[发明专利]一种应用于电液成形的全固态高压脉冲发生电路及装置

说明书

一种应用于电液成形的全固态高压脉冲发生电路及装置，包括多级充放电模块、开关模块及驱动模块。多级充放电模块用于并联充电或串联放电，当并联充电时将千伏级电能进行储存，当串联放电时产生目标脉冲电流。开关模块当关断时控制多级充放电模块并联充电，当导通时控制多级充放电模块串联放电。驱动模块用于当接收到触发信号时，输出同步驱动信号至开关模块，以驱动开关模块进行导通。上述的全固态高压脉冲发生电路及装置，通过多级充放电模块并联充电和串联放电，仅利用千伏级电能即可产生目标脉冲电流，成本低，实用性高，解决了传统的电液成形技术由于采用高压充电电源和高压脉冲电容器而导致的成本高、稳定性低，从而实用性低的问题。

技术领域

本发明属于电液成形技术领域，尤其涉及一种应用于电液成形的全固态高压脉冲发生电路及装置。

背景技术

近年来，航空航天、交通运输等先进制造技术的快速发展，对工业产品整体结构轻量化的要求越来越高，其中，结构轻量化和材料轻量化是实现产品整体减重的两个重要方面，为此，轻质合金(例如镁合金、铝合金、钛合金及高强钢)等材料薄壁构件得到了越来越广泛的应用。但上述材料都是高强度难成形的材料，在室温下变形困难，准静态条件下成形极限偏低，制件的形状精度和尺寸精度难以满足技术要求。目前，通常利用热成形技术和冲压成形技术进行塑性加工，对于热成形工艺，提高温度可以提高材料的成形性，但采用热成形工艺严重的问题在于，高温成形会使合金材料性能改变，零件强度降低；而采用常规的冲压成形工艺，则由于上述材料高强度、延展性差的特性，导致成形不良率很高。

由于高速率成形技术具有成形精度高、零件表面质量好、能提高材料成形性能等优点，适于应用在难变形材料的塑性加工制造中，高速率成形技术成为在室温下提高材料的成形性的重要手段。而电液成形作为一种典型的高速率成形技术，是一种将存储在电容器中的电能瞬间释放在液体中的电极间隙之间、通过液体中等离子体爆炸过程获得强烈的冲击波载荷、并由液体介质(通常为水)传递载荷推动金属板料或管材等坯料在模具中发生塑性变形的成形制造工艺。电液成型技术是一种新兴的加工技术，属于高能成形新工艺，相对于常规的热成形和冲压成形方法,电液成形具有以下特点：成形速度高，工艺柔性高，成形过程稳定，工件回弹小，成形质量高；并且，能量易于调整控制，特别适合于加工管材胀形零件，具有单面模具，减少工装模具。此外，电液成形对材料电导率无要求，可用于高强度高硬度的金属板材的成形加工能显著提高材料成形性能，在薄壁难变形零件的精密成形制造方面将起到越来越大的作用，电液成形在塑性成形领域有独特的优势。

电液成形的加工能力决定于电容器所储存的能量，其公式如下E＝CU²/2，其中E为电容器储能，单位为J；C为电容器容量，单位uF；U为电压，单位KV。经试验，通常中小型的高强度高硬度的金属板材的成形需要能量为4K～20KJ，如E＝20000J,充电电源电压为20KV，则电容器容量需达到100uF。从公式看，提高充电电源电压最能有效提高能量，但脉冲电容电压规格越高，体积和成本相应呈指数式增长。目前，应用于电液成形的传统高压脉冲发生器结构多是由一个高压直流充电电源、一个高压开关及一个高压脉冲电容器组成。高压直流充电电源输出通常需要数万伏，由于要高压隔离，导致电源体积非常大，设计复杂，成本昂贵。高压开关常使用气体开关作为主开关器件，主要种类有火花隙(Spark Gap)和场畸变开关等，这些开关的电压体积和重量较大，加工安装复杂，工作过程中电极的烧蚀等缺陷限制了高压脉冲发生器的工作寿命，并且需要为其准备专用的开关触发电路和开关内供气、调压设备。气体开关为半控型开关，仅能通过电脉冲触发导通，关断则由电弧熄灭时间和电极间绝缘强度恢复情况决定，使得输出上升沿和下降沿有较大导通和关断时间较长，导通有一定的延时，影响到输出脉冲重复频率的提高。采用气体开关器件，重复频率低寿命短，稳定性差，一致性差，参数调整困难等。高压脉冲电容器体积庞大，价格昂贵，一个容量100uF，50000V规格高压脉冲电容器高压电容体积如同一个成人大小，体积庞大，结构笨重；电容器的容量越大，电压规格越高，成本呈指数式增长，但可充放电次数反而减少，通常只有数百次，导致电液成形的加工成本高，目前只应用于实验室中，进行科研，严重限制了电液成形技术在加工产业中的应用。