一种电磁胀形用集磁器

1.本发明涉及胀形集磁器技术领域，尤其涉及一种电磁胀形用集磁器。


背景技术：

2.目前，轻质合金大量应用于管道、汽车、航空航天等领域，以满足这些行业对轻量化的需求，电磁成形(electromagnetic forming，emf)技术因其独特的技术特性十分适配此类合金的加工，因而得到了飞速的发展；集磁器作为电磁成形过程中常见的辅助工具，具有改善磁场位形，提高成形质量的作用，也是实现emf柔性加工的重要辅助装备；传统的电磁胀形所采用的集磁器形状在竖直剖面上呈现为梯形结构，该剖面形状沿竖直中心轴线所旋转一定角度形成的不完全闭合的回转体就是集磁器的几何构造，如图1所示；其关键结构设计表现为上下底面与狭缝。其一般实现方式是在旋转体内侧空间放置线圈，外侧则放置管件；感应电流首先产生于相较外侧面积更大的内侧表面(梯形下底)，再通过回转体的开口处流向集磁器的外表面，最后电流在面积更小的外表面汇聚，提高了感应电流单位面积内的密度，进而起到“集磁”的作用。
3.在电磁成形技术中，现有的胀形用集磁器大多是一个实心的旋转体，驱动线圈产生的脉冲磁场会使得集磁器中感应出一个很大的涡流，由于电流的趋肤效应，感应涡流会趋于在集磁器的表面处汇聚流通；这就意味着，集磁器中间很大一部分的区域只会有少量的杂散电流存在，这部分电流对于成形并无作用，带来了多余的欧姆损耗，故这一部分属于“无用区域”，造成了材料的浪费和过大的集磁器重量；并且，流经集磁器的脉冲大电流势必带来急剧的热量变化，实心的金属体结构使得整体成形系统通风散热性能较差，不利于空气流通和后续的冷却处理。


技术实现要素：

4.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种电磁胀形用集磁器，以解决上述问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电磁胀形用集磁器，它包括集磁器本体和线圈，所述集磁器本体包括内套体和连接在内套体外侧的外套体，所述内套体为空心结构，所述线圈均布在所述内套体内侧，所述外套体的外圆柱面与所述内套体的内圆柱面之间开设切槽，所述外套体的上下两端均沿轴向开设多道与外界连通的环形凹槽。
6.优选的方案中，所述环形凹槽的开设深度不小于所述外套体高度的三分之一。
7.优选的方案中，所述环形凹槽内设置由非金属材料制成的冷却水管。
8.优选的方案中，每道所述环形凹槽内还设置由非金属材料制成的冷却气管。
9.优选的方案中，所述外套体的多道环形凹槽内，其中一个环形凹槽内设置冷却水管，与冷却水管相邻的环形凹槽内设置冷却气管，冷却水管和冷却气管依次间隔设置。
10.优选的方案中，所述环形凹槽的壁面上涂覆绝缘涂层和耐高温涂层。
11.优选的方案中，所述外套体的外表面积为所述内套体内表面积的0.4-0.9倍。
12.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
13.1、本发明通过对传统集磁器的感应涡流进行分析，结合电流的趋肤深度，开设环形凹槽后留出足够的厚度以保证涡流的流动和集磁器的结构强度，对集磁器上的无用部分开设环形凹槽，减轻其质量，提高材料的利用率，降低了多余的欧姆损耗。
14.2、本发明的集磁器，加工方式简单，特别是环形凹槽加工简单，在实际工程应用中容易实现。
15.3、使用本发明能有效提升工件的成形效率和集磁器的通风散热能力。
附图说明
16.图1为本发明的主视结构示意图。
17.图2为本发明的立体结构示意图。
18.图3为本发明的俯视结构示意图。
19.图4为图3中a-a向剖视结构示意图。
20.图5为本发明中胀形状态示意图。
21.图6为本发明一种优选实施例的剖视结构示意图。
22.图7为本发明另一种优选实施例的剖视结构示意图。
23.图8为本发明一种优选实施例的电流密度云图。
24.上述附图中：10、集磁器本体；11、内套体；12、外套体；13、切槽；14、环形凹槽；15、冷却水管；16、冷却气管；20、线圈；30、管件；40、固定模具。
具体实施方式
25.下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
26.实施例1
27.参阅附图1-附图4，作为本发明的一种实施例，提出了一种电磁胀形用集磁器，它包括集磁器本体10和线圈20，集磁器本体10包括内套体11和连接在内套体11外侧的外套体12，内套体11为空心圆管结构，线圈20均布在所述内套体11内侧，外套体12的外圆柱面与内套体11的内圆柱面之间开设切槽13，外套体12的上下两端均沿轴向开设多道环形凹槽14，环形凹槽14均与外界连通，环形凹槽14的开设深度为外套体12高度的三分之一；环形凹槽14的壁面上涂覆绝缘涂层和耐高温涂层，外套体12外表面积为内套体11内表面积的0.8倍。
28.胀形状态请参阅附图5，图中箭头代表电磁力方向，胀形过程将本发明的集磁器放置到管件中待胀形区域，向线圈中通入脉冲电流，集磁器沿箭头方向对管件30的管壁施加作用力，管件30在固定模具40和电磁力的双重作用下局部发生胀形。
29.电流具有趋肤效应，分析电流集中在集磁器中流过的位置，可知脉冲电流在集磁器中的流通路径为：
30.1)脉冲电容器放电，产生一流经线圈的脉冲电流，脉冲电流带来的脉冲强磁场穿过集磁器的内壁，根据楞次定律，在内壁产生感应涡流，由于趋肤效应的影响，该涡流汇聚在集磁器内壁的表面；
31.2)集磁器内壁表面处的涡流经过中间的“横梁”流向外壁表面；
32.3)集磁器外壁的感应涡流又会促使管件中产生涡流，并在磁场的作用下产生洛伦兹力，进而发生形变；本发明中，由于外套体12外表面积为内套体11内表面积的0.8倍，故外套体12外表面汇聚的电流密度要更大，起到了调控磁场的作用；
33.4)集磁器上的电流从环向上看由内套体内壁流经狭缝，在外套体外壁汇聚并再由狭缝流回，构成一个闭合回路。
34.本发明中根据如下的电流分析计算公式分析计算：
[0035][0036]
ω＝2πf
ꢀꢀꢀ
(2)
[0037][0038]
式中，δ是电流的趋肤深度，μ、σ是指集磁器材料的相对磁导率和电导率，ω表示电流的额角频率，f是电流的频率，其与整体的电路参数有关，由电路中的电容与电感确定；电磁成形的电路拓扑结构可以简单等效为二阶电路，其中放电电容器和电路等效电感值一般较小，故频率较大，从而趋肤深度较浅，集中在材料表面；这就意味着，在外套体中心的很大一部分的区域只会有少量的杂散电流存在，这部分电流对于成形并无作用，并且带来了多余的欧姆损耗，故这一部分属于“无用区域”，造成了材料的浪费和过大的集磁器重量。
[0039]
本实施例在以上分析演算的基础上，对外套体的结构改进，设置内套体的内径为62mm，高度90mm，内套体壁厚3mm；外套体的厚度为15mm，高度36mm，外套体上开设3道环形凹槽14，环形凹槽14的宽度为2mm，深度为13mm。在此情形下，对线圈通电后集磁器本体10内电流流向如图4所示，集磁器本体10内电流密度云图如图8所示，该结构下集磁器本体10内电流分布情况，外套体12外表面汇聚的电流密度更大，胀形相应迅速，达到良好的性能要求，开设的环形凹槽14起到了减重的作用，更重要的是起到了减少集磁器本体10中心出现杂散电流，降低了欧姆损耗。
[0040]
实施例2
[0041]
在另一种优选实施例中，在上述实施例的基础上，参阅附图6，图中省略线圈，每道环形凹槽14内设置由非金属材料制成的冷却水管15，并在每个环形凹槽14内的冷却水管15外侧设置由非金属材料制成的冷却气管16，外套体12外表面积为内套体11内表面积的0.4倍。
[0042]
本实施例中，每道环形凹槽14内均设置了冷却水管15和冷却气管，在胀形时，分别在冷却水管15和冷却气管16中通入冷却水和空气，对集磁器本体10进行冷却降温，使集磁器本体10维持可持续工作的温度状态，防止集磁器因为被高温破坏。
[0043]
实施例3
[0044]
在另一种优选实施例中，参阅附图7，外套体12的多道环形凹槽14内，其中一个环形凹槽14内设置冷却水管15，与冷却水管15相邻的环形凹槽14内设置冷却气管16，即冷却水管15和冷却气管16在不同的环形凹槽14内依次间隔设置，外套体12外表面积为内套体11内表面积的0.9倍。
[0045]
本实施例中，在不同的环形凹槽14内设置冷却水管15和冷却气管16，将水冷却和空气冷却分开布置，便于水冷系统和空冷系统的布局设置，避免不同冷却系统的干涉，由于
集磁器体积较小，分开布置能简化结构，也能简化胀形操作。
[0046]
最后说明的是，本实验装置的具体尺寸不应局限于附图的尺寸比例，尤其实验槽深度应达到一米以上，波浪板与边坡模拟器距离应在两米以上，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。