CN112387844A - 一种基于三线圈的电磁分步成形方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三线圈的电磁分步成形方法及装置，解决了现有的吸引力式管件加工管件胀形不均匀，模具难以放置等问题。可通过分步成形来提高管件变形均匀度，将管件加工最不均匀区域进行二次加工，使管件成形更加均匀，且无需模具，绕开了了吸引力式管件胀形模具不易放置的问题。

Description

一种基于三线圈的电磁分步成形方法及装置
技术领域
本发明属于金属成形制造领域，特别涉及一种基于三线圈的电磁分步成形方法及装置，主要用于金属管件的快速均匀成形加工。
背景技术
目前，金属管件大量应用于汽车，航空航天等领域，以满足这些行业对轻量化的需求。其中采用铝、镁等轻质合金所制造的管件更是发展的前沿和热点，常用的管件电磁加工技术，如排斥力管件胀形，吸引力管件胀形等还存在大量不足，在实际生产加工中管件往往胀形不均匀。因此亟需一种可以使管件胀形更为均匀的管件加工方式。
现有的管件胀形技术无论是轧制，冲压，还是传统的排斥力式或吸引力式电磁成形都存在下列不足之处：1、传统的轧制，冲压，锻造等方法工序繁琐，且其加工过程中材料应变速率较低，特别对于铝、镁等轻质合金，其在低应变速率下成形极限较低，这些加工方式极易导致零件在未达到目标形状时，就发生破裂；同时，零件从冷冲压模具卸载后的回弹会比较大，构件抗凹性低，且容易产生扭曲、变形、起皱等现象，精度难以控制，也影响后续的加工。2、传统的管件胀形技术虽能提高铝合金的成形极限，但是由于其洛伦兹力分布不均匀，导致管件变形也不均匀，管件往往呈凸形。
同时，传统的管件胀形方式无论是基于排斥力还是基于吸引力，洛伦兹力的分布皆不均匀，故导致管件胀形也不均匀，往往线圈中心对应的管件位置胀形深度最大。基于排斥力的管件胀形可在管件外加装模具使管件胀形更为均匀，但是基于吸引力式管件胀形装置的线圈与管件的位置关系使该方法难以加装模具，导致吸引力式管件胀形提高胀形均匀度变得十分困难。
吸引式管件胀形专利例如：专利CN109622721A——一种金属管件的电磁成形力调控装置及方法，该装置包括了驱动磁场线圈，辅助磁场线圈和单电源调控电路。通过单电源调控两组线圈，驱动磁场线圈用于在管中产生感应涡流，辅助磁场线圈用于产生背景磁场，感应涡流与背景磁场相互作用产生吸引力驱动管件成形；此方法降低了金属管件双线圈电磁成形的成本，解决了时序控制的问题。但是此方法产生的径向电磁力不合理，导致管件变形不均匀。本发明利用分步成形为管件提供合理的径向电磁力，绕开吸引力式管件胀形模具难以放置的问题，无需模具即可极大的提高管件变形的均匀度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于三线圈的电磁分步成形方法及装置，解决了现有的吸引力式管件加工管件胀形不均匀，模具难以放置等问题。可通过分步成形来提高管件变形均匀度，将管件加工最不均匀区域进行二次加工，使管件成形更加均匀，且无需模具，绕开了了吸引力式管件胀形模具不易放置的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于三线圈的电磁分步成形装置，包括管件、三组成形线圈：第一组线圈1、第二组线圈 2、第三组线圈3、长脉宽电源、短脉宽电源、二次加工电源，三组线圈均放置在管件外侧，其中长脉宽电源为第一组线圈1通入长脉宽脉冲电流产生背景磁场，第二组线圈2和第三组线圈3并联连接，分别通入短脉宽电流使其在管件上感应涡流，为管件提供可控的洛伦兹力，使其受吸引力胀形；第三组线圈3在胀形结束后通过所述二次加工电源供电，对管件胀形最不均匀区域进行二次加工使管件胀形均匀。
优选地，采用具有高精度晶闸管的电容器电源系统分别给三组线圈提供长脉宽电流，短脉宽电流和二次加工电流。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于三线圈的电磁分步成形方法，所述方法具体包括如下步骤：
步骤1：选择一个符合所需生产规格的合金管件，进行退火预处理操作；
步骤2：根据线圈的几何形状制作线圈骨架，利用绕线机缠绕成成形线圈，并在层间覆盖层间绝缘材料，所述线圈绕制完成后焊接铜排电极，利用高强度纤维进行外围加固；
步骤3：利用液压设备将成形线圈、管件固定；
步骤4：根据管件材料，厚度及成形所需放电能量大小选择合适数目的电容器，并根据工序组装连接三组电容器组脉冲电源发生装置；
步骤5：长脉宽电流发生装置选择总容量较大的电容器组，短脉宽电流发生装置选择总容量较小的电容器组，二次加工电流发生装置也选择总容量较小的电容组；
步骤6：通过计算机对三组电源装置进行远程控制；第一组线圈在长脉宽脉冲电流的作用下，在成形区域产成背景磁场；第二三组线圈先并联运行在短脉宽脉冲电流的作用下，在长脉宽电流快达到峰值时，导通短脉宽电流，使管件受吸引力胀形；
步骤7：胀形结束后，第三组线圈通入二次加工电流对管件胀形最不均匀区域进行二次加工，使管件胀形均匀。
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、实现了三组可根据工件成形要求改变的线圈产生使管件分步胀形，通过対三组电源装置中放电电压及电容器电容值进行调整可灵活调控涡流与磁场，实现更为灵活的洛伦兹力加载。
2、本发明实现了一组位置线圈在管件变形最不均匀区域产生感应涡流，可通过改变二次加工电源装置中的电源参数可以改善不同材质及厚度管件的胀形均匀度；
3、本发明提出的方法既降低了生产成本和生产周期，又提高了工件成形质量。
4、本发明模具无需使用模具即可改善管件胀形的均匀度，绕开了吸引力式管件胀形模具不易放置的问题。
附图说明
图1为分步加工成形装置整体连接示意图。
图2为分步加工成形装置电源装载示意图。
图3为分步加工电路原理图
图4为三组线圈上加载的脉冲电流波形。
图5为改善均匀度效果图。
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。
本发明所述的一种基于三线圈的电磁分步成形方法及装置，通过设置三组线圈均放置在管件外侧，且可根据工件成形要求任意改变位置。其中第一组在长脉宽脉冲电流的时序调控下，主要产生背景磁场。第二三组线圈首先并联运行在短脉宽电流的时序调控下，使管件受吸引力胀形。管件胀形结束后，第三组线圈通入二次加工电流对管件变形最不均匀区域进行二次加工使管件胀形均匀。线圈与管件的位置关系如图1所示。
本发明根据左手定则，首先通过一组线圈产生的背景磁场，另外两组线圈并联运行在管件中产生感应涡流，根据楞次定律在背景磁场的轴向分量以及管件内的感应涡流相互影响下，管件将受到径向的吸引力胀形。胀形结束后，二次加工电流通入第三组线圈，根据楞次定律，二次加工电流产生的磁场与其在管件中产生的涡流相互作用，管件经过吸引力胀形最不均匀区域将受到向内的排斥力。
基于三线圈的电磁分步成形方法，具体实施步骤如下：
步骤1：选择一个符合所需生产规格的合金管件，进行退火预处理操作；
步骤2：根据线圈的几何形状制作如图2所示的线圈骨架，接着利用绕线机缠绕成形线圈，并在层间覆盖层间绝缘材料，线圈绕制完成后焊接铜排电极，最后利用高强度纤维进行外围加固；
步骤3：利用液压设备将成形线圈、管件按图1的排列顺序固定，压强一般设置为1～1.5MPa；
步骤4：如图1所示，根据管件材料，厚度及成形所需放电能量大小选择合适数目的电容器，并根据工序组装连接三组电容器组脉冲电源发生装置；
步骤5：本发明中长脉宽电流发生装置选择总容量较大的电容器组，短脉宽电流发生装置选择总容量较小的电容器组，二次加工电流发生装置也选择总容量较小的电容组；
步骤6：通过计算机对三组电源装置进行远程控制；如图3-5所示，第一组线圈在长脉宽脉冲电流的作用下，在成形区域产成背景磁场；第二三组线圈先并联运行在短脉宽脉冲电流的作用下-(在长脉宽电流快达到峰值时，导通短脉宽电流)，使管件受吸引力胀形。
步骤7：胀形结束后，第三组线圈通入二次加工电流对管件胀形最不均匀区域进行二次加工，使管件胀形均匀。
步骤8：最后进行成形效果比对。
本发明中所涉及到的多物理场分析计算公式如下：
Figure RE-GDA0002900940320000051
式中，Fz和Fr分别为轴向洛伦兹力和径向洛伦兹力；Je为管件上的感应涡流密度，规定顺时针方向为正方向；Br和Bz分别为轴向磁场分量、径向磁场分量，规定Br指向中心为正方向；
Figure RE-GDA0002900940320000061
和
Figure RE-GDA0002900940320000062
分别为长脉宽电流，短脉宽电流及二次加工电流在管件上形成的感应涡流；BZ-l，BZ-s和BZ-T分别为长脉宽电流，短脉宽电流和二次成形电流在成形区域产生的轴向磁场；t 代表时间，t1为长脉宽电流到达峰值的时刻，t2为吸引力胀形结束时刻；Ilong为通以长脉宽电流线圈的电流值，Ishort为通以短脉宽电流线圈的电流值。
在本发明中以管件胀形为例进行分析，通过理论和仿真进行验证；本发明提供了实现上述方法的装置，主要包括三组成形线圈，三组线圈均放置在管件外侧，其中一组线圈通入长脉宽脉冲电流产生背景磁场。第二三组线圈先并联运行通入短脉宽电流主要在管件上感应涡流，为管件提供可控的洛伦兹力，使其受吸引力胀形，第三组线圈在胀形结束通过第三组电源供电，对管件胀形最不均匀区域进行二次加工使管件胀形均匀。且提供了三组具有精度较高的晶闸管的电容器电源系统分别给三组线圈提供长脉宽电流，短脉宽电流和二次加工电流。本发明实现了吸引力式管件胀形的均匀胀形，可满足多种加工需求，丰富铝合金管件的加工方法。本发明可极大地提升基于吸引力的管件胀形均匀度，满足汽车、航空航天等领域对管件大规模量产的需求。
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 (5)

1.一种基于三线圈的电磁分步成形装置，其特征在于，包括管件、三组成形线圈：第一组线圈、第二组线圈、第三组线圈、长脉宽电源、短脉宽电源、二次加工电源，三组线圈均放置在管件外侧，其中长脉宽电源为第一组线圈1通入长脉宽脉冲电流产生背景磁场，第二组线圈和第三组线圈并联连接，分别通入短脉宽电流使其在管件上感应涡流，为管件提供可控的洛伦兹力，使其受吸引力胀形；第三组线圈在胀形结束后通过所述二次加工电源供电，对管件胀形最不均匀区域进行二次加工使管件胀形均匀。
2.根据权利要求1所述基于三线圈的电磁分步成形装置，其特征在于，采用具有高精度晶闸管的电容器电源系统分别给三组线圈提供长脉宽电流，短脉宽电流和二次加工电流。
3.如权利要求1所述的基于三线圈的电磁分步成形装置的成形方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
步骤1：选择一个符合所需生产规格的合金管件，进行退火预处理操作；
步骤2：根据线圈的几何形状制作线圈骨架，利用绕线机缠绕成成形线圈，并在层间覆盖层间绝缘材料，所述线圈绕制完成后焊接铜排电极，利用高强度纤维进行外围加固；
步骤3：利用液压设备将成形线圈、管件固定；
步骤4：根据管件材料，厚度及成形所需放电能量大小选择合适数目的电容器，并根据工序组装连接三组电容器组脉冲电源发生装置；
步骤5：长脉宽电流发生装置选择总容量较大的电容器组，短脉宽电流发生装置选择总容量较小的电容器组，二次加工电流发生装置也选择总容量较小的电容组；
步骤6：通过计算机对三组电源装置进行远程控制；第一组线圈在长脉宽脉冲电流的作用下，在成形区域产成背景磁场；第二三组线圈先并联运行在短脉宽脉冲电流的作用下，在长脉宽电流快达到峰值时，导通短脉宽电流，使管件受吸引力胀形；
步骤7：胀形结束后，第三组线圈通入二次加工电流对管件胀形最不均匀区域进行二次加工，使管件胀形均匀。
4.如权利要求3所述的基于三线圈的电磁分步成形装置的成形方法，其特征在于，所述步骤3中，液压装置的压强设置为1～1.5MPa。
5.如权利要求3所述的基于三线圈的电磁分步成形装置的成形方法，其特征在于，利用如下多物理场分析计算管件受力，实现管件加工成形，
Figure FDA0002779645370000021
式中，Fz和Fr分别为轴向洛伦兹力和径向洛伦兹力；Je为管件上的感应涡流密度，规定顺时针方向为正方向；Br和Bz分别为轴向磁场分量、径向磁场分量，规定Br指向中心为正方向；
Figure FDA0002779645370000022
和
Figure FDA0002779645370000023
分别为长脉宽电流，短脉宽电流及二次加工电流在管件上形成的感应涡流；BZ-l，BZ-s和BZ-T分别为长脉宽电流，短脉宽电流和二次成形电流在成形区域产生的轴向磁场；t代表时间，t1为长脉宽电流到达峰值的时刻，t2为吸引力胀形结束时刻；Ilong为通以长脉宽电流线圈的电流值，Ishort为通以短脉宽电流线圈的电流值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113070386A (zh) * 2021-03-30 2021-07-06 北京东方德兴科技有限公司 一种电液成型液压机及其使用方法

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