专利名称：轴向加载辅助磁脉冲管胀形的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种磁脉冲管胀形的装置及方法。
背景技术：
随着现代工业和科学技术的发展，人们对材料的性能要求越来越高，一些难成形材料的精确成形加工已成为亟待解决的技术问题。近年来，为了有效降低能耗和减轻环境污染，轻量化已成为现代结构设计的主流趋势，以铝合金为代表的轻质、高强度难成形材料在汽车、航空航天器等先进制造领域的应用日益增加。但是，众所周知，铝合金的室温变形能力较差。当用普通冲压工艺对铝合金进行准静态变形加工时，其成形极限远低于钢材，在高应变区极易产生破裂；由于刚度低，零件卸载后回弹较大，且容易产生扭曲现象，因此大大降低了尺寸精度。
磁脉冲成形作为一种高速，高质量的加工方法，在成形铝合金时具有能提高铝合金成形极限；有效控制回弹，工件成形精度高；工艺重复性高，易于实现自动化；工件表面无损伤等优点。与常规工艺相比，劳动量减少、生产率提高、节省不少材料。但是，由于磁脉冲成形一般在微秒级的时间内完成高速率变形过程，通常只经历了无补料的纯胀形变形，即只通过表面积增大、厚度急剧减薄实现成形过程。因此，一般的磁脉冲成形在实现管件的局部胀形过程中必然伴随着管壁变形不均匀、过度减薄以致破裂等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种轴向加载辅助磁脉冲管胀形的装置及方法，以解决采用现有的磁脉冲成形技术在进行管件的局部胀形过程中存在管壁变形不均匀、过度减薄以致破裂等问题。本发明实现轴向“积极”补料，通过轴向加载使管件径向变形趋于均匀，减小管壁的减薄程度。本发明装置简单，预紧力易于控制，可提高管件的成形极限，变形均匀性显著提高。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是—种轴向加载辅助磁脉冲管胀形的装置，所述装置包括长方形底板、丝杠、丝杠导向块、两个推板、弹簧、管件限位套、夹具、挡板、线圈、供电电源、丝杠限位套、管件护套、电容器组、放电控制开关及两个弹簧限位套；两个推板分别是左推板和右推板，夹具由上夹块和下夹块组成，丝杠导向块、两个推板、夹具及挡板沿长方形底板的长度方向由左至右依次并列设置在长方形底板上，丝杠导向块与长方形底板可拆卸连接，挡板与长方形底板固接，挡板与夹具相贴靠设置，上夹块和下夹块与长方形底板可拆卸连接，丝杠沿长方形底板的长度方向设置，且丝杠与丝杠导向块螺纹连接，每个推板的底部设有两个凸块，长方形底板上靠近每一个长侧面处设置有两个导槽，两个导槽沿长方形底板的长度方向开设，四个凸块与四个导槽一一对应设置，四个凸块与四个导槽滑动连接，左推板的左侧面与丝杠限位套的一端固接，两个推板的两个相对侧面各与相应的弹簧限位套的一端固接，右推板的右侧面与管件护套的一端固接，夹具的左侧面与管件限位套的一端固接，丝杠限位套、管件护套、管件限位套及两个弹簧限位套与丝杠同轴设置，丝杠的右端设置在丝杠限位套内，弹簧的两端设置在两个弹簧限位套内，线圈设置在右推板与夹具之间，线圈的两引线段固定在夹具上，挡板上设有通孔，线圈的两引线段的端部穿过挡板的通孔并通过电容器组串联在放电控制开关上，用于控制电容器组对线圈的放电，电容器组与供电电源串联用于电容器组充电。一种轴向加载辅助磁脉冲管胀形的方法，所述方法是按下述步骤实现的步骤一安放管件先使弹簧处于自由状态，再依次取下左推板、弹簧及右推板，将管件套装在线圈上，并将管件的两端设置在管件护套和管件限位套内，之后，将左推板及右推板上的凸块设置在底板的导槽内，并将弹簧的两端设置在两个弹簧限位套内，再旋动丝杠，使得丝杠向右移动顶靠在管件限位套上，并使弹簧压缩，控制弹簧的压缩量，使管件受到(TlOkN轴向预紧力的作用；
步骤二 放电成形电容器组与供电电源串联，此时，放电控制开关处于断开状态，接通供电电源，实现电容器组的充电，供电电源电压为220V或380V，电容器组电容量为380 μ F-2400 μ F，电容器组充电后断开该回路，关闭放电控制开关，电容器组向线圈放电，放电电压为2kV-5kV，放电频率为3kHz-10kHz，脉冲电流为10kA_50kA，高强脉冲电流流经线圈，在线圈中产生瞬态的脉冲磁场，使得管件的内管壁面产生感应涡流，该感应涡流产生的方向与线圈电流方向相反，线圈与管件间产生排斥力，使管件被胀形，整个成形过程瞬间完成;步骤三取出成形管件旋动丝杠，丝杠向左移动，使得弹簧处于自由状态，依次取下左推板、弹簧及右推板，将成形管件取出即可。本发明的有益效果是本发明基于管件轴向加压送料的思想，把它结合到高速率磁脉冲成形过程中，在磁脉冲成形之前对管件施加轴向预紧力。本发明与传统的磁脉冲管胀形相比，改变了受力状态，提高了轴向流动能力，从而改善成形性，提高管壁变形均匀性和成形极限，可被用于一些难成形管件的胀形加工。本发明的具体优点如下(I)采用电磁力驱动，其成形过程瞬间完成，实现管件的高速率径向变形，提高材料的成形极限。(2)在管件磁脉冲胀形前加载轴向预紧力，改变管件轴向应力应变状态，实现轴向“积极”补料，补偿因径向变大而可能出现的管壁过度减薄或者破裂，使管件壁厚变形趋于均匀。
图I是本发明的轴向加载辅助磁脉冲管胀形的装置的主视图，图2是图I的俯视图，图3a为没有预紧力作用时的变形管件胀形图，图3b为在4. 32kN预紧力作用下的变形管件胀形图。
具体实施方式
具体实施方式
一结合I和图2说明，本实施方式的轴向加载辅助磁脉冲管胀形的装置，所述装置包括长方形底板I、丝杠4、丝杠导向块5、两个推板、弹簧7、管件限位套10、夹具13、挡板14、线圈15、供电电源16、丝杠限位套19、管件护套21、电容器组C、放电控制开关K及两个弹簧限位套20 ;两个推板分别是左推板6和右推板8，夹具由上夹块17和下夹块18组成，丝杠导向块5、两个推板、夹具13及挡板14沿长方形底板I的长度方向由左至右依次并列设置在长方形底板I上，丝杠导向块5 (通过四个第一螺栓2及四个第一螺母3)与长方形底板I可拆卸连接，挡板14与长方形底板I固接，挡板14与夹具13相贴靠设置，上夹块17和下夹块18与长方形底板I (通过两个第二螺栓11及两个第二螺母12)可拆卸连接，丝杠4沿长方形底板I的长度方向设置，且丝杠4与丝杠导向块5螺纹连接，每个推板的底部设有两个凸块24，长方形底板I上靠近每一个长侧面处设置有两个导槽23，两个导槽23沿长方形底板I的长度方向开设，四个凸块24与四个导槽23 —一对应设置，四个凸块24与四个导槽23滑动连接，左推板6的左侧面与丝杠限位套19的一端固接，两个推板的两个相对侧面各与相应的弹簧限位套20的一端固接，右推板8的右侧面与管件护套21 的一端固接，夹具13的左侧面与管件限位套10的一端固接(管件限位套10内设有台肩端面)，丝杠限位套19、管件护套21、管件限位套10及两个弹簧限位套20与丝杠4同轴设置，丝杠4的右端设置在丝杠限位套19内，弹簧7的两端设置在两个弹簧限位套20内(以保证力加载的水平一向性)，线圈15设置在右推板8与夹具13之间，线圈15的两引线段固定在夹具13上，挡板14上设有通孔22，线圈15的两引线段的端部穿过挡板14的通孔22并通过电容器组C串联在放电控制开关K上，用于控制电容器组C对线圈的放电，电容器组C与供电电源16串联用于电容器组C充电。
具体实施方式
二 结合图I和图2说明，本实施方式所述线圈15由单根导线在线圈骨架上螺旋缠绕多圈构成，相邻两圈导线之间用高压绝缘材料隔开，线圈15表面用高压绝缘材料(如聚酰亚胺薄膜或环氧树脂玻璃丝布)覆盖。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图I和图2说明，本实施方式所述弹簧7由60Si2Mn材料制成。如此设计，由于需要比较大的轴向预紧力才能对管件9胀形产生影响，而60Si2Mn材料弹性好，回火稳定性好，适用于大载荷弹簧。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四结合图I和图2说明，本实施方式的轴向加载辅助磁脉冲管胀形的方法是采用具体实施方式
一、二或三所述装置实现的，具体实现步骤如下步骤一安放管件9 :先使弹簧7处于自由状态，再依次取下左推板6、弹簧7及右推板8，将管件8套装在线圈15上，并将管件9的两端设置在管件护套21和管件限位套10内，之后，将左推板6及右推板8上的凸块24设置在底板I的导槽23内，并将弹簧7的两端设置在两个弹簧限位套20内，再旋动丝杠4，使得丝杠4向右移动顶靠在管件限位套10上，并使弹簧7压缩，控制弹簧7的压缩量，使管件9受到(TlOkN轴向预紧力的作用；步骤二 放电成形电容器组C与供电电源16串联，此时，放电控制开关K处于断开状态，接通供电电源16，实现电容器组C的充电，供电电源16电压为220V或380V，电容器组C电容量为380yF-2400yF，电容器组C充电后断开该回路，关闭放电控制开关K,电容器组C向线圈15放电，放电电压为2kV-5kV，放电频率为3kHz-10kHz，脉冲电流为10kA-50kA，高强脉冲电流流经线圈15，在线圈15中产生瞬态的脉冲磁场，使得管件9的内管壁面产生感应涡流，该感应涡流产生的方向与线圈15电流方向相反，线圈15与管件9间产生排斥力，使管件9被胀形，整个成形过程瞬间完成；步骤三取出成形管件9 :旋动丝杠4，丝杠4向左移动，使得弹簧7处于自由状态，依次取下左推板6、弹簧7及右推板8，将成形管件9取出即可。为了得到比较理想的胀形管件，可以改变预紧力的大小，优化放电参数和预紧力的匹配关系。本实施方式还可双向轴向加载，载荷来源于弹簧、液压力或气动力等，并可灵活控制轴向加载在变形过程中的推进量。
具体实施方式
五结合图I和图2说明，本实施方式的步骤二中，电容器组C电容量为768 μ F，放电电压为3. 5kV，放电频率为8kHz，脉冲电流为40kA。实现管材中部瞬态胀·形变形。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式
四相同。本实施方式中的管件9为金属管件，如3A21、5A06及6061高强铝合金管件。实施例I :在轴向加载辅助磁脉冲管胀形的装置放电电压3600V、电容量768μ F参数条件下，壁厚I. 2mm、外径50mm的3A21铝合金管件在传统磁脉冲胀形下，管壁产生过度减薄，并在局部出现了轴向破裂(如图3a)，此时，该铝合金管材的最大胀形直径为72. 50mm。在原放电参数不变，同时在该铝合金管件一端加载轴向预紧力4. 32kN的条件下，经放电实现磁脉冲胀形。已变形管壁没有出现过度减薄，更未发生轴向破裂现象(如图3b)，此时已变形管件的最大胀形直径为74. 15_。实施例2 :在轴向加载辅助磁脉冲管胀形的装置放电电压4100V、电容量1140 μ F参数条件下，壁厚I. 0mm、外径50mm的T2紫铜管件在传统磁脉冲胀形下，管壁产生过度减薄，并在局部出现了轴向破裂，此时，该紫铜管材的最大胀形直径为78. 2mm。在原放电参数不变，同时在该紫铜管件一端加载轴向预紧力7. 20kN的条件下，经放电实现磁脉冲胀形。已变形管壁没有出现过度减薄，更未发生轴向破裂现象，此时已变形管件的最大胀形直径为 83. 30mm。基于本发明的装置对管件进行轴向加载辅助磁脉冲管胀形的工艺原理如下线圈15与电容器组C (高压储能)连接，电容器组C充电后放电，高频率、高强脉冲电流流经线圈15,在线圈15中产生瞬态脉冲磁场。依据电磁感应定律，在管件9表面层产生感应脉冲涡流，该电流方向与线圈15的电流方向相反，也在空间产生脉冲磁场。在线圈15和管件9间隙内，线圈15电流磁场和感应电流磁场方向相同而相互叠加，该叠加的磁场具有扩张特性，使管件9的内表面受到很大的磁压力作用，当压力值超过管件9材料的屈服极限时，管件9便发生胀形变形。与此同时，管件9在胀形过程中始终受到轴向压力的作用，该轴向压力驱使材料向胀形变形区流动，改变了胀形变形区的受力状态和变形特点，实现积极补料。整个成形过程在几十至几百微秒内完成。
权利要求
1.一种轴向加载辅助磁脉冲管胀形的装置，其特征在于所述装置包括长方形底板(I)、丝杠(4)、丝杠导向块(5)、两个推板、弹簧(7)、管件限位套(10)、夹具(13)、挡板(14)、线圈(15)、供电电源(16)、丝杠限位套(19)、管件护套(21)、电容器组(C)、放电控制开关(K)及两个弹簧限位套(20);两个推板分别是左推板(6)和右推板(8)，夹具由上夹块(17)和下夹块(18)组成， 丝杠导向块(5)、两个推板、夹具(13)及挡板(14)沿长方形底板(I)的长度方向由左至右依次并列设置在长方形底板(I)上，丝杠导向块(5)与长方形底板(I)可拆卸连接，挡板(14)与长方形底板(I)固接,挡板(14)与夹具(13)相贴靠设置,上夹块(17)和下夹块(18)与长方形底板(I)可拆卸连接，丝杠(4)沿长方形底板(I)的长度方向设置，且丝杠(4)与丝杠导向块(5)螺纹连接，每个推板的底部设有两个凸块(24)，长方形底板(I)上靠近每一个长侧面处设置有两个导槽(23)，两个导槽(23)沿长方形底板(I)的长度方向开设，四个凸块(24)与四个导槽(23) —一对应设置，四个凸块(24)与四个导槽(23)滑动连接，左推板(6)的左侧面与丝杠限位套(19)的一端固接，两个推板的两个相对侧面各与相应的弹簧限位套(20)的一端固接，右推板(8)的右侧面与管件护套(21)的一端固接，夹具(13)的左侧面与管件限位套(10)的一端固接，丝杠限位套(19)、管件护套(21)、管件限位套(10)及两个弹簧限位套(20)与丝杠(4)同轴设置，丝杠(4)的右端设置在丝杠限位套(19)内，弹簧(7 )的两端设置在两个弹簧限位套(20 )内，线圈(15 )设置在右推板(8 )与夹具(13 )之间，线圈(15)的两引线段固定在夹具(13)上，挡板(14)上设有通孔(22)，线圈(15)的两引线段的端部穿过挡板(14)的通孔(22)并通过电容器组(C)串联在放电控制开关(K)上，用于控制电容器组(C)对线圈的放电，电容器组(C)与供电电源(16)串联用于电容器组(C)充电。
2.根据权利要求I所述轴向加载辅助磁脉冲管胀形的装置，其特征在于所述线圈(15)由单根导线在线圈骨架上螺旋缠绕多圈构成，相邻两圈导线之间用高压绝缘材料隔开，线圈15表面用高压高强绝缘材料灌封。
3.根据权利要求I所述轴向加载辅助磁脉冲管胀形的装置，其特征在于所述弹簧(7)由60Si2Mn材料制成。
4.一种利用权利要求1、2或3所述装置实现轴向加载辅助磁脉冲管胀形的方法，其特征在于所述方法是按下述步骤实现的 步骤一安放管件(9):先使弹簧(7)处于自由状态，再依次取下左推板(6)、弹簧(7)及右推板(8)，将管件(8)套装在线圈(15)上，并将管件(9)的两端设置在管件护套(21)和管件限位套(10)内，之后，将左推板(6)及右推板(8)上的凸块(24)设置在底板I的导槽(23)内，并将弹簧(7)的两端设置在两个弹簧限位套(20)内，再旋动丝杠(4)，使得丝杠(4)向右移动顶靠在管件限位套(10)上，并使弹簧(7)压缩，控制弹簧(7)的压缩量，使管件(9)受到(TlOkN轴向预紧力的作用； 步骤二 放电成形电容器组(C)与供电电源(16)串联，此时，放电控制开关K处于断开状态，接通供电电源(16)，实现电容器组(C)的充电，供电电源(16)电压为220V或380V，电容器组(C)电容量为380 u F-2400 U F，电容器组(C)充电后断开该回路，关闭放电控制开关(K)，电容器组(C)向线圈(15)放电，放电电压为2kV-5kV，放电频率为3kHz-10kHz，脉冲电流为10kA-50kA，高强脉冲电流流经线圈(15)，在线圈(15)中产生瞬态的脉冲磁场，使得管件(9)的内管壁面产生感应涡流，该感应涡流产生的方向与线圈(15)电流方向相反，线圈(15)与管件(9)间产生排斥力，使管件(9)被胀形，整个成形过程瞬间完成； 步骤三取出成形管件(9):旋动丝杠(4)，丝杠(4)向左移动，使得弹簧(7)处于自由状态，依次取下左推板(6)、弹簧(7)及右推板(8)，将成形管件(9)取出即可。
5.根据权利要求4所述轴向加载辅助磁脉冲管胀形的方法，其特征在于步骤二中，电容器组(C)电容量为768 ii F，放电电压为3. 5kV，放电频率为8kHz，脉冲电流为40kA。
全文摘要
轴向加载辅助磁脉冲管胀形的装置及方法，它涉及一种磁脉冲管胀形的装置及方法。针对现有磁脉冲成形技术在进行管件的局部胀形过程中管壁变形不均匀、过度减薄以致破裂问题。丝杠导向块与长方形底板连接，上、下夹块与长方形底板连接，丝杠与丝杠导向块螺纹连接，两个推板上的凸块滑动设置在长方形底板的导槽内，丝杠的右端设置在与左推板固接的丝杠限位套内，弹簧设置在与两个推板固接的弹簧限位套内，线圈设置在右推板与夹具之间，线圈的两引线段固定在夹具上，线圈的两引线段通过电容器组串联在放电控制开关上，电容器组与供电电源串联；将管件套装在线圈上，施加轴向预紧力，放电成形后取出成形管件。本发明用于难成形管件的胀形加工。
文档编号B21D26/14GK102806262SQ201210277239
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月6日 优先权日2012年8月6日
发明者于海平, 陈洁, 李 杰, 徐俊瑞, 崔俊佳, 李春峰 申请人:哈尔滨工业大学