CN106694681A - 一种金属管件的电磁成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属管件的电磁成形装置及方法，该装置包括：背景磁场单元，用于在金属管件上产生脉冲背景磁场，脉冲驱动磁场能够在金属管件上产生涡流，金属管件成形驱动线圈，用于在金属管件上产生脉冲驱动磁场。由于脉冲驱动磁场的脉冲宽度远远小于脉冲背景磁场的脉冲宽度，使得脉冲背景磁场在金属管件上产生的涡流可以忽略，同时使得脉冲驱动磁场对金属管件上磁场影响可以忽略，因此，由脉冲背景磁场和涡流相互作用，在金属管件上产生电磁力。通过单独调节脉冲背景磁场和脉冲驱动磁场可以实现增大电磁力，实现高机械强度和低导电率的金属管件成形，同时能够降低成形驱动线圈的设计难度，延长成形驱动线圈的寿命。

Description

一种金属管件的电磁成形装置及方法

技术领域

本发明属于金属管件成形领域，更具体地，涉及一种金属管件的电磁成形装置及方法。

背景技术

电磁成形是利用脉冲电磁力对金属坯料进行塑性加工的一种高能率、高速率特种加工方法，具有高速率、非接触的特点，能大幅提高高强度难成形材料的成形极限，简化模具制造、工艺灵活性和柔性高，加工精度高、残余应力和回弹小，容易实现能量控制和生产自动化。与常规成形方法相比，电磁成形技术具有以下主要优点：1、模具简单，降低生产成本；2、零件精度高，表面质量好；3、可以提高材料塑性变形能力，提高成形极限。因此，电磁成形已被用于多类金属管件加工成形。

专利文献CN103406418A中公开了一种径向与轴向加载式金属管件电磁成形方法及装置。然而现有的金属管件电磁成形方法存在的主要问题有：(1)目前电磁成形电源最大容量普遍为低于500kJ左右，所用晶闸管能耐压一般为25kV，长期使用能承受几十千安的电流，如要进一步提高成形能力，需要更大能量的电源，性能更加的开关器件，这将耗费巨大的投资且工程实现难度较高，因此目前电磁成形仅适用于导电性能好、机械强度较低的金属(如铜、铝合金)，且金属管件的管壁厚度一般小于3mm；(2)线圈与管件位置相对固定，管件胀形或缩径时，为了产生相应的电磁力，需要改变线圈与工件间的相对位置；(3)对于管件胀形来说，传统的方法中成形线圈必须置于金属管件内，通过给线圈通入脉冲强电流，在金属管件中感应出涡流，此涡流与线圈电流产生的磁场相互作用形成径向向外的电磁力，从而达到金属管件胀形目的，属于基于电磁排斥力的金属管件电磁成形。然而，当管件内径很小时，如采用传统的电磁成形方法来使此管件胀形，若采用多个子线圈绕制，涡流线圈的直径将非常小，导致线圈绕制困难；而若采用一个子线圈作为涡流线圈，由于线圈所能承受的能量有限，难以使管件胀形。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属管件的电磁成形装置及方法，其目的在于通过背景磁场单元和成形驱动线圈在金属管件内部产生径向向外的电磁力，由此解决高机械强度、低导电率和壁厚大的金属管件成形以及细管径的金属管件的成形。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属管件的电磁成形装置，包括：

背景磁场单元，用于在金属管件上形成沿金属管件轴向的脉冲背景磁场；

成形驱动线圈，用于当通入第一脉冲电流时在金属管件上形成沿金属管件轴向的脉冲驱动磁场，由脉冲驱动磁场在金属管件上产生涡流；脉冲背景磁场的脉冲宽度远远大于脉冲驱动磁场的脉冲宽度；

并由脉冲背景磁场与涡流相互作用在金属管件上形成电磁力，电磁力用于让金属管件膨胀变形。

由背景磁场单元在金属管件上产生脉冲背景磁场，由成形驱动线圈同时在金属管件管壁上产生脉冲驱动磁场，由于脉冲驱动磁场的脉冲宽度远远小于脉冲背景磁场的脉冲宽度，脉冲背景磁场在金属管件上产生的涡流可忽略不计，同时使得脉冲驱动磁场在金属管件上的磁场可以忽略不计，由脉冲背景磁场与成形驱动线圈产生的涡流相互作用，在金属管件上形成电磁力，电磁力让金属管件膨胀变形，由于可以通过单独增大脉冲背景磁场强度，或通过大幅增大脉冲背景磁场强度同时减少变涡流强度，实现增大电磁力，使金属管件膨胀变形，可以实现高机械强度、低导电率管件的胀形，也可以降低成形驱动线圈中电压强度以及受力强度。

进一步地，背景磁场单元为通有第二脉冲电流的线圈，线圈呈空芯柱状；成形驱动线圈呈空芯柱状；背景磁场单元套于成形模具外部，成形驱动线圈位于金属管件内部；且第一脉冲电流的通入成形驱动线圈的方向与第二脉冲电流的通入背景磁场线圈的方向相反。

进一步地，背景磁场单元为通有第二脉冲电流的线圈，线圈呈空芯柱状；成形驱动线圈呈空芯柱状；背景磁场单元位于成形驱动线圈的外部，成形驱动线圈位于成形模具的外部，且第一脉冲电流的通入成形驱动线圈的方向与第二脉冲电流的通入背景磁场线圈的方向相反。

进一步地，脉冲驱动磁场的触发时刻位于脉冲背景磁场的峰值时刻。

进一步地，脉冲背景磁场的脉宽大于10ms，且脉冲驱动磁场的脉宽小于1ms。

涡流的大小取决于磁场的变化率，脉宽小的脉冲磁场变化率大，因此感应涡流也大；磁场强度的大小取决于等效电流大小，因此，当脉冲背景磁场的脉宽大于10ms，且脉冲驱动磁场的脉宽小于1ms，相对于脉冲驱动磁场产生的涡流，由脉冲背景磁场产生的涡流可以忽略不计，相对于脉冲背景磁场在金属管件上产生的磁场，脉冲驱动磁场在金属管件上产生的磁场可以忽略不计。

作为本发明的另一方面，还提供了一种金属管件的电磁成形方法，包括如下步骤：

S1.在金属管件上产生沿金属管件轴向的脉冲背景磁场；在金属管件上产生沿金属管件轴向的脉冲驱动磁场，脉冲驱动磁场产生涡流；脉冲背景磁场的脉冲宽度远远大于脉冲驱动磁场；

S2.由脉冲背景磁场与涡流相互作用在金属管件上形成电磁力，电磁力用于让金属管件膨胀变形。

进一步地，脉冲背景磁场的峰值时刻为脉冲驱动磁场的触发时刻。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于引入了背景磁场单元，能够取得下列有益效果：

(1)通过引入长脉宽或稳态的脉冲背景磁场，并由脉冲背景磁场和通过脉冲驱动磁场而产生的涡流共同作用产生电磁力，通过增大脉冲背景磁场的强度或增大脉冲背景磁场强度同时减少驱动成形线圈产生涡流的强度，可以有效提升工件在变形过程中的电磁力，从而可对导电性能较差、厚度较大及强度较高的金属进行成形；也能够降低成形驱动线圈中所需承受的放电电压、电流及受力水平，简化了成形驱动线圈的结构设计，提高了成形线圈的使用寿命。

(2)通过将背景磁场线圈和成形驱动线圈置于金属管件的外部，由背景磁场单元提供背景磁场，成形驱动线圈在金属管件管壁上产生涡流，通过采用两套独立的电源系统，可通过调节各自电压大小及施加方向来改变脉冲背景磁场和脉冲驱动磁场的相对大小和方向，实现改变金属管件上磁场和涡流的相对大小和方向，为在小管径的金属管件和成形驱动线圈间产生吸引力提供了有效途径，可用于实现小管径的金属管件吸引式成形。

附图说明

图1为本发明提供的金属管件的电磁成形装置的第一实施例结构示意图；

图2为本发明提供的金属管件的电磁成形装置的第一实施例中金属管件上磁场、涡流以及电磁力方向的示意图；

图3为本发明提供的金属管件的电磁成形装置的第一实施例中背景磁场线圈和成形驱动线圈的轴向磁场(中心区域)时序配合示意图；

图4为本发明提供的金属管件的电磁成形装置的第二实施例结构示意图；

图5为本发明提供的金属管件的电磁成形装置的第一实施例中金属管件上磁场、涡流以及电磁力方向的示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-成形驱动线圈，2-背景磁场线圈，3-成形模具，4-金属管件，5-第二电源单元，7-第一电容、8-第一开关、9-第一续流二极管，6-第一电源单元10-第二电容、11-第二开关、12-第二续流二极管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

第一实施例

图1为本发明提供的金属管件的电磁成形装置的第一实施例，电磁成形装置用于对复合管电磁成形，复合管由金属管件4与成形模具3组成。金属管件4为铜镍合金无缝管，其导电率和塑形差，金属管件的内径为46.6mm，壁厚为4.2mm。成形模具3为无缝钢管，成形模具的内径为57.8，壁厚为2.6mm。成形模具3套于金属管件4的外部，成形模具3用于约束金属管件4成形过程中的形状，最终使金属管件4与成形模具3紧密贴合，制成复合管，复合管外表面为钢管，复合管内表面为铜镍合金管。

电磁成形装置包括成形驱动线圈1，呈空芯柱状，位于金属管件4内部；背景磁场线圈2呈空芯柱状，位于成形模具3外部。将成形驱动线圈1接入由第一电容7、第一开关8和第一续流二极管9组成的第一电源单元5，第一电容7与第一续流二极管9并联，成形驱动线圈1与第一续流二极管9并联，第一开关8连于第一电容7与第一续流二极管之间，通过闭合第一开关8使第一电容7与成形驱动线圈1之间进行充放电，让成形驱动线圈1中通入第一交变电流，由第一续流二极管9将第一交变电流波形进行调节为方向不变的第一脉冲电流；由于通入第一脉冲电流，成形驱动线圈2在金属管件4上产生沿金属管件轴向的脉冲驱动磁场，为了得到脉冲宽度小于1ms的脉冲驱动磁场，成形驱动线圈1的电感选择在几十微亨级，第一电容7的容值选择为几百微法级，这样可以使金属管件4中感应更大的涡流，本实施例中涡流强度高至250kA。

将背景磁场线圈2接入第二电源单元，第二电源单元由第二电容10、第二开关11和第二续流二极管12组成，第二电源单元的结构同第一电源单元结构相同，背景磁场线圈2接入第二电源单元方向与成形驱动线圈1接入第一电源单元的方向不同，导致背景磁场线圈2所通入的第二脉冲电流方向与成形驱动线圈1所通入的第一脉冲电流方向不同，由于通入第二脉冲电流，背景磁场线圈2在金属管件4上产生沿金属管件轴向的脉冲背景磁场，为了得到脉冲宽度大于10ms的脉冲背景磁场，背景磁场线圈2的电感为几毫亨，第二电容10为几毫法，可以避免由脉冲背景磁场在金属管件中感应的反向涡流过大而抵消由成形驱动线圈产生的涡流，同时脉冲宽度大于10ms可以提高磁场穿透成形模具3的能力，使得金属管件4的轴向脉冲背景磁场更大，本实施例中脉冲背景磁场的强度为5T。

如图2所示，背景磁场线圈2中通入的第二脉冲电流方向与成形驱动线圈1中通入的第一脉冲电流方向相反，又由于金属管件4位于成形驱动线圈4和背景磁场线圈2之间，金属管壁的脉冲背景磁场方向和金属管壁上产生的脉冲驱动磁场方向一致。且由于第二脉冲电流脉宽大于10ms，第一脉冲电流宽度小于1ms，使得脉冲背景磁场强度远大于脉冲驱动磁场，可以忽略脉冲驱动磁场的对磁场强度的影响。同理，由脉冲驱动磁场产生的涡流远大于脉冲背景磁场产生的涡流，可以忽略由脉冲背景磁场产生的涡流对金属管件上涡流的影响。金属管件上脉冲背景磁场和成形驱动线圈产生涡流相互作用，产生远离金属管件中心的电磁力，实现金属管件向成形模具贴合。

由背景磁场线圈2提供脉冲背景磁场和由成形驱动线圈1提供涡流之间作用产生电磁力。即实现脉冲背景磁场和涡流之间的解耦，可以通过仅增大脉冲背景磁场强度而不增大涡流强度实现增大电磁力的效果，甚至可以降低涡流强度并且大幅提高脉冲背景强度实现增大电磁力的效果。实现对机械强度高、导电性能差的金属管件成形，提高了成形驱动线圈的使用寿命以及设计复杂度。

当第一脉冲电流的触发时刻位于第二脉冲电流的峰值时刻时，成形驱动线圈1与背景磁场线圈2的轴向磁场时序配合如图3所示。图3中显示的磁场方向是以各自线圈中心区域的磁场方向作为参考点，因此两线圈在中心区域产生的磁场方向是相反的。该轴向磁场时序配合下，脉冲背景磁场强度最强，且脉冲驱动磁场变化率高，产生的涡流强度大，电磁力最大。

上述背景磁场线圈2可以替换为永磁体、电磁体或水冷磁体，永磁体、电磁体或水冷磁体为金属管件提供恒定背景磁场，由恒定背景磁场和金属管件中涡流作用，产生电磁力，实现金属管件胀形。

第二实施例

图4为本发明提供的金属管件的电磁成形装置的第二实施例，电磁成形装置用于将金属管件4加工至成形模具3内腔形状，金属管件4位于成形模具3内部。电磁成形装置包括背景磁场线圈2和成形驱动线圈1，成形驱动线圈1与背景磁场线圈2均呈空芯柱状，背景磁场线圈2套于成形驱动线圈1外部，成形驱动线圈1套于成形模具3外部，通过上下端部夹具13固定，使金属管件4、成形模具3、成形驱动线圈1以及背景磁场线圈2同轴。成形驱动线圈1中通入脉冲周期小于1ms的第一脉冲电流，背景磁场线圈2中通入脉冲周期为大于10ms的第二脉冲电流，且第一脉冲电流的通入成形驱动线圈的方向与第二脉冲电流的通入背景磁场线圈的方向相反。

如图5所示，由于第一脉冲电流的通入成形驱动线圈的方向与第二脉冲电流的通入背景磁场线圈的方向相反，且成形驱动线圈以及背景磁场线圈均位于成形模具的外部，故成形驱动线圈1的在金属管件管壁上产生的脉冲背景磁场与由背景磁场线圈在待成形管壁上产生的脉冲驱动磁场方向相反，与第一实施例中原理相同，由脉冲背景磁场决定金属管件中磁场强度，由成形驱动线圈在金属管件中产生的涡流决定金属管件中涡流强度。金属管件上脉冲背景磁场和成形驱动线圈产生涡流相互作用，产生远离金属管件中心的电磁力，实现金属管件加工至成形模具内腔形状。

本发明提供的第二实施例中，由于成形驱动线圈以及背景磁场线圈均位于金属管件外部，且能够使金属管件膨胀变形，避免现有技术中将成形驱动线圈至于金属管件内部，限制金属管件膨胀变形的最小内径，能够实现小内径的待成形管径的成形。

按照本发明的另一方面，还提供了金属管件的电磁成形方法的第一实施例，包括以下步骤：

S1.将成形模具以及背景磁场线圈依次套于成形驱动线圈外，金属管件位于成形模具内；

S2.第一电源单元与背景磁场线圈构成闭合回路，通过对背景磁场线圈充放电，在金属管件的轴向产生脉冲背景磁场；

S3.第二电源单元与成形磁场线圈构成闭合回路，通过对成形磁场线圈充放电，在金属管件的轴向产生脉冲驱动磁场；脉冲驱动磁场在金属管件上形成涡流；且脉冲背景磁场的脉冲宽度远远大于脉冲驱动磁场的脉冲宽度。优选地，当脉冲背景磁场处于峰值时，第二电源单元与成形磁场线圈构成的回路闭合，成形磁场线圈产生脉冲成形磁场。

S4.在脉冲背景磁场和感应涡流的共同作用下，金属管件中产生沿电磁力，电磁力让金属管件膨胀变形。

本发明提供的金属管件的电磁成形方法，通过在金属管件上产生脉冲宽度大的脉冲背景磁场，通过在金属管件上产生脉宽度小的脉冲驱动磁场，由脉冲驱动磁场产生涡流，且脉冲驱动磁场的脉冲宽度远远小于脉冲背景磁场的脉冲宽度，使得脉冲背景磁场在金属管件上产生涡流可以忽略不计，脉冲驱动磁场在金属管件上产生的磁场可以忽略不计，即实现脉冲背景磁场与涡流的解耦，由脉冲背景磁场和脉冲驱动磁场产生的涡流相互作用产生成形力，通过增大脉冲背景磁场的强度或通过大幅增大脉冲背景磁场的强度同时减少涡流的强度，可以有效增大电磁力，实现高机械强度和低导电率的金属管件成形，同时对产生脉冲驱动磁场的器件要求更低。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种金属管件的电磁成形装置，用于将金属管件加工至成形模具的形状，所述金属管件套于成形模具内部，其特征在于，包括：

背景磁场单元(2)，用于在所述金属管件上形成沿所述金属管件轴向的脉冲背景磁场；

成形驱动线圈(1)，用于当通入第一脉冲电流时在金属管件上形成沿所述金属管件轴向的脉冲驱动磁场，由脉冲驱动磁场在金属管件上产生涡流；所述脉冲背景磁场的脉冲宽度远远大于脉冲驱动磁场的脉冲宽度；

并由所述脉冲背景磁场与所述涡流相互作用在金属管件上形成电磁力，电磁力用于让金属管件膨胀变形。

2.根据权利要求1所述的电磁成形装置，其特征在于，所述背景磁场单元为通有第二脉冲电流的线圈，线圈呈空芯柱状；所述成形驱动线圈呈空芯柱状；所述背景磁场单元套于所述成形模具外部，所述成形驱动线圈位于所述金属管件内部；且第一脉冲电流的通入成形驱动线圈的方向与第二脉冲电流的通入背景磁场线圈的方向相反。

3.根据权利要求1所述的电磁成形装置，其特征在于，所述背景磁场单元为通有第二脉冲电流的线圈，线圈呈空芯柱状；所述背景磁场单元位于成形驱动线圈的外部，所述成形驱动线圈位于成形模具的外部，且第一脉冲电流的通入成形驱动线圈的方向与第二脉冲电流的通入背景磁场线圈的方向相反。

4.根据权利要求1至3任一项所述的电磁成形装置，其特征在于，所述脉冲驱动磁场的触发时刻位于所述脉冲背景磁场的峰值时刻。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电磁成形装置，其特征在于，所述脉冲背景磁场的脉宽大于10ms；且所述脉冲驱动磁场的脉宽小于1ms。

6.一种如权利要求1所述的电磁成形装置的电磁成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.在金属管件上产生沿金属管件轴向的脉冲背景磁场；

在金属管件上产生沿金属管件轴向的脉冲驱动磁场，所述脉冲驱动磁场产生涡流；所述脉冲背景磁场的脉冲宽度远远大于脉冲驱动磁场的脉冲宽度；

S2.由所述脉冲背景磁场与所述涡流相互作用在金属管件上形成电磁力，电磁力用于让金属管件膨胀变形。

7.根据权利要求5所示的电磁成形方法，其特征在于，所述脉冲背景磁场的峰值时刻为所述脉冲驱动磁场的触发时刻。