本发明涉及一种金属管材电磁胀形装置与方法。
背景技术：
电磁成形中电磁力是工件变形的动力，它不同于一般的机械力，工件变形时施力设备无需与工件进行直接接触，因此工件表面无机械擦痕，也无需添加润滑剂，工件表面质量较好。工件变形源于工件内部带电粒子受磁场力作用。因此，工件变形受力均匀，残余应力小，疲劳强度高，使用寿命长，加工后不影响零件的机械、物理、化学性能，也不需要热处理。电磁力的控制精准，能有有效减小误差。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，在金属管材胀形有较多的应用。
在传统电磁成形中，线圈是将电能转化为磁场能的关键部位，线圈的结构决定着磁场的分布以及驱动力的大小，直接影响着金属管材的变形情况。但是由于线圈本身存在的问题，它在放电过程中容易受到磁场力和电涡流热效应的作用，极易导致其结构破坏和强度问题，这样就会引起线圈制作过程中成本高的问题。此外，传统电磁成形中，通常都是在金属管材上形成感应电流，这就要求金属管材为高导电率材料，而对于低导电率材料由于感应电流较小，提供的电磁力不够，最终会难以成形。由于这两种原因，在很大程度上会限制电磁成形技术在金属管材胀形技术上的广泛应用。
传统电磁成形在金属管材上的应用，其主要技术特征是采用螺线管线圈，如图1a所示；工作原理如图1b所示。首先充电电源2经过变压器3升压后，再经整流硅堆4整流后对储能电容6进行充电，限流电阻5用于限制充电回路电流，当电压达到金属管材9变形的所需要的电压时，停止充电；闭合放电开关进行放电，当脉冲电流通过线圈10时，会在其周围空间产生变化的磁场，待成形金属管材8处于变化的磁场中，会在其表面产生感应电流同时产生电磁场，当两个电磁场形成互相排斥的电磁力达到待成形金属管材8变形的屈服强度时，待成形金属管材8就会电磁力作用下形成的金属管材9的形状。该方法只能用于有一定直径的金属管材的胀形，当金属管材直径较小时，就对线圈的使用提出更高的要求，这样的线圈不仅难以制作且其制作成本较高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种金属管材电磁胀形装置与方法，可直接对金属管材施加电流，能用于直径较小的金属管材胀形，解决现有电磁脉冲成形工艺过程中线圈制作成本高、容易失效等技术问题。
本发明的技术方案在于：一种金属管材电磁胀形装置，包括放电电源系统，所述放电电源系统通过导线分别连接有第一套筒、第二套筒，所述第一套筒和第二套筒之间连接有待成形金属管材，所述待成形金属管材内置放有用于产生感应电流和电磁场的感应棒，所述第一套筒和第二套筒内分别设置有伸入待成形金属管材内用于感应棒定位的凸台。
进一步地，所述放电电源系统包括充电电源、变压器、整流硅堆、限流电阻、储能电容器、闭合开关；所述充电电源、变压器、整流硅堆、限流电阻、储能电容器、闭合开关形成充电回路；所述储能电容器、闭合开关、待成形金属管材、感应棒、定位凸台、第一套筒及第二套筒形成放电回路。
进一步地，所述第一套筒和第二套筒分别由金属材料制成且外侧端分别设置有盲孔，所述储能电容器两端引出的导线经螺钉分别压紧在第一套筒和第二套筒对应的盲孔上。
进一步地，所述第一套筒和第二套筒的内径大于待成形金属管材的直径，第一套筒和第二套筒分别经橡胶圈压紧在待成形金属管材上。
进一步地，所述待成形金属管材为高导电率材料或低导电率材料制成，待成形金属管材的形状为圆柱体、六面体或者不规则形状。
进一步地，所述待成形金属管材与感应棒之间设置有绝缘层，待成形金属管材与感应棒之间具有间隙。
进一步地，所述感应棒为高导电率材料，其形状为圆柱体、六面体或者不规则形状。
进一步地，所述待成形金属管材的形状为空心圆柱，所述感应棒为一根铜圆柱棒材。
进一步地，所述定位凸台为绝缘材料并由基座和伸出第一套筒或第二套筒的延伸柱组成，定位凸台的基座经螺钉固定于第一套筒或第二套筒内，定位凸台的延伸柱直径小于管材直径。
一种金属管材的电磁胀形方法，包括一种金属管材电磁胀形装置，步骤如下：
S1：将感应棒放置于待成形金属管材中，用定位凸台来定位管中感应棒，感应棒与待成形金属管材之间设有绝缘层，在保证绝缘的情况下尽可能使感应棒与待成形金属管材靠近；
S2：待成形金属管材两端外接第一套筒和第二套筒，并使第一套筒和第二套筒分别与储能电容器两端的导线直接相连；
S3：根据待成形金属管材变径的要求，对储能电容器进行充电，当达到待成形金属管材变形所需要的放电电压后，直接对待成形金属管材放电，靠近待成形金属管材的感应棒会在其表面产生反向感应涡流及电磁场，电磁场会产生电磁斥力；
S4：当产生的电磁斥力达到待成形金属管材的屈服强度时，就会驱使待成形金属管材发生变形。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1. 用感应棒来代替传统电磁成形的放电线圈，结构更为简单、紧凑，且使用寿命较长，能够重复使用，有效的降低成本和加工难度，解决现有电磁脉冲成形工艺过程中线圈制作成本高、容易失效等技术问题；
2. 可直接对金属管材施加电流，从而通过控制电流大小来控制电磁力大小，不仅可以用于高导电率材料的成形，还可以用于低导电率材料的成形；
3. 与传统电磁成形相比，可用于成形直径较小的金属管材，还具有结构简单，使用寿命长的优点。
附图说明
图1a为传统金属管材电磁胀形放电线圈结构；
图1b为传统金属管材电磁胀形装置；
图2为本发明的金属管材电磁胀形示意图；
图3为本发明的金属管材和感应棒A-A剖面图；
图4a为本发明的套筒和凸台的主视图；
图4b为本发明的套筒和凸台的左视图；
图中：I-充电回路、II-放电回路、1-螺线管线圈、2-充电电源、3-变压器、4-整流硅堆、5-限流电阻、6-储能电容器、7-开关、8-待成形金属管材、9-成形后金属管材、10-线圈、11-感应棒、12a-第一套筒、12b-第二套筒、12c-盲孔、13-凸台、13a-基座、13b-延伸柱、14-导线。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图2至图4b
一种金属管材电磁胀形装置，包括放电电源系统，所述放电电源系统通过导线14分别连接有第一套筒12a、第二套筒12b，所述第一套筒和第二套筒之间连接有待成形金属管材8，所述待成形金属管材内置放有用于产生感应电流和电磁场的感应棒11，所述第一套筒和第二套筒内分别设置有伸入待成形金属管材内用于感应棒定位的凸台13。
本实施例中，所述放电电源系统包括充电电源（可为交流电源）2、变压器3、整流硅堆4、限流电阻5、储能电容器6、闭合开关7；所述充电电源、变压器、整流硅堆、限流电阻、储能电容器、闭合开关形成充电回路，充电过程为充电电源经过变压器3变压，再经整流硅堆4整流后对储能电容器6进行充电。所述储能电容器、闭合开关、待成形金属管材、感应棒、定位凸台、第一套筒及第二套筒形成放电回路。
本实施例中，所述限流电阻5是用于限制充电回路电流大小，闭合开关7用于控制放电回路电流的通断。
本实施例中，所述第一套筒和第二套筒分别由金属材料制成且外侧端分别设置有盲孔12c，所述储能电容器两端引出的导线14经螺钉分别压紧在第一套筒和第二套筒对应的盲孔上，从而实现待成形金属管材的通电。
本实施例中，所述第一套筒和第二套筒的内径略大于待成形金属管材的直径，第一套筒和第二套筒分别经橡胶圈压紧在待成形金属管材上，从而保证连接。
本实施例中，所述待成形金属管材为高导电率材料（例如铝管材或铜管材）或低导电率材料（例如钢管材或者钛合金管材）制成，待成形金属管材的形状为圆柱体、六面体或者不规则形状，可通过控制电流来控制电磁力的大小。
本实施例中，所述待成形金属管材与感应棒之间设置有绝缘层，待成形金属管材与感应棒之间具有间隙，并在保证绝缘的情况下尽可能的使感应棒与待成形金属管材靠近。
本实施例中，所述感应棒为高导电率材料，其形状为圆柱体、六面体或者不规则形状，可根据管的类型选取。
本实施例中，所述待成形金属管材的形状为空心圆柱，所述感应棒为一根铜圆柱棒材，将其放置于待成形金属管材中，可用于待成形金属管材的成形。
本实施例中，所述定位凸台为绝缘材料并由基座13a和伸出第一套筒或第二套筒的延伸柱13b组成，定位凸台的基座经螺钉固定于第一套筒或第二套筒内，定位凸台的延伸柱直径小于管材直径。
一种金属管材的电磁胀形方法，包括一种金属管材电磁胀形装置，步骤如下：
S1：将感应棒放置于待成形金属管材中，定位凸台的延伸柱伸入待成形金属管材中用于定位感应棒，感应棒与待成形金属管材之间设有绝缘层，在保证绝缘的情况下尽可能使感应棒与待成形金属管材靠近；
S2：定位凸台的基座通过螺钉分别压紧到第一套筒和第二套筒内，待成形金属管材的两端对应外接第一套筒和第二套筒，并使储能电容器两端的导线通过螺钉分别压紧在第一套筒和第二套筒的外侧端上，完成第一套筒和第二套筒与储能电容器两端导线的直接相连；
S3：根据待成形金属管材变径的要求，对储能电容器进行充电，当达到待成形金属管材变形所需要的放电电压后，停止充电，直接对待成形金属管材放电，靠近待成形金属管材的感应棒会在其表面产生反向感应涡流及电磁场，电磁场会产生电磁斥力；
S4：当产生的电磁斥力达到待成形金属管材的屈服强度时，就会驱使待成形金属管材发生变形，最终成形为所需的金属管材9。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的金属管材电磁胀形装置及方法并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。