本發(fā)明屬于金屬成形制造
技術(shù)領(lǐng)域：
，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。
背景技術(shù)：
：電磁成形是變化的磁場與金屬材料中感應(yīng)渦流相互作用、產(chǎn)生瞬間電磁沖擊力而導(dǎo)致的一種高速變形，作為一種高能高速率成形技術(shù)，電磁成形在提高鋁合金等輕質(zhì)合金材料成形制造水平、突破一些關(guān)鍵技術(shù)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(chǎn)生的電磁力分布不均勻，制約了它的應(yīng)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(yōu)勢，因此受到了廣泛的關(guān)注。圖1為勻壓力線圈原理圖，在線圈外面有一個凹形導(dǎo)電通道，導(dǎo)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(chǎn)生變化的電流，同時在外面的回路中感應(yīng)出方向相反的感應(yīng)電流。由于工件與導(dǎo)電通道形成了回路，因此工件中的感應(yīng)電流方向、大小相同，所受到的電磁力比較均勻，再加上感應(yīng)電流回路完全環(huán)繞線圈，所以磁場能量損失較小，效率較高。在目前有關(guān)勻壓力線圈的研究中，為了確保足夠的結(jié)構(gòu)強度，使線圈在電磁成形過程中不至于應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(shù)復(fù)雜、切割耗時較長。這些技術(shù)缺陷直接制約了勻壓力線圈的應(yīng)用以及相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種勻壓力電磁成形的裝置，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中線圈的成形效率低的問題。本發(fā)明提供了一種勻壓力電磁成形的裝置，包括：導(dǎo)電通道、線圈和工件；U形導(dǎo)電通道設(shè)置在線圈的上方包圍線圈，工件設(shè)置在線圈的下方，工件與導(dǎo)電通道形成電流回路；線圈包括：導(dǎo)線，環(huán)氧板和加固材料；由環(huán)氧板構(gòu)成的骨架為導(dǎo)線提供支撐；加固材料設(shè)置在導(dǎo)線外側(cè)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(dǎo)電通道中感應(yīng)出了渦流，形成了電流回路，且工件中的感應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)線繞制的方向和垂直于導(dǎo)線繞制的方向進行纏繞加固，實現(xiàn)高強高效勻壓力電磁成形。更進一步地，導(dǎo)線為任意橫截面積(不小于最小橫截面積)的紫銅導(dǎo)線。更進一步地，當導(dǎo)線的厚度小于透入深度時，導(dǎo)線越薄電流密度越大，感應(yīng)產(chǎn)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(dǎo)率，γ為電導(dǎo)率。更進一步地，導(dǎo)線的橫截面積其中，ΔT為銅導(dǎo)線最大溫升，ρ1為銅的電阻率，c為比熱容,ρ2為銅的質(zhì)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(guān)系，t為時間。更進一步地，加固材料沿著導(dǎo)線繞制的方向和垂直于導(dǎo)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)。本發(fā)明提供了一種勻壓力線圈的獲取方法，包括下述步驟：(1)將環(huán)氧板固定在繞線機上，并將銅導(dǎo)線按照預(yù)先設(shè)置的最小匝間距纏繞在環(huán)氧軸心上；(2)采用W19環(huán)氧樹脂，并按照胺的用量(phr)＝胺當量×環(huán)氧值來配置固化劑，將配置好的環(huán)氧樹脂固化劑涂抹在纏繞好的導(dǎo)線上；其中，phr指每100份樹脂所需固化劑的質(zhì)量份數(shù)，胺當量＝胺的相對分子量÷胺中活潑氫的個數(shù)，環(huán)氧值指100g環(huán)氧樹脂中所含環(huán)氧基團的物質(zhì)的量；(3)涂抹完環(huán)氧樹脂后，根據(jù)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(fù)步驟(2)，在加固材料上均勻的涂抹環(huán)氧樹脂，完成一層導(dǎo)線的繞制；(5)重復(fù)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(dǎo)線繞制方向與垂直于導(dǎo)線繞制方向分別在線圈上均勻的纏繞一層。本發(fā)明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(dǎo)線，環(huán)氧板和加固材料；由環(huán)氧板構(gòu)成的骨架為導(dǎo)線提供支撐；加固材料設(shè)置在導(dǎo)線外側(cè)作為外加固層，用于提供足夠的強度。通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用環(huán)氧板作為內(nèi)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(dǎo)線繞制方向和垂直于導(dǎo)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。且在本發(fā)明中，由于單匝導(dǎo)線更薄，最大限度的降低了集膚效應(yīng)的影響，節(jié)省的空間用于繞制的多層線圈具有更高的成形效率。結(jié)構(gòu)更靈活，可以根據(jù)實際需要采用任意橫截面積(不小于最小橫截面積)的銅導(dǎo)線繞制任意匝數(shù)與層數(shù)的線圈。本發(fā)明采用銅導(dǎo)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(guān)系圖；圖3是三種線圈在工件上正中心一點處產(chǎn)生的電磁力大小對比圖；圖4是本發(fā)明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(dǎo)電通道，2為線圈，3為工件，2-1為導(dǎo)線，2-2為環(huán)氧板，2-3為玻璃纖維。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。針對上述問題，本發(fā)明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(xiàn)有技術(shù)中線圈電流密度較小、成形效率較低、線圈加工復(fù)雜以及加工時間較長的技術(shù)問題。本發(fā)明中，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(dǎo)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(dǎo)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(huán)氧板作為內(nèi)支撐來提高線圈整體的強度。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，工件上所受到的電磁力為：其中為工件中的感應(yīng)電流，為線圈在工件處產(chǎn)生的磁場與工件內(nèi)渦流在同一點產(chǎn)生的磁場矢量和。感應(yīng)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(jù)集膚效應(yīng)，電流在銅上的透入深度為：其中，f為電流頻率，μ為磁導(dǎo)率，γ為電導(dǎo)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(nèi)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(dǎo)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(nèi)層導(dǎo)線離工件更遠，降低成形效率；當導(dǎo)線厚度小于透入深度時，導(dǎo)線越薄，電流密度越大，因而感應(yīng)產(chǎn)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(dǎo)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，線圈匝數(shù)均為16匝，匝間距均為0.5mm。3種線圈電感求得如表1所示，在160μF、10kV電源下對線圈放電(線路電阻10mΩ，線路電感5μH)，得到的工件上中心點的電磁力隨時間變化的曲線圖如圖3所示，由圖3可知4mm×1mm的雙層線圈在工件上產(chǎn)生的電磁力最大，4mm×4mm的單層線圈在工件上產(chǎn)生的電磁力最小，因此本文提出的采用薄銅導(dǎo)線繞制的多層線圈成形效率更高。表1不同橫截面線圈電感值4mm×1mm,一層4mm×4mm,一層4mm×1mm,雙層電感(μH)5.013.9817.6然而，薄銅導(dǎo)線并不是越薄越好，考慮到發(fā)熱問題，薄銅導(dǎo)線的溫升不能超過規(guī)定值，因此導(dǎo)線的橫截面積不能低于某一特定值。銅導(dǎo)線的溫度指數(shù)根據(jù)其包含的聚酰亞胺薄膜和粘結(jié)漆的溫度指數(shù)來決定，取其中最低的溫度指數(shù)。根據(jù)方程組(3)：可得導(dǎo)線的截面積的表達式(4)：其中，R為導(dǎo)線電阻，ρ1為電阻率，L為導(dǎo)線長度，A為導(dǎo)線橫截面積，Q為導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量，I為導(dǎo)線內(nèi)電流大小，t為通流時間，ΔT為導(dǎo)線溫升，c為導(dǎo)線材料比熱容，m為導(dǎo)線質(zhì)量，ρ2為導(dǎo)線材料質(zhì)量密度?？紤]到單玻璃絲包聚酰亞胺薄膜繞包扁銅線耐受溫度為155℃，因此在室溫條件下，溫升ΔT≤130℃，其他常數(shù)如銅導(dǎo)線電阻率ρ1＝1.75×10-8Ω·m，，比熱容c＝0.39×103J/(kg·℃),紫銅質(zhì)量密度ρ2＝8.92×103kg/m3。根據(jù)圖2的電流數(shù)據(jù)，對式(4)做定積分，可得：因此，電磁繞組線最小橫截面積為2.62。為實現(xiàn)上述目的，按照上述思想，提供了一種具有高強度的用于電磁成形的勻壓力線圈獲取方法，具體可以通過勻壓力電磁成形的裝置來實現(xiàn)勻壓力線圈的獲取，其中勻壓力電磁成形的裝置包括：導(dǎo)電通道1、線圈2、工件3；導(dǎo)電通道1設(shè)置在線圈2的上方，工件3設(shè)置在線圈2的下方，與導(dǎo)電通道形成電流回路；線圈2由導(dǎo)線2-1，環(huán)氧板2-2，加固材料2-3組成，環(huán)氧板2-2固定在導(dǎo)線內(nèi)層作為支撐，導(dǎo)線可以采用任意截面積(不小于最小橫截面積)的紫銅導(dǎo)線，而不是必須采用銅塊進行切割，加固材料在導(dǎo)線外層作為外加固層，為了對線圈提供足夠的強度，加固材料需分別沿著導(dǎo)線繞制的方向和垂直于導(dǎo)線繞制的方向分別進行纏繞加固。在本發(fā)明實施例中，用于磁體繞制的加固材料可以有多種，具體可以為玻璃纖維或柴龍(zylon)等。在本發(fā)明實施例中，多層多匝勻壓力線圈獲取方法具體包括如下步驟：(1)將環(huán)氧板固定在繞線機上，由于匝間距越小，工件上的受力越均勻，再加上銅導(dǎo)線外層的漆包線厚度為0.25mm，因此將銅導(dǎo)線按照0.5mm的最小匝間距纏繞在環(huán)氧軸心上；(2)選用用于緊固線圈的W19環(huán)氧樹脂，按照胺的用量(phr)＝胺當量×環(huán)氧值配置固化劑(W19環(huán)氧樹脂及其固化劑配比如表2所示)，其中phr指每100份樹脂所需固化劑的質(zhì)量份數(shù)，胺當量＝胺的相對分子量÷胺中活潑氫的個數(shù)，環(huán)氧值指100g環(huán)氧樹脂中所含環(huán)氧基團的物質(zhì)的量。隨后將配置好的環(huán)氧樹脂均勻的涂抹在纏繞好的導(dǎo)線上；(3)涂抹完環(huán)氧樹脂后，根據(jù)仿真時線圈所受最大強度選擇加固材料，常用加固材料及其強度如表3所示。隨后將加固材料沿著導(dǎo)線繞制方向與垂直于導(dǎo)線繞制方向分別在線圈上均勻的纏繞一層；(4)重復(fù)步驟(2)，在加固材料上均勻的涂抹環(huán)氧樹脂，完成一層導(dǎo)線的繞制；(5)重復(fù)步驟(1)-(4)，完成多層多匝勻壓力線圈的繞制。表2W19環(huán)氧樹脂及其固化劑配比表3用于線圈加固的加固材料S-2玻璃纖維柴龍(Zylon)抗拉強度(GPa)4.95.8彈性模量(GPa)87280延展率(％)42.5總體而言，本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，有如下優(yōu)點：(1)線圈強度更高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采用環(huán)氧板作為內(nèi)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(dǎo)線繞制方向和垂直于導(dǎo)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。(2)線圈成形效率更高。由于單匝導(dǎo)線更薄，最大限度的降低了集膚效應(yīng)的影響，節(jié)省的空間用于繞制的多層線圈具有更高的成形效率。結(jié)構(gòu)更靈活。可以根據(jù)實際需要采用任意橫截面積(不小于最小橫截面積)的銅導(dǎo)線繞制任意匝數(shù)與層數(shù)的線圈。(3)線圈加工簡單。相比于采用銅塊進行線切割，采用銅導(dǎo)線繞制線圈的方式更加簡單，高效。為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合圖4及具體實施例進一步詳細說明如下：如圖4所示，為本發(fā)明實施例提供的一種雙層勻壓力線圈橫截面示意圖，其中導(dǎo)線2-1為銅導(dǎo)線，加固材料2-3為玻璃纖維，圖中由環(huán)氧板2-2構(gòu)成的骨架為導(dǎo)線提供支撐。以該雙層勻壓力線圈為例，線圈具體繞制過程如下：步驟一：將環(huán)氧板固定在繞線機上，將銅導(dǎo)線按照設(shè)定好的匝間距纏繞在環(huán)氧軸心上。步驟二：選用W19環(huán)氧樹脂，按表2中比例要求配好固化劑，若固化劑太少，則環(huán)氧樹脂無法固化，隨后纏繞的玻璃纖維無法緊固在線圈上，使線圈強度降低；若固化劑太多，則在繞制線圈的過程中環(huán)氧樹脂便已固化，影響線圈的制作過程。將配好固化劑的環(huán)氧樹脂均勻地涂抹在纏繞好的導(dǎo)線上，由于環(huán)氧樹脂分子鏈中固有的極性羥基和醚鍵的存在，使其對各種物質(zhì)具有很高的粘附力，再加上固化時環(huán)氧樹脂的收縮性低，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小，這也有助于提高粘附強度；此外，在環(huán)氧樹脂固化之前，由于環(huán)氧/固化劑體系存在大量帶有極性或強極性官能基的低分子化合物，此時它們的電氣性能都很差，隨著固化反應(yīng)的進行，活性基團大量消耗，分子量逐漸增大，以至三度交聯(lián)網(wǎng)逐漸形成，在這個過程中，它們的電絕緣能力得到了極大的提高。因此固化之后的環(huán)氧樹脂粘附性強并且介電性能良好，能夠很好地固定住線圈導(dǎo)線并提供足夠的絕緣強度。步驟三：涂抹完環(huán)氧樹脂后，再沿著導(dǎo)線繞制方向和垂直于導(dǎo)線繞制方向上均勻纏繞一層玻璃纖維，使玻璃纖維能夠均勻地在各個方向上為線圈提供機械強度并保證線圈表面平整。步驟四：交替重復(fù)步驟二與步驟三若干次，次數(shù)根據(jù)具體實驗中線圈所需承受的最大電磁力決定。若次數(shù)太少，會導(dǎo)致強度不夠線圈脹裂；若次數(shù)太多，則由于玻璃纖維層過厚使得線圈導(dǎo)線與工件間距離過遠而降低成形效率；5-8次，以提供足夠的機械強度。步驟五：在玻璃纖維上均勻的涂抹環(huán)氧樹脂，保證玻璃纖維完全粘附在導(dǎo)線上。到此一層導(dǎo)線便繞制完成。步驟六：重復(fù)步驟一至五，完成第二層導(dǎo)線的繞制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3