一種基于電磁吸引力的管件成形裝置及方法與流程

本發明屬于金屬成形制造領域，特別涉及一種基于電磁吸引力的管件成形裝置及方法，主要用于金屬管件的成形加工。

背景技術：

電磁成形是一種高能率、高速率的脈沖成形技術，相較于準靜態成形有成形速度快、成形質量高、能有效的改善坯料的成形能力、清潔無污染等顯著優點。所以，在航天、航空、汽車等制造業的輕量化進程中有舉足輕重的作用。其中，鈦合金、鋁合金、鎂合金等輕質合金為輕量化的首選材料。但這些輕質合金在室溫下的成形塑性差，傳統的成形方法容易出現起皺和回彈；甚至受合金自身的拉延性限制，局部位置會產生裂紋。而電磁成形技術可以在室溫下顯著提高上述合金的成形能力，能節約大量的生產成本。

現有的電磁成形技術是通過脈沖電源放電，使得在成形線圈中流入一強脈沖電流，在線圈周圍空間產生一個脈沖磁場，進而使得坯料中產生感應渦流；成形線圈中的脈沖電流與金屬坯料中的感應渦流方向相反，相互受到排斥力的作用。該排斥力驅動坯料向遠離成形線圈的方向的運動，從而發生塑性變形實現坯料的成形加工。金屬坯料在成形過程中變形時間短，與成形線圈沒有接觸；使得成形后的皮料表面質量高。

現有的管件電磁成形技術中，電磁力的作用方式主要為排斥力，作用方式單一；同時，當微小管件有脹形需求時，由于電磁力的作用方式為排斥力，很難繞制可置于管件內的線圈，使得其應用場景受限。此外，在異種金屬管件復合中，在內管為高導電率金屬管件的情況下，現有的方法雖可實現管件復合，但是成形質量差，成形位置不穩定；還會受到管件長度的制約。

現有的電磁成形根據坯料的形狀主要分為板件成形和管件成形兩類；其中管件又以設備工裝簡單，能量利用率高而廣泛應用。但現有的管件成形仍受到坯料和線圈尺寸的限制，針對小管件的脹形成形困難，使得其應用場景受限。

技術實現要素：

針對現有的小管件成形技術難點，為了擴大金屬管件電磁成形的應用范圍，本發明提供一種基于電磁吸引力的管件成形裝置及方法，可以改變現有的電磁力作用方式，打破現有技術局限，擴大管件電磁成形的應用范圍,以適應不同加工工件的需求。

本發明采取的技術方案為：

一種基于電磁吸引力的管件成形裝置，金屬管件的端部固定，在金屬管件成形區域外部套加螺線管成形線圈并固定，螺線管成形線圈與金屬管件之間存在成形間隙，所述螺線管成形線圈連接放電電路。放電電路用于在所述螺線管成形線圈內施加一個寬脈寬脈沖電流，在該寬脈寬脈沖電流峰值處再施加一個窄脈寬電流，使得合成的電流擁有較緩的上升沿和較陡的下降沿。金屬管件在合成電流上升沿時受到排斥力的作用，在合成電流下降沿時受到吸引力的作用，吸引力遠大于排斥力；金屬管件的成形區域向置于金屬管件外部的螺線管成形線圈方向運動。

所述金屬管件端部采用機械結構或液壓結構固定；金屬管件成形區域外部套加螺線管成形線圈采用機械結構或液壓結構固定。

所述金屬管件內部設有管內模具，管內模具盡可能的填充金屬管件的內部空間，管內模具用來限制所述金屬管件在受到排斥力時，向遠離螺線管成形線圈的方向運動。

所述金屬管件為鋁合金管件、鎂合金管件、或者表面噴涂高導電率涂層的鈦合金管件。

所述螺線管成形線圈設置在管外模具的凹腔內。

所述螺線管成形線圈與所述金屬管件之間設置集磁器，集磁器為鍍銅或鍍銀的開環不銹鋼，開環不銹鋼上有1mm的間隙，且截面為梯形。

所述管內模具為圓柱形模具。

所述管外模具為現有的電磁成形管件脹形模具。

一種基于電磁吸引力的管件成形方法，金屬管件的端部固定，在金屬管件成形區域外部套加螺線管成形線圈并固定，螺線管成形線圈與金屬管件之間存在成形間隙，所述螺線管成形線圈連接放電電路。在螺線管成形線圈內施加一個寬脈寬脈沖電流，在該寬脈寬脈沖電流峰值處再施加一個窄脈寬電流，使得合成的電流擁有較緩的上升沿和較陡的下降沿，以此方式，金屬管件在合成電流上升沿時受到排斥力的作用，在合成電流下降沿時受到吸引力的作用；該吸引力遠大于排斥力；金屬管件在整個成形過程中，主要受到電磁吸引力的作用，電磁吸引力使得金屬管件成形區域向置于金屬管件外部的螺線管成形線圈方向運動，從而實現與傳統金屬管件脹形方法一樣的脹形效果。

本發明一種基于電磁吸引力的管件成形裝置及方法，技術效果如下：

1、本發明改變了在金屬管件脹形中電磁力的作用方式，提高了線圈的利用效率，降低了生產成本。

2、本發明中的成形線圈，在引入集磁器后，可實現通用形，即不同尺寸的金屬管件可以采用同一套成形線圈實現脹形。

3、本發明特別適用于小金屬管件的脹形，解決了小金屬管件脹形難度大的問題。小金屬管件為直徑50mm以下的金屬管件。

附圖說明

圖1為含集磁器和管內模具的金屬管件脹形裝置示意圖。

圖2為含管外模具和管內模具的金屬管件脹形裝置示意圖。

圖3為含集磁器的金屬管件脹形裝置示意圖。

圖4為金屬管件脹形裝置示意圖。

圖5為含管內模具的金屬管件脹形裝置示意圖。

圖6為放電電流波形示意圖。

上述圖中：1-放電電路；2-螺線管成形線圈；3-金屬管件；4-集磁器；5-管內模具；6-管外模具；7-高導電率涂層。

具體實施方式

本發明提供了一種基于電磁吸引力的管件成形裝置及方法，具體技術方案如下：

一種基于電磁吸引力的管件成形裝置，金屬管件3端部采用機械結構或液壓結構固定。在所述金屬管件3待成形區域套加螺線管成形線圈2，并采用機械結構或液壓結構固定，使其留有一定的成形間隙。

機械結構或液壓結構固定方式如下：

金屬管件3外壁與螺線管成形線圈2內壁之間放置有定位環，使兩者同軸，并使螺線管成形線圈2的中心區域與金屬管壁3的待成形區域對齊。同時，利用液壓機在端部約束整體裝置，防止裝置在軸向方向上發生晃動。

在所述螺線管成形線圈2內施加一個寬脈寬脈沖電流，在該寬脈寬脈沖電流峰值處再施加一個窄脈寬電流，使得合成的電流擁有較緩的上升沿和較陡的下降沿。以此方式，金屬管件3在合成電流上升沿時受到排斥力的作用，在合成電流下降沿時受到吸引力的作用；該吸引力遠大于排斥力，換言之，金屬管件3在整個成形過程中，主要受到電磁吸引力的作用。電磁吸引力使得金屬管件3成形區域向置于金屬管件3外部的螺線管成形線圈2方向運動，從而實現與傳統金屬管件脹形方法一樣的脹形效果。傳統金屬管件脹形方法為：螺線管成形線圈2置于金屬管件3內部。

作為進一步優選地，在金屬管件3內部可放置一個圓柱形模具，該圓柱形模具應盡可能的填充金屬管件3的內部空間。用此模具來限制金屬管件3在受到排斥力時向遠離螺線管成形線圈2的方向運動，從而使得吸引力的作用效率增加。

作為進一步優選地，所述金屬管件3優選為鋁合金、鎂合金、可針對但不限于鈦合金這類導電率較低的輕質合金外表面噴涂高導電率涂層7，以此來增大金屬管件3中感應渦流的電流密度，從而增加最終的成形效果。

作為進一步優選地，可在現有的電磁成形管件脹形模具的凹腔內設置螺線管成形線圈2，以此實現有模的管件脹形成形。

作為進一步優選地，可在螺線管成形線圈2與金屬管件3之間設置集磁器4，該集磁器4為鍍銅或鍍銀的開環不銹鋼，開環不銹鋼上有1mm的間隙，且截面為梯形。以此可通過集磁器4將螺線管成形線圈2產生的非均勻磁場集中于特定成形區域，進一步增加金屬管件3的最終成形效果。

作為進一步優選地，可設置不同尺寸的集磁器4，在不改變螺線管成形線圈2尺寸的情況下來實現不同尺寸金屬管件3的脹形需求。

由于電磁力的大小隨距離的增大呈平方反比衰減，因此，若金屬管件3的直徑減小，而螺線管成形線圈2尺寸不變，金屬管件3外壁與螺線管成形線圈2之間的距離將增大，其受到的電磁力將大大降低，影響成形效果。因此，傳統電磁成形工藝中，通常是針對一個尺寸的管件就需要配備一套線圈，而引入集磁器4之后，集磁器4的內徑與金屬管件3匹配，外徑與螺線管成形線圈2內徑匹配，根據不同直徑的管件，配備相應的不同內徑的集磁器4即可，無需更換螺線管成形線圈2。而集磁器4加工難度與成本都遠遠小于螺線管線圈。

請參照圖1和圖2，本發明提供一種基于電磁吸引力的管件脹形方法，其具體實施方案如下：

一種基于電磁吸引力的管件成形方法，將螺線管成形線圈2、金屬管件3、集磁器4、管內模具5按圖1所示結構組裝，在放電電路1中電容c1、電容c2已充電完畢，閉合開關s1，在螺線管成形線圈2中將會產生一個寬脈寬脈沖電流i1，在脈沖電流上升沿時，金屬管件3中也產生一個與放電電流方向相反的感應渦流，金屬管件3因此受到一個遠離螺線管成形線圈2的排斥力的作用；由于，管內模具5緊貼金屬管件3，從而會限制金屬管件3的變形；在脈沖電流i1達到峰值時，閉合開關s2，在螺線管成形線圈2中會產生一個與i1方向相反的窄脈寬電流i2，i1與i2合成的脈沖電流i3的下降沿較陡，金屬管件3中感應渦流反向，即與脈沖電流i3的方向一致，此時，金屬管件3受到吸引力的作用，向指向螺線管成形線圈2的方向發生變形，從而實現脹形；

將管外模具6、金屬管件3、管內模具5按圖2所示結構組裝，其中螺線管成形線圈2置于管外模具6中，此時，控制放電電路1按上述放電順序放電，金屬管件3最終受到電磁吸引力的作用，發生脹形，進入凹模，實現金屬管件3的有模成形。