CN103433347A - 一种分区渐进成形双金属复合管的感应器 - Google Patents

Abstract

一种分区渐进成形双金属复合管的感应器，属于双金属管成形技术领域。为提高双金属复合管件分区渐进成形复合率以及双金属复合管件径向均匀性。圆柱体的中部加工有一个与两个圆台形凹槽相通的装配孔，装配孔所围成的区域为工作区，装配孔由大、小圆台形孔构成，大圆台形孔的小直径端与小圆台形孔的大直径端重合，且大圆台形孔的大直径端和小圆台形孔的小直径端分别位于装配孔的两端，设定大圆台形孔的母线与水平面之间所成的夹角为α，小圆台形孔的母线与水平面之间所成的夹角为β，大圆台形孔的轴向长度为L1，小圆台形孔的轴向长度为L2，装配孔的轴向长度为L0。本发明用于双金属管件的复合。

Description

一种分区渐进成形双金属复合管的感应器

技术领域

本发明涉及一种成形双金属复合管的感应器，属于双金属管成形技术领域。

背景技术

双金属管件由内层管坯与外层管坯组成，内外层管坯之间紧密结合。承受外载荷时，内层管坯和外层管坯同时变形。双金属管件按管层之间的结合方式可以分为机械结合与冶金结合，前者又称为双层管件，后者亦称为双金属复合管件。内层管坯和外层管坯的材料根据工况条件需要可以选择不同的材料匹配，因此，双金属管件不但可具有所要求的高强度，而且还可具有优良的耐腐蚀性、耐磨性等性能，充分发挥两种金属材料的优势性能。与单一组分的管件相比，由于双金属管件在比强度、经济性等方面的优势，在石油、化工、制冷、核电等工业领域内有着广阔的应用前景。

利用脉冲磁场力制备双金属管件的基本原理如图1所示。该工艺通过电磁成形装置1对线圈2进行时序控制放电，对长复合管（外层管坯4和内层管坯5）进行分区复合的渐进式成形思路。加工前，外层管坯4和内层管坯5被固定在装夹台上，装夹台能沿内外层管坯的中心线方向运动。加工时，在感应器3的作用下，完成第一次的放电成形加工。完成了第一个复合区加工的内外层管坯随着装夹台一起做一定量的轴向送进，使待复合的双金属管坯进入感应器3的工作区6中（见图2和图3）。接着感应器3开始进行第二步的放电加工。完成了第二个复合区加工的双金属复合管坯继续做轴向送进，直至完成整个双金属复合管件的复合。双金属复合管件的磁脉冲成形复合方法是一种对待复合的双金属管坯进行局部变形的成形方法，成形过程中，感应器3与待加工管坯的接触面积小，使得电磁成形力更加集中，能量密度更大，因而管坯能获得更大的磁压力进行塑形加工，同时通过轴向送进可以实现利用小能量放电过程成形一些轴向尺寸大的双金属复合管件，是一种很有发展前景的成形制备方法。

感应器是双金属复合管件磁脉冲成形复合法中的一个重要装置，起到将电容器中存储的电能转化成作用到双金属复合管坯上的冲击力作用，同时还可以优化放电频率、控制脉冲力作用区域、改善线圈感应器寿命，相对于无感应器的感应线圈结构，能显著提高工艺稳定性和成形加工质量。在双金属复合管坯磁脉冲成形的工艺过程中，出于结构强度、提高局部磁场强度等方面的考虑，常使用的感应器结构如图2和图3所示，即工作区与外壁为同轴圆柱面。在双金属管坯分区复合过程中，双金属管坯做轴向送进之后，待双金属复合管坯与感应器工作区的相对位置如图4所示。由图4可知，由于工作区的纵剖截面呈平直状，前一复合步骤中的外层管坯构形发生变化，此时感应器工作区与外层管坯之间径向间隙产生了较大差异，从而改变了工作区内磁力线的疏密程度，使得电磁力分布极为不均，进而导致待复合管件产生变形不协调的问题：过渡区7径向间隙大导致磁力线稀疏，受到的径向电磁力明显小于变形区9受到的电磁力，因此变形区9优先发生塑性变形，过渡区7则被带动变形贴合内层管坯，最终导致双金属复合管坯产生了径向变形沿轴向的不均匀分布。而且随着内外层管坯间的径向间隙增加，这种径向变形不均匀性会发展成为过渡区金属材料堆积***，严重的将产生“鼓包”缺陷，如图5、图6所示。内外层复合管件的径向不均匀性可用径向不均度δ来衡量，该值通过径向跳动差值与双金属复合管件的最小直径之比获得，如公式(1)所示。

$\mathrm{\δ}=\frac{D_{\max }-D_{\min }}{D_{\min }}---\left(1\right)$

式中D_max为双金属复合管件最大的直径；D_min为双金属复合管件最小的直径。此外，该常规感应器产生的变形协调性问题还会导致较低的冶金复合率。这是由于变形区9以近乎垂直方式撞击内层管坯，无法获得较佳的碰撞角度与碰撞速度匹配，最终，双金属复合管坯层间结合方式以机械结合为主，如此，则损害了复合界面性能，将限制了双金属复合管件的使用范围。

因此，亟需对感应器结构进行优化设计，提高双金属复合管件径向均匀度，提高复合率，从而为获得满足技术要求的双金属复合管件提供必要条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种能提高双金属复合管件分区渐进成形复合率以及提高双金属复合管件径向均匀性的分区渐进成形双金属复合管的感应器。

本发明解决上述问题采取以下技术方案：

本发明的一种分区渐进成形双金属复合管的感应器，所述分区渐进成形双金属复合管的感应器的外形为圆柱体，所述圆柱体的两端面分别沿轴向方向加工有一个圆台形凹槽，圆柱体的中部加工有一个与两个圆台形凹槽相通的装配孔，所述装配孔与两个圆台形凹槽同轴设置，装配孔所围成的区域为工作区，圆柱体的侧壁上沿径向开有与装配孔相通的长缝，所述装配孔由大圆台形孔和小圆台形孔构成，所述大圆台形孔的小直径端与小圆台形孔的大直径端重合，且大圆台形孔的大直径端和小圆台形孔的小直径端分别位于装配孔的两端，设定大圆台形孔的母线与水平面之间所成的夹角为α，小圆台形孔的母线与水平面之间所成的夹角为β，大圆台形孔的轴向长度为L1，小圆台形孔的轴向长度为L2，装配孔的轴向长度为L0，则

L0=L1+L2   (2)

所述α角的大小通过公式(3)计算获得；

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left(\frac{0.5~3\mathrm{mm}}{L1}\right)---\left(3\right)$

所述β角的大小通过公式(4)计算获得；

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\frac{r_{\mathrm{gap}}}{2~6\mathrm{mm}}---\left(4\right)$

式中：r_gap为内层管坯5与外层管坯4间的径向间隙。

本发明与现有技术相比较的有益效果是：1）通过β角的设置使得双金属待复合管件的过渡区优先变形，从而能减小该复合管件径向不均匀度，具体实施结果表明该复合管件径向不均匀度减小47%以上；2）通过α角的设置，改变了待复合区的变形模式，优化了覆管（即外层管件）碰撞速度和碰撞角度的匹配，从而提高了该复合管件结合强度和复合率，与常用的感应器结构相比，复合管件的结合强度提高了1.7倍，冶金复合率提高了1.6倍。

附图说明

图1为现有双金属管件磁脉冲成形技术工艺原理示意图；图2为常规的感应器主视结构图；图3为图2的左视图；图4为常规感应器与待加工双金属复合管坯相对位置关系图；图5为双金属复合管件径向不均匀度示意图；图6为图5的A处局部放大图；图7为本发明的分区渐进成形双金属复合管的感应器的主视图；图8为图7的左视图；图9为图8的B处放大图；图10为本发明的分区渐进成形双金属复合管的感应器与待加工的内外层金属管坯相对位置关系图。

具体实施方式

下面结合具体附图说明书本发明的具体实施方式。

具体实施方式一：结合图7～图10说明，本实施方式的一种分区渐进成形双金属复合管的感应器，所述分区渐进成形双金属复合管的感应器的外形为圆柱体13，所述圆柱体13的两端面分别沿轴向方向加工有一个圆台形凹槽10，圆柱体13的中部加工有一个与两个圆台形凹槽10相通的装配孔，所述装配孔与两个圆台形凹槽10同轴设置，装配孔所围成的区域为工作区6，圆柱体13的侧壁上沿径向开有与装配孔相通的长缝14，所述装配孔由大圆台形孔11和小圆台形孔12构成，所述大圆台形孔11的小直径端与小圆台形孔12的大直径端重合，且大圆台形孔11的大直径端和小圆台形孔12的小直径端分别位于装配孔的两端，设定大圆台形孔11的母线与水平面之间所成的夹角为α，小圆台形孔12的母线与水平面之间所成的夹角为β，大圆台形孔11的轴向长度为L1，小圆台形孔12的轴向长度为L2，装配孔的轴向长度为L0，则

L0=L1+L2

(2)

所述α角的大小通过公式(3)计算获得；

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left(\frac{0.5~3\mathrm{mm}}{L1}\right)---\left(3\right)$

所述β角的大小通过公式(4)计算获得；

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\frac{r_{\mathrm{gap}}}{2~6\mathrm{mm}}---\left(4\right)$

式中：r_gap为内层管坯5与外层管坯4间的径向间隙。

具体实施方式二：结合图7说明，本实施方式所述小圆台形孔12的轴向长度L2=2mm～6mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图7说明，本实施方式所述大圆台形孔11与小圆台形孔12的连接处设有大过渡圆角，所述大过渡圆角的曲率半径为R1，R1=20mm，大圆台形孔11与相邻的圆台形凹槽10的连接处以及小圆台形孔12与相邻的圆台形凹槽10连接处分别设有小过渡圆角，所述小过渡圆角的曲率半径为R2，R2=1mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。

β角的设置用于使过渡区7优先变形；α角的设置，使得感应器与外层管坯4的径向间隙从右至左逐渐增大，形成一个从右至左逐渐减小的力场，从而使管坯的变形按从右到左的顺序进行，进而实现碰撞角度和碰撞速度的匹配。大圆台形孔11的轴向长度即为α角区域控制的工作区轴向长度，小圆台形孔12的轴向长度L2即为β角区域控制的工作区轴向长度，L2的取值范围在2～6mm之间。当内层管坯5与外层管坯4径向间隙值较小时，L2在上述取值范围内的上限附近取值，当内层管坯5与外层管坯4径向间隙值较大时，L2在上述取值范围内的下限附近取值。L1与L2的关系应满足公式(2)，装配孔的轴向长度L0即为感应器内壁工作区的轴向长度L0，其数值大小同感应器外壁工作区长度L相关，根据获得最佳电流传递效率的原则确定。感应器的表面光洁度要严格保证。

具体实施方式四：本实施方式所述感应器由高强度、高电导率的金属材料加工而成。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式所述高强度、高电导率的金属材料为锆铬铜合金或铍青铜合金。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式四相同。

实施例1：外层管坯4为3A21铝合金，外径为20mm，壁厚为1mm；内层管坯5为20钢，外径为16mm，壁厚为3mm。图7中，感应器的外壁（工作区）长度L为60mm，装配孔的轴向长度L0为15mm（小圆台形孔12的轴向长度L2为4.3mm），感应器的外壁直径D1为85mm，大圆台形孔11与小圆台形孔12的连接处直径D2为21.5mm，小过渡圆角的曲率半径R2为1mm，通过计算获得α角和β角分别为3°和13°。电磁成形设备的输出端与绕制10匝、截面为5×7mm的紫铜导线的两接线端相连，在设备放电电压10kV，电容量100μF的条件下，获得外包覆铝的20#钢双金属复合管件。与常用的感应器结构相比，所述复合管件径向不均匀度减小47%以上，复合率提高1.6倍。

现有双金属管件磁脉冲成形技术工艺原理（见图1）：

变形管件的几何外形不仅决定了材料变形所需的磁场力大小，同时也会对磁场力的分布造成影响，进而影响撞击角度和撞击速度的匹配。管件所受的电磁力和管坯与感应器之间的磁场的体积成反比，因此，通过感应器工作区区域与工装移动空间布局协调，以获得随形分布的磁场，使磁场空间分布与变形形状吻合，从而主动控制外层管坯与内层管坯的碰撞角度与撞击速度，以实现分区渐进复合过程的协调变形，进而达到提高双金属复合管件分区渐进成形复合率以及提高分区渐进成形的双金属复合管件径向均匀性的目的。

电磁成形机装置1实质为产生冲击大电流的装置，其内部主要是储能元件电容器C和放电开关K。储能元件电容器C和放电开关K经由外线圈2以及设备自身电阻Ri与电感Li形成放电回路。根据电工学中的LRC振荡电路原理，在电容值C、***电感L及***电阻R在满足一定条件下，线圈中将产生冲击大电流I(t)，此即激发脉冲磁场的源电流。

Claims (5)

1.一种分区渐进成形双金属复合管的感应器，所述分区渐进成形双金属复合管的感应器的外形为圆柱体（13），所述圆柱体（13）的两端面分别沿轴向方向加工有一个圆台形凹槽（10），圆柱体（13）的中部加工有一个与两个圆台形凹槽（10）相通的装配孔，所述装配孔与两个圆台形凹槽（10）同轴设置，装配孔所围成的区域为工作区（6），圆柱体（13）的侧壁上沿径向开有与装配孔相通的长缝（14），其特征在于：所述装配孔由大圆台形孔（11）和小圆台形孔（12）构成，所述大圆台形孔（11）的小直径端与小圆台形孔（12）的大直径端重合，且大圆台形孔（11）的大直径端和小圆台形孔（12）的小直径端分别位于装配孔的两端，设定大圆台形孔（11）的母线与水平面之间所成的夹角为α，小圆台形孔（12）的母线与水平面之间所成的夹角为β，大圆台形孔（11）的轴向长度为L1，小圆台形孔（12）的轴向长度为L2，装配孔的轴向长度为L0，则

L0=L1+L2   (2)

所述α角的大小通过公式(3)计算获得；

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left(\frac{0.5~3\mathrm{mm}}{L1}\right)---\left(3\right)$

所述β角的大小通过公式(4)计算获得；

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\frac{r_{\mathrm{gap}}}{2~6\mathrm{mm}}---\left(4\right)$

式中：r_gap为内层管坯5与外层管坯4间的径向间隙。

2.根据权利要求1所述一种分区渐进成形双金属复合管的感应器，其特征在于：所述小圆台形孔（12）的轴向长度L2=2mm～6mm。

3.根据权利要求1所述一种分区渐进成形双金属复合管的感应器，其特征在于：所述大圆台形孔（11）与小圆台形孔（12）的连接处设有大过渡圆角，所述大过渡圆角的曲率半径为R1，R1=20mm，大圆台形孔（11）与相邻的圆台形凹槽（10）的连接处以及小圆台形孔（12）与相邻的圆台形凹槽（10）连接处分别设有小过渡圆角，所述小过渡圆角的曲率半径为R2，R2=1mm。

4.根据权利要求1、2或3所述一种分区渐进成形双金属复合管的感应器，其特征在于：所述感应器由高强度、高电导率的金属材料加工而成。

5.根据权利要求4所述一种分区渐进成形双金属复合管的感应器，其特征在于：所述高强度、高电导率的金属材料为锆铬铜合金或铍青铜合金。

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