Effect of Various Field Shapers on Magnetic Pressure in Electromagnetic Inward Tube Forming

In this paper,the influence of various field shapers and their shapes on the distribution of the magnetic flux densities and applied forces on the work-piece in the electromagnetic inward tube forming are studied numerically using the FEA software MAXWELL.First the model was verified with experimental results and thereafter four kinds of field shapers(conical,cylindrical,concave and convex)were considered.Effects of their geometries,such as air gap between field shaper and tube work-piece,height of the step in single and multiple stepped field shaper on magnetic flux densities and magnetic pressures were studied.The results of this research can be applied to design field shaper,tube compression technology,and improve the efficiency of the coil.It is seen that magnetic force decreases if height of step in convex field shaper increases but effective forming region enlarges.Decreasing air gap has also a positive influence on magnetic field increase.Though the object of this research is limited to field shaper for inward tube forming,the results can also be applied to the field shaper for tube bulging.

集磁器内壁轮廓形状对磁脉冲辅助半固态钎焊接头连接质量的影响

针对磁脉冲辅助半固态钎焊工艺中使用等内径集磁器连接铜、铝管件时存在的界面氧化膜去除效果不均、扩散层深度差异较大等问题,通过数值模拟方法分析了集磁器内壁轮廓形状及其结构参数对界面冲击应力及钎料剪切流变速率的影响。为实现连接区域内界面冲击及轴向剪切流变沿轴向分布的均匀性,对集磁器形状结构参数进行了优化,并针对性地制造了相应的集磁器,在特定的工艺参数下进行了系列钎焊实验。结果表明,相较于常规等内径集磁器,优化后的集磁器能够更好地去除母材表面氧化膜,促进界面扩散反应并减少连接缺陷,扩散层厚度增加且分布更为均匀,接头性能得到有效提升。

平板集磁器结构对涡流分布与集磁效果的影响规律

电磁脉冲焊接技术在异种金属连接领域展现出广阔的应用前景,集磁器是电磁脉冲焊接系统中的重要组件,可以增强焊接区域局部磁场,改善电磁力分布,提高电磁能量利用率。该文以与多匝线圈配合使用的平板集磁器为研究对象,探究平板集磁器结构与集磁效果的对应关系,分析集磁器缝隙面夹角α对涡流分布的影响规律,提出漏电流和有效电流,并基于电路-磁场耦合的仿真模型计算集磁器的电流幅值及其有效电流比例,采用不同结构特征(锐角、直角和钝角)的集磁器开展铜板与铝板的电磁脉冲焊接实验。结果表明:集磁器缝隙面涡流流向存在分叉现象,根据电流作用于焊接与否,可将其分为有效电流和漏电流两部分,集磁器的上孔直径通过影响有效电流比例改变集磁效果。随着上孔直径增大,集磁器感应产生的总电流降低,但集磁器缝隙面夹角α同时也下降,有效电流比例会提高,所以集磁效果先升后降;当α为锐角时,有利于提高集磁效果,且当α为45°时,集磁效果最佳。相同电压下,采用锐角集磁器所获得的焊接样品抗拉强度最高,直角集磁器次之,钝角集磁器最低。该文可为电磁脉冲焊接系统中集磁器的设计提供实验依据和科学支撑。

集磁器对电磁成形驱动线圈发热影响及机理

在电磁成形的过程中,驱动线圈的发热是影响线圈使用寿命和放电频次的关键因素;集磁器作为一种常用的电磁成形辅助工具,目前被广泛用于改善电磁场的分布,提高工件的成形质量。然而,集磁器的引入也会影响等效电路中的等效电感参数,从而改变线圈中的电流,进而影响线圈的发热。故该文提出使用集磁器作为降低管件电磁胀形中驱动线圈发热的措施;通过理论分析和仿真模拟分析了有/无集磁器的两种方案中线圈的发热和管件的成形效果变化,以及集磁器上的温度变化。结果表明,在内径49.6mm、外径68mm、4×10匝的线圈胀形过程中,通过引入集磁器辅助,在放电电压为10.5kV时,线圈上的焦耳热减少了12.32%,最高温度降低了3.42℃,工件的最大成形深度提升至约为原来的2.76倍;进一步的分析则表明,集磁器的引入降低了等效电路中的电感和电压,使得线圈电流具有更陡的下降沿,衰减速度变快的同时减小了电流峰值,从而让线圈的热量损耗更小。该方法成本较低,容易实现,且对于线圈发热问题具有明显的优化效果,对提高电磁成驱动线圈的使用寿命和放电频次具有重要意义。

电磁缩径中集磁器参数和铝合金管件参数对变形的影响

管件电磁缩径是高端智能制造的一个新方向,缩径成形质量好坏主要与集磁器线圈参数、管件自身参数和放电能量大小有关,研究集磁器和管件工艺参数对电磁力和成形性能的影响尤为重要。针对3003和6063铝合金管件,本文结合实验研究和数值仿真方法,讨论了集磁器结构和管件参数等对电磁力的影响,研究了放电电压、管件金属材料类型、管件长度对最终管件成形的影响规律,并探究了影响管件成形均匀性的原因,可为合理制定管件电磁成形工艺方案提供一定技术参考。研究结果表明:集磁器内斜面角度变化对磁场力有明显影响,且角度为40°比较合理;3003铝合金管成形性较好,最大缩径率31.2%,塑性变形影响区域长度7.0 mm~15.5 mm,在5000 V~6000 V放电电压时成形均匀度φ≦18%,但是放电电压达到6500 V时出现失稳现象;6063铝合金管强度较高,最大缩径率16.2%,塑性变形影响区域长度5.3 mm~9.4 mm,管件变形均匀φ<14%。

胀形用集磁器的实验研究

实验研究了工件在不同材料、不同内外径比的集磁器作用下的胀形效果 ,分析了工件在不同内外径比的铁磁材料、非铁磁材料集磁器成形效果不同的原因 .对集磁器材料的选择及确定集磁器的最佳内外径比进行了有益的探索 .

板料电磁成形集磁器工作原理的模拟

文章采用有限元软件ANSYS 2D和ANSYS 3D模拟技术,研究电磁成形集磁器的工作原理。采用ANSYS2D模拟算法,研究集磁器的相对直径、厚度、中心圆孔半径等结构参数对被成形板料上电磁力分布和强度的影响,并提出提高集磁器效率和改善板料成形效果的途径;采用ANSYS 3D模拟算法,分析集磁器机理,并对ANSYS2D与ANSYS 3D的模拟分析结果进行比较,认为在保证准确度的前提下,采用ANSYS 2D模拟分析效率更高。

铝合金-碳钢管的磁脉冲变形连接(英文)

采用带集磁器线圈装置对3A21铝合金20钢管件进行磁脉冲连接,并对连接接头的力学性能和微观结构进行测试和观察。结果表明,在电压为15kV、径向间隙为1.2~1.4mm和搭接区锥角为3°~7°的条件下可获得冶金连接接头。连接接头由宽度不均匀的过渡区、两母材及其与母材连接的界面构成。连接界面呈微波状形貌,过渡区发生基体元素Fe和Al的互扩散。过渡区由FeAl金属间化合物构成,并存在微裂纹和微孔洞等缺陷;其显微硬度明显高于邻近母材的显微硬度。

线圈及集磁器结构对陶瓷粉末电磁压制的影响

以TiO2陶瓷粉末为研究对象,采用间接加工方式对其进行低电压电磁压制成形,在成功压制出高密度制品的基础上,分析成形线圈及集磁器结构对粉末压实密度、制品密度和制品微观组织的影响。研究结果表明:其他放电参数不变的条件下,当放电线圈的匝数增加时,毛坯的密度增加,烧结后制品密度也增加,同时制品孔隙较少,晶粒尺寸分布较为均匀;集磁器锥度为45°时,压制密度及制品密度最高。

磁脉冲焊接集磁器开口对焊接接头的影响机理

采用磁脉冲焊接对3003铝合金管与1Cr18Ni9Ti不锈钢棒进行了焊接,研究了集磁器开口间隙对磁脉冲焊接接头连接效果的影响规律,并通过空管变形实验对焊接结果进行了进一步分析.实验结果表明,集磁器开口间隙减弱了其附近位置外管所受的磁场力,导致在焊接过程中开口间隙附近外管的变形速度小于其他位置,引起外管向内棒冲击时产生周向冲击角度,从而使集磁器开口间隙附近接头出现了轴向连接,反而有利于管棒连接.不同冲击间隙下均有其所对应的最优放电电压范围,在受到集磁器开口间隙的影响下,电压过大会导致接头开裂.

非对称集磁器在铝与玻璃钢磁脉冲连接中的应用

通过理论分析和数值模拟结合的方法分析了不同结构和几何尺寸的非对称集磁器对磁脉冲连接过程的影响。针对特定的铝-玻璃钢零件设计了专用的非对称集磁器,在理论分析的基础上通过数值模拟软件对集磁器在不同结构和几何尺寸下进行数值模拟,得出集磁器的电流密度和磁感应强度的分布情况,并在此基础上优化了结构参数,最终确定了集磁器几何参数;加工出非对称集磁器在磁脉冲焊接设备上对铝-玻璃钢的连接进行了试验,获得了符合气密性和剥离强度的接头并确定了铝-玻璃钢连接的工艺参数。

磁脉冲焊接外管周向变形研究

采用Ansoft Maxwell电磁仿真软件模拟了磁脉冲焊接中外管表面磁感应强度分布,研究了外管周向磁感应强度分布。通过空管变形实验研究了放电电压对外管变形的影响,并以此来验证仿真结果。结果表明:集磁器开口间隙减弱了其附近位置外管上的磁感应强度,并且随着电压的增大,这种不均匀性加剧。空管变形实验表明,外管在集磁器开口间隙附近变形量比周向其它位置小,随着电压的增大,这种变形差异逐渐增大。

基于磁场变换器的双向加载式管件电磁翻边成形效果研究

目的针对传统管件电磁翻边时,仅采用径向电磁力加载,翻边效果不够理想的问题,提出基于磁场变换器的双向加载式管件电磁翻边技术。方法使用COMSOL软件构造二维轴对称分析模型,分析线圈参数的改变对径向、轴向电磁力和管件翻边效果的影响。在此基础上,进一步在电磁力、变形速率、管件变形轮廓3个方面将新型加载方式与传统管件电磁翻边技术进行对比。结果在传统管件电磁翻边中,管件翻边角度只能达到45°,而径、轴向电磁力的双向加载方式使最大翻边角度增加至90°。结论这一新型加载方式能够实现预期效果,促进管件电磁翻边在工业领域的发展。

基于双集磁器结构的管件电磁胀形研究

针对管件端部效应导致轴向变形不均匀,制约管件电磁胀形技术发展的问题,首次提出一种基于双集磁器结构的管件电磁胀形方法。首先通过采用双集磁器结构实现对管件电磁力分布的调控,然后建立管件电磁胀形电磁-结构二维轴对称模型,最后研究分析集磁器结构对电磁力分布和管件成形均匀性的影响。仿真结果表明,基于双集磁器结构的管件电磁胀形可为管件提供"凹型"分布的径向电磁力,与传统线圈相比采用双集磁器结构时所提供的算例能够显著增大管件胀形的均匀范围,从而有效解决管件轴向变形不均匀的问题。

基于集磁器的电磁冲裁工艺的设计与模拟

基于LS-DYNA R8.0有限元软件,建立了航天领域中运载火箭用膜片的基于集磁器的电磁冲裁成形工艺有限元模型,揭示了集磁器作用下电流、磁场、磁场力和板料应力状态等的变化规律,并优化了放电电压和坯料直径等工艺参数。结果表明:集磁器的应用使得断面质量得到优化,强化剪切变形;基于集磁器的电磁冲裁工艺中,板料呈撕裂式断裂模式;随放电电压增大,板料的变形剧烈程度增大,断口圆角带减小,落料件直径呈先减小后增大趋势;随坯料直径增大,板料的变形剧烈程度先增大后减小,断口圆角呈先减小后增大趋势,落料件直径呈先增大后减小趋势;放电电压和坯料直径优化值分别为12 kV和130 mm。

集磁器结构对磁脉冲辅助半固态钎焊接头组织和性能的影响

采用电磁-结构-流场耦合的多物理场耦合模拟方法,对比分析了等内径和带锥角两种集磁器条件下Cu/Al管的磁脉冲辅助半固态钎焊过程,考察了外管的变形行为和半固态钎料的剪切流变行为.结果表明,采用等内径集磁器时,钎料所受的剪切应力和相应的剪切流变速率在端部最高,底部次之,中部最弱,导致搭接区域内去膜效果存在差异,甚至影响界面冶金结合;而带锥角集磁器能更为合理地满足无钎剂钎焊对外管变形与钎料剪切流变的协调性需求,有效改善钎料流变行为,使剪切应力、剪切流变速率及去膜效果在整个搭接区域相对均匀,有利于提高界面连接质量.基于分析结果设计制造了改进的集磁器,进行了钎焊试验及相关测试分析.结果表明,相较于等内径集磁器,带锥角集磁器能有效改善Cu/Al接头的界面连接质量,细化搭接区域中部纤缝组织,并最终提高钎焊接头的抗剪强度.

带集磁器结构的板料电磁翻边成形

为了提高小孔翻边效率,提出了带集磁器的电磁翻边成形方法。采用ANSYS软件建立了多物理场耦合有限元模型,分析了集磁器结构对板料磁场力分布和板料翻边变形均匀性的影响规律。研究发现:传统单缝集磁器的缝隙所对应板料电磁力小,最终缝隙对应的板料变形量小,板料整体变形均匀性差。当采用4缝集磁器时,多缝隙使板料电磁力分布均匀性提高。采用有限元软件优化设计了4缝集磁器的短缝尺寸。加工了4缝集磁器结构,并进行了磁脉冲成形实验。模拟结果表明,单缝集磁器板料最大贴模间隙为2.65 mm,而4缝隙的最大贴模间隙为0.22 mm。模拟结果与实验结果的相对误差小于4%。

基于集磁器的铝合金管件的电磁缩径研究

基于电磁缩径理论,针对螺旋槽集磁器参数、电压与3003铝合金最大减径量之间的关系进行研究,利用松散耦合法对铝合金管件缩径变形进行仿真,研究了放电电压、集磁器螺旋槽数和集磁器锥度对管件最大减径量的影响。结果表明:随放电电压的提高,电容储能增加,管件的最大减径量也增大;螺旋槽数和放电电感有关,进而影响磁压力和放电周期,恰当的选取集磁器螺旋槽数可以使管件径向变形量达到最大。锥度对涡流损耗有较大影响,集磁器锥度越大,涡流损耗越大,管件径向变形量越小。对铝合金管件进行缩颈试验,实际成形效果与模拟结果较为吻合。

带冷却磁脉冲成形用线圈的研究

对带冷却磁脉冲成形用线圈进行了研究,解决线圈持续工作时过热损坏的难题。研究采用理论分析和试验研究相结合,分析了线圈生热与放热原理,给出了线圈冷却系统模型,计算并验证了冷却系统各项参数。研究结果表明:所设计的两种冷却系统均可以满足工业化要求,且空心截面匝线线圈冷却系统的冷却效果要优于实心截面匝线线圈的冷却效果。

金属管件电磁脉冲连接特性研究

采用了带有集磁器结构的电磁脉冲装置对铝合金管与钢管的连接成形进行研究。采用数值模拟和实验相结合的方法探索了集磁器所开缝隙及其宽度对于磁场力分布的影响。对接头处外管均匀性和连接强度的研究结果表明:放电电压越大,接头处外管均匀性越好、连接强度越大;两连接管间间隙越大,接头处外管均匀性越差、连接强度先变大后变小。并应用整体均匀性判据方法获得了既满足均匀性要求又能达到一定连接强度的合理管件间间隙为1.5 mm。