一种匀压力电磁成形的装置、匀压力线圈及其获取方法制造方法及图纸

技术编号:15587534 阅读:119 留言:0更新日期:2017-06-13 20:17
本发明专利技术提供了一种匀压力电磁成形的装置、匀压力线圈及其获取方法,匀压力电磁成形的装置包括:导电通道、线圈和工件;U形导电通道设置在线圈的上方包围线圈,工件设置在线圈的下方,工件与导电通道形成电流回路;线圈包括:导线、环氧板和加固材料;由环氧板构成的骨架为导线提供支撑;加固材料设置在导线外侧作为外加固层,用于提供足够的强度;工作时,受线圈中变化电流的影响工件与导电通道中感应出了涡流,形成了电流回路,由于线圈选用较薄的紫铜导线缠绕多层多匝而成,因此工件中所受电磁力更大,成形效率更高;为保证线圈强度,将加固材料分别沿着线圈导线绕制方向和垂直于导线绕制方向分别进行缠绕加固,实现高强高效匀压力电磁成形。

【技术实现步骤摘要】
一种匀压力电磁成形的装置、匀压力线圈及其获取方法
本专利技术属于金属成形制造
,更具体地,涉及一种匀压力电磁成形的装置、匀压力线圈及其获取方法。
技术介绍
电磁成形是变化的磁场与金属材料中感应涡流相互作用、产生瞬间电磁冲击力而导致的一种高速变形,作为一种高能高速率成形技术,电磁成形在提高铝合金等轻质合金材料成形制造水平、突破一些关键技术瓶颈方面潜力巨大。在电磁成形中,用于平板电磁成形的一般为平面螺旋线圈,但平面螺旋线圈在工件上产生的电磁力分布不均匀,制约了它的应用范围。匀压力线圈作为一种新型线圈,能够在工件上形成比较均匀的电磁力,成形效率比平螺旋线圈更高,在成形车门型腔、手机壳和燃料电池板等组件上具有显著优势,因此受到了广泛的关注。图1为匀压力线圈原理图,在线圈外面有一个凹形导电通道,导电通道和线圈之间绝缘良好并且和成形工件组成了一个封闭的回路。当电容放电时,在工作线圈中产生变化的电流,同时在外面的回路中感应出方向相反的感应电流。由于工件与导电通道形成了回路,因此工件中的感应电流方向、大小相同,所受到的电磁力比较均匀,再加上感应电流回路完全环绕线圈,所以磁场能量损失较小,效率较高。在目前有关匀压力线圈的研究中,为了确保足够的结构强度,使线圈在电磁成形过程中不至于应力过大而变形,常将铜块或铜合金块直接进行切割得到线圈。这种方法通过线圈自身的强度来保证整体结构的强度,因而得到的匀压力线圈必须要有较厚的线圈横截面,使得线圈中电流密度较小,进而导致工件受到的电磁力较小,限制了线圈的成形效率。此外,将铜块切割为匀压力线圈形状技术复杂、切割耗时较长。这些技术缺陷直接制约了匀压力线圈的应用以及相关领域的研究和发展。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷,本专利技术的目的在于提供一种匀压力电磁成形的装置,旨在解决现有技术中线圈的成形效率低的问题。本专利技术提供了一种匀压力电磁成形的装置,包括:导电通道、线圈和工件;U形导电通道设置在线圈的上方包围线圈,工件设置在线圈的下方,工件与导电通道形成电流回路;线圈包括:导线,环氧板和加固材料;由环氧板构成的骨架为导线提供支撑;加固材料设置在导线外侧作为外加固层,用于提供足够的强度;工作时,受线圈中变化电流的影响,工件与导电通道中感应出了涡流,形成了电流回路,且工件中的感应电流方向、大小相同,则工件受到的电磁力比较均匀;由于线圈选用较薄的紫铜导线缠绕多层多匝而成,因此工件中所受电磁力更大,成形效率更高;为保证线圈强度,将加固材料分别沿着线圈导线绕制的方向和垂直于导线绕制的方向进行缠绕加固,实现高强高效匀压力电磁成形。更进一步地,导线为任意横截面积(不小于最小横截面积)的紫铜导线。更进一步地,当导线的厚度小于透入深度时,导线越薄电流密度越大,感应产生的电流密度也越大,工件上所受电磁力越大,成形效率更高;其中,电流在铜上的透入深度f为电流频率,μ为磁导率,γ为电导率。更进一步地,导线的横截面积其中,ΔT为铜导线最大温升,ρ1为铜的电阻率,c为比热容,ρ2为铜的质量密度,trise为线圈电流波形第一个上升沿时间,I(t)为线圈电流与时间的关系,t为时间。更进一步地,加固材料沿着导线绕制的方向和垂直于导线绕制的方向分别进行缠绕加固。更进一步地,加固材料为玻璃纤维或柴龙(zylon)。本专利技术提供了一种匀压力线圈的获取方法,包括下述步骤:(1)将环氧板固定在绕线机上,并将铜导线按照预先设置的最小匝间距缠绕在环氧轴心上;(2)采用W19环氧树脂,并按照胺的用量(phr)=胺当量×环氧值来配置固化剂,将配置好的环氧树脂固化剂涂抹在缠绕好的导线上;其中,phr指每100份树脂所需固化剂的质量份数,胺当量=胺的相对分子量÷胺中活泼氢的个数,环氧值指100g环氧树脂中所含环氧基团的物质的量;(3)涂抹完环氧树脂后,根据仿真时线圈所受最大强度选择加固材料,并将加固材料在线圈上均匀的缠绕一层;(4)重复步骤(2),在加固材料上均匀的涂抹环氧树脂,完成一层导线的绕制;(5)重复步骤(1)-(4),完成多层多匝匀压力线圈的绕制。更进一步地,所述加固材料为极限强度为4.9GPa的S-2玻璃纤维。更进一步地,在步骤(3)中,沿着导线绕制方向与垂直于导线绕制方向分别在线圈上均匀的缠绕一层。本专利技术提供了一种基于上述的获取方法得到的匀压力线圈,包括:导线,环氧板和加固材料;由环氧板构成的骨架为导线提供支撑;加固材料设置在导线外侧作为外加固层,用于提供足够的强度。通过本专利技术所构思的以上技术方案,与现有技术相比,由于采用环氧板作为内支撑;在绕制工艺上缠绕加固材料进行外加固,并分别沿着导线绕制方向和垂直于导线绕制方向缠绕,在各个方向上为线圈提供了充足的强度,极大的提高了线圈的整体强度,譬如S-2玻璃纤维极限强度为4.9GPa左右,远大于各种铜类的极限强度。且在本专利技术中,由于单匝导线更薄,最大限度的降低了集肤效应的影响,节省的空间用于绕制的多层线圈具有更高的成形效率。结构更灵活,可以根据实际需要采用任意横截面积(不小于最小横截面积)的铜导线绕制任意匝数与层数的线圈。本专利技术采用铜导线绕制线圈的方式更加简单,高效。附图说明图1是匀压力线圈的原理示意图;图2是一次采用匀压力线圈进行电磁成形实验的电流时间关系图;图3是三种线圈在工件上正中心一点处产生的电磁力大小对比图;图4是本专利技术所述的一种单层匀压力线圈横截面示意图。在所有附图中,其中:1为导电通道,2为线圈,3为工件,2-1为导线,2-2为环氧板,2-3为玻璃纤维。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术,并不用于限定本专利技术。针对上述问题,本专利技术提供了一种具有高强度的绕制匀压力线圈的方法,旨在解决现有技术中线圈电流密度较小、成形效率较低、线圈加工复杂以及加工时间较长的技术问题。本专利技术中,为了提高成形效率,不再采用铜块切割获取匀压力线圈,而是选用较薄的紫铜导线(单玻璃丝包聚酰亚胺薄膜绕包扁铜线)缠绕形成多层多匝的匀压力线圈;同时,由于薄导线自身强度较低无法承受电磁成形过程中的电磁力,选用特定的加固材料作为外加固,环氧板作为内支撑来提高线圈整体的强度。根据电磁感应定律,工件上所受到的电磁力为:其中为工件中的感应电流,为线圈在工件处产生的磁场与工件内涡流在同一点产生的磁场矢量和。感应电流密度越大,工件上所受电磁力也就越大,成形效率越高。根据集肤效应,电流在铜上的透入深度为:其中,f为电流频率,μ为磁导率,γ为电导率。对于电磁成形而言,以一次典型的电磁成形实验为例,线圈内电流大小如图2所示,μ铜=μ0=4π×10-7H/m,γ铜=5.8×107S/m,带入式(2)得透入深度为1.33mm。因此对于多层线圈,当导线厚度大于透入深度时,多出来的部分不但对成形没有帮助,反而使得内层导线离工件更远,降低成形效率;当导线厚度小于透入深度时,导线越薄,电流密度越大,因而感应产生的电流密度也越大,工件上所受电磁力越大,成形效率更高。为了证实采用薄铜导线绕制的线圈成形效率更高,此处对线圈横截面尺寸为4mm×1mm的单层线圈,4mm×4mm的单层线圈与4mm×1mm的双层线圈进行分析,线本文档来自技高网
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一种匀压力电磁成形的装置、匀压力线圈及其获取方法

【技术保护点】
一种匀压力电磁成形的装置,其特征在于,包括:导电通道(1)、线圈(2)和工件(3);U形导电通道(1)设置在所述线圈(2)的上方包围线圈,所述工件(3)设置在所述线圈(2)的下方,所述工件(3)与所述导电通道(1)形成电流回路;所述线圈(2)包括:导线(2‑1),环氧板(2‑2)和加固材料(2‑3);由所述环氧板(2‑2)构成的骨架为所述导线(2‑1)提供支撑;所述加固材料(2‑3)设置在所述导线(2‑1)外侧作为外加固层,用于提供足够的强度;工作时,受线圈中变化电流的影响,工件与导电通道中感应出了涡流,形成了电流回路。

【技术特征摘要】
1.一种匀压力电磁成形的装置,其特征在于,包括:导电通道(1)、线圈(2)和工件(3);U形导电通道(1)设置在所述线圈(2)的上方包围线圈,所述工件(3)设置在所述线圈(2)的下方,所述工件(3)与所述导电通道(1)形成电流回路;所述线圈(2)包括:导线(2-1),环氧板(2-2)和加固材料(2-3);由所述环氧板(2-2)构成的骨架为所述导线(2-1)提供支撑;所述加固材料(2-3)设置在所述导线(2-1)外侧作为外加固层,用于提供足够的强度;工作时,受线圈中变化电流的影响,工件与导电通道中感应出了涡流,形成了电流回路。2.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述导线(2-1)为任意横截面积的紫铜导线。3.如权利要求2所述的装置,其特征在于,当所述导线(2-1)的厚度小于透入深度时,导线越薄电流密度越大,感应产生的电流密度也越大,所述工件(3)上所受电磁力越大,成形效率更高;其中,电流在铜上的透入深度f为电流频率,μ为磁导率,γ为电导率。4.如权利要求2所述的装置,其特征在于,所述导线(2-1)的横截面积其中,ΔT为铜导线最大温升,ρ1为铜的电阻率,c为比热容,ρ2为铜的质量密度,trise为线圈电流波形第一个上升沿时间,I(t)为线圈电流与时间的关系,t为时间。5.如权利要求1-4任一项所述的装置,其特征在于,所述加固材料(2-3)沿着导线绕制方向和垂直于导线绕制方向分别进行缠绕加固。6....

【专利技术属性】
技术研发人员:韩小涛李章哲曹全梁谌祺李亮
申请(专利权)人:华中科技大学
类型:发明
国别省市:湖北,42

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