一种基于背景磁场下管材的电磁无模成形方法及装置与流程

本发明属于材料塑性成形领域，具体涉及一种基于背景磁场下管材的电磁无模成形方法及装置。

背景技术：

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。成形时电能在极短时间内转化为高压冲击波，以脉冲形式作用在坯料上，使坯料瞬间获得极高的变形速度，随后在惯性力作用下发生塑性变形。该技术主要应用于航空航天、兵器、电子和汽车制造等领域，具体在管材的自由胀形工艺上应用较多。

管材进行电磁自由胀形时，闭合开关后，感应出的感生电流存在“集肤效应”，与此同时，管材两端又存在“端部效应”，最终导致管材上各点的电磁力沿径向和轴向的分布都不均匀。电磁脉冲作用后，管材在惯性力作用下以极大的变形速度进行自由胀形，由于上述两种效应所形成的不均匀电磁力场，最终导致电磁自由胀形后的胀管件出现大范围的塑性流动不均匀、局部减薄严重甚至胀裂等现象，该现象在短管件电磁自由胀形和胀环实验中尤为明显。

由于电磁自由胀形的管材变形时没有模具约束，如何控制材料塑性流动、避免局部减薄甚至胀裂，一直是该工艺最为核心的技术难题。目前，国内外学者普遍从“精确控制放电能量、优化线圈结构”等思路出发，以求解决这一难题。但该方法在实际应用中操作难度较大，工艺可重复性较差，所获得的胀管件在尺寸上存在一定不可控的波动，无法稳定、准确地得到尺寸恒定的均匀胀管件，并且该工艺也不适合批量化生产要求。

技术实现要素：

为克服现有管材电磁自由胀形技术中所存在的塑性流动不均匀、局部减薄严重甚至出现胀裂裂纹等不足，本发明提供了一种基于背景磁场下管材的电磁无模成形方法和装置。以解决现有技术所存在的操作难度大、工艺可重复性差、尺寸波动不可控、不适合批量化生产要求等技术问题。

按照本发明的一个方面，提出了一种管材无模电磁成形方法，包括如下步骤：

(1)将成形线圈固定，两端连接脉冲放电电路；

(2)将要成形的管材套设在成形线圈外，调整管材位置使之与成形线圈同轴线分布；两者间距优选为1mm左右；

(3)接通背景磁场产生装置的电源，产生稳定、均匀的背景磁场；调节背景磁场产生装置，使背景磁场只产生在管材外侧；

(4)接通脉冲放电电路，电流通过成形线圈，产生脉冲磁场；

待成形管材上将感应出与脉冲磁场方向相反的涡流，在涡流所产生的洛伦兹力的作用下，管材发生高速变形，进入背景磁场区，对该区的背景磁场磁感线产生切割作用，形成相应的感应电流，从而在背景磁场作用下产生与切割方向相反的电磁力，即发生电磁阻尼现象，阻碍了管材因“端部效应”和“集肤效应”而产生的不均匀塑性流动，从而实现电磁无模成形。

优选地，所述背景磁场采用亥姆霍兹线圈系统产生。

按照本发明的另一方面，提出一种无模电磁成形装置，包括亥姆霍兹线圈系统，支撑杆，上、下支撑板，驱动杆，脉冲放电电路和成形线圈；其中：

所述亥姆霍兹线圈系统包括若干对上、下对称设置的线圈，其中下部线圈固定在下支撑板上，上部线圈固定在上支撑板上，上、下支撑板及其上各对线圈的参数和分布对称；

所述亥姆霍兹线圈系统可以通过调节其中各对线圈之间的相对位置，以调整背景磁场的分布区域；

所述支撑杆为多根长度可调节杆，设在上、下支撑板之间，用于调整上、下支撑板之间的间距，从而调整亥姆霍兹线圈系统所形成的背景磁场强度，使上、下线圈之间轴线方向磁场分布均匀；

所述驱动杆在上、下支撑板上分别设置，且位于支撑板中间；所述待固定的成形线圈设在上、下驱动杆之间，所述驱动杆长度可调，用于固定成形线圈的位置；

所述成形线圈是用于产生脉冲磁场，使管材发生高速变形；

所述脉冲放电电路包括串接的开关、电阻和电容器组，所述成形线圈其两端接脉冲放电电路，与其构成一个脉冲放电回路，用于产生脉冲磁场。

优选地，所述亥姆霍兹线圈系统1的各线圈垂直方向间距设定为待成形管材轴向长度的1-1.3倍。

优选地，所述成形线圈为密绕多匝螺旋线圈结构，并依据待成形管材的尺寸进行松配合设计；待成形管材和成形线圈间隙优选为1mm。

优选地，所述待成形管材为电导率较好的管材，包括铝合金管和铜合金管。

优选地，所述成形线圈为矩形截面，线圈径向截面积10-25mm²，材质是铜合金，多匝密绕结构。

优选地，所述管材上部与上线圈设有不大于5mm的间距，以使管坯端部可以沿径向自由变形，从而获得均匀的胀管件。

基于上述成形装置的一种电磁无模成形方法，包括以下步骤：

(1)将欲成形管材套在成形线圈外部；

(2)调节支撑杆，从而调整亥姆霍兹线圈系统中各对上下线圈的间距，以使线圈通电后形成的背景磁场满足成形所要求的强度；

(3)调节驱动杆，以固定成形线圈的位置；

(4)调整待成形管材的位置，使其与成形线圈同轴心放置；

(5)接通亥姆霍兹线圈系统，形成背景磁场；

(6)闭合脉冲放电电路开关，电容器组开始放电，在成形线圈中产生脉冲电流，从而形成脉冲磁场，同时依右手定则，在待成形管材上感应出与脉冲磁场方向相反的涡流，在涡流所产生的洛伦兹力的作用下，该管材发生高速变形，进入背景磁场区，对该区的磁感线产生切割作用；

高速变形的管材切割背景磁场的磁感线，产生相应的感应电流，从而在背景磁场作用下产生与切割方向相反电磁力，即发生电磁阻尼现象；产生的电磁力阻碍了管材因“端部效应”和“集肤效应”而产生的不均匀塑性流动，从而实现电磁无模成形；所述“端部效应”指磁场在管材端部发生分散，造成磁场强度减小的现象；所述“集肤效应”指感应磁场在管材表面沿径向磁场强度逐渐减小的现象。

本发明的原理是，在亥姆霍兹线圈系统形成稳态背景磁场背景下，闭合脉冲放电电路开关，待成形管材在成形线圈脉冲电磁力的作用下瞬间获得极大变形速度，开始自由胀形。管材上已变形区域进入背景磁场，切割背景磁场磁感线，形成与变形方向相反的电磁力以阻碍其进一步变形，即发生电磁阻尼现象。已知管材上不同塑性变形区的变形速度各不相同，由电磁力公式f＝blv可知：不同塑性变形区会在背景磁场中形成与其相对应的电磁阻力场，塑性变形越剧烈的区域所形成的阻力越大。因此，管材上塑性流动不均匀的塑性变形区在其所形成的不均匀阻力场的约束下，最终获得塑性流动均匀、无局部减薄或胀裂的合格胀管件。

本发明具有如下有益效果：

本发明将背景磁场和脉冲磁场相结合实现了管坯件(如铝合金管)的电磁均匀胀形方法。借助高速变形的管材在背景磁场中，因电磁阻尼现象而形成的不均匀阻力场，阻碍管材上相应塑性变形区的不均匀流动，使管材不出现局部减薄或胀裂，从而获得塑性流动均匀的合格胀管件。

本发明在胀管件外表面形成压应力状态，既改善了胀管件外表面的应力分布，又克服了传统电磁自由胀形工艺中常出现的胀裂缺陷，从而大大提高了管材电磁自由胀形的成形极限。

本发明所采用的亥姆霍兹线圈系统可以准确控制背景磁场的输入能量，使管材的最终成形形状得到精准控制，从而避免了传统电磁自由胀形工艺中胀形件尺寸波动较大、工艺可重复性差等不足，有利于实现该工艺的批量化、机械化和标准化。

本发明极具创新地提出通过外加背景磁场对高速变形的管材进行约束，利用电磁阻尼现象，即管材的不同塑性变形区将形成相应的不同电磁阻力场，从而精准控制零件的外表面应力状态和最终形状，该方法为电磁无模成形开辟了全新的研究思路，极具创新性和指导意义。

附图说明

图1为本发明的成形装置示意图；

图2为本发明的原理图；

图3a为管材胀形初始状态示意图；

图3b为管材经电磁脉冲作用后的材料成形示意图；

图3c和图3d为高速运动的管材在背景磁场中变形过程示意图；

图3e为管材经电磁脉冲作用和背景磁场作用后的材料成形示意图；

图中：1-亥姆霍兹线圈系统，2-支撑杆，3-支撑板，4-驱动杆，5-开关，6-电阻，7-电容器组，8-待成形管材，9-成形线圈，10-背景磁场，11-脉冲磁场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示为一种基于背景磁场下管材的电磁无模成形装置示意图，包括亥姆霍兹线圈系统1、支撑杆2、支撑板3、驱动杆4、开关5、电阻6、电容器组7、待成形管材8和成形线圈9。开关5、电阻6和电容器组7串联组成电磁脉冲发生装置，所述成形线圈9与该电磁脉冲发生装置相连，以形成所需要的脉冲磁场11；亥姆霍兹线圈系统1固定在支撑板3上，可以通过调节驱动杆4来改变亥姆霍兹线圈系统1的间距，使之形成所需要的背景磁场10；待成形管材8与成形线圈9同心放置。

利用上述装置进行基于背景磁场下管材的电磁无模成形方法，包括以下步骤：

(1)将成形线圈9放置在待成形管材8内部；

(2)接通电机驱动支撑杆2下移，调整亥姆霍兹线圈系统1的间距，并调整驱动杆4定位成形线圈9，亥姆霍兹线圈系统1的间距可近似设定为待成形管材8轴向长度的1-1.3倍；

(3)适当调整待成形管材8的位置，使其与成形线圈9同心放置；

(4)接通亥姆霍兹线圈系统1形成背景磁场10；

(5)接通电源系统对电容器组7进行充电，当电压达到设定值0-30kv时，停止充电；闭合开关5，形成放电回路；

随后，如图2所示，成形线圈9中产生脉冲电流，从而形成脉冲磁场，同时由右手定则，在待成形管材8上感应出涡流，又由左手定则可知涡流在脉冲磁场中将产生远离成形线圈9方向的洛伦兹力，当涡流产生的洛伦兹力超过待成形管材8的径向屈服极限时，电磁力使待成形管材8朝远离成形线圈9的方向高速变形。

这个过程中，电能转化为待成形管材上的动能、塑性变形能和损失掉的热能，线圈产生的电磁力作用结束后，待成形管材8依靠惯性作用进入背景磁场10；

(6)进入背景磁场10的已变形管材8切割背景磁场10的磁感线产生感应电流，从而在背景磁场10中形成与其运动方向相反的电磁力，阻碍其进一步的变形，即发生电磁阻尼现象；

由于待成形管材8各点的变形速度不同，进入背景磁场10的时间和切割磁感线的速度也不同，由电磁力公式f＝blv可知：管材上不同的塑性变形区会在背景磁场中形成与其相应的电磁阻力场，塑性变形越剧烈的区域所形成的阻力越大。从而形成“中部阻力大、两端阻力小”的不均匀阻力场；

因为该阻力场是由于不均匀塑性变形引起的，所有这种不均匀阻力场的分布与待成形管材8因“集肤效应”和“端部效应”的作用而产生的不均匀塑性流动场完全契合，因此不均匀的阻力场改善了待成形管材8在成形后期的塑性不均匀流动，最终获得塑性流动均匀、无局部减薄或胀裂的合格胀管件。

本发明中成形线圈9为提供动力的部分，成形线圈9采用密绕多匝螺旋管线圈结构，并依据待成形管材8的尺寸进行设计，该线圈可以产生很大的径向力使待成形管坯8完成胀形，并且该线圈可承受较大的成形反作用力，拥有良好的使用寿命。

待成形管材8的变形过程如图3a-3e所示。管材胀形的初始状态如图3a所示，图中待成形管材8与成形线圈9同心放置。接通开关后，如图3b所示，待成形管坯8获得很大的动能，在惯性力作用下管材8的中部区域率先变形进入背景磁场10。图3c和图3d为高速变形的管材8在背景磁场中的变形过程，率先进入背景磁场10的高速变形区域切割背景磁场10的磁感线形成相应的阻力场，即发生“电磁阻尼”现象。所形成的不均匀阻力场阻碍待成形管材8在成形后期相应的不均匀塑性流动。管材8经电磁脉冲作用和背景磁场作用后的材料成形示意图如图3e所示，可见最终获得了塑性流动均匀、无局部减薄或胀裂的合格胀管件。

综上，如图1所示，本发明中，背景磁场磁感应线方向由下向上，高速变形的管材由内向外切割背景磁场磁感应线，由右手定则可知，产生相应的感应电流(顺时针方向)，该感应电流在背景磁场中由左手定则可知，形成由外向里的电磁力f，即发生电磁阻尼现象。该电磁力f与管材初始变形方向相反，从而阻碍管材的后续无约束变形；由于管材上各点的变形程度不均匀，进入背景磁场的时间和切割磁感线的速度各不相同，由电磁力公式f＝blv可知：不同塑性变形区会在背景磁场中形成与其相对应的电磁阻尼力场，塑性变形越剧烈的区域所形成的阻力越大。从而，管材上塑性流动不均匀的塑性变形区在其所形成的不均匀阻力场的约束作用下，最终获得塑性流动均匀、无局部减薄或胀裂的合格胀管件。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。