CN116511328A - 一种无需置于管件内部的管件非接触翻边装置 - Google Patents

Abstract

一种无需置于管件内部的管件非接触翻边装置，包括：内线圈，为待翻边的金属管件端部区域提供感应涡流；外线圈，为待翻边的金属管件端部区域提供轴向背景磁场；翻边模具，控制翻边金属管件的翻边高度；线圈供电电源系统，为内线圈、外线圈提供能量。本发明可为金属管件翻边扩口提供一种从管件端部加载的非接触径向电磁力，实现微型或异形管件非接触翻边扩口加工，提高工件成形性能。

Description

一种无需置于管件内部的管件非接触翻边装置

技术领域

本发明属于金属加工制造领域，特别涉及一种无需置于管件内部的管件非接触翻边装置，主要用于金属管件的扩口或翻边加工。

背景技术

传统金属管件的翻边或扩口中，通常在金属管件内部施加机械力或液压力，驱动管件实现翻边扩口。一方面，由于上述成形力是接触力，使得成形后工件柔性低，残余应力大，易产生回弹，对于铝合金、镁合金等轻质金属合金，机械力成形还会使工件易发生破裂。另一方面，接触力的施加需要介质，且该介质必须置于管件内部，对管件形状、尺寸及空间位置都有较大限制。例如：微型或异形管件，要将施力介质置于管件内部则十分困难。同时现有非接触翻边扩口技术，主要依靠成形线圈产生径向电磁力来实现管件翻边扩口。该方法虽能有效实现电磁翻边，但成形线圈仍须置于管件内部。给成形线圈的设计和绕制都带来了巨大限制，因此也无法解决微型或异形管件内无法放置施力介质从而无法实现翻边扩口的问题。

金属管件的翻边扩口在工业中是常见加工工艺。传统的翻边扩口工艺多采用凸模扩张、压平等多道工序完成金属管件翻边，工艺繁琐，同时多次塑性变形易产生加工硬化，降低了金属管件的成形极限。

当前主要采取接触式的机械力来实现管件的翻边扩口，中国专利CN 104741466A“一种金属管喇叭口的加工设备”提供了一种金属管喇叭口的加工设备，大大减少加工设备的部件，一个扩口冲头就可完成翻边、扩口成形的过程，使得加工工序缩短，生产效率大大提高，降低了不良率。但成形柔性低，残余应力大，易回弹。利用非接触的脉冲电磁力能够有效改善上述缺点，脉冲电磁力是一种基于电磁感应原理的非接触力，相比机械力能有效改善金属材料的成形性能，降低成形后的工件回弹，提高材料成形极限。中国专利(CN104874664A)“一种合金管件电磁胀形与翻边同步成形装置及方法”，公开了一种合金管件电磁胀形与翻边同步成形装置及方法，实现了合金管件电磁胀形与翻边同步成形，减小了工件回弹，降低了模具制造难度。但无论是传统加工工艺，还是上述电磁成形工艺，其核心缺陷是施力介质都必须全部或部分置于管件内部，其结构和位置都受管件几何尺寸制约，难以解决微型或异形管件翻边扩口的问题。

现有技术的核心缺点是施力介质必须置于管件内部。对于传统机械加工工艺，还存在成形后工件柔性低，残余应力大，易产生回弹等缺陷。而目前提出的电磁翻边扩口方案，虽在一定程度上改善了工件成形性能，但其成形线圈仍然必须放置于金属管件内部，用以产生径向电磁力管件实现翻边扩口。此方法面临成形线圈绕制工艺的限制，以及成形线圈空间放置的限制，对于微型或异形金属管件的翻边扩口均难以适用。

发明内容

为解决微型或异形管件翻边扩口的难题，本发明提供一种无需置于管件内部的管件非接触扩口或翻边方法及装置，可为金属管件翻边扩口提供一种从管件端部加载的非接触径向电磁力，实现微型或异形管件非接触翻边扩口加工，提高工件成形性能。

本发明采取的技术方案为：

一种无需置于管件内部的管件非接触扩口或翻边方法，包括如下步骤：

步骤1：采用两个匝数不同的驱动线圈，内线圈的匝数远小于外线圈的匝数，且两线圈同轴，内线圈与外线圈靠近金属管件端部处于平齐放置；

步骤2：金属管件放置于内线圈的正下方，且由翻边模具固定；

步骤3：翻边的高度由翻边模具控制；

步骤4：外线圈先加载长脉宽的脉冲电流或稳态电流产生轴向背景磁场，当背景磁场即将达到峰值时，内线圈加载反向短脉宽的脉冲电流感应涡流；

步骤5：在轴向背景磁场和感应涡流的共同作用下，金属管件端部受到径向电磁力，驱动金属管件实现翻边。

所述线圈均置于金属管件端部，且内、外线圈相互配合，内线圈与外线圈同轴，且内、外线圈靠近管件端处于平齐，对管件端部施加的是非接触的径向电磁力。

所述内线圈的匝数远小于外线圈的匝数。

所述外线圈加载长脉宽的脉冲电流或稳态电流，内线圈加载短脉宽的反向脉冲电流。

所述内线圈与外线圈加载电流的时序关系是：外线圈加载脉冲电流即将达到峰值时，加载内线圈脉冲电流。

所述径向电磁力加载的有效时间为：内线圈加载电流的上升沿。

一种无需置于管件内部的管件非接触扩口或翻边装置，该装置包括：

内线圈，为待翻边的金属管件端部区域提供感应涡流；

外线圈，为待翻边的金属管件端部区域提供轴向背景磁场；

翻边模具，控制翻边金属管件的翻边高度；

线圈供电电源系统，为内线圈、外线圈提供能量。

该装置呈现轴对称结构，内线圈位于金属管件的正上方且中心同轴，金属管件与内线圈放置位置相匹配，外线圈放置于内线圈外部，两线圈靠近金属管件翻边端处于平齐；内线圈与脉宽较小的脉冲电流供电电源系统相连，外线圈与脉宽较宽的脉冲电流供电电源系统相连接或者与稳态电流供电电源相连接；金属管件置于翻边模具内部。翻边端一侧的金属管件比翻边模具高出部分，为金属管件的翻边高度。

本发明一种无需置于管件内部的管件非接触扩口或翻边方法及装置，实现了由置于管件端部的电磁线圈来产生径向电磁力进而对管件进行翻边和扩口的方法，相比传统的机械加工方法和电磁加工方法，本发明线圈无需置于管件内部，突破了施力介质安放位置的空间限制，降低了对施力介质结构、材质和尺寸等各方面的要求，极大提高了成形方法的灵活性，并解决了微型或异形金属管件翻边扩口的难题。此外，由于成形力为脉冲电磁力，具有非接触、高速率的特点，能有效减少工件的回弹，降低成形后工件的残余应力，提高工件成形性能。

本发明一种无需置于管件内部的管件非接触扩口或翻边方法及装置，采用两个成形线圈放置在金属管件端部并进行分时加载。内线圈主要用于产生脉冲驱动磁场，在金属管件端部感环向涡流；外线圈主要用于在金属管件端部产生轴向背景磁场。由于内线圈加载的放电电流脉宽远远小于外线圈的放电电流，可忽略外线圈对感应涡流的影响，同时由于外线圈匝数远大于内线圈，内线圈对背景磁场的影响也可忽略。由此，在环向涡流和轴向磁场相互作用下，金属管件端部上加载径向向外电磁力，实现金属管件翻边扩口加工。

附图说明

图1为金属管件端部设置成形线圈加载径向电磁力的电磁翻边线圈组装示意图。

图2为内、外线圈分别加载电流的时序配合示意图。

图2(a)外线圈加载电流为长脉宽的脉冲电流的内外线圈加载电流的时序配合示意图。

图2(b)外线圈加载电流为稳态电流的内外线圈加载电流的时序配合示意图。

图3(a)为金属管件端部设置成形线圈加载径向电磁力的电磁翻边装置装配图。

图3(b)为管件端部设置成形线圈加载径向电磁力的电磁翻边装置装配剖面图。

图4(a)为翻边前管件的初始状态示意图。

图4(b)为翻边过程中管件的形变状态示意图。

图4(c)为翻边完成后管件的最终状态示意图。

具体实施方式

原理分析：

一种无需置于管件内部的管件非接触扩口或翻边方法，采用两个成形线圈相配合，内线圈1与外线圈2平行放置于金属管件3端部，内线圈1靠近管件的端部区域，主要用于在金属管件3中感应涡流，外线圈2安放于内线圈1的外部，主要用于在管件中提供较大背景磁场，两线圈在靠近管件端部处于平齐。

内线圈1与外线圈2加载的脉冲电流在时序上相配合，由于内线圈1加载的放电电流脉宽远远小于外线圈2的放电电流，可忽略外线圈对感应涡流的影响，同时由于外线圈2匝数远大于内线圈1，内线圈1对背景磁场的影响也可忽略。

内线圈1在外线圈2加载放电电流达到峰值时加载，以最大限度的利用外线圈2产生的轴向磁场。此时，环向涡流和轴向磁场相互作用，在金属管件3中产生最大的径向电磁力，实现金属管件3的翻边加工。

一种无需置于管件内部的管件非接触扩口或翻边方法，包括如下步骤：

步骤1：采用两个匝数不同的驱动线圈，内线圈的匝数远小于外线圈的匝数，且两线圈同轴，内线圈与外线圈靠近金属管件3端部处于平齐放置；

步骤2：金属管件3放置于内线圈的正下方，且由翻边模具4固定；

步骤3：翻边的高度由翻边模具4控制；

步骤4：外线圈先加载长脉宽的脉冲电流或稳态电流产生轴向背景磁场，当背景磁场即将达到峰值时，内线圈加载反向短脉宽的脉冲电流感应涡流；

步骤5：在轴向背景磁场和感应涡流的共同作用下，金属管件3端部受到径向电磁力，驱动金属管件3实现翻边。

所述线圈均置于金属管件3端部，且内、外线圈相互配合，内线圈与外线圈同轴，且内、外线圈靠近管件端处于平齐，对管件端部施加的是非接触的径向电磁力。

所述内线圈1的匝数远小于外线圈2的匝数。内线圈1匝数较少，主要用于感应涡流；外线圈2匝数较多，主要用于产生较大的背景磁场。

所述外线圈2加载长脉宽的脉冲电流或稳态电流，内线圈1加载短脉宽的反向脉冲电流。由于脉冲电流产生脉冲磁场，脉冲磁场将在金属工件中产生感应涡流，感应涡流和脉冲磁场共同作用产生洛伦兹力驱动金属材料完成变形。在此过程中，洛伦兹力的大小和方向满足：

其中，是感应涡流，/>是脉冲磁场，×表示矢量的叉乘。

上述公式中，感应涡流的大小又与脉冲磁场的变化率成正比，方向满足楞次定律。因此，若只采用一个线圈，感应涡流的大小和方向都与脉冲磁场高度耦合，其共同作用产生的洛伦兹力在通常情况下方向不可控。

在图1所示的模型中，外线圈2中通有长脉宽脉冲电流或者稳态电流，其产生的轴向磁场方向向下，其在工件中产生的感应涡流为环向，方向为逆时针，两者共同作用产生的洛伦兹力为径向力，方向为径向向内。因此若只采用单线圈，则无法产生径向向外的洛伦兹力来驱动材料变形完成翻边扩口。为此引入内线圈1,其加载电流为短脉宽的反向脉冲电流。由于其匝数小于外线圈2，因此产生的磁场不高，但其电流变化率远大于外线圈2，因此在工件中产生的感应涡流幅值较大。在内外线圈共同作用下，工件上的磁场方向仍为轴向向下，但其感应涡流方向为环向顺时针，其受到的洛伦兹力则变为径向向外，从而驱动材料完成变形实现翻边扩口。

所述内线圈与外线圈加载电流的时序关系是：外线圈加载脉冲电流即将达到峰值时，加载内线圈脉冲电流。当外线圈加载脉冲电流即将达到峰值时，此时的脉冲磁场也即将到达峰值，根据前文所述洛伦兹力的计算公式，此时所产生的洛伦兹力也最大。

所述径向电磁力加载的有效时间为：内线圈加载电流的上升沿。根据楞次定律，感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。具体在图1所示的模型中，当内线圈1加载电流为上升沿时，其产生的轴向磁场逐渐增大，而感应涡流将阻碍磁场的增大，因此感应涡流方向与线圈加载电流方向相反，为环向顺时针，产生的洛伦兹力方向为径向向外。当加载电流处于下降沿时，其产生的轴向磁场逐渐减小，而感应涡流将阻碍磁场的减小，因此感应涡流方向将变为与线圈加载电流方向相同，即变为环向逆时针，此时产生的洛伦兹力将由径向向外变为径向向内，从而无法驱动材料变形完成翻边扩口。因此所述径向电磁力加载的有效时间为内线圈加载电流的上升沿。

一种无需置于管件内部的管件非接触扩口或翻边方法，包括如下步骤：

(1)、安装内线圈1、外线圈2，并与各自相配套的供电电源相连接；

(2)、将金属管件3放置到翻边模具4内部，由翻边模具4来控制金属管件3所需的翻边高度；

(3)、外线圈2加载长脉宽的负向脉冲电流7，或者加载负向稳态电流8，为金属管件3的翻边位置提供轴向向下的背景磁场；

(4)、外线圈2加载负向脉冲电流7t1后，其放电电流即将达到峰值；或者端部外线圈加载负向稳态电流8t3后，此时内线圈1加载短脉宽的正向脉冲电流6，在金属管件3的翻边位置感应环向涡流；

(5)、脉冲电流在t1～t2内或稳态电流在t3～t4内，金属管件3端部在轴向背景磁场和环向涡流的相互作用下，受到径向向外的电磁力，驱动金属管件3端部变形，实现翻边加工，如图4(c)。

一种无需置于管件内部的管件非接触扩口或翻边装置，该装置包括：

内线圈1，为待翻边的金属管件3端部区域提供感应涡流；

外线圈2，为待翻边的金属管件3端部区域提供轴向背景磁场；

翻边模具4，控制翻边金属管件3的翻边高度；

线圈供电电源系统，为内线圈1、外线圈2提供能量。

翻边模具4为凹模，可由任意材料制成，用于控制工件的翻边高度和最终形状，其结构取决于待翻边工件的目标形状，可与一般机械加工所用凹模无异。

线圈供电电源系统为脉冲电源，一般由充电系统、储能系统和放电电路构成。首先由充电系统将电能供给储能系统完成能量的积累；然后将储能系统的能量经过放电电路快速放电给线圈。

图3为管件端部单侧设置成形线圈加载径向电磁力的电磁翻边线圈组装示意图。该装置呈现轴对称结构，内线圈1位于金属管件3的正上方5mm处且中心同轴，金属管件3与内线圈1放置位置相匹配，内线圈1的匝数为3×3，每匝线圈的截面积为2mm×4mm；外线圈2放置于内线圈1外部，匝数为6×6，每匝线圈截面积与内线圈1相同。两线圈靠近金属管件3翻边端处于平齐。内线圈1与脉宽较小的脉冲电流供电电源系统相连，外线圈2与脉宽较宽的脉冲电流供电电源系统相连接、或者与稳态电流供电电源相连接。金属管件3置于翻边模具4内部，翻边端一侧的金属管件3比翻边模具4高出部分为金属管件3的翻边高度。图3(a)和图3(b)电磁胀形装置装配图及其装配剖面图。

Claims (8)

1.一种无需置于管件内部的管件非接触翻边装置，其特征在于，该装置包括：

内线圈（1），为待翻边的金属管件（3）端部区域提供感应涡流；

外线圈（2），为待翻边的金属管件（3）端部区域提供轴向背景磁场；

翻边模具（4），控制翻边金属管件（3）的翻边高度；

线圈供电电源系统，为内线圈（1）、外线圈（2）提供能量。

2.根据权利要求1所述一种无需置于管件内部的管件非接触翻边装置，其特征在于：该装置呈现轴对称结构，内线圈（1）位于金属管件（3）的正上方且中心同轴，金属管件（3）与内线圈（1）放置位置相匹配，外线圈（2）放置于内线圈（1）外部，两线圈靠近金属管件（3）翻边端处于平齐；

内线圈（1）与脉宽较小的脉冲电流供电电源系统相连，外线圈（2）与脉宽较宽的脉冲电流供电电源系统相连接或者与稳态电流供电电源相连接；

金属管件（3）置于翻边模具（4）内部。

3.根据权利要求1所述一种无需置于管件内部的管件非接触翻边装置，其特征在于：所述线圈均置于金属管件（3）端部，且内、外线圈相互配合，内线圈与外线圈同轴，且内、外线圈靠近管件端处于平齐，对管件端部施加的是非接触的径向电磁力。

4.根据权利要求1所述一种无需置于管件内部的管件非接触翻边装置，其特征在于：所述内线圈的匝数远小于外线圈的匝数。

5.根据权利要求1所述一种无需置于管件内部的管件非接触翻边装置，其特征在于：所述外线圈加载长脉宽的脉冲电流或稳态电流，内线圈加载短脉宽的反向脉冲电流。

6.根据权利要求1所述一种无需置于管件内部的管件非接触翻边装置，其特征在于：所述内线圈与外线圈加载电流的时序关系是：外线圈加载脉冲电流即将达到峰值时，加载内线圈脉冲电流。

7.根据权利要求3所述一种无需置于管件内部的管件非接触翻边装置，其特征在于：所述径向电磁力加载的有效时间为：内线圈加载电流的上升沿。

8.基于权利要求1~7所述任意一项管件非接触翻边装置的管件非接触翻边方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）、安装内线圈（1）、外线圈（2），并与各自相配套的供电电源相连接；

（2）、将金属管件（3）放置到翻边模具（4）内部，由翻边模具（4）来控制金属管件（3）所需的翻边高度；

（3）、外线圈（2）加载长脉宽的负向脉冲电流（7），或者加载负向稳态电流（8），为金属管件（3）的翻边位置提供轴向向下的背景磁场；

（4）、外线圈（2）加载负向脉冲电流（7）t1 后，其放电电流即将达到峰值；或者端部外线圈加载负向稳态电流（8） t3 后，此时内线圈（1）加载短脉宽的正向脉冲电流（6），在金属管件（3）的翻边位置感应环向涡流；

（5）、脉冲电流在 t1~t2 内或稳态电流在 t3~t4 内，金属管件（3）端部在轴向背景磁场和环向涡流的相互作用下，受到径向向外的电磁力，驱动金属管件（3）端部变形，实现翻边加工。