[发明专利]一种管材电磁胀形成形装置及方法

说明书

本发明属于金属材料塑性加工领域，并公开了一种管材电磁胀形成形装置，包括脉冲放电电路、模具组件及非等匝间距螺旋管线圈，所述非等匝间距螺旋管线圈与所述脉冲放电电路相连，所述模具组件包括成形模具，所述成形模具设有成形内孔，所述成形内孔具有大端和小端；所述非等匝间距螺旋管线圈置于所述成形模具的成形内孔中，其包括成形线圈，所述成形线圈靠近所述成形内孔小端的一端为导线密绕部，该成形线圈的另一端为导线疏绕部，所述导线密绕部的匝间距小于所述导线疏绕部的匝间距。本发明通过电磁胀形，并在惯性牵引和模具约束的同时作用下，实现材料由下向上依次成形。因此，这种成形力场需求与非等匝间距螺旋线圈的电磁力场分布规律相一致。

技术领域

本发明属于金属材料塑性加工领域，更具体地，涉及一种管材电磁胀形成形装置及方法。

背景技术

随着我国船舶舰艇、航空航天、汽车制造的迅猛发展，用于焊接直径不同管材的变径管结构件的需求越来越多，同时，对变径管的尺寸精度和表面质量的要求也越来越严苛。目前，变径管主要采用液压冷成形的方法进行生产，但该工艺所存在的主要问题是：管材与模具之间的摩擦难以控制。这导致成形后的变径管表面质量较差，存在压痕、划伤及波浪感，甚至出现裂纹、起皱和夹渣等缺陷。所以，寻求变径管成形的新方法及研发相应成形装备已经迫在眉睫。

电磁成形是利用洛伦兹力使金属材料发生高速率塑性变形的成形方法，具有回弹小、表面质量好和成形极限高等特点，是未来制造业的先进技术之一。成形时电能在极短时间里转化为高压冲击波，以脉冲形式作用在金属材料上，使金属材料瞬间获得极高的变形速度，随后在惯性力作用下发生高速率塑性变形。惯性作用是电磁成形最主要的特点，在材料成形过程中充分考虑并利用惯性作用，可以使成形效果事半功倍。该技术主要应用于航空航天、船舶舰艇、武器装备和汽车制造等领域，具体在管材的塑性加工，尤其是胀管工艺上应用较多，所以，在变径管的塑性成形上具有极大优势。

电磁成形装置主要由放电线圈、控制电路、电容器组和电阻元件等结构组成，其中放电线圈是将电能转化为磁场能，进而转化为机械能的关键装置，是电磁成形装置的核心部件，直接影响着电磁成形力的输出。目前，变径管电磁成形工艺所采用的放电线圈均为多匝密绕的内置等匝间距螺线管线圈。该线圈在闭合开关后，产生变化的磁场，在管材周向感应出闭合的涡流，涡流在磁场中受到洛伦兹力的作用，使管材沿径向远离放电线圈发生变形，在外部模具的作用下，实现电磁变径管成形。但由于该线圈各匝之间的间距相等，线圈产生的电磁力沿轴向分布近乎均匀。变径管电磁成形时，待成形管材初始时刻从下到上逐渐贴膜，但由于待成形管材顶端没有结构刚度约束，导致其沿径向的变形速度较大，率先贴膜，从而引起中间部分区域夹存空气，电磁力挤压这些区域导致变径管表面成形质量较差，并且严重影响管材的贴膜效果。所以，内置等匝间距螺线管线圈所形成的电磁力场不符合变径管沿轴向管径渐变的结构特点。这种不合理的电磁力场分布导致在实验研究中，为达到管材的完全贴膜，常常使用大电压，这造成螺线管各匝线圈之间存在较大斥力，使得线圈结构严重变形，影响线圈的使用寿命，并且能量利用率较低。

综上所述，利用等匝间距螺线管线圈电磁成形变径管的方法存在：待成形管材表面质量和贴膜效果较差、电磁力场分布不合理、线圈使用寿命短、能量利用率低等问题，这些问题导致利用电磁成形技术制备变径管的方法仅仅停留在实验室研究阶段，不满足大批量、机械化、高效率的生产需求。

发明内容