基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属管件塑性成形制造领域，本发明涉及一种以铝合金、镁合金为代表的轻质管材的缩径成形装置与方法，具体涉及一种基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置与方法。
【背景技术】
[0002]绿色环保、低功耗、低污染的加工工艺是当今制造业可持续发展所必须遵循的原贝1J，因此，结构和材料轻量化是成形制造技术必须的发展途径。以铝合金为代表的轻质合金具有强度高、重量轻、抗腐蚀性好等优点，其成形件同时具备结构和材料轻量化特征。因此，在航空航天、新型汽车等先进制造领域，越来越多的高强度铝合金结构件得到应用，如铝合金管被用于航空航天飞行器的油、气管路。其中，多种异形管件，如锥形变径接头、局部缩径管、侧面塌陷管，以及在管壁上带阵列孔的异形管等(见图5、6、7、8)，是航空航天飞行器上常用到的轻量化管形结构件形式。
[0003]对于上述异形管件，常用软模(如聚氨酯或流体介质)进行缩径成形，有时还需要在缩径管件的侧壁上进行钢模或软模冲孔。但是，由于铝合金材料弹性模量低、抗塑性失稳能力差，因此，常规缩径成形极限很小，需要多套模具、多道次缩径成形，且成形道次间要退火处理以恢复塑性。对于侧壁带阵列孔的缩径管件，即使能够在最后一道次实现管壁冲孔，但是仍存在冲孔变形不均匀、尺寸精度和形状精度低、冲孔边缘毛刺大等问题。磁脉冲成形能显著提高变形材料成形极限，抑制管材缩径变形失稳，同时可把缩径和管壁冲孔集中到一道工序中。但是，常用磁脉冲成形用线圈为单层多匝结构形式，单层磁脉冲线圈结构强度和刚度较低、散热能力较差，因此，单层磁脉冲线圈难以承受大批量生产条件下因频繁充放电操作产生的高强冲击载荷和焦耳热疲劳作用。
【发明内容】
[0004]本发明为解决现有管材缩径成形通常采用单层磁脉冲线圈成形存在的问题，如单层磁脉冲线圈结构强度和刚度较低、散热能力较差，难以承受大批量生产条件下因频繁充放电操作产生的高强冲击载荷和焦耳热疲劳作用等问题，提出一种基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置与方法。
[0005]本发明的装置:基于比特线圈的管材磁脉缩径成形装置包括磁脉冲成形机、连接线、比特线圈、上绝缘板、下绝缘板、集磁器和绝缘套筒，集磁器沿轴线设有工作区域孔，集磁器的上、下端面分别设有上锥面和下锥面，集磁器沿径向设有纵缝，绝缘套筒套装在集磁器上，集磁器和绝缘套筒的组件设置在比特线圈内，集磁器与比特线圈同轴设置，上绝缘板和下绝缘板分别设置在比特线圈的两端，通过连接元件将上绝缘板和下绝缘板与比特线圈固定连接，磁脉冲成形机的正极通过连接线与比特线圈的正极端连接，磁脉冲成形机的负极通过连接线与比特线圈的负极端连接。
[0006]本发明的方法:基于比特线圈的管材磁脉缩径成形方法是通过以下步骤实现的:
[0007]步骤一、安装铝合金管材:将铝合金管材置于集磁器的工作区域孔中，并将铝合金管材的待成形区与集磁器的工作区域孔相对，同时铝合金管材的非成形段通过工装定位；
[0008]步骤二、安装芯模:把芯模置于铝合金管材的内腔，位置与待成形区相对；
[0009]步骤三、通过磁脉冲成形铝合金管材:控制磁脉冲成形机，通过外电网对磁脉冲成形机中储能单元充电，当磁脉冲成形机被充电到设定电压后，通过比特线圈放电，放电回路为RLC回路，通过比特线圈的脉冲电流具有瞬时衰减震荡的特性，2?3个周期即衰减震荡完毕，通过比特线圈的脉冲大电流必然在集磁器外壁表层产生感应电流，此感应电流沿集磁器外壁表层和纵缝流入到工作区域孔并形成回路，由此，流过集磁器工作区域的感应电流会产生变化的磁场，该磁场在置于工作区域内的铝合金管材的外表层产生感应电流，此感应电流和被约束在集磁器的工作区域与铝合金管材间隙内的磁场相互作用，产生沿径向向内的、作用于铝合金管材待成形区的脉冲磁场力，在脉冲磁场力作用下，铝合金管材的待成形区产生径向向内的高速率运动和变形，直到与芯模冲击接触，实现缩径变形；
[0010]步骤四、卸荷:缩径成形加工完毕，磁脉冲成形机安全接地卸荷；
[0011]步骤五、取出缩径成形铝合金管件，拆除芯模，获得缩径管件。
[0012]本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
[0013]—、比特线圈具有结构强度高、瞬态脉冲磁场强的特点，频繁充放电操作不会产生高强冲击载荷和焦耳热疲劳作用；通过柱状集磁器将释放的磁场能量转化为管件缩径动能和变形能，使管件实现多种形式的缩径变形，以及在缩径变形同时实现冲孔，只需一道次即可获得成形零件，因此，本发明能够胜任大批量生产。
[0014]二、本发明相对于目前匝线外涂装绝缘材料的单层匝线螺线管线圈结构，比特线圈结构简单，可通过拆装改变线圈结构，同时结构强度高、散热能力强。
[0015]三、本发明提出的磁脉冲缩径成形方法能显著提高铝合金管材稳定塑性变形极限，在保证管件不产生失稳起皱的情况下，只需一道次即可获得成形零件。
[0016]四、只需依照冲孔制件设计凹模，不需要考虑传统冲裁模具的间隙与装配精度，冲孔件精度高。
[0017]五、由于仅采用单面模具，因此管件外表面无摩擦作用，能够保证管件表面原本形貌，无划痕。
[0018]六、采用缩径-冲孔复合工艺，可以同时完成缩径、冲孔过程，简化工序。
[0019]七、用本发明提出的缩径成形方法，还可用于同种或异种金属管的缩径变形连接和装配。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的整体结构剖视图；
[0021]图2是图1的A-A截面视图；
[0022]图3是集磁器(6)的俯视图；
[0023]图4是图3的B-B截面视图；
[0024]图5是铝合金管材9 (中部一侧面均匀缩径)的结构示意图；
[0025]图6是图5的C-C截面视图；
[0026]图7是铝合金管材9(管端缩径)的结构示意图；
[0027]图8是铝合金管材9(管端缩径-冲孔)的结构示意图；
[0028]图9是利用本发明的装置进行管端缩径的状态图；
[0029]图10是利用本发明的装置进行管端缩径-冲孔的状态图；
[0030]图11是线圈匝片3-1的结构示意图；
[0031]图12是连接片3-2的结构示意图；
[0032]图13是绝缘片3-3的结构示意图；
[0033]图14是数个线圈匝片3-1连接原理图；
[0034]图15是利用本发明的装置及方法进行缩径-冲孔复合加工后获得的铝合金管材效果图；
[0035]图16是利用本发明的装置及方法进行单侧塌陷缩径成形后获得的铝合金管材效果图。
【具体实施方式】
[0036]【具体实施方式】一:结合图1?图4明本实施方式，本实施方式的装置包括磁脉冲成形机1、连接线2、比特线圈3、上绝缘板4、下绝缘板5、集磁器6和绝缘套筒7，集磁器6沿轴线设有工作区域孔6-1，集磁器6的上、下端面分别设有上锥面6-2和下锥面6-3，集磁器6沿径向设有纵缝6-4，绝缘套筒7套装在集磁器6上，集磁器6和绝缘套筒7的组件设置在比特线圈3内，集磁器6与比特线圈3同轴设置，上绝缘板4和下绝缘板5分别设置在比特线圈3的两端，通过连接元件将上绝缘板4和下绝缘板5与比特线圈3固定连接，磁脉冲成形机I的正极通过连接线2与比特线圈3的正极端连接，磁脉冲成形机I的负极通过连接线2与比特线圈3的负极端连接。
[0037]比特线圈3又称置片线圈，置片线圈为现有技术，置片线圈包括数个圆环状金属片(每个圆环状金属片即为线圈的一匝)、数个扇形紫铜薄板(每个扇形紫铜薄板即为线圈的一匝连接片3-2和数个绝缘片3-3，见图11、图12和图13，每个连接片3_2由高强度、高导电率合金机械加工而成扇形，该扇形角度为35°，线圈匝片3-1上具有扇形缺口 3-1-1，该扇形缺口 3-1-1的角度为20°，见图11，数个线圈匝片3-1叠加且扇形缺口 3-1-1依次错开45°设置，见图14，数个连接片3-2叠加且依次错开45°设置，数个叠加的线圈匝片3_1和数个叠加的连接片3-2中一个线圈匝片3-1、一个连接片3-2、一个线圈匝片3-1、一个连接片3-2依次首尾相接串联在一起形成一个螺线管式的线圈结构，相邻的线圈匝片3-1之间设置一个绝缘片3-3，绝缘片缺口角度为45°，绝缘片3-3的厚度与连接片3-2的厚度相等，见图11和图12，连接片3-2与绝缘片3-3在平面上形成一个与线圈匝片3-1相当的环形结构。即连接片3-2用于串联线圈匝片3-