CN110172557B - 基于电磁力的应力波孔强化装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁力的应力波孔强化装置和方法，用于解决现有强化装置实用性差的技术问题。技术方案是强化装置中，整流可控硅M1，M2和整流二极管D1，D2形成整流桥，整流桥将380V交流电变为直流电，对脉冲电容C1进行充电，充电完成后，导通放电可控硅M3，脉冲电容C1将能量瞬间释放，第一初级线圈，第二初级线圈与第一次级线圈，第二次级线圈之间产生巨大的涡流斥力，产生应力波，应力波通过第一应力波放大器，第二应力波放大器放大后传递到第一冲击头，第二冲击头上，第一冲击头，第二冲击头冲击试件，形成残余压应力。由于强化的效果直接取决于应力波的幅值和脉宽，因此对初孔的精度没有任何要求，实用性好。

Description

基于电磁力的应力波孔强化装置和方法

技术领域

本发明涉及一种强化装置，特别涉及一种基于电磁力的应力波孔强化装置。还涉及采用这种装置的强化方法。

背景技术

在机械连接结构的孔强化方面，孔冷挤压具有显著的强化效果，是目前飞机结构孔强化中最有效的方法。冷挤压强化通常是将一根直径较大、硬度较高、表面经润滑的圆锥形芯棒强行通过预制孔，在孔壁附近获得切向残余压应力，残余压应力的存在有助于降低外载作用下结构内部的平均应力，从而实现疲劳增益。实验表明，视几何尺寸、材料和载荷水平等的不同，孔挤压可实现寿命增益1.5-5倍。

然而，孔冷挤压工艺过程复杂，对初孔精度要求较高，并且挤压过程中容易损伤孔壁。因此，人们对孔强化低成本、高效率的新方法一直在探索当中。专利号为99804121.1中公开了一种通过应力波在孔周围产生有益应力的方法和装置，工艺简单、可产生于各种应力波产生设备；同时该方法对孔的加工精度没有要求，易于操作，并且强化过程中不与孔壁直接接触，因而不会损伤孔壁，也不会由于在挤出端形成材料堆积而产生凸瘤，这对结构的疲劳寿命非常有益。然而，该发明并未提出一种用于产生应力波的孔强化的装置，因此也没有产生相应的工艺方法，所以在实际生产中难以得到有效的应用。

发明内容

为了克服现有强化装置实用性差的不足，本发明提供一种基于电磁力的应力波孔强化装置和方法。所述强化装置中，整流可控硅M1，M2和整流二极管D1，D2形成整流桥，整流桥将380V交流电变为直流电，对脉冲电容C1进行充电，充电完成后，导通放电可控硅M3，脉冲电容C1将能量瞬间释放，第一初级线圈，第二初级线圈与第一次级线圈，第二次级线圈之间产生巨大的涡流斥力，产生应力波，应力波通过第一应力波放大器，第二应力波放大器放大后传递到第一冲击头，第二冲击头上，第一冲击头，第二冲击头冲击试件，形成残余压应力。由于强化的效果直接取决于应力波的幅值和脉宽，因此对初孔的精度没有任何要求；强化过程中对孔壁没有损伤，因此提高了结构的疲劳寿命，同时强化过程中不需要润滑剂以及衬套，降低了强化成本；强化中避免了和孔壁直接接触，不会挤压材料在挤出端形成堆积产生凸瘤，提高了连接质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于电磁力的应力波孔强化装置，其特点是包括：升压变压器TM1、整流可控硅M1，M2、整流二极管D1，D2、限流电阻R1、平波电感L1、放电可控硅M3、电压表V1、脉冲电容C1、续流二极管D3、第一导向轴1、第二导向轴8、第一线圈基座2、第二线圈基座9、第一初级线圈3、第二初级线圈10、第一次级线圈4、第二次级线圈11、第一应力波放大器5、第二应力波放大器12、第一冲击头6和第二冲击头13。整流可控硅M1与整流二极管D1串联，整流可控硅M2与整流二极管D2串联，两条串联后的电路并联形成整流桥，整流二极管D1、D2的正极作为整流桥的正极，整流可控硅M1、M2的负极作为整流桥的负极，升压变压器TM1的输出端分别接在整流可控硅M1、M2的正极，整流桥的负极与限流电阻R1正极连接，限流电阻R1的负极与平波电感L1的正极连接，平波电感L1的负极与放电可控硅M3的正极连接，放电可控硅M3的负极与第一初级线圈3的正极连接，第一初级线圈3的负极与整流桥的负极相连，成为一条完成的回路。电压表V1、脉冲电容C1和续流二极管D3的正极与负极分别并联在平波电感L1的负极与整流桥的负极，第二初级线圈10与第一初级线圈3并联。第一冲击头6和第二冲击头13后端有外螺纹，分别与第一应力波放大器5和第二应力波放大器12头部的内螺纹连接，第一应力波放大器5和第二应力波放大器12分别与第一次级线圈4和第二次级线圈11通过螺栓连接，第一初级线圈3，第二初级线圈10与第一线圈基座2，第二线圈基座9通过螺栓连接，第一初级线圈3、第二初级线圈10、第一线圈基座2和第二线圈基座9开有中心孔，供第一导向轴1和第二导向轴8穿过，第一导向轴1，第二导向轴8头部开有外螺纹，分别与第一次级线圈4，第二次级线圈11的中心内螺纹连接。

一种基于电磁力的应力波孔强化方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、将各元器件依次连接后，检查电路是否连接正确，元器件是否损坏，导线是否老化，机械部分连接是否牢固，有无松动。

步骤一、在试件7需要强化部位钻一个初孔，初孔直径大小为终孔直径大小的四分之一到三分之一。

步骤二、将试件7夹持固定，根据所需终孔大小将第一冲击头6，第二冲击头13分别安装在第一应力波放大器5，第二应力波放大器12上，使第一冲击头6，第二冲击头13对准并紧靠初孔。

步骤三、根据试件7的材料以及所需终孔大小调整充电电压，然后对脉冲电容C1进行充电，380V交流电经升压变压器TM1升压，将能量储存在脉冲电容C1中，这个过程中，限流电阻R1和平波电感L1保护元器件不受损坏。

步骤四、导通放电可控硅M3，脉冲电容C1放电，第一初级线圈3，第二初级线圈10分别和第一次级线圈4，第二次级线圈11由于电磁感应现象产生巨大的涡流斥力，应力波产生并经过第一应力波放大器5、第二应力波放大器12传递到第一冲击头6，第二冲击头13上，第一冲击头6，第二冲击头13冲击试件7，产生一个以初孔为中心的凹坑，凹坑周围产生残余压应力。

步骤五、将试件7卸下，以初孔为定位基准钻准终孔，由于残余压应力的存在，准终孔直径略小于终孔直径。

步骤六、对准终孔进行铰孔处理，铰孔后得到终孔。

所述第一冲击头6和第二冲击头13的材料是硬质合金。

本发明的有益效果是：所述强化装置中，整流可控硅M1，M2和整流二极管D1，D2形成整流桥，整流桥将380V交流电变为直流电，对脉冲电容C1进行充电，充电完成后，导通放电可控硅M3，脉冲电容C1将能量瞬间释放，第一初级线圈，第二初级线圈与第一次级线圈，第二次级线圈之间产生巨大的涡流斥力，产生应力波，应力波通过第一应力波放大器，第二应力波放大器放大后传递到第一冲击头，第二冲击头上，第一冲击头，第二冲击头冲击试件，形成残余压应力。由于强化的效果直接取决于应力波的幅值和脉宽，因此对初孔的精度没有任何要求；强化过程中对孔壁没有损伤，因此提高了结构的疲劳寿命，同时强化过程中不需要润滑剂以及衬套，降低了强化成本；强化中避免了和孔壁直接接触，不会挤压材料在挤出端形成堆积产生凸瘤，提高了连接质量。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明基于电磁力的应力波孔强化装置的简图。

图2是图1中试件的主视图和侧视图。

图3是图1中试件经过冷挤压强化后试件孔壁及孔周的残余切向应力分布。

图4是图1中试件经过冷挤压强化后试件的疲劳寿命。

图中，M1、M2-整流可控硅，D1、D2-整流二极管，R1-限流电阻，L1-平波电感，M3-放电可控硅，TM1-升压变压器，V1-电压表，C1-脉冲电容，D3-续流二极管，1-第一导向轴，8-第二导向轴，2-第一线圈基座，9-第二线圈基座，3-第一初级线圈，10-第二初级线圈，4-第一次级线圈，11-第二次级线圈，5-第一应力波放大器，12-第二应力波放大器，6-第一冲击头，13-第二冲击头，7-试件。

具体实施方式

参照图1-4。本发明基于电磁力的应力波孔强化装置，包括升压变压器TM1、整流可控硅M1，M2、整流二极管D1，D2、限流电阻R1、平波电感L1、放电可控硅M3、电压表V1、脉冲电容C1、续流二极管D3、第一导向轴1、第二导向轴8、第一线圈基座2、第二线圈基座9、第一初级线圈3、第二初级线圈10、第一次级线圈4、第二次级线圈11、第一应力波放大器5、第二应力波放大器12、第一冲击头6和第二冲击头13。整流可控硅M1与整流二极管D1串联，整流可控硅M2与整流二极管D2串联，两条串联后的电路并联形成整流桥，整流二极管D1、D2的正极作为整流桥的正极，整流可控硅M1、M2的负极作为整流桥的负极，升压变压器TM1的输出端分别接在整流可控硅M1、M2的正极，整流桥的负极与限流电阻R1正极连接，限流电阻R1的负极与平波电感L1的正极连接，平波电感L1的负极与放电可控硅M3的正极连接，放电可控硅M3的负极与第一初级线圈3的正极连接，第一初级线圈3的负极与整流桥的负极相连，成为一条完成的回路。电压表V1、脉冲电容C1和续流二极管D3的正极与负极分别并联在平波电感L1的负极与整流桥的负极，第二初级线圈10与第一初级线圈3并联。第一冲击头6和第二冲击头13后端有外螺纹，分别与第一应力波放大器5和第二应力波放大器12头部的内螺纹连接，第一应力波放大器5和第二应力波放大器12分别与第一次级线圈4和第二次级线圈11通过螺栓连接，第一初级线圈3，第二初级线圈10与第一线圈基座2，第二线圈基座9通过螺栓连接，第一初级线圈3、第二初级线圈10、第一线圈基座2和第二线圈基座9开有中心孔，供第一导向轴1和第二导向轴8穿过，第一导向轴1，第二导向轴8头部开有外螺纹，分别与第一次级线圈4，第二次级线圈11的中心内螺纹连接。

电流升压变压器TM1将380V交流电升压，该交流电通过由整流可控硅M1、M2和整流二极管D1、D2组成的整流桥变为直流电，对脉冲电容C1进行充电，将能量储存在脉冲电容C1中；限流电阻R1保证充电时电流不会过大而损坏元器件，平波电感L1保证变压器刚启动时电流不至于过大而损坏元器件；充电过程中，可以通过电压表V1随时观察脉冲电容C1两端的电压；充电完成后，通过导通放电可控硅M3，脉冲电容C1将能量瞬间释放，第一初级线圈3，第二初级线圈10与第一次级线圈4，第二次级线圈11之间产生巨大的涡流斥力，应力波产生，应力波通过第一应力波放大器5，第二应力波放大器12放大后传递到第一冲击头6，第二冲击头13上，第一冲击头6，第二冲击头13冲击试件7，试件7产生一个凹坑，引入残余压应力；续流二极管D3避免了放电时第一初级线圈3，第二初级线圈10由于电磁感应现象而对脉冲电容C1的二次反向充电，保护脉冲电容C1不被损坏；为保证引入的参与压应力分布均匀进而避免应力集中现象，对试件的两面同时进行强化；为使两冲击头产生的应力波相同，第一初级线圈3，第二初级线圈10采用并联的方式；第一冲击头6，第二冲击头13为圆头，这种形状会使试件7残余压应力分布更加均匀，同时不易损坏试件7；电路的充电与放电均由PLC控制，操作者在HMI上对PLC发出信号，PLC控制充电触发与放电触发，PLC与HMI通过以太网通讯。

一种基于电磁力的应力波孔强化方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、将各元器件依次连接后，检查电路是否连接正确，元器件是否损坏，导线是否老化，机械部分连接是否牢固，有无松动。

步骤一、在试件7需要强化部位钻一个初孔，初孔直径大小为终孔直径大小的四分之一到三分之一。

步骤二、将试件7夹持固定，根据所需终孔大小将第一冲击头6，第二冲击头13分别安装在第一应力波放大器5，第二应力波放大器12上，使第一冲击头6，第二冲击头13对准并紧靠初孔。

步骤三、根据试件7的材料以及所需终孔大小调整充电电压，然后对脉冲电容C1进行充电，380V交流电经升压变压器TM1升压，将能量储存在脉冲电容C1中，这个过程中，限流电阻R1和平波电感L1保护元器件不受损坏。

步骤四、导通放电可控硅M3，脉冲电容C1放电，第一初级线圈3，第二初级线圈10分别和第一次级线圈4，第二次级线圈11由于电磁感应现象产生巨大的涡流斥力，应力波产生并经过第一应力波放大器5、第二应力波放大器12传递到第一冲击头6，第二冲击头13上，第一冲击头6，第二冲击头13冲击试件7，产生一个以初孔为中心的凹坑，凹坑周围产生残余压应力；第一冲击头6，第二冲击头13由硬质合金制造，可用于铝合金以及钛合金等材料的强化。

步骤五、将试件7卸下，以初孔为定位基准钻准终孔，由于残余压应力的存在，准终孔直径略小于终孔直径。

步骤六、对准终孔进行铰孔处理，铰孔后得到终孔。

参照图2，图3，使用abaqus软件建立模型并对普通冷挤压和本发明的强化方法进行模拟，所使用材料为铝合金7075-T6，其本构模型可由“美国金属材料手册”获得，模拟结果得到残余压应力分布如图3所示，从左至右分别为挤压量1％，2％,3％和应力波强化，可以看出与多种挤压量的普通冷挤压方法相比，基于电磁力的应力波孔强化方法可以得到更大更均匀的残余应力分布，这对疲劳寿命的提高大大有益。

参照图2，图4，制作试验件进行试验，材料为铝合金7075-T6，该材料屈服强度为500Mpa，试验为拉伸疲劳试验，应力比-1，最大应力150Mpa，分别得到未强化、冷挤压强化、应力波强化的疲劳寿命如图4所示，其中冷挤压的强化的挤压量为1％-3％，可以看到，应力波强化后试件疲劳寿命提高6倍左右，高于任意挤压量的冷挤压强化后的疲劳寿命。

Claims (3)

1.一种基于电磁力的应力波孔强化装置，其特征在于包括升压变压器TM1、整流可控硅M1，M2、整流二极管D1，D2、限流电阻R1、平波电感L1、放电可控硅M3、电压表V1、脉冲电容C1、续流二极管D3、第一导向轴(1)、第二导向轴(8)、第一线圈基座(2)、第二线圈基座(9)、第一初级线圈(3)、第二初级线圈(10)、第一次级线圈(4)、第二次级线圈(11)、第一应力波放大器(5)、第二应力波放大器(12)、第一冲击头(6)和第二冲击头(13)；整流可控硅M1与整流二极管D1串联，整流可控硅M2与整流二极管D2串联，两条串联后的电路并联形成整流桥，整流二极管D1、D2的正极作为整流桥的正极，整流可控硅M1、M2的负极作为整流桥的负极，升压变压器TM1的输出端分别接在整流可控硅M1、M2的正极，整流桥的负极与限流电阻R1正极连接，限流电阻R1的负极与平波电感L1的正极连接，平波电感L1的负极与放电可控硅M3的正极连接，放电可控硅M3的负极与第一初级线圈(3)的正极连接，第一初级线圈(3)的负极与整流桥的负极相连，成为一条完成的回路；电压表V1、脉冲电容C1和续流二极管D3的正极与负极分别并联在平波电感L1的负极与整流桥的负极，第二初级线圈(10)与第一初级线圈(3)并联；第一冲击头(6)和第二冲击头(13)后端有外螺纹，分别与第一应力波放大器(5)和第二应力波放大器(12)头部的内螺纹连接，第一应力波放大器(5)和第二应力波放大器(12)分别与第一次级线圈(4)和第二次级线圈(11)通过螺栓连接，第一初级线圈(3)，第二初级线圈(10)与第一线圈基座(2)，第二线圈基座(9)通过螺栓连接，第一初级线圈(3)、第二初级线圈(10)、第一线圈基座(2)和第二线圈基座(9)开有中心孔，供第一导向轴(1)和第二导向轴(8)穿过，第一导向轴(1)，第二导向轴(8)头部开有外螺纹，分别与第一次级线圈(4)，第二次级线圈(11)的中心内螺纹连接。

2.一种根据权利要求1所述的基于电磁力的应力波孔强化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将各元器件依次连接后，检查电路是否连接正确，元器件是否损坏，导线是否老化，机械部分连接是否牢固，有无松动；

步骤二、在试件(7)需要强化部位钻一个初孔，初孔直径大小为终孔直径大小的四分之一到三分之一；

步骤三、将试件(7)夹持固定，根据所需终孔大小将第一冲击头(6)，第二冲击头(13)分别安装在第一应力波放大器(5)，第二应力波放大器(12)上，使第一冲击头(6)，第二冲击头(13)对准并紧靠初孔；

步骤四、根据试件(7)的材料以及所需终孔大小调整充电电压，然后对脉冲电容C1进行充电，380V交流电经升压变压器TM1升压，将能量储存在脉冲电容C1中，这个过程中，限流电阻R1和平波电感L1保护元器件不受损坏；

步骤五、导通放电可控硅M3，脉冲电容C1放电，第一初级线圈(3)，第二初级线圈(10)分别和第一次级线圈(4)，第二次级线圈(11)由于电磁感应现象产生巨大的涡流斥力，应力波产生并经过第一应力波放大器(5)、第二应力波放大器(12)传递到第一冲击头(6)，第二冲击头(13)上，第一冲击头(6)，第二冲击头(13)冲击试件(7)，产生一个以初孔为中心的凹坑，凹坑周围产生残余压应力；

步骤六、将试件(7)卸下，以初孔为定位基准钻准终孔，由于残余压应力的存在，准终孔直径略小于终孔直径；

步骤七、对准终孔进行铰孔处理，铰孔后得到终孔。

3.根据权利要求1所述的基于电磁力的应力波孔强化装置，其特征在于：所述第一冲击头(6)和第二冲击头(13)的材料是硬质合金。

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