專利名稱：一種磁脈沖成形用集磁器結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬管件磁脈沖成形技術，尤其涉及一種利用脈沖磁場力進行金屬管 件成形和連接的裝置。
背景技術：
磁脈沖成形技術具有加工能量易于精確控制、成形速度快、成形工件精度高、模具 簡單和設備通用性強等優(yōu)點，且整個成形過程無污染，已被應用于機械、電子、汽車、航空航 天和兵器工業(yè)等諸多領域。磁脈沖成形技術的基本原理是電磁感應定律。一脈沖磁場穿過 工件并在工件上產(chǎn)生感應電流(又稱渦流)，感應電流產(chǎn)生的磁場與初始的磁場相互作用 產(chǎn)生幅值巨大的脈沖磁壓力。當磁壓力幅值顯著高于工件材料的屈服強度時，工件將發(fā)生 塑性變形。磁脈沖成形加工正是利用脈沖磁壓力使工件產(chǎn)生塑性變形達到零件成形或連接 的目的。集磁器原理如圖1、圖2所示，它是磁脈沖成形中一種非常重要的裝置，用于集中 磁通并在工件一定位置上施加壓力，其與待加工管件對應的區(qū)域(圖2中4)稱為工作區(qū)。 一般，集磁器是帶有縱向窄縫的金屬厚壁圓筒，根據(jù)具體要求，其縱截面可為梯形、T形或L 型等。當進行圖2所示的縮徑成形時，在集磁器外部同軸放置成形線圈，磁脈沖成形設備通 過線圈放電。由于此放電回路為典型的RLC回路，流過線圈的脈沖電流I1具有衰減震蕩特 性。根據(jù)集膚效應和電磁感應定律，I1只在靠近集磁器外表面的線圈內側流動，其產(chǎn)生磁場 在集磁器外表面層內產(chǎn)生感應電流i2。由于集磁器側壁存在縱縫，因此i2沿集磁器外表面、 縱縫表面流經(jīng)集磁器的內表面。i2的感應磁場在置于集磁器內的管件上產(chǎn)生感應電流i5。 同理，變化的15也會產(chǎn)生磁場。“、12和i5對應的磁場相互作用，導致集磁器外表面感應電 流磁場大部分和線圈電流磁場相抵消，而在內表面則相反，尤其在工作區(qū)產(chǎn)生了強磁場，從 而實現(xiàn)磁場能從集磁器外表面向內表面，乃至工作區(qū)的傳遞，使絕大部分沖擊力作用于集 磁器的工作區(qū)，因而集磁器承受了線圈所受的巨大磁壓力，從而起到集中磁場、提高局部磁 場強度、保護線圈的作用。由于集磁器材料和結構限制，集磁器通常用于局部成形且有能量 損失，成形過程的能量效率降低。制作集磁器的材料要具有較高的導電率、強度和剛度。管件電流i5與集磁器和被加工管件間隙內的增強磁場作用，產(chǎn)生作用于該管件的 脈沖磁壓力，使之變形或實現(xiàn)與其他零件的機械連接或焊接接頭。目前，磁脈沖成形和連接用集磁器結構的側端面與軸線夾角介于π /6 — π /2之 間，磁場能向管件變形或連接所需機械能的轉化效率低，多用來起到保護線圈、加強線圈結 構強度的作用。因此，需要對集磁器結構進行優(yōu)化設計，提高磁脈沖成形或連接過程的能量 利用率，從而獲得滿足技術要求的變形和連接零件。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種能提高磁脈沖成形和連接過程能量利用率的新型集磁 器結構。
本發(fā)明的技術解決方案如下1、原理依據(jù)在梯形截面集磁器工作區(qū)內，認為磁場強度在內徑rQ、外徑rQ+g的環(huán)形區(qū)域內均 勻分布，見圖1、圖2，并且只有ζ向分量，則集磁器工作區(qū)電流為i4 式中φ為磁通量；1為集磁器工作區(qū)軸向長度；l·^為空氣磁導率；g為待加工管 件與集磁器工作區(qū)單面徑向間隙。集磁器側端面電流i3: 式中β為集磁器端面與軸線夾角。集磁器內壁表面流過的總電流i2為 集磁器工作區(qū)電流與總電流之比為 由式(4)可知，當β — π時，> —1，集磁器側端面電流i3趨于零，即該集磁器
1I
結構實現(xiàn)了集磁器外表面和內表面上工作區(qū)之間電流的高效率傳遞，或磁場能的高效率傳 遞。由此可知，集磁器側端面的斜角取值應為f < “ < T，則據(jù)此本發(fā)明的新型集磁器結構原
理如圖3所示。2、結構描述基于上述原理，本發(fā)明提出了如圖3和圖4所示的新型集磁器，其縱截面結構呈 “工”字型，由外壁、內壁和縱臂構成，外壁的外表面與線圈內表面相對，內壁的工作表面與 待加工管件外表面相對，集磁器外壁和內壁通過縱臂相連。集磁器的內壁縱向長度小于外 壁，由此實現(xiàn)感應電流i2或磁場能的集中。一條窄縱縫把集磁器的內壁、外壁和縱臂剖開， 縱縫內添加絕緣材料，以保證磁脈沖設備通過線圈放電時集磁器內壁、外壁脈沖電流通過 時的絕緣強度。集磁器由高強度、高導電率的金屬材料加工而成，如紫銅、高強鋁合金、鈹青銅等 材料。根據(jù)被加工管件具體工況條件的需要，集磁器的縱臂可以置于其縱軸中心的位 置，如圖3所示；集磁器的縱臂也可以置于外壁的端部，如圖9所示。為提高集磁器結構強度，在集磁器內壁、外壁與縱臂之間、沿圓周方向均勻分布 3-8條加強筋，以增強新型集磁器工作區(qū)的結構強度，如圖5和6所示。集磁器的外壁外表面和內壁工作表面的同軸度及兩個表面和縱縫表面的光潔度要嚴格要求。3、有益效果—般，現(xiàn)有集磁器結構的側端面與軸線夾角介于π /6 — π /2之間，磁場能量傳遞 和集中的效率低。對目前磁脈沖成形常用的集磁器結構而言，本發(fā)明提出的集磁器結構顯 著提高磁脈沖成形放電過程中的磁場能量，從而提高集磁器的能量轉化效率，進而提高線 圈和集磁器壽命、降低放電電壓。


圖1為磁脈沖成形用集磁器工藝原理2為圖1剖視3為本發(fā)明集磁器結構圖(β — π )圖4為圖3的左視5為本發(fā)明帶加強筋集磁器結構6為圖5的左視7為縮徑變形示意8為縮徑連接示意9為工作區(qū)位于端部的集磁器結構圖1-線圈；2-集磁器；3-集磁器側端面；4-集磁器工作區(qū)；5-待成形管件；6_加工 管件；7_被加工管件；8-集磁器的加強筋；9-集磁器側壁縱縫；10-被連接管件；11-外壁； 12-內壁；13-縱臂-線圈電流；i2-集磁器電流；i3-集磁器側端面電流；i4-集磁器工作 區(qū)電流；i5-管件電流；β _集磁器端面與軸線夾角^cr被加工管件外半徑；Rtl-集磁器外半 徑；g_待加工管件與集磁器工作區(qū)單面徑向間隙；I-集磁器工作區(qū)軸向長度；P-磁壓力。
具體實施例方式實施例1如圖3、圖4所示，所用集磁器2的縱截面為工字形，由外壁11、內壁12、縱臂13和 側壁縱縫9構成的整體單匝線圈，其外壁11的外表面與內壁12上的工作表面4為同軸圓 柱面。集磁器2由高強度、高導電率的紫銅棒材經(jīng)機械加工而成，側壁縱縫貫穿集磁器2的 外壁11、內壁12和縱臂13，寬度0. 2 2. 0_。如圖7所示，電磁脈沖成形設備的輸出輸入端與多匝螺線管線圈1的兩個接線端 相連，其線圈1位于集磁器2的外壁11的外側。線圈1的匝線為矩形截面的紫銅線，截 面3X5mm(匝線矩形截面面積一般介于10 50mm2之間)。設備放電電壓2. 5kV，電容量 720uF。集磁器2外壁11外徑90mm，內壁12上工作區(qū)4的內徑22mm，集磁器外壁長100mm， 內壁長20mm。待加工管件6為LF21-0，外徑20mm，壁厚1. Omm,將待加工管件6、集磁器2和 線圈1同軸對稱放置。在上述工藝條件下，電磁脈沖成形設備電容C經(jīng)線圈1放電，根據(jù)前 述工藝原理，產(chǎn)生磁壓力P作用于集磁器2內壁12工作區(qū)4對應的管件6的外表面上。變 形前管件形狀6，變形后管件形狀7。試驗結果表明，相對于常規(guī)等腰梯形截面集磁器，實現(xiàn) 同樣縮徑變形量，需要放電電壓3. 0 3. 25kV。實施例2
如圖5、圖6所示，按照實施例1，所用集磁器2結構包括3-8條加強筋8沿圓周方 向均布，其截面呈直角梯形。相對實施例1中無加強筋的結構，加強筋能顯著提高集磁器2 內壁12的強度和剛度，從而確保磁脈沖成形和連接加工質量的一致性。實施例3如圖8所示，集磁器2結構與實施例2相同。磁脈沖成形設備的輸出輸入端與線圈 1的兩個接線端相連，設備放電電壓5. 5kV，電容量720uF。集磁器2外徑90mm，內徑22mm， 外壁長100mm，內壁長20mm，材料為紫銅。待加工管件6、被連接管件10、集磁器2和線圈1 同軸對稱放置，待加工管件6和被連接管件10的連接區(qū)與集磁器加工區(qū)4相對。待加工管 件6為LF21-0，外徑20mm，壁厚1. 0mm。被連接管件10為20鋼，外徑16mm，壁厚2. 0mm。在 上述工藝條件下，根據(jù)前述工藝原理，在脈沖磁壓力P作用下，待加工管件6產(chǎn)生高速徑向 縮徑變形，與被連接管件10發(fā)生高速撞擊，當撞擊速度滿足一定臨界條件時，實現(xiàn)待加工 管件6和被連接管件10之間的縮徑變形連接。實施例4如圖9所示，集磁器2的工作區(qū)4置于其外壁一端。按照實施例3，被連接管件10 為三通或四通管接頭，待加工管件6材料為紫銅，外徑20mm，壁厚0. 5mm。被連接管件10材 料為紫銅，外徑16mm，壁厚1. 0 2. 0mm。在設備放電電壓15. OkV、電容量100 μ F的條件 下，獲得待加工件6和被連接件10的縮徑連接接頭。實施例5如圖9所示，線圈1可以是單匝線圈，由高導電率塊體金屬直接加工而成。一般考 慮到線圈1結構強度和整個加工系統(tǒng)R、L、C參數(shù)的匹配，單匝線圈1的橫截面積和體積較 大，要求與之配合的集磁器2的外壁11的半徑Rtl較大，使集磁器橫截面積足夠大，以滿足 結構高強度的要求。
權利要求
一種磁脈沖成形用集磁器結構，其特征是集磁器縱截面結構呈“工”字型，由外壁、內壁和縱臂構成，外壁的外表面與線圈內表面相對，內壁的工作表面與待加工管件外表面相對，集磁器外壁和內壁通過縱臂相連；集磁器的內壁縱向長度小于外壁，一條縱縫把集磁器的內壁、外壁和縱臂剖開，縱縫內添加絕緣材料，以保證磁脈沖設備通過線圈放電時集磁器內壁、外壁脈沖電流通過時的絕緣強度。
2.根據(jù)權利要求1所述的集磁器結構，其特征是在集磁器內壁、外壁與縱臂之間、沿 圓周方向均勻分布3-8條加強筋，以增強集磁器工作區(qū)的結構強度。
3.根據(jù)權利要求1、2所述的集磁器結構，其特征是集磁器由高強度、高導電率的金屬 材料加工而成，其材料可為紫銅或高強鋁合金或鈹青銅等材料。
4.根據(jù)權利要求1、2所述的集磁器結構，其特征是集磁器的縱臂可以置于其縱軸中 心的位置；集磁器的縱臂也可以置于外壁的端部。
5.根據(jù)權利要求1、2所述的集磁器結構，其特征是置于集磁器(2)的外壁(11)外側 的線圈(1)的匝線為矩形截面的紫銅線，截面3X5mm，匝線矩形截面面積介于10 50mm2 之間。
6.根據(jù)權利要求1、2所述的集磁器結構，其特征是置于集磁器(2)的外壁(11)外側 的線圈(1)可以是單匝線圈，由高導電率塊體金屬直接加工而成。
7.根據(jù)權利要求1、2所述的集磁器結構，其特征是本發(fā)明的集磁器結構原理實現(xiàn)了 集磁器外表面和內表面上工作區(qū)之間電流的高效率傳遞，或磁場能的高效率傳遞，表示方 程式為在梯形截面集磁器工作區(qū)內，認為磁場強度在內徑A、外徑r(l+g的環(huán)形區(qū)域內均勻分布，則集磁器工作區(qū)電流為i4: h Ai 2訂。容①式中Φ為磁通量；1為集磁器工作區(qū)軸向長度；為空氣磁導率；g為待加工管件與 集磁器工作區(qū)單面徑向間隙 集磁器側端面電流i3 式中β為集磁器端面與軸線夾角 集磁器內壁表面流過的總電流i2為 集磁器工作區(qū)電流與總電流之比為 由式④可知，當β — η時，f — 1，集磁器側端面電流13趨于零，即實現(xiàn)了集磁器外表 面和內表面上工作區(qū)之間電流或磁場能的高效率傳遞。
8.根據(jù)權利要求1、2所述的集磁器結構，其特征是集磁器(2)可以用于金屬管件成 形，或用于同種金屬管件或異種金屬管件的連接。
9.根據(jù)權利要求4所述的集磁器結構，其特征是集磁器(2)可以用于金屬管件成形， 或用于同種金屬管件或異種金屬管件的連接。
10.根據(jù)權利要求1、2所述的集磁器結構，其特征是集磁器結構的側端面的斜角取值
全文摘要
本發(fā)明一種磁脈沖成形用集磁器結構涉及一種利用脈沖磁場力進行金屬管件成形和連接的裝置?，F(xiàn)有集磁器結構的側端面與軸線夾角介于π/6→π/2之間，磁場能量傳遞和集中的效率低。本發(fā)明提出一種縱截面結構呈“工”字型的新型集磁器，其集磁器結構的側端面的斜角取值為該結構顯著提高磁脈沖成形放電過程中的磁場能量，從而提高集磁器的能量轉化效率，進而提高線圈和集磁器壽命、降低放電電壓等。
文檔編號F16L13/02GK101905262SQ20101023996
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權日2010年7月29日
發(fā)明者于海平, 李春峰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學