CN111014419A - 一种电磁成形过程中电效应解耦的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电磁成形过程中电效应解耦的装置，包括脉冲放电回路、磁场产生装置、集磁器、电磁屏蔽模块和驱动圆环，脉冲放电回路用于给磁场产生装置提供脉冲电流；磁场产生装置用于根据脉冲电流产生驱动磁场；集磁器用于将驱动磁场集中在驱动圆环附近；电磁屏蔽模块用于在轴向方向上屏蔽工件上的磁场；驱动圆环用于在径向方向上屏蔽工件上的磁场，并利用其自身的感应电流和驱动磁场相互作用并产生电磁力驱动自身和工件同时发生形变；通过电磁屏蔽模块和驱动圆环有效的屏蔽电磁场在工件上的感应涡流，将电流的作用及电流产生的高温作用从工件上解耦，实现电磁成形过程中电流的解耦，分离电流和高速变形在电磁成形中的作用。

Description

一种电磁成形过程中电效应解耦的装置
技术领域
本发明属于成形技术领域，更具体地，涉及一种电磁成形过程中电效应解耦的装置。
背景技术
电磁成形技术是一种室温环境下，高速、高温升、大电流共同作用的新型高速成形方法，电磁成形可以大大提高铝合金、镁合金等在室温下难以成形的轻质金属的成形性能，扩展轻质金属在交通运输、航空航天等领域的应用范围，加速相关领域轻量化的进程。
但电磁成形技术仍在研究阶段，电磁成形过程中材料内部同时受到高应变率、高温升和大电流的作用，其变形机理复杂、难以研究。同时，电磁成形过程中工件高速变形的驱动力、温升的热源均来自大电流的作用，多物理场相互耦合、电流难以从电磁成形过程中解耦研究，成为阻碍电磁成形技术的研究、发展、应用的一大障碍。
电磁胀环实验作为一个一维单轴拉伸的简单电磁成形过程，通常被用作研究电磁成形过程中材料变形机理的方法。电磁胀环实验的原理是利用电磁线圈产生磁场，在金属环中感应电流，感应电流和磁场相互作用产生电磁力并驱动金属环胀形，可以很好地体现材料在电磁成形过程中同时受到高速率拉伸、大电流、高温升作用下的力学性能，但现有的电磁胀环实验难以将各影响因素解耦研究。
目前，对电磁成形过程中的多因素解耦研究通常分为高速变形行为研究和电塑性效应研究两部分。高速变形行为常用研究方法有霍普金森杆和电磁驱动高速率拉伸试验，电塑性效应研究的常用研究方法为通电的准静态拉伸试验。首先，霍普金森杆和电磁驱动高速率拉伸试验均为杆状拉伸试样，存在一定的端部效应；其次，电磁成形过程并非一个均匀的拉伸过程，霍普金森杆和电磁驱动高速率拉伸试验均不能完美等效电磁成形中材料的变形过程；而电塑性效应研究虽在研究大电流作用上被广泛应用，但该方法始终是准静态过程，且电流等级和电磁成形过程中的电流等级有一定的差距。单纯的将两个因素单独研究并不能很好地代表电磁成形中的材料变形过程。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电磁成形过程中电效应解耦的装置，旨在解决现有的电磁成形过程中，电流提供巨大的电磁力驱动工件变形的同时，巨大的电流本身和其导致的焦耳热效应对材料变形行为产生很大影响，电流、热和高速变形的作用相互耦合、物理过程复杂且变量多，导致各物理量对材料变形行为的影响难以解耦的问题。
本发明提供了一种电磁成形过程中电效应解耦的装置，包括：脉冲放电回路、磁场产生装置、集磁器、电磁屏蔽模块和驱动圆环；脉冲放电回路与磁场产生装置相连，用于给磁场产生装置提供脉冲电流；磁场产生装置用于根据脉冲电流产生驱动磁场；集磁器用于将驱动磁场集中在驱动圆环附近；电磁屏蔽模块用于在轴向方向上屏蔽工件上的磁场；驱动圆环用于在径向方向上屏蔽工件上的磁场，并利用其自身的感应电流和驱动磁场相互作用并产生电磁力驱动自身和工件同时发生形变；工作时，通过电磁屏蔽模块和驱动圆环有效的屏蔽电磁场在工件上的感应涡流，将电流的作用及电流产生的高温作用从工件上解耦，实现电磁成形过程中电流的解耦，分离电流和高速变形在电磁成形中的作用。
进一步优选地，电磁屏蔽模块包括两个上下设置且对称的屏蔽单元，每个屏蔽单元包括金属圆环、绝缘加固层和螺杆，绝缘加固层设置于金属圆环的外侧，螺杆用于固定所述电磁屏蔽模块。
进一步优选地，电磁屏蔽模块还包括金属屏蔽板，嵌设于绝缘加固层中，用于实现电磁屏蔽模块在放电过程中不会发生形变。其中金属屏蔽板可重复利用。
进一步优选地，驱动圆环为一个由高导电率材料制成的金属圆环，驱动圆环的外直径和工件内直径相同，工作时驱动圆环与所述工件紧贴在一起，在电磁力的作用下和工件一起发生形变。
进一步优选地，金属屏蔽板的高度和驱动圆环的厚度均大于脉冲放电电流的集肤深度。
其中，驱动圆环的高度大于工件的高度。进一步优选地，驱动圆环的高度可以为工件高度的1.5～2倍。
进一步优选地，驱动圆环和工件的直径均远大于其自身的截面积高度和宽度。
进一步优选地，磁场产生装置、集磁器、驱动圆环和工件同轴放置在空间中，且水平中心平面相同。
磁场屏蔽模块上下对称，中间留出足够驱动圆环和工件运动的空间，由上下各两个螺杆固定，保证工件在运动过程中没有受到轴向方向的电磁力，且没有阻碍的进行径向运动。
进一步优选地，集磁器为一个截面为梯形的金属圆环，集磁器由高导电率(＞20×106S·m-1)非铁磁材料(如铜、铝)制成。集磁器并非完整的圆环，而在其某一个径向方向有一个从内到外的缺口，抑制集磁器中产生环向感应涡流，实现集磁的功能。集磁器内侧长边与螺线管线圈高度相同，集磁器外侧短边与驱动圆环高度相同，集磁器固定在磁场发生装置外侧。使磁场最大程度的集中在驱动圆环附近，使放电能量的利用效率最高，固定在磁场产生装置的外侧，防止重复测试中的移动。
进一步优选地，磁场产生装置为一个螺线管线圈，绕制在一个工字型线圈骨架上，并用绝缘加固材料加固，外侧的绝缘加固层很薄，和集磁器紧贴。磁场产生装置包括：绕制在工字型线圈骨架上的螺线管线圈以及绝缘加固材料，绝缘加固材料用于加固，且绝缘加固材料的外侧与集磁器紧贴。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有如下技术优点：
本发明由于在原有的电磁成形装置上增加了电磁屏蔽模块和驱动圆环，通过电磁屏蔽模块和驱动圆环有效的屏蔽电磁场在工件上的感应涡流，将电流的作用及电流产生的高温作用从工件上解耦，实现电磁成形过程中电流的解耦，分离电流和高速变形在电磁成形中的作用。
本发明中进一步的通过将金属屏蔽板嵌设于绝缘加固层中，保证了电磁屏蔽模块在放电过程中不会发生形变。且金属屏蔽板可重复利用。另外，本发明还将磁场产生装置设置为多匝螺线管线圈，其内部的骨架和外部的绝缘加固层具有足够的强度，可以保证螺线管线圈在放电过程中不会发生形变。
本发明中进一步地将集磁器设置为一个截面为梯形的金属圆环，由高导电率(＞20×106S·m-1)非铁磁材料(如铜、铝)制成，其内侧长边与螺线管线圈高度相同，外侧短边与驱动圆环高度相同，使磁场最大程度的集中在驱动圆环附近，使放电能量的利用效率最高，固定在磁场产生装置的外侧，防止重复测试中的移动。集磁器并非完整的圆环，而在其某一个径向方向有一个从内到外的缺口，抑制集磁器中产生环向感应涡流，实现集磁的功能。
本发明中进一步地将电磁屏蔽模块中的金属圆环和驱动圆环均采用高导电率材料制成，且电磁屏蔽模块中的金属屏蔽板高度和驱动圆环的厚度均大于脉冲放电电流的集肤深度，感应涡流由于集肤效应集中在电磁屏蔽模块的金属圆环和驱动圆环中，从而保证工件中无电流产生。另外，本发明还将驱动圆环的高度设置为高于工件的高度，优选地，驱动圆环的高度大约为工件高度的1.5～2倍，可以保证电流的更好的屏蔽效果。
同时，进一步优选地，驱动圆环和工件的直径均远大于其自身的截面积高度和宽度，工件截面上各个位置的变形可以近似认为是均匀的，则其变形过程可近似为一维单轴拉伸。
本发明中进一步地将磁场产生装置、集磁器、驱动圆环和工件同轴放置在空间中，且水平中心平面相同，磁场屏蔽模块上下对称，中间留出足够驱动圆环和工件运动的空间，由上下各两个螺杆固定，保证工件在运动过程中没有受到轴向方向的电磁力，且没有阻碍的进行径向运动。
本发明中还通过调控放电电压，可以方便、有效的调控工件变形的速度，放电电压越大，放电能量越高，驱动材料变形的力也就越大，材料的变形速度越快。可以实现材料在不同速度下的高速一维单轴拉伸，其最大速度可以达到102m/s量级，最大应变率可达到105s-1。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电磁成形过程中电效应解耦的装置的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的磁场产生装置结构示意图。
图3是本发明实施例提供的集磁器结构及装配示意图。
图4是本发明实施例提供的电磁成形过程中电效应解耦的装置装配图。
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。
图1示出了本发明实施例提供的电磁成形过程中电效应解耦的装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
电磁成形过程中电效应解耦的装置包括：脉冲放电回路1、磁场产生装置2、集磁器3、电磁屏蔽模块4和驱动圆环5；脉冲放电回路1与磁场产生装置2相连，用于产生脉冲电流并给磁场产生装置2提供脉冲电流，磁场产生装置2在脉冲电流的作用下产生驱动磁场，集磁器3用于将驱动磁场集中在驱动圆环5附近，电磁屏蔽模块4用于在轴向方向上屏蔽工件附近的磁场；驱动圆环5用于在径向上屏蔽工件附近的磁场，并提供驱动工件膨胀的驱动力。在电磁屏蔽模块4和驱动圆环5共同作用，屏蔽工件上的磁场，并利用驱动圆环5上的感应电流和驱动磁场相互作用，产生电磁力驱动自身和工件同时发生形变。
脉冲放电回路1包括：电容11、线路电阻12和开关13。电容11作为整个装置的电源，为工件的变形提供驱动能量；线路电阻12是线路上不可避免的电阻；开关13用于控制电容11的放电。
磁场产生装置2结构图如图2所示，磁场产生装置2包括：螺线管线圈21、环氧线圈骨架22、压铜接线端23、四个螺纹孔24。螺线管线圈21为磁场产生装置2的主体，串接在脉冲放电回路1中，用于在脉冲电流流过时产生脉冲磁场；环氧线圈骨架22用于固定螺线管线圈21，防止螺线管线圈21在放电过程中受到电磁力的作用而发生形变；压铜接线端23为螺线管线圈21的进出线接口，便于和脉冲放电回路1相连；螺纹孔24用于固定电磁屏蔽装置4的位置，保证驱动圆环5和工件6在每次测试中有足够且固定的运动区域。
本发明实施例中，螺线管线圈21为单层4匝的线圈，绕制在工字型环氧线圈骨架22上，将玻璃纤维缠绕在线圈外层用于加固，在工字型环氧线圈骨架22的上下两端开两个槽，将线圈的进出线从槽中引出，并用环氧胶填充空隙加固，线圈的进出线分别连接压铜接线端子23，用于接入脉冲放电回路。工字型环氧线圈骨架22的侧面开有四个螺纹孔24，用于电磁屏蔽装置的固定。其中环氧胶和玻璃纤维等加固材料没有画出。
本发明实施例中，集磁器3是一个截面为梯形的圆环，梯形的内侧长边长度与螺线管线圈21的高度相同，外侧短边与驱动圆环5的高度相同，在径向方向有一个开口31，集磁器示意图如图3所示，本实例中集磁器3采用纯铜制成。集磁器的内侧与磁场发生器2紧密贴合，并用环氧胶固定。
本发明实施例中，驱动圆环5和金属屏蔽板41均由纯铜制成，金属屏蔽板41嵌在环氧制成的绝缘加固层42中，上下两个电磁屏蔽模块分别由两个螺杆43固定在磁场发生器2上，固定后其中间的空隙应刚好略大于驱动圆环5的高度，使驱动圆环5可以在中间通道上推动工件6自由胀形。磁场屏蔽模块4的结构及装配示意图如图4所示。
本发明利用上述电磁成形过程中电效应解耦装置实现的电效应解耦的高速一维单轴拉伸测试，其具体操作步骤如下：
(1)先将下侧的磁场屏蔽装置4装配在磁场发生装置2外侧，旋入螺杆将其固定好，再依次将驱动圆环5和工件6套在磁场发生装置2外侧，保证驱动圆环和工件在磁场发生装置的中心平面上，驱动圆环和工件紧贴，再将上侧磁场屏蔽装置4装配在磁场发生装置2的外侧上方，旋入螺杆固定；
(2)将磁场发生装置2串接在脉冲放电回路中，电容11充电到给定的放电电压，闭合脉冲放电回路的开关13，电容11对磁场发生装置2放电，磁场发生装置2在脉冲电流流过的过程中，产生交变的磁场；
(3)交变磁场在集磁器3中感应出内外侧方向相反的涡流，将磁场集中在外侧表面附近，即驱动圆环5附近；
(4)驱动圆环5和电磁屏蔽模块4的金属屏蔽板41在以上的磁场中，感应出涡流，同时屏蔽了工件6中涡流的产生；
(5)驱动圆环5中的涡流和背景磁场相互作用，产生电磁力推动驱动圆环5和工件6一起发生膨胀变形，从而实现电效应解耦的高速一维单轴拉伸。
(6)重复测量可替换成新的驱动圆环5和工件6重复步骤(1)至(5)，改变变形速度则改变步骤(2)中给定的放电电压，其他步骤保持相同。
本发明利用上述装置进行测试时，测试工件的拉伸应变率可以达到105s-1，和目前电磁成形过程中的应变率在同一个量级，同时该装置屏蔽了测试工件在电磁成形过程中感应涡流的产生，屏蔽了电流的热效应和电效应在高速拉伸过程中对材料性能的影响，实现了电磁成形过程的电效应解耦。
本发明利用该装置进行电磁驱动的高速一维单轴拉伸测试的方法，利用该方法可以通过调控放电电压实现材料在不同速度下的高速一维单轴拉伸测试，应变率可以在103～105s-1范围内调控，操作简单，没有骨头形拉伸样件的端部效应，也没有电磁成形(电磁胀环)中电流产生的电效应和热效应，是一种装置简单、易于调控的高速拉伸测试方法。同时，利用该方法和电磁胀环方法结果比较，可以得到电磁成形过程中电流对材料变形行为的影响，是一种研究电磁成形中电效应的手段。
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 (9)

1.一种电磁成形过程中电效应解耦的装置，其特征在于，包括：脉冲放电回路、磁场产生装置、集磁器、电磁屏蔽模块和驱动圆环；
所述脉冲放电回路与所述磁场产生装置相连，用于给所述磁场产生装置提供脉冲电流；
所述磁场产生装置用于根据所述脉冲电流产生驱动磁场；
所述集磁器用于将所述驱动磁场集中在所述驱动圆环附近；
所述电磁屏蔽模块用于在轴向方向上屏蔽工件的磁场；
所述驱动圆环用于在径向方向上屏蔽工件的磁场，并利用其自身的感应电流和驱动磁场相互作用产生电磁力，驱动自身和工件同时发生径向膨胀；
工作时，通过所述电磁屏蔽模块和所述驱动圆环有效的屏蔽电磁场在工件上的感应涡流，将电流的作用及电流产生的高温作用从工件上解耦，实现电磁成形过程中电流的解耦，分离电流和高速变形在电磁成形中的作用。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁屏蔽模块包括两个上下设置且对称的屏蔽单元；
每个屏蔽单元包括圆环形金属屏蔽板、绝缘加固层和螺杆，所述金属屏蔽板嵌设于所述绝缘加固层中，用于支撑金属屏蔽板，防止金属屏蔽板在电磁力的作用下发生形变，所述螺杆用于将所述电磁屏蔽模块固定在特定位置。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述金属屏蔽板的高度和所述驱动圆环的厚度均大于脉冲放电电流的集肤深度。
4.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述驱动圆环为一个由高导电率材料制成的金属圆环，所述驱动圆环的外直径和工件内直径相同，工作时所述驱动圆环与所述工件紧贴在一起，在电磁力的作用下和工件一起发生形变。
5.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述驱动圆环的高度大于工件的高度。
6.如权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述驱动圆环的直径均远大于其自身的截面积高度和宽度。
7.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述磁场产生装置、所述集磁器、所述驱动圆环和所述工件同轴放置且水平中心平面相同。
8.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述磁场产生装置包括：绕制在线圈骨架上的螺线管线圈以及绝缘加固材料，所述绝缘加固材料用于加固，且所述磁场产生装置外侧表面与集磁器紧贴。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述集磁器为一个截面为梯形的金属圆环，所述集磁器由高导电率非铁磁材料制成，所述集磁器内侧长边与螺线管线圈高度相同，所述集磁器外侧短边与驱动圆环高度相同。
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