基于导体圆环的管件胀形加工方法

1.本发明属于工件电磁成形控制领域，具体涉及一种基于导体圆环的管件胀形加工方法。


背景技术：

2.轻质铝合金材料凭借其良好的力学性能和较低的密度成为轻量化加工的首选材料。电磁成形作为一种高速率脉冲成形技术，可显著提高材料的成形极限和变形的均匀性，是解决轻质合金成形能力低的有效手段之一。因此改善管材电磁胀形中因驱动线圈端部效应导致管件轴向变形不均匀的问题意义重大。现有的针对管件轴向变形非均匀的方法包括改变管件长度与线圈高度的相对长度以及改变驱动线圈结构等。文献“effect of coil length and relative position on electromagnetic tube bulging”通过改变线圈长度和管件高度的相对长度分析工艺参数对管件电磁胀形的影响，进而改善管件变形的均匀性；文献“electromagneticforce distribution and deformation homogeneity of electromagnetic tube expansion with a new concave coil structure”采用凹型线圈驱动管件电磁胀形，通过削弱管件成形中部径向电磁力的方法来提高管件成形均匀性。
3.上述电磁成形方法，虽然可一定程度上减弱径向电磁力端部效应，使工件变形更加均匀，然而，改变管件和线圈相对长度仅适用于小型工件，且改变驱动线圈结构过于复杂，会导致管件电磁成形效率降低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于导体圆环的管件胀形加工方法，通过在胀形线圈和成形管件之间设置金属导体圆环的方式改善电磁力的分布特性，消除端部效应，使管件胀形加工过程中管件轴向变形更均匀。
5.本发明的技术方案是基于导体圆环的管件胀形加工方法，通过在胀形线圈与待加工管件之间设置多个金属导体圆环，胀形线圈通电产生电磁场时，在金属导体圆环内产生与胀形线圈中方向相反的感应电流，感应电流的电磁场与胀形线圈的电磁场叠加，改善待加工管件上的电磁力分布，削弱管件成形区中部受到的电磁力，使待加工管件成形区的电磁力分布更均匀，提高管件成形的均匀性。
6.所述管件胀形加工方法包括以下步骤：s1：根据管件成形规格需求，确定胀形线圈的匝数；s2：根据胀形线圈的参数与管件成形规格，确定金属导体圆环的数量及尺寸大小；s3：将待加工管件固定，将胀形线圈轴向中线与管件成形区中线对齐并固定胀形线圈；s4：将多个金属导体圆环依次放置在胀形线圈和待加工管件之间，所述多个金属导体圆环关于待加工管件成形区中线对称，将金属导体圆环全部固定；s5：对胀形线圈供电形成脉冲电流，待加工管件成形区产生感应涡流，并与电磁场
相互作用，管件受到径向向外的电磁合力，管件成形区在电磁合力作用下发生胀形；s6：判断管件的胀形是否达到成形规格；s6.1：若未达到成形规格，则执行步骤s5；s6.2：若达到成形规格，则结束。
7.优选地，所述金属导体圆环与胀形线圈的间距不大于2mm。
8.进一步地，所述金属导体圆环与管件的间距不大于4mm。
9.优选地，所述金属导体圆环电导率小于1.6
×
107s/m。
10.进一步地，金属导体圆环的屈服强度大于310mpa。
11.优选地，所述金属导体圆环的横截面为圆形或矩形。
12.作为可替换的方案，所述管件压缩加工方法可将放置在胀形线圈和待加工管件之间的多个金属导体圆环替换成约束管件。
13.相比现有技术，本发明的有益效果包括：1）本发明通过在胀形线圈和成形管件之间引入金属导体圆环来改善电磁力的分布特性，在保证成形效率的前提下消除端部效应，实现了管件胀形加工过程中管件轴向上的均匀变形；2）本发明的管件胀形加工方法也适用于大型管件的成形制造，而现有的采用改进胀形线圈减弱径向电磁力端部效应的方法不适用于大型管件；3）本发明可采用约束管件代替金属导体圆环，进一步简化管件胀形加工工艺，提高生产效率；4）本发明方法采用的管件加工装置可批量生产，有利于推广实施本发明的方法。
附图说明
14.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
15.图1为实施例一的管件胀形加工装置的示意图。
16.图2为实施例二的管件胀形加工装置的示意图。
17.图3为实施例三的管件胀形加工装置的示意图。
18.图4为实施例三中本发明的方法和无约束管件的管件胀形加工方法在施加脉冲电流的不同时刻的管件胀形加工效果的对比图。
19.图5为实施例三有无约束管件的管件胀形的三维效果对比图。
20.附图标记说明：胀形线圈1；待加工管件2；待加工管件的成形区201；金属导体圆环3；约束管件4。
具体实施方式
21.实施例一如图1所示，实施例的管件胀形加工装置包括胀形线圈1、待加工管件2和多个金属导体圆环3。金属导体圆环3的横截面为圆形。胀形线圈1经开关与电容电源连接，控制开关导通时，胀形线圈1中形成脉冲电流。
22.实施例中将金属导体圆环3布设在胀形线圈1和待加工管件2之间，且保证相邻的金属导体圆环3的间距均相等。实施例的多个金属导体圆环3关于待加工管件的成形区201
的中线形成对称。
23.金属导体圆环3与胀形线圈的间距不大于2mm，所述金属导体圆环3与管件的间距不大于4mm。金属导体圆环3的电导率小于1.6
×
107s/m，金属导体圆环3的屈服强度大于310mpa。
24.基于导体圆环的管件胀形加工方法，包括：s1：根据管件成形规格需求，确定胀形线圈的匝数；s2：根据胀形线圈的参数与管件成形规格，确定金属导体圆环的数量及尺寸大小；s3：将待加工管件固定，将胀形线圈轴向中线与管件成形区中线对齐并固定胀形线圈；s4：将多个金属导体圆环依次放置在胀形线圈和待加工管件之间，所述多个金属导体圆环关于待加工管件成形区中线对称，将金属导体圆环全部固定；s5：对胀形线圈供电形成脉冲电流，待加工管件成形区产生感应涡流，并与电磁场相互作用，管件受到径向向外的电磁合力，管件成形区在电磁合力作用下发生胀形；s6：判断管件的胀形是否达到成形规格；s6.1：若未达到成形规格，则执行步骤s5；s6.2：若达到成形规格，则结束。
25.实施例二如图2所示，实施例的管件胀形加工装置包括胀形线圈1、待加工管件2和多个金属导体圆环3。胀形线圈1经开关与电容电源连接，控制开关导通时，胀形线圈1中形成脉冲电流。
26.实施例中将金属导体圆环3布设在胀形线圈1和待加工管件2之间，中线附近的金属导体圆环3的间距小于中线上下侧的金属导体圆环3的间距，即金属导体圆环3在胀形线圈1和待加工管件2之间非均匀分布。实施例的多个金属导体圆环3关于待加工管件的成形区201的中线形成对称。
27.实施例二的管件胀形加工方法与实施例一相同。实施例三如图3所示，实施例的管件胀形加工装置包括胀形线圈1、待加工管件2和约束管件4。约束管件4设置在胀形线圈1和待加工管件2之间。胀形线圈1经开关与电容电源连接，控制开关导通时，胀形线圈1中形成脉冲电流。
28.实施例中，驱动线圈1包含3层线圈，每层10匝，共30匝，线圈横截面直径为4mm；待加工管件2的高度为60mm，待加工管件2的径向厚度为2mm，约束管件4的高度为12mm，径向厚度为1.5mm，约束管件4与驱动线圈1的间距不大于2.4mm，约束管件4与待加工管件2的间距不大于2mm。约束管件4的电导率小于1.6
×
107s/m，约束管件4的屈服强度大于310mpa。约束管件4的横截面为矩形。
29.基于约束管件的管件胀形加工方法，包括以下步骤：s1：根据管件成形规格需求，确定胀形线圈的匝数；s2：根据胀形线圈的参数与管件成形规格，确定约束管件尺寸大小；s3：将待加工管件固定，将胀形线圈轴向中线与待加工管件的成形区中线对齐并固定胀形线圈；
s4：将约束管件放置在胀形线圈和待加工管件之间，约束管件轴向中部对待加工管件的成形区中线对齐，将约束管件固定；s5：对胀形线圈供电形成脉冲电流，待加工管件中产生感应涡流，并与电磁场相互作用，管件受到管件中心方向的电磁合力，待加工管件的成形区在电磁合力作用下发生胀形；s6：判断管件的胀形效果是否达到成形规格；s6.1：若未达到成形规格，则执行步骤s5；s6.2：若达到成形规格，则结束。
30.实施例中，电容电源的电容量为266
µ
f。
31.实施例中将采用约束管件的管件胀形加工方法即本发明的方法与无约束管件的管件胀形加工方法进行仿真实验对比。无约束管件的管件胀形加工方法的仿真实验中设置电容电源的放电电压为5kv，有约束管件的管件胀形加工方法即本发明的方法的仿真实验中设置电容电源的放电电压为5.3kv，使得加工后管件的最大变形深度一致。
32.对比实验中的管件胀形过程如图4所示，图4上部所示为无约束管件的管件胀形加工方法的管件胀形过程，图4下部所示为有约束管件的管件胀形加工方法即本发明方法的管件胀形过程，图中红色箭头为模拟的电磁力矢量，由图可见，无约束管件的仿真实验中，驱动线圈1导通脉冲电流时，管件轴向中线部位受到的电磁力最大，管件轴向中部先胀形，再带动管件上下两端胀形；有约束管件的仿真实验中，约束管件改变了待加工管件上的电磁力分布，有约束管件情形下管件胀形时管件上下两端受到的电磁力远大于管件轴向中部受到的电磁力，管件端部先胀形，再带动管件轴向中部胀形。
33.对比实验的管件胀形加工效果如图5所示，图5左部为无约束管件情形下的管件胀形加工效果，图5右部为有约束管件情形下的管件胀形加工效果。由图可见，无约束管件的管件胀形加工方法得到的管件胀形段的高度为11.667mm，并且胀形段外壁为弧形；有约束管件的管件胀形加工方法得到的管件胀形段的高度为31.666mm，并且胀形段外壁平整，本发明的方法明显改善了胀形管件轴向上的均匀性。

技术特征：
1.基于导体圆环的管件胀形加工方法，其特征在于，所述管件胀形加工方法，通过在胀形线圈与待加工管件之间设置多个金属导体圆环，胀形线圈通电产生电磁场时，在金属导体圆环内产生与胀形线圈中方向相反的感应电流，感应电流的电磁场与胀形线圈的电磁场叠加，改善待加工管件上的电磁力分布，削弱管件成形区中部受到的电磁力，使待加工管件成形区的电磁力分布更均匀，提高管件成形的均匀性；所述管件胀形加工方法包括以下步骤：s1：根据管件成形规格需求，确定胀形线圈的匝数；s2：根据胀形线圈的参数与管件成形规格，确定金属导体圆环的数量及尺寸大小；s3：将待加工管件固定，将胀形线圈轴向中线与管件成形区中线对齐并固定胀形线圈；s4：将多个金属导体圆环依次放置在胀形线圈和待加工管件之间，所述多个金属导体圆环关于待加工管件成形区中线对称，将金属导体圆环全部固定；s5：对胀形线圈供电形成脉冲电流，待加工管件成形区产生感应涡流，并与电磁场相互作用，管件受到径向向外的电磁合力，管件成形区在电磁合力作用下发生胀形；s6：判断管件的胀形是否达到成形规格；s6.1：若未达到成形规格，则执行步骤s5；s6.2：若达到成形规格，则结束。2.根据权利要求1所述的管件胀形加工方法，其特征在于，所述金属导体圆环与胀形线圈的间距不大于2mm。3.根据权利要求1所述的管件胀形加工方法，其特征在于，所述金属导体圆环与管件的间距不大于4mm。4.根据权利要求1所述的管件胀形加工方法，其特征在于，所述金属导体圆环电导率小于1.6
×
107s/m。5.根据权利要求1所述的管件胀形加工方法，其特征在于，金属导体圆环的屈服强度大于310mpa。6.根据权利要求1所述的管件胀形加工方法，其特征在于，所述金属导体圆环的横截面为圆形或矩形。7.根据权利要求1-6任意一项所述的管件胀形加工方法，其特征在于，所述管件压缩加工方法可将放置在胀形线圈和待加工管件之间的多个金属导体圆环替换成约束管件。

技术总结
本发明属于工件电磁成形控制领域，涉及基于导体圆环的管件胀形加工方法，通过在胀形线圈与待加工管件之间设置多个金属导体圆环，胀形线圈通电产生电磁场时，在金属导体圆环内产生与胀形线圈中方向相反的感应电流，感应电流的电磁场与胀形线圈的电磁场叠加，改善待加工管件上的电磁力分布，削弱管件成形区中部受到的电磁力，使待加工管件成形区的电磁力分布更均匀。本发明在保证成形效率的前提下消除端部效应，实现了管件胀形加工过程中管件轴向上的均匀变形；本发明的方法能制造大型管件。本发明的方法能制造大型管件。本发明的方法能制造大型管件。


技术研发人员：邱立 罗宝妮 何琴 刘洪池
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/10/7