一種勻壓力電磁成形的裝置、勻壓力線圈及其獲取方法制造方法及圖紙

本發明專利技術提供了一種勻壓力電磁成形的裝置、勻壓力線圈及其獲取方法，勻壓力電磁成形的裝置包括：導電通道、線圈和工件；U形導電通道設置在線圈的上方包圍線圈，工件設置在線圈的下方，工件與導電通道形成電流回路；線圈包括：導線、環氧板和加固材料；由環氧板構成的骨架為導線提供支撐；加固材料設置在導線外側作為外加固層，用于提供足夠的強度；工作時，受線圈中變化電流的影響工件與導電通道中感應出了渦流，形成了電流回路，由于線圈選用較薄的紫銅導線纏繞多層多匝而成，因此工件中所受電磁力更大，成形效率更高；為保證線圈強度，將加固材料分別沿著線圈導線繞制方向和垂直于導線繞制方向分別進行纏繞加固，實現高強高效勻壓力電磁成形。

【技術實現步驟摘要】
一種勻壓力電磁成形的裝置、勻壓力線圈及其獲取方法
本專利技術屬于金屬成形制造
，更具體地，涉及一種勻壓力電磁成形的裝置、勻壓力線圈及其獲取方法。
技術介紹
電磁成形是變化的磁場與金屬材料中感應渦流相互作用、產生瞬間電磁沖擊力而導致的一種高速變形，作為一種高能高速率成形技術，電磁成形在提高鋁合金等輕質合金材料成形制造水平、突破一些關鍵技術瓶頸方面潛力巨大。在電磁成形中，用于平板電磁成形的一般為平面螺旋線圈，但平面螺旋線圈在工件上產生的電磁力分布不均勻，制約了它的應用范圍。勻壓力線圈作為一種新型線圈，能夠在工件上形成比較均勻的電磁力，成形效率比平螺旋線圈更高，在成形車門型腔、手機殼和燃料電池板等組件上具有顯著優勢，因此受到了廣泛的關注。圖1為勻壓力線圈原理圖，在線圈外面有一個凹形導電通道，導電通道和線圈之間絕緣良好并且和成形工件組成了一個封閉的回路。當電容放電時，在工作線圈中產生變化的電流，同時在外面的回路中感應出方向相反的感應電流。由于工件與導電通道形成了回路，因此工件中的感應電流方向、大小相同，所受到的電磁力比較均勻，再加上感應電流回路完全環繞線圈，所以磁場能量損失較小，效率較高。在目前有關勻壓力線圈的研究中，為了確保足夠的結構強度，使線圈在電磁成形過程中不至于應力過大而變形，常將銅塊或銅合金塊直接進行切割得到線圈。這種方法通過線圈自身的強度來保證整體結構的強度，因而得到的勻壓力線圈必須要有較厚的線圈橫截面，使得線圈中電流密度較小，進而導致工件受到的電磁力較小，限制了線圈的成形效率。此外，將銅塊切割為勻壓力線圈形狀技術復雜、切割耗時較長。這些技術缺陷直接制約了勻壓力線圈的應用以及相關領域的研究和發展。
技術實現思路
針對現有技術的缺陷，本專利技術的目的在于提供一種勻壓力電磁成形的裝置，旨在解決現有技術中線圈的成形效率低的問題。本專利技術提供了一種勻壓力電磁成形的裝置，包括：導電通道、線圈和工件；U形導電通道設置在線圈的上方包圍線圈，工件設置在線圈的下方，工件與導電通道形成電流回路；線圈包括：導線，環氧板和加固材料；由環氧板構成的骨架為導線提供支撐；加固材料設置在導線外側作為外加固層，用于提供足夠的強度；工作時，受線圈中變化電流的影響，工件與導電通道中感應出了渦流，形成了電流回路，且工件中的感應電流方向、大小相同，則工件受到的電磁力比較均勻；由于線圈選用較薄的紫銅導線纏繞多層多匝而成，因此工件中所受電磁力更大，成形效率更高；為保證線圈強度，將加固材料分別沿著線圈導線繞制的方向和垂直于導線繞制的方向進行纏繞加固，實現高強高效勻壓力電磁成形。更進一步地，導線為任意橫截面積(不小于最小橫截面積)的紫銅導線。更進一步地，當導線的厚度小于透入深度時，導線越薄電流密度越大，感應產生的電流密度也越大，工件上所受電磁力越大，成形效率更高；其中，電流在銅上的透入深度f為電流頻率，μ為磁導率，γ為電導率。更進一步地，導線的橫截面積其中，ΔT為銅導線最大溫升，ρ1為銅的電阻率，c為比熱容,ρ2為銅的質量密度，trise為線圈電流波形第一個上升沿時間，I(t)為線圈電流與時間的關系，t為時間。更進一步地，加固材料沿著導線繞制的方向和垂直于導線繞制的方向分別進行纏繞加固。更進一步地，加固材料為玻璃纖維或柴龍(zylon)。本專利技術提供了一種勻壓力線圈的獲取方法，包括下述步驟：(1)將環氧板固定在繞線機上，并將銅導線按照預先設置的最小匝間距纏繞在環氧軸心上；(2)采用W19環氧樹脂，并按照胺的用量(phr)＝胺當量×環氧值來配置固化劑，將配置好的環氧樹脂固化劑涂抹在纏繞好的導線上；其中，phr指每100份樹脂所需固化劑的質量份數，胺當量＝胺的相對分子量÷胺中活潑氫的個數，環氧值指100g環氧樹脂中所含環氧基團的物質的量；(3)涂抹完環氧樹脂后，根據仿真時線圈所受最大強度選擇加固材料，并將加固材料在線圈上均勻的纏繞一層；(4)重復步驟(2)，在加固材料上均勻的涂抹環氧樹脂，完成一層導線的繞制；(5)重復步驟(1)-(4)，完成多層多匝勻壓力線圈的繞制。更進一步地，所述加固材料為極限強度為4.9GPa的S-2玻璃纖維。更進一步地，在步驟(3)中，沿著導線繞制方向與垂直于導線繞制方向分別在線圈上均勻的纏繞一層。本專利技術提供了一種基于上述的獲取方法得到的勻壓力線圈，包括：導線，環氧板和加固材料；由環氧板構成的骨架為導線提供支撐；加固材料設置在導線外側作為外加固層，用于提供足夠的強度。通過本專利技術所構思的以上技術方案，與現有技術相比，由于采用環氧板作為內支撐；在繞制工藝上纏繞加固材料進行外加固，并分別沿著導線繞制方向和垂直于導線繞制方向纏繞，在各個方向上為線圈提供了充足的強度，極大的提高了線圈的整體強度，譬如S-2玻璃纖維極限強度為4.9GPa左右，遠大于各種銅類的極限強度。且在本專利技術中，由于單匝導線更薄，最大限度的降低了集膚效應的影響，節省的空間用于繞制的多層線圈具有更高的成形效率。結構更靈活，可以根據實際需要采用任意橫截面積(不小于最小橫截面積)的銅導線繞制任意匝數與層數的線圈。本專利技術采用銅導線繞制線圈的方式更加簡單，高效。附圖說明圖1是勻壓力線圈的原理示意圖；圖2是一次采用勻壓力線圈進行電磁成形實驗的電流時間關系圖；圖3是三種線圈在工件上正中心一點處產生的電磁力大小對比圖；圖4是本專利技術所述的一種單層勻壓力線圈橫截面示意圖。在所有附圖中，其中：1為導電通道，2為線圈，3為工件，2-1為導線，2-2為環氧板，2-3為玻璃纖維。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。針對上述問題，本專利技術提供了一種具有高強度的繞制勻壓力線圈的方法，旨在解決現有技術中線圈電流密度較小、成形效率較低、線圈加工復雜以及加工時間較長的技術問題。本專利技術中，為了提高成形效率，不再采用銅塊切割獲取勻壓力線圈，而是選用較薄的紫銅導線(單玻璃絲包聚酰亞胺薄膜繞包扁銅線)纏繞形成多層多匝的勻壓力線圈；同時，由于薄導線自身強度較低無法承受電磁成形過程中的電磁力，選用特定的加固材料作為外加固，環氧板作為內支撐來提高線圈整體的強度。根據電磁感應定律，工件上所受到的電磁力為：其中為工件中的感應電流，為線圈在工件處產生的磁場與工件內渦流在同一點產生的磁場矢量和。感應電流密度越大，工件上所受電磁力也就越大，成形效率越高。根據集膚效應，電流在銅上的透入深度為：其中，f為電流頻率，μ為磁導率，γ為電導率。對于電磁成形而言，以一次典型的電磁成形實驗為例，線圈內電流大小如圖2所示，μ銅＝μ0＝4π×10-7H/m,γ銅＝5.8×107S/m，帶入式(2)得透入深度為1.33mm。因此對于多層線圈，當導線厚度大于透入深度時，多出來的部分不但對成形沒有幫助，反而使得內層導線離工件更遠，降低成形效率；當導線厚度小于透入深度時，導線越薄，電流密度越大，因而感應產生的電流密度也越大，工件上所受電磁力越大，成形效率更高。為了證實采用薄銅導線繞制的線圈成形效率更高，此處對線圈橫截面尺寸為4mm×1mm的單層線圈，4mm×4mm的單層線圈與4mm×1mm的雙層線圈進行分析，線本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種勻壓力電磁成形的裝置，其特征在于，包括：導電通道(1)、線圈(2)和工件(3)；U形導電通道(1)設置在所述線圈(2)的上方包圍線圈，所述工件(3)設置在所述線圈(2)的下方，所述工件(3)與所述導電通道(1)形成電流回路；所述線圈(2)包括：導線(2?1)，環氧板(2?2)和加固材料(2?3)；由所述環氧板(2?2)構成的骨架為所述導線(2?1)提供支撐；所述加固材料(2?3)設置在所述導線(2?1)外側作為外加固層，用于提供足夠的強度；工作時，受線圈中變化電流的影響，工件與導電通道中感應出了渦流，形成了電流回路。

【技術特征摘要】
1.一種勻壓力電磁成形的裝置，其特征在于，包括：導電通道(1)、線圈(2)和工件(3)；U形導電通道(1)設置在所述線圈(2)的上方包圍線圈，所述工件(3)設置在所述線圈(2)的下方，所述工件(3)與所述導電通道(1)形成電流回路；所述線圈(2)包括：導線(2-1)，環氧板(2-2)和加固材料(2-3)；由所述環氧板(2-2)構成的骨架為所述導線(2-1)提供支撐；所述加固材料(2-3)設置在所述導線(2-1)外側作為外加固層，用于提供足夠的強度；工作時，受線圈中變化電流的影響，工件與導電通道中感應出了渦流，形成了電流回路。2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述導線(2-1)為任意橫截面積的紫銅導線。3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，當所述導線(2-1)的厚度小于透入深度時，導線越薄電流密度越大，感應產生的電流密度也越大，所述工件(3)上所受電磁力越大，成形效率更高；其中，電流在銅上的透入深度f為電流頻率，μ為磁導率，γ為電導率。4.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述導線(2-1)的橫截面積其中，ΔT為銅導線最大溫升，ρ1為銅的電阻率，c為比熱容,ρ2為銅的質量密度，trise為線圈電流波形第一個上升沿時間，I(t)為線圈電流與時間的關系，t為時間。5.如權利要求1-4任一項所述的裝置，其特征在于，所述加固材料(2-3)沿著導線繞制方向和垂直于導線繞制方向分別進行纏繞加固。6....

【專利技術屬性】
技術研發人員：韓小濤，李章哲，曹全梁，諶祺，李亮，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：湖北,42