CN105873693B - 将金属环固定在框架中的方法及由该方法得到的感应线圈 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将金属环(4)在不同金属的框架(2)的孔(3)中的方法，其中：‑借助于高能量成形使环(4)镶嵌在孔(3)中，所述高能量成形适用于使环的外表面以一个速度抵靠所述孔(3)，所述速度能够将全部杂质从环与框架之间的界面赶出；‑在一段时长期间将环(4)与框架(2)之间的界面加热到一个温度，所述一段时长和所述一个温度根据环和框架的各自材料确定，以得到在环的外表面与孔之间的扩散焊接。本发明还涉及一种借助于所述方法制造的用于磁成形的单圈线圈。

Description

将金属环固定在框架中的方法及由该方法得到的感应线圈
技术领域
本发明涉及一种将金属环固定在框架中的方法，特别是涉及该方法在制造用于磁成形的线圈以及制造滑动轴承上的应用。本发明还涉及一种通过该方法得到的用于磁成形的感应线圈。
背景技术
例如从文件BE582117已知的磁脉冲磁成形或焊接技术能够加工金属，甚至是借助于由机械磁力施加的变形来焊接金属，所述机械磁力由拉普拉斯力与在磁场突变的作用下在金属零件中生成的感应电流之间的相互作用而产生。这些技术最频繁的使用中的一个涉及例如在管状零件上的形成缩口，如在瓶颈上镶嵌罩或者将同心的两个管焊接在一起。在这种方法中，使用感应线圈、优选地单圈感应线圈，在所述感应线圈的内部放置要变形的零件并且将由输送高功率的发生器(例如马克思发生器)提供的电流脉冲供给线圈。
然而注意到被施加在要变形的零件上的径向力引起线圈上用于使所述线圈向外变形的反应，甚至当该反应超过线圈材料的弹性极限时损坏所述线圈。因此建议制造完全由钢制成的线圈(由于钢的导电性不好，该解决方法并不令人满意)、或者由铜制成的笨重线圈(价格昂贵)、又或将由铜或导电性较好的其它材料制成的导电圈与由刚性材料(例如钢)制成的支撑框架组合的线圈。
例如从文件US6,137,094已知一种双材料线圈，在该双材料线圈中由铍青铜制成的导电圈借助于由多个螺钉的拧紧而被固定在由钢制成的框架中，所述多个螺钉与圈和框架的平面正交。导电圈的供电通过与由钢制成的框架连成一体的连接接线端来执行。可发现由于在圈与框架之间以及在拧紧点之间的剩余空隙位置处存在电损失，这种线圈快速损失效率。此外，该剩余空隙的存在引起了在框架与圈之间的电弧的形成，所述电弧严重损坏了框架与圈之间的电流传递特征。而且，组装圈/框架的机械复杂性使该装置从效率方面看极贵。
发明内容
因此本发明旨在提供一种能够将导电圈固定在由不同材料形成的框架中的方法，该方法不具有现有技术的缺点。
本发明还旨在提供一种方法，该方法既不限制于导电圈在框架中的固定，还可涉及由任意金属制成的环在框架中的固定，例如用于制成滑动轴承。
本发明还旨在提供一种方法，该方法能够解决在电要求、机械要求、经济要求之间抵触且对立的约束，例如使用强导电性材料的需求，所述约束通常为在需刚性和经济的组装中具有延性(ductile)并且贵。
本发明还旨在提供一种实施起来经济的方法。
本发明还旨在提供一种适用于被使用在磁成形方法中的感应线圈，该感应线圈具有无论是关于寿命时长还是关于所达到的磁场的增加性能。
本发明还旨在提供一种可靠且持久的感应线圈，该感应线圈可在磨损或者改变应用的情况下被简单再调整(reconditionneur)。
为此，本发明涉及一种将金属环固定在不同金属的框架中的方法，其中：
-在与框架的边缘隔有距离处实施孔，所述孔穿过框架的厚度并且具有预定的内直径；
-将金属环插入到孔中，所述金属环的外直径对应于孔的内直径并且宽度小于或等于框架的厚度；
-借助于高能量成形使环镶嵌在孔中，所述高能量成形适用于使环的外表面以大于15m/s的变形速度抵靠所述孔，所述变形速度能够将全部杂质从环与框架之间的界面赶出；
-在一段时长期间将环与框架之间的界面加热到一个温度，所述一段时长和所述一个温度根据环和框架的各自材料确定，以得到在环的外表面与孔之间的扩散焊接(soudure par diffusion)。
在全文中，通过“高能量成形”来表示能够使金属零件在模上或者在另一个零件上以大于15m/s的变形速度产生塑性变形的所有方法。该变形生成极其大于零件弹性极限的应力，并且所述应力沿零件的厚度被主要引导成与零件的表面正交。该约束减小了由零件在模中变形引起的与表面平行的纵向应力。该纵向应力的减小能够补偿纵向弹性回程(retour)。从此，任选的弹性回程沿零件的厚度方向执行并且仅在停止施加应力时引起极小的变形。同样，通过“扩散焊接”来表示在通过原子固相的彼此相互扩散得到的两块材料之间的组装，即使材料不同，扩散软焊这一术语预留用于其中在两块材料的界面处形成液相变形的组装。
由于将通过高能量成形使环镶嵌在框架孔中的镶嵌与通过环的材料在框架孔的材料中扩散的扩散焊接组合的方法，可在异质的两块材料之间得到连续的接缝(joint)，所述接缝不具有在环与孔之间的空隙并且能够确保框架与环之间具有完美的电连续性。环还可通过允许插入的间隙而用手初始装配在孔中，因此带有不可忽略的框架/环的空隙。当环定位在孔中时，实施高能量成形，例如扩张式磁成形，通过在环的内部基本同轴地放置扩张式磁成形线圈，所述扩张式磁成形线圈使用极高的能量在环上生成径向力，所述径向力引起环的变形，所述变形能够使环的外表面以极大变形速度(特别是大于15m/s的速度)贴到所述孔的内表面上。从此，环的外表面在孔的内表面上的搭接速度即在这两个表面之间存在的空气被赶出以形成射流的速度，所述射流带动可能存在于这些表面上的所有杂质和所有污染物。这样得到的接缝具有在环的材料与孔的材料之间的密切接触，并且该接触在环与孔之间的整个接触表面上。由于该接触极其紧密，将装配在孔中的环适当加热到在环材料的熔化温度的50％至90％之间的一个温度引起环材料的原子在孔材料中的扩散，从而因此形成几乎完美的焊接接缝。因此，尽管材料不同，仍得到环在框架中的固定，所述固定不具有能够损坏框架与环之间的电流传递特征的任何孔隙(interstice)或任何空隙。
有利地并且根据本发明，高能量成形从磁成形方法、电液成形方法或者爆炸成形方法中选择。这三种方法在能量传递方面基本等效并且能够使环以高速度(尤其大于15m/s)的变形，所述变形能够确保环的外表面与孔的内表面之间的密切接触，并且该接触允许之后在这两个表面之间的扩散焊接。例如，可通过使用大约10至100KJ的用于磁成形的能量或者大于100KJ的用于电液成形的能量来得到这些变形速度。
有利地并且根据本发明，环与框架之间的界面的加热通过感应来实施。考虑到加热速率和所允许的能量的经济性，感应加热为优选的方法。由于该方法，通过焦耳效应而在环中和在框架中特别在这两块材料的界面处发热，通过根据材料和要加热的零件的形状选择频率和电磁场的值。当然，其它加热方法可被使用但付出较长的加热时长(为了铜/钢的扩散，与用于感应加热的几十秒比较，在均衡约束下和在传统真空下加热需用几小时)。
有利地并且根据本发明，所述方法被应用于制造用于磁成形的感应线圈，其特征在于，使用由导电性大于30.106S.m-1的金属制成的环和由杨氏模量大于200GPa的刚性材料制成的框架。在制造用于磁成形的线圈的情况下，形成导电圈的环需由允许极强电流(大约几十甚至是数百的千安培)传导的材料制成。然而，具有这种导电性的材料通常抵抗力较小并且当材料未靠着足够坚固的框架时可被在磁成形时的力损坏。
有利地并且根据本发明，使用由铜制成的厚度在2至10毫米之间、优选地在2至5毫米之间的环和由钢制成的框架。因此，在磁成形的线圈具有的内直径小于大约50毫米的情况下，考虑到穿过环的电流脉冲的时长，宽度为5至10毫米并且厚度为几毫米的环为足够的。实际上，在该情况下，电流在导体的周边流动(趋肤效应)，并且较大的厚度不具有所追求的效率/成本比例。
有利地并且根据本发明，切割穿过环和框架的径向缝隙(fente)，以限定从所述缝隙的一侧到另一侧的环绕所述环的电路。为了将镶嵌在框架中的环转变成导电圈，环及其框架根据由于锯痕的径向缝隙(例如通过线锯对于50毫米的圈直径设置大约2毫米的缝隙)而为断开的。由于环在框架中镶嵌与焊接的组合，该缝隙的实施不引起如同对于单独镶嵌的情况的环分离。
本发明还涉及一种单圈感应线圈，所述单圈感应线圈尤其用于磁成形，所述单圈感应线圈包括：
-杨氏模量大于200GPa的材料的刚性框架，所述框架包括中心孔；
-由导电性大于30.106S.m-1的导电材料制成的圈，所述圈镶嵌并且扩散焊接在所述中心孔的内部；
-径向缝隙，所述径向缝隙穿过框架并且限定圈的端部。
特别是，线圈包括由铜制成的圈，所述圈通过高能量成形而镶嵌并且扩散焊接在由钢制成的框架中，所述圈的开端和末端由缝隙的侧面限定，所述缝隙从中心孔的中心开始划分框架直至其中一个边缘。线圈还具有的优点在于，在由铜制成的圈的外表面与设置在框架中孔的内壁之间具有完美的电连续性，这能够避免在框架与由铜制成的圈之间电弧。
有利地并且根据本发明，框架包括在缝隙的每侧的固定支撑部，所述固定支撑部与框架电连接并且适用于与电流脉冲发生器的接线端联接。这些固定支撑部与框架的平面正交地延展并且包括固定孔，所述固定孔能够使固定支撑部紧固在支撑件上，以避免被施加在线圈和框架上的力使缝隙趋向扩大。此外，固定支撑部包括与电流脉冲发生器的接线端连接的连接部件。电流因此在线圈中流动，所述电流从其中一个固定支撑部输入，经过由钢制成的框架的与该固定支撑部连接的部分，然后在由铜制成的圈中流动直至在缝隙的另一侧的另一个框架端部，并且从另一个固定支撑部回到发生器。电流在铜圈中的流动生成强度较强的可变磁场，所述可变磁场能够在放置在圈中心的导电零件上施加收缩力。
有利地并且根据本发明，每个固定支撑部分别在缝隙的一侧和另一侧与一部分框架焊接。为了改善固定支撑部与框架之间的导电性，支撑部例如通过自熔焊接(soudureautogène)而直接焊接在框架上。
本发明还涉及一种将环固定在框架中的方法以及一种通过全部或部分地组合上文或下文提到的特征来构成特征的单圈线圈。
附图说明
通过阅读下文的说明和附图，本发明的其它目的、特征和优点将更加清楚，在附图中：
-图1示出了根据本发明的方法的步骤；
-图2为通过本发明的方法得到的磁成形线圈的透视图；以及
-图3为通过本发明的方法得到的磁成形线圈的剖视图。
具体实施方式
在下文的说明中，参考图1来描述所述方法的步骤，并且参考图2和图3来识别零件。
在步骤101(图1)中，准备金属框架2，优选地由钢制成的框架，在图2和图3上所示的示例中为高为大约150毫米、长为200毫米并且厚20为毫米的钢板。当然，框架2不必须为矩形形状而还可采用圆形、半圆形或者其它形状。在该步骤中，实施孔3，所述孔的轴线与框架2的主表面正交并且所述孔基本在板中心。框架2和孔3的尺寸根据将要安装在框架中以用于之后形成感应线圈的环的尺寸进行选择。在所述示例中，所实施的孔的直径为大约60毫米。
在准备框架的同时，在步骤102中准备圆柱形的由铜或导电性较高(例如大于30.106Sm-1)的其它材料(如金、银、铝、铍等)制成的环4。环4的外直径对应于孔3的直径，安排例如几十分之一或者几百分之一毫米的正间隙，所述正间隙能够使环插入到孔中，而无需使用压力机或者能够损坏孔表面状态或损坏环外表面的其它工具。环4的宽度与框架2的厚度大约尺寸相同。可设置使环的宽度小于框架的厚度，以设置使环的侧面与孔的边缘之间脱接，从而例如之后由任选的工具定中心又或限定比框架厚度更窄的成形区域。
如下文将看到的，环4的壁的厚度根据能够走完所述环的电流的强度而大约在2至10毫米之间、优选地在2至5毫米之间。
在步骤103中，将环4插入到孔3中。在该阶段中，环4通过摩擦而支撑在孔中。因此将框架和环安装在高能量成形仪器中，例如通过将磁成形线圈安装在环4的内部以将环镶嵌在孔中的扩张式磁成形仪器。因此在该线圈上施加电流脉冲，所述电流脉冲的特征根据材料属性和零件尺寸来构建。
作为示例，为了将厚度为5毫米并且外直径为60毫米的由铜制成的环镶嵌在设置在由钢制成的框架中的60毫米的孔中，使用被供应电脉冲的线圈，所述电脉冲在20kV下在大约50微秒的时长期间产生大约40kJ的能量。在该情况下，铜环以可达到200m/s的速度变形并且在环/孔界面产生大约40MPa的压强。
可选地，其它高能量成形技术可被使用，例如电液成形技术，在所述电液成形技术中，框架和环被布置在充满水的池中，并且电极(所述电极放置在环的中心附近)之间的极高能量的放电生成冲击波，所述冲击波径向延伸并且使环的外表面抵靠所述孔的壁。同样，爆炸成形技术也可被使用。
在所有情况下，当成形时，环4以大于或等于15m/s的速度径向变形并且其外表面抵靠所述孔的壁。以该速度，保留在环与孔之间的剩余空气以射流的形式被赶出，所述射流带动可能存在于两个表面之间的任选的杂质或者污染物(污染、氧化物等)。而且，环和框架的相面对的两个表面发生极度(intense)的塑性变形，所述塑性变形产生接触表面的一系列微波，所述一系列微波因此允许在两个表面之间的密切接触。
在步骤104中，在环的外表面与孔的内壁之间实施扩散焊接。由于紧密接触并且由于在上一步骤过程中得到的在环的外表面与孔内壁之间的剩余压缩应力，实施环的材料与框架的材料这两块材料之间的初始界面，所述初始界面能够实施这两块材料的原子的彼此扩散焊接。为了该目标，将该界面加热到较高的温度(大约到存在的材料的熔化温度50％至90％)。例如，在由铜制成的环在由钢制成的框架中的情况下，目标为在界面位置处在几十秒至几分钟的时长期间达到大约800℃的温度。
为此，设置铜/钢界面的感应加热，同时将能够生成可变电磁场的电磁线圈引入到环4的内部。在环的金属中特别是在孔附近生成的傅科电流造成温度在接缝位置处上升，所述接缝允许环的原子向孔扩散并且允许孔的原子向环扩散。该步骤操作条件的参数可通过观察扩散的深度(大约一至几微米)而被检验和调节。
从步骤104中，因此得到通过镶嵌和焊接而双重固定在框架中的环。
然而，在实施用于磁成形的线圈的特殊情况下，需在线圈的内部实现电流路径，并因此将固定在框架中的环转变成线圈的圈5.
为此，在步骤105中，例如通过锯实施径向缝隙10，所述缝隙从环4的内部开始并且完全穿过框架2，以造成在缝隙两侧的电的不连续性。由此，从缝隙10的一侧输入并且从另一侧输出的电流必须取道环绕孔和环4而由此形成圈5的路径。在上面所例举的示例中，在环的外直径为60毫米的情况下，设置宽为大约2毫米的缝隙。
注意到这种缝隙10的实施仅由于在步骤104中实施的扩散焊接而为可能的，还可通过步骤103的镶嵌使扩散焊接为可能的。事实上，由于不存在该焊接，不平衡性可能由缝隙10在存在径向应力的情况下引起，所述径向应力被施加在环4与孔之间并且引起环与孔之间的断连。(甚至是部分的)这种断连因此生成一个或者几个在框架2与圈5之间的空隙，因此损失了线圈的效率和可靠性。
为了完成磁成形的线圈1的实施，在步骤106中实施一系列的加工，例如在框架2中实施锪孔11(所述锪孔与环4并且与孔3同心)以及两个固定孔9，所述两个固定孔能够使要成形的零件的引导工具相对于线圈1定中心和固定。
同样，在步骤107中，将缝隙10两侧的支撑部6固定在框架2上。这些支撑部可通过任何方式来固定，但优选地通过自熔焊接12而焊接在框架上，以保证支撑部与圈5的每侧之间的导电性。
支撑部6还包括能够将线圈1固定在磁成形托盘(未示出)上的紧固孔7，以限制用于在磁成形操作时分开支撑部并且使缝隙10扩大的力的传递，当所述磁成形操作中线圈1被使用。同样，支撑部6包括在缝隙10两侧并且在框架2背面上的凹槽8，所述凹槽适用于接收连接接线端，所述连接接线端使线圈1与脉冲发生器的电极连接。
线圈1最后完成于步骤108，在该步骤的过程中在缝隙10的壁之间安装绝缘片，以避免电路两个端部之间的任选电弧。绝缘片优选地为合成材料片(尤其由聚丙烯制成)，所述合成材料片的介电特征适用于所使用的电流脉冲。另外不排除绝缘片通过对线圈1进行包覆成型来实施。
当然，105至108的操作序列不必须按这个顺序来实施。因此，可优选地在实施缝隙10之前使唯一的支撑部焊接在框架上，所述缝隙因此延伸穿过该支撑部，并且可优选地在实施缝隙10之前实施步骤106的加工。
当然，限定了用于将环固定在框架中的方法的操作101至104可被用于制造不同于磁成形线圈的其它物品。例如，将金属环固定在不同金属的框架中的方法可被用于制造旋转轴承(例如连杆轴套或者其它应用)。

Claims (11)

1.一种将金属环(4)固定在不同金属的框架(2)中的方法，其中：
-在与框架(2)的边缘隔有距离处实施孔(3)，所述孔穿过框架的厚度并且具有预定的内直径；
-将金属环(4)插入到孔(3)中，所述金属环的外直径对应于孔的内直径并且宽度小于或等于框架(2)的厚度；
-借助于高能量成形使环(4)镶嵌在孔中，所述高能量成形适用于使环的外表面以大于15m/s的变形速度抵靠所述孔(3)，所述变形速度能够将全部杂质从环与框架之间的界面赶出；
-在一段时长期间将环(4)与框架(2)之间的界面加热到一个温度，所述一段时长和所述一个温度根据环和框架的各自材料确定，以得到在环的外表面与孔之间的扩散焊接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，高能量成形从磁成形方法、电液成形方法或者爆炸成形方法中选择。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，环(4)与框架(2)之间的界面的加热通过感应来实施。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法被应用于制造用于磁成形的感应线圈，其特征在于，使用由导电性大于30.106S.m-1的金属制成的环和由杨氏模量大于200GPa的刚性材料制成的框架。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使用由铜制成的厚度在2至10毫米之间的环。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使用由铜制成的厚度在在2至5毫米之间的环。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，使用由钢制成的框架。
8.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，切割穿过环(4)和框架(2)的径向缝隙(10)，以限定从所述缝隙的一侧到另一侧的环绕所述环的电路。
9.一种单圈感应线圈(1)，所述单圈感应线圈尤其用于磁成形，所述单圈感应线圈包括：
-杨氏模量大于200GPa的材料的刚性框架(2)，所述框架包括中心孔(3)；
-由导电性大于30.106S.m-1的导电材料制成的圈(5)，所述圈借助于高能量成形镶嵌并且扩散焊接在所述中心孔的内部，所述高能量成形适用于使圈的外表面以大于15m/s的变形速度抵靠所述中心孔，所述变形速度能够将全部杂质从圈与框架之间的界面赶出；
-径向缝隙(10)，所述径向缝隙穿过框架(2)并且限定圈(5)的端部。
10.根据权利要求9所述的线圈，其特征在于，框架包括在缝隙(10)的每侧的固定支撑部(6)，所述固定支撑部与框架电连接并且适用于与电流脉冲发生器的接线端联接。
11.根据权利要求10所述的线圈，其特征在于，每个固定支撑部(6)分别在缝隙(10)的一侧和另一侧与一部分框架焊接。
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