集磁器内外壁双向加载的管件电磁胀形方法及装置

1.本发明属于航空管件成形控制领域，具体涉及一种集磁器内外壁双向加载的管件电磁胀形方法及装置。


背景技术：

2.电磁成形的技术革新往往以新型驱动线圈结构产生更合理的电磁力分布为标志。
3.现有的管件胀形系统由充电系统、放电电容、开关、驱动线圈、管件组成。充电系统首先给电容充电，然后合上开关，电容器储存的能量以脉冲电流的形式传递给驱动线圈，线圈自身产生的磁场和管件上产生的感应涡流叠加后，产生驱动管件胀形的电磁力。然而目前采用的驱动线圈加载系统会导致管件胀形为不均匀的凸型，并且管件的壁厚减薄量较大。
4.公开号为cn103406418b的发明专利“径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法及装置”提供了一种径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法及装置，主要包括产生感应涡流的涡流线圈、产生径向磁场的磁场线圈以及为涡流线圈和磁场线圈供电的电源系统。同时，该发明还提供了径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法，可为金属管件提供不同载荷形式下的高速变形实验条件，为材料高速变形机理研究提供新的实验手段。然而，这一专利能够为管件提供双向电磁力加载，但线圈数目较多，工装起来较复杂且经济效益不够高。
5.公开号为cn110210116a的发明专利“一种适用于带集磁器管件电磁成形的二维轴对称仿真模型及建模方法”提供了一种适用于带集磁器管件电磁成形的二维轴对称仿真模型及建模方法，与现有三维模型相比，该发明提供的仿真模型与方法计算速度更快；与现有二维轴对称模型对比，该发明提供的仿真模型与方法更贴合物理实际，计算精度更高。然而，这一专利并没有设计磁场变换器以适用于对管件进行双向电磁力的加载。


技术实现要素：

6.本发明的技术问题是现有的管件胀形方法的胀形线圈提供的径向电磁力远大于轴向电磁力，导致管件胀形后壁厚减薄。由于径向电磁力沿管件轴向分布不均匀，导致管件胀形后呈现轴向不均匀的凸形。
7.本发明的目的是针对上述问题，提供一种集磁器内外壁双向加载的管件电磁胀形方法及装置，在胀形线圈和待胀形管件之间设置圆环状集磁器，利用集磁器改变胀形线圈和待胀形管件之间的磁场分布。利用环状集磁器内壁产生的与集磁器外壁方向相反的感应涡流减小集磁器外侧的待胀形管件中部的径向电磁合力，使管件成形的轴向均匀性更好；采用纵向长度大于待胀形管件长度的集磁器，增大管件受到的轴向电磁力与径向电磁力的比值，促使管件材料轴向流动，抑制管件胀形时的壁厚减薄现象。
8.所述管件电磁胀形方法包括以下步骤：步骤1：根据待胀形管件的成形规格需要，确定集磁器的形状和参数；
步骤2：根据步骤1得到的集磁器的形状和参数，制作集磁器；步骤3：将胀形线圈、新型集磁器、待胀形管件由里到外放置在胀形基座上，分别将胀形线圈、新型集磁器、待胀形管件的中轴线与胀形基座中心线对齐并固定好；步骤4：将胀形线圈连接到脉冲电源，对胀形线圈通电，控制脉冲电源的放电时间，对待胀形管件进行电磁胀形；步骤5：判断管件的胀形效果是否符合管件的成形规格，若符合成形规格则结束，否则执行步骤4再次对管件进行电磁胀形。
9.优选地，步骤1中，利用有限元软件建立包含集磁器、驱动线圈、待成形管件的工件电磁成形模型，对工件电磁成形模型的驱动线圈施加脉冲电流，仿真得到管件的胀形效果，调整集磁器的形状、参数，重复进行仿真实验使管件的轴向均匀性最好、管件壁厚减薄量最小，仿真确定集磁器的形状和参数。
10.优选地，待成形管件的内径与所述集磁器的外径的差值不大于12mm。
11.进一步地，所述集磁器的轴向长度大于待成形管件的长度。
12.优选地，所述集磁器的内径与胀形线圈的外径的差值不大于2mm。
13.优选地，步骤4中，脉冲电源的放电脉宽为50~1000us。
14.优选地，所述集磁器内壁与胀形线圈外层的径向间距为2mm。
15.优选地，所述集磁器的外壁与待胀形管件内壁的径向间距为2mm。
16.阶梯形集磁器，内壁为阶梯形，外壁上设有凹槽，凹槽的宽度与阶梯形集磁器外壁高度的比值为0.7-0.9。
17.外凸型双环集磁器，包括上环和下环，上环、下环均包括外凸起。下环与上环的间距为6mm。
18.阶梯形双环集磁器，包括上环和下环，上环、下环的内壁均为阶梯形。
19.相比现有技术，本发明的有益效果包括：1）本发明的胀形方法采用新型集磁器和胀形线圈相配合的方式对胀形管件进行双向电磁力的加载，提高了管件胀形的轴向均匀性，并有效抑制了管件胀形过程中的壁厚减薄；2）本发明采用不同参数设计的内外壁结构，来实现不同径向电磁力和轴向电磁力比值的电磁力加载，可满足不同管件成形规格的需要；3）提高了驱动线圈的使用寿命，本发明的集磁器承受了管件胀形过程中管件和驱动线圈的电磁力作用，极大减少了驱动线圈所承受的电磁力作用，因而延长了驱动线圈的使用寿命。
附图说明
20.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
21.图1为实施例一的管件胀形装置的示意图。
22.图2为实施例一的集磁器在管件胀形时的感应电流分布示意图。
23.图3为实施例一管件胀形过程中管件受到的径向、轴向电磁力的示意图。
24.图4为实施例二的管件胀形装置的示意图。
25.图5为实施例二的集磁器在管件胀形时的感应电流分布示意图。
26.图6为实施例二的管件胀形过程中管件受到的径向、轴向电磁力的示意图。
27.图7为实施例三的管件胀形装置的示意图。
28.图8为实施例三的集磁器在管件胀形时的感应电流分布示意图。
29.图9为实施例三的管件胀形过程中管件受到的径向、轴向电磁力的示意图。
具体实施方式
30.实施例一如图2所示，实施例利用环状集磁器内壁产生的与集磁器外壁方向相反的感应涡流减小集磁器外侧的待胀形管件中部的径向电磁合力，使管件成形的轴向均匀性更好。实施例的集磁器采用阶梯形集磁器1。
31.管件电磁胀形方法，包括以下步骤：步骤1：利用有限元软件建立包含集磁器、驱动线圈、待成形管件的工件电磁成形模型，对工件电磁成形模型的驱动线圈施加脉冲电流，仿真得到管件的胀形效果，调整集磁器的形状、参数，重复进行仿真实验使管件的轴向均匀性最好、管件壁厚减薄量最小，仿真确定集磁器的形状和参数；步骤2：根据管件的成形规格以及胀形线圈的参数，确定集磁器的参数，制作集磁器；步骤3：将胀形线圈、集磁器、待胀形管件由里到外放置在胀形基座上，分别将胀形线圈、集磁器、待胀形管件的中轴线与胀形基座中心对齐并固定好，在集磁器、待胀形管件的上方放置顶盖，并用液压机压紧；步骤4：将胀形线圈连接到脉冲电源，对胀形线圈通电，控制脉冲电源的放电时间，对待胀形管件进行电磁胀形；步骤5：判断管件的胀形效果是否符合管件的成形规格，若符合成形规格则结束，否则执行步骤4再次对管件进行电磁胀形。
32.步骤4中，脉冲电源的放电脉宽为50~1000us。
33.如图1-3所示，实施例的管件胀形装置，包括胀形基座4、胀形线圈2、阶梯形集磁器1、顶盖5和脉冲电源6，胀形基座4设有环状胀形区401，胀形线圈2、阶梯形集磁器1和待胀形管件3由里到外放置在胀形基座的环状胀形区401，胀形线圈2、阶梯形集磁器1的中轴线与胀形基座4的中心线对准，胀形线圈2与脉冲电源6电性连接。顶盖5用于压紧待胀形管件3，并固定阶梯形集磁器1。
34.实施例的待胀形管件3的长度为80mm。
35.阶梯形集磁器的内壁102为阶梯形，阶梯形集磁器的外壁101上设有凹槽103，凹槽103的宽度与阶梯形集磁器外壁101高度的比值范围为0.7~0.9。本发明中，当管件胀形均匀性最佳时，阶梯形集磁器外壁高度为84mm，此时凹槽的宽度范围为75.6mm。
36.实施例的集磁器内壁的高度均小于集磁器外壁的高度，且集磁器外壁、内壁处的电流大小相等，方向相反；集磁器外壁的电流密度大于集磁器内壁的电流密度。集磁器外壁处的感应电流产生径向电磁力驱动管件胀形；集磁器内壁处的感应电流产生反向径向电磁力抑制管件胀形，且抑制管件胀形的径向电磁力集中在管件中部，削弱了管件中部受到的径向电磁力，使径向电磁力沿管件轴向分布均匀，如图3所示。集磁器外壁的凹槽能够削弱
管件内壁区域的电磁力，且集磁器外壁高度大于管件高度，故产生的轴向电磁力促进管件材料轴向流动，避免管件胀形过程中管件壁厚过度减薄。
37.实施例二如图4所示，实施例的集磁器采用外凸型双环集磁器1，包括上环1a和下环1b，上环1a的外壁101具有外凸起，上环1a的内壁轴向平整，下环1b与上环1a的结构相同。上环1a和下环1b的间距为6mm。
38.实施例的管件胀形方法与实施例一相同。
39.如图4-6所示，实施例的管件胀形装置，包括胀形基座4、胀形线圈2、外凸型双环集磁器1、顶盖5和脉冲电源6，胀形基座4设有环状胀形区401，胀形线圈2、外凸型双环集磁器1和待胀形管件3由里到外放置在胀形基座的环状胀形区401，胀形线圈2、外凸型双环集磁器1的中轴线与胀形基座4的中心线对准，胀形线圈2与脉冲电源6电性连接。顶盖5压紧待胀形管件3。外凸型双环集磁器1的上环1a与顶盖5固定连接。
40.实施例的集磁器中对称的阶梯型集磁器位于管件的两端，其内壁高度大于其外壁高度，且集磁器外壁、内壁处的电流大小相等，方向相反。由于集磁器内壁电流方向与线圈电流方向相反，导致集磁器外壁电流方向与线圈电流方向相同，致使管件受到的电磁力方向由管件中部转向管件端部，削弱了管件中部受到的径向电磁力。由于管件在胀形过程中存在端部效应，对称的集磁器能够有效抑制端部效应，使径向电磁力沿管件轴向分布均匀。集磁器外壁嵌于顶盖中，高出管件的部分区域能够提供轴向电磁力，有效抑制管件壁厚减薄。
41.凸型双环集磁器能够增强管件端部的径向电磁力，极大增强了管件的胀形均匀性，且集磁器端部能够有效抑制管件的壁厚减薄。集磁器的引入保护了驱动线圈，延长了驱动线圈及自身的使用寿命。
42.实施例三如图7所示，实施例的集磁器采用阶梯形双环集磁器，包括上环1a和下环1b，上环1a的外壁101具有外凸起，上环1b的内壁为阶梯形，下环1b与上环1a的结构相同。上环1a和下环1b的间距为6mm。
43.实施例的管件胀形方法与实施例一相同。
44.如图7-9所示，实施例的管件胀形装置，包括胀形基座4、胀形线圈2、阶梯形双环集磁器1、顶盖5和脉冲电源6，胀形基座4设有环状胀形区401，胀形线圈2、阶梯形双环集磁器1和待胀形管件3由里到外放置在胀形基座的环状胀形区401，胀形线圈2、外凸型双环集磁器1的中轴线与胀形基座4的中心线对准，胀形线圈2与脉冲电源6电性连接。顶盖5压紧待胀形管件3。阶梯形双环集磁器1的上环1a与顶盖5固定连接。
45.实施例的集磁器中对称的阶梯形双环集磁器位于管件的两端，其外壁、内壁处的电流大小相等，方向相反。集磁器外壁电流方向与线圈电流方向相同，致使管件受到的电磁力方向由管件中部转向管件端部，削弱了管件中部受到的径向电磁力。集磁器外壁的外凸形状能够有效抑制管件电磁胀形的端部效应，使径向电磁力沿管件轴向分布均匀。集磁器外壁嵌于顶盖中，高出管件的部分区域能够提供轴向电磁力，有效抑制管件壁厚减薄。
46.阶梯形双环集磁器能够使管件的电磁力更集中于端部，且集磁器外壁的外凸形状能够使电磁力更集中，能够有效抑制管件电磁胀形中的端部效应的产生，且其端部能够有
效抑制壁厚减薄。