CN109622721B - 一种金属管件的电磁成形力调控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属管件的电磁成形力调控装置及方法，该装置包括驱动磁场线圈、辅助磁场线圈和单电源调控电路。其中，驱动磁场线圈用于产生短脉冲驱动磁场，在管件中产生感应涡流；辅助磁场线圈用于产生辅助磁场，与管件中的感应涡流相互作用产生电磁力驱动管件成形；单电源调控电路用于调节电磁力的大小和方向。通过本发明降低了金属管件的双线圈电磁成形成本，解决了时序配合控制难的问题，实现了金属管件的电磁成形力灵活调控。

Description

一种金属管件的电磁成形力调控装置及方法

技术领域

本发明属于金属管件成形领域，更具体地，涉及一种基于可调控电磁力的金属管件成形装置及方法。

背景技术

电磁成形是一种利用脉冲电磁力驱动金属工件发生塑性变形的高速率加工方法。与传统的准静态成形技术相比，电磁成形具有高速率和非机械接触等优点，可有效提高材料成形极限和表面质量。因此，电磁成形在航空航天领域的轻质金属零件成形制造领域具有广阔的应用前景，而实现电磁力的调控对于提高成形的效率和灵活性具有重要意义。

专利CN106694681A公开了一种金属管件的电磁成形装置及方法，通过引入背景磁场单元实现了电磁力的调控。该方法的原理是利用电源系统对背景磁场单元和成形驱动线圈提供脉冲电流，利用背景磁场单元形成背景磁场，利用成形驱动线圈在金属管件中感生出涡流，背景磁场和感生涡流共同作用产生电磁力驱动管件胀形。

然而，目前基于双电源的金属管件电磁成形方法存在以下问题：

(1)成形成本高。已有技术需要为背景磁场单元和成形驱动线圈配置两套独立的电源装置，一方面成形系统的设备投入成本高，另一方面每次成形所需要提供的总放电能量大。

(2)时序控制难。成形驱动线圈的放电回路需要在背景磁场单元的电流达到峰值时刻的瞬间闭合，这一方面需要提前精确获知背景磁场单元的电流峰值时刻，另一方面要求时序控制系统具有足够快的响应速度。若两者不能同时满足，将导致成形效率降低。

发明内容

针对现有技术的以上不足，本发明提供了一种金属管件的电磁成形力调控装置及方法，由此降低现有金属管件的双线圈电磁成形成本，简化双线圈的时序配合方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种金属管件的电磁成形力调控装置，包括：驱动磁场线圈、辅助磁场线圈和单电源调控电路；驱动磁场线圈同轴放置在金属管件外侧，用于产生短脉冲驱动磁场，在管件中产生感应涡流；辅助磁场线圈同轴放置在所述驱动磁场线圈外侧，根据成形目的不同用于产生长脉冲或短脉冲辅助磁场，为金属管件提供辅助磁场环境，与由驱动磁场产生的感应涡流共同作用产生电磁力，从而驱动管件变形；单电源调控电路用于为所述驱动磁场线圈和所述辅助磁场线圈提供可调控的脉冲电流。

其中，驱动磁场在金属管件中对应的趋肤深度小于管件自身的厚度；辅助磁场在金属管件中对应的趋肤深度远大于管件自身的厚度。

更进一步地，单电源调控电路包括：放电电容、换流支路和换向支路；所述放电电容用于为驱动磁场线圈和辅助磁场线圈提供脉冲电流；所述换流支路用于在换向支路中的脉冲电流达到峰值时自动导通驱动磁场线圈的电流回路，实现驱动磁场线圈和辅助磁场线圈的时序配合；换向支路用于改变流过辅助磁场线圈的脉冲电流的方向，实现电磁成形力的方向调控。

更进一步地，换向支路包括：放电开关和两个换向联动开关组；放电开关用于接通主放电回路，使脉冲电流通过辅助磁场线圈以建立辅助磁场；换向联动开关组用于改变脉冲电流在辅助磁场线圈中的流通方向，从而改变辅助磁场的空间方向；当辅助磁场的空间方向发生变化时，金属管件上产生的电磁力方向也发生相应变化；利用不同方向的电磁力，可分别实现金属管件的排斥性缩径和吸引性胀形。

更进一步地，换流支路包括：续流二极管和可调电阻；续流二极管用于当放电电容的电压反向时自动导通换流支路，使得短脉冲电流通过驱动成形线圈产生驱动磁场，进而在金属管件中产生感应涡流和电磁力驱动管件成形；可调电阻用于调节换流支路中短脉冲电流的脉宽，使成形效率达到最优。

本发明还提供了一种基于上述的电磁成形力调控装置的电磁成形力调控方法，包括如下步骤：

步骤1：根据不同的成形目的确定长脉冲电流在辅助磁场线圈中的流通方向，进而关断或闭合相应的换向联动开关组；

步骤2：在已知线路参数的基础上，通过仿真或实验手段获得换流支路中不同电阻值下金属管件的变形情况，根据管件变形量大小来对电阻进行优化选择；

步骤3：在放电电容充电完毕后，触发导通放电开关，长脉冲电流通过辅助磁场线圈并建立辅助磁场；当辅助磁场达到峰值，放电电容的电压反向，换流支路中的续流二极管自动导通，短脉冲电流流经驱动磁场线圈并建立驱动磁场；金属管件在驱动磁场和辅助磁场的共同作用下发生变形。

其中，短脉冲的脉宽为驱动磁场脉宽相当，长脉冲的脉宽为驱动磁场脉宽的5倍以上。

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)通过将驱动磁场线圈和辅助磁场线圈分别放置在换流支路和换向支路，同时利用放电电路产生的长脉冲和短脉冲两种电流，实现了金属管件的单电源双线圈成形，节省了一套脉冲电源装置，减小了总放电能量，从而降低了生产成本；

(2)通过控制驱动磁场和辅助磁场方向相同，两者在金属管件上产生同向排斥力，实现了电磁力的有效提高，增强了缩径效果；

(3)通过控制驱动磁场和辅助磁场方向相反，同时令辅助磁场脉宽大于驱动磁场脉宽5倍以上，改变了金属管件上的总电磁力方向，实现了管件的吸引力胀形。

(4)通过利用续流二极管的自动导通性能，实现了驱动磁场和辅助磁场在时序上的自动配合，因此不必采用额外的时序控制系统；

(5)通过利用可调电阻，实现了短脉冲电流脉宽的调节，可使金属管件的成形效率始终达到最优，提高了电磁成形力调控装置在不同应用场合的适应性；

(6)通过利用换向联动开关组，提高了实际应用中更换辅助磁场线圈极性的操作效率，尤其适用于需要频繁改变线圈极性或连接线路难以拆卸的场合。

附图说明

图1是本发明提供的金属管件电磁成形力调控装置第一实施例中的单电源调控电路拓扑图；

图2是本发明第一实施例中驱动磁场和辅助磁场的波形图；

图3是本发明第一实施例中线圈电流和磁场、管件涡流和电磁力的示意图；

图4是本发明第二实施例中的单电源调控电路拓扑图；

图5是本发明第二实施例中驱动磁场和辅助磁场的波形图；

图6是本发明第二实施例中线圈电流和磁场、管件涡流和电磁力的示意图；

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为驱动磁场线圈，2为辅助磁场线圈，3为放电电容，4为续流二极管，5为可调电阻，6为放电开关，7a为第一换向联动开关组中的一个开关，7b为第一换向联动开关组中的另一个开关，8a为第二换向联动开关组中的一个开关，8b为第二换向联动开关组中的另一个开关，9为金属管件。

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。

本发明提供了一种金属管件的电磁成形力调控装置，包括：驱动磁场线圈、辅助磁场线圈和单电源调控电路；驱动磁场线圈同轴放置在金属管件外侧，用于产生短脉冲驱动磁场，在管件中产生感应涡流。驱动磁场在金属管件中对应的趋肤深度小于管件自身的厚度。辅助磁场线圈同轴放置在驱动磁场线圈外侧，根据成形目的不同用于产生长脉冲或短脉冲辅助磁场，为金属管件提供辅助磁场环境，与由驱动磁场产生的感应涡流共同作用产生电磁力，从而驱动管件变形。长脉冲辅助磁场的脉宽一般为驱动磁场脉宽的5倍以上，在金属管件中对应的趋肤深度远大于管件自身的厚度，因此在金属管件中感应产生的涡流可忽略不计。短脉冲辅助磁场的脉宽与驱动磁场脉宽相当，在金属管件中对应的趋肤深度小于管件自身的厚度。

单电源调控电路包括：放电电容、换流支路和换向支路。其中：放电电容用于为驱动磁场线圈和辅助磁场线圈提供脉冲电流；换向支路包括：放电开关和两个换向联动开关组，其中每个换向联动开关组包括两个开关。放电开关用于接通主放电回路，使脉冲电流通过辅助磁场线圈以建立辅助磁场。换向联动开关组用于改变脉冲电流在辅助磁场线圈中的流通方向，从而改变辅助磁场的空间方向。当辅助磁场的空间方向发生变化时，金属管件上产生的电磁力方向也发生相应变化。利用不同方向的电磁力，可分别实现金属管件的排斥性缩径和吸引性胀形。

换流支路包括：续流二极管和可调电阻。续流二极管用于当放电电容的电压反向时自动导通换流支路，使得短脉冲电流通过驱动成形线圈产生驱动磁场，进而在金属管件中产生感应涡流和电磁力驱动管件成形。可调电阻用于调节换流支路中短脉冲电流的脉宽，使成形效率达到最优。

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力调控方法，包括如下步骤：

步骤1：根据不同的成形目的，即排斥性缩径或吸引性胀形，决定长脉冲电流在辅助磁场线圈中的流通方向，进而关断或闭合相应的换向联动开关组；

步骤2：在已知线路参数的基础上，调节换流支路中的可调电阻，改变流经驱动磁场线圈的短脉冲电流的脉宽，使成形效率最优；

步骤3：在放电电容充电完毕的情况下，触发导通放电开关，此时长脉冲电流通过辅助磁场线圈并建立辅助磁场。当辅助磁场达到峰值，此时放电电容的电压反向，换流支路中的续流二极管自动导通，短脉冲电流流经驱动磁场线圈并建立驱动磁场。金属管件在驱动磁场和辅助磁场的共同作用下发生变形。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的金属管件的电磁成形力调控装置，现参照附图并结合具体实例详述如下：

第一实施例

图1为本发明提供的一种金属管件电磁成形力调控装置中的单电源调控电路，包括放电电容3、换流支路和换向支路。换向支路中的第一换向联动开关组和第二换向联动开关组由联动装置控制关合，当其中一个换向联动开关组的两个开关处于闭合状态时，另外一个换向联动开关组的两个开关即处于关断状态，反之亦然。在本实施例中，换向支路中的第一换向联动开关组的两个开关7a和7b闭合，第二换向联动开关组的两个开关8a和8b关断，此时流经驱动磁场线圈1和辅助磁场线圈2的电流同向。

换流支路中的驱动磁场线圈1的电感为几十微亨，换向支路中的辅助磁场线圈2的电感为几百微亨，调整可调电阻5的电阻值为几十到几百毫欧。触发放电开关6闭合，放电电流将流经辅助磁场线圈2，产生的辅助磁场的脉宽为几百微秒到几毫秒。当放电电容1的电压反向时，即当辅助磁场达到峰值时，换流支路中的续流二极管4自动导通，短脉冲电流将流经驱动磁场线圈1，产生的驱动磁场的脉宽为几百微秒。磁场波形如图2所示。

辅助磁场线圈2同轴放置在金属管件9外侧，驱动磁场线圈1同轴放置在金属管件9和辅助磁场线圈2之间。由于流经驱动磁场线圈1和辅助磁场线圈2的电流同向，因此驱动磁场和辅助磁场在空间中同向，如图3所示。驱动磁场和辅助磁场共同在金属管件9中感应出涡流，涡流在总磁场的作用下产生沿径向向内的电磁排斥力，从而驱动金属管件9发生缩径变形。由于驱动磁场和辅助磁场在金属管件中产生的排斥力方向相同，两者叠加后有效增强了管件的缩径效果。

由于驱动磁场的脉宽比辅助磁场短，且驱动磁场线圈1与金属管件9之间的距离更小，使得驱动磁场在金属管件9中感应产生的涡流比辅助磁场更大，因此金属管件9中靠近驱动磁场线圈1的区域受到的电磁力更大。通过改变驱动成形线圈1的位置以及可调电阻值5的大小，可以调控金属管件9中电磁排斥力的分布和大小，实现异形管件的排斥性缩径成形。

第二实施例

图4为本发明提供的一种金属管件电磁成形力调控装置中的单电源调控电路，包括：放电电容3、换流支路和换向支路。换向支路中的第一换向联动开关组和第二换向联动开关组由联动装置控制关合，当其中一个换向联动开关组的两个开关处于闭合状态时，另外一个换向联动开关组的两个开关即处于关断状态，反之亦然。在本实施例中，换向支路中的第一换向联动开关组的两个开关7a和7b关断，第二换向联动开关组的两个开关8a和8b闭合，此时流经驱动磁场线圈1和辅助磁场线圈2的电流反向。

换流支路中的驱动磁场线圈1的电感为几十微亨，换向支路中的辅助磁场线圈2的电感为几毫亨，调整可调电阻5的电阻值为几十到几百毫欧。当放电开关6触发导通时，放电电流将流经辅助磁场线圈2，产生的辅助磁场的脉宽为几到几十毫秒。当放电电容1的电压反向时，即当辅助磁场达到峰值时，换流支路中的续流二极管4自动导通，短脉冲电流将流经驱动磁场线圈1，产生的驱动磁场的脉宽为几百微秒。磁场波形如图5所示。

辅助磁场线圈2同轴放置在金属管件9外侧，驱动磁场线圈1同轴放置在金属管件9和辅助磁场线圈2之间，如图6所示。一方面，辅助磁场的脉宽是驱动磁场脉宽的5倍以上，金属管件9中对应的趋肤深度远大于管件自身的厚度，因此辅助磁场在金属管件9中感应产生的涡流可忽略不计。另一方面，驱动磁场线圈1的电感远小于辅助磁场线圈2，因此驱动磁场幅值远小于辅助磁场，驱动磁场对空间总磁场的影响可忽略不计。因此，金属管件9中产生的电磁力取决于辅助磁场以及由驱动磁场感应产生的涡流，此时管件中产生沿径向向外的电磁吸引力。

在本实施例中，通过关断第一换向联动开关组的两个开关7a和7b，闭合第二换向联动开关组的两个开关8a和8b，改变了辅助磁场线圈2中的电流流向及其对应辅助磁场的空间方向，最终改变了电磁力的方向，实现了金属管件9的吸引性胀形。进一步地，通过调整可调电阻5的电阻值以及驱动磁场线圈1的空间位置，可以调控金属管件9中电磁吸引力的大小和分布，实现异形管件的吸引性胀形。

本发明还提供了一种金属管件的电磁成形力调控方法的第一实施例，包括以下步骤：

步骤1：将驱动磁场线圈同轴放置在金属管件外侧，辅助磁场线圈同轴放置在驱动磁场线圈外侧，并使金属管件、驱动磁场线圈和辅助磁场线圈三者的中平面重合；

步骤2：关断放电开关以及第一换向联动开关组的两个开关，闭合第二换向联动开关组的两个开关，使流经驱动磁场线圈和辅助磁场线圈的电流反向；

步骤3：将可调电阻调整为使成形效率最优的电阻值；

步骤4：向放电电容充电至预设电压后，触发导通放电开关。此时放电电流将流过辅助磁场线圈，在辅助磁场达到峰值时刻续流二极管自动导通，电流将流过驱动磁场线圈。金属管件在驱动磁场和辅助磁场作用下产生电磁吸引力，实现管件的吸引性胀形。

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 (6)

1.一种金属管件的电磁成形力调控装置，其特征在于，包括：驱动磁场线圈、辅助磁场线圈和单电源调控电路；

所述驱动磁场线圈同轴放置在金属管件外侧，用于产生短脉冲驱动磁场，在管件中产生感应涡流；

所述辅助磁场线圈同轴放置在所述驱动磁场线圈外侧，根据成形目的不同用于产生长脉冲或短脉冲辅助磁场，为金属管件提供辅助磁场环境，与由驱动磁场产生的感应涡流共同作用产生电磁力，从而驱动管件变形；

所述单电源调控电路用于为所述驱动磁场线圈和所述辅助磁场线圈提供可调控的脉冲电流；

所述单电源调控电路包括：放电电容、换流支路和换向支路；

所述放电电容用于为驱动磁场线圈和辅助磁场线圈提供脉冲电流；

所述换流支路用于在换向支路中的脉冲电流达到峰值时自动导通驱动磁场线圈的电流回路，实现驱动磁场线圈和辅助磁场线圈的时序配合；

所述换向支路用于改变流过辅助磁场线圈的脉冲电流的方向，实现电磁成形力的方向调控。

2.如权利要求1所述的电磁成形力调控装置，其特征在于，驱动磁场在金属管件中对应的趋肤深度小于管件自身的厚度；辅助磁场在金属管件中对应的趋肤深度远大于管件自身的厚度。

3.如权利要求1所述的电磁成形力调控装置，其特征在于，所述换向支路包括：放电开关和两个换向联动开关组；

所述放电开关用于接通主放电回路，使脉冲电流通过辅助磁场线圈以建立辅助磁场；

所述换向联动开关组用于改变脉冲电流在辅助磁场线圈中的流通方向，从而改变辅助磁场的空间方向；

当辅助磁场的空间方向发生变化时，金属管件上产生的电磁力方向也发生相应变化；利用不同方向的电磁力，可分别实现金属管件的排斥性缩径和吸引性胀形。

4.如权利要求1所述的电磁成形力调控装置，其特征在于，所述换流支路包括：续流二极管和可调电阻；

所述续流二极管用于当放电电容的电压反向时自动导通换流支路，使得短脉冲电流通过驱动成形线圈产生驱动磁场，进而在金属管件中产生感应涡流和电磁力驱动管件成形；

所述可调电阻用于调节换流支路中短脉冲电流的脉宽，使成形效率达到最优。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的电磁成形力调控装置的电磁成形力调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据不同的成形目的确定长脉冲电流在辅助磁场线圈中的流通方向，进而关断或闭合相应的换向联动开关组；

步骤2：在已知线路参数的基础上，通过仿真或实验手段获得换流支路中不同电阻值下金属管件的变形情况，根据管件变形量大小来对电阻进行优化选择；

步骤3：在放电电容充电完毕后，触发导通放电开关，长脉冲电流通过辅助磁场线圈并建立辅助磁场；当辅助磁场达到峰值，放电电容的电压反向，换流支路中的续流二极管自动导通，短脉冲电流流经驱动磁场线圈并建立驱动磁场；金属管件在驱动磁场和辅助磁场的共同作用下发生变形。

6.如权利要求5所述的电磁成形力调控方法，其特征在于，长脉冲的脉宽为驱动磁场脉宽的5倍以上。

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