本发明属于金属工件电磁成形控制领域，具体涉及一种基于线圈组通电区实时计算和控制的管件成形方法。
背景技术：
1、有关研究表明，在航空航天、汽车领域，轻量化是重要的技术手段。轻量化包括两方面：结构和材料。利用结构实现轻量化是在保证使用工件强度足够的情况下，通过优化结构从而实现减少材料的使用，进而减轻工件重量；利用材料实现轻量化是选用高强度的轻质材料，如镁、铝、钛等低密度的合金，大幅降低工件质量，同时也能通过合金化满足结构的强度要求。然而轻质合金具有质量较轻，厚度较薄的特点，在常温状态时其塑性较差，成形极限低。因此在传统加工时出现工件破裂、表面回弹等问题，传统的成形方式限制了轻质高强材料的工业应用。电磁成形为轻量化金属加工提供了新的技术手段。
2、电磁成形是一种利用磁场力使金属坯料变形的高速率成形方式，利用线圈产生的脉冲强磁场与电流在工件上产生的涡流相互作用从而产生电磁力，驱动工件变形。在电磁成形过程中，通常采用电容器对驱动线圈放电产生一脉冲强电流，同时脉冲强电流产生的变化磁场在位于驱动线圈附近的金属工件中产生感应涡流；在线圈电流和工件涡流之间的脉冲电磁力的作用下，金属工件加速、变形，实现成形加工。对比传统成形方式，电磁成形主要有以下优势：一是提高成形极限，其为高应变速率成形，可提高材料应变率敏感度和应变硬化速率；二是非接触施力，能改善成形过程的应力集中问题，工件成形后表面质量高。
3、现有的电磁成形相关专利主要集中在利用集磁器和改变驱动线圈位置来改变驱动线圈提供正压力，提高工件成形性能。2023年，邵子豪的论文“基于凸形集磁器的管件电磁胀形电磁力及成形性分析[1]”提出利用集磁器提高成形性能，其基本原理是利用集磁器改变磁通分布，从而加强轴向电磁力。此方法解决了磁场管件成形不均匀、壁厚减薄的问题，但是不能实现电磁力的高效利用。同时，集磁器成本更高，能量转化率降低。公开号为cn108080483b的中国发明“一种电磁成形装置及方法”公开了一种电磁成形装置，其中主要装置为成形线圈与压边线圈，成形线圈提供工件胀形力；根据成形状态，改变驱动线圈位置，实现工件的渐进成形。该发明解决了传统电磁成形方法上电磁力方向单一问题，但在成形线圈移动过程中，需要优良的控制装置实现位置控制，对控制装置的反应时间和精度要求非常高，同时渐进成形导致材料硬化，易出现起皱问题。综上，现有技术中缺乏更优的提高管件电磁成形性能的方法和装置。
4、参考文献：
5、[1]邵子豪,吴伟业,汪晨鑫等.基于凸形集磁器的管件电磁胀形电磁力及成形性分析[j].塑性工程学报,2023,30(11):36-44.
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于线圈组通电区实时计算和控制的管件成形方法，旨在解决现有的金属工件成形方法如管件胀形方法得到的管件表面受力不均而影响管件质量的问题。通过采用独立电源控制的单匝线圈构成的线圈组替代传统的整体式线圈组，解决整体式线圈尺寸大，难以绕制以及线圈散热效果差的难题。每匝线圈由不同的开关控制驱动线圈的导通，通过实时控制驱动线圈组的通电区域，使金属管件受与管件表面垂直方向的电磁力作用，提高金属管件表面的平整度即提高金属管件成形质量。
2、本发明的技术方案是基于线圈组通电区实时计算和控制的管件成形方法，包括以下步骤：
3、步骤1：利用压边装置将管件固定；
4、步骤2：根据待成形管件的材料和成形规格，确定驱动线圈组的参数，包括线圈层数与线圈间距，利用有限元分析软件comsol ansys对驱动线圈建模；
5、步骤3：对驱动线圈组的每匝线圈独立供电，每匝线圈经开关与电源连接，t0时刻控制线圈开关使每匝线圈通电，管件在驱动线圈组的电磁场作用下开始变形，t0表示管件成形的初始时刻；
6、步骤4：管件的成形过程中，利用位移检测装置检测t时刻管件水平方向上最大变形量，计算得到t时刻管件与竖直面的夹角即倾角；
7、步骤5：经过驱动线圈组外侧中心线作与管件的第一胀形部平行的第一边界面以及与管件的第二胀形部平行的第二边界面，经过驱动线圈组两端的中心点分别作与管件的第一胀形部、第二胀形部平行的第三边界面、第四边界面；将第一边界面、第二边界面、第三边界面、第四边界面与驱动线圈组两端端面围成的区域作为驱动线圈组的通电区域；在有限元分析软件comsol ansys中构建t时刻的通电区域；
8、步骤6：根据每匝线圈在通电区域内的体积，计算每匝线圈的通电系数，根据通电系数判断确定单匝线圈是否导通，并根据每匝线圈的判断结果控制线圈开关；
9、步骤7：令t＝t+δt，即对时刻t增加一个时间步长，δt表示时间步长，判断t≤tend是否成立？若判断结果为是，则执行步骤4，否则结束。tend表示成形截止时间。
10、进一步地，第一边界面、第二边界面均为圆台形边界面，第三边界面、第四边界面均为圆锥形边界面。
11、优选地，步骤6中，通电系数ci,j的取值为线圈xi,j位于通电区域横截面内的面积与线圈xi,j的截面积之比，ci,j，i＝1,2…m，j＝1,2…n表示第i层第j匝线圈的通电系数，驱动线圈组自顶向下逐层依序编号，自外向内逐匝依序编号，m为驱动线圈组的线圈层数，n为每层线圈匝数；值得注意的是，管件成形呈现水平中心线轴对称分布，则驱动线圈组的线圈层数应该为偶数，即m为偶数。
12、优选地，设定通电系数的阈值t，若
13、ci,j≥t
14、则控制线圈xi,j的开关，使线圈xi,j通电。
15、进一步地，根据线圈间距l的取值确定阈值t。
16、优选地，
17、当0mm≤l＜5mm时，t＝1/2
18、当5mm≤l≤10mm时，t＝2/3。
19、优选地，时间步长δt的取值范围为0-1000μs。
20、优选地，采用电容电源对驱动线圈组的每匝线圈供电，电容电源的放电电压为1-100kv。
21、优选地，所述电容电源的电容大小为2-200μf。
22、一种电磁成形装置，包括驱动线圈组、电容电源、压边装置、位移检测装置和计算机，驱动线圈组包括分层排列的多匝线圈，每匝线圈经单独的空气开关与电容电源连接，位移检测装置与计算机通讯连接，利用位移检测装置检测管件的变形。
23、优选地，所述位移检测装置为激光位移计。
24、优选地，驱动线圈组的线圈层数为偶数。
25、所述驱动线圈组在脉冲电流作用下，将产生脉冲磁场，管件在脉冲磁场下产生涡流，涡流与磁场的相互作用下产生电磁力，从而为管件变形提供条件。本发明提供的线圈在空间剖面图上表现为阵列的形式，当管件变形一定程度之后，驱动线圈组的通电区域将依据管件变形情况产生变化，通电区域不同，产生的脉冲磁场方向不同，在涡流与磁场的相互作用下，仅产生垂直于当前时刻管件管壁表面的电磁力。
26、相比现有技术，本发明的有益效果包括：
27、1)本发明采用离散线圈组成的驱动线圈组，驱动线圈组的每匝线圈经单独的开关与电源连接，通过实时控制驱动线圈组的通电区域，使金属管件仅受与管件表面垂直方向的电磁力作用，提高了金属管件表面的平整度即提高金属管件成形质量。
28、2)本发明采用离散的单独通电控制的单匝线圈构成的线圈组替代传统的整体式线圈组，便于对每匝线圈的通电时间、通电时长、电流大小进行精准控制，也便于提高每匝线圈的散热效果；此外，也增加了驱动线圈组中每匝线圈的检修维护的便利性。
1.一种基于线圈组通电区实时计算和控制的管件成形方法，其特征在于，驱动线圈组的每匝线圈经单独的开关与电源连接，管件成形过程中，根据实时的管件成形位置单独地控制驱动线圈组的每匝线圈的导通状态即实时地调整驱动线圈组的通电区域，使管件处的电磁场方向与管件表面平行，管件受到的电磁力始终与管件表面垂直，提高管件成形效果和质量；
2.根据权利要求1所述的基于线圈组通电区实时计算和控制的管件成形方法，其特征在于，步骤6中，通电系数ci,j的取值为线圈xi,j位于通电区域横截面内的面积与线圈xi,j的截面积之比，ci,j，i＝1,2…m，j＝1,2…n表示第i层第j匝线圈的通电系数，驱动线圈组自顶向下逐层依序编号，自外向内逐匝依序编号，m为驱动线圈组的线圈层数，n为每层线圈匝数。
3.根据权利要求2所述的基于线圈组通电区实时计算和控制的管件成形方法，其特征在于，线圈层数m为偶数。
4.根据权利要求3所述的基于线圈组通电区实时计算和控制的管件成形方法，其特征在于，设定通电系数的阈值t，
5.根据权利要求4所述的基于线圈组通电区实时计算和控制的管件成形方法，其特征在于，根据线圈间距l的取值确定阈值t，
6.根据权利要求5所述的基于线圈组通电区实时计算和控制的管件成形方法，其特征在于，采用电容电源对驱动线圈组的每匝线圈供电，电容电源的放电电压为1-100kv。
7.根据权利要求6所述的基于线圈组通电区实时计算和控制的管件成形方法，其特征在于，所述电容电源的电容大小为2-200μf。
8.根据权利要求2或3或4或5或6或7所述的基于线圈组通电区实时计算和控制的管件成形方法，其特征在于，时间步长δt的取值范围为0-1000μs。
9.根据权利要求8所述的基于线圈组通电区实时计算和控制的管件成形方法，其特征在于，所述位移检测装置为激光位移计。
