电磁发射用组合体金属固体电枢及其制造方法
【专利摘要】本发明公开一种电磁发射用组合体金属固体电枢及其制造方法。所述组合体金属固体电枢由形状相似的纯铜块（3）、纯铝块（2）和工业纯钛块（1）按照与电磁发射轨道接触面积为1:2:1.3的比例和导电率从小到大的排列顺序，通过硬铝双燕尾槽连接键Ⅰ、Ⅱ（4、4′）过盈配合组合为一体，所述组合体金属固体电枢为C型电枢。本发明采用分段组合的技术，巧妙地实现了电导率的梯度分布，克服了单一材料难以实现导电率梯次变化的难题或者难以制备电导率梯度变化的问题。由于从前段到后段，导电率逐渐变小而强度增大，有利于实现电流的再分配，减弱过于集中于单一尾部的现象，提高了固体电枢的抗烧蚀能力和抗电磁力能力。
【专利说明】电磁发射用组合体金属固体电枢及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电磁发射用组合体金属固体电枢及其制造方法，该发明属于电接 触材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 固体电枢是电磁发射装置中的关键组件，是电流和电磁力的载体。当脉冲电流流 经固体电枢时，固体电枢要承受复杂的电、磁、热以及应力等物理耦合过程，而电流、焦耳热 等往往集中分布在电枢尾部和轨道接触处。由于固体电枢上的电、磁、力、热的分布强烈不 均匀，往往造成固体电枢产生强烈的烧蚀、碎裂，进而影响固体电枢的发射效率。针对电磁 发射过程中固体电枢出现的电流趋肤效应、热、力分布不均匀等问题，对固体电枢的研究主 要集中在两个方面：一是选取高导电率的金属合金材料，如紫铜、铍铜等；二是开展新型电 枢结构设计，借助于各种数值仿真方法及软件，如EMAP3D、MAGTRPL和DYNA3D等编码以及 ANSYS、Matlab、C〇ms〇l等方法，分析二维和三维固体电枢模型的磁感强度、电流密度和温度 变化；研究不同结构固体电枢的抗烧蚀能力、抗电磁力能力和抗碎裂能力。针对矩形、U型、 C型、Η型等结构的大量研究表明，C型结构是一种比较理想的结构构型，但对改善固体电枢 的趋肤效应和抗烧蚀等能力方面仍然有待改进。目前，在C型电枢构型下，如何通过进一步 的构型研究，尽量减弱电流的趋肤效应、提高固体电枢的抗烧蚀等能力是构型研究的一个 热点。
[0003] 鉴于此,本发明在已有固体电枢的电、磁、热、力研究基础上，提出了一种电导率梯 度组合电枢的概念，利用铜、铝、钛金属的不同导电率差异组合成新的固体电枢，使脉冲电 流流过组合体电枢时，电流按一定的比例通过电导率不同的金属，从而避免流经单一金属 电枢的过度集中的现象，减轻由此带来的趋肤效应和烧蚀现象，并使电磁力更均匀的作用 在组合体电枢上。
[0004] 本发明以硬度和承载力很强的工业纯钛(牌号为ΤΑ1)块、电导率高的金属纯铝和 纯铜为组合体材料，按照钛、铝、铜的排列顺序，设计了一种新型的C型构型固体电枢。这种 固体电枢可以改善单一材料C型电枢的抗烧蚀性能，提高电磁发射过程中的固体电枢的抗 碎裂能力，是一种应用潜力很大的现有电枢替代物。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种电磁发射用组合体金属固体电枢及其制造方法。该发 明的组合体金属固体电枢可以在一定程度上减弱脉冲电流造成的烧蚀效应，降低电磁力对 固体电枢的破坏作用，保持固体电枢的完整性，进而提高电磁发射的效率，是一种能够有望 替代现有单一固体电枢的新型电枢。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电磁发射用组合体金属固体电 枢，所述组合体金属固体电枢由形状相似的工业纯钛块(牌号为ΤΑ1)、纯铝块和纯铜块通 过硬铝(牌号为YL12)双燕尾槽联接键I、II过盈配合组合为一体，所述组合体金属固体电 枢为C型电枢，其中，导电率最大的纯铜块为组合体固体电枢的头部；导电率次之的纯铝块 为中部；导电率相对较小而强度最大的工业纯钛块(牌号为TA1)为固体电枢的尾部；组合 体金属固体电枢中纯铜块、纯铝块和工业纯钛块(牌号为TA1)与电磁发射导轨的接触面积 比例为1:2:1. 3。所述纯铜块、纯铝块和工业纯钛块(牌号为TA1)与发射轨道接触面积比 例为1:2:1. 3时，所述组合体金属固体电枢的长度L=30?40毫米，高度H=18?24毫米，宽度 W1=16?21毫米。
[0007] 所述工业纯钛块(牌号为TA1)后端凹面为抛物线曲面，所述抛物线曲面的抛物线 方程为Y=0. 2016X2-h，其中：Y轴沿工业纯钛块的中心轴方向向固体电枢运动的反方向延 伸；X轴沿工业纯钛块的尾部端面向一侧延伸；h为抛物线顶点到坐标轴原点的距离；所述 组合体金属固体电枢的长度L从30毫米变化到40毫米时，h从5. 04变化到6. 72 ;工业纯 钛块前端加工凸面为圆弧曲面，圆弧半径为&，在圆弧曲面的正中位置开有组合固定用的 燕尾槽。纯铝块后端的凹面、前端的凸面均为圆弧曲面，圆弧半径为&，在凹面、凸面两个圆 弧曲面上均开有组合固定用的燕尾槽；纯铜块后端的凹面、前端的凸面均为圆弧曲面，圆弧 的半径为&，在纯铜块后端圆弧曲面上开有组合固定用的燕尾槽。
[0008] 所述组合体金属固体电枢的长度L从30毫米变化到40毫米时，固定连接用的双 燕尾槽联接键I、II顶部宽度尺寸L 3的变化范围是61毫米，底部宽度L4的变化范围是Γ6 毫米，双燕尾槽联接键I、II的高度L7变化范围是5. 20?6. 93毫米，双燕尾槽联接键I、Π 的长度1等于所述组合体金属固体电枢的宽度Wl。
[0009] 所述组合体金属固体电枢的平均密度为4. 55±0. 2克/立方厘米。
[0010]所述组合体金属固体电枢的适用范围是脉冲电流变化范围200千安?500千安，电 压变化范围是3000?8000伏。
[0011] 所述组合体金属固体电枢上分布的电流强度从小到大依次为：中部纯铝块〉头部 纯铜块〉尾部工业纯钛块(牌号为TA1);磁场强度相对均匀地分布中尾部工业纯钛块(牌号 为TA1)和中部纯铝块的后端，磁场强度从尾部向头部平滑过渡；组合体金属固体电枢各部 分承受电磁力的比例为：纯铝块占 389Γ39%，纯铜块占 79Γ11%，工业纯钛块(牌号为TA1)占 51%?54%;组合体金属固体电枢受焦耳热产生的温度变化明显区域占所述组合体金属固体 电枢体积的1/3?1/2,且温度变化明显区域主要在工业纯钛块(牌号为 TA1)及中间纯铝块 的后知。
[0012] -种电磁发射用组合体金属固体电枢的制造方法，所述方法的具体步骤如下： (1)工业纯钛(牌号为TA1)块、纯铝块和纯铜块的加工 所述组合体金属固体电枢中工业纯钛(牌号为TA1)块、纯铝块和纯铜块都采用数控机 床加工；工业纯钛(牌号为TA1)块加工精度为国际公差IT 7 ;纯铝块和纯铜块的加工精度 为 IT 9 ; IT7、IT9-International Organization for Standardization Tolerance 7和9,简 称 ISO IT 7 和 IT9。
[0013] (2)所述组合体金属固体电枢的尺寸变化范围 在工业纯钛(牌号为TA1)块、纯铝块和纯铜块与发射轨道接触面积比例为ι:2:1. 3 (铜：铝：钛)时，组合体长度L变化为30毫米?40毫米；高度Η变化范围为18毫米?24毫 米；宽度Α变化范围为16毫米?21毫米。
[0014] (3)工业纯钛(牌号为TA1)块的加工 工业纯钛块(牌号为TA1)后端的抛物线曲面M，抛物线方程:Y=〇. 2016X2-h ;其中：Y轴 沿工业纯钛块(牌号为TA1)的中心轴方向向固体电枢运动的反方向延伸，X轴沿工业纯钛 块(牌号为TA1)的尾部端面向一侧延伸，h为抛物线顶点到坐标轴原点的距离。组合体金 属固体电枢的长度L从30毫米变化到40毫米时，h从5. 04变化到6. 72 ;工业纯钛块(牌号 为TA1)前端加工凸面为圆弧曲面，圆弧半径为氏，在圆弧曲面的正中位置开有组合固定用 的燕尾槽。
[0015] (4)纯铝块的加工 纯铝块后端的凹面为圆弧曲面，圆弧半径为&，前端的凸面为圆弧曲面， 圆弧的半径为h ;在两个圆弧曲面上均开有组合固定用的燕尾槽。
[0016] (5)纯铜块的加工 纯铜块后端的凹面为圆弧曲面，圆弧的半径为&，在圆弧曲面上开有组合固定用的燕 尾槽；前端的凸面为圆弧曲面，圆弧半径为札。
[0017] (6)双燕尾槽联接键I、II的尺寸和加工要求尺寸要求：当组合体电枢长度L从30 毫米变化到40毫米时，固定连接用的双燕尾槽联接键I、Π 顶部宽度尺寸l3的变化范围是 6毫米、毫米；底部宽度L4的变化范围是4毫米~6毫米；双燕尾槽联接键I、II的长度W 2 等于组合体电枢的宽度％ ;双燕尾槽联接键I、II的高度L7变化范围为5. 20毫米飞.93毫 米。材料为YL12硬铝。加工要求：双燕尾槽联接键I、Π 的加工精度为IT 9。
[0018] (7)金属钛块前端圆弧，金属铝块前、后端圆弧，铜块前、后端圆弧的半径Ri相等， 氏的变化范围为7. 5毫米~9. 75毫米。
[0019] (8)组装顺序：首先是工业纯钛块(牌号为TA1)与纯铝块首先通过双燕尾槽联接 键I过盈配合，然后钛铝组合体和纯铜块通过双燕尾槽联接键II过盈配合。
[0020] 本发明所述的电磁发射用组合体固体电枢的电磁学物理性能计算方程： 电流密度方程：
【权利要求】
1. 一种电磁发射用组合体金属固体电枢，其特征是：所述组合体金属固体电枢由形状 相似的工业纯钛块（1)、纯铝块（2)和纯铜块（3)通过硬铝双燕尾槽联接键I、II (4、4')过 盈配合组合为一体，所述组合体金属固体电枢为C型电枢，其中，导电率最大的纯铜块为组 合体固体电枢的头部；导电率次之的纯铝块为中部；导电率相对较小而强度最大的工业纯 钛块为固体电枢的尾部；所述组合体金属固体电枢中纯铜块、纯铝块和工业纯钛块与电磁 发射导轨的接触面积比例为1:2:1. 3。
2. 根据权利要求1所述的电磁发射用组合体金属固体电枢，其特征是：所述纯铜块 (3)、纯铝块（2)和工业纯钛块（1)与发射轨道接触面积比例为1:2:1. 3时，所述组合体金属 固体电枢的长度L=3(T40毫米，高度H=18?24毫米，宽度1=16?21毫米。
3. 根据权利要求1所述的电磁发射用组合体金属固体电枢，其特征是：所述工业纯钛 块（1)尾部凹面为抛物线曲面，所述抛物线曲面的抛物线方程为Y=〇. 2016X2-h，其中：Y轴 沿工业纯钛块（1)的中心轴方向向固体电枢运动的反方向延伸；X轴沿工业纯钛块（1)的后 端端面向一侧延伸；h为抛物线顶点到坐标轴原点的距离；所述组合体金属固体电枢的长 度L从30毫米变化到40毫米时，h从5. 04变化到6. 72 ;工业纯钛块（1)前端加工为凸圆 弧曲面，圆弧半径为&，在圆弧曲面的正中位置开有组合固定用的燕尾槽；纯铝块（2)后端 凹面、前端凸面均为圆弧曲面，圆弧半径为&，在所述两个凹、凸圆弧曲面的正中位置均开 有组合固定用的燕尾槽；纯铜块（3)后端凹面、前端凸面均为圆弧曲面，圆弧半径为&，在纯 铜块（3)后端凹圆弧曲面的正中位置开有组合固定用的燕尾槽。
4. 根据权利要求1所述的电磁发射用组合体金属固体电枢，其特征是：所述组合体金 属固体电枢的长度L从30毫米变化到40毫米时，固定联接用的双燕尾槽联接键I (4)和 双燕尾槽联接键II (4')的顶部宽度尺寸L3的变化范围是6~8毫米，底部宽度L4的变化范 围是4飞毫米，双燕尾槽联接键的高度L 7变化范围是5. 2(Γ6. 93毫米，双燕尾槽联接键I、 II (4、4')的长度W2等于所述组合体金属固体电枢的宽度Α。
5. 根据权利要求1所述的电磁发射用组合体金属固体电枢，其特征是：所述组合体金 属固体电枢的平均密度为4. 55±0. 2克/立方厘米。
6. 根据权利要求1所述的电磁发射用组合体金属固体电枢，其特征是：所述组合 体金属固体电枢的适用范围是脉冲电流变化范围200千安飞00千安，电压变化范围是 3000?8000 伏。
7. 根据权利要求1飞所述的电磁发射用组合体金属固体电枢，其特征是：所述组合体 金属固体电枢上分布的电流强度从小到大依次为：中部纯铝块（2) >头部纯铜块（3) >尾 部工业纯钛块（1);磁场强度相对均匀地分布在尾部工业纯钛块（1)和中部纯铝块（2)的 后端，磁场强度从尾部向头部平滑过渡；组合体金属固体电枢各部分承受电磁力的比例为： 纯铝块（2)占389Γ39%，纯铜块（3)占79Γ11%，工业纯钛块（1)占519Γ54% ;组合体金属固体 电枢受焦耳热产生的温度变化明显区域占所述组合体金属固体电枢体积的1/3~1/2,且温 度变化明显区域主要在工业纯钛块（1)及中部纯铝块（2)的后端。
8. -种如权利要求1所述的电磁发射用组合体金属固体电枢的制造方法，其特征是： 所述方法的步骤如下： a.工业纯钛块（1)、纯铝块（2)和纯铜块（3)的加工 所述组合体金属固体电枢中工业纯钛块（1 )、纯铝块（2 )和纯铜块（3 )都采用数控机床 加工；工业纯钛块（1)加工精度为国际公差IT 7 ;纯铝块（2)和纯铜块（3)的加工精度为IT 9 ;其中，IT7、IT9 为 International Organization for Standardization Tolerance 7 和 9,简称 ISO IT7 和 ISO IT9 ; (a. 1)工业纯钛块（1)的加工 工业纯钛块（1)后端凹面为抛物线曲面，抛物线曲面方程：Y=〇. 2016X2-h，其中：Y轴沿 工业纯钛块（1)的中心轴方向向固体电枢运动的反方向延伸，X轴沿工业纯块（1)的后端端 面向一侧延伸，h为抛物线顶点到坐标轴原点的距离，组合体金属固体电枢的长度L从30毫 米变化到40毫米时，h从5. 04变化到6. 72 ;工业纯钛块（1)前端加工凸面为圆弧曲面，圆 弧半径为&，在圆弧曲面的正中位置开有组合固定用的燕尾槽 (a. 2)纯铝块（2)的加工 纯铝块（2)后端的凹面为圆弧曲面，圆弧半径为&，前端的凸面为圆弧曲面，圆弧的半 径为& ;在所述两个凹、凸圆弧曲面的正中位置均开有组合固定用的燕尾槽； (a. 3)纯铜块（3)的加工 纯铜块（3)后端的凹面为圆弧曲面，圆弧半径为&，在圆弧曲面上开有组合固定用的燕 尾槽；前端的凸面为圆弧曲面，圆弧半径为札； (b) 双燕尾槽联接键I、II(4、4')的尺寸和加工 尺寸要求：当组合体金属固体电枢长度L从30毫米变化到40毫米时，固定连接用的双 燕尾槽联接键I、II (4、4')顶部宽度尺寸L3的变化范围是6毫米~8毫米；底宽度L4的变 化范围是4毫米飞毫米；双燕尾槽联接键I、II (4、4')的长度W2等于组合体电枢的宽度 Wi ;双燕尾槽联接键I、II (4、4')的高度L7变化范围为5. 20毫米飞.93毫米；材料牌号为 YL12硬铝；加工要求：双燕尾槽联接键I、II (4、4')的加工精度为IT 9 ; (c) 金属钦块（1)如端圆弧、纯错块（2)如端、后端圆弧和纯铜块（3)如端、后端圆弧的 半径均为&，半径&的变化范围为7. 5毫米、.75毫米； (d )组装顺序：首先是工业纯钛块（1)与纯铝块（2 )首先通过双燕尾槽联接键I (4 )过 盈配合，然后钛铝组合体和纯铜块（3 )通过双燕尾槽联接键II (4')过盈配合，组成电磁发 射用组合体金属固体电枢。
【文档编号】H01H11/04GK104240974SQ201410445954
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】梁波, 温银堂, 韩广杰, 王文魁 申请人:燕山大学