CN103406418B - 径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法及装置，主要包括产生感应涡流的涡流线圈、产生径向磁场的磁场线圈以及为涡流线圈和磁场线圈供电的电源系统。本发明实现了金属管件电磁成形过程中的径向与轴向同时加载，可调整电磁力的加载方式，满足不同的工件加工要求。本发明中的轴向压缩式管件电磁胀形，可有效减少管壁在胀形过程中的减薄量，提高成形工件的成形极限和成形性能。本发明提出的径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法，可为金属管件提供不同载荷形式下的高速变形实验条件，为材料高速变形机理研究提供新的实验手段。
Description
技术领域
本发明一种径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法及装置，用于金属管件的成形加工，属于金属成形制造领域。
背景技术
轻量化是航空航天、汽车工业等领域实现节能减排的重要技术手段。而实现轻量化的主要途径是采用轻质合金材料，高性能铝合金、钛合金、镁合金成为现代航空航天、汽车工业等实现轻量化的首选材料。然而，轻质合金材料在室温下成形塑性较低，局部拉延性差，容易产生裂纹，回弹较大，采用传统加工工艺进行加工效果并不理想。某航天用铝质方盒零件，采用拉深成形时，需要5次拉深，期间还需增加多次退火工艺以消除加工硬化；生产周期长、成本高，且成品率较低。电磁成形是一种高速率脉冲成形技术，能大幅改善金属材料成形性能，是解决轻质合金成形困难的有效手段之一。通过电容器电源对驱动线圈放电，在驱动线圈内产生一强脉冲电流，同时在金属管件（位于驱动线圈附近）中感应涡流；线圈电流和工件涡流之间的相互电磁力，驱动金属管件加速并发生塑性变形，进而实现对工件的成形加工。整个电磁成形过程为毫秒级，电磁能瞬间释放，工件成形速度一般超过300 m/s。与传统加工工艺相比，电磁成形具有两大优势：一是高应变率（103-105s-1），可提高材料塑性变形能力，使材料成形极限提高5-10倍；二是非接触施力，成形件表面质量高，仅需要单模具，能减少变形过程中的应力集中。
电磁成形按加工工件类型，主要分为板材电磁成形和管件电磁成形。现有金属管件电磁成形技术中，电磁力通常仅为径向电磁力方向，加载方式单一，不能满足不同加工要求的加载载荷；当金属管件电磁胀形时，管件因为变形，半径增大，管壁减薄，加工工件的成形性能降低；因为加载条件的限制，目前只能研究在单一加载载荷形式下的高速变形材料特性。如U. S. patent 6，047，582，线圈与金属管件的作用力主要为径向电磁力，金属管件以径向胀形为主；U.S. patent 7540180，通过引入电磁力集中器，以电磁成形对金属管件的作用力，其电磁力仍以径向电磁力为主导。
发明内容
本发明提供一种径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法及装置，可调整电磁力的加载方式，满足不同的工件加工要求。本发明中的轴向压缩式管件电磁胀形，可有效减少管壁在胀形过程中的减薄量，提高成形工件的成形极限和成形性能。本发明提出的径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法，可为金属管件提供不同载荷形式下的高速变形实验条件，为材料高速变形机理研究提供新的实验手段，以解决目前金属管件电磁成形因加载单一而引起的问题。
本发明采取的技术方案为：一种加工金属管件电磁成形方法，利用源电流在金属管件中产生感应涡流，同时在金属管件区域内产生径向磁场和轴向磁场，径向磁场与感应涡流相互作用产生轴向电磁力，轴向电磁力作用于金属管件，轴向磁场与感应涡流相互作用产生径向电磁力作用于金属管件，金属管件在轴向电磁力的作用下发生轴向变形，同时在径向电磁力的作用下发生径向变形。
上述方法包括以下四种不同类型的成形方法：
a、轴向压缩式管件电磁胀形：在金属管件轴向施加电磁压缩力和径向施加电磁胀力，
b、轴向压缩式管件电磁压缩：在金属管件轴向施加电磁压缩力和径向施加电磁压力；
c、轴向拉伸式管件电磁胀形：在金属管件轴向施加电磁拉伸力和径向施加电磁胀力；
d、轴向拉伸式管件电磁压缩：在金属管件轴向施加电磁拉伸力和径向施加电磁压力。
所述感应涡流和径向磁场的产生时间保持同步。
所述径向磁场与感应涡流相互作用产生的轴向电磁力是轴向压缩电磁力或轴向电磁拉伸力。
所述轴向电磁力可以只作用于金属管件的一端，或同时作用于金属管件的两端。
一种金属管件电磁加工装置，包括电源系统、固定安装的涡流线圈和磁场线圈，所述涡流线圈、磁场线圈连接电源系统，所述金属管件位于涡流线圈外部并固定，磁场线圈位于金属管件的端部，开启电源系统，所述涡流线圈、磁场线圈中产生源电流，源电流在金属管件中产生感应涡流，金属管件区域产生径向磁场和轴向磁场，感应涡流与径向磁场和轴向磁场相互作用，产生轴向电磁力和径向电磁力，驱动金属管件以轴向拉伸和径向压缩的方式发生变形。所述涡流线圈连接第一电源系统，所述两个磁场线圈连接第二电源系统。
一种金属管件电磁加工装置，包括电源系统、组合线圈，组合线圈连接电源系统，金属管件位于组合线圈外部并固定，开启电源系统，组合线圈中产生源电流，源电流在金属管件中产生感应涡流，金属管件区域产生径向磁场和轴向磁场，感应涡流与径向磁场和轴向磁场相互作用，产生轴向电磁力和径向电磁力，驱动金属管件以轴向压缩和径向膨胀的方式发生变形。
本发明一种径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法及装置，有益效果如下：
本发明提供了一种径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法，利用脉冲电流在金属管件中产生感应涡流，同时在金属管件区域内产生径向磁场和轴向磁场；径向磁场与感应涡流相互作用产生轴向电磁力作用于金属管件，轴向磁场与感应涡流相互作用产生径向电磁力作用于金属管件；金属管件在轴向电磁力的作用下发生轴向变形，同时在径向电磁力的作用下发生径向变形。
本发明还提供了实现上述方法的装置，主要包括产生感应涡流的涡流线圈、产生径向磁场的磁场线圈以及为涡流线圈和磁场线圈供电的电源系统。本发明实现了金属管件电磁成形过程中的径向与轴向同时加载，可调整电磁力的加载方式，满足不同的工件加工要求。
此外：本发明中的轴向压缩式管件电磁胀形，可有效减少管壁在胀形过程中的减薄量，提高成形工件的成形极限和成形性能。
本发明提出的径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法，可为金属管件提供不同载荷形式下的高速变形实验条件，为材料高速变形机理研究提供新的实验手段。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明工件两端同时加载的径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形装置示意图。
其中：图1（a）为工件两端同时加载的轴向压缩式金属管件电磁胀形装置示意图；
图1（b）为工件两端同时加载的轴向拉伸式金属管件电磁胀形装置示意图；
图1（c）为工件两端同时加载的轴向压缩式金属管件电磁压缩装置示意图；
图1（d）为工件两端同时加载的轴向拉伸式金属管件电磁压缩装置示意图。
图2为本发明工件一端加载的径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形装置示意图。
其中：图2（a）为工件一端加载的轴向压缩式金属管件电磁胀形装置示意图；
图2（b）为工件一端加载的轴向拉伸式金属管件电磁胀形装置示意图；
图2（c）为工件一端加载的轴向压缩式金属管件电磁压缩装置示意图；
图2（d）为工件一端加载的轴向拉伸式金属管件电磁压缩装置示意图。
图3为本发明涡流线圈与磁场线圈采用不同电源系统供电示意图。
其中：图3（a）为涡流线圈与磁场线圈采用同一电源系统串联供电示意图；
图3（b）为涡流线圈与磁场线圈采用同一电源系统并联供电示意图；
图3（c）为涡流线圈与磁场线圈采用不同电源系统单独供电示意图。
图4为本发明组合线圈示意图。
其中：图4（a）为用于工件一端加载的轴向压缩式金属管件电磁胀形的组合线圈示意图；
图4（b）为用于工件一端加载的轴向压缩式金属管件电磁压缩的组合线圈示意图。
其中：1为源电流；2为感应涡流；3为径向磁场；4为轴向电磁力；5为涡流线圈；6为磁场线圈；7为金属管件；8-1为第一电源系统；8-2为第二电源系统；9为组合线圈。
具体实施方式
一种加工金属管件电磁成形方法，利用源电流1在金属管件7中产生感应涡流2，同时在金属管件7区域内产生径向磁场3和轴向磁场。径向磁场3与感应涡流2相互作用产生轴向电磁力4作用于金属管件7，轴向磁场与感应涡流2相互作用产生径向电磁力作用于金属管件7。金属管件7在轴向电磁力4的作用下发生轴向变形，同时在径向电磁力的作用下发生径向变形。源电流1为脉冲源电流。
上述金属管件电磁成形方法包括以下四种不同类型的成形方法：
a、轴向压缩式管件电磁胀形：在金属管件7轴向施加电磁压缩力和径向施加电磁胀力，
b、轴向压缩式管件电磁压缩：在金属管件7轴向施加电磁压缩力和径向施加电磁压力；
c、轴向拉伸式管件电磁胀形：在金属管件7轴向施加电磁拉伸力和径向施加电磁胀力；
d、轴向拉伸式管件电磁压缩：在金属管件7轴向施加电磁拉伸力和径向施加电磁压力。
所述感应涡流2和径向磁场3的产生时间保持同步。
所述径向磁场3与感应涡流2相互作用产生的轴向电磁力4是轴向压缩电磁力或轴向电磁拉伸力。
所述轴向电磁力4可以只作用于金属管件7的一端，或同时作用于金属管件7的两端。
本发明一种径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形装置主要包括产生感应涡流2的涡流线圈5；产生径向磁场的磁场线圈6以及为涡流线圈5和磁场线圈6供电的第一电源系统8-1和第二电源系统8-2。第一电源系统8-1和第二电源系统8-2可在涡流线圈5和磁场线圈中6产生脉冲源电流，脉冲源电流在金属管件7中产生感应涡流2，同时在金属管件7区域内产生径向磁场3。
实施例1：
一种金属管件电磁加工装置，包括电源系统、固定安装的涡流线圈5和两个磁场线圈6，所述涡流线圈5、两个磁场线圈6连接电源系统，所述涡流线圈5位于两个磁场线圈6中间位置，金属管件7位于涡流线圈5外部并固定，两个磁场线圈6分别位于金属管件7的两个端部。开启电源系统，所述涡流线圈5、磁场线圈6中产生源电流1，源电流1在金属管件7中产生感应涡流2，金属管件7区域产生径向磁场3和轴向磁场，感应涡流2与径向磁场3和轴向磁场相互作用，产生轴向电磁力4和径向电磁力，驱动金属管件7以轴向拉伸和径向压缩的方式发生变形，完成金属管件7的加工。
涡流线圈5和磁场线圈6可以采用同一电源系统串联或并联供电，或采用不同电源系统分别供电。采用不同电源系统供电时，所述涡流线圈5连接第一电源系统8-1，所述两个磁场线圈6连接第二电源系统8-2。采用相应的控制系统，使得涡流线圈5产生的感应涡流2和磁场线圈6产生的径向磁场时间保持同步。
实施例2：
一种金属管件电磁加工装置，包括电源系统、组合线圈9，组合线圈9连接电源系统，金属管件7位于组合线圈9外部并固定，开启电源系统，组合线圈9中产生源电流1，源电流1在金属管件7中产生感应涡流2，金属管件7区域产生径向磁场3和轴向磁场，感应涡流2与径向磁场3和轴向磁场相互作用，产生轴向电磁力4和径向电磁力，驱动金属管件7以轴向压缩和径向膨胀的方式发生变形，完成金属管件7的加工。
实施例3：
金属管件7需整体胀形加工时，可以采用图1（a）所示的工件两端同时加载轴向压缩式管件电磁胀形装置或图1（b）所示的两端同时加载轴向拉伸式金属管件电磁胀形装置，在金属管件7两端同时加载轴向电磁力加工工件。
实施例4：
金属管件7只需一端胀形加工时，可以采用图2（a）所示的工件一端加载轴向压缩式金属管件电磁胀形装置或图2（b）所示的一端加载轴向拉伸式金属管件电磁胀形装置，在金属管件7一端加载轴向电磁力加工工件。
实施例5：
金属管件7需整体压缩加工时，可以采用图1（c）所示的工件两端同时加载轴向压缩式管件电磁压缩装置或图1（d）所示的两端同时加载轴向拉伸式金属管件电磁压缩装置，在金属管件7两端同时加载轴向电磁力加工工件。
实施例6：
金属管件7只需一端压缩加工时，可以采用图2（c）所示的工件一端加载轴向压缩式金属管件电磁压缩装置或图2（d）所示的一端加载轴向拉伸式金属管件电磁压缩装置，在金属管件7一端加载轴向电磁力加工工件。
Claims (4)
1.一种加工金属管件电磁成形方法，其特征在于，利用源电流（1）在金属管件（7）中产生感应涡流（2），同时在金属管件（7）区域内产生径向磁场（3）和轴向磁场，径向磁场（3）与感应涡流（2）相互作用产生轴向电磁力（4），轴向电磁力（4）作用于金属管件（7），轴向磁场与感应涡流（2）相互作用产生径向电磁力作用于金属管件（7），金属管件（7）在轴向电磁力（4）的作用下发生轴向变形，同时在径向电磁力的作用下发生径向变形；
包括以下四种不同类型的成形方法：
a、轴向压缩式管件电磁胀形：在金属管件（7）轴向施加电磁压缩力和径向施加电磁胀力，
b、轴向压缩式管件电磁压缩：在金属管件（7）轴向施加电磁压缩力和径向施加电磁压力；
c、轴向拉伸式管件电磁胀形：在金属管件（7）轴向施加电磁拉伸力和径向施加电磁胀力；
d、轴向拉伸式管件电磁压缩：在金属管件（7）轴向施加电磁拉伸力和径向施加电磁压力。
2.根据权利要求1所述的一种加工金属管件电磁成形方法，其特征在于，感应涡流（2）和径向磁场（3）的产生时间保持同步。
3.根据权利要求1所述的一种加工金属管件电磁成形方法，其特征在于，径向磁场（3）与感应涡流（2）相互作用产生的轴向电磁力（4）是轴向压缩电磁力或轴向电磁拉伸力。
4.根据权利要求1所述的一种加工金属管件电磁成形方法，其特征在于，所述轴向电磁力（4）只作用于金属管件（7）的一端；或者同时作用于金属管件（7）的两端。
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