شکل‌دهی الکترومغناطیسی

فرایند شکل‌دهی الکترومغناطیسی

شکل‌دهی الکترومغناطیسی (به انگلیسی: Electromagnetic forming) یکی از فرایندهای شکل‌دهی با سرعت بالا است که برای شکل‌دهی، اتصال، جوشکاری و برش فلزات استفاده می‌شود. این فرایند یکی از روش‌های شکل‌دهی غیر تماسی است که در آن با کمک میدان‌های مغناطیسی پالسی و در نتیجه ایجاد نیروی لورنتس می‌توان عمل شکل‌دهی را انجام داد. اگرچه این فرایند بیشتر برای شکل‌دهی مواد با هدایت الکتریکی بالا از جمله مس و آلمینیوم رایج است اما می‌توان با استفاده از درایورهایی با هدایت الکتریکی بالا، مواد با هدایت الکتریکی پایین از جمله فولادها را نیز شکل‌دهی نمود.

اصول شکل‌دهی الکترومغناطیسی

در این روش بسته به نوع هندسه قطعه، ابتدا قطعه‌کار درون، بیرون و یا در مجاورت سیم‌پیچ قرارمی‌گیرد. سپس یک منبع تغذیه که به صورت موازی به یک بانک خازنی متصل است ولتاژ شارژ بالایی را به آن اعمال می‌کند. زمانی که شارژ کامل می‌شود یک کلید مخصوص توان پالسی نظیر ایگنیترون یا شکاف تخلیه انرژی الکتریکی ذخیره شده را از طریق سیم‌پیچ راه اندازی می‌کند. در نتیجه عبور جریان یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان با شدت بالا درون سیم‌پیچ ایجاد می‌شود که یک جریان گردابی را درون قطعه کار هادی جریان القا می‌کند. در اثر القای جریان درون قطعه‌کار یک میدان مغناطیسی دیگر درون قطعه کار حاصل می‌شود. در اثر تقابل دو میدان مغناطیسی تولید شده، یک نیروی دافعه بین سیم‌پیچ و قطعه کار به وجود آمده که باعث تغییرفرم دائمی قطعه‌کار می‌شود. از آنجا که این نیرو به سیم‌پیچ نیز وارد می‌شود، سیم‌پیچ و عایق روی آن باید از مقاومت خوبی برخوردار باشند تا آسیب نبینند.

سیم‌پیچ

طراحی یک سیم‌پیچ مناسب یکی از مهم‌ترین مسائل در سیستم شکل‌دهی الکترومغناطیسی است. از آنجا که سیم‌پیچ یک عنصر اصلی در ایجاد میدان مغناطیسی مناسب در سیستم است (که منجر به فشار مغناطیسی می‌شود)، در طراحی آن، برخورداری از استحکام و توانایی انتقال جریان بالا بسیار مهم می‌باشد. همچنین با توجه به ظرفیت خازنی سیستم، میزان خودالقایی در مقابل مقاومت داخلی آن مهم است. با توجه به این نکته، در سیم‌پیچ‌های مارپیچی با افزایش تعداد حلقه (که باعث افزایش خودالقایی می‌شود) طول سیم‌پیچ زیاد می‌شود که نتیجه آن افزایش مقاومت الکتریکی سیم‌پیچ می‌باشد. علاوه برخواص الکتریکی سیم‌پیچ، طراحی ویژگی‌های هندسی آن نیز مهم است. به‌طور کلی، استفاده ازسیم‌پیچ‌های استوانه‌ای در فرایند متراکم‌سازی و انبساط لوله‌ها بیشتر به کار می‌روند، اما درشکل‌دهی ورق‌های فلزی تخت از سیم‌پیچ‌های تخت مارپیچی استفاده می‌شود.

سیم‌پیچ تک حلقه

ساده‌ترین راه برای ایجاد یک سیم‌پیچ، ماشینکاری یک صفحه هادی جریان است، به این صورت که می‌توان با ایجاد یک سوراخ و یک شکاف سیم‌پیچ ساده‌ای تولید کرد. مواد با هدایت الکتریکی و استحکام تسلیم بالا مانند آلیاژهای آلومینیوم با استحکام بالا، آلیاژهای برلیوم- مس، برنج و مواد مستحکم شده کاندیدهای مناسبی برای ساخت سیم‌پیچ می‌باشند. همچنین از روکش‌های پلی‌آمید می‌توان برای عایق بندی استفاده کرد. سیم‌پیچ‌های تک حلقه می‌تواند فشار زیادی ایجاد کند، اما آن‌ها اغلب به‌دلیل خودالقائی بسیار کمی که دارند، ناکارآمد هستند.

سیم‌پیچ‌های چند حلقه

سیم‌پیچ چندحلقه توسط حلقه پیچ‌کردن یک سیم رسانا ساخته می‌شود. معمولاً از سیم‌های مسی برای ساخت این نوع سیم‌پیچ‌ها استفاده می‌شود. به‌طور معمول، سه نوع سیم‌پیچ تولید می‌شود: سیم‌پیچ استوانه‌ای برای متراکم‌سازی لوله، سیم‌پیچ استوانه‌ای برای انبساط لوله و سیم‌پیچ مارپیچی تخت برای شکل‌دهی ورق‌ها

شکل‌دهنده میدان

به‌طور کلی، بالاترین فشار الکترومغناطیسی را زمانی می‌توان ایجاد کرد که سطح سیم‌پیچ از یک بلوک فلزی یکپارچه با استحکام بالا (و رسانایی بالا) ساخته شده باشند. از این رو، فشارهای زیاد اغلب می‌توانند با سیم‌پیچ‌های تک حلقه ایجاد شوند. برای ایجاد فشار الکترومغناطیسی بالا می‌توان از سیم‌پیچ‌های شامل شکل‌دهنده میدان استفاده کرد همچنین شکل‌دهنده میدان قادر به افزایش و تنظیم خودالقایی سیم‌پیچ نیز می‌باشد. از شکل‌دهنده میدان برای متمرکز کردن شار مغناطیسی و تولید فشار مغناطیسی بر روی منطقه مورد نظر از قطعه‌کار استفاده می‌شود. شکل‌دهنده میدان انرژی تولید شده توسط سیم‌پیچ را به مناطق خاص هدایت می‌کند.