl a d d e rd i a g r a mp r o g r a md e s i g n i n go ft h eo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do n t h eh a r d w a r ed e s i g n ，r e a l i z e dt h ef u n c t i o n so fc h a r g i n gv o l t a g es e t t i n g ，c h a r g i n g v o l t a g ec o n t r o l ，s t a b i l i z e dc u r r e n tc h a r g i n gc o n t r o le t cu n d e rm o n i t o r i n gs t a t e k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gm a c h i n e ，p l c ，s t a b i l i z e dc u r r e n tc h a r g i n g c o n t r 0 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 隰j 弓卫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 繇枭年翩签一 i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 电磁成形是国外上世纪五十年代末发展起来的一种电磁加工新工艺。它是 继爆炸成形、电水成形之后的另一种高能高速成形新方法【4 】。它是利用磁脉冲场 发生装置，用储能电容器组向装有工件坯料的感应器放电，产生瞬间的高压脉 冲磁场【i 】，磁场与工件坯料中感应电流的相互作用力迫使金属产生塑性变形。因 为在成形过程中载荷是以脉冲的形式作用于毛坯的，因此又称为磁脉冲成形【5 】。 图1 1 所示为典型电磁成形原理图。当开关k 闭合，工作线圈2 流过高频脉冲 电流，由电磁感应现象，可导圆环工件1 中产生与工作线圈2 相反的感应电流， 于是工件1 在洛仑滋力的作用下背离线圈2 而成形。电磁成形装置主要由工作 线圈、集磁器、模具、电容等元件组成。与传统压力加工相比，电磁成形以加 工成本低、无污染、成形精度高、重复性好、不影响材料性能等优点广泛应用 于航空、航天、兵器、汽车制造及电子等领域【锄】。 1 2 图1 1 电磁成形原理 l 一毛坯2 一线圈 1 2 国内外电磁成形机的研究及应用概况 电磁成形机是实施电磁成形加工的基本装备，其结构、参数和性能对成形 质量具有决定性作用。电磁成形设备的组成如图1 2 所示，由四部分组成：( 1 ) 武汉理r 大学硕士学位论文 高压电源系统，由调压器、变压器、整流电路等组成；( 2 ) 储能系统，由数台 脉冲电容器组成；( 3 ) 放电回路系统，由高压放电开关、工作线圈和毛坯组成； ( 4 ) 控制回路系统，由操作台、仪表、控制元器件、触发电路等组成。 ( 1 )( 2 )( 3 ) 1 2 1 国外概况 ( 4 ) 图1 - 2 电磁成形设备的组成 1 9 5 8 年，美国通用电力公司在闩内瓦举行的第二次国际和平利用原子能的 会议上展出了世界上第一台电磁成形机【2 1 。1 9 6 2 年，美国的布劳尔( b r o we r ) 和哈 维( h a r v e y ) 经过改进和完善发明了可用于工业生产的电磁成形机，并申报了专 利，注册商标为m a g n e f o r i l l 。这标志着电磁成形技术真正开始走向实用化和工业 化。从此，电磁成形引起了各工业国的广泛关注和高度重视，美国、前苏联、 同本、西德、英国、加拿大、法国等国家纷纷开展了这方面的理论、工艺及应 用的研究，并取得了不少成果。其中，美国和前苏联处于遥遥领先的地位，电 磁成形机的制造已系列化、标准化。能够n i 零件的最大尺寸已达1 2 0 0 m m ( 直 径) l0 0 0 m m ( 长度) x 6 m m ( 厚度) 。 上世纪6 0 年代初，美国制造的m a g n e f o r m 系列电磁成形机所储存的能量从 6 3 6 k j 、充电电压一般在8 3 k v 、电容容量从l8 0 1 0 4 4uf 、设备重量 5 5 0 1 2 0 0 k g 。该系列的突出优点是重量较轻、体积较小。6 0 年代中期，出现了 储能为5 0 、2 0 0 、4 0 0 k j 的电磁成型机。此后，电磁成形技术逐步在航天、航空、 汽车、电器、化工、医药等工业部门得到应用。 上世纪7 0 年代中期，全世界已有4 0 0 多台电磁成形机运行在生产线上，1 5 0 2 武汉理上人学硕士学位论文 个以上的工厂使用这种工艺，多数机器用于大批量生产，有的机器已经运行了 5 0 0 万次，这些设备的脉冲电流峰值一般为1 0 0 4 0 0 l 认，放电周期在1 0 0 1 x s 左 右。 上世纪8 0 年代初期，电磁成形技术己在美国、前苏联、日本等国的工业生 产中得到了广泛的应用。如美国m a x w e l l 公司生产的各种m a g n e f o r m 设备已遍 布美国、同本的十几家大公司的1 5 0 多个生产厂家。前苏联已有2 0 台电磁成形 机用于工业生产，且前苏联除了生产通用的电磁成形机外，还制造了一些专用 的电磁成形设备，如m 1 4y - 2 0 n1 4 型电磁成形机就是专门为加工钛合金而设 计制造的，它具有给工件加热的装置，这一时期，设备的最大能量为5 0 0 k j 。 上世纪9 0 年代至今，电磁成形技术得到了进一步的发展。在美国俄亥俄州 立大学，电磁成形在线圈的设计、成型机械设计、成型压力分布研究等众多方 面得到了飞速发展。表1 1 和表1 2 为部分国外电磁成形机概况。 表1 1 国外生产的部分电磁成形设备参数 所属国最人储充电电电容网路电重量 设备型号 轮廓尺寸( m m ) 家 能( 1 c j )压( k v )( uf )压( v )( k g ) m m 一2前苏联 1 251 2 0 01 7 5 0 9 0 0 1 9 0 01 0 0 0 m my 1 5 前苏联1 551 2 0 0 2 2 01 3 2 0 1 1 8 0 9 0 0 1 2 1 0 m mm 一2 0 l 前苏联 2 02 l9 02 2 0 3 81 8 7 0 x1 8 4 0 2 4 l o 0 1 9 8 5 m my - 2 0 3 前苏联 2 02 02 2 01 6 4 0 2 0 6 0 2 9 7 0 1 9 5 0 c3 兀1 4 装置 前苏联3 071 4 4 01 8 0 0 1 2 0 0 9 0 0 m1 4om 装置 前苏联 1 454 01 3 0 0 8 0 0 1 8 0 0 ym e l l 5 5 a 前苏联 1 551 5 6 0 8 3 0 1 5 0 01 2 0 0 ul im mtma 山a 装前苏联2 2 55 1 9 0 0 1 0 4 5 x7 0 0 置 1 4 6 0 电磁成形机r - 一l氏主德 5 51 9 13 02 2 0l 1 0 0 1 5 0 0 9 0 09 0 0 国 电脉冲加i ：装置民主德 4 12 0 2 0 5 国 电磁爪机e l m a g 捷克 7 51 01 5 03 8 01 3 0 0 1 3 8 0 9 7 58 0 0 m a g n e f o r m 美国 681 8 02 2 0 1 1 2 0 5 7 0 8 7 05 5 0 m a g n e f o r m 美国 1 282 2 02 2 0l 1 0 0 1 2 0 0 8 51 2 0 0 3 武汉理+ r 大学硕十学位论文 表1 - 2 苏联生产的部分电磁成形设备参数 设备犁最大储 额定电生产能力电容器换向器重量。旨地面 用途 号 能( 1 ( j )压( k v )( t 序时) 形式数( 个)( k g )积( m 2 ) m hy hk 加上有色金属和低碳 2 42 03 6 0 1 2 2 0 0 1 2 一2 4 2 5 一1 2 钢 m myhk 加j ：有色金属和低碳 4 82 01 8 024 1 0 03 0 一4 8 2 5 一1 2 钢 m my mk 7 22 01 2 035 9 0 03 5加上有色金属 一7 2 2 5 一1 2 m mymk 9 62 09 9 047 7 0 04 0 加 有色金属 一9 6 2 5 1 2 m hymk 1 0 3 0加j ：有色金属及其合 1 4 4 2 06 06 6 0 一1 5 22 5 1 2o金的犬型制品 m mymk 1 7 0 0 加l 有色金属及其合 2 4 02 03 6l o8 0 一2 4 02 5 一一1 2 0 金的大型制品 1 2 2 国内概况 在我国，电磁成形研究一直停留在实验室阶段。早在上世纪6 0 年代初期， 中科院电工研究所就曾组织力量系统地研究过电磁成形工艺及设备，并取得了 一些成果，但由于历史原因该项研究工作一度被中止，原有设备也已不存在了。 上世纪7 0 年代术，哈尔滨工业大学再次组织力量进行电磁成形设备与工艺的设 计、研究及开发工作，并于1 9 8 7 年成功研制出了7 2 k j 的电磁成形机；上世纪 9 0 年代中期，哈尔滨工业大学与兄弟单位合作，分别为上海航天局、北京机电 研究所丌发研制出3 0 k j 的电磁成形设备；兵器部5 9 所、中南工业大学、东北大 学等单位也通过合作，研制出了电磁成形机。并且哈尔滨工业大学在过去研制 的7 2 k j 电磁成形机的基础上，又分别于1 9 9 0 年、1 9 9 5 1 9 9 6 年再次研制出1 4 4 、 3 6 k j 中型及1 2 k j 的小型电磁成形设备。目前，该校有三台自己设计与制作的1 2 、 1 4 4 、3 6 k j 和一台从前苏联进口的约4 0 k j 的电磁成形机，是我国目前电磁成形 工艺及设备的丌发与研究力量最强的单位之一【2 1 。 武汉理工大学在2 0 0 0 年获得国家自然科学基金资助，在电磁成形过程数值 模拟、电磁成形设备最优控制和电磁成形工艺参数优化等方面取得许多有理论 与应用价值的成果，已研制成w g 1 、w g i i 型样机和w g i i i 型低电压电磁成形 4 武汉理工大学硕十学位论文 机样机，建立了放电过程的求解模型，研究了力能参数、线圈结构及各工艺参 数对放电电流、感应涡流、成形磁场等的影响规律，重点进行了平板毛坯在磁 脉冲力作用下变形过程的数值模拟及其工艺参数优化。研究成果居国内领先水 平，部分成果在国外也是首次报道。 表1 3 部分国产电磁成形设备概况 最人充电单个网路 开 单位及设备关 储能电压电容电压 形 轮廓尺寸( k x 宽高) ( t r i m ) ( 1 c j )( k v ) ( uf )( v ) 式 球 设备1 1 251 0 02 2 0间4 3 0 3 6 0 5 2 0 哈隙 工 球 大没备21 4 4 51 9 0 2 2 0间 12 5 0 x 8 0 0 x1 0 5 0 隙 球 设备33 6 1 01 2 02 2 0间 隙 兵器部火 第5 9 m f l 控制柜：7 0 0 6 0 0 1 6 0 0 储能柜及开关 1 61 01 2 02 2 0花 1 6柜：1 0 0 0 7 5 0 1 7 0 0 所隙 中南i ： m f a 高 2 2 0 3压控制柜：6 7 0 5 5 0 x1 0 0 0 储能柜：1 3 6 0 8 0 0 1 8 1 81 0 1 2 0 业人学 8 0 开1 4 0 0 操作台：1 3 2 0 4 9 5 1 2 5 0 一1 0 关 2 2 0 3 球 北京机电所3 01 0 1 2 0 间 8 0 隙 2 2 0 3 球 上海航天局 3 01 01 2 0间 8 0 隙 同 2 2 0 3轴 牡丹江光电所3 0 1 01 2 0 8 0 开 关 球控制柜：4 8 0 3 7 0 x 8 8 0 储能柜：7 0 0 3 1 0 东北大学 2 01 08 02 2 0间 7 3 0 开关柜：4 0 0 3 2 0 4 3 0 成形操作台：8 1 0 隙 6 2 0 8 3 0 武汉理工大学硕士学位论文 总的来 兑，国产设备虽然成本比进口低，但结构不甚合理且庞大，设备能量小， 很少有超过4 0 k j 的，远远不能满足现实需要。从现有资料看，目前电磁成形设备的 有效储能为0 1 - 5 0 0 k j ，作用于工件上的瞬间压力为3 5 0 2 0 0 0 0 m p a ，线圈电压 为5 5 0 k v ，电流为7 0 4 0 0 k a ，电流上升速度为10 6 1o m a s ，上升时问为l 5 0 ps ，加工速度为1 肌1 0 0 0 m s ，磁通密度为1 0 1 0 0 0 k g ，生产率可达1 0 8 0 0 件l l ， 可加工的最大零件尺寸为：1 2 0 0 m m ( 直径) 1 0 0 0 m m ( 长度) 6 m m ( 厚度) 。表1 3 为部分国产电磁成形设备概况。 1 3 电磁成形工艺特点及其应用 1 3 1 电磁成形的工艺特点 电磁成形区别于传统成形方法的特点在于： 1 成形利用电磁力，无机械接触摩擦。 通过磁场介质向工件施加压力来实现成形，由于磁场能穿过非电导体材料， 它就有可能穿过非金属的涂层或容器来工作，而且由于成形工具和工件之问没 有机械接触，因而不需要润滑剂。相应地，操作之后不需要清理工件。可以在 成形或装配操作前进行工件的抛光或研磨，甚至喷漆，成形后粗糙度不影响。 2 保持工件材料的原有性能。 电磁成形不需要对工件整体加热，不改变材料的会相组织，从而保证工件 材料的物理、化学和机械性能。 3 具有良好的可控性和重复性。 由于电磁成形是电磁力在起作用，可以做到精确控制电容的储存能量，精 度高。成形速度不会受到移动部件机械惯性的限制电磁脉冲载荷时问可以达到 微秒的精度，成形设备可以达到每分钟重复工作几百次，电磁脉冲载荷的强度 可以电力控制达到很高的精度。 4 生产率高。 电磁成形是非机械加工，不存在加工过程中工件运动所产生的固有机械惯 性，所以生产率高f 2 0 1 。电磁成形机的操作方式般分为手动、半手动、自动三 种方式。手动的生产率一般为3 0 0 - 4 0 0 件每小时，全自动的生产率高达2 4 0 0 件每小时。 6 武汉理上大学硕十学位论文 5 残余应力低。 电磁力加到一个工件上时，属于体积力。因此，不管工件的形状如何，都 是整体均匀受力，材料内部不存在应力集中区，这有利于工件材料的充分变形， 可提高材料的塑性变形能力，且变形后残余应力小，能有效地提高产品的寿命。 6 简化模具，对模具材料的要求低。 在使用模具成形的时候，只需要提供凹模，不存在凸模和凹模的配合关系， 适合形状复杂的工件成形。模具安装简单，容易制造，降低了生产成本。而且 由于脉冲载荷的持续时间是微秒级的，参与到装配操作的工件的质量远比它们 的相对强度重要得多，并且由于在成形过程中没有静态力，作用在模具上的力 较小，因此对模具材料要求较低。 电磁成形工艺也存在着一定的局限性，对加工零件的材料、形状有一定的 要求【2 1 1 。工件材料的电阻率要低，如铜、黄铜、低碳钢等良导体。而对于不锈 钢之类高电阻率材料，在进行电磁成形加工时需另加导电性良好的加压套，以 帮助工件变形。成形工件的形状须具有连续导电回路，如管、环、套、薄板平 面件等。管壁多孔者，只要对导电无大碍，不使导电回路畸形，也可成形，但 当管壁有平行于管轴的槽、缝，成形效果往往不佳或不能成形，原因在于工件 内电路畸形后磁场的压力也畸形。此外，深拉深工件的成形不便在目前的电磁 成形设备上进行。 1 3 2 电磁成形的应用 电磁成形可广泛用于管材的胀形、缩径、冲孔、翻边和连接，板材冲裁、 压印和成形，组装件的装配，粉未压实，电磁铆接，电磁焊接、连接及放射性 物质的封存等【5 】。 1 管材成型 管材成形是电磁成形技术中应用较多的方面。主要有管坯自由胀形、有模 成形、管的校形、管段翻边扩口及管坯的局部缩径、管段的缩口、异形管成形 等【4 2 1 。由于电磁成形时，管坯变形分布均匀，变形硬化不显著，因此材料的成 形性得以提高，与静念的冲压相比，电磁成形方法可以提高胀形系数 3 0 7 0 3 6 1 。壁厚变薄甚至破裂是管坯胀形的主要问题【5 1 。现在该工艺已应用 于某些重要部件的收口成型及校形。图1 3 所示为管材成型实例。 7 武汉理上人学颐i 。学位论史 藿 ( a ) ( b ) 图1 - 3 螺线管线圈用于成形管件实例 ( a ) 航空器导管( b ) 导弹外壳 2 电磁焊接 电磁焊接( m a g n e t i cp u l s ew e l d i n g ：m p w 卜傲认为同爆炸焊接机理相同， 每当储能电容器放电时，线圈产生一瞬时、高压、高速的冲压波作用在一金属 ( 附件上) ，使其以高速向另一金属( 基件) 猛烈撞击，在两金属接触界面的一 些先撞击点将产生“射流”以及高应变速率的金属塑性流动。“射流”作用的结 果是冲刷或清除了两金属待复合面的氧化层及吸附层，使两洁净的金属表面在 高压下紧密结合而形成金属键连接，随着变形，即复合过程的进行，金属键邂 步扩大到整个连接面，达到复合或焊接的目的1 7 l 。电磁焊接所需的变形力由螺线 管线圈提供，图1 4 所示为焊接实例。 一 ! 翻胡! 图1 - 4 螺线管线圈用于焊接实例 ( a ) 波音7 7 7 飞机上的万向轴管( b ) 福特4 系列汽车传动轴 3 电磁复合冲压成形 电磁复台冲压成形( e l e c t r o m a g n e t i c , a l l y a s s i s t e ds t a m p i n g ) 是把传统的冲压 成形和局部电磁成形结合在一起进行的复合加工，它可咀有效的控制应变的分 却。其装置原理如图1 5 所z t , , t ”，先通过模具将板料冲压成大致所需要的形状， 然后利用安装在模具上不同位置的线圈所提供的电磁力控制应变的分布。通过 这种方法可以提高板料变形的均匀性，避免大应变所导致的材料失效。电磁复 合冲压技术的关键是要把线圈安装在模具适当的位置上，提供小的电磁力使工 武汉理一人学硕士学位论文 件在小区域内变r g t g 】。其中一种是将线圈安装在拉深凸模上，当拉深到预定深度 后，与线圈相连的电容器放电，利用电磁力使拉深件底部产生“鼓包”( s t r e t c h e d b u b b l e ) 然后继续拉深再放电，如此循环，增加底部的变形；另一种是将线圈 图1 - 5 电磁复合冲压成形装置示意图 安装在拉深凹模上，与之配套的压边圈在线圈上方有一环形凹槽，当拉深到预 定深度时，利用电磁力使法兰区的材料流入凹槽，产生“鼓包”，增加法兰区的 变形，然后继续拉深，再放电，如此循环，以提高法兰区的变形程度。这两种 方法都是利用线圈产生的电磁力提高板料在拉深时变形的均匀性，从而提高拉 探极限。图1 - 6 所示的两个对比样品的材料为a a 2 2 1 9 - 0 铝合金，左边的样品在 压边力作用下通过传统拉深得到，右边的样品由上进第二种方法在相同压边力 作用下通过2 7 次放电加工而成，其极限拉深高度是前者的33 倍。 图1 - 6 两种拉深件的比较 4 平板毛坯的成形 平板毛坯成形可分为自由戒形和有模成形两种【m 。i i 者主要用于精度要求 不高的锥形件成形，后者常用于压印、压凹、曲面零件成形和冲裁等。由于平 板毛坯磁脉冲力分布不均匀从而影响成形质量【”l 。自由成形零件的外形难控 制，而有模成形存在零件的贴膜性差的问题。椭圆线圈成形是平板毛坯加工的 武汉理大学硕十学位论文 一种形式p 】。根据椭圆形线圈磁场分柿觇律，对于长彤工件成形，选 j 椭圆形线 圈优于圆形线圈：而对r 中心部位变形要求较高的零件，要选用网形线圈，这 是因为椭圆线圈形状使工仆心部变形不足的程度比圆形线圈的严重。匀压力线 圈成形是平板毛坯加工的种形式。最近美国o h i o 州立大学g l e n nd a e h n ”i 研 制出r 一种能提供均匀磁场力的匀压力线圈( u n i f o r mp r e s s u r ea e r a t o r ) 。与之配 套的凹模是活动式的，可以根据需要更换凹模，实现多种冲压工艺。匀压力线 圈可应用于成形、压花、冲裁等上艺，成型件光洁度高，成形效果极佳：压花 图案清晰、线条明显效果良好：冲裁件的刃口平整，没有毛刺，冲裁质量高。 图1 7 所示为平扳件电磁成型的典型零件。 图i 7 平板件电磁成型的典型零件 5 电磁铆接 电磁铆接是基于电磁成形技术基础上发展起来的一种铆接方法。放电j r 关 闭合的瞬 f i ，初级线圈中流经一快速变化的冲击电流，在线圈周围产生强磁场， 泼磁场使与初级线圈耦合的磁极线圈产生感应屯流，进而产4 涡流磁场，两磁 场相互作用产q 二强的 呙流斥力，即放大器的输入力此力在放大器中传播时经 不断的反射和透射，输出个波形和峰值，改变了的应力再传惫铆钉，使铆钉 在根短的时内完成塑性变形1 1 9 i 。电磁铆接屈冲击加载，加载速率高，应变力人， 材料的变形方式不同于压铆等准静态加载，凼而电磁铆接具有其他铆接方法无 法皆代的技术优势j 。 6 电磁耪末丝制 粉术冶金是制取各种高性能结构材料、功能材料的有效途释，研究丌发高 密度、高性能、近终成形粉末制品的集成化技术，是推动粉术材奉4 应用与发展 的关键 ”。用强冲击压制粉术村料是获取高密度粉术冶龠制品的有效方法，2 0 武汉理r 大学硕士学位论文 世纪5 0 年代，各国研究人员竞相研究爆炸成形，对于提高超硬粉末压制密度起 了很大作用，但由于爆炸成形工艺重复性差，自动化程度低，限制了其应用。 电磁压制成形也是高能率成形方法【1 2 】，且在成形能量与速度控制方面优于爆炸 成形。1 9 7 6 年，c l y e d s t l 3 】等率先将电磁成形的思想引入粉术材料压制，用放电 压制法压制出棒料、条料及形状更为复杂的制件，通过筛选粉末粒度，还能成 功地制造出具有尖角的棒料和条料。此后w i l l i a m s j d 【m 】还尝试过将难熔材料 与低熔点金属混合压制以获得高密度的制品，随后各国学者也做过一些跟踪研 究。黄尚宇【j 孓m 】教授将平板螺旋线圈应用于粉术材料的压实，得到了致密均匀、 高密度粉末坯体。 1 4 本课题选题意义及主要研究内容 从1 9 5 8 年至今，美国、前苏联和西欧生产的电磁成形设备均已系列化、标 准化，电磁成形工艺在航空、航天、轻工、仪表、机械和电子制造业中已获得 生产应用，取得了可观的经济效益【2 1 。 国内电磁成形研究一直处于实验室阶段，电磁成形机的生产和实际应用领 域几乎等于空白。用于电磁成形的设备有进口的原装机，也有国内部分单位自 行开发的。国产设备虽然成本较低，但结构不甚合理且体积庞大、能量较小， 很少有超过4 0 k j 的，远远不能满足实际生产的需要。因此，研制出这种6 0 k j 的新型稳流充电电磁成形机，对国内推广应用该工艺设备具有十分重要的意义。 尽管电磁成形工艺发展至今已近5 0 年，电磁成形设备逐步得到了改进，使储 能大小、结构、控制和安全防护系统等趋于完善，但是，从现实需要来看，还远不能 满足要求。主要存在以下几个方面的问题和不足： 1 设备能量不够大。 目f j ，国外设备最大储能为5 0 0 k j ，而国内还不足4 0 k j ，加上能量利用率低等 因素，远远不能满足加工难变形金属或大型实体会属工件需要。 2 能量利用率很低肩邑源浪费严重。 设备储能的利用率一般在1 0 2 0 ，最高也不过4 0 ，这主要是浪费在漏 磁、发热上。 3 结构有待改进，成本需要降低。 武汉理工大学硕士学位论文 目前的电磁成形机一般没有加热和检测装置，不利于大型实体工件加工和 实验数据的采集、记录与处理，且布局也不太合理，限制了适用范围；成本偏 高，从国外进口一般需d 2 0 万美元台，国产设备也至少需l o 万元人民币台，成 本还有待于进一步降低，才能普及。 4 控制系统有待改进。 继电器接触器控制线路由于采用固定接线形式，其通用性和灵活性较差， 电压控制精度不高【5 2 1 ，对工艺过程难以精确控制，并且由于采用有触点的丌关 电器，触点易发生故障，可靠性和可维护性差，维修量较大等。 5 充电效率有待提高。 传统的电容充电多为稳压式，电容充电电压呈指数式上升。开始时充电电流 很大，为此要串连限流电阻，从而降低充电效率。随着充电电压的升高，充电电 流越来越小，结果充电速度越来越慢，不但充电时间长，而且充电精度差。 随着工业控制技术和微机技术的发展使得解决现行电磁成形机存在的问题 成为可能，p l c ( 可编程序控制器) 是以微处理器为核心，综合了计算机技术、 自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置【4 8 1 ，具有 可靠性好、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，在 纺织、机械、化工、电子等领域有着广泛应用，是现代工业控制中的三大支柱 之一 4 0 1 。f x 2 n 是三菱p l c 系列中功能最强、运算速度最快的p l c ，能够扩展 多种功能模块，可实现逻辑、顺序、定时、计数、数据处理、模拟量控制、位 置控制和联网通信等功能。f x 2 n 4 a d 功能模块能将现场的温度、压力、速度 等模拟量通过传感器检测后进行a d 转换，p l c 中的微处理器对转换的数字量 进行处理，输出丌关量或经d a 功能模块输出模拟量去控制被控对象，这样就 可实现p l c 对模拟量的控制。 武汉理工大学在丌发高压电磁成形设备及电磁成形工艺研究方面积累了 丰富的经验，先后研制并开发出w g i 、w g i i 型样机和w g i i i 型低电压电磁成 形机样机，均为继电器接触器控制、稳压式充电，触点易发生故障，充电效率 低。本课题的目标就是在前三台样机的基础上，引入基于f x 2 n - - 菱p l c ( 可编 程控制器) 的电磁成形机控制系统，开展电磁成形机充电过程和控制规律的研 究。探讨提高电磁成形机可靠性和安全性措施。通过软硬件设计，使新型电磁 成形机具有自我保护、状态自检，稳流充电功能。在此基础上，完成6 0 k j 具有 稳流充电功能的高压电磁成形机样机的研制。 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章电磁成形机充电回路的设计 电磁成形机一般由三大部分组成：充电回路、放电回路及控制回路。充电 回路是电磁成形机的重要环节，它必须可靠、高效地给储能电容充电。 充电回路包括：第一级直流电源、第二级开关充电电源、升压变压器、整 流电路及相应保护电路。储能电容的能量为【2 2 】； 1 2 e2 虿c u d ( 2 1 ) 式中：c 一储能电容( f ) 一储能电容两端的电压( v ) 从( 2 1 ) 式可以看出，储能电容量c 和充电电压u d 是影响能量的两个重要因素。 充电回路的电容量c 经选定后不易改变，一般通过控制充电电压u d 来进行能量 控制。 2 1 充电回路的原理 充电回路的作用是把交流电经过升压、整流等变换，转变成储能电容中的 能量。充电回路可以等效为基本的r c 模式，如图2 1 所示。 e 图2 - 1等效r c 充电回路 r 一回路等效电阻：c 一储能电容 1 3 弋。 u d 土 武汉理上大学硕士学位论文 充电过程是零状态响应【3 2 1 。根据克希荷夫定律得： z cr +u d=u c 卜c 等 由式( 2 - 2 ) 和( 2 3 ) 得： r c 等川吨 其中t = r c ，解得： u j ：u c ( 1 一p 一7 t ) = 华= 盲u p - r ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 6 ) 式是有两个分量叠加而成的。u 。是电容两端电压u d 所趋近的稳态分量， 表示t o o 时，电容电压u d 所趋近的数值；一up f 是u d 自由分量，它随时 间增大而逐渐趋近于零。由( 2 - 6 ) 式可得电流i 。的变化规律。t = 0 时，i c = 二 ； t 一时，i 。= o 。t 为时间常数，t 的大小决定了自由分量衰减的快慢，即决定 了充电时间的长短。理论上自由分量只有在t 一时才趋于0 ，u d 爿充电到u 。， 但实际上，在t = ( 4 - - 一5 ) t 时，自由分量已经衰减到2 以下，u d 充电到9 8 以 上，一般认为充电已经结束。电压u d 和电流i 。的变化曲线见图2 2 和图2 3 。 u 图2 - 2 电压u d 的变化曲线 1 4 t 武汉理t 大学硕十学位论文 图2 - 3 电流i 。的变化曲线 2 2 充电回路的总体方案 充电回路的总体方案的原理图如图2 - 4 所示。这个回路由第一级直流电源、 第二级半桥逆变电路、高压升压变压器、高压大电流整流硅堆、限流电阻、储 能电容、采样电阻组成。 图2 4 充电回路电路原理图 充电回路的工作过程为：进线3 8 0 v 的交流电，经过整流桥和滤波电容， 得到5 0 0 v 左右的直流电压，该电压作为第二级半桥逆变电路的输入；第二级逆 变电路经由2 个i g b t 逆变，变压器输入1 k h z 的电压脉冲，高压变压器把电压 升高到充电电压，经过整流后，通过限流电阻给电容充电。采样电阻上的采样 电压送给比较电路板，与设定基准电压比较，到达预先设定的充电电压就停止 充电。 1 5 武汉理：大学硕十学位论文 2 3 第一级直流电源的设计 第一级a c d c 直流电源部分，输入三相3 8 0 v 的交流电压，采用不可控的 三相全波整流，经过滤波电容可以获得脉动很小电压稳定的直流电压输出。内 部电路简图如图2 5 所示。 它的计算公式为： u = 1 35u 1 a n 式中u a n = 3 8 0 - 1 - 1 0 v 由式( 2 7 ) 可计算第一级直流电源输出电压为 u l m 矾= 1 3 5 木( 3 8 0 + 3 8 ) = 5 6 4 v , u i m i n = 1 3 5 宰( 3 8 0 3 8 ) = 4 6 1 v 一】 【】 ： it 一 d b 、 一 i = t 别昔】 【】【j 图2 5 第一级直流电源简图 2 4 第二级半桥逆变电路的设计 2 4 1 半桥逆变电路的原理 ( 2 7 ) 逆变电路是与整流电路相对应，是将低电压变为高电压，把直流电变成交 流电的电路【2 3 1 。在此，主要是指利用丌关功率器件通过交换技术而制成的丌关 直流电源。它的突出优点是效率高、体积小、重量轻。 1 6 武汉理工人学硕士学位论文 半桥逆变电路主电路结构如图2 - 6 所示，由半桥逆变器、高频变压器和输出 整流电路组成。 u i n 图2 - 6 半桥逆变电路简图 u o u t 该电路中，三相3 8 0 v 电压经第一级直流电源交流滤波、全桥整流滤波后得 到5 0 0 v 左右的直流电压，该电压再供给脉宽调制变换器。变换器由分压电容 c i 和c 2 、i g b t 模块、高频变压器及整流电路组成。驱动电路提供2 路驱动脉 冲，用以交替控制功率丌关管i g b t l 和i g b t 2 的通断，将直流变为l k h z 的脉冲 电压，经变压器隔离传输，再经全波整流输出直流电压，给储能电容提供1 0 k v 的充电电压。 半桥逆变电源结构的优点：结构简单，控制方便，适合在中等功率的场合 应用；加在高频变压器上的电压只有输入电压的1 2 t 2 引，只需两个高频开关管， 易输出较高的功率，在常用的推挽式、全桥式和半桥式逆变电源变换器中抗不 平衡能力最强。缺点是直流电压利用率低，输出谐波含量大，必须设置死区时 间，较难得到优化设计。 2 4 2 功率器件及其驱动电路的设计 绝缘栅双极晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 是由b j t 和 m o s f e t 组合而成的新型复合电压控制电力电子器件【2 4 】。自2 0 世纪8 0 年代中 期出现以来，广泛地应用于电机控制、变频器和逆变电源等以及要求快速、低损 耗的领域，它兼有m o s f e t 和g t r 的优点，输入阻抗高、响应速度快、通念压降 小、耐高压、承受大电流等由于是电压控制型器件，只要控制i g b t 栅极的电压 1 7 武汉理= 大学硕士学位论文 就可以控制其开通和关断。 考虑到i g b t 较m o s f e t 作为主开关器件，具有通态阻抗较小，尤其适应 于输入电压很高、输出功率很大的场合【2 5 】；故决定采用i g b t 作为主开关器件。 通过查阅大量技术