CN109967593B - 一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置及方法，用于在待成形金属管件端部产生径向恒定磁场的第一、第二恒定磁场线圈；用于在待成形金属管件端部产生感应涡流的第一、第二脉冲磁场线圈；用于构成恒定磁场磁回路的第一环型磁轭、第二环型磁轭；第一环型磁轭位于待成形金属管件的上端，第二环型磁轭位于待成形金属管件的下端；用于给待成形金属管件提供电磁胀形的脉冲力线圈。本发明一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置及其方法，分开施加轴向压缩力和成形所需的径向电磁力，可随意控制轴向电磁力的大小，且因为独立施加，不会削弱径向电磁力。
Description
技术领域
本发明属于金属加工领域，特别涉及一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置及方法，主要用于抑制金属管件胀形过程中的壁厚减薄问题。
背景技术
金属管件由于其轻量化、强韧化及高精度的特征优势，已被交通运输、航空航天等技术领域广泛采纳，各国工业领域都投入了大量资金来研发其相关的成形技术。对于传统管件电磁胀形而言，现有技术一般采用单一圆柱状驱动线圈为工件提供电磁力，其载荷主要是环向涡流与轴向磁场作用产生的径向电磁力分量；当金属管件发生胀形时，管件因为变形半径增大，导致壁厚减薄、强度降低，难以满足现代工业对高强度及高性能零件的需求。
为解决传统管件磁脉冲胀形时工件壁厚减薄、成形性能降低这一问题，采用径向电磁力与轴向电磁力同时加载的施力方式，提出了轴向压缩式管件磁脉冲胀形方法。这一方法中轴向电磁力的施加利用了径向电磁力的涡流，导致轴向压缩力施加可控性不大，且轴向力线圈会一定程度上削弱径向电磁力，导致管件整体变形量不足。
中国专利“径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法及装置（103406418A）”提供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，主要包括产生感应涡流的涡流线圈、产生径向磁场的磁场线圈以及为涡流线圈和磁场线圈供电的电源系统。该发明中的轴向压缩式管件电磁胀形，可有效减少管壁在胀形过程中的减薄量，提高成形工件的成形极限和成形性能。然而，这一方法中轴向电磁力的施加利用了径向电磁力的涡流，导致轴向压缩力施加可控性不大，且轴向力线圈会一定程度上削弱径向电磁力，导致管件整体变形量不足。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置及其方法，分开施加轴向压缩力和成形所需的径向电磁力，可随意控制轴向电磁力的大小，且因为独立施加，不会削弱径向电磁力。
本发明采取的技术方案为：
一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置，用于在待成形金属管件端部产生径向恒定磁场的第一恒定磁场线圈、第二恒定磁场线圈；
用于在待成形金属管件端部产生感应涡流的第一脉冲磁场线圈、第二脉冲磁场线圈；
用于构成恒定磁场磁回路的第一环型磁轭、第二环型磁轭；第一环型磁轭位于待成形金属管件的上端，第二环型磁轭位于待成形金属管件的下端；
用于给待成形金属管件提供电磁胀形的脉冲力线圈；
所述第一、二环型磁轭包括一空腔，第一、二环型磁轭的截面呈一带间隙的矩形框架型，第一环型磁轭的间隙开设于下边，第二环型磁轭的间隙开设于上边；
所述第一恒定磁场线圈位于第一环型磁轭的空腔上部区域，所述第二恒定磁场线圈位于第二环型磁轭的空腔下部区域；第一恒定磁场线圈、第二恒定磁场线圈均连接直流电源；
所述第一脉冲磁场线圈位于第一环型磁轭的空腔下部区域，所述第二脉冲磁场线圈位于第二环型磁轭的空腔上部区域；第一脉冲磁场线圈、第二脉冲磁场线圈均连接脉冲电源；
所述第一、二脉冲磁场线圈中部开设有轴向通槽；第一、二脉冲磁场线圈的轴向通槽分别与第一、二环型磁轭开设的间隙对应。
所述第一环型磁轭的间隙位于环型磁轭的下边中间位置，第二环型磁轭的间隙位于环型磁轭的上边中间位置；
所述环型磁轭的间隙内侧环形边缘较待成形金属管件的内径小0.2-0.5mm，所述环型磁轭的间隙外侧环形边缘较待成形金属管件的外径大0.2-0.5mm。
所述环型磁轭由厚度为0.2mm的绝缘硅钢片叠制而成。
所述待成形金属管件为一圆形管件；待成形金属管件厚度为2-5mm；待成形金属管件的两端分别位于第一环型磁轭的间隙和第二环型磁轭的间隙内，且待成形金属管件和环型磁轭的中心轴重合。
一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的方法，
将第一恒定磁场线圈置于第一环型磁轭的空腔上部区域，将第二恒定磁场线圈置于第二环型磁轭的空腔下部区域；
将第一脉冲磁场线圈置于第一环型磁轭的空腔下部区域，使其轴向通槽与第一环型磁轭的间隙对齐；
将第二脉冲磁场线圈置于第二环型磁轭的空腔上部区域，使其轴向通槽与第二环型磁轭的间隙对齐；
将待成形金属管件的两端分别置于第一环型磁轭和第二环型磁轭的间隙内；将脉冲力线圈置于待成形金属管件的内部；
恒定磁场线圈、脉冲磁场线圈、环型磁轭、待成形金属管件、脉冲力线圈轴线重合；
采用直流电源给第一、二恒定磁场线圈供电，在环型磁轭的间隙中产生径向恒定磁场；
采用脉冲电源给第一、二脉冲磁场线圈供电，产生脉冲电流、变化的磁场，变化的磁场在待成形金属管件中产生环向感应涡流；
径向恒定磁场与环向感应涡流相互作用，产生轴向脉冲电磁力，其中待成形金属管件的上端受到向下的轴向脉冲电磁力，待成形金属管件的下端受到向上的轴向脉冲电磁力；
脉冲力线圈为待成形金属管件施加电磁胀形力，使待成形金属管件在轴向压缩的状态下完成管件胀形。
径向向内的恒定磁场与顺时针方向的环向感应涡流作用产生向下的轴向脉冲电磁力；或者，径向向外的恒定磁场与逆时针方向的环向感应涡流作用产生向下的轴向电磁力。
径向向内的恒定磁场与逆时针方向的环向感应涡流作用产生向上的轴向电磁力；
或者径向向外的恒定磁场与顺时针方向的环向感应涡流作用产生向上的轴向电磁力。
本发明一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置及其方法，分开施加轴向压缩力和成形所需的径向电磁力，可随意控制轴向电磁力的大小，且因为独立施加，不会削弱径向电磁力。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置2/3剖面示意图。
其中：
1.1-第一恒定磁场线圈，1.2-第二恒定磁场线圈；
2.1-第一脉冲磁场线圈，2.2-第二脉冲磁场线圈, 2.3-轴向通槽；
3.1-第一环型磁轭，3.2-第二环型磁轭；3.3-间隙；
4-脉冲电源；
5-直流电源；
6-待成形金属管件；
7-脉冲力线圈。
具体实施方式
一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置，
用于在待成形金属管件6端部产生径向恒定磁场的第一恒定磁场线圈1.1、第二恒定磁场线圈1.2；
用于在待成形金属管件6端部产生感应涡流的第一脉冲磁场线圈2.1、第二脉冲磁场线圈2.2；
用于构成恒定磁场磁回路的第一环型磁轭3.1、第二环型磁轭3.2；第一环型磁轭3.1位于待成形金属管件6的上端，第二环型磁轭3.2位于待成形金属管件6的下端；
用于给待成形金属管件6提供电磁胀形的脉冲力线圈7。
第一恒定磁场线圈是传统的线圈，由铜线绕制而成，几何尺寸以能同时和第一脉冲磁场线圈放置在第一环型磁轭的矩形框架型空腔内部为限制。
第二恒定磁场线圈是传统的线圈，由铜线绕制而成，几何尺寸以能同时和第二脉冲磁场线圈放置在第二环型磁轭的矩形框架型空腔内部为限制。
第一脉冲磁场线圈是传统的线圈，由铜线绕制而成，几何尺寸以能同时和第一恒定磁场线圈放置在第一环型磁轭的矩形框架型空腔内部为限制。
第二脉冲磁场线圈是传统的线圈，由铜线绕制而成，几何尺寸以能同时和第二恒定磁场线圈放置在第二环型磁轭的矩形框架型空腔内部为限制。
脉冲力线圈7采用传统的线圈，由铜线绕制而成。
所述第一、二环型磁轭包括一空腔，第一、二环型磁轭的截面呈一带间隙的矩形框架型，第一环型磁轭3.1的间隙开设于下边，第二环型磁轭3.2的间隙开设于上边。
所述第一恒定磁场线圈1.1位于第一环型磁轭3.1的空腔上部区域，所述第二恒定磁场线圈1.2位于第二环型磁轭3.2的空腔下部区域；第一恒定磁场线圈1.1、第二恒定磁场线圈1.2均连接直流电源5；
所述第一脉冲磁场线圈2.1位于第一环型磁轭3.1的空腔下部区域，所述第二脉冲磁场线圈2.2位于第二环型磁轭3.2的空腔上部区域；第一脉冲磁场线圈2.1、第二脉冲磁场线圈2.2均连接脉冲电源4。
脉冲电源4采用脉冲电容器100uF。
直流电源5采用直流蓄电池400V。
所述第一、二脉冲磁场线圈中部开设有轴向通槽；第一、二脉冲磁场线圈的轴向通槽分别与第一、二环型磁轭开设的间隙对应。第一、二脉冲磁场线圈中部开设有轴向通槽,是为了放置待成形金属管件。第一、二脉冲磁场线圈的轴向通槽分别与第一、二环型磁轭开设的间隙对应，是为了配合环型磁轭放置待成形金属管件6。
所述第一环型磁轭3.1的间隙位于环型磁轭的下边中间位置，第二环型磁轭3.2的间隙位于环型磁轭的上边中间位置。
所述环型磁轭的间隙内侧环形边缘较待成形金属管件6的内径小0.2-0.5mm，所述环型磁轭的间隙外侧环形边缘较待成形金属管件6的外径大0.2-0.5mm。使待成形金属管件6与环型磁轭的间隙不存在接触，没有摩擦力。
所述环型磁轭由厚度为0.2mm的绝缘硅钢片叠制而成。可使第一、二环型磁轭中没有感应涡流，减少损耗。硅钢片过薄成本增加，过厚则损耗增加。
所述待成形金属管件6为一圆形管件；待成形金属管件6厚度为2-5mm；待成形金属管件6的两端分别位于第一环型磁轭3.1的间隙和第二环型磁轭3.2的间隙内，且待成形金属管件6和环型磁轭的中心轴重合。待成形金属管件6的两端分别位于第一环型磁轭3.1的间隙和第二环型磁轭3.2的间隙内，可增加待成形金属管件6处的径向恒定磁场。待成形金属管件6和环型磁轭的中心轴重合，则是为了产生轴向对称的径向恒定磁场。
一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的方法， 将第一恒定磁场线圈1.1置于第一环型磁轭3.1的空腔上部区域，将第二恒定磁场线圈1.2置于第二环型磁轭3.2的空腔下部区域；
将第一脉冲磁场线圈2.1置于第一环型磁轭3.1的空腔下部区域，使其轴向通槽与第一环型磁轭3.1的间隙对齐；
将第二脉冲磁场线圈2.2置于第二环型磁轭3.2的空腔上部区域，使其轴向通槽与第二环型磁轭3.2的间隙对齐；
将待成形金属管件6的两端分别置于第一环型磁轭3.1和第二环型磁轭3.2的间隙内；将脉冲力线圈7置于待成形金属管件6的内部；
恒定磁场线圈、脉冲磁场线圈、环型磁轭、待成形金属管件6、脉冲力线圈7轴线重合；
采用直流电源给第一、二恒定磁场线圈供电，在环型磁轭的间隙中产生径向恒定磁场；
采用脉冲电源给第一、二脉冲磁场线圈供电，产生脉冲电流、变化的磁场，变化的磁场在待成形金属管件6中产生环向感应涡流；法拉第电磁感应定律：变化的磁场产生电场，并在导体内部形成涡流；涡流的分布与导体的形状相关，故为环向感应涡流。
径向恒定磁场与环向感应涡流相互作用，产生轴向脉冲电磁力，其中待成形金属管件6的上端受到向下的轴向脉冲电磁力，待成形金属管件6的下端受到向上的轴向脉冲电磁力；F=J×B，故径向恒定磁场与环向感应涡流相互作用产生轴向脉冲电磁力；同时根据需要使待成形金属管件6的上端受到向下的轴向脉冲电磁力，使待成形金属管件6的下端受到向上的轴向脉冲电磁力。
脉冲力线圈7为待成形金属管件6施加电磁胀形力，使待成形金属管件6在轴向压缩的状态下完成管件胀形。脉冲力线圈7提供的脉冲电流将在待成形金属管件6中部产生方向相反的感应涡流，脉冲电流与感应涡流方向相反，为待成形金属管件6提供电磁胀形力。同时，第一、二恒定磁场线圈与第一、二脉冲磁场线圈为待成形金属管件6提供轴向压缩力，故使待成形金属管件6在轴向压缩的状态下完成管件胀形。
径向向内的恒定磁场与顺时针方向的环向感应涡流作用产生向下的轴向脉冲电磁力；或者，径向向外的恒定磁场与逆时针方向的环向感应涡流作用产生向下的轴向电磁力。F=J×B，电磁力的方向满足左手定则。
径向向内的恒定磁场与逆时针方向的环向感应涡流作用产生向上的轴向电磁力；或者径向向外的恒定磁场与顺时针方向的环向感应涡流作用产生向上的轴向电磁力。F=J×B，电磁力的方向满足左手定则。
Claims (8)
1.一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置，其特征在于：
用于在待成形金属管件（6）端部产生径向恒定磁场的第一恒定磁场线圈（1.1）、第二恒定磁场线圈（1.2）；
用于在待成形金属管件（6）端部产生感应涡流的第一脉冲磁场线圈（2.1）、第二脉冲磁场线圈（2.2）；
径向恒定磁场与环向感应涡流相互作用，产生轴向脉冲电磁力，其中待成形金属管件（6）的上端受到向下的轴向脉冲电磁力，待成形金属管件（6）的下端受到向上的轴向脉冲电磁力；
用于构成恒定磁场磁回路的第一环型磁轭（3.1）、第二环型磁轭（3.2）；第一环型磁轭（3.1）位于待成形金属管件（6）的上端，第二环型磁轭（3.2）位于待成形金属管件（6）的下端；待成形金属管件（6）的两端分别位于第一环型磁轭（3.1）的间隙和第二环型磁轭（3.2）的间隙内；
用于给待成形金属管件（6）提供电磁胀形的脉冲力线圈（7）；
所述第一、二环型磁轭包括一空腔，第一、二环型磁轭的截面呈一带间隙的矩形框架型，第一环型磁轭（3.1）的间隙开设于下边，第二环型磁轭（3.2）的间隙开设于上边；
所述第一恒定磁场线圈（1.1）位于第一环型磁轭（3.1）的空腔上部区域，所述第二恒定磁场线圈（1.2）位于第二环型磁轭（3.2）的空腔下部区域；第一恒定磁场线圈（1.1）、第二恒定磁场线圈（1.2）均连接直流电源（5）；
所述第一脉冲磁场线圈（2.1）位于第一环型磁轭（3.1）的空腔下部区域，所述第二脉冲磁场线圈（2.2）位于第二环型磁轭（3.2）的空腔上部区域；第一脉冲磁场线圈（2.1）、第二脉冲磁场线圈（2.2）均连接脉冲电源（4）；
所述第一、二脉冲磁场线圈中部开设有轴向通槽；第一、二脉冲磁场线圈的轴向通槽分别与第一、二环型磁轭开设的间隙对应。
2.根据权利要求1所述一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置，其特征在于：所述第一环型磁轭（3.1）的间隙位于环型磁轭的下边中间位置，第二环型磁轭（3.2）的间隙位于环型磁轭的上边中间位置。
3.根据权利要求1所述一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置，其特征在于：所述环型磁轭的间隙内侧环形边缘较待成形金属管件（6）的内径小0.2-0.5mm，所述环型磁轭的间隙外侧环形边缘较待成形金属管件（6）的外径大0.2-0.5mm。
4.根据权利要求1所述一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置，其特征在于：所述环型磁轭由厚度为0.2mm的绝缘硅钢片叠制而成。
5.根据权利要求1所述一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置，其特征在于：所述待成形金属管件（6）为一圆形管件；待成形金属管件（6）厚度为2-5mm；待成形金属管件（6）的两端分别位于第一环型磁轭（3.1）的间隙和第二环型磁轭（3.2）的间隙内，且待成形金属管件（6）和环型磁轭的中心轴重合。
6.一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的方法，其特征在于：将第一恒定磁场线圈（1.1）置于第一环型磁轭（3.1）的空腔上部区域，将第二恒定磁场线圈（1.2）置于第二环型磁轭（3.2）的空腔下部区域；
将第一脉冲磁场线圈（2.1）置于第一环型磁轭（3.1）的空腔下部区域，使其轴向通槽与第一环型磁轭（3.1）的间隙对齐；
将第二脉冲磁场线圈（2.2）置于第二环型磁轭（3.2）的空腔上部区域，使其轴向通槽与第二环型磁轭（3.2）的间隙对齐；
将待成形金属管件（6）的两端分别置于第一环型磁轭（3.1）和第二环型磁轭（3.2）的间隙内；将脉冲力线圈（7）置于待成形金属管件（6）的内部；
恒定磁场线圈、脉冲磁场线圈、环型磁轭、待成形金属管件（6）、脉冲力线圈（7）轴线重合；
采用直流电源给第一、二恒定磁场线圈供电，在环型磁轭的间隙中产生径向恒定磁场；
采用脉冲电源给第一、二脉冲磁场线圈供电，产生脉冲电流、变化的磁场，变化的磁场在待成形金属管件（6）中产生环向感应涡流；
径向恒定磁场与环向感应涡流相互作用，产生轴向脉冲电磁力，其中待成形金属管件6的上端受到向下的轴向脉冲电磁力，待成形金属管件（6）的下端受到向上的轴向脉冲电磁力；
脉冲力线圈（7）为待成形金属管件（6）施加电磁胀形力，使待成形金属管件（6）在轴向压缩的状态下完成管件胀形。
7.根据权利要求6所述一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的方法，其特征在于：径向向内的恒定磁场与顺时针方向的环向感应涡流作用产生向下的轴向脉冲电磁力；或者，径向向外的恒定磁场与逆时针方向的环向感应涡流作用产生向下的轴向电磁力。
8.根据权利要求6所述一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的方法，其特征在于：径向向内的恒定磁场与逆时针方向的环向感应涡流作用产生向上的轴向电磁力；或者径向向外的恒定磁场与顺时针方向的环向感应涡流作用产生向上的轴向电磁力。
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Application publication date: 20190705 Assignee: Hubei Feiou Commercial Management Co.,Ltd. Assignor: CHINA THREE GORGES University Contract record no.: X2023980045280 Denomination of invention: A device and method for achieving electromagnetic bulging and axial compression of pipe fittings using radial constant magnetic field and induced eddy current Granted publication date: 20200616 License type: Common License Record date: 20231102 |
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