一种耦合冷却式管件柔性电磁成形装置的制作方法

本实用新型一种耦合冷却式管件柔性电磁成形装置，应用于金属材料加工领域。

背景技术：

轻量化是航空航天、汽车工业等领域实现节能减排的重要技术手段。而实现轻量化的主要途径是采用轻质合金材料，高性能铝合金、钛合金、镁合金成为现代航空航天、汽车工业等实现轻量化的首选材料；电磁成形是一种高速率脉冲成形技术，能大幅改善金属材料成形性能，是解决轻质合金成形困难的有效手段之一。

目前金属管件电磁成形过程中，管件的电磁力由主线圈的脉冲电流与管件的感应涡流作用产生，其电磁力的分布很难控制，特别地，因为主线圈端部效应导致管件电磁力轴向分布不均匀；此外，管件为一单匝闭合回路，其与主线圈的电磁耦合效率不高，导致总的电磁力偏小；再者，为达到一定的机械强度，主线圈一般采用密饶型绕组，使得其散热能力差，进而会导致主线圈绝缘老化、使用寿命降低。

目前，电磁成形按加工工件类型，主要分为板材电磁成形和管件电磁成形，本实用新型提出的技术方案是主要针对金属管件电磁成形。现有的电磁成形专利，如专利“一种用于磁脉冲成形的集磁器装置（CN 106853474 A）”，本实用新型提供了一种采用脉冲成形的集磁器方法，使得产生的电磁力集中，让工件成形效果变好。但是该专利中只是让电磁力更加集中，并不能实现电磁力的可控。专利“一种金属管件的电磁成形装置及方法（CN106694681 A）”，公开了一种径向与轴向同时加载进行金属管件电磁成形方法，其采用两套电源和两组线圈配合使用为驱动线圈供电，实现增大电磁力，增加金属管件的成形效果。然而，这一方法需要多套电源、多组线圈，其耦合系数低。专利“一种线圈散热装置（CN 204168702 U）”，提供一种线圈散热装置，可以保证电磁器件的正常散热，延长电磁器件的使用寿命。但是本装置包含许多零件，安装复杂，对线圈的规格有着严格的限制。

技术实现要素：

基于上述技术问题，为了实现管件电磁力的可控、提高管件电磁成形的效率，同时降低主线圈的温度、提高主线圈的寿命，本实用新型提出一种耦合冷却式管件柔性电磁成形装置；采用柔性电磁力线圈增强电磁力，同时通过其结构实现电磁力的柔性可控；利用耦合降温线圈与主线圈之间的相互耦合而产生感应涡流，带走主线圈中的部分热量，降低主线圈的温升，达到提高主线圈寿命的目的。

本实用新型采取的技术方案为：

一种耦合冷却式管件柔性电磁成形方法，

（a）、管件胀形时，在多匝多层主线圈外侧、管件内侧放置一柔性电磁力线圈；

在所述主线圈内侧放置等高的径向单层轴向多匝耦合降温线圈；

在所述主线圈的上部与下部紧靠着放置轴向单层径向多匝耦合降温线圈；

紧靠着所有耦合降温线圈放置压缩空气冷凝管；

所述主线圈、柔性电磁力线圈、耦合降温线圈、管件都水平同轴布置安放。

具体流程：

闭合控制开关，所述主线圈中产生脉冲电流，同时柔性电磁力线圈中产生感应涡流，所述主线圈与柔性电磁力线圈之间的电磁力驱动柔性电磁力线圈加速，其形状亦由齿轮状逐渐扩张为圆环状；

柔性电磁力线圈扩张的过程中驱动管件发生胀形，完成加工；

此外，置于所述主线圈内部、上部、下部的耦合降温线圈中亦会产生感应电流，带走所述主线圈中部分焦耳热，降低所述主线圈温升；同时置于耦合降温线圈里的压缩空气冷凝系统工作，冷却耦合降温线圈。

（b）、管件压缩时，在多匝多层的主线圈内侧、管件外侧放置一柔性电磁力线圈；在所述主线圈外侧紧靠放置等高的径向单层轴向多匝耦合降温线圈；

在所述主线圈的上部与下部紧靠着放置轴向单层径向多匝耦合降温线圈；

紧靠着所有耦合降温线圈放置压缩空气冷凝管；

所述主线圈、柔性电磁力线圈、耦合降温线圈、管件都水平同轴布置安放。

具体流程：

闭合控制开关，所述主线圈中产生脉冲电流，同时柔性电磁力线圈中产生感应涡流，所述主线圈与柔性电磁力线圈之间的电磁力驱动柔性电磁力线圈加速，其形状亦由圆环状逐渐压缩为齿轮状；

柔性电磁力线圈压缩的过程中驱动管件发生压缩，完成加工；

此外，置于所述主线圈外部、上部、下部的耦合降温线圈中亦会产生感应电流，带走所述主线圈中部分焦耳热，降低所述主线圈温升；同时置于耦合降温线圈里的压缩空气冷凝系统工作，冷却耦合降温线圈。

一种耦合冷却式管件柔性电磁成形装置，包括用于产生脉冲强磁场的多匝多层主线圈；用于帮助所述多匝多层主线圈增强耦合效应的柔性电磁力线圈；

带走所述多匝多层主线圈热量、实现让所述多匝多层主线圈降温的耦合降温线圈；

用于加快耦合降温线圈热量耗散的压缩空气冷凝管；

用于给所述多匝多层主线圈供电的脉冲电源、控制开关；

脉冲电源通过所述控制开关连接多匝多层主线圈、柔性电磁力线圈。

柔性电磁力线圈为由柔性铜编制带制成；管件胀形时，柔性电磁力线圈形状为齿轮状，受到主线圈电磁力作用，柔性电磁力线圈会自动扩张为圆环，在受力结束后又会恢复到齿轮状；管件压缩时，受到主线圈电磁力作用，强化柔性线圈会自动压缩为齿轮状，在受力结束后又会恢复为圆环；柔性电磁力线圈的柔性使得其不会承受应力。

所述柔性电磁力线圈为径向单匝、轴向多层的自闭合线圈。

可以通过改变柔性电磁力线圈单匝之间的间距、单匝线圈的横截面积等控制电磁力分布。

所述耦合降温线圈为铜制裸导线，散热效率高。

所述耦合降温线圈为相互绝缘的环状自闭合短路线圈。

所述耦合降温线圈放置在主线圈成形区域以外的三个区域，3个耦合降温线圈耦合产生感应电流，多个渠道带走主线圈的热量，有助于主线圈降温。

压缩空气冷凝管均匀排布在所有耦合降温线圈表面，持续带走耦合降温线圈的热量。

本实用新型一种耦合冷却式管件柔性电磁成形装置，与现有最好技术相比，本实用新型的优点在于：

1．本实用新型为一种耦合冷却式管件柔性电磁成形的方法与装置，较之前管件电磁成形，本次管件加工过程中加入柔性电磁力线圈，管件所受的电磁力更大，管件电磁成形效果更好。

2.本实用新型采用柔性电磁力线圈为柔性金属编制带，实现均匀柔性受力，受力过程中会自动调整形状，柔性电磁力线圈的柔性使得其不会承受应力。

3.本实用新型可以通过改变柔性电磁力线圈单匝之间的间距、单匝线圈的横截面积等控制电磁力分布,使其施加的电磁力可控。

4.本实用新型为一种耦合冷却式管件柔性电磁成形的方法与装置，较之前管形电磁成形，通过在主线圈的各个非成形区域放置耦合降温线圈，可以有效的带走主线圈的热量，降低主线圈的温度，提升主线圈寿命。

5.本实用新型采用紧靠着耦合降温线圈放置金属冷凝管，金属管里通入氟利昂，通过压缩空气机循环进行散热，可简单有效地带走一部分热量，可以多次循环耗散主线圈的热量，降低主线圈的温度。

6、同时亦通过改变柔性电磁力线圈单匝之间的间距与改变线圈各单匝的横截面积，图3（a）、图3（b）、图3（c）来改变线圈电磁力分布，使其电磁力可控。

附图说明

图1（a）为耦合冷却式管件柔性电磁成形结构示意图（胀形）。

图1（b）为为耦合冷却式管件柔性电磁成形结构示意图（压缩）。

图2 （a）为等间距等截面圆环形柔性电磁力线圈剖面图。

图2（b）为不等间距圆环形柔性电磁力线圈剖面图。

图2（c）为不同截面圆环柔性电磁力线圈剖面图。

图3 （a）为等间距等截面齿轮柔性电磁力线圈剖面图。

图3（b）为不等间距齿轮柔性电磁力线圈剖面图。

图3（c）为不同截面齿轮柔性电磁力线圈剖面图。

图4（a）为柔性电磁力线圈初始状态俯视图（胀形）。

图4（b）为柔性电磁力线圈扩张状态俯视图（胀形）。

图4（c）为柔性电磁力线圈初始状态俯视图（压缩）。

图4（d）为柔性电磁力线圈压缩状态俯视图（压缩）。

其中：

1-多匝多层主线圈；

2 -柔性电磁力线圈；21-柔性电磁力线圈初始状态（管件胀形）；22-柔性电磁力线圈扩张状态（管件胀形）；23-柔性电磁力线圈初始状态（管件压缩）；24-柔性电磁力线圈压缩状态（管件压缩）；

3 -耦合降温线圈（内、外侧）；

4 -工件；

5 -压缩空气冷凝管；

6-耦合降温线圈（上侧）；

7-耦合降温线圈（下侧）；

8-高压脉冲电源；

9-控制开关。

具体实施方式

采用所述的耦合冷却式管件柔性电磁成形方法，包括以下两种不同的成形方式：

a、径向胀形式管件电磁成形及降温方法：闭合控制开关，主线圈中产生脉冲电流，同时柔性电磁力线圈中产生感应涡流，主线圈与柔性电磁力线圈之间的电磁力驱动柔性电磁力线圈加速，其形状亦由齿轮状逐渐扩张为圆环状；柔性电磁力线圈扩张的过程中驱动管件发生胀形，完成加工。此外，置于主线圈内部、上部、下部的耦合降温线圈中亦会产生感应电流，带走主线圈中部分焦耳热，降低主线圈温升；同时置于耦合降温线圈表面的压缩空气冷凝系统工作，冷却耦合降温线圈。

b、径向压缩式管件电磁成形及降温方法：闭合控制开关，主线圈中产生脉冲电流，同时柔性电磁力线圈中产生感应涡流，主线圈与柔性电磁力线圈之间的电磁力驱动柔性电磁力线圈加速，其形状亦由圆环状逐渐压缩为齿轮状；柔性电磁力线圈压缩的过程中驱动管件发生压缩，完成加工。此外，置于主线圈外部、上部、下部的耦合降温线圈中亦会产生感应电流，带走主线圈中部分焦耳热，降低主线圈温升；同时置于耦合降温线圈表面的压缩空气冷凝系统工作，冷却耦合降温线圈。

同时亦通过改变柔性电磁力线圈单匝之间的间距与改变线圈各单匝的横截面积，图3（a）、图3（b）、图3（c）来改变线圈电磁力分布，使其电磁力可控。

具体实施方式：

实施例1：

“带等间距同截面柔性电磁力线圈和耦合降温线圈的耦合冷却式管件柔性电磁成形（管件胀形）”实施方案：

如图1（a）所示，需要一绕成8匝10层的铜导线线圈组（铜线之间互相绝缘，线圈里面的骨架为环氧树脂板，铜线圈外面用新型超强纤维Zylon包裹进行加固）。需要铜编织线绕制的等间距同截面的单匝8层自闭合柔性电磁力线圈，紧贴着主线圈外部表面，线圈绕制形状如图3（a）所示，柔性电磁力线圈与主线圈耦合过程中，其形状亦由齿轮状逐渐扩张为圆环状如图2（a）。采用铜编织线绕制的等间距的自闭合圆环形管状线圈作为耦合降温线圈，绕制方式为2匝10层，与主线圈等高，紧靠放置在主线圈内侧；需要2个铜编制7匝单层等间距的自闭合耦合降温线圈紧靠放置于主线圈正上方与正下方，与主线圈同心放置。将成形管状工件置于柔性电磁力线圈外侧，并使之与柔性电磁力线圈有一5mm的间隙。将上述元件都水平同轴布置安放；将高压脉冲电源，控制开关，与主线圈串联。开通控制开关，脉冲电源对主线圈放电，主线圈的脉冲电流与柔性电磁力线圈的感应电流之间的相互作用，柔性电磁力线圈状态由图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）中的初始状态21变为扩张状态22，驱动柔性电磁力线圈加速并使之驱动成形工件并完成成形；3个耦合降温线圈同时产生感应电流转移主线圈产生的焦耳热，使主线圈的温度降低，而在耦合降温线圈表面放置金属冷凝管，耦合降温线圈的热量又会被压缩空气冷凝循环系统带走，使之能够重复的冷却主线圈。

实施例2：

“带不等间距柔性电磁力线圈和耦合降温线圈的耦合冷却式管件柔性电磁成形（管件胀形）”实施方案：

如图1（a）所示，需要一绕成8匝10层的铜导线线圈组（铜线之间互相绝缘，线圈里面的骨架为环氧树脂板，铜线圈外面用新型超强纤维Zylon包裹进行加固）。需要铜编织线绕制的不等间距的单匝8层自闭合柔性电磁力线圈，紧贴着主线圈外部表面，线圈绕制形状如图3（b）所示，柔性电磁力线圈与主线圈耦合过程中，其形状亦由齿轮状逐渐扩张为圆环状如图2（b）。采用铜编织线绕制的等间距的自闭合圆环形管状线圈作为耦合降温线圈，绕制方式为2匝10层，与主线圈等高，紧靠放置在主线圈内侧；需要2个铜编制7匝单层等间距的自闭合耦合降温线圈紧靠放置于主线圈正上方与正下方，与主线圈同心放置。将成形管状工件置于柔性电磁力线圈外侧，并使之与柔性电磁力线圈有一5mm的间隙。将上述元件都水平同轴布置安放；将高压脉冲电源，控制开关，与主线圈串联。开通控制开关，脉冲电源对主线圈放电，主线圈的脉冲电流与柔性电磁力线圈的感应电流之间的相互作用，柔性电磁力线圈状态由图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）中的初始状态21变为扩张状态22，驱动柔性电磁力线圈加速并使之驱动成形工件并完成成形；3个耦合降温线圈同时产生感应电流转移主线圈产生的焦耳热，使主线圈的温度降低，而在耦合降温线圈表面放置金属冷凝管，耦合降温线圈的热量又会被压缩空气冷凝循环系统带走，使之能够重复的冷却主线圈。

实施例3：

“带不等截面柔性电磁力线圈和耦合降温线圈的耦合冷却式管件柔性电磁成形（管件胀形）”实施方案：

如图1（a）所示，需要一绕成8匝10层的铜导线线圈组（铜线之间互相绝缘，线圈里面的骨架为环氧树脂板，铜线圈外面用新型超强纤维Zylon包裹进行加固）。需要铜编织线绕制的不同截面的单匝8层自闭合柔性电磁力线圈，紧贴着主线圈外部表面，线圈绕制形状如图3（c）所示，柔性电磁力线圈与主线圈耦合过程中，其形状亦由齿轮状逐渐扩张为圆环状如图2（c）。采用铜编织线绕制的等间距的自闭合圆环形管状线圈作为耦合降温线圈，绕制方式为2匝10层，与主线圈等高，紧靠放置在主线圈内侧；需要2个铜编制7匝单层等间距的自闭合耦合降温线圈紧靠放置于主线圈正上方与正下方，与主线圈同心放置。将成形管状工件置于柔性电磁力线圈外侧，并使之与柔性电磁力线圈有一5mm的间隙。将上述元件都水平同轴布置安放；将高压脉冲电源，控制开关，与主线圈串联。开通控制开关，脉冲电源对主线圈放电，主线圈的脉冲电流与柔性电磁力线圈的感应电流之间的相互作用，柔性电磁力线圈状态由图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）中的初始状态21变为扩张状态22，驱动柔性电磁力线圈加速并使之驱动成形工件并完成成形；3个耦合降温线圈同时产生感应电流转移主线圈产生的焦耳热，使主线圈的温度降低，而在耦合降温线圈表面放置金属冷凝管，耦合降温线圈的热量又会被压缩空气冷凝循环系统带走，使之能够重复的冷却主线圈。

实施例4：

“带等间距同截面柔性电磁力线圈和耦合降温线圈的耦合冷却式管件柔性电磁成形（管件压缩）”实施方案：

如图1（b）所示，需要一绕成8匝10层的铜导线线圈组（铜线之间互相绝缘，线圈里面的骨架为环氧树脂板，铜线圈外面用新型超强纤维Zylon包裹进行加固）。需要铜编织线绕制的等间距同截面的单匝8层自闭合柔性电磁力线圈，紧贴放置在主线圈的内侧表面，线圈绕制形状如图2（a）所示，受电磁力形状由圆环状压缩为齿轮状如图3（a）。采用铜编织线绕制的等间距的自闭合圆环形管状线圈作为耦合降温线圈，绕制方式为2匝10层，与主线圈等高，放置在主线圈外侧；需要2个铜编制7匝单层等间距的自闭合耦合降温线圈紧靠放置于主线圈正上方与正下方，与主线圈同心放置。将成形管状工件置于柔性电磁力线圈内侧，并使之与柔性电磁力线圈有一5mm的间隙。将上述元件都水平同轴布置安放；将高压脉冲电源，控制开关，与主线圈串联。开通控制开关，脉冲电源对主线圈放电，主线圈的脉冲电流与柔性电磁力线圈的感应电流之间的相互作用，柔性电磁力线圈状态由图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）中的初始状态23变为压缩状态24，驱动柔性电磁力线圈加速并使之驱动成形工件并完成成形；3个耦合降温线圈同时产生感应电流转移主线圈产生的焦耳热，使主线圈的温度降低，而在耦合降温线圈表面放置金属冷凝管，耦合降温线圈的热量又会被压缩空气冷凝循环系统带走，使之能够重复的冷却主线圈。

实施例5：

“带不等间距柔性电磁力线圈和耦合降温线圈的耦合冷却式管件柔性电磁成形（管件压缩）”实施方案：

如图1（b）所示，需要一绕成8匝10层的铜导线线圈组（铜线之间互相绝缘，线圈里面的骨架为环氧树脂板，铜线圈外面用新型超强纤维Zylon包裹进行加固）。需要铜编织线绕制的不等间距的单匝8层自闭合柔性电磁力线圈，紧贴放置在主线圈的内侧表面，线圈绕制形状如图2（b）所示，受电磁力形状由圆环状压缩为齿轮状如图3（b）。采用铜编织线绕制的等间距的自闭合圆环形管状线圈作为耦合降温线圈，绕制方式为2匝10层，与主线圈等高，放置在主线圈外侧；需要2个铜编制7匝单层等间距的自闭合耦合降温线圈紧靠放置于主线圈正上方与正下方，与主线圈同心放置。将成形管状工件置于柔性电磁力线圈内侧，并使之与柔性电磁力线圈有一5mm的间隙。将上述元件都水平同轴布置安放；将高压脉冲电源，控制开关，与主线圈串联。开通控制开关，脉冲电源对主线圈放电，主线圈的脉冲电流与柔性电磁力线圈的感应电流之间的相互作用，柔性电磁力线圈状态由图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）中的初始状态23变为压缩状态24，驱动柔性电磁力线圈加速并使之驱动成形工件并完成成形；3个耦合降温线圈同时产生感应电流转移主线圈产生的焦耳热，使主线圈的温度降低，而在耦合降温线圈表面放置金属冷凝管，耦合降温线圈的热量又会被压缩空气冷凝循环系统带走，使之能够重复的冷却主线圈。

实施例6：

“带不同截面柔性电磁力线圈和耦合降温线圈的耦合冷却式管件柔性电磁成形（管件压缩）”实施方案：

如图1（b）所示，需要一绕成8匝10层的铜导线线圈组（铜线之间互相绝缘，线圈里面的骨架为环氧树脂板，铜线圈外面用新型超强纤维Zylon包裹进行加固）。需要铜编织线绕制的不同截面的单匝8层自闭合柔性电磁力线圈，紧贴放置在主线圈的内侧表面，线圈绕制形状如图2（c）所示，受电磁力形状由圆环状压缩为齿轮状如图3（c）。采用铜编织线绕制的等间距的自闭合圆环形管状线圈作为耦合降温线圈，绕制方式为2匝10层，与主线圈等高，放置在主线圈外侧；需要2个铜编制7匝单层等间距的自闭合耦合降温线圈紧靠放置于主线圈正上方与正下方，与主线圈同心放置。将成形管状工件置于柔性电磁力线圈内侧，并使之与柔性电磁力线圈有一5mm的间隙。将上述元件都水平同轴布置安放；将高压脉冲电源，控制开关，与主线圈串联。开通控制开关，脉冲电源对主线圈放电，主线圈的脉冲电流与柔性电磁力线圈的感应电流之间的相互作用，柔性电磁力线圈状态由图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）中的初始状态23变为压缩状态24，驱动柔性电磁力线圈加速并使之驱动成形工件并完成成形；3个耦合降温线圈同时产生感应电流转移主线圈产生的焦耳热，使主线圈的温度降低，而在耦合降温线圈表面放置金属冷凝管，耦合降温线圈的热量又会被压缩空气冷凝循环系统带走，使之能够重复的冷却主线圈。