CN111515291B - 一种金属管件的电磁成形装置及方法 - Google Patents

一种金属管件的电磁成形装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属管件的电磁成形装置及方法，属于金属成形制造技术领域，包括：多个成形线圈同轴设置于待成形金属管件的内部；用于约束待成形金属管件的成形形状的成形模具；电源模块，包括多个脉冲电源和放电时序控制模块，多个脉冲电源与多个成形线圈连接；脉冲电源用于向各成形线圈通入脉冲电流，使得待成形金属管件中产生感应涡流，脉冲电流产生的磁场与感应涡流作用产生电磁力，并使待成形金属管件在电磁力的作用下变形至成形模具的形状。本发明通过改变单个成形线圈的放电参数，得到不同的电磁力场分布特性，满足不同的力场需求，解决了传统电磁成形电磁力分布特征单一的问题，能够有效提高电磁成形的灵活性以及金属管件的贴模精度。

Description

一种金属管件的电磁成形装置及方法
技术领域
本发明属于金属成形制造技术领域，更具体地，涉及一种金属管件的电磁成形装置及方法。
背景技术
以镁、铝、钛为代表的轻合金，由于其高强度低密度的物理性能，在汽车制造、航空航天等领域得到广泛应用。但是，该类轻合金在室温下的成形性能差，容易出现起皱破裂等现象。电磁成形技术是一种利用脉冲电磁力对金属坯料进行塑性加工的高能率、高速率的特种成形方法，能够大幅度提高轻合金的成形极限，抑制起皱，同时，还具有简化模具、加工精度高、易实现生产自动化等优势。因此，电磁成形技术已被用于多类金属管件加工。
然而，现有的金属管件电磁成形主要采用单个线圈单套电源的方法，存在的主要问题有：(1)电磁力调节手段单一。当线圈尺寸确定后，电磁力的调控方式仅限于调节放电电压，通过增大或减小不同的放电电压，得到不同的电磁力大小。(2)金属管件上的电磁力分布特征单一，金属管件的成形形貌通常为圆锥形。对于管件长度大于线圈长度的情况，管件上电磁力分布为靠近线圈中心大，延管件两端逐渐减小的特征。改变放电电压仅能够改变电磁力的幅值大小，不能改变力场的分布，成形形貌依然为圆锥形。这种特定的成形形貌会影响金属管件成形的贴模精度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属管件的电磁成形装置及方法，由此解决现有电磁成形技术中电磁力场分布特征单一、金属管件成形形貌单一的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属管件的电磁成形装置，包括：
成形线圈装置，包括多个成形线圈，多个所述成形线圈同轴设置于待成形金属管件的内部；
成形模具，设置于所述待成形金属管件的外部，用于约束待成形金属管件的成形形状；
电源模块，包括多个脉冲电源和放电时序控制模块；所述放电时序控制模块用于控制各脉冲电源的放电时间和放电大小，多个所述脉冲电源与多个所述成形线圈连接；所述脉冲电源用于向所述成形线圈通入脉冲电流，使得所述待成形金属管件中产生感应涡流，所述脉冲电流产生的磁场与所述感应涡流作用产生电磁力，并使所述待成形金属管件在电磁力的作用下变形至所述成形模具的形状。
优选地，所述成形线圈装置还包括连接杆、定位板和配重块；所述连接杆用于连接多个所述成形线圈，所述连接杆的两端分别连接于所述定位板和所述配重块；所述定位板用于定位多个所述成形线圈及所述待成形金属管件的位置；所述配重块用于保证成形线圈装置在电磁成形过程中的稳定性。
优选地，所述连接杆与多个所述成形线圈使用环氧树脂浸渍固化连接。
优选地，所述成形线圈装置包括第一成形线圈、第二成形线圈和第三成形线圈，所述电源模块包括第一脉冲电源和第二脉冲电源；
所述第二脉冲电源连接于所述第二成形线圈，所述第一成形线圈和所述第二成形线圈串联后连接所述第一脉冲电源。
优选地，所述成形线圈装置包括第一成形线圈和第二成形线圈，所述电源模块包括第一脉冲电源和第二脉冲电源；
所述第一脉冲电源连接于所述第二成形线圈，所述第二脉冲电源连接于所述第一成形线圈。
优选地，所述成形模具的结构根据实际需求进行匹配设置。
优选地，当进行自由膨胀时，所述成形模具为柱形腔结构；当进行非自由膨胀时，所述成形模具为与成形形状相一致的结构。
按照本发明的另一方面，提供了一种金属管件的电磁成形方法，包括以下步骤：
将待成形金属管件置于成形模具与成形线圈之间；
通过多个脉冲电源给多个成形线圈供电，使通电后的所述成形线圈产生脉冲磁场，并在所述待成形金属管件中产生感应涡流，所述感应涡流与所述脉冲磁场相互作用产生用于驱动待成形金属管件发生变形的电磁力；
通过所述电磁力使得所述待成形金属管件发生形变；
利用所述放电时序控制模块对各脉冲电源的放电时间和放电大小进行控制，使所述待成形金属管件在电磁力的作用下变形至所述成形模具的形状。
优选地，所述电磁力的方向指向成形模具。
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，具有以下有益效果：
1、通过多个脉冲电源对多个成形线圈进行单独放电，放电时序控制每个成形线圈中通入脉冲电流的大小和时间，可以控制待成形金属管件上电磁力场的分布，以适应不同的实际需求；
2、多个成形线圈产生的电磁力可以根据放电时序控制模块进行调节，进而在待成形金属管件上产生轴向不均匀、分布更加合理的电磁力场，可以显著提高待成形金属管件的贴膜精度。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的结构示意图；
图2是本发明的一个实施例的结构示意图；
图3是本发明的一个实施例中单线圈电磁成形过程中不同放电能量下管件中电磁力密度分布示意图；
图4是本发明的一个实施例中单线圈电磁成形过程中不同放电能量下管件变形示意图；
图5是本发明的一个实施例中三线圈电磁成形过程中不同放电能量下管件中电磁力密度分布示意图；
图6是本发明的一个实施例中三线圈电磁成形过程中不同放电能量下管件变形示意图；
图7是本发明的一个实施例的结构示意图；
图8是本发明的一个实施例中贴模过程示意图；
图9是本发明的一个实施例中待成形金属管件电磁成形的最终状态示意图；
图10是本发明的一个实施例中单线圈电磁成形过程中金属管件电磁力分布示意图；
图11是本发明的一个实施例中双线圈电磁成形过程中金属管件电磁力分布示意图。
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。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。
如图1所示，一种金属管件的电磁成形装置，包括：成形线圈装置，包括多个成形线圈，多个所述成形线圈同轴设置于待成形金属管件2-1的内部；成形模具4，设置于所述待成形金属管件2-1的外部，用于约束待成形金属管件2-1的成形形状；电源模块，包括多个脉冲电源和放电时序控制模块8；所述放电时序控制模块8用于控制各脉冲电源的放电时间和放电大小，多个所述脉冲电源与多个所述成形线圈连接；所述脉冲电源用于向所述成形线圈通入脉冲电流，使得所述待成形金属管件2-1中产生感应涡流，所述脉冲电流产生的磁场与所述感应涡流作用产生电磁力，并使所述待成形金属管件2-1在电磁力的作用下变形至所述成形模具4的形状。本发明的一个实施例中，所述成形线圈装置包括第一成形线圈3-1、第二成形线圈3-2和第三成形线圈3-3，所述电源模块包括第一脉冲电源7-1、第二脉冲电源7-2和第三脉冲电源7-3。所述第一成形线圈3-1连接于所述第一脉冲电源7-1，所述第二成形线圈3-2连接于所述第二脉冲电源7-2，所述第三成形线圈3-3连接于所述第三脉冲电源7-3。所述放电时序控制模块8分别控制所述第一脉冲电源7-1、所述第二脉冲电源7-2和所述第三脉冲电源7-3的放电时间及大小。通过多套脉冲电源对多个线圈进行单独放电，多个线圈在待成形金属管件2-1周围产生轴向的脉冲磁场，并在所述待成形金属管件2-1上产生感应涡流，在磁场和涡流的相互作用下，所述待成形金属管件2-1上产生脉冲电磁力，方向指向所述成形模具4。在脉冲电磁力的作用下，待成形金属管件2-1向所述成形模具4腔内发生塑性变形。通过所述放电时序控制模块8控制每个成形线圈中通入脉冲电流的大小和时间，可以控制所述待成形金属管件2-1上电磁力场的分布，以适应不同的实际需求。
需要说明的是，根据所述待成形金属管件2-1的材料属性和尺寸参数来确定同轴的多个所述成形线圈个数以及每一个成形线圈的结构参数。所述脉冲电源至少设置两个，可根据实际情况的关联性对成形线圈进行串并联，以达到减少电源设备的目的。所述脉冲电源的放电参数(电容、电压、时序)可根据实际需要进行调节。
更进一步的说明，所述成形线圈装置还包括连接杆5、定位板1和配重块6，所述连接杆5用于连接多个所述成形线圈；所述连接杆5的两端分别连接于所述定位板1和所述配重块6；所述定位板1用于定位多个所述成形线圈及所述待成形金属管件2-1的位置；所述配重块6用于保证装置在电磁成形过程中的稳定性。
更进一步的说明，所述连接杆5与多个所述成形线圈使用环氧树脂浸渍固化连接。
如图2所示，本发明的一个实施例中，装置包括定位板1、待成形金属管件2-1、第一成形线圈3-1、第二成形线圈3-2、第三成形线圈3-3、定位杆、配重块、第一脉冲电源、第二脉冲电源和放电时序控制模块。需要说明的是，本实施例为电磁自由膨胀，考虑到金属管件电磁自由胀形的轴向成形对称性，第一成形线圈3-1、第二成形线圈3-2、第三成形线圈3-3的结构参数相同，且第一成形线圈3-1与第三成形线圈3-3串联使用，由第一脉冲电源7-1供电。该电磁成形的方法包括以下步骤：(1)将待成形金属管件2-1套嵌于同轴成形线圈组外，将配重块6放置于第三成形线圈3-3之上并施加一定的压力，其中同轴成形线圈组与待成形金属管件2-1径向间隙为0.1mm。(2)第一成形线圈3-1和第三成形线圈3-3串联后接入独立的第一脉冲电源7-1，第二成形线圈3-2接入独立的第二脉冲电源7-2。在金属管件2-1电磁成形过程中，第一脉冲电源7-1和第二脉冲电源7-2放电通过放电时序控制系统8同时放电，第一成形线圈3-1、第二成形线圈3-2以及第三成形线圈3-3同时通入脉冲电流，在待成形金属管件2-1上产生感应涡流，进而在金属管件2-1上产生电磁压力，驱动金属管件变形。图3和图4分别为单线圈成形下，管件中的电磁力密度和管件形貌随线圈放电参数变化的示意图。如图3所示，对于单线圈成形，增加放电电压(4kV，5kV，6kV)只能改变管件上受到的电磁力幅值大小，并不能改变电磁力的分布趋势。单线圈系统下管件的成形形貌如图4所示，无论电压改变如何，管件的成形形貌都为圆锥形。对于三线圈成形，需要说明的是，第一脉冲电源电压固定6kV，第二脉冲电源电压从0kV逐步升至6kV。图5和图6分别为三线圈成形下，管件中的电磁力密度和管件形貌随线圈放电参数变化的示意图。如图5所示，改变第二脉冲电源的电压，管件上受到的电磁力从“凹”型分布过渡到“凸”型分布，得到管件成形形貌也从“双峰”型过渡到圆锥形，如图6所示，这也充分说明了同轴多级线圈调节电磁力场分布的灵活性，不同的力场特性能够得到不同的成形形貌。
如图7所示，本发明的另一个实施例中，装置包括定位板1、待成形金属管件2-1、第一成形线圈3-1、第二成形线圈3-2、成形模具4、连接杆5、配重块6、第一脉冲电源7-1、第二脉冲电源7-2和放电时序控制模块8，所述成形模具3设有成形内孔，所述成形内孔具有大端和小端，该装置用于使待成形金属管件2-1实现变径。该电磁成形方法包括以下步骤：(1)将待成形金属管件2-1套嵌于同轴成形线圈组外，将成形模具4套嵌于待成形金属管件2-1外，将配重块5放置于第三成形线圈3-3之上并施加一定的压力，其中同轴成形线圈组与待成形金属管件2-1径向间隙为0.1mm，待成形金属管件2-1与成形模具4内孔间隙为0.1mm，成形模具4外径与定位板1的外径等齐。(2)第一成形线圈3-1和第二成形线圈3-2分别与第一脉冲电源7-1和第二脉冲电源7-2连接，在待成形金属管件2-1电磁成形过程中，第一脉冲电源7-1与第二脉冲电源7-2通过放电时序控制模块8控制同时放电，第一成形线圈3-1、第二成形线圈3-2同时通入脉冲电流，在待成形金属管件2-1上产生感应涡流，进而在待成形金属管件2-1上产生电磁压力，驱动待成形金属管件2-1变形至模具腔内。需要说明的是，本实施例中所述待成形金属管件2-1的变形过程如图7-9所示，在电磁力和惯性力的作用下金属管件2-2与成形模具4实现由下到上、依次推进、逐渐连续贴膜，金属管件2-1的最终贴膜后的成形完成的金属管件2-3如图9所示，从而得到贴膜精度更高，表面质量更好的变径管件。使用传统的单线圈成形系统制备变径管件，由于管件的端部效应，电磁力在端部较大，如图10所示，会造成管件端部先碰触成形模具后反弹的现象，贴膜精度不高。使用双线圈成形系统制备变径管件，双线圈产生的电磁力可以根据放电参数进行调节，进而在管件上产生沿轴向不均匀、分布更加合理的电磁力场，如图11所示，该电磁力场与变径管件上各点的变形量相呼应，可以显著提高变形管件的贴模精度。
更进一步的说明，所述成形模具4的结构根据实际需求进行匹配设置。
更进一步的说明，当进行自由膨胀时，所述成形模具4为柱形腔结构；当进行非自由膨胀时，所述成形模具为与成形形状相一致的结构。
本发明实施例提供的金属管件的电磁成形方法，包括以下步骤：
将待成形金属管件置于成形模具与成形线圈之间；
通过多个脉冲电源给多个成形线圈单独供电，使通电后的所述成形线圈产生脉冲磁场，并在所述待成形金属管件中产生感应涡流，所述感应涡流与所述脉冲磁场相互作用产生用于驱动待成形金属管件发生变形的电磁力；
通过所述电磁力使得所述待成形金属管件发生形变；
利用所述放电时序控制模块对各脉冲电源的放电时间和放电大小进行控制，使所述待成形金属管件在电磁力的作用下变形至所述成形模具的形状。
更进一步的说明，所述电磁力的方向指向成形模具。
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)

1.一种金属管件的电磁成形装置，其特征在于，包括：
成形线圈装置，包括多个成形线圈，多个所述成形线圈同轴设置于待成形金属管件的内部；
成形模具，设置于所述待成形金属管件的外部，用于约束待成形金属管件的成形形状；
电源模块，包括多个脉冲电源和放电时序控制模块；所述放电时序控制模块用于控制各脉冲电源的放电时间和放电大小，多个所述脉冲电源与多个所述成形线圈连接；所述脉冲电源用于向所述成形线圈通入脉冲电流，使得所述待成形金属管件中产生感应涡流，所述脉冲电流产生的磁场与所述感应涡流作用产生电磁力，并使所述待成形金属管件在电磁力的作用下变形至所述成形模具的形状。
2.根据权利要求1所述的一种金属管件的电磁成形装置，其特征在于：所述成形线圈装置还包括连接杆、定位板和配重块；所述连接杆用于连接多个所述成形线圈，所述连接杆的两端分别连接于所述定位板和所述配重块；所述定位板用于定位多个所述成形线圈及所述待成形金属管件的位置；所述配重块用于保证成形线圈装置在电磁成形过程中的稳定性。
3.根据权利要求2所述的一种金属管件的电磁成形装置，其特征在于：所述连接杆与多个所述成形线圈使用环氧树脂浸渍固化连接。
4.根据权利要求1所述的一种金属管件的电磁成形装置，其特征在于：所述成形线圈装置包括第一成形线圈、第二成形线圈和第三成形线圈，所述电源模块包括第一脉冲电源和第二脉冲电源；
所述第二脉冲电源连接于所述第二成形线圈，所述第一成形线圈和所述第二成形线圈串联后连接所述第一脉冲电源。
5.根据权利要求1所述的一种金属管件的电磁成形装置，其特征在于：所述成形线圈装置包括第一成形线圈和第二成形线圈，所述电源模块包括第一脉冲电源和第二脉冲电源；
所述第一脉冲电源连接于所述第二成形线圈，所述第二脉冲电源连接于所述第一成形线圈。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种金属管件的电磁成形装置，其特征在于：所述成形模具的结构根据实际需求进行匹配设置。
7.根据权利要求6所述的一种金属管件的电磁成形装置，其特征在于：当进行自由膨胀时，所述成形模具为柱形腔结构；当进行非自由膨胀时，所述成形模具为与成形形状相一致的结构。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的金属管件的电磁成形装置的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待成形金属管件置于成形模具与成形线圈之间；
通过多个脉冲电源给多个成形线圈供电，使通电后的所述成形线圈产生脉冲磁场，并在所述待成形金属管件中产生感应涡流，所述感应涡流与所述脉冲磁场相互作用产生用于驱动待成形金属管件发生变形的电磁力；
通过所述电磁力使得所述待成形金属管件发生形变；
利用所述放电时序控制模块对各脉冲电源的放电时间和放电大小进行控制，使所述待成形金属管件在电磁力的作用下变形至所述成形模具的形状。
9.根据权利要求8所述的一种金属管件的电磁成形方法，其特征在于：所述电磁力的方向指向成形模具。
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