圆环电磁胀形分析、控制方法及胀形装置

摘要

本发明公开了圆环电磁胀形分析方法，在胀形线圈和圆环间设置不同的磁场变换器使得圆环只受径向电磁力或者同时受轴向电磁力和径向电磁力的作用，分析径向电磁力单独作用于圆环或者不同比值的轴向电磁力和径向电磁力作用于圆环的胀形效果。本发明还公开了圆环电磁胀形控制方法以及相应的胀形装置。本发明的分析方法，可测试圆环只加载径向电磁力或者加载不同比值的轴向电磁力和径向电磁力时圆环的胀形效果，分析出径向电磁力、轴向电磁力对圆环成形的影响；本发明的控制方法，确定与圆环成形规格最匹配的轴向电磁力与径向电磁力的比值，制作、加工相应的磁场变换器后，与胀形线圈配合，进行圆环的胀形工艺，提高圆环成形精度和效率，便于批量加工。

说明书

技术领域

本发明属于金属工件成形控制领域，具体涉及一种圆环电磁胀形分析及控制方法。

背景技术

电磁成形的技术革新往往以新型驱动线圈结构产生更合理的电磁力分布为标志。圆环电磁胀形是一种高速状态下圆环自由拉伸的工艺，目前通常采用驱动线圈对圆环进行电磁力的加载。此时存在的问题是：圆环的高度多为毫米级，而驱动线圈的高度通常大于15mm，这就导致圆环本身的电磁力不仅存在圆环自由拉伸所需的径向电磁力，还存在干扰圆环自由拉伸的轴向电磁力，导致测量得到的数据并不真实有效。

公开号为CN 103406418 B的发明专利“径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法及装置”提供了一种径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法及装置，主要包括产生感应涡流的涡流线圈、产生径向磁场的磁场线圈以及为涡流线圈和磁场线圈供电的电源系统，该发明还提供了径向与轴向双向加载式金属管件电磁成形方法，可为金属管件提供不同载荷形式下的高速变形实验条件，为材料高速变形机理研究提供新的实验手段。然而，该发明的方法虽然能够为管件提供双向电磁力加载，但如果管件的轴向高度变小，变成一个圆环的话，很难对其只加载径向电磁力，而这对圆环自由拉伸试验尤为重要。公开号为CN 109967593 B的发明专利“一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置及方法”提供了一种采用径向恒定磁场与感应涡流实现管件电磁胀形轴向压缩的装置及方法，可分开施加轴向压缩力和成形所需的径向电磁力，可根据成形工艺的需求控制轴向电磁力的大小，且因为施加的轴向电磁力独立控制，不会削弱径向电磁力。同样地，这一方法只适用于轴向高度大于15mm的管件，而不能适用于轴向高度不大于1mm的圆环。公开号为CN 110210116 A的发明专利“一种适用于带集磁器管件电磁成形的二维轴对称仿真模型及建模方法”提供了一种适用于带集磁器管件电磁成形的二维轴对称仿真模型及建模方法，与现有三维模型相比，该发明提供的仿真模型与方法计算速度更快；与现有二维轴对称模型对比，该发明提供的仿真模型与方法更贴合物理实际，计算精度更高。然而，该发明并没有设计磁场变换器以便于圆环的径向电磁力和轴向电磁力的加载控制。

因此，研究采用驱动线圈配合磁场变换器的方式对圆环进行电磁力的加载，能够实现没有轴向电磁力的圆环自由拉伸，同时，通过改变磁场变换器的结构，能够实现不同径向电磁力和轴向电磁力比值的电磁力加载，进一步研究轴向电磁力对电磁圆环胀形的影响。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种圆环电磁胀形分析、控制方法及胀形装置，在胀形线圈和圆环之间设置不同的磁场变换器使得圆环只受径向电磁力作用或者圆环同时受轴向电磁力和径向电磁力的作用，测试、分析径向电磁力单独作用于圆环或者不同比值的轴向电磁力和径向电磁力同时作用于圆环的圆环胀形效果，确定与圆环成形规格最匹配的轴向电磁力与径向电磁力的比值，制作、加工相应的磁场变换器后，与胀形线圈配合，进行圆环的胀形工艺，提高圆环成形的精度和效率。

本发明的技术方案是圆环电磁胀形分析方法，在胀形线圈和圆环之间设置第一磁场变换器使得圆环只受径向电磁力作用，分析径向电磁力对圆环胀形的作用效果，然后在胀形线圈和圆环之间设置第二磁场变换器使得圆环同时受轴向电磁力和径向电磁力的作用，分析圆环胀形效果；第一磁场变换器为带有气隙的金属环，第一磁场变换器的断面为等腰梯形；第二磁场变换器为带有气隙且外侧开槽的金属环，第二磁场变换器的断面为带缺口的等腰梯形，第二磁场变换器外侧的凹槽用于容纳待胀形的圆环，为便于放置待胀形的圆环，将第二磁场变换器分割成上下两部分。

所述圆环电磁胀形分析方法包括以下步骤：

步骤1：建立第一磁场变换器的有限元模型，在第一磁场变换器的有限元模型中加入胀形线圈和待胀形圆环，设置胀形线圈的电流，分析确认待胀形圆环受到的轴向电磁力为0；

步骤2：采用胀形线圈和第一磁场变换器对待胀形圆环进行胀形试验，逐步加大胀形线圈的电流，直至圆环刚好断裂，记录此时圆环的伸长量；

步骤3：建立第二磁场变换器的有限元模型，在第二磁场变换器的有限元模型中加入胀形线圈和待胀形圆环，设置胀形线圈的电流，分析确定第二磁场变换器的有限元模型中待胀形圆环受到的轴向电磁力与径向电磁力的比值；

步骤4：采用胀形线圈和第二磁场变换器对待胀形圆环进行胀形试验，逐步加大胀形线圈的电流，直至圆环刚好断裂，记录此时圆环的伸长量；

步骤5：针对不同尺寸的第二磁场变换器，重复进行步骤3和步骤4，得到不同径向电磁力与轴向电磁力的比值下的多组轴向电磁力和径向电磁力同时作用的圆环胀形的效果的试验数据；

步骤6：对比分析不同轴向电磁力对圆环胀形效果的影响。

基于上述的圆环电磁胀形分析方法的圆环电磁胀形控制方法，根据圆环胀形的成形规格要求和圆环电磁胀形分析方法的分析结果，选择第一磁场变换器或第二磁场变换器并确定其尺寸大小，制作好磁场变换器，在磁场变换器的中空处部置胀形线圈，在磁场变换器外侧固定好待胀形的圆环，对胀形线圈通电，控制胀形线圈的电流，圆环在电磁力作用下胀形。

优选地，待胀形圆环的横截面圆的直径不大于1mm。

采用上述的圆环电磁胀形控制方法的胀形装置，包括胀形线圈和第一磁场变换器，第一磁场变换器为带有气隙的金属环，第一磁场变换器的断面为等腰梯形，等腰梯形的下底边侧紧贴胀形线圈，等腰梯形的上底边侧紧贴待胀形的圆环。

采用上述的圆环电磁胀形控制方法的胀形装置，包括胀形线圈和第二磁场变换器，第二磁场变换器为带有气隙且外侧开槽的金属环，第二磁场变换器的断面为带缺口的等腰梯形，第二磁场变换器外侧的凹槽用于容纳待胀形的圆环，为便于放置待胀形的圆环，将第二磁场变换器分割成第二磁场变换器上部分和第二磁场变换器下部分；等腰梯形的下底边侧紧贴胀形线圈。

相比现有技术，本发明的有益效果：

1）设计出一种与胀形线圈配合的磁场变换器，使得放置在磁场变换器外侧的圆环只受径向电磁力的作用，避免轴向电磁力对圆环胀形工艺产生影响，提高了圆环胀形工艺的可控性和圆环成形的精度；

2）设计出另一种与胀形线圈配合的磁场变换器，使得放置在磁场变换器腰线位置的圆环同时受径向电磁力和轴向电磁力的作用，且可通过改变设计、加工的磁场变换器的凹槽的宽度，使得圆环受到不同的轴向电磁力，通过改变设计、加工的磁场变换器的凹槽的深度，使得圆环受到不同的径向电磁力，通过不同尺寸的磁场变换器使得胀形工艺的圆环受到的轴向电磁力和径向电磁力可有不同的比值，以满足不同规格需求的圆环胀形工艺的需要；

3）提出一种圆环胀形的效果的测试、分析方法，可测试圆环只加载径向电磁力，可测试圆环加载不同比值的轴向电磁力和径向电磁力，比较不同受力情况下的圆环胀形效果，分析出径向电磁力、轴向电磁力对圆环成形的影响；

4）提出一种圆环胀形控制方法，通过对圆环胀形效果的测试、分析方法，确定与圆环成形规格最匹配的轴向电磁力与径向电磁力的比值，制作、加工相应的磁场变换器后，与胀形线圈配合，进行圆环的胀形工艺，使得胀形工艺的圆环的成形效果可预测，提高圆环成形的精度和效率，便于批量的圆环胀形加工。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例的第一磁场变换器的示意图。

图2为本发明实施例的同时提供轴向电磁力和径向电磁力的胀形装置的示意图。

图3为本发明实施例的第二磁场变换器的示意图。

图4为第二磁场变换器的有限元模型。

图5为圆环胀形过程中刚好断裂的圆环的示意图。

附图标记说明：胀形线圈1、第一磁场变换器2、圆环3、第二磁场变换器4、第二磁场变换器上部分4a、第二磁场变换器下部分4b。

具体实施方式

实施例一：

实施例的待胀形圆环的直径为100mm，待胀形圆环的横截面圆的直径为1mm。

圆环电磁胀形分析方法，在胀形线圈和圆环之间设置第一磁场变换器使得圆环只受径向电磁力作用，分析径向电磁力对圆环胀形的作用效果，然后在胀形线圈和圆环之间设置第二磁场变换器使得圆环同时受轴向电磁力和径向电磁力的作用，分析圆环胀形效果；第一磁场变换器为带有气隙的铜环，第一磁场变换器的断面为等腰梯形，如图1所示；第二磁场变换器为带有气隙且外侧开槽的铜环，第二磁场变换器的断面为带缺口的等腰梯形，第二磁场变换器外侧的凹槽用于容纳待胀形的圆环，为便于放置待胀形的圆环，将第二磁场变换器分割成上下两部分，如图3所示。

所述圆环电磁胀形分析方法包括以下步骤：

步骤1：建立第一磁场变换器的有限元模型，在第一磁场变换器的有限元模型中加入胀形线圈和待胀形圆环，设置胀形线圈的电流，分析确认待胀形圆环受到的轴向电磁力为0；

步骤2：采用胀形线圈和第一磁场变换器对待胀形圆环进行胀形试验，胀形线圈连接到脉冲电源，逐步加大胀形线圈的电流，直至圆环刚好断裂，如图5所示，记录此时圆环的伸长量；

步骤3：建立第二磁场变换器的有限元模型，在第二磁场变换器的有限元模型中加入胀形线圈和待胀形圆环，如图4所示，设置胀形线圈的电流，分析确定第二磁场变换器的有限元模型中待胀形圆环受到的轴向电磁力与径向电磁力的比值；

步骤4：采用胀形线圈和第二磁场变换器对待胀形圆环进行胀形试验，逐步加大胀形线圈的电流，直至圆环刚好断裂，记录此时圆环的伸长量；

步骤5：改变第二磁场变换器的凹槽的深度的设计，加工出不同深度凹槽的第二磁场变换器，改变第二磁场变换器的凹槽的宽度的设计，加工出不同宽度凹槽的第二磁场变换器，针对不同尺寸的第二磁场变换器，重复进行步骤3和步骤4，得到不同径向电磁力与轴向电磁力的比值下的多组轴向电磁力和径向电磁力同时作用的圆环胀形的效果的试验数据；

步骤6：对比分析不同轴向电磁力对圆环胀形效果的影响。

实施例二

圆环电磁胀形控制方法，采用实施例一的圆环电磁胀形分析方法，根据圆环胀形的成形规格要求和圆环电磁胀形分析方法的分析结果，选择第一磁场变换器或第二磁场变换器并确定其尺寸大小，制作好磁场变换器，在磁场变换器的中空处部置胀形线圈，在磁场变换器外侧固定好待胀形的圆环，对胀形线圈通电，控制胀形线圈的电流，圆环在电磁力作用下胀形。

实施例三

圆环胀形装置，如图1所示，包括胀形线圈1和第一磁场变换器2，第一磁场变换器2为带有气隙的铜环，第一磁场变换器的断面为等腰梯形，等腰梯形的下底边侧紧贴胀形线圈，等腰梯形的上底边侧紧贴待胀形的圆环3，本实施例中，胀形线圈通电时，圆环3只受径向电磁力的作用。

实施例四

圆环胀形装置，如图2所示，包括胀形线圈1和第二磁场变换器4，第二磁场变换器4为带有气隙且外侧开槽的铜环，第二磁场变换器的断面为带缺口的等腰梯形，第二磁场变换器外侧的凹槽用于容纳待胀形的圆环3，为便于放置待胀形的圆环，将第二磁场变换器分割成上下两部分；等腰梯形的下底边侧紧贴胀形线圈。本实施例中，胀形线圈1通电时，圆环3同时受轴向电磁力和径向电磁力的作用。本实施例中，可通过更改第二磁场变换器的凹槽的深度的设计，使得圆环胀形工艺中第二磁场变换器凹槽内的圆环受到不同大小的径向电磁力；可通过更改第二磁场变换器的凹槽的宽度的设计，使得圆环胀形工艺中第二磁场变换器凹槽内的圆环受到不同大小的轴向电磁力。

实施例五

图3所示的磁场变换器，磁场变换器为带有气隙且外侧开槽的铜环，磁场变换器的断面为带缺口的等腰梯形；磁场变换器外侧的凹槽用于容纳待胀形的圆环，为便于放置待胀形的圆环，将磁场变换器分割成磁场变换器上部分4a和磁场变换器下部分4b。圆环胀形工艺开始前，将圆环放置在磁场变换器下部分的凹槽处，将磁场变换器上部分4a和磁场变换器下部分4b合在一起，将胀形线圈设置在磁场变换器的中空部位。