CN109967594B - 一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置及方法，用于给待成形金属管件提供成形力的脉冲力线圈；位于待成形金属管件上、下端的第一环型磁轭、第二环型磁轭；所述第一、二环型磁轭的截面呈一带间隙的矩形框架型；环型磁轭的空腔内设有恒定磁场线圈；恒定磁场线圈用于在待成形金属管件端部产生径向恒定磁场；环型磁轭的空腔内设有脉冲磁场线圈，脉冲磁场线圈用于在待成形金属管件端部产生感应涡流；脉冲磁场线圈均开有一轴向通槽，通槽的位置与环型磁轭的间隙对应。本发明一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置及方法，在管件压缩的过程中通过轴向电磁拉力减少材料的轴向流动，可以有效的抑制管件起皱。
Description
技术领域
本发明属于金属加工领域，特别涉及一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置及方法，主要用于抑制金属管件压缩过程中的起皱现象。
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。然后，由于金属管件压缩过程中的起皱失稳问题，使其在工程领域的应用和制造受到了很大程度的制约。
文献“金属薄壁管件外压缩径成形理论及实验研究（中国有色金属学报，第28卷第3期，586-593）” 对金属薄壁管件缩径成形过程中的弹塑性失稳规律进行研究，提出预测缩径褶皱、提高成形件质量的方法及技术手段；同时，基于 L. H. Donnell 线性屈曲理论，推导了管坯均布外压作用下的环向弹性及塑性起皱临界载荷表达式；探讨了成形条件及材料参数对管材抗起皱性能强弱的影响。然而，该文献只对管件起皱的理论进行了相关研究，并未提出较为合理的方法解决管件压缩起皱问题。
中国专利“一种耦合冷却式管件柔性电磁成形方法及装置（CN 108405700 A）” 公开了一种耦合冷却式管件柔性电磁成形方法及装置，包括用于产生脉冲强磁场的多匝多层主线圈；用于帮助所述多匝多层主线圈增强耦合效应的柔性电磁力线圈；带走所述多匝多层主线圈热量、实现让所述多匝多层主线圈降温的耦合降温线圈；用于加快耦合降温线圈热量耗散的压缩空气冷凝管；用于给所述多匝多层主线圈供电的脉冲电源、控制开关。然而，这一专利仅实现了径向力轴向分布的可控性，对管件压缩起皱的效果甚小。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置及方法，在管件压缩的过程中通过轴向电磁拉力减少材料的轴向流动，可以有效的抑制管件压缩时的起皱失稳问题。
本发明采取的技术方案为：
一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置，包括：
用于给待成形金属管件提供成形力的脉冲力线圈；
位于待成形金属管件上端的第一环型磁轭、位于待成形金属管件下端的第二环型磁轭；
所述第一、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矩形框架型下边，第二环型磁轭的间隙开设于矩形框架型上边；所述第一、二环型磁轭用于构成恒定磁场磁回路；
所述第一环型磁轭的空腔内设有第一恒定磁场线圈，所述第二环型磁轭的空腔内设有第二恒定磁场线圈；所述第一、二恒定磁场线圈用于在待成形金属管件端部产生径向恒定磁场；第一恒定磁场线圈、第二恒定磁场线圈分别连接第一直流电源、第二直流电源；
所述第一环型磁轭的空腔内设有第一脉冲磁场线圈，所述第二环型磁轭的空腔内设有第二脉冲磁场线圈；所述第一、二脉冲磁场线圈用于在待成形金属管件端部产生感应涡流；所述第一、二脉冲磁场线圈均开有一轴向通槽，通槽的位置与环型磁轭的间隙对应；第一脉冲磁场线圈、第二脉冲磁场线圈分别连接第一脉冲电源、第二脉冲电源；
所述间隙的宽度较待成形金属管件的壁厚大0.2-0.5mm。
所述第一、二环型磁轭由厚度为0.2mm的绝缘硅钢片叠制而成。
所述第一恒定磁场线圈靠近第一环型磁轭内部上部区域，第二恒定磁场线圈靠近第二环型磁轭的空腔内部下部区域。
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；待成形金属管件的上、下两端分别位于第一环型磁轭、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。
一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的方法， 将第一恒定磁场线圈置于第一环型磁轭的内部空腔上部区域，将第二恒定磁场线圈置于第二环型磁轭的内部空腔下部区域；
将第一脉冲磁场线圈置于第一环型磁轭的内部空腔下部区域，第一脉冲磁场线圈的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内部空腔上部区域，第二脉冲磁场线圈的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外部；
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；
采用直流电源给恒定磁场线圈供电，在环型磁轭的间隙中产生恒定磁场，其中间隙处的待成形金属管件中的恒定磁场为径向分量；
采用脉冲电源给脉冲磁场线圈供电，产生脉冲电流、变化的磁场，变化的磁场在带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上的轴向脉冲电磁力，待成形金属管件的下端受到向下的轴向脉冲电磁力；
脉冲力线圈为待成形金属管件施加径向压缩力，使待成形金属管件在轴向电磁拉力的状态下完成管件压缩。
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脉冲电磁力；或者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。
本发明一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置及方法，在管件压缩的过程中通过轴向电磁拉力减少材料的轴向流动，可以有效的抑制管件起皱。
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为采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置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；
3.1-第一环型磁轭，3.2-第二环型磁轭；
4.1-第一脉冲电源，4.2-第二脉冲电源；
5.1-第一直流电源，5.2-第二直流电源；
6-待成形金属管件；
7-脉冲力线圈；
8-轴向通槽；
9-间隙。
具体实施方式
如图1所示，一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置，包括：
用于给待成形金属管件6提供成形力的脉冲力线圈7；
位于待成形金属管件6上端的第一环型磁轭3.1、位于待成形金属管件6下端的第二环型磁轭3.2；
所述第一、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的间隙开设于矩形框架型下边中部，第二环型磁轭3.2的间隙开设于矩形框架型上边中部；所述第一、二环型磁轭用于构成恒定磁场磁回路；
所述第一环型磁轭3.1的空腔内设有第一恒定磁场线圈1.1，所述第二环型磁轭3.2的空腔内设有第二恒定磁场线圈1.2；所述第一、二恒定磁场线圈用于在待成形金属管件6端部产生径向恒定磁场；第一恒定磁场线圈1.1、第二恒定磁场线圈1.2分别连接第一直流电源5.1、第二直流电源5.2。
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3.1的矩形框架型内部为限制。
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3.2的矩形框架型内部为限制。
第一直流电源5.1、第二直流电源5.2均采用直流蓄电池400V。
所述第一环型磁轭3.1的空腔内设有第一脉冲磁场线圈2.1，所述第二环型磁轭3.2的空腔内设有第二脉冲磁场线圈2.2；所述第一、二脉冲磁场线圈用于在待成形金属管件6端部产生感应涡流；所述第一、二脉冲磁场线圈均开有一轴向通槽，通槽的位置与环型磁轭的间隙对应；第一脉冲磁场线圈2.1、第二脉冲磁场线圈2.2分别连接第一脉冲电源4.1、第二脉冲电源4.2。
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3.1的矩形框架型内部为限制。
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3.2的矩形框架型内部为限制。
第一脉冲电源4.1、第二脉冲电源4.2均采用脉冲电容器100uF。
所述间隙的宽度较待成形金属管件6的壁厚大0.2-0.5mm。
所述第一、二环型磁轭由厚度为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。
所述第一恒定磁场线圈1.1靠近第一环型磁轭3.1内部上部区域，第二恒定磁场线圈1.2靠近第二环型磁轭3.2的空腔内部下部区域。
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的上、下两端分别位于第一环型磁轭3.1、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。
一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的方法，
将第一恒定磁场线圈1.1置于第一环型磁轭3.1的内部空腔上部区域，将第二恒定磁场线圈1.2置于第二环型磁轭3.2的内部空腔下部区域；
将第一脉冲磁场线圈2.1置于第一环型磁轭3.1的内部空腔下部区域，第一脉冲磁场线圈2.1的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的内部空腔上部区域，第二脉冲磁场线圈2.2的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的外部；
将脉冲力线圈7置于待成形金属管件6的外部，并使脉冲力线圈7与待成形金属管件6的中平面重合。
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；
采用直流电源给恒定磁场线圈供电，在环型磁轭的间隙中产生恒定磁场，其中间隙处的待成形金属管件6中的恒定磁场为径向分量；第一环型磁轭3.1的间隙开设于矩形框架型下边中部，由于恒定磁场在第一环型磁轭与气隙组成的磁路中分布，故其中间隙处的待成形金属管件6中的恒定磁场为径向分量。
采用脉冲电源给脉冲磁场线圈供电，产生脉冲电流、变化的磁场，变化的磁场在带成形金属管件中产生环向感应涡流。根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场产生电场，并在金属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的上端受到向上的轴向脉冲电磁力，待成形金属管件6的下端受到向下的轴向脉冲电磁力；F=JXB，电磁力的方向取决于电流和恒定磁场的方向，遵守左手定则。
脉冲力线圈7为待成形金属管件6施加径向压缩力，使待成形金属管件6在轴向电磁拉力的状态下完成管件压缩。脉冲力线圈7中的脉冲电流与待成形金属管件6成形区域内的感应涡流方向相反，故施加了径向压缩力；同时待成形金属管件6在轴向电磁拉力的状态下完成管件压缩。
金属管件起皱的主要原因来自于管件压缩时空间变小而材料体积几乎不变导致的，基于此，施加轴向电磁拉力使管件在轴向上减少流动，即可使变小的空间内材料总量减少，进而减小管件的起皱。
Claims (7)
1.一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置，包括：
用于给待成形金属管件（6）提供成形力的脉冲力线圈（7）；
位于待成形金属管件（6）上端的第一环型磁轭（3.1）、位于待成形金属管件（6）下端的第二环型磁轭（3.2）；
待成形金属管件（6）的上、下两端分别位于第一环型磁轭（3.1）、第二环型磁轭（3.2）的间隙内；
所述第一、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）的间隙开设于矩形框架型下边，第二环型磁轭（3.2）的间隙开设于矩形框架型上边；所述第一、二环型磁轭用于构成恒定磁场磁回路；
所述第一环型磁轭（3.1）的空腔内设有第一恒定磁场线圈（1.1），所述第二环型磁轭（3.2）的空腔内设有第二恒定磁场线圈（1.2）；所述第一、二恒定磁场线圈用于在待成形金属管件（6）端部产生径向恒定磁场；第一恒定磁场线圈（1.1）、第二恒定磁场线圈（1.2）分别连接第一直流电源（5.1）、第二直流电源（5.2）；
所述第一环型磁轭（3.1）的空腔内设有第一脉冲磁场线圈（2.1），所述第二环型磁轭（3.2）的空腔内设有第二脉冲磁场线圈（2.2）；所述第一、二脉冲磁场线圈用于在待成形金属管件（6）端部产生感应涡流；所述第一、二脉冲磁场线圈均开有一轴向通槽，通槽的位置与环型磁轭的间隙对应；第一脉冲磁场线圈（2.1）、第二脉冲磁场线圈（2.2）分别连接第一脉冲电源（4.1）、第二脉冲电源（4.2）；
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）的上端受到向上的轴向脉冲电磁力，待成形金属管件（6）的下端受到向下的轴向脉冲电磁力。
2.根据权利要求1所述一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置，其特征在于：所述间隙的宽度较待成形金属管件（6）的壁厚大0.2-0.5mm。
3.根据权利要求1所述一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置，其特征在于：所述第一、二环型磁轭由厚度为0.2mm的绝缘硅钢片叠制而成。
4.根据权利要求1所述一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置，其特征在于：所述第一恒定磁场线圈（1.1）靠近第一环型磁轭（3.1）内部上部区域，第二恒定磁场线圈（1.2）靠近第二环型磁轭（3.2）的空腔内部下部区域。
5.根据权利要求1所述一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的装置，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）的上、下两端分别位于第一环型磁轭（3.1）、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。
6.一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的方法，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）的内部空腔上部区域，将第二恒定磁场线圈（1.2）置于第二环型磁轭（3.2）的内部空腔下部区域；
将第一脉冲磁场线圈（2.1）置于第一环型磁轭（3.1）的内部空腔下部区域，第一脉冲磁场线圈（2.1）的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）的内部空腔上部区域，第二脉冲磁场线圈（2.2）的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）的外部；
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；
采用直流电源给恒定磁场线圈供电，在环型磁轭的间隙中产生恒定磁场，其中间隙处的待成形金属管件（6）中的恒定磁场为径向分量；
采用脉冲电源给脉冲磁场线圈供电，产生脉冲电流、变化的磁场，变化的磁场在带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（6）的上端受到向上的轴向脉冲电磁力，待成形金属管件（6）的下端受到向下的轴向脉冲电磁力；
脉冲力线圈（7）为待成形金属管件（6）施加径向压缩力，使待成形金属管件（6）在轴向电磁拉力的状态下完成管件压缩。
7.根据权利要求6所述一种采用轴向电磁拉力减小管件压缩时起皱的方法，其特征在于：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脉冲电磁力；或者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。
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