CN118527540A - 一种电磁胀形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种电磁胀形装置及方法，属于金属制造领域，装置包括：分布式电磁驱动模块、旋转模块、定位模块和脉冲电源模块；分布式电磁驱动模块包括分布式线圈，分布式线圈的数量为偶数，且关于待处理锻件直径对称；旋转模块放置待处理锻件，并在多次放电中旋转待处理锻件；定位模块调整锻件与分布式线圈的相对位置；脉冲电源模块向分布式线圈中充入电流，形成脉冲磁场使得待处理锻件内部产生涡流，脉冲磁场与涡流相互作用以电磁力形式作用在待处理锻件上，使待处理锻件产生径向应变，进而生塑性应变；同时脉冲电源模块用于产生振荡的电流作用在待处理锻件中，涡流相应产生热效应，对待处理锻件胀形。本申请使待处理锻件产生塑性应变完成胀形。

Description

一种电磁胀形装置及方法

技术领域

本申请属于金属制造领域，更具体地，涉及一种电磁胀形装置及方法。

背景技术

大型环/筒型锻件作为关键承力部件被广泛应用于航空航天、石油化工、核电等领域，目前主要通过液压和辊轧的方式实现环/筒形锻件的胀形制造。然而，随着相关行业对超大直径环/筒型锻件的需求提升，其制造难度增大，导致现有的液压式胀形机和辊轧机难已满足其制造需求。此外，为了提升锻件质量，传统环/筒型锻件制作工艺会在固溶淬火步骤后，引入冷变形来实现构件的晶粒细化和均匀化，促进合金强化相析出，消除热处理带来的残余应力。

近年来，随着脉冲强磁场技术的发展，电磁制造技术已被应用于电磁成形、磁脉冲焊接和电磁铆接等诸多领域。这种利用高能量密度电磁能的加工、制造技术为大直径环/筒型锻件胀形以及利用胀形的矫形、消除残余应力的应用提供了可能。目前也亟需一种新的装置及方法以解决大型锻件的胀形难题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本申请的目的在于提供一种电磁胀形装置及方法，旨在解决大型锻件的胀形困难问题。

为实现上述目的，第一方面，本申请提供了一种电磁胀形装置，包括：分布式电磁驱动模块、旋转模块、定位模块和脉冲电源模块；

定位模块位于分布式电磁驱动模块的内侧；脉冲电源模块连接在分布式电磁驱动模块上；胀形时分布式电磁驱动模块位于待处理锻件的内侧；旋转模块位于待处理锻件的底部；待处理锻件为导体；

分布式电磁驱动模块包括分布式线圈，分布式线圈的数量为偶数，且关于待处理锻件直径对称；

旋转模块用于放置待处理锻件，并在多次放电中旋转待处理锻件；脉冲电源模块用于向分布式线圈中充入电流，形成脉冲磁场使得待处理锻件内部产生涡流，脉冲磁场与涡流相互作用以电磁力形式作用在待处理锻件上，使待处理锻件产生径向应变，进而产生塑性应变；同时脉冲电源模块用于产生振荡的电流作用在待处理锻件中，涡流相应产生热效应，对待处理锻件胀形；

定位模块用于调节分布式线圈与待处理锻件的距离，并对分布式线圈进行轴向移动，调整轴向位置。

进一步优选地，分布式电磁驱动模块还包括绝缘固定单元和集磁器；

绝缘固定单元、集磁器以及分布式线圈一一对应，串联或并联连接在单个脉冲电源模块的若干分布式线圈为一组；脉冲电源模块用于对串联或并联连接的若干分布式线圈进行电流调控；

绝缘固定单元位于分布式线圈与待处理锻件之间，用于保护支撑分布式线圈，防止脉冲磁场与涡流作用下变形的锻件碰撞损坏分布式线圈；集磁器用于改善分布式线圈中脉冲磁场的空间分布，提高磁场力。

进一步优选地，分布式线圈为分布式圆形线圈，分布式圆形线圈的轴向方向对准待处理锻件的径向；相邻分布式线圈间的夹角固定；相邻同向电流下分布式圆形线圈同轴竖排放置，或相邻反向电流下分布式圆形线圈径向横排放置。

这里需指出，同轴竖向放置时，分布式线圈与锻件的轴向是相平行的；径向横排放置时，分布式线圈的轴向与锻件的径向相平行；

进一步优选地，定位模块包括径向伸缩杆和动力源；每个径向伸缩杆的末端固定连接着一个分布式线圈；径向伸缩杆用于调节分布式线圈与待处理锻件的距离；动力源用于为径向伸缩杆提供改变径向长度的动力，同时调整轴向高度以匹配各种高度的待处理锻件，并用于在放电过程中固定径向伸缩杆，并固定分布式线圈在待处理锻件的轴向位置，维持分布式线圈的位置不变。

进一步优选地，脉冲电源模块设置有多套，每套脉冲电源模块包括线路阻抗、储能电容和续流回路；用于改变放电电流的振荡频率、时间常数、阻尼系数和峰值大小，进而改变脉冲电磁场产生的感应涡流和振荡过程。

进一步优选地，待处理的锻件为环型锻件或筒型锻件。

这里需指出，本申请中径向是指锻件和分布式线圈的圆心向半径方向的延伸方向为径向；轴向垂直于径向，垂直于半径和圆心所在平面；

更为具体地，当锻件视为圆柱，从圆心延伸到外径的方向视为径向，从下圆面到上上圆面的延伸方向为轴向；本申请中除了强调分布式线圈，所有轴向和径向均指代以锻件为圆柱的标准轴径向。

第二方面，基于上述提供的电磁胀形装置，本申请对应提供了一种电磁胀形方法，包括以下步骤：

S1：将待处理锻件放置于旋转模块上，且固定旋转模块、定位模块以及分布式电磁驱动模块；

S2：向分布式线圈通入脉冲电流产生脉冲磁场，并感应出涡流，同时向分布式线圈通入振荡电流，涡流也相应产生热效应，使待处理锻件在涡流与脉冲磁场的相互作用下产生塑性应变，同时在热效应下进行胀形；

S3：若需要再次放电，则采用定位模块调整分布式线圈的位置，并通过旋转模块旋转待处理锻件，调节待处理锻件与分布式线圈间的位置，转至S2，直至不需要再次放电，获取胀形完毕的锻件。

进一步优选地，S2中脉冲电流的获取方法为：

根据待处理的锻件胀形需求，结合锻件材料物理参数计算所需的脉冲电流脉宽；

基于所需的脉冲电流脉宽，结合脉冲电源模块的电压、分布式线圈的数量以及分布式线圈与脉冲电源模块的连接方式，实现脉冲电流脉宽和幅值的控制，进而产生所需的脉冲电流。

进一步优选地，若获取脉宽超过预设脉宽、幅值低于预设幅值的脉冲电流波形，则减少分布式线圈组中串联线圈数量，增加总脉冲电源模块数量，当组内分布式线圈数量减少至一个，每个分布式线圈单独与每个脉冲电源模块连接；若获取脉宽低于预设脉宽、幅值高于预设幅值的脉冲电流波形，则增加分布式线圈组中的串联线圈数量，减少总脉冲电源模块的数量。

总体而言，通过本申请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：

传统的同轴线圈胀形装置需要与待处理锻件类似尺寸的线圈，在大型锻件下难以生产同时将会使得线路参数变差，同时在线圈中产生较高温度，不利于电磁能量的利用。本申请提供了一种电磁胀形装置，其中，分布式电磁驱动模块包括分布式线圈，分布式线圈与脉冲电源模块以不同方式连接，使用分布式小线圈能够优化线路参数，同时通过调整分布式线圈的电流、位置以及角度能够灵活产生脉冲磁场，利于不同工况的塑性应变产生，使用脉冲电源模块不同方式连接分布式线圈灵活调整脉冲电流波形，灵活产生塑性应变完成胀形，并且分布式小线圈便于维护，单个分布式线圈受损进行更换成本较低。

本申请提供了一种电磁胀形方法，利用多次向分布式线圈通入脉冲电流产生脉冲磁场，实现多次灵活放电；对于多分布式线圈大型锻件达到目标效果单次需要的能量可能较大，可以通过多次放电综合达到胀形效果，并且在多次放电中可以通过定位模块和旋转模块灵活调整分布式线圈位置配合锻件的变形或适应各种尺寸，旋转待处理锻件能够改变胀形效果的均匀性。

附图说明

图1是本申请实施例提供的电磁胀形装置的俯视结构示意图；

图2是本申请实施例提供的分布式线圈胀形装置的二维轴对称结构图；

图3(a)是本申请实施例提供的分布式电磁驱动模块中分布式线圈相邻同向电流线圈同轴竖排放置下，磁场、涡流和电磁力的方向示意图；

图3(b)是本申请实施例提供的分布式电磁驱动模块中分布式线圈相邻反向电流线圈径向横排放置下，磁场、涡流和电磁力的方向示意图；

图4是本申请实施例提供的多次放电中分布旋转放电的示意图；

图5是本申请实施例提供的一脉冲电源模块与分布式驱动模块的灵活控制方法示意图；

相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1：待处理锻件；2-1：绝缘固定单元；2-2：分布式线圈；3：旋转模块；4-1：径向伸缩杆；4-2：动力源；5-1：线路阻抗；5-2：储能电容；5-3：续流回路。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。

为解决传统胀形机难以对大型环/筒件进行冷变形的问题，本申请提供了一种利用分布式线圈进行大型环/筒件胀形的装置，一种实施例的俯视图和二维对称结构图如图1和图2所示，其结构可分为分布式电磁驱动模块2、旋转模块3、定位模块和脉冲电源模块5；

待处理锻件1是需要胀形的大型锻件；这里需指出，待处理锻件1为导体；

分布式电磁驱动模块2包括绝缘固定单元2-1和分布式线圈2-2；通过脉冲电源模块5向分布式线圈2-2充入电流，可形成脉冲磁场使得锻件内部产生涡流，脉冲磁场与涡流相互作用以电磁力形式作用锻件，使大型锻件产生径向应变以产生塑性应变；分布式线圈2-2的数量为偶数，在锻件内部均匀分布，每两个分布式线圈2-2关于锻件直径对称；

绝缘固定单元2-1是为支撑分布式线圈2-2，防止其的磁场与锻件涡流作用下变形的锻件与分布式线圈2-2碰撞接触损坏分布式线圈2-2或影响放电回路；集磁器能够进一步改善线圈磁场的空间分布，提高磁场力，可根据应用实际添加；可根据需求灵活选择分布式线圈2-2的数量、尺寸和方式，绝缘固定单元2-1和集磁器以及分布式线圈2-2一一对应；以及以串联在一起的连接在单个脉冲电源模块的若干分布式线圈2-2为一组进行电流的调控；为保证均匀度通常以对称的方式均匀分布在锻件的内部；放置在旋转模块3上，后端与定位模块连接；

在一个可能的实施例中分布式线圈2-2采用分布式圆形线圈，相邻同向电流下线圈同轴竖排放置和相邻反向电流下线圈径向横排放置产生的磁场以及电流的示意图如图3(a)和图3(b)所示，都产生相应的排斥力实现胀环，可见通过多种灵活分布式线圈2-2布置，能产生不同的空间磁场以灵活调控实现胀环的电磁排斥力；

旋转模块3用于放置锻件，实现在多次放电中的旋转，可以提高分布式电磁驱动模块的胀形效果；

定位模块4包括径向伸缩杆4-1和动力源4-2；径向伸缩杆的末端固定着分布式电磁驱动模块，因此，径向伸缩杆4-1能改变长度以调整在其端部的分布式电磁驱动模块与锻件的距离，从而能够在多次放电中保持分布式电磁驱动模块2与锻件距离不变，或者适应各种直径的锻件；动力源4-2可以为径向伸缩杆4-1提供改变径向长度的动力，同时调整轴向高度以综合对各种高度的锻件进行胀形，以及在调整伸缩杆径向长度和轴向高度后固定，维持分布式电磁驱动模块2的位置不变，防止在放电过程中受力改变位置；而在大部分情况下，动力源4-2带径向动伸缩杆4-1使全部分布式线圈2-2或者对称分布式线圈2-2同时移动，以保证各分布式线圈2-2与锻件的距离一致；

脉冲电源模块5用于产生和调节分布式电磁驱动模块2中的分布式线圈放电的脉冲电流；可根据具体放电需求使用单个或多个脉冲电源模块5分别为分布式线圈供电，也可以为并联或串联的分布式线圈组供电；可通过控制脉冲电源模块4与分布式电磁驱动模块2的连接方式以控制脉冲电磁场；

在一些实施例中，脉冲电源模块5包括线路阻抗5-1、储能电容5-2和续流回路5-3；可以通过灵活调控线路阻抗、续流电阻等电路参加，可以改变放电电流的振荡频率、时间常数、阻尼系数和峰值大小等特性，灵活改变脉冲电磁场产生的感应涡流和振荡过程，达到更好的胀形效果。

在一些可能的实施例中，脉冲电源模块5包括电容、开关、续流二极管、电阻和保护电感；分布式线圈2-2以一定个数进行串并联形成组，再由脉冲电源模块5以组为单位分别连接；通常脉冲电源模块有多套备选；

在一些可能的实施例中，分布式电磁驱动模块的分布式线圈2-2采取圆形双层线圈，而线圈的轴向方向对准锻件的径向；相邻分布式线圈2-2间的夹角固定，覆盖对应锻件区域；分布式的线圈2-2直径与锻件高度一致获得较高的磁场利用率，同时在此基础上合适的线圈个数和尺寸的选取，将是保证锻件变形的均匀程度的关键。

在一些可能的实施例中，通过分布式电磁驱动模块相邻分布式线圈2-2的相对电流方向甚至特定关系的不同分布式线圈中的脉冲电流，可对产生的脉冲磁场的空间分布进行调控从而调控塑性应变即胀形效果；

在一些可能的实施例中，分布式电磁驱动模块中的分布式线圈2-2的组内连接方式、尺寸大小、锻件的距离和脉冲电源模块数量等将影响整个放电电路的线路参数，从而在相同放电电压下拥有不同的脉冲电流幅值和脉宽以根据需求改变每次放电作用效果，产生塑性应变完成胀形；

在一些可能的实施例中，可利用旋转模块旋转锻件，使得在某次放电后，根据分布式电磁驱动模块的分布旋转相应角度，配合定位模块调整相对位置，再进行放电并重复；分布式电磁驱动模块以不同的相对位置对同一区域锻件进行多次放电，以综合改善胀形的均匀度。

另一方面，本申请基于上述装置，提供了多次放电对大型锻件胀形的方法，包括以下步骤：

S01：调整待处理锻件1放置于旋转模块3合适位置，固定旋转模块3并锁定定位模块4以固定分布式电磁驱动模块2的位置；

S02：通过线路阻抗5-1、储能电容5-2和续流回路5-3组成的脉冲电源模块5向分布式线圈2-2通入特定组合的脉冲电流，在对应分布式线圈2-2附近产生空间脉冲磁场；待处理锻件1将在脉冲磁场作用下感应出涡流并与空间磁场相互作用，产生塑性应变，此过程将使得待处理锻件1产生塑性应变，而脉冲电源模块5也能产生振荡的电流作用在待处理锻件1中，同时待处理锻件1中的涡流也会有热效应，综合对锻件胀形；

S03：若还需放电，则使用定位模块4通过伸缩调整分布式线圈模块2的位置，根据需要使用旋转模块旋转锻件至其与分布式电磁驱动模块2的相对位置合适；

S04：重复S01～S03步骤以达到目标效果；其中，分布放电示意图可见图4。

另一方面，本申请提供了一种基于上述装置的脉冲电源模块和分布式电磁驱动模块的灵活控制方法，具体如下：

根据锻件胀形需求，例如给锻件内壁提供压应力，提升锻件内的抗疲劳、抗磨损性能等可知所需集肤深度大小，结合锻件材料物理参数可计算所需脉冲电流脉宽；结合脉冲电源电压和对分布式电磁驱动模块连接的脉冲电源模块的连接数量和连接方式，以及分布式线圈的数量的控制可实现脉冲电流脉宽和幅值的控制，产生所需的脉冲电磁场作用，最终产生塑性应变完成胀形，提升锻件性能或微调形状；

如图5所示，分布式电磁驱动模块中所有分布式线圈串联连接到单个脉冲电源上，产生脉宽较长，幅值低的脉冲电磁波形；而分布式电磁驱动模块中一定数量的分布式线圈先连接再分别接到脉冲电源上，拥有脉宽较短、幅值较高的脉冲电磁波形，以产生不同的塑性应变即胀形效果。

综上所述，本申请与现有技术相比，由于使用分布式线圈大型环/筒锻件胀形装置和方法进行大型环/筒锻件的胀形以进行残余应力消除调控或矫形等，能够产生以下优势：

分布式线圈使大型环/筒锻件的胀形成为可能，并带来诸多优点；传统的同轴线圈胀形装置需要与锻件类似尺寸的线圈，在大型锻件下难以生产同时将会使得线路参数变差，同时在线圈内产生较高温度，不利于电磁能量的利用。使用分布式小线圈能够优化线路参数，同时通过调整配置线圈的电流、位置及角度能够灵活产生脉冲空间磁场，利于不同工况的塑性应变产生，使用多线圈组电源灵活调整脉冲电流波形，灵活产生塑性应变完成胀形，并且分布式小线圈便于维护，单个线圈受损进行更换成本较低。

配合本申请提供的利用分布式线圈对大型锻件胀形的装置能够实现多次灵活放电；对于多线圈大型锻件达到目标效果单次需要的能量可能较大，可以通过多次放电综合达到胀形的效果，并且在多次放电中可以通过定位模块和旋转模块灵活调整线圈位置配合锻件的变形或适应各种尺寸，旋转还能够改善胀形效果的均匀性。

应当理解的是，可以在本申请中使用的诸如“包括”以及“可以包括”之类的表述表示所公开的功能、操作或构成要素的存在性，并且并不限制一个或多个附加功能、操作和构成要素。在本申请中，诸如“包括”和/或“具有”之类的术语可解释为表示特定特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合，但是不可解释为将一个或多个其它特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合的存在性或添加可能性排除在外。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是可拆卸地连接，也可以是不可拆卸地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。

另外，在本申请实施例中，提到的数学概念，对称、相等、平行、垂直等。这些限定，均是针对当前工艺水平而言的，而不是数学意义上绝对严格的定义，允许存在少量偏差，近似于对称、近似于相等、近似于平行、近似于垂直等均可以。例如，A与B平行，是指A与B之间平行或者近似于平行，A与B之间的夹角在0度至10度之间均可。A与B垂直，是指A与B之间垂直或者近似于垂直，A与B之间的夹角在80度至100度之间均可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种电磁胀形装置，其特征在于，包括：分布式电磁驱动模块、旋转模块、定位模块和脉冲电源模块；

所述定位模块位于分布式电磁驱动模块的内侧；所述脉冲电源模块连接在分布式电磁驱动模块上；胀形时所述分布式电磁驱动模块位于待处理锻件的内侧；所述旋转模块位于待处理锻件的底部；所述待处理锻件为导体；

所述分布式电磁驱动模块包括分布式线圈，所述分布式线圈的数量为偶数，且关于待处理锻件直径对称；

所述旋转模块用于放置待处理锻件，并在多次放电中旋转待处理锻件；所述脉冲电源模块用于向分布式线圈中充入电流，形成脉冲磁场使得待处理锻件内部产生涡流，脉冲磁场与涡流相互作用以电磁力形式作用在待处理锻件上，使待处理锻件产生径向应变；同时脉冲电源模块用于产生振荡的电流作用在待处理锻件中，涡流相应产生热效应，对待处理锻件胀形；

所述定位模块用于调节分布式线圈与待处理锻件的距离，并对分布式线圈组进行轴向移动。

2.根据权利要求1所述的电磁胀形装置，其特征在于，所述分布式电磁驱动模块还包括绝缘固定单元和集磁器；

所述绝缘固定单元、集磁器以及分布式线圈一一对应，串联或并联连接在单个脉冲电源模块的若干分布式线圈为一组，脉冲电源模块用于对串联或并联连接的若干分布式线圈进行电流调控；

所述绝缘固定单元位于分布式线圈与待处理锻件之间，用于保护支撑分布式线圈，防止脉冲磁场与涡流作用下变形的锻件碰撞损坏所述分布式线圈；所述集磁器用于改善分布式线圈中脉冲磁场的空间分布，提高磁场力。

3.根据权利要求1或2所述的电磁胀形装置，其特征在于，所述分布式线圈为分布式圆形线圈，所述分布式圆形线圈的轴向方向对准待处理锻件的径向；相连分布式线圈间的夹角固定；相邻同向电流下分布式圆形线圈同轴竖排放置，或相邻反向电流下分布式圆形线圈径向横排放置。

4.根据权利要求1或2所述的电磁胀形装置，其特征在于，所述定位模块包括径向伸缩杆和动力源；每个径向伸缩杆的末端固定连接着一个分布式线圈；所述径向伸缩杆用于调节所述分布式线圈与待处理锻件的距离；所述动力源用于为所述径向伸缩杆提供改变径向长度的动力，同时调整轴向高度以匹配各种高度的待处理锻件，并用于在放电过程中固定径向伸缩杆和固定分布式线圈在待处理锻件的轴向位置，维持所述分布式线圈的位置不变。

5.根据权利要求1所述的电磁胀形装置，其特征在于，所述脉冲电源模块设置有多套，每套脉冲电源模块包括线路阻抗、储能电容和续流回路；用于改变放电电流的振荡频率、时间常数、阻尼系数和峰值大小，进而改变脉冲电磁场产生的感应涡流和振荡过程。

6.根据权利要求1所述的电磁胀形装置，其特征在于，待处理的锻件为环型锻件或筒型锻件。

7.一种基于权利要求1至6任一所述的电磁胀形装置的胀形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将待处理锻件放置于旋转模块上，且固定旋转模块、定位模块以及分布式电磁驱动模块；

S2：向分布式线圈通入脉冲电流产生脉冲磁场，并感应出涡流，同时向分布式线圈通入振荡电流，涡流也相应产生热效应，使待处理锻件在涡流与脉冲磁场的相互作用下产生塑性应变，同时在热效应下进行胀形；

S3：若需要再次放电，则采用定位模块调整分布式线圈的位置，并通过旋转模块旋转待处理锻件，调节待处理锻件与分布式线圈间的位置，转至S2，直至不需要再次放电，获取胀形完毕的锻件。

8.根据权利要求7所述的胀形方法，其特征在于，S2中脉冲电流的获取方法为：

根据待处理的锻件胀形需求，结合锻件材料物理参数计算所需的脉冲电流脉宽；

基于所需的脉冲电流脉宽，结合脉冲电源模块的电压、分布式线圈的数量以及分布式线圈与脉冲电源模块的连接方式，实现脉冲电流脉宽和幅值的控制，进而产生所需的脉冲电流。

9.根据权利要求7或8所述的胀形方法，其特征在于，若获取脉宽超过预设脉宽、幅值低于预设幅值的脉冲电流波形，则减少分布式线圈组中串联线圈数量，增加总脉冲电源模块数量，当组内分布式线圈数量减少至一个，每个分布式线圈单独与每个脉冲电源模块连接；若获取脉宽低于预设脉宽、幅值高于预设幅值的脉冲电流波形，则增加分布式线圈组中的串联线圈数量，减少总脉冲电源模块的数量。