CN106944527B - 一种基于电磁吸引力的管件成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于电磁吸引力的管件成形装置及方法，金属管件的端部固定，在金属管件成形区域外部套加螺线管成形线圈并固定，螺线管成形线圈与金属管件之间存在成形间隙，所述螺线管成形线圈连接放电电路。放电电路用于在所述螺线管成形线圈内施加一个宽脉宽脉冲电流，在该宽脉宽脉冲电流峰值处再施加一个窄脉宽电流，使得合成的电流拥有较缓的上升沿和较陡的下降沿。金属管件在合成电流上升沿时受到排斥力的作用，在合成电流下降沿时受到吸引力的作用，吸引力远大于排斥力；金属管件的成形区域向置于金属管件外部的螺线管成形线圈方向运动。本发明可以改变现有的电磁力作用方式，打破现有技术局限，扩大管件电磁成形的应用范围,以适应不同加工工件的需求。
Description
技术领域
本发明属于金属成形制造领域，特别涉及一种基于电磁吸引力的管件成形装置及方法，主要用于金属管件的成形加工。
背景技术
电磁成形是一种高能率、高速率的脉冲成形技术，相较于准静态成形有成形速度快、成形质量高、能有效的改善坯料的成形能力、清洁无污染等显著优点。所以，在航天、航空、汽车等制造业的轻量化进程中有举足轻重的作用。其中，钛合金、铝合金、镁合金等轻质合金为轻量化的首选材料。但这些轻质合金在室温下的成形塑性差，传统的成形方法容易出现起皱和回弹；甚至受合金自身的拉延性限制，局部位置会产生裂纹。而电磁成形技术可以在室温下显著提高上述合金的成形能力，能节约大量的生产成本。
现有的电磁成形技术是通过脉冲电源放电，使得在成形线圈中流入一强脉冲电流，在线圈周围空间产生一个脉冲磁场，进而使得坯料中产生感应涡流；成形线圈中的脉冲电流与金属坯料中的感应涡流方向相反，相互受到排斥力的作用。该排斥力驱动坯料向远离成形线圈的方向的运动，从而发生塑性变形实现坯料的成形加工。金属坯料在成形过程中变形时间短，与成形线圈没有接触；使得成形后的皮料表面质量高。
现有的管件电磁成形技术中，电磁力的作用方式主要为排斥力，作用方式单一；同时，当微小管件有胀形需求时，由于电磁力的作用方式为排斥力，很难绕制可置于管件内的线圈，使得其应用场景受限。此外，在异种金属管件复合中，在内管为高导电率金属管件的情况下，现有的方法虽可实现管件复合，但是成形质量差，成形位置不稳定；还会受到管件长度的制约。
现有的电磁成形根据坯料的形状主要分为板件成形和管件成形两类；其中管件又以设备工装简单，能量利用率高而广泛应用。但现有的管件成形仍受到坯料和线圈尺寸的限制，针对小管件的胀形成形困难，使得其应用场景受限。
发明内容
针对现有的小管件成形技术难点，为了扩大金属管件电磁成形的应用范围，本发明提供一种基于电磁吸引力的管件成形装置及方法，可以改变现有的电磁力作用方式，打破现有技术局限，扩大管件电磁成形的应用范围,以适应不同加工工件的需求。
本发明采取的技术方案为：
一种基于电磁吸引力的管件成形装置，金属管件的端部固定，在金属管件成形区域外部套加螺线管成形线圈并固定，螺线管成形线圈与金属管件之间存在成形间隙，所述螺线管成形线圈连接放电电路。放电电路用于在所述螺线管成形线圈内施加一个宽脉宽脉冲电流，在该宽脉宽脉冲电流峰值处再施加一个窄脉宽电流，使得合成的电流拥有较缓的上升沿和较陡的下降沿。金属管件在合成电流上升沿时受到排斥力的作用，在合成电流下降沿时受到吸引力的作用，吸引力远大于排斥力；金属管件的成形区域向置于金属管件外部的螺线管成形线圈方向运动。
所述金属管件端部采用机械结构或液压结构固定；金属管件成形区域外部套加螺线管成形线圈采用机械结构或液压结构固定。
所述金属管件内部设有管内模具，管内模具尽可能的填充金属管件的内部空间，管内模具用来限制所述金属管件在受到排斥力时，向远离螺线管成形线圈的方向运动。
所述金属管件为铝合金管件、镁合金管件、或者表面喷涂高导电率涂层的钛合金管件。
所述螺线管成形线圈设置在管外模具的凹腔内。
所述螺线管成形线圈与所述金属管件之间设置集磁器，集磁器为镀铜或镀银的开环不锈钢，开环不锈钢上有1mm的间隙，且截面为梯形。
所述管内模具为圆柱形模具。
所述管外模具为现有的电磁成形管件胀形模具。
一种基于电磁吸引力的管件成形方法，金属管件的端部固定，在金属管件成形区域外部套加螺线管成形线圈并固定，螺线管成形线圈与金属管件之间存在成形间隙，所述螺线管成形线圈连接放电电路。在螺线管成形线圈内施加一个宽脉宽脉冲电流，在该宽脉宽脉冲电流峰值处再施加一个窄脉宽电流，使得合成的电流拥有较缓的上升沿和较陡的下降沿，以此方式，金属管件在合成电流上升沿时受到排斥力的作用，在合成电流下降沿时受到吸引力的作用；该吸引力远大于排斥力；金属管件在整个成形过程中，主要受到电磁吸引力的作用，电磁吸引力使得金属管件成形区域向置于金属管件外部的螺线管成形线圈方向运动，从而实现与传统金属管件胀形方法一样的胀形效果。
本发明一种基于电磁吸引力的管件成形装置及方法，技术效果如下：
1、本发明改变了在金属管件胀形中电磁力的作用方式，提高了线圈的利用效率，降低了生产成本。
2、本发明中的成形线圈，在引入集磁器后，可实现通用形，即不同尺寸的金属管件可以采用同一套成形线圈实现胀形。
3、本发明特别适用于小金属管件的胀形，解决了小金属管件胀形难度大的问题。小金属管件为直径50mm以下的金属管件。
附图说明
图1为含集磁器和管内模具的金属管件胀形装置示意图。
图2为含管外模具和管内模具的金属管件胀形装置示意图。
图3为含集磁器的金属管件胀形装置示意图。
图4为金属管件胀形装置示意图。
图5为含管内模具的金属管件胀形装置示意图。
图6为放电电流波形示意图。
上述图中：1-放电电路；2-螺线管成形线圈；3-金属管件；4-集磁器；5-管内模具；6-管外模具；7-高导电率涂层。
具体实施方式
本发明提供了一种基于电磁吸引力的管件成形装置及方法，具体技术方案如下：
一种基于电磁吸引力的管件成形装置，金属管件3端部采用机械结构或液压结构固定。在所述金属管件3待成形区域套加螺线管成形线圈2，并采用机械结构或液压结构固定，使其留有一定的成形间隙。
机械结构或液压结构固定方式如下：
金属管件3外壁与螺线管成形线圈2内壁之间放置有定位环，使两者同轴，并使螺线管成形线圈2的中心区域与金属管壁3的待成形区域对齐。同时，利用液压机在端部约束整体装置，防止装置在轴向方向上发生晃动。
在所述螺线管成形线圈2内施加一个宽脉宽脉冲电流，在该宽脉宽脉冲电流峰值处再施加一个窄脉宽电流，使得合成的电流拥有较缓的上升沿和较陡的下降沿。以此方式，金属管件3在合成电流上升沿时受到排斥力的作用，在合成电流下降沿时受到吸引力的作用；该吸引力远大于排斥力，换言之，金属管件3在整个成形过程中，主要受到电磁吸引力的作用。电磁吸引力使得金属管件3成形区域向置于金属管件3外部的螺线管成形线圈2方向运动，从而实现与传统金属管件胀形方法一样的胀形效果。传统金属管件胀形方法为：螺线管成形线圈2置于金属管件3内部。
作为进一步优选地，在金属管件3内部可放置一个圆柱形模具，该圆柱形模具应尽可能的填充金属管件3的内部空间。用此模具来限制金属管件3在受到排斥力时向远离螺线管成形线圈2的方向运动，从而使得吸引力的作用效率增加。
作为进一步优选地，所述金属管件3优选为铝合金、镁合金、可针对但不限于钛合金这类导电率较低的轻质合金外表面喷涂高导电率涂层7，以此来增大金属管件3中感应涡流的电流密度，从而增加最终的成形效果。
作为进一步优选地，可在现有的电磁成形管件胀形模具的凹腔内设置螺线管成形线圈2，以此实现有模的管件胀形成形。
作为进一步优选地，可在螺线管成形线圈2与金属管件3之间设置集磁器4，该集磁器4为镀铜或镀银的开环不锈钢，开环不锈钢上有1mm的间隙，且截面为梯形。以此可通过集磁器4将螺线管成形线圈2产生的非均匀磁场集中于特定成形区域，进一步增加金属管件3的最终成形效果。
作为进一步优选地，可设置不同尺寸的集磁器4，在不改变螺线管成形线圈2尺寸的情况下来实现不同尺寸金属管件3的胀形需求。
由于电磁力的大小随距离的增大呈平方反比衰减，因此，若金属管件3的直径减小，而螺线管成形线圈2尺寸不变，金属管件3外壁与螺线管成形线圈2之间的距离将增大，其受到的电磁力将大大降低，影响成形效果。因此，传统电磁成形工艺中，通常是针对一个尺寸的管件就需要配备一套线圈，而引入集磁器4之后，集磁器4的内径与金属管件3匹配，外径与螺线管成形线圈2内径匹配，根据不同直径的管件，配备相应的不同内径的集磁器4即可，无需更换螺线管成形线圈2。而集磁器4加工难度与成本都远远小于螺线管线圈。
请参照图1和图2，本发明提供一种基于电磁吸引力的管件胀形方法，其具体实施方案如下：
一种基于电磁吸引力的管件成形方法，将螺线管成形线圈2、金属管件3、集磁器4、管内模具5按图1所示结构组装，在放电电路1中电容C1、电容C2已充电完毕，闭合开关S1，在螺线管成形线圈2中将会产生一个宽脉宽脉冲电流I1，在脉冲电流上升沿时，金属管件3中也产生一个与放电电流方向相反的感应涡流，金属管件3因此受到一个远离螺线管成形线圈2的排斥力的作用；由于，管内模具5紧贴金属管件3，从而会限制金属管件3的变形；在脉冲电流I1达到峰值时，闭合开关S2，在螺线管成形线圈2中会产生一个与I1方向相反的窄脉宽电流I2，I1与I2合成的脉冲电流I3的下降沿较陡，金属管件3中感应涡流反向，即与脉冲电流I3的方向一致，此时，金属管件3受到吸引力的作用，向指向螺线管成形线圈2的方向发生变形，从而实现胀形；
将管外模具6、金属管件3、管内模具5按图2所示结构组装，其中螺线管成形线圈2置于管外模具6中，此时，控制放电电路1按上述放电顺序放电，金属管件3最终受到电磁吸引力的作用，发生胀形，进入凹模，实现金属管件3的有模成形。
Claims (1)
1.采用一种基于电磁吸引力的管件成形装置的管件成形方法，其特征在于：包括一种基于电磁吸引力的管件成形装置，所述管件成形装置包括螺线管成形线圈（2），金属管件（3）的端部固定，在金属管件（3）成形区域外部套加螺线管成形线圈（2）并固定，螺线管成形线圈（2）与金属管件（3）之间存在成形间隙，所述螺线管成形线圈（2）连接放电电路（1）；放电电路（1）用于在所述螺线管成形线圈（2）内施加一个宽脉宽脉冲电流，在该宽脉宽脉冲电流峰值处再施加一个窄脉宽电流，使得合成的电流拥有较缓的上升沿和较陡的下降沿；金属管件（3）在合成电流上升沿时受到排斥力的作用，在合成电流下降沿时受到吸引力的作用，吸引力远大于排斥力；
金属管件（3）内部设有管内模具（5），管内模具（5）尽可能的填充金属管件（3）的内部空间，所述螺线管成形线圈（2）设置在管外模具（6）的凹腔内，管内模具（5）用来限制所述金属管件（3）在受到排斥力时，向远离螺线管成形线圈（2）的方向运动；
采用上述管件成形装置的管件成形方法包括以下步骤：
步骤1：将螺线管成形线圈（2）、管外模具（6）、金属管件（3）、管内模具（5）组装；
步骤2：在放电电路（1）中电容C1、电容C2已充电完毕，闭合开关S1，在螺线管成形线圈（2）中将会产生一个宽脉宽脉冲电流I1，在脉冲电流上升沿时，金属管件（3）中也产生一个与放电电流方向相反的感应涡流，金属管件（3）因此受到一个远离螺线管成形线圈（2）的排斥力的作用；
步骤3：由于管内模具（5）紧贴金属管件（3），从而会限制金属管件（3）的变形；在脉冲电流I1达到峰值时，闭合开关S2，在螺线管成形线圈（2）中会产生一个与I1方向相反的窄脉宽电流I2，I1与I2合成的脉冲电流I3的下降沿较陡，金属管件（3）中感应涡流反向，即与脉冲电流I3的方向一致，此时，金属管件（3）受到吸引力的作用，发生胀形，进入管外模具（6）的凹腔，实现金属管件（3）的有模成形；
该成形方法适用于小金属管件的胀形，小金属管件为直径50mm以下的金属管件。
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