CN103589854A

CN103589854A - 一种电磁孔强化方法

Info

Publication number: CN103589854A
Application number: CN201310525995.9A
Authority: CN
Inventors: 李亮; 周中玉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: CN103589854B

Abstract

本发明公开了一种电磁孔强化方法，其在带孔板件端面或孔中放置强化线圈，同时在带孔板件端面放置背景磁体，使孔边处于轴向背景磁场中，孔强化时，强化线圈中通入快速变化的脉冲电流，从而在带孔板件上感应涡流，其中强化线圈产生的轴向磁场方向与背景磁体产生的轴向背景磁场相反。在涡流和背景磁场共同作用下，孔周围产生脉冲径向电磁力，使孔径向扩张，进而孔边发生塑性变形，电磁放电完成后，孔边会产生的残余压应力层，从而起到强化孔的效果。本发明的方法具有与孔壁无接触、残余压应力分布均匀、可强化孔的种类多、易于调节和控制、强化速度快的优点。

Description

一种电磁孔强化方法

技术领域

本发明属于孔强化领域，更具体地，涉及一种电磁孔强化方法。

背景技术

机械结构中有大量的孔，其起到连接、紧固、导通等作用。但是由于孔的应力集中，机械结构中孔疲劳破坏占了很大一部分。因此也诞生了众多的孔强化技术，以提高其寿命。其中冷挤压技术是比较成熟有效的一类，在飞机制造中得到广泛应用。但是冷挤压方式也存在残余应力分布不均匀、微小孔及异形孔强化困难、与孔壁接触摩擦中易引入新的疲劳源、孔和挤压带孔板件尺寸需要精确配合而导致加工精度要求高等问题。脉冲电磁力具有力大迅速且无接触的特点，因而人们提出了一些使用脉冲电磁力来实现孔化的方法。目前主要两种方法，其中一种是将强化线圈插入孔中，然后在线圈中通入时变的电流，孔壁感应涡流，从而产生线圈对孔壁的压力，孔径向扩张，孔边发生塑性变形，电磁处理完成后在孔壁产生残余压应力层，从而提高孔的抗疲劳能力。该方法具有沿孔壁方向残余压应力分布较均匀的优点，但是在强化屈服强度大的金属材料时存在所需脉冲电流大，对脉冲电源和开关要求高的问题。另外当孔径较小时，制作能够插入的小线圈比较困难，而且所需电流非常大，因而引起线圈过热和线圈本身结构破坏。另外一种方法是在板件强化前首先不开孔，而是先在板件开孔部位侧面放置线圈，然后在线圈中通入时变的电流，带孔板件中感应涡流，从而产生很大的轴向电磁压力，使带孔板件开孔部位发生塑性变形，最后在被强化部位引入需要的孔。该方法原理上简单，但所需非常电流大，线圈易过热并且线圈结构破坏，脉冲电源和开关要求非常高。上述两种脉冲电磁力孔强化方法，工程上不容易实现，即使实现也很难工业化应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电磁孔强化方法，其目的在于，解决传统孔强化残余应力分布不均匀、难以强化细孔和异形孔、孔和挤压带孔板件需精确配合且加工精度要求高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电磁孔强化方法，包括以下步骤：

（1）将强化线圈放置于带孔板件侧面或者放入孔中，其中强化线圈与带孔板件的孔同轴；

（2）将强化线圈和带孔板件放置到轴向背景磁场中；

（3）强化线圈接入脉冲电源；

（4）脉冲电源放电，强化线圈在带孔板件孔边产生感应涡流；

（5）在轴向背景磁场和感应涡流的共同作用下，在带孔板件孔边产生径向电磁力，该电磁力驱动孔扩张，带孔板件孔边发生塑性变形，放电完成后，带孔板件孔边形成残余压应力层。

优选地，强化线圈产生的轴向磁场与轴向背景磁场方向相反。

优选地，可以只在带孔板件一侧放置强化线圈，也可以在带孔板件两侧对称布置布置两个强化线圈。

优选地，轴向背景磁场是由永磁体和导磁臂产生的稳态磁场，且能盖带孔板件的感应涡流区域。

优选地，轴向背景磁场是由常规电磁铁和导磁臂产生的稳态磁场，且能覆盖带孔板件的感应涡流区域。

优选地，轴向背景磁场是由脉冲磁体产生的长脉冲磁场，且能覆盖带孔板件的感应涡流区域。

优选地，强化线圈所接入的脉冲电源在轴向背景磁场峰值时刻附近放电。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明中电磁力同时对孔壁进行强化，作用力均匀，因而其强化后残余压应力均匀度明显好于传统的孔冷挤压强化方式，因而寿命较传统的孔冷挤压强化方式有大幅度提高。

2、本发明中强化线圈不与孔壁接触，因而其孔壁表面质量不会被破坏，不引入新的疲劳源。

3、本发明中对孔的尺寸精度要求低，一定尺寸范围内的孔均可以取得一致的强化效果。

4、本发明中可以通过灵活设计强化线圈尺寸和结构来获得想要的强化载荷分布，实现灵活多样的强化。

5、本发明中可以非常容易通过调节强化线圈的放电电压或者背景磁场的大小来调节强化效果，避免了传统方式需要更换不同直径的芯棒来实现不通的孔扩张量。

6、本发明中同一套强化线圈可以强化较大尺寸范围内和不同形状的孔，通用性强。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的电磁孔强化方法的示意图。

图2是本发明背景磁体和强化线圈轴向磁场时序配合示意图。

图3是本发明涡流、背景磁场和电磁力分布示意图。

图4是根据本发明第二实施方式的电磁孔强化方法的示意图。

图5是根据本发明第三实施方式的电磁孔强化方法的示意图。

图6是根据本发明第四实施方式的电磁孔强化方法的示意图。

图7是根据本发明第五实施方式的电磁孔强化方法的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在材料强度高或者板材较厚等情况下，强化所需的背景磁场较大，在这种情况下可以使用脉冲磁体来提供背景磁场是十分经济有效的方案。

如图1所示，根据本发明的第一实施方式的电磁孔强化方法包括以下步骤：

（1）将第一强化线圈1和第一背景磁体2放置于带孔板件3上端面，将第二强化线圈4和第二背景磁体5放置于带孔板件3下端面；其中第一强化线圈1、第二强化线圈4、第一背景磁体2和第二背景磁体5均与带孔板件3的孔同轴，且第一背景磁体2和第二背景磁体5具有相同的电磁参数，第一强化线圈1和第二强化线圈4具有相同的电磁参数；

（2）将第一背景磁体2和第二背景磁体5串联接入由第一电容器11、第一开关12和第一续流二极管13组成的第一脉冲电源6；设计时第一背景磁体2和第二背景磁体5的电感值和第一电容器11的电容值选择比较大，因而其脉冲电流脉宽较宽，保证轴向背景磁场不被带孔板件3产生磁场严重抵消；

（3）将第一强化线圈1和第二强化线圈4串联接入由第二电容器14、第二开关15和第二续流二极管16组成的第二脉冲电源7；设计时第一强化线圈1和第二强化线圈4的电感值和第二电容器14的电容值选择比较小使其脉冲电流脉宽较窄，保证带孔板件3上感应足够大的涡流；

（4）第一脉冲电源6放电，放电过程中第一背景磁体2和第二背景磁体5在带孔板件3孔边产生轴向背景磁场；

（5）第二脉冲电源7在轴向背景磁场峰值的时刻放电，第一强化线圈1和第二强化线圈4在带孔板件3孔边产生感应涡流；

（6）在轴向背景磁场和感应涡流的共同作用下，在带孔板件3孔边产生径向电磁力，该电磁力驱动孔扩张，带孔板件3孔边发生塑性变形，放电完成后，带孔板件3孔边形成残余压应力层；其中第一强化线圈1和第二强化线圈4的产生的轴向磁场与第一背景磁体2和第二背景磁体5产生的轴向背景磁场方向相反；

强化线圈和背景磁体的轴向磁场时序配合示意图见图2。图3给出了涡流、背景磁场和电磁力相互作用及分布示意图。

在材料强度低或者板材较薄等情况下，强化所需的背景磁场较小，在这种情况下可以使用永磁体来提供背景磁场，这样可以简化设计，并省却一套电源。

如图4所示，根据本发明的第二实施方式的电磁孔强化方法包括以下步骤：

（1）将第一强化线圈1和第二强化线圈4对称放置于带孔板件3两侧，其中第一强化线圈1和第二强化线圈2均与带孔板件3的孔同轴，且第一强化线圈1和第二强化线圈4具有相同的电磁参数；

（2）将第一强化线圈1、第二强化线圈4以及带孔板件3放置到由永磁体21和22以及导磁臂23产生的轴向背景磁场中，并保证提供的轴向背景磁场覆盖带孔板件3的感应涡流区域；

（3）将第一强化线圈1和第二强化线圈4串联接入由第二电容器14、第二开关15和第二续流二极管16组成的第二脉冲电源；设计时第一强化线圈1和第二强化线圈4的电感值和第二电容器14的电容值选择比较小使其脉冲电流脉宽较窄，保证带孔板件3上感应足够大的涡流；

（4）第二脉冲电源7放电，第一强化线圈1和第二强化线圈4在带孔板件3孔边产生感应涡流；

（5）在轴向背景磁场和感应涡流的共同作用下，在带孔板件3孔边产生径向电磁力，该电磁力驱动孔扩张，带孔板件3孔边发生塑性变形，放电完成后，带孔板件3孔边形成残余压应力层；其中第一强化线圈1和第二强化线圈4的产生的轴向磁场与背景磁场方向相反。

在材料强度低或者板材较薄等情况下，强化所需的背景磁场不大，则在这种情况下除可以使用第二实施方式中的永磁体来提供背景磁场外，还可以使用电磁铁提供，其可以提供比永磁体更高的磁场，并且磁场大小易于调节。

如图5所示，根据本发明的第三实施方式的电磁孔强化方法包括以下步骤：

（1）将第一强化线圈1和第二强化线圈4对称放置于带孔板件3两侧，其中第一强化线圈1和第二强化线圈4均与带孔板件3的孔同轴，且第一强化线圈1和第二强化线圈4具有相同的电磁参数；

（2）将第一强化线圈1、第二强化线圈4以及带孔板件3放置到由常规电磁铁24以及导磁臂25产生的轴向背景磁场中，并保证提供的轴向背景磁场覆盖带孔板件3的感应涡流区域；

（5）在轴向背景磁场和感应涡流的共同作用下，在带孔板件3孔边产生径向电磁力，该电磁力驱动孔扩张，带孔板件3孔边发生塑性变形，放电完成后，带孔板件3孔边形成残余压应力层；其中第一强化线圈1和第二强化线圈4的产生的轴向磁场与背景磁场方向相反；

对于孔径较大的带孔板件，强化线圈可以插入孔中，以减少强化线圈所需电源容量。

如图6所示，根据本发明的第四实施方式的电磁孔强化方法包括以下步骤：

（1）将第一强化线圈1放置于带孔板件3的孔中，将第一背景磁体2和第二背景磁体5分别对称放置于带孔板件3的两侧；其中第一强化线圈1、第一背景磁体2和第二背景磁体5均与带孔板件3的孔同轴，且第一背景磁体2和第二背景磁体5具有相同的电磁参数；

（3）将第一强化线圈1接入由第二电容器14、第二开关15和第二续流二极管16组成的第二脉冲电源7；设计时第一强化线圈1的电感值和第二电容器14的电容值选择比较小使其脉冲电流脉宽较窄，保证带孔板件3上感应足够大的涡流；

（5）第二脉冲电源7在轴向背景磁场峰值的时刻放电，第一强化线圈1在带孔板件3孔边产生感应涡流；

（6）在轴向背景磁场和感应涡流的共同作用下，在带孔板件3孔边产生径向电磁力，该电磁力驱动孔扩张，带孔板件3孔边发生塑性变形，放电完成后，带孔板件3孔边形成残余压应力层；其中第一强化线圈1产生的轴向磁场与第一背景磁体2和第二背景磁体5产生的轴向背景磁场方向相反。

根据孔的情况（例如盲孔时），本实施方式中的板件可单面放置强化线圈。

如图7所示，根据本发明的第五实施方式的电磁孔强化方法包括以下步骤：

（1）将第一强化线圈1和第一背景磁体2放置于带孔板件3上端面；其中第一强化线圈1和第一背景磁体2均与带孔板件3的孔同轴；

（2）将第一背景磁体2串联接入由第一电容器11、第一开关12和第一续流二极管13组成的第一脉冲电源6；设计时第一背景磁体2的电感值和第一电容器11的电容值选择比较大，因而其脉冲电流脉宽较宽，保证轴向背景磁场不被带孔板件3产生磁场严重抵消；

（3）将第一强化线圈1串联接入由第二电容器14、第二开关15和第二续流二极管16组成的第二脉冲电源7；设计时第一强化线圈1的电感值和第二电容器14的电容值选择比较小使其脉冲电流脉宽较窄，保证带孔板件3上感应足够大的涡流；

（4）第一脉冲电源6放电，放电过程中第一背景磁体2在带孔板件3孔边产生轴向背景磁场；

（6）在轴向背景磁场和感应涡流的共同作用下，在带孔板件3孔边产生径向电磁力，该电磁力驱动孔扩张，带孔板件3孔边发生塑性变形，放电完成后，带孔板件3孔边形成残余压应力层；其中第一强化线圈1和第二强化线圈4的产生的轴向磁场与第一背景磁体2和第二背景磁体5产生的轴向背景磁场方向相反。

在上述实施方式中，产生轴向背景磁场的背景磁体可以是脉冲磁体、稳态阻性磁体或者永磁体。强化线圈为脉冲磁体。孔的种类既包括圆孔、也包括异形孔，既包括通孔、也包括盲孔。孔可以是直孔也可是带倒角孔或台阶式孔。带孔板件必须是金属或者含有金属层的复合材料。带孔板件可以是平面或曲面。强化线圈根据需要可以在带孔板件的单面或者双面对称放置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电磁孔强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

（2）将强化线圈和带孔板件放置到轴向背景磁场中；

（3）强化线圈接入脉冲电源；

2.根据权利要求1所述的电磁孔强化方法，其特征在于，强化线圈产生的轴向磁场与轴向背景磁场方向相反。

3.根据权利要求1所述的电磁孔强化方法，其特征在于，可以只在带孔板件一侧放置强化线圈，也可以在带孔板件两侧对称布置布置两个强化线圈。

4.根据权利要求1所述的电磁孔强化方法，其特征在于，轴向背景磁场是由永磁体和导磁臂产生的稳态磁场，且能盖带孔板件的感应涡流区域。

5.根据权利要求1所述的电磁孔强化方法，其特征在于，轴向背景磁场是由常规电磁铁和导磁臂产生的稳态磁场，且能覆盖带孔板件的感应涡流区域。

6.根据权利要求1所述的电磁孔强化方法，其特征在于，轴向背景磁场是由脉冲磁体产生的长脉冲磁场，且能覆盖带孔板件的感应涡流区域。

7.根据权利要求6所述的电磁孔强化方法，其特征在于，强化线圈所接入的脉冲电源在轴向背景磁场峰值时刻附近放电。