CN111822554A - 预压力辅助高频感应热成形新工艺 - Google Patents

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石永军
郭延阔
王晓岗
赵永盛
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Abstract

本发明涉及一种利用预压力高效辅助高频感应热弯曲金属板和矫形的方法。首先通过施加预压力使板处于弹性弯曲范围之内，然后利用高频感应线圈以一定的扫描速度沿弹性变形集中区域，使原来预压力形成的弹性变形向塑性变形更多的转化。与常规的高频感应板材成形基于温度梯度机理弯曲机理不同，预压力辅助高频感应成形为温度梯度的热应力与施加的外应力两者的热力耦合，从而实现更大的弯曲角度。另外，通过预压力施加可以使高频感应加热板实现正负两个方向的弯曲。该方法不仅适于常规中厚金属材料弯曲与矫形，而且也可应用于高硬脆难变形材料，在航空航天、医疗机械和微电子等领域有着较大的应用前景。

Description

预压力辅助高频感应热成形新工艺
技术领域
本发明涉及一种利用预压力高效辅助高频感应弯曲率实现金属板材热成形新工艺，属于机械制造技术领域,可应用于小批量、难成形材料或者中厚金属板材快速弯曲和矫形加工。
技术背景
高频感应加热作为一种在热处理、焊接，板热成形中，特别是船舶制造中厚板的成形已广泛应用的加热方法，其技术、原理等都相当成熟，可成为一种比较理想的热应力成形加热热源。高频感应加热成形的原理：根据法拉第电磁感应原理，当金属体处在变化的磁场中，会在金属体内产生感应电流，这种感应电流形成闭合的回路，即涡流。金属材料中的涡流在材料内部产生大量的焦耳-楞次热，由于涡流具有集肤效应，形成的涡流主要集中在金属上表面，所以产生的热量也大部分集中在上表面，从而在钢板厚度方向上产生大的温度梯度，致使钢板上下表面产生不同的塑性变形。高频感应几乎集中了水火弯板成形和激光热应力成形的优点，而且价格便宜，特别适用于中小船厂和单件板材的无模成形，是一种很有实际应用前途的成形方法，完全可以取代水火弯板成形，而且还可以部分代替激光成形，随着高频感应加热成形研究的深入，高频感应加热成形技术必将在板材加工特别是造船业中显示出强大的生命力和广阔的市场应用前景，一定会产生巨大的经济效益和社会效益。
目前在高频感应板热弯曲成形当中，高频感应的集肤效应只在金属表面形成塑性变形。尤其在中厚板中，由于板厚度较大，内部存在更大的弹性内能，高频感应弯曲成形难以有效将过多的弹性变形转化成塑性变形，导致板材变形抗力大、成形角度较小。另外由于高频感应采用的是基于温度梯度的成形，弯曲方向只能朝向感应加热的正方向，如果想得到背向感应加热的弯曲负方向需要调整工件、设备，导致工序增加。因此，有必要采取有效的工艺方案即能提高高频感应单次成形量，又能根据需求得到正负任意的弯曲方向，尤其对于实际生产当中应用广泛的中厚板。
发明内容
为了解决高频感应金属板加工中变形抗力大、成形量小、弯曲方向单一的问题，本发明公开一种预压力辅助高频感应弯曲高效率成形新工艺，包括以下步骤：
1、首先成形工件置于三维数控台上，用夹具固定成形工件的一端。在工件另一自由端施加压力F，压力由压力输出系统施加板，并使板处于弹性弯曲范围之内，高频感应线圈和压力施加装置位置固定不变；
2、通过电力系统输出电能经过导线传递到高频感应线圈，高频感应线圈在成形工件表面产生电磁场，工件处在变化的磁场中，会在金属体内产生感应电流，内部产生大量的焦耳-楞次热；
3、三维数控台带动成形工件移动，使高频感应线圈相对以一定的扫描速度v沿给定的运动轨迹b加热成形工件表面；
4、加热完成后，金属板材通过自然冷却、强制对流空冷或强制对流水冷对加热区域进行冷却，最后由压力输出系统撤去压力。
与常规的高频感应板材成形基于温度梯度机理弯曲机理不同，预压力辅助高频感应成形为温度梯度的热应力与施加的外应力两者的热力耦合。即常规高频感应的弯曲变形角为温度梯度梯度形成，而预压力辅助高频感应形成角为温度梯度和压力加载的综合形成。另外，预压力辅助高频感应成形中的温度作用除了产生温度梯度形成热应力以外，其较高的温度又会对加热区中材料性能产生影响，既能降低材料的屈服极限。当施加背向感应线圈方向外压力，使原来预压力形成的弹性变形向塑性变形更多的转化，从而使板材形成较大弯曲角度。
虽然加热区朝向感应线圈加热方向温度梯度应力，由于温度热软化与外压力加载共同作用可以抵消温度梯度的应力产生朝向感应线圈弯曲方向的趋势，从而产生负弯曲方向。因此，通过预压力可以实现高频感应正负两个方向的弯曲。该方法不仅适于常规中厚金属材料弯曲与矫形，而且也可应用于高硬脆难变形材料，在航空航天、医疗机械和微电子等领域有着较大的应用前景。
附图说明
图1预压力辅助高频感应热成形新工艺装置示意图
图2预压力辅助高频感应热成形新工艺过程示意图
1电力系统，2导线，3高频感应线圈，4金属工件，5三维数控平台，6夹具，7压力输出系统
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式加以说明。预压力辅助高频感应热成形新工艺装置由电力系统(1)、导线(2)、高频感应线圈(3)、夹具(5)、三维数控平台(6)、压力输出系统(7)。如图1所示，成形步骤如下：
1、金属工件(4)置于三维数控台(6)上，用夹具(5)固定金属工件(4)的一端，高频感应线圈(3)和压力施加装置(7)位置固定不变；
2、通过电力系统(1)经过导线(2)将电能传递到高频感应线圈(3)，高频感应线圈(3)产生电磁场在金属工件(4)表面，工件(4)处在变化的磁场中，会在金属板内产生感应电流，内部产生大量的焦耳-楞次热；
3、在工件(4)另一自由端施加压力F，压力由压力输出系统(7)施加，如图2所示。三维数控台(5)带动成形工件(4)移动，使高频感应线圈(3)以一定的扫描速度v沿给定的运动轨迹b加热金属工件(4)表面，如图2所示；
4、加热完成后，金属板材通过自然冷却、强制对流空冷或强制对流水冷对加热区域进行冷却，最后由压力输出系统(7)撤去压力F；
5、建立工件弯曲角、预压力、高频感应工艺参数基本关系数据库，根据基本关系数据库和板材弯曲变形要求，可以反求出所需要的工艺参数和预压力值，从而提高效率。

Claims (1)

1.一种解决高频感应金属板加工中变形抗力大、成形量小、弯曲方向单一的问题的新工艺，其步骤如下：
1)首先成形工件置于三维数控台上，用夹具固定成形工件的一端。在工件另一自由端施加压力，压力由压力输出系统施加板，并使板处于弹性弯曲范围之内，高频感应线圈和压力施加装置位置固定不变；
2)通过电力系统输出电能经过导线传递到高频感应线圈，高频感应线圈在成形工件表面产生电磁场，工件处在变化的磁场中，会在金属体内产生感应电流，内部产生大量的焦耳-楞次热；
3)三维数控台带动成形工件移动，使高频感应线圈相对以一定的扫描速度沿给定的运动轨迹加热成形工件表面；
4)加热完成后，金属板材通过自然冷却、强制对流空冷或强制对流水冷对加热区域进行冷却，最后由压力输出系统撤去压力。
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