CN107413916B - 一种管材电磁胀形成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料塑性加工领域，并公开了一种管材电磁胀形成形装置，包括脉冲放电电路、模具组件及非等匝间距螺旋管线圈，所述非等匝间距螺旋管线圈与所述脉冲放电电路相连，所述模具组件包括成形模具，所述成形模具设有成形内孔，所述成形内孔具有大端和小端；所述非等匝间距螺旋管线圈置于所述成形模具的成形内孔中，其包括成形线圈，所述成形线圈靠近所述成形内孔小端的一端为导线密绕部，该成形线圈的另一端为导线疏绕部，所述导线密绕部的匝间距小于所述导线疏绕部的匝间距。本发明通过电磁胀形，并在惯性牵引和模具约束的同时作用下，实现材料由下向上依次成形。因此，这种成形力场需求与非等匝间距螺旋线圈的电磁力场分布规律相一致。

Description

一种管材电磁胀形成形装置及方法

技术领域

本发明属于金属材料塑性加工领域，更具体地，涉及一种管材电磁胀形成形装置及方法。

背景技术

随着我国船舶舰艇、航空航天、汽车制造的迅猛发展，用于焊接直径不同管材的变径管结构件的需求越来越多，同时，对变径管的尺寸精度和表面质量的要求也越来越严苛。目前，变径管主要采用液压冷成形的方法进行生产，但该工艺所存在的主要问题是：管材与模具之间的摩擦难以控制。这导致成形后的变径管表面质量较差，存在压痕、划伤及波浪感，甚至出现裂纹、起皱和夹渣等缺陷。所以，寻求变径管成形的新方法及研发相应成形装备已经迫在眉睫。

电磁成形是利用洛伦兹力使金属材料发生高速率塑性变形的成形方法，具有回弹小、表面质量好和成形极限高等特点，是未来制造业的先进技术之一。成形时电能在极短时间里转化为高压冲击波，以脉冲形式作用在金属材料上，使金属材料瞬间获得极高的变形速度，随后在惯性力作用下发生高速率塑性变形。惯性作用是电磁成形最主要的特点，在材料成形过程中充分考虑并利用惯性作用，可以使成形效果事半功倍。该技术主要应用于航空航天、船舶舰艇、武器装备和汽车制造等领域，具体在管材的塑性加工，尤其是胀管工艺上应用较多，所以，在变径管的塑性成形上具有极大优势。

电磁成形装置主要由放电线圈、控制电路、电容器组和电阻元件等结构组成，其中放电线圈是将电能转化为磁场能，进而转化为机械能的关键装置，是电磁成形装置的核心部件，直接影响着电磁成形力的输出。目前，变径管电磁成形工艺所采用的放电线圈均为多匝密绕的内置等匝间距螺线管线圈。该线圈在闭合开关后，产生变化的磁场，在管材周向感应出闭合的涡流，涡流在磁场中受到洛伦兹力的作用，使管材沿径向远离放电线圈发生变形，在外部模具的作用下，实现电磁变径管成形。但由于该线圈各匝之间的间距相等，线圈产生的电磁力沿轴向分布近乎均匀。变径管电磁成形时，待成形管材初始时刻从下到上逐渐贴膜，但由于待成形管材顶端没有结构刚度约束，导致其沿径向的变形速度较大，率先贴膜，从而引起中间部分区域夹存空气，电磁力挤压这些区域导致变径管表面成形质量较差，并且严重影响管材的贴膜效果。所以，内置等匝间距螺线管线圈所形成的电磁力场不符合变径管沿轴向管径渐变的结构特点。这种不合理的电磁力场分布导致在实验研究中，为达到管材的完全贴膜，常常使用大电压，这造成螺线管各匝线圈之间存在较大斥力，使得线圈结构严重变形，影响线圈的使用寿命，并且能量利用率较低。

综上所述，利用等匝间距螺线管线圈电磁成形变径管的方法存在：待成形管材表面质量和贴膜效果较差、电磁力场分布不合理、线圈使用寿命短、能量利用率低等问题，这些问题导致利用电磁成形技术制备变径管的方法仅仅停留在实验室研究阶段，不满足大批量、机械化、高效率的生产需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种管材电磁胀形成形装置及方法，非等匝间距螺旋管线圈的密绕端置于变径管小变形量区，疏绕端置于变径管大变形量区，利用该线圈密通电后在待成形管材周围产生不均匀的感应磁场，从而形成小变形区电磁力大，大变形区电磁力小的不均匀电磁力场，避免出现管材上端部因结构刚度不足而率先贴膜的现象，在惯性的作用，实现变径管由下到上、依次推进、逐渐连续的贴膜，大大提高了变径管的成形效果。非等匝间距螺旋管线圈不仅避免了传统等匝间距螺线管线圈所产生的感应电磁力场沿轴向分布状态与变径管成形需求不匹配、待成形管材贴膜效果差等问题，又可以适当降低螺线管线圈两端所需加载的电压值，以提高能量利用率和线圈的使用寿命。所以，非等间距螺线管线圈相比传统的等匝间距螺线管线圈拥有更加合理的电磁力场分布、更好的管材贴膜效果、更高的线圈使用寿命、较大的能量利用率等优点，实现了电磁成形生产变径管从实验室研究向工厂应用的突破，满足大批量、机械化、高效率的生产需求。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种管材电磁胀形成形装置，包括脉冲放电电路、模具组件及非等匝间距螺旋管线圈，所述非等匝间距螺旋管线圈设置在所述模具组件上并且其与所述脉冲放电电路相连，以用于使待成形管材实现变径，其特征在于，

所述模具组件包括成形模具，所述成形模具上设有成形内孔，所述成形内孔具有大端和小端；

所述非等匝间距螺旋管线圈置于所述成形模具的成形内孔中，其包括成形线圈，所述成形线圈靠近所述成形内孔小端的一端为导线密绕部，该成形线圈的另一端为导线疏绕部，所述导线密绕部的匝间距小于所述导线疏绕部的匝间距。

优选地，所述成形线圈的匝间距呈渐变式变化，即匝间距从一端向另一端呈等差数列变化。

优选地，所述成形线圈分为两段，每段的匝间距相等，并且其中一段的匝间距小于另一段的匝间距，匝间距较小的一段的长度与匝间距较大的一段的长度的比值为(1-5)：1。

优选地，所述模具组件还包括上模架和下模架，所述成形模具设置于所述上模架和下模架之间。

优选地，所述下模架上设置有导柱，所述上模架上设置有与所述导柱配合的导套。

优选地，所述上模架上设置有长度可调的配重块，以用于将所述非等匝间距螺旋管线圈压紧在成形模具上。

优选地，所述下模架上设置有定位平台，所述定位平台的外侧用于对所述成形模具进行定位，该定位平台的顶部设置有定位凸台，所述非等匝间距螺旋管线圈的底部设置有与所述定位凸台配合的定位槽。

优选地，所述非等匝间距螺旋管线圈还包括圆柱支撑体，所述圆柱支撑体的外侧设置有用于容纳所述成形线圈的螺旋凹槽，所述成形线圈缠绕在所述圆柱支撑体上。

优选地，所述非等匝间距螺旋管线圈还包括填充在所述圆柱支撑体与所述成形线圈之间的绝缘填充剂。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种采用所述管材电磁胀形成形装置进行变径管电磁成形的方法，其特征在于，将待成形的管材放入成形模具的成形内孔中，闭合脉冲放电电路开关，脉冲放电电路的电容器组开始放电，在非等匝间距螺旋管线圈中产生脉冲电流从而形成脉冲磁场，进而在管材上感应出与脉冲磁场方向相反涡流，当涡流所产生的洛伦兹力超过管材屈服强度时，管材侧壁发生变形，随后变形的管材与成形模具的内壁接触依次贴膜，进而实现管材的电磁变径成形。

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，能够取得下列有益效果：

1)本发明的非等匝间距螺线管线圈和装置在管材上形成的电磁力场分布更加合理。在闭合脉冲放电电路开关后，非等匝间距螺旋线圈所产生的电磁力场，在螺线管线圈匝间距较小处，力场强度较大；在匝间距较大处，力场强度较小。变径管是由等径管材通过电磁胀形，并在惯性牵引和模具约束的同时作用下，由下向上依次成形。因此，这种成形力场需求与非等匝间距螺旋线圈的电磁力场分布规律相一致。

2)本发明的非等匝间距螺线管线圈和装置可以显著提高待成形管材的贴膜效果，解决管材与模具之间夹空气的问题。该线圈所形成的不均匀力场实现待成形管材下端受力大，上端受力小，从而避免出现管材上端部因结构钢度不足而率先贴膜的现象，待成形管材的下端变形量小，所以率先贴膜，成形时所产生的惯性作用牵引上方管材继续贴膜。从而实现变径管从管径较小处到管径较大处由下到上、依次推进、逐渐连续贴膜，避免了传统等匝间距线圈常出现的模具与管材之间夹有空气的现象。

3)本发明的非等匝间距螺线管线圈拥有更高的使用寿命，适合实际工业生产要求。该线圈的成形方式主要依靠已贴膜管材对未贴膜管材的惯性牵引作用，匝间距较小的地方，管材主要依托电磁力率先贴膜，其变形量较小；匝间距较大的地方，管材主要依托惯性牵引作用最后贴膜，其变形量较大，这种电磁力和惯性牵引的混合成形方式可以均匀化螺线管线圈每一匝所承受的斥力，线圈各匝之间的斥力大小基本相等，并且可以适当减小线圈两端所需的加载电压，所以，非等匝间距螺线管线圈相比传统的等匝间距螺线管线圈拥有更高的使用寿命。

4)本发明的非等匝间距螺线管线圈和装置能量利用率更高，具有良好的经济效益。因为该线圈可以实现由下到上、依次推进、逐渐连续贴膜，相比传统的等间距螺线管线圈，该线圈两端所需加载的电压相对较小，甚至可以实现小电压电磁成形，具有较高的能量利用率和经济效益，非等匝间距螺线管线圈及装置的发明使利用电磁成形技术生产变径管成为可能，完成从实验室研究向工厂应用的突破，满足大批量、机械化、高效率的生产需求。

附图说明

图1a为该发明的成形装置示意图；

图1b为该发明的成形装置的立体剖视图；

图1c为该发明的成形装置的局部立体剖视图；

图2a为该发明的非等匝间距螺线管线圈框架(典型I分段式)示意图；

图2b为该发明的非等匝间距螺线管线圈框架(典型II渐变式)示意图；

图3a为待变形管材电磁成形的初始状态示意图；

图3b为待变形管材电磁脉冲作用后材料依次、顺序贴膜过程示意图；

图3c为待变形管材电磁成形的最终状态示意图；

图中：1-下模架，2-导柱，3-成形模具，4-导套，5-上模架，6-开关，7-电阻，8-电容器组，9-配重块，10-待成形管材，11-非等匝间距螺旋管线圈，12-定位平台。

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。

如图1a所示，一种管材电磁胀形成形装置，包括脉冲放电电路、模具组件及非等匝间距螺旋管线圈11，所述非等匝间距螺旋管线圈11设置在所述模具组件上并且其与所述脉冲放电电路连接，以用于使待成形的管材10实现变径，所述模具组件包括成形模具3，所述成形模具3上设有成形内孔，所述成形内孔具有大端和小端；

所述非等匝间距螺旋管线圈11置于所述成形模具3的成形内孔中，其包括成形线圈，所述成形线圈靠近所述成形内孔小端的一端为导线密绕部，该成形线圈的另一端为导线疏绕部，匝间距较小的一段的长度与匝间距较大的一段的长度的比值为(1-5)：1，所述导线密绕部的匝间距小于所述导线疏绕部的匝间距。

作为本发明的一种优选，所述成形线圈的匝间距呈渐变式变化，即匝间距从一端向另一端呈等差数列变化；作为另一种优选，所述成形线圈分为两段，每段的匝间距相等，并且其中一段的匝间距小于另一段的匝间距。

进一步，所述模具组件还包括上模架5和下模架1，所述成形模具3设置于所述上模架5和下模架1之间。

进一步，所述下模架1上设置有导柱2，所述上模架5上设置有与所述导柱2配合的导套4。

进一步，所述上模架5上设置有长度可调的配重块9，以用于将所述非等匝间距螺旋管线圈11压紧在成形模具3上。

进一步，所述下模架1上设置有定位平台12，所述定位平台12的外侧用于对所述成形模具3进行定位，该定位平台12的顶部设置有定位凸台，所述非等匝间距螺旋管线圈11的底部设置有与所述定位凸台配合的定位槽。

进一步，所述非等匝间距螺旋管线圈11还包括圆柱支撑体，所述圆柱支撑体的外侧设置有用于容纳所述成形线圈的螺旋凹槽，所述成形线圈缠绕在所述圆柱支撑体上。

进一步，所述非等匝间距螺旋管线圈11还包括填充在所述圆柱支撑体与所述成形线圈之间的绝缘填充剂。

所述非等匝间距螺旋管线圈11由铜合金导线、圆柱支撑体、绝缘纤维层、绝缘填充材料和外接接头，按照上述方法进行组装固化得到。

所述非等匝间距螺旋管线圈11与管材10同轴心放置，两者间隙小于1mm。所述非等匝间距螺旋管线圈11的铜合金导线截面为矩形，线圈径向截面积8-20mm²。

所述非等匝间距螺旋管线圈11密绕端(即匝间距较小端)放在对应于变径管小管径变形区(即小变形量区)，线圈疏绕端(即匝间距较大端)放在对应于变径管大管径变形区(即大变形区)，密绕端长度与疏绕端长度比约为(1-5)：1，最大匝间距与最小匝间距的比值在1-2.3之间。

所述上模架5和配重块9均开设两个同位置、同大小的圆形通孔，用于分别穿出非等匝间距螺旋管线圈11的两个外接接头。

所述配重块9通过下水平面压紧非等匝间距螺旋管线圈11的上表面，防止变径管成形时非等匝间距螺旋管线圈11向上飞起。

所述下模架1和定位平台12通过螺钉进行配合，通过销钉进行定位。

所述导柱2和导套4，对称分列在上、下模架1的四端，用于上模架5和下模架1的装配与定位。

优选地，导柱2导套4组装后的长度约为模具的0.3-0.5倍，便于在不拆卸模具工装的情况下，观察变径管电磁成形的结果。

所述模具的材料为硬质合金钢，工作区域的表面粗糙度为0.4。

所述管材10一般为电导率较好的材料，包括铝合金管和铜合金管。

所述脉冲放电电路包括串接的开关6、电阻7和电容器组8，所述非等匝间距螺旋管线圈11其两端连接脉冲放电电路，以构成一个脉冲放电回路，用于产生脉冲磁场。

如图2a为非等匝间距螺线管线圈，成形线圈为分段式，图2b为非等匝间距螺线管线圈框架示意图，成形线圈的匝间距为渐变式，该线圈的铜合金导线固定在圆柱支撑体侧表面的凹槽中，并用绝缘材料进行固化处理，最终获得非等匝间距螺线管线圈11，该线圈同轴心放置于管材10内部。并利用配重块9压紧非等匝间距螺线管线圈11，防止其在电磁成形过程中因受到电磁成形反作用力而被弹飞。

装配时，分别将上模架5与配重块9，下模架1与定位平台12进行组装，利用销钉等进行定位；再将成形模具3套在定位平台12外侧，通过定位平台12的侧圆柱表面，实现配合与定位；然后将非等匝间距螺旋管线圈11放置在定位平台12的水平表面上，通过与定位平台水平表面上的结构凸台相配合，以实现定位；将待成形管材10套在非等匝间距螺旋管线圈11外侧，下端放置在成形模具3内侧的凸起圆台处，该线圈的两个外接接头分别从组装后的上模架5与配重块9的两个盲孔处穿出；利用对称、分列的四组导柱2和导套4实现上、下模架组合结构体的组装和定位。并调节配重块9的高度，以实现压紧非等匝间距螺旋管线圈11和在不拆卸模具的情况下观察变径管电磁成形结果的目的。

工作时，接通电源系统对电容器组8进行充电，当电压达到设定值0-30KV时，停止充电；闭合开关6，形成放电回路；在非等匝间距螺旋管线圈11中产生脉冲电流，从而形成脉冲磁场。依右手定则，在待成形管材上感应出与脉冲磁场方向相反涡流，当涡流所产生的洛伦兹力超过管材屈服强度时，管材侧壁发生高速变形。随后变形的管材与模具相互接触，进行贴膜，进而实现变径管的电磁成形。

本发明中非等匝间距螺旋管线圈11为提供动力的部分，非等匝间距螺旋管线圈11的结构参数依据变径管的具体尺寸进行设计，该线圈可以产生沿轴向不均匀、分布更加合理的电磁力场，该电磁力场与变径管沿轴向各点不同的变形量相呼应，可以显著提高变径管的电磁成形效果，并且该线圈能量利用率更高，甚至可以实现小电压电磁成形，拥有较高的使用寿命。

待成形管材10的变形过程如图3a-3c所示。管材10的初始状态10-1如图3a所示，图中管材10与非等匝间距螺线管线圈11同轴心放置。接通开关后，非等匝间距螺旋管线圈11中产生脉冲电流形成脉冲磁场，在管材10上感应出与脉冲磁场方向相反涡流，当涡流所产生的洛伦兹力超过管材屈服强度时，管材侧壁发生高速变形，管材10的中间状态10-2如图3b所示。管材10沿径向获得很大的变形速度，在惯性力作用下管材10与成形模具3实现由下到上、依次推进、逐渐连续贴膜，管材10的最终贴膜后的状态10-3如图3c所示，从而最终获得尺寸精度高、表面质量好的变径管零件。

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 (10)

1.一种管材电磁胀形成形装置，包括脉冲放电电路、模具组件及非等匝间距螺旋管线圈，所述非等匝间距螺旋管线圈设置在所述模具组件上并且其与所述脉冲放电电路相连，以用于使待成形管材实现变径，其特征在于，

所述模具组件包括成形模具，所述成形模具上设有成形内孔，所述成形内孔具有大端和小端；

所述非等匝间距螺旋管线圈置于所述成形模具的成形内孔中，其包括成形线圈，所述成形线圈靠近所述成形内孔小端的一端为导线密绕部，该成形线圈的另一端为导线疏绕部，所述导线密绕部的匝间距小于所述导线疏绕部的匝间距；

进而，所述非等匝间距螺旋管线圈的密绕部置于变径管小变形量区，疏绕部置于变径管大变形量区，利用该线圈密通电后在待成形管材周围产生不均匀的感应磁场，从而形成小变形区电磁力大，大变形区电磁力小的不均匀电磁力场，避免出现管材上端部因结构刚度不足而率先贴膜的现象，在惯性的作用，实现变径管由下到上、依次推进、逐渐连续的贴膜。

2.根据权利要求1所述的一种管材电磁胀形成形装置，其特征在于，所述成形线圈的匝间距呈渐变式变化，即匝间距从一端向另一端呈等差数列变化。

3.根据权利要求1所述的一种管材电磁胀形成形装置，其特征在于，所述成形线圈分为两段，每段的匝间距相等，并且其中一段的匝间距小于另一段的匝间距，匝间距较小的一段的长度与匝间距较大的一段的长度的比值为(1-5)：1。

4.根据权利要求1所述的一种管材电磁胀形成形装置，其特征在于，所述模具组件还包括上模架和下模架，所述成形模具设置于所述上模架和下模架之间。

5.根据权利要求4所述的一种管材电磁胀形成形装置，其特征在于，所述下模架上设置有导柱，所述上模架上设置有与所述导柱配合的导套。

6.根据权利要求4所述的一种管材电磁胀形成形装置，其特征在于，所述上模架上设置有长度可调的配重块，以用于将所述非等匝间距螺旋管线圈压紧在成形模具上。

7.根据权利要求4所述的一种管材电磁胀形成形装置，其特征在于，所述下模架上设置有定位平台，所述定位平台的外侧用于对所述成形模具进行定位，该定位平台的顶部设置有定位凸台，所述非等匝间距螺旋管线圈的底部设置有与所述定位凸台配合的定位槽。

8.根据权利要求1所述的一种管材电磁胀形成形装置，其特征在于，所述非等匝间距螺旋管线圈还包括圆柱支撑体，所述圆柱支撑体的外侧设置有用于容纳所述成形线圈的螺旋凹槽，所述成形线圈缠绕在所述圆柱支撑体上。

9.根据权利要求8所述的一种管材电磁胀形成形装置，其特征在于，所述非等匝间距螺旋管线圈还包括填充在所述圆柱支撑体与所述成形线圈之间的绝缘填充剂。

10.一种采用权利要求1～9中任一所述管材电磁胀形成形装置进行变径管电磁成形的方法，其特征在于，将待成形的管材放入成形模具的成形内孔中，闭合脉冲放电电路开关，脉冲放电电路的电容器组开始放电，在非等匝间距螺旋管线圈中产生脉冲电流从而形成脉冲磁场，进而在管材上感应出与脉冲磁场方向相反涡流，当涡流所产生的洛伦兹力超过管材屈服强度时，管材侧壁发生变形，随后变形的管材与成形模具的内壁接触依次贴膜，进而实现管材的电磁变径成形。