CN103173596B - 一种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形装置。所述装置主要包括小球垫模、柔性垫层、电磁线圈、电磁脉冲动力源和控制系统。所述的小球垫模上铺设柔性垫层，柔性垫层上铺设蒙皮壁板类毛坯，电磁线圈通过导线连接电磁脉冲动力源。所述的控制系统连接电磁脉冲动力源和小球垫模与电磁线圈的驱动装置。本发明在电磁线圈产生的脉冲磁场力及小球垫模的支撑力双重作用下，使蒙皮壁板类毛坯的上下表面均得到一定深度的压应力层，起到强化蒙皮壁板，提高疲劳寿命的作用。采用本装置进行蒙皮壁板类零件的加工时，蒙皮壁板类毛坯的热处理状态可直接选用使用态的，从而减少或消除传统加工工艺中的预处理、中间热处理或最终热处理等环节。

Description

一种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形装置

技术领域

本发明属于机械成型技术领域，涉及板材强化和成形，具体地说，是指一种针对蒙皮壁板类构件的采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形装置。

背景技术

目前国内的蒙皮壁板构件的强化主要采用喷丸强化技术；蒙皮壁板构件的成形主要采用拉形、喷丸成形、时效成形技术。

一方面，这些成形技术强烈地依赖工艺装备。由于装备加工能力限制，特别是对一些大型构件，不得不分解成小型构件分别成形后连接在一起，极大地降低了构件的整体性能；或者采用大型装备，这又给装备制造业提出了极大的挑战。另一方面，这类成形技术在坯料和模具之间存在强烈的摩擦和材料变形的不均匀性，不仅降低了材料的变形极限，而且残余应力大，影响构件的服役性能，对难成形的轻合金材料尤为突出。因此，研究蒙皮壁板类构件的强化和成形新技术一直以来备受人们关注。

美国授权公告号为US005813265A专利，发明名称为：Balanced Electromagnetic Peening。该专利涉及一种电磁喷丸装置，该装置包含两个电磁线圈。使用时，将两个线圈分开固定在工件相反的两个表面上，通过电源给线圈提供能量产生电磁力，电磁力使工件表面产生一定的塑性变形，从而影响工件表面的压应力层而达到强化工件表面的效果，但是该方法不适用于蒙皮壁板类构件。

美国授权公告号为US007378622B2专利，发明名称为：System and Method forElectromagnetic Pulse Surface Treatment。该专利涉及一种在电磁脉冲作用下对工件表面进行处理的系统及方法，设计目的主要针对工件表面的强化要求，克服喷丸强化的缺点，并从有限元分析的角度说明其发明实施的可行性，但没有实际应用的说明，此外，也并非针对蒙皮壁板类构件的强化和成形。

蒙皮壁板类构件的先进制造技术对促进航空航天运载器技术的发展有着重大的支撑作用，因此，蒙皮壁板类构件的先进制造技术备受航空航天业的重视，专家们一直致力于探索如何改进现有大型蒙皮成形技术的不足或提出新的工艺方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形的装置，适用于蒙皮壁板类构件，应用所述装置进行强化和成形，具有操作简单、易于控制、方便快捷等特点，能够克服现有成形方法的不足。

本发明提供一种小球垫模电磁脉冲强化和成形的装置，该装置可以将电磁脉冲成形及喷丸成形相结合，针对蒙皮壁板类零件的强化和成形进行设计。所述装置主要包括小球垫模、柔性垫层、电磁线圈、电磁脉冲动力源和控制系统。所述的小球垫模上铺设柔性垫层，柔性垫层上铺设蒙皮壁板类毛坯，在蒙皮壁板类毛坯上方设置电磁线圈，所述的电磁线圈通过导线连接电磁脉冲动力源。所述的控制系统包括电路控制和机械控制两部分，其中电路控制部分连接电磁脉冲动力源，机械部分连接小球垫模和电磁线圈的驱动装置。

所述的小球垫模通过金属小球铺设于模具型腔的底部形成。

所述控制系统的机械部分包括调节蒙皮壁板类毛坯位置的横向丝杠A和纵向丝杠A，蒙皮壁板类毛坯由夹持机构固定边缘，纵向丝杠A和横向丝杠A相互垂直，驱动夹持机构在工作台平面上的运动。

所述机械部分还包括调节电磁线圈位置的横向丝杠B和纵向丝杠B，电磁线圈固定在线圈支架上，横向丝杠B和纵向丝杠B相互垂直，并驱动线圈支架运动，实现电磁线圈相对于蒙皮壁板类毛坯的位置调整。

本发明提供一种针对蒙皮壁板类构件的强化和成形装置，与现有强化和成形工艺相比，主要有益效果如下：

(1)在电磁线圈产生的脉冲磁场力及小球垫模的支撑力双重作用下，使蒙皮壁板类毛坯的上下表面均得到一定深度的压应力层，起到强化蒙皮，提高疲劳寿命的作用。

(2)与电磁线圈相对的蒙皮壁板类毛坯表面在成形过程中无机械接触；与小球垫模相对的蒙皮壁板类毛坯表面，由于小球垫模上的橡胶垫层的缓冲作用减小蒙皮壁板类毛坯表面的局部机械摩擦，从而使蒙皮壁板类毛坯具有良好的表面质量不会降低疲劳寿命。

(3)可以简化工艺。施加在蒙皮壁板类毛坯上的脉冲磁场力使蒙皮壁板类毛坯获得很大的加速度，具有很高的惯性力，有助于分散蒙皮壁板类毛坯变形、抑制变形集中化。因此采用本装置进行蒙皮壁板类零件的加工时，蒙皮壁板类毛坯的热处理状态可直接选用使用态的，从而减少或消除传统加工工艺中的预处理、中间热处理或最终热处理等环节。

(4)本发明采用的小球垫模结构简单、通用性强。

(5)相比仅采用电磁脉冲磁场力进行蒙皮壁板类构件的强化和成形，本装置所采用的电磁脉冲设备的能量较小，从而降低成本、节约能源，同时电磁线圈的寿命也会得到提高；相比使用传统喷丸强化和成形蒙皮类零件的装置，本发明不需要大型的、昂贵的数控喷丸成形设备，而且工作环境也得到改善。

(6)蒙皮壁板类毛坯与电磁线圈及小球垫模的相对位置易于调整，方便获得不同曲率要求的蒙皮壁板类工件。

附图说明

图1是本发明提供的采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形方法的实现装置的整体结构示意图；

图2是本发明提供的实现装置中小球垫模的结构示意图；

图3是本发明提供的采用小球垫模电磁脉冲强化和成形方法流程图。

图4是利用本发明方法得到的试验件结构示意图；

图5是用于蒙皮壁板类毛坯与小球垫模相对位置调整的机构示意简图；

图6是用于电磁线圈与蒙皮壁板类毛坯相对位置调整的机构示意简图；

图7是采用本发明提供的方法得到的试验件的测量数据进行拟合得到的曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

电磁脉冲成形是利用磁场力使金属坯料变形的高速率成形方法。电磁脉冲成形时，金属坯料放置于电磁线圈和模具之间。电磁线圈连接一储能电容器组，储能电容器组由充电回路充电，然后通过放电回路对电磁线圈放电，电磁线圈产生脉冲磁场，脉冲磁场在金属坯料上产生感应电流，感应电流又产生相应的感应磁场。放电瞬间，金属坯料上感应电流产生的感应磁场和电磁线圈产生的脉冲磁场相互作用，使金属坯料受到背离电磁线圈的磁场力而成形所需工件。

喷丸成形是利用高速的球形弹丸喷射工件表面层，使受撞击的表面及下层金属材料产生应力层。使板料逐步发生向受喷表面凸起的弯曲变形而得到所需的外形。受喷表面的残余压应力层起到强化效果，提高工件的疲劳寿命，也就是喷丸强化。对大型蒙皮喷丸成形的应用主要存在两个方面的困难，一是设备问题，即需要大型的数控喷丸设备；二是工艺问题，即影响喷丸强化和成形的工艺参数较多，因此很大程度上要依赖于技术人员的经验和工艺试验确定工艺参数。此外，进行喷丸强化和成形的工作环境相对较差。

脉冲电磁力无需通过传力介质施加于板料，这极大降低了成形过程的摩擦效应和不均匀变形。相对于传统的准静态成形方法，电磁脉冲成形时材料应变率高（10³-10⁵/s），可以提高材料的塑性变形能力和变形均匀性，有利于减少零件回弹，提高零件成形精度。此外，脉冲电磁力可无级调整，并可根据零件金属流动特点在空间上施加有利于变形的脉冲电磁力，以利于复杂、难变形材料的成形。但目前电磁成形设备能量不够大，能量利用率只有10-20%，最高不超过40%，因此单纯利用电磁脉冲加工大型蒙皮壁板类难变形金属零件还存在一定的困难。本发明将电磁脉冲成形和喷丸成形相结合，提供一种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形装置。

如图1所示，所述的装置主要包括小球垫模2、柔性垫层3、电磁线圈4和电磁脉冲动力源5。所述小球垫模2为蒙皮壁板类毛坯1提供支撑和形成微型凹模型腔，通过金属小球201紧密铺设于模具型腔的底部中形成，小球垫模2的主体部分为相邻球状突起形成的支撑结构，如图2，模具型腔底部具有小孔，小孔内安装金属小球201，小孔直径小于金属小球201直径。在电磁线圈4产生的脉冲强磁场力作用下，在蒙皮壁板类毛坯1受脉冲磁场力运动时金属小球201对蒙皮壁板类毛坯1起到局部挤压作用，由于作用面积小，产生的压应力比较大，同时利用各金属小球201所形成的微型凹模型腔作用，使蒙皮壁板类毛坯1发生弹、塑性变形，从而使蒙皮壁板类毛坯1得到强化和产生变形。

在所述小球垫模2上铺设柔性垫层3，柔性垫层3上铺设需要加工的蒙皮壁板类毛坯1，在蒙皮壁板类毛坯1上设置电磁线圈4，电磁线圈4通过导线连接到电磁脉冲动力源5，利用电磁脉冲动力源5提供的脉冲强电流产生脉冲强磁场，在蒙皮壁板类毛坯1表面上产生脉冲磁场力。

所述的柔性垫层3可采用橡胶层构成，放置于小球垫模2上，用于直接接触并支撑蒙皮壁板类毛坯1。蒙皮壁板类毛坯1受瞬间脉冲强磁场力作用而发生变形时，由于柔性垫层3的缓冲作用，避免蒙皮壁板类毛坯1上形成剧烈的形貌变化，而改善蒙皮壁板类毛坯1的表面质量。所述的柔性垫层3的厚度可根据有限元分析和实验的结果进行优化选择，如本例中选择柔性垫层3厚度为1.5mm。

所述的电磁脉冲动力源5包括储能电容器组501和高压电源502，为电磁线圈4提供脉冲强电流；如图1所示，所述的电磁线圈4与高压电源502之间导线连接储能电容器组501，并且还在储能电容器组501和电磁线圈4中间设置有一个开关6，用于对电磁线圈4进行电压操作控制。

所述的控制系统7包括电路控制和机械控制两部分。其中电路控制部分用于控制电磁脉冲动力源5的充、放电电压参数，与储能电容器组501和高压电源502连接。机械控制部分用于蒙皮壁板类毛坯1与小球垫模2的相对位置调整，以及电磁线圈4与蒙皮壁板类毛坯1相对位置的调整。如图5，蒙皮壁板类毛坯1由夹持机构101固定边缘，采用纵向丝杠A8驱动蒙皮壁板类毛坯1的夹持机构101相对工作台（小球垫模）纵向运动，调节蒙皮壁板类毛坯1相对与小球垫模2之间的纵向相对位置；采用横向丝杠A9驱动蒙皮壁板类毛坯1的夹持机构101带动蒙皮壁板类毛坯1相对工作台横向运动，调节蒙皮壁板类毛坯1相对于小球垫模2之间的横向相对位置。横向丝杠A9和纵向丝杠A8的运动复合实现蒙皮壁板类毛坯1相对于小球垫模2在水平面内位置的调整。如图6，电磁线圈4由另外一组横向丝杠B401和纵向丝杠B402驱动，实现电磁线圈4相对蒙皮壁板类毛坯1的位置的调整，所述的横向丝杠A9、横向丝杠B401、纵向丝杠A8和纵向丝杠B402的位移均由控制系统控制。电磁线圈4固定在线圈支架403上，横向丝杠B401和纵向丝杠B402分别相互垂直并连接在线圈支架403上，由控制系统驱动横向丝杠B401和纵向丝杠B402的运动实现电磁线圈4相对于蒙皮壁板类毛坯1的位置调整。

根据上述的装置，进行蒙皮壁板类毛坯的强化和成形，具体工艺流程如图3所示，具体方法如下：

（1）根据工件蒙皮壁板类毛坯要求，确定蒙皮壁板类毛坯1形状及尺寸、选择小球垫模2上小球201（球形弹丸）及橡胶垫层3、设计电磁线圈4击打路径及充放电参数（放电电压，电磁线圈4形状及尺寸，橡胶垫层3的类型和厚度，小球垫模2上小球201的直径，小球垫模2的尺寸）。

（2）按照蒙皮壁板类毛坯1尺寸下料，将蒙皮壁板类毛坯1、小球垫模2、橡胶垫层3及电磁线圈4进行装夹固定。

（3）开关6断开，利用控制系统7调定储能电容器组501的电压并充电。

（4）闭合附图1中的开关6，将电磁线圈4与电磁脉冲动力源5接通，进行放电操作。

该实现装置的加工力来源与传统电磁成形一样，都是电容瞬时放电形成的脉冲磁场力。加工部分的小球垫模2内的金属小球201的作用类似于喷丸的弹丸。但由于金属小球201是固定的，需要通过调整蒙皮壁板类毛坯1和小球垫模2的相对位置来提高金属小球201与蒙皮壁板类毛坯1相互作用的面积覆盖率。

（4）按照附图3的流程图进行强化和成形路径的判断，在控制系统的控制作用下，如果已经得到最终工件形状，则完成强化和成形过程，得到所需的工件；如果还没有得到最终的工件形状，则调整电磁线圈或小球垫模位置，返回步骤（3）。

图4为利用本装置成形的试验件，对所得试验件进行测量和数据拟合，得到如表1数据和如图7所示曲线。该试验件坯料规格为482×120×1.8mm的Al2024-T3。放电电压为2000V，蓄电池电容2400μF，柔性垫层厚度1.5mm。成形工件最大弧高7.3mm，弦长跨度480mm，计算曲率半径3948.9mm。与传统拉形相比，本发明得到的试验件形状稳定，几乎无回弹，材料利用率高，可达到少无切削加工。此外，本试验件热处理状态为使用态，而传统拉形一般需要采用易于塑性变形的退火态，成形后再进行淬火处理得到使用所需的热处理状态。与传统喷丸相比，本试验件不需要复杂的喷丸设备和工艺，且工作环境良好。因此，利用本发明装置进行蒙皮壁板类构件的成形效果优良。

表1成形工件挠度曲线数据1（mm）

弦长位置	0	40	80	120	160	200	240	280	320	360	400	440	480
														挠度	0	1.6	3	4.3	5.7	6.8	7.3	7.2	7	5.5	3.8	2	0

电磁脉冲成形技术虽然起步较晚，但在制造业也已得到较为成熟的应用，人们对它无论是理论上还是实际应用都达到一定程度的认知；喷丸强化和成形技术作为制造业中的一项重要技术更是为人们所熟知。鉴于此，本发明将电磁脉冲高速成形及喷丸强化和成形的优点结合起来，提出了小球垫模电磁脉冲强化和成形装置。成形时，通过脉冲强磁场与成形工件、小球垫模与成形工件之间的相互作用，使蒙皮壁板类零件在高能场作用下发生塑性变形而成形所需的形状及尺寸要求，同时得到强化。本装置具有不需大型机械设备、加工成本低、无污染、成形控制简单方便等特点，为航空航天领域的大型蒙皮壁板类零件强化和成形提供了一种新的方法，为提高我国航空航天制造水平具有重要的现实意义。随着与同行间的技术交流和文献介绍，将得到技术人员的广泛接受和应用推广。

Claims (3)

1.一种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形装置，其特征在于：所述装置包括小球垫模、柔性垫层、电磁线圈、电磁脉冲动力源和控制系统；所述的小球垫模上铺设柔性垫层，柔性垫层上铺设蒙皮壁板类毛坯，在蒙皮壁板类毛坯上方设置电磁线圈，所述的电磁线圈通过导线连接电磁脉冲动力源；所述的控制系统包括电路控制和机械控制两部分，其中电路控制部分连接电磁脉冲动力源，机械部分连接小球垫模和电磁线圈的驱动装置；所述的小球垫模通过金属小球铺设于模具型腔的底部形成；所述的模具型腔底部具有小孔，小孔内安装金属小球，形成对柔性垫层的支撑；小孔直径小于金属小球直径。

2.根据权利要求1所述的一种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形装置，其特征在于：所述的驱动装置包括调节蒙皮壁板类毛坯位置的横向丝杠A和纵向丝杠A，蒙皮壁板类毛坯由夹持机构固定边缘，纵向丝杠A和横向丝杠A相互垂直，驱动夹持机构在工作台平面上的运动。

3.根据权利要求2所述的一种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形装置，其特征在于：所述的驱动装置还包括调节电磁线圈位置的横向丝杠B和纵向丝杠B，电磁线圈固定在线圈支架上，横向丝杠B和纵向丝杠B相互垂直，并驱动线圈支架运动，实现电磁线圈相对于蒙皮壁板类毛坯的位置调整。