本發(fā)明屬于材料塑性成形領(lǐng)域，具體涉及一種基于背景磁場(chǎng)下管材的電磁無(wú)模成形方法及裝置。

背景技術(shù)：

電磁成形是利用洛倫茲力使金屬材料發(fā)生高速率塑性變形的成形方法。成形時(shí)電能在極短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為高壓沖擊波，以脈沖形式作用在坯料上，使坯料瞬間獲得極高的變形速度，隨后在慣性力作用下發(fā)生塑性變形。該技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天、兵器、電子和汽車制造等領(lǐng)域，具體在管材的自由脹形工藝上應(yīng)用較多。

管材進(jìn)行電磁自由脹形時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)后，感應(yīng)出的感生電流存在“集膚效應(yīng)”，與此同時(shí)，管材兩端又存在“端部效應(yīng)”，最終導(dǎo)致管材上各點(diǎn)的電磁力沿徑向和軸向的分布都不均勻。電磁脈沖作用后，管材在慣性力作用下以極大的變形速度進(jìn)行自由脹形，由于上述兩種效應(yīng)所形成的不均勻電磁力場(chǎng)，最終導(dǎo)致電磁自由脹形后的脹管件出現(xiàn)大范圍的塑性流動(dòng)不均勻、局部減薄嚴(yán)重甚至脹裂等現(xiàn)象，該現(xiàn)象在短管件電磁自由脹形和脹環(huán)實(shí)驗(yàn)中尤為明顯。

由于電磁自由脹形的管材變形時(shí)沒(méi)有模具約束，如何控制材料塑性流動(dòng)、避免局部減薄甚至脹裂，一直是該工藝最為核心的技術(shù)難題。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍從“精確控制放電能量、優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)”等思路出發(fā)，以求解決這一難題。但該方法在實(shí)際應(yīng)用中操作難度較大，工藝可重復(fù)性較差，所獲得的脹管件在尺寸上存在一定不可控的波動(dòng)，無(wú)法穩(wěn)定、準(zhǔn)確地得到尺寸恒定的均勻脹管件，并且該工藝也不適合批量化生產(chǎn)要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有管材電磁自由脹形技術(shù)中所存在的塑性流動(dòng)不均勻、局部減薄嚴(yán)重甚至出現(xiàn)脹裂裂紋等不足，本發(fā)明提供了一種基于背景磁場(chǎng)下管材的電磁無(wú)模成形方法和裝置。以解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的操作難度大、工藝可重復(fù)性差、尺寸波動(dòng)不可控、不適合批量化生產(chǎn)要求等技術(shù)問(wèn)題。

按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種管材無(wú)模電磁成形方法，包括如下步驟：

(1)將成形線圈固定，兩端連接脈沖放電電路；

(2)將要成形的管材套設(shè)在成形線圈外，調(diào)整管材位置使之與成形線圈同軸線分布；兩者間距優(yōu)選為1mm左右；

(3)接通背景磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置的電源，產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻的背景磁場(chǎng)；調(diào)節(jié)背景磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，使背景磁場(chǎng)只產(chǎn)生在管材外側(cè)；

(4)接通脈沖放電電路，電流通過(guò)成形線圈，產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)；

待成形管材上將感應(yīng)出與脈沖磁場(chǎng)方向相反的渦流，在渦流所產(chǎn)生的洛倫茲力的作用下，管材發(fā)生高速變形，進(jìn)入背景磁場(chǎng)區(qū)，對(duì)該區(qū)的背景磁場(chǎng)磁感線產(chǎn)生切割作用，形成相應(yīng)的感應(yīng)電流，從而在背景磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生與切割方向相反的電磁力，即發(fā)生電磁阻尼現(xiàn)象，阻礙了管材因“端部效應(yīng)”和“集膚效應(yīng)”而產(chǎn)生的不均勻塑性流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電磁無(wú)模成形。

優(yōu)選地，所述背景磁場(chǎng)采用亥姆霍茲線圈系統(tǒng)產(chǎn)生。

按照本發(fā)明的另一方面，提出一種無(wú)模電磁成形裝置，包括亥姆霍茲線圈系統(tǒng)，支撐桿，上、下支撐板，驅(qū)動(dòng)桿，脈沖放電電路和成形線圈；其中：

所述亥姆霍茲線圈系統(tǒng)包括若干對(duì)上、下對(duì)稱設(shè)置的線圈，其中下部線圈固定在下支撐板上，上部線圈固定在上支撐板上，上、下支撐板及其上各對(duì)線圈的參數(shù)和分布對(duì)稱；

所述亥姆霍茲線圈系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)其中各對(duì)線圈之間的相對(duì)位置，以調(diào)整背景磁場(chǎng)的分布區(qū)域；

所述支撐桿為多根長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)桿，設(shè)在上、下支撐板之間，用于調(diào)整上、下支撐板之間的間距，從而調(diào)整亥姆霍茲線圈系統(tǒng)所形成的背景磁場(chǎng)強(qiáng)度，使上、下線圈之間軸線方向磁場(chǎng)分布均勻；

所述驅(qū)動(dòng)桿在上、下支撐板上分別設(shè)置，且位于支撐板中間；所述待固定的成形線圈設(shè)在上、下驅(qū)動(dòng)桿之間，所述驅(qū)動(dòng)桿長(zhǎng)度可調(diào)，用于固定成形線圈的位置；

所述成形線圈是用于產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，使管材發(fā)生高速變形；

所述脈沖放電電路包括串接的開(kāi)關(guān)、電阻和電容器組，所述成形線圈其兩端接脈沖放電電路，與其構(gòu)成一個(gè)脈沖放電回路，用于產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)。

優(yōu)選地，所述亥姆霍茲線圈系統(tǒng)1的各線圈垂直方向間距設(shè)定為待成形管材軸向長(zhǎng)度的1-1.3倍。

優(yōu)選地，所述成形線圈為密繞多匝螺旋線圈結(jié)構(gòu)，并依據(jù)待成形管材的尺寸進(jìn)行松配合設(shè)計(jì)；待成形管材和成形線圈間隙優(yōu)選為1mm。

優(yōu)選地，所述待成形管材為電導(dǎo)率較好的管材，包括鋁合金管和銅合金管。

優(yōu)選地，所述成形線圈為矩形截面，線圈徑向截面積10-25mm²，材質(zhì)是銅合金，多匝密繞結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述管材上部與上線圈設(shè)有不大于5mm的間距，以使管坯端部可以沿徑向自由變形，從而獲得均勻的脹管件。

基于上述成形裝置的一種電磁無(wú)模成形方法，包括以下步驟：

(1)將欲成形管材套在成形線圈外部；

(2)調(diào)節(jié)支撐桿，從而調(diào)整亥姆霍茲線圈系統(tǒng)中各對(duì)上下線圈的間距，以使線圈通電后形成的背景磁場(chǎng)滿足成形所要求的強(qiáng)度；

(3)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿，以固定成形線圈的位置；

(4)調(diào)整待成形管材的位置，使其與成形線圈同軸心放置；

(5)接通亥姆霍茲線圈系統(tǒng)，形成背景磁場(chǎng)；

(6)閉合脈沖放電電路開(kāi)關(guān)，電容器組開(kāi)始放電，在成形線圈中產(chǎn)生脈沖電流，從而形成脈沖磁場(chǎng)，同時(shí)依右手定則，在待成形管材上感應(yīng)出與脈沖磁場(chǎng)方向相反的渦流，在渦流所產(chǎn)生的洛倫茲力的作用下，該管材發(fā)生高速變形，進(jìn)入背景磁場(chǎng)區(qū)，對(duì)該區(qū)的磁感線產(chǎn)生切割作用；

高速變形的管材切割背景磁場(chǎng)的磁感線，產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，從而在背景磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生與切割方向相反電磁力，即發(fā)生電磁阻尼現(xiàn)象；產(chǎn)生的電磁力阻礙了管材因“端部效應(yīng)”和“集膚效應(yīng)”而產(chǎn)生的不均勻塑性流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電磁無(wú)模成形；所述“端部效應(yīng)”指磁場(chǎng)在管材端部發(fā)生分散，造成磁場(chǎng)強(qiáng)度減小的現(xiàn)象；所述“集膚效應(yīng)”指感應(yīng)磁場(chǎng)在管材表面沿徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小的現(xiàn)象。

本發(fā)明的原理是，在亥姆霍茲線圈系統(tǒng)形成穩(wěn)態(tài)背景磁場(chǎng)背景下，閉合脈沖放電電路開(kāi)關(guān)，待成形管材在成形線圈脈沖電磁力的作用下瞬間獲得極大變形速度，開(kāi)始自由脹形。管材上已變形區(qū)域進(jìn)入背景磁場(chǎng)，切割背景磁場(chǎng)磁感線，形成與變形方向相反的電磁力以阻礙其進(jìn)一步變形，即發(fā)生電磁阻尼現(xiàn)象。已知管材上不同塑性變形區(qū)的變形速度各不相同，由電磁力公式f＝blv可知：不同塑性變形區(qū)會(huì)在背景磁場(chǎng)中形成與其相對(duì)應(yīng)的電磁阻力場(chǎng)，塑性變形越劇烈的區(qū)域所形成的阻力越大。因此，管材上塑性流動(dòng)不均勻的塑性變形區(qū)在其所形成的不均勻阻力場(chǎng)的約束下，最終獲得塑性流動(dòng)均勻、無(wú)局部減薄或脹裂的合格脹管件。

本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明將背景磁場(chǎng)和脈沖磁場(chǎng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了管坯件(如鋁合金管)的電磁均勻脹形方法。借助高速變形的管材在背景磁場(chǎng)中，因電磁阻尼現(xiàn)象而形成的不均勻阻力場(chǎng)，阻礙管材上相應(yīng)塑性變形區(qū)的不均勻流動(dòng)，使管材不出現(xiàn)局部減薄或脹裂，從而獲得塑性流動(dòng)均勻的合格脹管件。

本發(fā)明在脹管件外表面形成壓應(yīng)力狀態(tài)，既改善了脹管件外表面的應(yīng)力分布，又克服了傳統(tǒng)電磁自由脹形工藝中常出現(xiàn)的脹裂缺陷，從而大大提高了管材電磁自由脹形的成形極限。

本發(fā)明所采用的亥姆霍茲線圈系統(tǒng)可以準(zhǔn)確控制背景磁場(chǎng)的輸入能量，使管材的最終成形形狀得到精準(zhǔn)控制，從而避免了傳統(tǒng)電磁自由脹形工藝中脹形件尺寸波動(dòng)較大、工藝可重復(fù)性差等不足，有利于實(shí)現(xiàn)該工藝的批量化、機(jī)械化和標(biāo)準(zhǔn)化。

本發(fā)明極具創(chuàng)新地提出通過(guò)外加背景磁場(chǎng)對(duì)高速變形的管材進(jìn)行約束，利用電磁阻尼現(xiàn)象，即管材的不同塑性變形區(qū)將形成相應(yīng)的不同電磁阻力場(chǎng)，從而精準(zhǔn)控制零件的外表面應(yīng)力狀態(tài)和最終形狀，該方法為電磁無(wú)模成形開(kāi)辟了全新的研究思路，極具創(chuàng)新性和指導(dǎo)意義。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的成形裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明的原理圖；

圖3a為管材脹形初始狀態(tài)示意圖；

圖3b為管材經(jīng)電磁脈沖作用后的材料成形示意圖；

圖3c和圖3d為高速運(yùn)動(dòng)的管材在背景磁場(chǎng)中變形過(guò)程示意圖；

圖3e為管材經(jīng)電磁脈沖作用和背景磁場(chǎng)作用后的材料成形示意圖；

圖中：1-亥姆霍茲線圈系統(tǒng)，2-支撐桿，3-支撐板，4-驅(qū)動(dòng)桿，5-開(kāi)關(guān)，6-電阻，7-電容器組，8-待成形管材，9-成形線圈，10-背景磁場(chǎng)，11-脈沖磁場(chǎng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示為一種基于背景磁場(chǎng)下管材的電磁無(wú)模成形裝置示意圖，包括亥姆霍茲線圈系統(tǒng)1、支撐桿2、支撐板3、驅(qū)動(dòng)桿4、開(kāi)關(guān)5、電阻6、電容器組7、待成形管材8和成形線圈9。開(kāi)關(guān)5、電阻6和電容器組7串聯(lián)組成電磁脈沖發(fā)生裝置，所述成形線圈9與該電磁脈沖發(fā)生裝置相連，以形成所需要的脈沖磁場(chǎng)11；亥姆霍茲線圈系統(tǒng)1固定在支撐板3上，可以通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿4來(lái)改變亥姆霍茲線圈系統(tǒng)1的間距，使之形成所需要的背景磁場(chǎng)10；待成形管材8與成形線圈9同心放置。

利用上述裝置進(jìn)行基于背景磁場(chǎng)下管材的電磁無(wú)模成形方法，包括以下步驟：

(1)將成形線圈9放置在待成形管材8內(nèi)部；

(2)接通電機(jī)驅(qū)動(dòng)支撐桿2下移，調(diào)整亥姆霍茲線圈系統(tǒng)1的間距，并調(diào)整驅(qū)動(dòng)桿4定位成形線圈9，亥姆霍茲線圈系統(tǒng)1的間距可近似設(shè)定為待成形管材8軸向長(zhǎng)度的1-1.3倍；

(3)適當(dāng)調(diào)整待成形管材8的位置，使其與成形線圈9同心放置；

(4)接通亥姆霍茲線圈系統(tǒng)1形成背景磁場(chǎng)10；

(5)接通電源系統(tǒng)對(duì)電容器組7進(jìn)行充電，當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定值0-30kv時(shí)，停止充電；閉合開(kāi)關(guān)5，形成放電回路；

隨后，如圖2所示，成形線圈9中產(chǎn)生脈沖電流，從而形成脈沖磁場(chǎng)，同時(shí)由右手定則，在待成形管材8上感應(yīng)出渦流，又由左手定則可知渦流在脈沖磁場(chǎng)中將產(chǎn)生遠(yuǎn)離成形線圈9方向的洛倫茲力，當(dāng)渦流產(chǎn)生的洛倫茲力超過(guò)待成形管材8的徑向屈服極限時(shí)，電磁力使待成形管材8朝遠(yuǎn)離成形線圈9的方向高速變形。

這個(gè)過(guò)程中，電能轉(zhuǎn)化為待成形管材上的動(dòng)能、塑性變形能和損失掉的熱能，線圈產(chǎn)生的電磁力作用結(jié)束后，待成形管材8依靠慣性作用進(jìn)入背景磁場(chǎng)10；

(6)進(jìn)入背景磁場(chǎng)10的已變形管材8切割背景磁場(chǎng)10的磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而在背景磁場(chǎng)10中形成與其運(yùn)動(dòng)方向相反的電磁力，阻礙其進(jìn)一步的變形，即發(fā)生電磁阻尼現(xiàn)象；

由于待成形管材8各點(diǎn)的變形速度不同，進(jìn)入背景磁場(chǎng)10的時(shí)間和切割磁感線的速度也不同，由電磁力公式f＝blv可知：管材上不同的塑性變形區(qū)會(huì)在背景磁場(chǎng)中形成與其相應(yīng)的電磁阻力場(chǎng)，塑性變形越劇烈的區(qū)域所形成的阻力越大。從而形成“中部阻力大、兩端阻力小”的不均勻阻力場(chǎng)；

因?yàn)樵撟枇?chǎng)是由于不均勻塑性變形引起的，所有這種不均勻阻力場(chǎng)的分布與待成形管材8因“集膚效應(yīng)”和“端部效應(yīng)”的作用而產(chǎn)生的不均勻塑性流動(dòng)場(chǎng)完全契合，因此不均勻的阻力場(chǎng)改善了待成形管材8在成形后期的塑性不均勻流動(dòng)，最終獲得塑性流動(dòng)均勻、無(wú)局部減薄或脹裂的合格脹管件。

本發(fā)明中成形線圈9為提供動(dòng)力的部分，成形線圈9采用密繞多匝螺旋管線圈結(jié)構(gòu)，并依據(jù)待成形管材8的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，該線圈可以產(chǎn)生很大的徑向力使待成形管坯8完成脹形，并且該線圈可承受較大的成形反作用力，擁有良好的使用壽命。

待成形管材8的變形過(guò)程如圖3a-3e所示。管材脹形的初始狀態(tài)如圖3a所示，圖中待成形管材8與成形線圈9同心放置。接通開(kāi)關(guān)后，如圖3b所示，待成形管坯8獲得很大的動(dòng)能，在慣性力作用下管材8的中部區(qū)域率先變形進(jìn)入背景磁場(chǎng)10。圖3c和圖3d為高速變形的管材8在背景磁場(chǎng)中的變形過(guò)程，率先進(jìn)入背景磁場(chǎng)10的高速變形區(qū)域切割背景磁場(chǎng)10的磁感線形成相應(yīng)的阻力場(chǎng)，即發(fā)生“電磁阻尼”現(xiàn)象。所形成的不均勻阻力場(chǎng)阻礙待成形管材8在成形后期相應(yīng)的不均勻塑性流動(dòng)。管材8經(jīng)電磁脈沖作用和背景磁場(chǎng)作用后的材料成形示意圖如圖3e所示，可見(jiàn)最終獲得了塑性流動(dòng)均勻、無(wú)局部減薄或脹裂的合格脹管件。

綜上，如圖1所示，本發(fā)明中，背景磁場(chǎng)磁感應(yīng)線方向由下向上，高速變形的管材由內(nèi)向外切割背景磁場(chǎng)磁感應(yīng)線，由右手定則可知，產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流(順時(shí)針?lè)较?，該感應(yīng)電流在背景磁場(chǎng)中由左手定則可知，形成由外向里的電磁力f，即發(fā)生電磁阻尼現(xiàn)象。該電磁力f與管材初始變形方向相反，從而阻礙管材的后續(xù)無(wú)約束變形；由于管材上各點(diǎn)的變形程度不均勻，進(jìn)入背景磁場(chǎng)的時(shí)間和切割磁感線的速度各不相同，由電磁力公式f＝blv可知：不同塑性變形區(qū)會(huì)在背景磁場(chǎng)中形成與其相對(duì)應(yīng)的電磁阻尼力場(chǎng)，塑性變形越劇烈的區(qū)域所形成的阻力越大。從而，管材上塑性流動(dòng)不均勻的塑性變形區(qū)在其所形成的不均勻阻力場(chǎng)的約束作用下，最終獲得塑性流動(dòng)均勻、無(wú)局部減薄或脹裂的合格脹管件。

以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開(kāi)的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開(kāi)的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。