CN108188246B - 一种基于通流模式的金属管件成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于通流模式的金属管件成形装置及方法，该装置包括成形驱动棒、电极以及绝缘模块；其中，成形驱动棒用于为金属管件提供成形力，电极用于连接电源系统、金属管件和成形驱动棒以构成闭合回路，绝缘模块用于实现金属管件和成形驱动棒之间的电气隔离，同时保证成形驱动棒具有足够高的机械强度。通过本发明避免了现有的金属管件电磁成形技术中存在的线圈温升和应力破坏问题，实现了小口径和异形管件的成形以及管件的焊接。
Description
技术领域
本发明属于金属管件成形领域，更具体地，涉及一种基于通流模式的金属管件成形装置及方法。
背景技术
电磁成形是利用脉冲电磁力对金属工件进行塑性加工的一种高速率成形技术。与传统准静态成形技术相比，电磁成形技术具有高速率、非接触、单模具及体积力等特点，可有效提高材料的成形极限、抑制起皱及减小回弹等，在轻质材料板管零件成形制造领域具有广泛的应用前景。
专利CN103406418A公开了一种径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法及装置，其原理是利用脉冲电源为磁场线圈和涡流线圈供电，磁场线圈产生背景磁场、涡流线圈在金属管件中感应出涡流并产生电磁力从而驱动管件成形。然而，目前基于线圈的金属管件电磁成形方法存在以下问题：
(1)线圈是不可或缺的装置之一，但线圈在工作过程中往往面临温升和应力破坏问题。一方面，线圈相当于是大阻抗负载，通过脉冲大电流后会产生大量焦耳热导致温度急剧上升，因此线圈每工作一段时间都必须进行冷却处理，无法长期运行。另一方面，在电磁成形过程中线圈本身会受到强大的电磁应力作用，为保证线圈具有足够高的机械强度从而避免发生应力破坏，需要对线圈进行加固处理，大大提高了设计和生产成本；
(2)难以成形小口径的金属管件。当金属管件内径很小且需要实现胀形时，放置在管件内部的线圈的直径将非常小，这会导致线圈的加工难度和成本大大提高，甚至无法得到满足要求的线圈；
(3)难以成形异形管件。用于金属管件电磁成形中的线圈普遍为圆筒状，在金属管件中产生的电磁力均匀对称分布，可成形形状规则的管件，但难以实现形状不规则管件的成形；
(4)管件的成形深度有限。线圈和管件的相对位置固定，首次放电使得管件变形后，管件与线圈之间的距离增大，线圈在管件中产生的电磁力将大幅减小，在后续放电的过程中管件的成形效果不明显。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于通流模式的金属管件成形装置及方法，由此解决现有金属管件成形技术存在的线圈温升、应力破坏以及难以实现小口径和异形管件成形的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于通流模式的金属管件成形装置，包括：电极、成形驱动棒以及绝缘模块；
所述电极包括连接电极和换向电极，其中，所述连接电极放置在成形管件和所述成形驱动棒的同一侧，用于分别实现所述成形管件和所述成形驱动棒与外部供电模块之间的连接；所述换向电极放置在所述成形管件和所述成形驱动棒的另一侧，用于形成所述成形管件和所述成形驱动棒之间的导电通道，构成完整的闭合放电回路，以实现通过所述成形驱动棒的第一脉冲电流与通过所述成形管件的第二脉冲电流的方向相反；
所述成形驱动棒，用于通过所述第一脉冲电流以及所述第二脉冲电流的相互作用，驱动所述成形管件发生变形；
所述绝缘模块，用于为所述电极提供绝缘保护，以及为所述成形管件和所述成形驱动棒之间提供绝缘隔离。
优选地，所述绝缘模块包括绝缘盖板和绝缘套筒；其中，所述绝缘盖板开有若干个槽用于放置所述电极并提供绝缘保护，以避免所述电极直接裸露在空气中，所述绝缘套筒放置在所述成形管件和所述成形驱动棒之间，以提供绝缘隔离，同时实现所述成形驱动棒的加固以提高所述成形驱动棒的机械强度，保证所述成形驱动棒在工作过程中不发生变形。
优选地，所述成形驱动棒放置在所述成形管件内部，所述成形管件受到沿径向向外的电磁力，所述成形驱动棒受到沿径向向里的电磁力，在电磁力的驱动下，所述成形管件发生胀形。
通过上述方式，在成形驱动棒放置在成形管件内部时，外部电源模块开关闭合后，脉冲电流流过由连接电极、换向电极、成形管件和成形驱动棒构成的闭合回路。在换向电极的作用下，通过成形管件的电流与成形驱动棒的电流方向相反。根据电流的异性相斥原理，成形管件将受到沿径向向外的电磁力，成形驱动棒受到沿径向向里的电磁力。在电磁力的驱动下，成形管件发生胀形，而成形驱动棒在绝缘模块的保护下不发生变形。
优选地，所述成形驱动棒放置在所述成形管件内部，并通过改变所述成形驱动棒的形状使所述成形驱动棒形成局部凸起，从而实现所述成形管件的局部胀形。
通过上述方式，改变成形驱动棒的形状，使之形成局部凸起。成形驱动棒的主体部分与成形管件之间的距离较大，其在成形管件上产生的电磁力可忽略不计。而成形驱动棒的凸起部分与成形管件之间的距离很小，当两者电流反向时成形管件上将产生很大的沿径向向外的电磁力并在其驱动下发生局部胀形。
优选地，所述成形驱动棒包括第一成形驱动棒以及第二成形驱动棒，所述第一成形驱动棒放置在第一成形管件内部，所述第二成形驱动棒放置在第二成形管件外部，所述第一成形驱动棒包括第一凸起部分，所述第二成形驱动棒包括第二凸起部分，所述第一凸起部分与所述第二凸起部分在同一水平面上，以使所述第一成形管件与所述第二成形管件在成形驱动棒的凸起部分发生高速运动并碰撞，从而实现所述第一成形管件与所述第二成形管件焊接。
通过上述方式，为实现两个金属管件在径向上的焊接，同时采用2个成形驱动棒构成一个驱动组，其中一个成形驱动棒放置在内管件内部，另一个成形驱动棒放置在外管件外部，且两个成形驱动棒的凸起在同一个水平面上。减小成形驱动棒凸起部分的尺寸使之电流密度增大。外部电源模块的开关闭合后，通过两个管件的电流方向相同，通过两个成形驱动棒的电流方向也相同但与管件电流相反。一方面，两个管件之间产生相互吸引力。另一方面，外侧的成形驱动棒在外管件上产生沿径向向里的排斥力，内侧的成形驱动棒在内管件上产生沿径向向外的排斥力。在吸引力和排斥力的共同作用下，两个管件将在成形驱动棒的凸起区域发生高速运动并碰撞，在强大的应力作用下实现两个管件的焊接。
优选地，所述装置还包括：传动模块；所述传动模块，用于调整所述成形驱动棒的空间位置。
通过上述方式，利用传动模块控制成形驱动棒在轴向上的运动，可以实现两个成形管件不同区域的焊接。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于通流模式的金属管件成形方法，包括：
根据成形需要，设计成形驱动棒的尺寸和形状；
利用连接电极和换向电极将成形管件、成形驱动棒和外部电源模块构成闭合放电回路，并使得在当前的电流路径情况下，通过成形管件和成形驱动棒的电流方向相反；
向成形管件和成形驱动棒通入脉冲电流，以使成形管件在电磁力的相互作用下发生变形。
优选地，所述方法还包括：
利用传动模块在三维空间中调整成形驱动棒的空间位置，通过重复放电，实现成形管件的渐进成形或焊接。
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)通过利用外部电流，实现了无线圈的金属管件电磁成形，从源头上避免了线圈的温升和应力破坏问题，节省了线圈的设计和生产成本，提高了生产效率。
(2)通过将直径足够小的实心圆柱状成形驱动棒放置在成形管件内部，并在两者中通入反向电流，实现了小径金属管件的胀形。进一步地，通过改变成形驱动棒的尺寸和形状，控制电流在成形驱动棒中的流通路径，实现了异形金属管件的成形。
(3)通过在两个金属管件的内侧和外侧采用两个成形驱动棒，并控制脉冲电流的流通路径，使得金属管件同时受到电磁吸引力和排斥力作用且两者方向相同，两个管件之间发生高速碰撞并最终实现焊接。进一步地，利用传动系统调整成形驱动棒的空间位置，实现两个金属管件不同区域的电磁焊接。
附图说明
图1是本发明提供的基于通流模式的金属管件成形装置的第一实施例结构示意图
图2是本发明提供的基于通流模式的金属管件成形装置的第二实施例结构示意图
图3是本发明提供的基于通流模式的金属管件成形装置的第三实施例结构示意图；
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-电源系统，1a-电容器，1b-开关，2-成形管件，3-成形驱动棒，4-绝缘套筒，5a-连接电极，5b-换向电极，6-绝缘盖板，7-模具，8-传动模块。
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。
本发明提供了一种基于通流模式的金属管件成形装置及方法，避免了线圈的温升和应力破坏问题，实现小口径和异形管件的成形以及管件的电磁焊接。以下通过附图及实施例对本发明进行详细说明。
第一实施例
图1为本发明提供的基于通流模式的小口径金属管件的电磁成形装置。其中，电源系统1由脉冲电容器1a和开关1b组成。成形系统中，成形管件2是一个内径为20mm，壁厚为2mm的铝合金无缝管，在成形管件外侧放置了一个开有成形槽的绝缘模具7用于控制管件的胀形形状。将半径为8mm的实心铜棒作为成形驱动棒3同心地放置在成形管件2的内部，并利用一个壁厚为2mm的环氧绝缘套筒4将两者隔离避免短路。在成形管件和成形驱动棒的上端口外侧分别紧密贴合地放置连接电极5a并与电源系统的正负极相接，两个连接电极5a之间由环氧绝缘盖板6隔离避免短路。同时，在成形管件和成形驱动棒的下端口处紧密贴合地放置换向电极5b，连通成形管件和成形驱动棒，使得通过两者的电流方向相反。
电源系统的开关1b闭合后，假设脉冲电流自上而下地通过成形驱动棒3，经过换向电极5b后电流从下端口流入成形管件并从上端口流出返回电流负极。此时，通过成形管件2和成形驱动棒3的电流方向相反。根据电流的异性相斥原理，成形管件受到沿径向向外的电磁力并在其驱动下在模具7的凹腔内发生胀形。
类似地，如果将模具7放置在成形管件和成形驱动棒之间，同时改变电流的流通路径使得通过成形管件和成形驱动棒的电流方向相同，此时成形管件将受到沿径向向里的电磁吸引力，从而实现金属管件的缩径变形。
第二实施例
图2为本发明提供的基于通流模式的异形金属管件的电磁成形装置，尤其适用于无模具下的金属管件成形。其中，电源系统1由脉冲电容器1a和开关1b组成。成形系统中，成形管件2是一个内径为20mm，壁厚为2mm的铝合金无缝管。与第一实施例相比，在本实施例中成形驱动棒3的尺寸和形状均发生改变，其中半径减小为2mm以增大成形驱动棒中的电流密度。另外，成形驱动棒3的局部区域发生弯折形成第一凸起3a和第二凸起3b，而主体部分仍与成形管件2同心放置。成形驱动棒3由环氧绝缘套筒4包裹以保证具有足够高的机械强度，不至于在工作过程中因受到电磁力而发生变形。成形管件2和成形驱动棒3下端口处的换向电极5b通过足够长的导线相接。
电源系统的开关1b闭合后，通过成形管件2和成形驱动棒3的电流方向相反，成形管件2受到沿径向向外的电磁力。成形管件2受到的电磁力负相关于管件和成形驱动棒3之间的距离，由于成形驱动棒3的主体部分与成形管件2之间的距离很大，因此成形管件2的对应区域中产生的电磁力可忽略不计。对于成形驱动棒3的第一凸起3a，它与成形管件2之间的距离很小，管件对应区域受到的电磁力很大且驱动管件发生自由胀形。而对于成形驱动棒3的第二凸起3b，它与成形管件2之间的距离较大，与第一凸起3a相比管件对应区域受到的电磁力较小，因此管件的胀形高度减小。可见，本实例通过改变成形驱动棒3的形状改变了脉冲电流的流通路径，从而控制成形管件2中的电磁力分布及其决定的管件成形结果。
第三实施例
图3为本发明提供的基于通流模式的金属管件焊接的电磁成形装置。其中，电源系统1由脉冲电容器1a和开关1b组成。成形系统中，成形管件2是两个同心放置的铝合金无缝管，内管件的内径和壁厚分别为20mm和2mm，外管件的内径和壁厚分别为23mm和2mm。本实施例采用了两个成形驱动棒3，其凸起部分为尖端状以增大电流密度，且两个成形驱动棒3的凸起部分在同一个水平面上。绝缘套筒4设置在成形驱动棒3凸起部分的内外侧以保证在管件成形过程中驱动棒的凸起部分不发生变形。两个成形管件2的上端口共用一个连接电极5a使得通过两个管件的电流方向相同，而两个成形驱动棒3分别通过一个连接电极与电源系统相接。成形管件2和成形驱动棒3的下端口共用一个换向电极5b使得通过两个成形驱动棒3的电流方向相同且与成形管件2中的电流方向相反。两个成形驱动棒3的空间位置受控于传动模块8。成形驱动棒3和连接电极5a以及换向电极5b之间紧密贴合但不完全固定，成形驱动棒3可在电极内沿轴向运动。
电源系统的开关1b闭合后，脉冲电流自上而下地通过成形管件2，经过换向电极5b后又自下而上地通过成形驱动棒3返回电源系统。一方面，根据电流的同性相吸原理，两个成形管件2之间产生电磁吸引力，内管件受到的吸引力沿径向向外，外管件受到的吸引力沿径向向里。另一方面，根据电流的异形相斥原理，成形驱动棒3和成形管件2之间产生电磁排斥力，外管件受到来自于外成形驱动棒施加的沿径向向里的排斥力，内管件受到来自于内成形驱动棒施加的沿径向向外的排斥力。由于成形驱动棒3凸起部分的电流密度很大，因此凸起部分对应的管件区域受到的电磁排斥力很大。在电磁吸引力作用下，内管件和外管件分别有胀形和缩径的运动趋势。在强大的电磁排斥力驱动下，成形驱动棒3凸起部分对应的管件区域将发生高速运动，两个管件发生局部碰撞并在巨大的冲击力作用下实现焊接。
进一步地，利用传动系统调整成形驱动棒3的轴向位置，通过电源系统的重复放电实现两个金属管件不同区域的焊接。
本发明还提供了一种基于通流模式的金属管件成形方法，包括：
根据成形需要，设计成形驱动棒的尺寸和形状；
利用连接电极和换向电极将成形管件、成形驱动棒和外部电源模块构成闭合放电回路，并使得在当前的电流路径情况下，通过成形管件和成形驱动棒的电流方向相反；
向成形管件和成形驱动棒通入脉冲电流，以使成形管件在电磁力的相互作用下发生变形。
其中，该方法还包括：
利用传动模块在三维空间中调整成形驱动棒的空间位置，通过重复放电，实现成形管件的渐进成形或焊接。
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 (5)
1.一种基于通流模式的金属管件焊接装置，其特征在于，包括：电极、成形驱动棒以及绝缘模块；
所述电极包括连接电极和换向电极，其中，所述连接电极放置在成形管件和所述成形驱动棒的同一侧，用于分别实现所述成形管件和所述成形驱动棒与外部供电模块之间的连接；所述换向电极放置在所述成形管件和所述成形驱动棒的另一侧，用于形成所述成形管件和所述成形驱动棒之间的导电通道，构成完整的闭合放电回路，以实现通过所述成形驱动棒的第一脉冲电流与通过所述成形管件的第二脉冲电流的方向相反；
所述成形驱动棒，用于通过所述第一脉冲电流以及所述第二脉冲电流的相互作用，驱动所述成形管件发生变形；所述成形驱动棒放置在所述成形管件内部，并通过改变所述成形驱动棒的形状使所述成形驱动棒形成局部凸起，从而实现所述成形管件的局部胀形；
所述绝缘模块，用于为所述电极提供绝缘保护，以及为所述成形管件和所述成形驱动棒之间提供绝缘隔离；
所述成形驱动棒包括第一成形驱动棒以及第二成形驱动棒，所述第一成形驱动棒放置在第一成形管件内部，所述第二成形驱动棒放置在第二成形管件外部，所述第一成形驱动棒包括第一凸起部分，所述第二成形驱动棒包括第二凸起部分，所述第一凸起部分与所述第二凸起部分在同一水平面上，以使所述第一成形管件与所述第二成形管件在成形驱动棒的凸起部分发生高速运动并碰撞，从而实现所述第一成形管件与所述第二成形管件焊接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝缘模块包括绝缘盖板和绝缘套筒；其中，所述绝缘盖板开有若干个槽用于放置所述电极并提供绝缘保护，以避免所述电极直接裸露在空气中，所述绝缘套筒放置在所述成形管件和所述成形驱动棒之间，以提供绝缘隔离，同时实现所述成形驱动棒的加固以提高所述成形驱动棒的机械强度。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：传动模块；所述传动模块用于调整所述成形驱动棒的空间位置。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述基于通流模式的金属管件焊接装置的基于通流模式的金属管件焊接方法，其特征在于，包括：
根据成形需要，设计成形驱动棒的尺寸和形状；
利用连接电极和换向电极将成形管件、成形驱动棒和外部供电模块构成闭合放电回路，并使得在当前的电流路径情况下，通过成形管件和成形驱动棒的电流方向相反；
向成形管件和成形驱动棒通入脉冲电流，以使成形管件在电磁力的相互作用下发生变形；
所述成形驱动棒包括第一成形驱动棒以及第二成形驱动棒，将所述第一成形驱动棒放置在第一成形管件内部，将所述第二成形驱动棒放置在第二成形管件外部，所述第一成形驱动棒包括第一凸起部分，所述第二成形驱动棒包括第二凸起部分，将所述第一凸起部分与所述第二凸起部分放在同一水平面上，以使所述第一成形管件与所述第二成形管件在成形驱动棒的凸起部分发生高速运动并碰撞，从而实现所述第一成形管件与所述第二成形管件焊接。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用传动模块在三维空间中调整成形驱动棒的空间位置，通过重复放电，实现成形管件的渐进焊接。
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