CN113502379B - 一种利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置及方法，该装置包括待加工金属工件、脉冲磁体、脉冲电源等，属于先进制造领域。该方法通过脉冲电源对脉冲磁体放电，磁体在通入巨大的脉冲电流后会产生强大的脉冲磁场，在金属工件中感应出涡流，进而产生强大的电磁力，金属工件内部原有的残余应力与外加电磁力叠加产生塑性变形，残余应力得到释放，加上放电过程中的振荡作用和热效应等因素，当外加电磁力消失后，工件内部的残余应力即可得到大幅降低，从而达到消除与调控残余应力的效果。

Description

一种利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置及方法

技术领域

本发明属于金属制造领域，更具体地，涉及一种利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置及方法。

背景技术

残余应力广泛地存在于各类金属构件中，由于加工过程中的不均匀塑性变形、热作用过程和化学变化等因素，不可避免的会产生残余应力，对金属构件的机械强度、使用寿命和结构稳定性等造成很大影响。传统的消除与调控残余应力的方法主要有时效法和机械法，其中时效法包括：自然时效、热处理时效、振动时效等，这类方法往往耗时太长，而且会伴随有工件温度升高的情况，从而导致材料软化、强度降低；机械法包括：机械拉伸、过载、锤击等，但机械法存在接触面应力集中的问题，使得工件受力不均匀，并且只适合形状简单的零件，对于大尺寸构件成本太高。

近几十年也发展出了深冷法、爆炸法、喷丸强化法、超声冲击法、激光冲击法等针对特殊构件中的残余应力消除与调控方法。其中，深冷法是先将零部件浸入液氮中冷却，待内外温度均匀后又迅速用热蒸汽喷射，通过急热与急冷产生方向相反的热应力，借此抵消原来的残余应力场，这种方法虽然不受工件尺寸形状的限制，但只能消除热作用产生的残余应力，而不能有效消除由其它因素产生的残余应力。其余的几种方法也都普遍存在工序复杂、难以精确调控、作用范围太小、加工区域不均匀等局限。现在亟需一种新的方法，能够在不降低原先材料强度的前提下，实现大型合金环件中残余应力的精准调控和消除效果。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置及方法，旨在解决现有消除残余应力的方法效率低、难以精确调控、作用范围太小且加工区域不均匀的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种利用脉冲电磁力消除工件残余应力的方法，包括如下步骤：

S1：通过脉冲电源对脉冲磁体放电；

S2：脉冲磁体在放电过程中会产生脉冲磁场，并在金属工件中产生感应涡流，进而对金属工件产生脉冲电磁力；

S3：金属工件在脉冲电磁力的作用下与其原有的残余应力叠加产生塑性变形，使残余应力得到释放，从而达到消除残余应力的效果。

在一个可能的示例中，脉冲电磁力在放电后期产生的低频振荡效果、涡流效应在金属工件上产生的焦耳热、金属工件在通电情况下存在的电塑性效应，都能为残余应力的消除起到增益作用。

在一个可能的示例中，通过控制脉冲电源对脉冲磁体放电的脉冲电流的大小控制残余应力的减小程度，从而实现对残余应力的精确调控。

在一个可能的示例中，调节放电回路的线路阻抗控制放电回路的时间常数从而调节放电脉冲电流的脉宽，控制脉冲电磁力的作用深度，从而实现对不同区域残余应力分布的调控。

在一个可能的示例中，当一次放电不能达到预期的塑性变形效果时，对金属工件进行多次放电，分别控制每一次的放电电压，直至金属工件达到预期的变形度。

第二方面，本发明提供了一种利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置，包括：脉冲电源系统、脉冲磁体系统以及工装系统；

所述脉冲电源系统用于产生和调节向脉冲磁体系统放电的脉冲电流；

所述脉冲磁体系统包括：胀形线圈、线圈骨架、支撑架、集磁器以及驱动工件；所述胀形线圈位于待加工金属工件内部，用于通入所述脉冲电流并产生脉冲强磁场，所述脉冲强磁场在金属工件中产生感应涡流，进而对待加工金属工件产生胀形力，所述待加工金属工件在胀形力的作用下与其原有的残余应力叠加产生塑性变形，使残余应力得到释放，从而达到消除残余应力的效果；所述线圈骨架紧贴于胀形线圈内表面，用于固定所述胀形线圈；所述支撑架位于所述线圈骨架内部，用于提升线圈骨架强度，防止胀形线圈受力过大而使线圈骨架挤压变形；所述集磁器位于所述胀形线圈和驱动工件或待加工金属工件之间，用于提升待加工金属工件上的电磁力水平；所述驱动工件位于胀形线圈或集磁器与待加工金属工件之间，用于对导电性能较差的待加工金属工件提供胀形力；

所述工装系统包括：上下端板、限位环、滑动槽、固定螺杆、钢支撑套；所述上下端板用于防止待加工金属工件胀形时发生不必要的上下抖动；所述限位环位于待加工金属工件外侧四周，用于限制待加工金属工件变形的程度；所述滑动槽用于固定限位环的位置；所述固定螺杆用于实现待加工金属工件与胀形线圈的同轴安装，并固定上下端板；所述钢支撑套外套于上下端板之间的固定螺杆上，用于提升固定螺杆的抗压强度。

在一个可能的示例中，所述脉冲电源系统包括：脉冲电容器、大功率开关、线路电阻、线路电感以及续流回路。

在一个可能的示例中，所述胀形线圈可根据待加工金属工件的高度尺寸，选择适当的匝数和高度，以提升对待加工金属工件胀形的均匀度。

在一个可能的示例中，对不同形状的待加工金属工件，设计相应形状的集磁器，即可在待加工金属工件内部产生均匀的电磁力。

在一个可能的示例中，限位环位于滑动槽内，在滑动槽内的不同位置设置相应的卡位点，可以让限位环根据工件的预期变形量固定在不同的位置。

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，具有以下有益效果：

1、本发明提供一种利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置及方法，电磁力便于调控，可以通过设计适当的电路参数和线圈结构，精确控制工件的塑性变形量，结合集磁器的使用，还可以对不规则形状的金属工件进行变形加工。

2、本发明提供一种利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置及方法，脉冲电源在放电过程中会产生特定的振荡力效果，通过调节线路阻抗等电路参数，可以对放电电流的振荡频率进行调控，在放电过程的后期为工件提供持续时间较长的低频振荡，该过程可以为消除残余应力起到增益的作用。

3、本发明提供一种利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置及方法，脉冲强磁场在工件中感应出的涡流也能对减小残余应力提供一定的作用。一方面，涡流会在金属工件上产生焦耳热；另一方面，材料在通电情况下存在电塑性效应，会导致晶体位错密度的降低，这些因素都有利于减小残余应力。

4、本发明提供一种利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置及方法，电磁力属于体积力，相比于机械拉伸中的表面接触力，电磁力能使工件的受力更均匀。并且由于电磁力的大小与距离的平方成反比，在胀形过程中对环形件还能起到一定的圆度矫形作用。

附图说明

图1为本发明提供的消除工件残余应力装置的第一实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的消除工件残余应力装置的第一实施例的俯视图；

图3为本发明提供的利用电磁力消除残余应力的方法的原理示意图；

图4为本发明中拉伸量对残余应力消除效果的曲线示意图；

图5为本发明中脉冲电磁力在金属工件内部的分布示意图；

图6为本发明提供的消除工件残余应力装置的第二实施例的结构示意图；

图7为本发明提供的消除工件残余应力装置的第三实施例的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为胀形线圈、2为线圈骨架、3为待加工金属工件、4-1为脉冲电容器、4-2为线路阻抗、4-3为续流回路、5为集磁器、6为上下端板、7为固定螺杆、8为支撑架、9为伸缩杆、10为驱动工件、11为限位环、12为滑动槽、13为钢支撑套。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的缺陷和不足，本发明提出了一种利用脉冲电磁力对金属构件胀形来消除和调控残余应力的方法及装置，其目的在于保持材料强度的同时实现金属构件中残余应力的消除和调控，并且使得残余应力的分布更加均匀。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用脉冲电磁力来消除残余应力的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)通过脉冲电源对脉冲磁体放电；

(2)脉冲磁体在放电过程中会产生强大的脉冲磁场，并在待加工金属工件中感应涡流，进而产生强大的脉冲电磁力；

(3)待加工金属工件在电磁力的作用下与其原有的残余应力叠加产生塑性变形，使残余应力得到释放，从而达到消除残余应力的效果。

更进一步地，脉冲电流在放电后期会呈现出逐渐衰减的波动特性，因此后续电磁力可以为工件提供一定的低频振荡效果，该特性可为残余应力的消除起到增益作用。

更进一步地，强磁场在工件中感应出的涡流会在金属工件上产生焦耳热，并且，材料在通电情况下存在电塑性效应，会导致晶体位错密度的降低，同样有利于减小残余应力。

更进一步地，通过控制脉冲电流的大小可以控制待加工金属工件的塑性变形的程度，进而控制残余应力的减小程度，从而实现残余应力的精确调控。

更进一步地，通过调节线路阻抗控制放电回路的时间常数从而调节放电电流的脉宽，可以控制电磁力的作用深度，从而实现不同区域残余应力分布的调控。

按照本发明的另一方面，提供了一种利用脉冲电磁力消除残余应力的装置，所述装置主要由脉冲电源系统、脉冲磁体系统和工装系统组成：

所述脉冲电源系统用于产生和调节放电回路电流，包括：脉冲电容器、大功率开关、线路电阻、线路电感、续流回路。

所述脉冲磁体系统用于产生脉冲强磁场，包括：胀形线圈、线圈骨架、支撑架、集磁器、驱动工件和待加工工件。所述胀形线圈位于待加工金属工件内部，用于通入电流并产生强磁场；所述线圈骨架紧贴于线圈内表面，用于固定所述胀形线圈；所述支撑架位于所述线圈骨架内部，用于提升线圈骨架强度，防止线圈受力过大而是骨架挤压变形；所述集磁器位于所述胀形线圈和驱动工件或待加工工件之间，用于提升工件上的电磁力水平；所述驱动工件位于线圈或集磁器与待加工工件之间，用于对导电性能较差的待加工工件提供胀形力。

所述工装系统用于引导工件变形方向和变形程度，保持装置的稳定性、安全性，包括：上下端板、限位环、滑动槽、固定螺杆、钢支撑套。所述上下端板用于防止工件胀形时发生不必要的上下抖动，并且为工件的变形提供光洁的滑移接触面，确保不会影响到工件的胀形行为；所述限位环位于工件外侧四周，用于限制工件变形的程度，防止因放电参数误差导致工件变形过大；所述滑动槽用于固定限位环的位置；所述固定螺杆用于实现工件与线圈的同轴安装、调节二者的相对位置，并固定上下端板；所述钢支撑套外套于上下端板之间的固定螺杆上，用于提升螺杆的抗压强度。

更进一步地，续流回路包括续流电阻和二极管，可根据所需下降沿的快慢选择其有无，以及具体的参数。

更进一步地，通过灵活调控线路阻抗、续流电阻等电路参数，可以改变放电电流的振荡频率、时间常数、阻尼系数、峰值大小等特性，以此来改变脉冲电磁力的振荡频率和感应涡流的大小，达到更好的消除与调控残余应力的效果。

更进一步地，胀形线圈位于待加工金属工件内部，可根据工件的高度尺寸，选择适当的匝数和高度，通过调整线圈与工件的高度比例可以改变工件胀形的均匀度。

更进一步地，集磁器能使磁力线沿着它的表面分布，将集磁器的外表面形状设计成与金属工件的内表面形状一致，就能使线圈产生的磁场在金属工件中均匀分布，进而使工件产生均匀的塑性变形。如图6所示，集磁器具有一个从内到外贯通的缝隙，使其不会形成闭环回路，避免在其内部产生涡流。

集磁器的使用使得在不改变线圈结构的情况下就能适应不同形状的工件加工需要，通过设计集磁器的形状，即可在工件内部产生均匀的电磁力。

更进一步地，限位环能够限制工件的变形程度，使其不超过预期的变形大小，同时能够防止工件变形过大导致破裂，影响实验安全；限位环位于滑动槽内，在滑动槽内的不同位置设置相应的卡位点，可以让限位环根据实验预期固定在不同的位置。

更进一步地，由于实验过程中工件的摆放会不可避免地出现不对称的情况，放电时工件两侧所受轴向电磁力会不对称，从而导致端板一侧的固定螺杆会承受巨大的压应力，因此，在上下端板之间的螺杆外侧套上钢支撑套，以增强螺杆的抗压强度，防止工装系统被损坏。

更进一步地，当待加工工件具有良好的导电性能，如铝合金、镁合金、铜合金等，可以直接利用磁体系统所产生的电磁力进行胀形加工；而当待加工工件的导电性能较差时，如合金钢等，可以通过具有良好导电性能的驱动工件作为电磁力的传力介质对待加工工件进行胀形加工。

更进一步地，当一次放电不能达到预期的塑性变形效果时，可以对胀形线圈进行多次放电，分别控制每一次的放电电压，直至达到预期的变形度。

为保证下述的三种实施方式中部件的标号的一致性，在某些实施方式对应的附图中，其标号存在连续的情形，特此说明。

第一实施例

图1为本发明提供的消除工件残余应力装置的第一实施例，图2为该实施例的俯视图。该装置包括：胀形线圈1、线圈骨架2、支撑架8、脉冲电源系统、集磁器5、上下端板6、固定螺杆7、支撑架8、驱动工件10、限位环11、滑动槽12、钢支撑套13。

待加工金属工件3外套于胀形线圈1，通过脉冲电源系统向胀形线圈放电，在线圈中通过脉冲大电流，并在其周围空间中产生脉冲强磁场，进而在待加工金属工件中感应出涡流，涡流与空间中的强磁场相互作用会产生强大的向外的排斥力，集磁器5可以使待加工金属工件内部的电磁力更加均匀。

如图3所示，待加工金属工件中原本存在着各种方向的残余应力，当待加工金属工件受到电磁力后，电磁力与其原有的残余应力相互叠加，超过其屈服强度，从而产生塑性应变，释放了部分残余应力，在放电过程结束后，待加工金属工件中的应力与之前相比会大幅减小，以此达到消除残余应力的效果。

通过设计线圈结构和调节放电电压可以控制工件的塑性变形量。如图4所示，已有研究表明，在机械胀形工艺中，仅1％的变形量就能让残余应力大幅下降，而当变形量超过2％以后，残余应力的消除量变化不再明显，因此，在本实施例中将待加工金属工件的塑性变形量目标设置为2％较为合理。

进一步地，脉冲电源系统包括脉冲电容器4-1、线路阻抗4-2、续流回路4-3。由于在脉冲电源在放电过程中还会产生一定的低频振荡效果，强磁场感应的涡流会引起热效应和电塑性效应，这些都有利于减少残余应力。因此，通过灵活调控线路阻抗、续流电阻等电路参数，可以改变放电电流的振荡频率、时间常数、阻尼系数、峰值大小等特性，来改变脉冲电磁场产生的感应涡流和振荡过程，达到更好的消除残余应力的效果。

进一步地，通过调节线路阻抗控制放电回路的时间常数从而调节放电电流的脉宽，可以控制电磁力的作用深度，从而实现不同区域残余应力分布的调控。如图5所示，在交变电磁场中，金属导体内部的集肤深度δ与导体的电导率γ、磁导率μ、电导率温度系数k、以及角频率ω有关，对于同一种材料，电磁场的交变频率越高，集肤深度越浅，电磁力的作用深度也越小。因此，通过调节放电电流的脉宽可以控制脉冲电磁场的变化频率，进而控制电磁力的作用深度。

进一步地，根据所需变形量的大小，将限位环固定在恰当的位置，可以控制工件变形量不超过预期值的大小。

进一步地，当待加工工件的导电性能较差时，可以在集磁器和待加工工件之间加入一个具有良好导电性能的驱动工件10，以驱动工件作为电磁力的传力介质对待加工工件进行胀形加工。

第二实施例

图6为本发明提供的消除工件残余应力装置的第二实施例，该装置包括：胀形线圈1、线圈骨架2、集磁器5。

脉冲电源向胀形线圈1放电，在线圈中通过脉冲大电流，并在其周围空间中产生脉冲强磁场，进而在待加工金属工件中感应出涡流。与实施例一不同的是，该实施例中的金属工件是不规则形状，因此，将集磁器5的外表面形状设计成与金属工件的内表面形状一致，由于集磁器能使磁力线沿着它的表面分布，就能使线圈产生的磁场在金属工件中均匀分布，其感应的涡流与空间中的强磁场相互作用也会在工件中产生均匀的向外的电磁力，进而使工件产生均匀的塑性变形，达到消除残余应力的效果。

集磁器的使用使得在不改变线圈结构的情况下就能适应不同形状的工件加工需要，通过设计集磁器的形状，即可在工件内部产生均匀的电磁力。

与上述实施例一相同，通过灵活调控线路阻抗、续流电阻等电路参数，可以改变放电电流的振荡频率、时间常数、阻尼系数、峰值大小等特性，来改变脉冲电磁场产生的感应涡流和振荡过程，达到更好的消除残余应力的效果。

第三实施例

图7为本发明提供的消除工件残余应力装置的第三实施例，该装置包括：胀形线圈1、线圈骨架2、伸缩杆9。

该装置适用于对大型金属工件进行加工，使用分布式的线圈结构，将多个线圈1排布在待加工金属工件3的内部，通过脉冲电源对每个线圈放电，在空间中产生脉冲强磁场，进而在待加工金属工件中感应出涡流，与磁场相互作用会产生强大的洛伦兹力，与其原有的残余应力相互叠加，产生塑性应变，释放残余应力。

由于采用阵列线圈排布的方法，降低了单个大线圈的制作成本和使用风险，每个线圈的强度要求和体积大小大幅下降，通过调节线圈的排布方式、方向和数量等因素，可以调节整体变形的能力和均匀性。同时，电源的数量、各个线圈之间的串并联关系，都会影响到工件的胀形效果，通过对上述参数的合理设计和分配，可以提升整个装置的成形能力和能量利用率。

进一步地，图7中的伸缩杆9可以调整线圈与金属工件的距离，如果单次放电不能达到预期的塑性变形效果，可以在每一次成形后调整伸缩杆的长度，使线圈始终保持与工件表面的合适距离，进行多次放电过程，最终达到预期的塑性变形效果。

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 (9)

1.一种利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置，其特征在于，包括：脉冲电源系统、脉冲磁体系统以及工装系统；

所述脉冲电源系统用于产生和调节向脉冲磁体系统放电的脉冲电流；

所述脉冲磁体系统包括：胀形线圈、线圈骨架、支撑架、集磁器以及驱动工件；所述胀形线圈位于待加工金属工件内部，用于通入所述脉冲电流并产生脉冲强磁场，所述脉冲强磁场在金属工件中产生感应涡流，进而对待加工金属工件产生胀形力，所述待加工金属工件在胀形力的作用下与其原有的残余应力叠加产生塑性变形，使残余应力得到释放，从而达到消除残余应力的效果；所述线圈骨架紧贴于胀形线圈内表面，用于固定所述胀形线圈；所述支撑架位于所述线圈骨架内部，用于提升线圈骨架强度，防止胀形线圈受力过大而使线圈骨架挤压变形；所述集磁器位于所述胀形线圈和驱动工件或待加工金属工件之间，用于提升待加工金属工件上的电磁力水平；所述驱动工件导电性能好，当待加工金属工件的导电性能差时，所述驱动工件作为电磁力的传力介质位于胀形线圈或集磁器与待加工金属工件之间，以对待加工金属工件提供胀形力；调节所述脉冲电流的脉宽，控制脉冲电磁力的作用深度，从而实现对不同区域残余应力分布的调控；

所述工装系统包括：上下端板、限位环、滑动槽、固定螺杆、钢支撑套；所述上下端板用于防止待加工金属工件胀形时发生不必要的上下抖动；所述限位环位于待加工金属工件外侧四周，用于限制待加工金属工件变形的程度；所述滑动槽用于固定限位环的位置；所述固定螺杆用于实现待加工金属工件与胀形线圈的同轴安装，并固定上下端板；所述钢支撑套外套于上下端板之间的固定螺杆上，用于提升固定螺杆的抗压强度；所述待加工金属工件的塑性变形量目标设置为2％，所述金属工件为环件。

2.根据权利要求1所述的利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置，其特征在于，所述脉冲电源系统包括：脉冲电容器、大功率开关、线路电阻、线路电感以及续流回路。

3.根据权利要求1所述的利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置，其特征在于，所述胀形线圈可根据待加工金属工件的高度尺寸，选择适当的匝数和高度，以提升对待加工金属工件胀形的均匀度。

4.根据权利要求1所述的利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置，其特征在于，对不同形状的待加工金属工件，设计相应形状的集磁器，即可在待加工金属工件内部产生均匀的电磁力。

5.根据权利要求1所述的利用脉冲电磁力消除工件残余应力的装置，其特征在于，限位环位于滑动槽内，在滑动槽内的不同位置设置相应的卡位点，可以让限位环根据工件的预期变形量固定在不同的位置。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述装置的利用脉冲电磁力消除工件残余应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：通过脉冲电源对脉冲磁体放电；

S2：脉冲磁体在放电过程中会产生脉冲磁场，并在金属工件中产生感应涡流，进而对金属工件产生脉冲电磁力；

S3：金属工件在脉冲电磁力的作用下与其原有的残余应力叠加产生塑性变形，使残余应力得到释放，从而达到消除残余应力的效果；待加工金属工件的塑性变形量目标设置为2％，所述金属工件为环件；调节放电回路的线路阻抗控制放电回路的时间常数从而调节放电脉冲电流的脉宽，控制脉冲电磁力的作用深度，从而实现对不同区域残余应力分布的调控。

7.根据权利要求6所述的利用脉冲电磁力消除工件残余应力的方法，其特征在于，脉冲电磁力在放电后期产生的低频振荡效果、涡流效应在金属工件上产生的焦耳热、金属工件在通电情况下存在的电塑性效应，都能为残余应力的消除起到增益作用。

8.根据权利要求6所述的利用脉冲电磁力消除工件残余应力的方法，其特征在于，通过控制脉冲电源对脉冲磁体放电的脉冲电流的大小控制残余应力的减小程度，从而实现对残余应力的精确调控。

9.根据权利要求6所述的利用脉冲电磁力消除工件残余应力的方法，其特征在于，当一次放电不能达到预期的塑性变形效果时，对金属工件进行多次放电，分别控制每一次的放电电压，直至金属工件达到预期的变形度。

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