CN115044755B - 一种基于电磁力的孔动态冷挤压装置及其冷挤压方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁力的孔动态冷挤压装置及其冷挤压方法，属于孔冷挤压技术领域，采用压入式和拉出式两种方式完成孔的动态冷挤压，使用压入式挤压方式时，挤压芯棒不需与驱动头连接，只需放入衬套中，省去了安装与拆卸的工序，节省了时间，提高了工作效率；使用拉出式挤压方式时，由于拉拔芯棒在挤压前已经穿过试件的开孔，且与导向轴相连，因此定位精度高，避免了径向偏差；此外，挤压结束后拉拔芯棒与试件完全脱离，避免了拉拔芯棒或驱动头对试件产生二次损伤，同时便于拉拔芯棒的拆卸；该挤压方式定位精度高，操作简单，安全性好，通过设置初级线圈产生的电磁力控制拉拔芯棒的挤压速度，适用于常规的冷挤压工艺。

Description

一种基于电磁力的孔动态冷挤压装置及其冷挤压方法
技术领域
本发明属于孔冷挤压技术领域，特别是涉及一种基于电磁力的孔动态冷挤压装置及其冷挤压方法。
背景技术
传统孔冷挤压方法会对孔轴向产生不均匀的残余压应力，且在使用时由于挤压阻力过大还会出现卡棒等现象，这就需要使用开缝衬套或润滑油，增加了成本同时降低了生产效率。发表在International journal of fatigue期刊上第148卷106253页的题为“Adynamic cold expansion method to improve fatigue performance of holedstructures based on electromagnetic load”的文章提出了一种基于电磁力加载的动态冷挤压方法，这种方法挤压阻力低，较传统方法提高了孔结构的疲劳寿命。例如申请号为201910510340.1的专利公开了一种基于电磁力加载的孔高速冷挤压装置和方法，使用电磁力驱动芯轴带动芯棒高速穿过被强化孔，实现冷挤压强化，改善了传统冷挤压方式阻力大，易卡棒等问题。
然而，上述现有技术采用压入的方式进行孔冷挤压强化，使用时难以定位且使用过后芯棒难以拆卸，导致使用效率较低，且容易对试件造成二次损伤，工程实用性差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种基于电磁力的孔动态冷挤压装置及其冷挤压方法，其基于实现压入和拉出两种方式转换的基础上，提高了孔动态冷挤压效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于电磁力的孔动态冷挤压装置，包括具有U型内腔的底座以及设置在所述U型内腔内部并经导向轴顺次穿过的初级线圈和缓冲部，所述初级线圈与所述底座固定连接，所述缓冲部一端与所述初级线圈相抵接，另一端抵接在所述U型内腔的底壁上；所述导向轴的两端均伸出所述底座并分别与次级线圈和拉拔芯棒通过螺纹连接，所述次级线圈与压入式冷挤压组件可拆卸连接。
优选地，所述初级线圈的中心设置有用于导向轴穿过的开孔。
优选地，所述压入式冷挤压组件包括依次连接的应力波放大器、驱动头和挤压芯棒。
优选地，所述缓冲部包括第一缓冲装置和第二缓冲装置，所述第一缓冲装置包括顺次连接的第一质量块和第一阻尼器，所述第一缓冲装置包括顺次连接的第二质量块和第二阻尼器，所述第一阻尼器位于所述第一质量块和所述第二质量块之间，所述第一阻尼器抵接在所述第二质量块上，所述第二质量块与第二阻尼器相连接，所述第二阻尼器位于所述第二质量块和所述底座之间，所述第二阻尼器抵接在所述U型内腔的底壁上。
本发明还一种基于上述所述基于电磁力的孔动态冷挤压装置的基于电磁力的孔动态冷挤压方法，压入式冷挤压方法包含如下内容：
步骤一：将挤压芯棒放入试件的开孔处安装的衬套前端后，向前推动驱动头与挤压芯棒紧贴并使挤压芯棒与衬套之间产生预紧力，同时使初级线圈与次级线圈紧贴。
步骤二：计算挤压所需的挤压阻力F：
其中，D为挤压芯棒直径，μ为摩擦系数，EB和EP分别为挤压芯棒和试件的弹性模量，νB和νP分别为挤压芯棒和试件的泊松比，I为相对挤压量，可由I＝(D-d)/d计算得出，其中d为试件的开孔直径；
步骤三：计算当前挤压阻力F对应的充电电压U：
F＝KU2，
其中，K为RLC放电回路常数，可通过试验测得；
步骤四：将充电电压U设定为步骤三中计算出的数值，通过变压器TM1升压后使用M1,M2,D1,D2组成的整流桥通过电阻R1,电感L1对电容C1进行充电储能；
步骤五：C1储能完成后触发晶闸管M3对初级线圈放电，通过产生的电磁力推动次级线圈并带动驱动头向前撞击挤压芯棒，使挤压芯棒穿过试件的开孔，完成冷挤压。
优选地，将所述拉拔芯棒在所述导向轴上卸下。
本发明还一种基于上述所述基于电磁力的孔动态冷挤压装置的基于电磁力的孔动态冷挤压方法，拉出式冷挤压方法包含如下内容：
步骤一：将拉拔芯棒的螺纹一端穿过试件的开孔后与导向轴前端的螺纹连接，并拉动底座，使拉拔芯棒与衬套之间产生预紧力，同时使初级线圈与次级线圈紧贴；
步骤二：计算挤压所需的挤压阻力F：
其中，D为拉拔芯棒12直径，μ为摩擦系数，EB和EP分别为拉拔芯棒和试件的弹性模量，νB和νP分别为拉拔芯棒和试件的泊松比，I为相对挤压量，可由I＝(D-d)/d计算得出，其中d为试件的开孔直径；
步骤三：计算当前挤压阻力F对应的充电电压U：
F＝KU2，
其中，K为RLC放电回路常数，可通过试验测得；
步骤四：将充电电压U设定为步骤三中计算出的数值，通过变压器TM1升压后使用M1,M2,D1,D2组成的整流桥通过电阻R1,电感L1对电容C1进行充电储能；
步骤五：C1储能完成后触发晶闸管M3对初级线圈放电，通过产生的电磁力推动次级线圈并带动拉拔芯棒穿过试件的开孔，并与试件完全脱离，完成冷挤压。
优选地，将所述应力波放大器在所述导向轴上卸下。
本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：
1、本发明中采用压入式和拉出式两种方式完成孔的动态冷挤压，使用压入式挤压方式时，挤压芯棒不需与驱动头连接，只需放入衬套中，省去了安装与拆卸的工序，节省了时间，提高了工作效率；但这种挤压方式会导致挤压芯棒强化后飞出，因此需设置挤压芯棒接收装置；该挤压方式可以尽可能的增加初级线圈产生的电磁力，使挤压芯棒获得尽可能的高的速度，适用于直径10mm以上的大孔，厚径比10以上的深孔以及钛合金等强度较高的难挤压材料。
使用拉出式挤压方式时，由于拉拔芯棒在挤压前已经穿过试件的开孔，且与导向轴相连，因此定位精度高，避免了径向偏差；此外，挤压结束后拉拔芯棒与试件完全脱离，避免了拉拔芯棒或驱动头对试件产生二次损伤，同时便于拉拔芯棒的拆卸；该挤压方式定位精度高，操作简单，安全性好，通过设置初级线圈产生的电磁力控制拉拔芯棒的挤压速度，适用于常规的冷挤压工艺；
2、本发明中使用压入式挤压方式时，拉拔芯棒可从导向轴上卸下，使用拉出式挤压方式时，应力波放大器可从导向轴上卸下，降低结构重量和体积，使操作更加方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的孔动态冷挤压装置；
图2为本发明的孔动态压入式冷挤压的方法；
图3为本发明的孔动态拉出式冷挤压的方法；
图4为本发明中用于产生电磁力的机构；
图5为本发明的实测挤压阻力与传统方法挤压阻力的对比；
图6为本发明挤压后的试件疲劳寿命与传统方法处理的试件疲劳寿命对比；
其中，1-挤压芯棒，2-驱动头，3-应力波放大器，4-次级线圈，5-初级线圈，6-第一质量块，7-底座，8-第一阻尼器，9-第二质量块，10-第二阻尼器，11-导向轴，12-拉拔芯棒，13-衬套，14-试件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至6所示，本发明提供一种基于电磁力的孔动态冷挤压装置，包括具有U型内腔的底座7以及设置在U型内腔内部并经导向轴11顺次穿过的初级线圈5和缓冲部，缓冲部包括第一缓冲装置和第二缓冲装置，第一缓冲装置包括顺次连接的第一质量块6和第一阻尼器8，第一缓冲装置包括顺次连接的第二质量块9和第二阻尼器10，第一阻尼器8位于第一质量块6和第二质量块9之间，第一阻尼器8抵接在第二质量块9上，第二质量块9与第二阻尼器10相连接，第二阻尼器10位于第二质量块9和底座7之间，第二阻尼器10抵接在U型内腔的底壁上，缓冲部一端与初级线圈5相抵接，另一端抵接在U型内腔的底壁上；导向轴11的两端均伸出底座7并分别与次级线圈4和拉拔芯棒12通过螺纹连接，次级线圈4与压入式冷挤压组件可拆卸连接，压入式冷挤压组件包括依次连接的应力波放大器3、驱动头2和挤压芯棒1。
其中，初级线圈5固定于底座7上，用于产生电磁力，且中心开孔用于导向轴11穿过；导向轴11两端分别与次级线圈4和拉拔芯棒12通过螺纹连接，起到导向作用，避免冷挤压强化时产生径向偏差影响挤压质量；次级线圈4两端分别与导向轴11和应力波放大器3通过螺纹固连，用于配合初级线圈5产生电磁力推动与应力波放大器3固连的驱动头2或拉拔芯棒12运动；第一阻尼器8通过螺纹固连于第一质量块6上，形成第一缓冲装置，用于缓冲使用拉拔芯棒12时产生的反作用力；第二阻尼器10通过螺纹固连于第二质量块9上，形成第二缓冲装置，用于缓冲使用挤压芯棒1时产生的反作用力；使用压入式挤压方式时，拉拔芯棒12可从导向轴11上卸下，使用拉出式挤压方式时，应力波放大器3可从导向轴11上卸下，降低结构重量和体积，使操作更加方便。
压入式冷挤压方法包含如下内容：
步骤一：将挤压芯棒1放入试件14的开孔处安装的衬套13前端后，向前推动驱动头2与挤压芯棒1紧贴并使挤压芯棒1与衬套13之间产生预紧力，同时使初级线圈5与次级线圈4紧贴。
步骤二：计算挤压所需的挤压阻力F：
其中，D为挤压芯棒1直径，μ为摩擦系数，EB和EP分别为挤压芯棒1和试件14的弹性模量，νB和νP分别为挤压芯棒1和试件14的泊松比，I为相对挤压量，可由I＝(D-d)/d计算得出，其中d为试件14的开孔直径；
步骤三：计算当前挤压阻力F对应的充电电压U：
F＝KU2，
其中，K为RLC放电回路常数，可通过试验测得；
步骤四：将充电电压U设定为步骤三中计算出的数值，通过变压器TM1升压后使用M1,M2,D1,D2组成的整流桥通过电阻R1,电感L1对电容C1进行充电储能；
步骤五：C1储能完成后触发晶闸管M3对初级线圈5放电，通过产生的电磁力推动次级线圈4并带动驱动头2向前撞击挤压芯棒1，使挤压芯棒1穿过试件14的开孔，完成冷挤压。
拉出式冷挤压方法包含如下内容：
步骤一：将拉拔芯棒12的螺纹一端穿过试件14的开孔后与导向轴11前端的螺纹连接，并拉动底座7，使拉拔芯棒12与衬套13之间产生预紧力，同时使初级线圈5与次级线圈4紧贴；
步骤二：计算挤压所需的挤压阻力F：
其中，D为拉拔芯棒12直径，μ为摩擦系数，EB和EP分别为拉拔芯棒12和试件14的弹性模量，νB和νP分别为拉拔芯棒12和试件14的泊松比，I为相对挤压量，可由I＝(D-d)/d计算得出，其中d为试件14的开孔直径；
步骤三：计算当前挤压阻力F对应的充电电压U：
F＝KU2，
其中，K为RLC放电回路常数，可通过试验测得；
步骤四：将充电电压U设定为步骤三中计算出的数值，通过变压器TM1升压后使用M1,M2,D1,D2组成的整流桥通过电阻R1,电感L1对电容C1进行充电储能；
步骤五：C1储能完成后触发晶闸管M3对初级线圈5放电，通过产生的电磁力推动次级线圈4并带动拉拔芯棒12穿过试件14的开孔，并与试件14完全脱离，完成冷挤压。
本装置的控制系统可以使用专利号为CN202011575984.8的专利中的电磁铆接控制系统来对初级线圈5进行储能放电从而产生电磁力。
参照图5-6，图6中挤压量E0-E3分别代表挤压量为0％，1.5％，3.0％，4.5％。使用本发明的装置和方法进行6061-T6铝合金直径为4mm的孔进行冷挤压，相较于传统方法，可以将挤压阻力降低60％-70％，同时可将试件14的疲劳寿命相较传统方法提高10-50％。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于电磁力的孔动态冷挤压装置，其特征在于，包括具有U型内腔的底座以及设置在所述U型内腔内部并经导向轴顺次穿过的初级线圈和缓冲部，所述初级线圈与所述底座固定连接，所述缓冲部一端与所述初级线圈相抵接，另一端抵接在所述U型内腔的底壁上；所述导向轴的两端均伸出所述底座并分别与次级线圈和拉拔芯棒通过螺纹连接，所述次级线圈与压入式冷挤压组件可拆卸连接；
所述初级线圈的中心设置有用于导向轴穿过的开孔；
所述压入式冷挤压组件包括依次连接的应力波放大器、驱动头和挤压芯棒；
所述缓冲部包括第一缓冲装置和第二缓冲装置，所述第一缓冲装置包括顺次连接的第一质量块和第一阻尼器，所述第二缓冲装置包括顺次连接的第二质量块和第二阻尼器，所述第一阻尼器位于所述第一质量块和所述第二质量块之间，所述第一阻尼器抵接在所述第二质量块上，所述第二质量块与第二阻尼器相连接，所述第二阻尼器位于所述第二质量块和所述底座之间，所述第二阻尼器抵接在所述U型内腔的底壁上。
2.一种基于权利要求1所述基于电磁力的孔动态冷挤压装置的基于电磁力的孔动态冷挤压方法，其特征在于，压入式冷挤压方法包含如下内容：
步骤一：将挤压芯棒放入试件的开孔处安装的衬套前端后，向前推动驱动头与挤压芯棒紧贴并使挤压芯棒与衬套之间产生预紧力，同时使初级线圈与次级线圈紧贴；
步骤二：计算挤压所需的挤压阻力F：
其中，D为挤压芯棒直径，μ为摩擦系数，EB和EP分别为挤压芯棒和试件的弹性模量，νB和νP分别为挤压芯棒和试件的泊松比，I为相对挤压量，可由I＝(D-d)/d计算得出，其中d为试件的开孔直径；
步骤三：计算当前挤压阻力F对应的充电电压U：
F＝KU2，
其中，K为RLC放电回路常数，可通过试验测得；
步骤四：将充电电压U设定为步骤三中计算出的数值，通过变压器TM1升压后使用M1,M2,D1,D2组成的整流桥通过电阻R1,电感L1对电容C1进行充电储能；
步骤五：C1储能完成后触发晶闸管M3对初级线圈放电，通过产生的电磁力推动次级线圈并带动驱动头向前撞击挤压芯棒，使挤压芯棒穿过试件的开孔，完成冷挤压。
3.根据权利要求2所述的基于电磁力的孔动态冷挤压方法，其特征在于，将所述拉拔芯棒在所述导向轴上卸下。
4.一种基于权利要求1所述基于电磁力的孔动态冷挤压装置的基于电磁力的孔动态冷挤压方法，其特征在于，拉出式冷挤压方法包含如下内容：
步骤一：将拉拔芯棒的螺纹一端穿过试件的开孔后与导向轴前端的螺纹连接，并拉动底座，使拉拔芯棒与衬套之间产生预紧力，同时使初级线圈与次级线圈紧贴；
步骤二：计算挤压所需的挤压阻力F：
其中，D为拉拔芯棒12直径，μ为摩擦系数，EB和EP分别为拉拔芯棒和试件的弹性模量，νB和νP分别为拉拔芯棒和试件的泊松比，I为相对挤压量，可由I＝(D-d)/d计算得出，其中d为试件的开孔直径；
步骤三：计算当前挤压阻力F对应的充电电压U：
F＝KU2，
其中，K为RLC放电回路常数，可通过试验测得；
步骤四：将充电电压U设定为步骤三中计算出的数值，通过变压器TM1升压后使用M1,M2,D1,D2组成的整流桥通过电阻R1,电感L1对电容C1进行充电储能；
步骤五：C1储能完成后触发晶闸管M3对初级线圈放电，通过产生的电磁力推动次级线圈并带动拉拔芯棒穿过试件的开孔，并与试件完全脱离，完成冷挤压。
5.根据权利要求4所述的基于电磁力的孔动态冷挤压方法，其特征在于，将所述应力波放大器在所述导向轴上卸下。
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