CN101905262B - 一种磁脉冲成形用集磁器结构 - Google Patents

Abstract

本发明一种磁脉冲成形用集磁器结构涉及一种利用脉冲磁场力进行金属管件成形和连接的装置。现有集磁器结构的侧端面与轴线夹角介于π/6→π/2之间，磁场能量传递和集中的效率低。本发明提出一种纵截面结构呈“工”字型的新型集磁器，其集磁器结构的侧端面的斜角取值为

该结构显著提高磁脉冲成形放电过程中的磁场能量，从而提高集磁器的能量转化效率，进而提高线圈和集磁器寿命、降低放电电压等。

Description

一种磁脉冲成形用集磁器结构

技术领域

本发明属于金属管件磁脉冲成形技术，尤其涉及一种利用脉冲磁场力进行金属管件成形和连接的装置。

背景技术

磁脉冲成形技术具有加工能量易于精确控制、成形速度快、成形工件精度高、模具简单和设备通用性强等优点，且整个成形过程无污染，已被应用于机械、电子、汽车、航空航天和兵器工业等诸多领域。磁脉冲成形技术的基本原理是电磁感应定律。一脉冲磁场穿过工件并在工件上产生感应电流(又称涡流)，感应电流产生的磁场与初始的磁场相互作用产生幅值巨大的脉冲磁压力。当磁压力幅值显著高于工件材料的屈服强度时，工件将发生塑性变形。磁脉冲成形加工正是利用脉冲磁压力使工件产生塑性变形达到零件成形或连接的目的。

集磁器原理如图1、图2所示，它是磁脉冲成形中一种非常重要的装置，用于集中磁通并在工件一定位置上施加压力，其与待加工管件对应的区域(图2中4)称为工作区。一般，集磁器是带有纵向窄缝的金属厚壁圆筒，根据具体要求，其纵截面可为梯形、T形或L型等。当进行图2所示的缩径成形时，在集磁器外部同轴放置成形线圈，磁脉冲成形设备通过线圈放电。由于此放电回路为典型的RLC回路，流过线圈的脉冲电流i₁具有衰减震荡特性。根据集肤效应和电磁感应定律，i₁只在靠近集磁器外表面的线圈内侧流动，其产生磁场在集磁器外表面层内产生感应电流i₂。由于集磁器侧壁存在纵缝，因此i₂沿集磁器外表面、纵缝表面流经集磁器的内表面。i₂的感应磁场在置于集磁器内的管件上产生感应电流i₅。同理，变化的i₅也会产生磁场。i₁、i₂和i₅对应的磁场相互作用，导致集磁器外表面感应电流磁场大部分和线圈电流磁场相抵消，而在内表面则相反，尤其在工作区产生了强磁场，从而实现磁场能从集磁器外表面向内表面，乃至工作区的传递，使绝大部分冲击力作用于集磁器的工作区，因而集磁器承受了线圈所受的巨大磁压力，从而起到集中磁场、提高局部磁场强度、保护线圈的作用。由于集磁器材料和结构限制，集磁器通常用于局部成形且有能量损失，成形过程的能量效率降低。制作集磁器的材料要具有较高的导电率、强度和刚度。

管件电流i₅与集磁器和被加工管件间隙内的增强磁场作用，产生作用于该管件的脉冲磁压力，使之变形或实现与其他零件的机械连接或焊接接头。

目前，磁脉冲成形和连接用集磁器结构的侧端面与轴线夹角介于π/6→π/2之间，磁场能向管件变形或连接所需机械能的转化效率低，多用来起到保护线圈、加强线圈结构强度的作用。因此，需要对集磁器结构进行优化设计，提高磁脉冲成形或连接过程的能量利用率，从而获得满足技术要求的变形和连接零件。

发明内容

本发明的目的是提供一种能提高磁脉冲成形和连接过程能量利用率的新型集磁器结构。

本发明的技术解决方案如下：

1、原理依据

在梯形截面集磁器工作区内，认为磁场强度在内径r₀、外径r₀+g的环形区域内均匀分布，见图1、图2，并且只有z向分量，则集磁器工作区电流为i₄：

$i_4=\frac{\mathrm{\φl}}{{\mathrm{\μ}}_{0}2\mathrm{\π}{r}_{0}g}---\left(1\right)$

式中φ为磁通量；l为集磁器工作区轴向长度；μ₀为空气磁导率；g为待加工管件与集磁器工作区单面径向间隙。

集磁器侧端面电流i₃：

$i_3=\frac{\mathrm{\φ}}{{\mathrm{\μ}}_{0}2\mathrm{\π}{r}_0\mathrm{\β}}\·\ln (1+\frac{r_0\mathrm{\β}\sin \mathrm{\β}}{g(1-\cos \mathrm{\β})})---\left(2\right)$

式中β为集磁器端面与轴线夹角。

集磁器内壁表面流过的总电流i₂为：

$i_2=i_4+2i_3=\frac{\mathrm{\φl}}{{\mathrm{\μ}}_{0}2\mathrm{\π}{r}_{0}g}[1+\frac{2g}{\mathrm{\βl}}\·\ln (1+\frac{r_0\mathrm{\β}\sin \mathrm{\β}}{g(1-\cos \mathrm{\β})})]---\left(3\right)$

集磁器工作区电流与总电流之比为

$\frac{i_4}{i_2}=\frac{1}{1+\frac{2g}{\mathrm{\βl}}\·\ln (1+\frac{r_0\mathrm{\β}\sin \mathrm{\β}}{g(1-\cos \mathrm{\β})})}---\left(4\right)$

由式(4)可知，当β→π时，

集磁器侧端面电流i₃趋于零，即该集磁器结构实现了集磁器外表面和内表面上工作区之间电流的高效率传递，或磁场能的高效率传递。由此可知，集磁器侧端面的斜角取值应为则据此本发明的新型集磁器结构原理如图3所示。

2、结构描述

基于上述原理，本发明提出了如图3和图4所示的新型集磁器，其纵截面结构呈“工”字型，由外壁、内壁和纵臂构成，外壁的外表面与线圈内表面相对，内壁的工作表面与待加工管件外表面相对，集磁器外壁和内壁通过纵臂相连。集磁器的内壁纵向长度小于外壁，由此实现感应电流i₂或磁场能的集中。一条窄纵缝把集磁器的内壁、外壁和纵臂剖开，纵缝内添加绝缘材料，以保证磁脉冲设备通过线圈放电时集磁器内壁、外壁脉冲电流通过时的绝缘强度。

集磁器由高强度、高导电率的金属材料加工而成，如紫铜、高强铝合金、铍青铜等材料。

根据被加工管件具体工况条件的需要，集磁器的纵臂可以置于其纵轴中心的位置，如图3所示；集磁器的纵臂也可以置于外壁的端部，如图9所示。

为提高集磁器结构强度，在集磁器内壁、外壁与纵臂之间、沿圆周方向均匀分布3-8条加强筋，以增强新型集磁器工作区的结构强度，如图5和6所示。

集磁器的外壁外表面和内壁工作表面的同轴度及两个表面和纵缝表面的光洁度要严格要求。

3、有益效果

一般，现有集磁器结构的侧端面与轴线夹角介于π/6→π/2之间，磁场能量传递和集中的效率低。对目前磁脉冲成形常用的集磁器结构而言，本发明提出的集磁器结构显著提高磁脉冲成形放电过程中的磁场能量，从而提高集磁器的能量转化效率，进而提高线圈和集磁器寿命、降低放电电压。

附图说明

图1为磁脉冲成形用集磁器工艺原理图

图2为图1剖视图

图3为本发明集磁器结构图(β→π)

图4为图3的左视图

图5为本发明带加强筋集磁器结构图

图6为图5的左视图

图7为缩径变形示意图

图8为缩径连接示意图

图9为工作区位于端部的集磁器结构图

1-线圈；2-集磁器；3-集磁器侧端面；4-集磁器工作区；5-待成形管件；6-加工管件；7-被加工管件；8-集磁器的加强筋；9-集磁器侧壁纵缝；10-被连接管件；11-外壁；12-内壁；13-纵臂；i₁-线圈电流；i₂-集磁器电流；i₃-集磁器侧端面电流；i₄-集磁器工作区电流；i₅-管件电流；β-集磁器端面与轴线夹角；r₀-被加工管件外半径；R₀-集磁器外半径；g-待加工管件与集磁器工作区单面径向间隙；l-集磁器工作区轴向长度；P-磁压力。

具体实施方式

实施例1

如图3、图4所示，所用集磁器2的纵截面为工字形，由外壁11、内壁12、纵臂13和侧壁纵缝9构成的整体单匝线圈，其外壁11的外表面与内壁12上的工作表面4为同轴圆柱面。集磁器2由高强度、高导电率的紫铜棒材经机械加工而成，侧壁纵缝贯穿集磁器2的外壁11、内壁12和纵臂13，宽度0.2～2.0mm。

如图7所示，电磁脉冲成形设备的输出输入端与多匝螺线管线圈1的两个接线端相连，其线圈1位于集磁器2的外壁11的外侧。线圈1的匝线为矩形截面的紫铜线，截面3×5mm(匝线矩形截面面积一般介于10～50mm2之间)。设备放电电压2.5kV，电容量720uF。集磁器2外壁11外径90mm，内壁12上工作区4的内径22mm，集磁器外壁长100mm，内壁长20mm。待加工管件6为LF21-O，外径20mm，壁厚1.0mm，将待加工管件6、集磁器2和线圈1同轴对称放置。在上述工艺条件下，电磁脉冲成形设备电容C经线圈1放电，根据前述工艺原理，产生磁压力P作用于集磁器2内壁12工作区4对应的管件6的外表面上。变形前管件形状6，变形后管件形状7。试验结果表明，相对于常规等腰梯形截面集磁器，实现同样缩径变形量，需要放电电压3.0～3.25kV。

实施例2

如图5、图6所示，按照实施例1，所用集磁器2结构包括3-8条加强筋8沿圆周方向均布，其截面呈直角梯形。相对实施例1中无加强筋的结构，加强筋能显著提高集磁器2内壁12的强度和刚度，从而确保磁脉冲成形和连接加工质量的一致性。

实施例3

如图8所示，集磁器2结构与实施例2相同。磁脉冲成形设备的输出输入端与线圈1的两个接线端相连，设备放电电压5.5kV，电容量720uF。集磁器2外径90mm，内径22mm，外壁长100mm，内壁长20mm，材料为紫铜。待加工管件6、被连接管件10、集磁器2和线圈1同轴对称放置，待加工管件6和被连接管件10的连接区与集磁器加工区4相对。待加工管件6为LF21-O，外径20mm，壁厚1.0mm。被连接管件10为20钢，外径16mm，壁厚2.0mm。在上述工艺条件下，根据前述工艺原理，在脉冲磁压力P作用下，待加工管件6产生高速径向缩径变形，与被连接管件10发生高速撞击，当撞击速度满足一定临界条件时，实现待加工管件6和被连接管件10之间的缩径变形连接。

实施例4

如图9所示，集磁器2的工作区4置于其外壁一端。按照实施例3，被连接管件10为三通或四通管接头，待加工管件6材料为紫铜，外径20mm，壁厚0.5mm。被连接管件10材料为紫铜，外径16mm，壁厚1.0～2.0mm。在设备放电电压15.0kV、电容量100μF的条件下，获得待加工件6和被连接件10的缩径连接接头。

实施例5

如图9所示，线圈1可以是单匝线圈，由高导电率块体金属直接加工而成。一般考虑到线圈1结构强度和整个加工系统R、L、C参数的匹配，单匝线圈1的横截面积和体积较大，要求与之配合的集磁器2的外壁11的半径R₀较大，使集磁器横截面积足够大，以满足结构高强度的要求。

Claims (8)

1.一种磁脉冲成形用集磁器结构，其特征是：集磁器纵截面结构呈“工”字型，由外壁、内壁和纵臂构成，外壁的外表面与线圈内表面相对，内壁的工作表面与待加工管件外表面相对，集磁器外壁和内壁通过纵臂相连；集磁器的内壁纵向长度小于外壁，一条纵缝把集磁器的内壁、外壁和纵臂剖开，纵缝内添加绝缘材料，以保证磁脉冲设备通过线圈放电时集磁器内壁、外壁脉冲电流通过时的绝缘强度。

2.根据权利要求1所述的集磁器结构，其特征是：在集磁器内壁、外壁与纵臂之间、沿圆周方向均匀分布3-8条加强筋，以增强集磁器工作区的结构强度。

3.根据权利要求1或2所述的集磁器结构，其特征是：集磁器由高强度、高导电率的金属材料加工而成，其材料为紫铜或高强铝合金或铍青铜材料。

4.根据权利要求1或2所述的集磁器结构，其特征是：集磁器的纵臂置于其纵轴中心的位置；或集磁器的纵臂置于外壁的端部。

5.根据权利要求1或2所述的集磁器结构，其特征是：置于集磁器(2)的外壁(11)外侧的线圈(1)的匝线为矩形截面的紫铜线，匝线矩形截面面积介于10～50mm²之间。

6.根据权利要求1或2所述的集磁器结构，其特征是：置于集磁器(2)的外壁(11)外侧的线圈(1)是单匝线圈，由高导电率块体金属直接加工而成。

7.根据权利要求1或2所述的集磁器结构，其特征是：集磁器(2)用于金属管件成形，或用于同种金属管件或异种金属管件的连接。

8.根据权利要求4所述的集磁器结构，其特征是：集磁器(2)用于金属管件成形，或用于同种金属管件或异种金属管件的连接。

Images