CN105013960A - 基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置与方法 - Google Patents

Abstract

基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置与方法，为解决现有管材缩径成形通常采用单层磁脉冲线圈成形，难以承受大批量生产条件下因频繁充放电操作产生的高强冲击载荷和焦耳热疲劳作用的问题。装置：集磁器沿轴线设有工作区域孔，集磁器沿径向设有纵缝，绝缘套筒套装在集磁器上，集磁器和绝缘套筒的组件设置在比特线圈内，集磁器与比特线圈同轴设置，上绝缘板和下绝缘板分别设置在比特线圈的两端，磁脉冲成形机的正极通过连接线与比特线圈的正极端连接，磁脉冲成形机的负极通过连接线与比特线圈的负极端连接。方法：一、安装铝合金管材；二、安装芯模；三、通过磁脉冲成形铝合金管材；四、卸荷；五、拆除芯模，获得缩径管件。本发明可用于管材成形。

Description

基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置与方法

技术领域

本发明属于金属管件塑性成形制造领域，本发明涉及一种以铝合金、镁合金为代表的轻质管材的缩径成形装置与方法，具体涉及一种基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置与方法。

背景技术

绿色环保、低功耗、低污染的加工工艺是当今制造业可持续发展所必须遵循的原则，因此，结构和材料轻量化是成形制造技术必须的发展途径。以铝合金为代表的轻质合金具有强度高、重量轻、抗腐蚀性好等优点，其成形件同时具备结构和材料轻量化特征。因此，在航空航天、新型汽车等先进制造领域，越来越多的高强度铝合金结构件得到应用，如铝合金管被用于航空航天飞行器的油、气管路。其中，多种异形管件，如锥形变径接头、局部缩径管、侧面塌陷管，以及在管壁上带阵列孔的异形管等(见图5、6、7、8)，是航空航天飞行器上常用到的轻量化管形结构件形式。

对于上述异形管件，常用软模(如聚氨酯或流体介质)进行缩径成形，有时还需要在缩径管件的侧壁上进行钢模或软模冲孔。但是，由于铝合金材料弹性模量低、抗塑性失稳能力差，因此，常规缩径成形极限很小，需要多套模具、多道次缩径成形，且成形道次间要退火处理以恢复塑性。对于侧壁带阵列孔的缩径管件，即使能够在最后一道次实现管壁冲孔，但是仍存在冲孔变形不均匀、尺寸精度和形状精度低、冲孔边缘毛刺大等问题。磁脉冲成形能显著提高变形材料成形极限，抑制管材缩径变形失稳，同时可把缩径和管壁冲孔集中到一道工序中。但是，常用磁脉冲成形用线圈为单层多匝结构形式，单层磁脉冲线圈结构强度和刚度较低、散热能力较差，因此，单层磁脉冲线圈难以承受大批量生产条件下因频繁充放电操作产生的高强冲击载荷和焦耳热疲劳作用。

发明内容

本发明为解决现有管材缩径成形通常采用单层磁脉冲线圈成形存在的问题，如单层磁脉冲线圈结构强度和刚度较低、散热能力较差，难以承受大批量生产条件下因频繁充放电操作产生的高强冲击载荷和焦耳热疲劳作用等问题，提出一种基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置与方法。

本发明的装置：基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置包括磁脉冲成形机、连接线、比特线圈、上绝缘板、下绝缘板、集磁器和绝缘套筒，集磁器沿轴线设有工作区域孔，集 磁器的上、下端面分别设有上锥面和下锥面，集磁器沿径向设有纵缝，绝缘套筒套装在集磁器上，集磁器和绝缘套筒的组件设置在比特线圈内，集磁器与比特线圈同轴设置，上绝缘板和下绝缘板分别设置在比特线圈的两端，通过连接元件将上绝缘板和下绝缘板与比特线圈固定连接，磁脉冲成形机的正极通过连接线与比特线圈的正极端连接，磁脉冲成形机的负极通过连接线与比特线圈的负极端连接。

本发明的方法：基于比特线圈的管材磁脉缩径成形方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、安装铝合金管材：将铝合金管材置于集磁器的工作区域孔中，并将铝合金管材的待成形区与集磁器的工作区域孔相对，同时铝合金管材的非成形段通过工装定位；

步骤二、安装芯模：把芯模置于铝合金管材的内腔，位置与待成形区相对；

步骤三、通过磁脉冲成形铝合金管材：控制磁脉冲成形机，通过外电网对磁脉冲成形机中储能单元充电，当磁脉冲成形机被充电到设定电压后，通过比特线圈放电，放电回路为RLC回路，通过比特线圈的脉冲电流具有瞬时衰减震荡的特性，2～3个周期即衰减震荡完毕，通过比特线圈的脉冲大电流必然在集磁器外壁表层产生感应电流，此感应电流沿集磁器外壁表层和纵缝流入到工作区域孔并形成回路，由此，流过集磁器工作区域的感应电流会产生变化的磁场，该磁场在置于工作区域内的铝合金管材的外表层产生感应电流，此感应电流和被约束在集磁器的工作区域与铝合金管材间隙内的磁场相互作用，产生沿径向向内的、作用于铝合金管材待成形区的脉冲磁场力，在脉冲磁场力作用下，铝合金管材的待成形区产生径向向内的高速率运动和变形，直到与芯模冲击接触，实现缩径变形；

步骤四、卸荷：缩径成形加工完毕，磁脉冲成形机安全接地卸荷；

步骤五、取出缩径成形铝合金管件，拆除芯模，获得缩径管件。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、比特线圈具有结构强度高、瞬态脉冲磁场强的特点，频繁充放电操作不会产生高强冲击载荷和焦耳热疲劳作用；通过柱状集磁器将释放的磁场能量转化为管件缩径动能和变形能，使管件实现多种形式的缩径变形，以及在缩径变形同时实现冲孔，只需一道次即可获得成形零件，因此，本发明能够胜任大批量生产。

二、本发明相对于目前匝线外涂装绝缘材料的单层匝线螺线管线圈结构，比特线圈结构简单，可通过拆装改变线圈结构，同时结构强度高、散热能力强。

三、本发明提出的磁脉冲缩径成形方法能显著提高铝合金管材稳定塑性变形极限，在保证管件不产生失稳起皱的情况下，只需一道次即可获得成形零件。

四、只需依照冲孔制件设计凹模，不需要考虑传统冲裁模具的间隙与装配精度，冲孔 件精度高。

五、由于仅采用单面模具，因此管件外表面无摩擦作用，能够保证管件表面原本形貌，无划痕。

六、采用缩径-冲孔复合工艺，可以同时完成缩径、冲孔过程，简化工序。

七、用本发明提出的缩径成形方法，还可用于同种或异种金属管的缩径变形连接和装配。

附图说明

图1是本发明的整体结构剖视图；

图2是图1的A-A截面视图；

图3是集磁器(6)的俯视图；

图4是图3的B-B截面视图；

图5是铝合金管材9(中部一侧面均匀缩径)的结构示意图；

图6是图5的C-C截面视图；

图7是铝合金管材9(管端缩径)的结构示意图；

图8是铝合金管材9(管端缩径-冲孔)的结构示意图；

图9是利用本发明的装置进行管端缩径的状态图；

图10是利用本发明的装置进行管端缩径-冲孔的状态图；

图11是线圈匝片3-1的结构示意图；

图12是连接片3-2的结构示意图；

图13是绝缘片3-3的结构示意图；

图14是数个线圈匝片3-1连接原理图；

图15是利用本发明的装置及方法进行缩径-冲孔复合加工后获得的铝合金管材效果图；

图16是利用本发明的装置及方法进行单侧塌陷缩径成形后获得的铝合金管材效果图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图4明本实施方式，本实施方式的装置包括磁脉冲成形机1、连接线2、比特线圈3、上绝缘板4、下绝缘板5、集磁器6和绝缘套筒7，集磁器6沿轴线设有工作区域孔6-1，集磁器6的上、下端面分别设有上锥面6-2和下锥面6-3，集磁器6沿径向设有纵缝6-4，绝缘套筒7套装在集磁器6上，集磁器6和绝缘套筒7的 组件设置在比特线圈3内，集磁器6与比特线圈3同轴设置，上绝缘板4和下绝缘板5分别设置在比特线圈3的两端，通过连接元件将上绝缘板4和下绝缘板5与比特线圈3固定连接，磁脉冲成形机1的正极通过连接线2与比特线圈3的正极端连接，磁脉冲成形机1的负极通过连接线2与比特线圈3的负极端连接。

比特线圈3又称叠片线圈，叠片线圈为现有技术，叠片线圈包括数个圆环状金属片(每个圆环状金属片即为线圈的一匝)、数个扇形紫铜薄板(每个扇形紫铜薄板即为线圈的一匝连接片3-2和数个绝缘片3-3，见图11、图12和图13，每个连接片3-2由高强度、高导电率合金机械加工而成扇形，该扇形角度为35°，线圈匝片3-1上具有扇形缺口3-1-1，该扇形缺口3-1-1的角度为20°，见图11，数个线圈匝片3-1叠加且扇形缺口3-1-1依次错开45°设置，见图14，数个连接片3-2叠加且依次错开45°设置，数个叠加的线圈匝片3-1和数个叠加的连接片3-2中一个线圈匝片3-1、一个连接片3-2、一个线圈匝片3-1、一个连接片3-2依次首尾相接串联在一起形成一个螺线管式的线圈结构，相邻的线圈匝片3-1之间设置一个绝缘片3-3，绝缘片缺口角度为45°，绝缘片3-3的厚度与连接片3-2的厚度相等，见图11和图12，连接片3-2与绝缘片3-3在平面上形成一个与线圈匝片3-1相当的环形结构。即连接片3-2用于串联线圈匝片3-1导通大电流，而绝缘片3-3用于实现相邻匝片其他部位的有效绝缘。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式的纵缝6-4的宽度S为0.3mm～1mm。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式的纵缝6-4的宽度S为0.5mm。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式的纵缝6-4的宽度S为0.75mm。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：结合图1～图6说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：

步骤一、安装铝合金管材9：将铝合金管材9置于集磁器6的工作区域孔6-1中，并将铝合金管材9的待成形区9-1与集磁器6的工作区域孔6-1相对，同时铝合金管材9的非成形段通过工装定位；

步骤二、安装芯模8：把芯模8置于铝合金管材9的内腔，位置与待成形区9-1相对；

步骤三、通过磁脉冲成形铝合金管材9：控制磁脉冲成形机1，通过外电网对磁脉冲成形机1中储能单元充电，当磁脉冲成形机1被充电到设定电压后，通过比特线圈3放电， 放电回路为RLC回路，通过比特线圈3的脉冲电流具有瞬时衰减震荡的特性，2～3个周期即衰减震荡完毕，通过比特线圈3的脉冲大电流必然在集磁器6外壁表层产生感应电流，此感应电流沿集磁器6外壁表层和纵缝6-4流入到工作区域孔6-1并形成回路，由此，流过集磁器6工作区域的感应电流会产生变化的磁场，该磁场在置于工作区域内的铝合金管材9的外表层产生感应电流，此感应电流和被约束在集磁器6的工作区域与铝合金管材9间隙内的磁场相互作用，产生沿径向向内的、作用于铝合金管材9待成形区9-1的脉冲磁场力，在脉冲磁场力作用下，铝合金管材9的待成形区9-1产生径向向内的高速率运动和变形，直到与芯模8冲击接触，实现缩径变形；

步骤四、卸荷：缩径成形加工完毕，磁脉冲成形机1安全接地卸荷；

步骤五、取出缩径成形铝合金管件9，拆除芯模8，获得缩径管件。

当铝合金管材9的直径足够大时(大于50mm)，可拆除集磁器6，通过比特线圈3与铝合金管材9直接作用，不需采用集磁器6。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的芯模8为金属棒或管材，可实现管与管或管与棒之间的连接和装配。其它步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤三中的比特线圈3的外表面与空气直接接触。比特线圈3的外表面不需要涂装绝缘材料，可以与环境空气直接换热，再考虑到比特线圈匝片截面尺寸和体积远大于常规单层磁脉冲线圈，因此，比特线圈3的结构强度和散热能力高，能够胜任批量生产条件下磁脉冲成形加工任务。其它步骤与具体实施方式五相同。

本发明的应用实例：

实例1：缩径-冲孔复合加工 

铝合金管材牌号5A02，外径30mm、管壁厚度1mm、管件缩径区轴向长度30mm，在缩径变形区上布置3个圆孔，见图8，直径均为10mm。缩径变形区外端直径25mm。比特线圈3的内径95mm、外径190mm，总长度157mm。集磁器6的长度133mm，外径93mm，工作区内径30.5mm，工作区长度30mm，纵缝宽0.5mm。磁脉冲成形机1的额定电压和放电能量分别为20kV和20kJ。在放电电压15.3kV条件下，一次放电实现缩径冲孔成形。非冲孔部分贴模均匀，冲落部分与管件完全分离，毛刺小且均匀，获得所需零件变形均匀、尺寸精度高，见图15。

实例2：单侧塌陷缩径成形

铝合金管材牌号5A03，管壁厚1mm、外径30mm、侧面垂直塌陷8mm，允许高度正 负偏差0.2mm，无明显起皱现象。变形区两侧通过30度斜面与非变形区过度。所用比特线圈3、集磁器6和磁脉冲成形机1的条件同实例1。通过中间1次17.3kV放电，获得了垂直塌陷7.9-8mm的缩径变形结果，塌陷处没有起皱发生，见图16。

Claims (7)

1.一种基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置，其特征在于：所述装置包括磁脉冲成形机(1)、连接线(2)、比特线圈(3)、上绝缘板(4)、下绝缘板(5)、集磁器(6)和绝缘套筒(7)，集磁器(6)沿轴线设有工作区域孔(6-1)，集磁器(6)的上、下端面分别设有上锥面(6-2)和下锥面(6-3)，集磁器(6)沿径向设有纵缝(6-4)，绝缘套筒(7)套装在集磁器(6)上，集磁器(6)和绝缘套筒(7)的组件设置在比特线圈(3)内，集磁器(6)与比特线圈(3)同轴设置，上绝缘板(4)和下绝缘板(5)分别设置在比特线圈(3)的两端，通过连接元件将上绝缘板(4)和下绝缘板(5)与比特线圈(3)固定连接，磁脉冲成形机(1)的正极通过连接线(2)与比特线圈(3)的正极端连接，磁脉冲成形机(1)的负极通过连接线(2)与比特线圈(3)的负极端连接。

2.根据权利要求1所述的基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置，其特征在于：所述纵缝(6-4)的宽度S为0.3mm～1mm。

3.根据权利要求2所述的基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置，其特征在于：所述纵缝(6-4)的宽度S为0.5mm。

4.根据权利要求2所述的基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置，其特征在于：所述纵缝(6-4)的宽度S为0.75mm。

5.一种利用权利要求1或2所述的装置实现基于比特线圈的管材磁脉缩径成形方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、安装铝合金管材(9)：将铝合金管材(9)置于集磁器(6)的工作区域孔(6-1)中，并将铝合金管材(9)的待成形区(9-1)与集磁器(6)的工作区域孔(6-1)相对，同时铝合金管材(9)的非成形段通过工装定位；

步骤二、安装芯模(8)：把芯模(8)置于铝合金管材(9)的内腔，位置与待成形区(9-1)相对；

步骤三、通过磁脉冲成形铝合金管材(9)：控制磁脉冲成形机(1)，通过外电网对磁脉冲成形机(1)中储能单元充电，当磁脉冲成形机(1)被充电到设定电压后，通过比特线圈(3)放电，放电回路为RLC回路，通过比特线圈(3)的脉冲电流具有瞬时衰减震荡的特性，2～3个周期即衰减震荡完毕，通过比特线圈(3)的脉冲大电流必然在集磁器(6)外壁表层产生感应电流，此感应电流沿集磁器(6)外壁表层和纵缝(6-4)流入到工作区域孔(6-1)并形成回路，由此，流过集磁器(6)工作区域的感应电流会产生变化的磁场，该磁场在置于工作区域内的铝合金管材(9)的外表层产生感应电流，此感应电流和被约束在集磁器(6)的工作区域与铝合金管材(9)间隙内的磁场相互作用，产生沿径向向内的、作用于铝合金管材(9)待成形区(9-1)的脉冲磁场力，在脉冲磁场力作用下，铝合金管材(9)的待成形区(9-1)产生径向向内的高速率运动和变形，直到与芯模(8)冲击接触，实现缩径变形；

步骤四、卸荷：缩径成形加工完毕，磁脉冲成形机(1)安全接地卸荷；

步骤五、取出缩径成形铝合金管件(9)，拆除芯模(8)，获得缩径管件。

6.根据权利要求5所述的基于比特线圈的管材磁脉缩径成形方法，其特征在于：步骤二中的芯模(8)为金属棒或管材。

7.根据权利要求5所述的基于比特线圈的管材磁脉缩径成形方法，其特征在于：步骤三中的比特线圈(3)的外表面与空气直接接触。