CN217895679U

CN217895679U - 一种轴类实芯零件的电磁增韧系统

Info

Publication number: CN217895679U
Application number: CN202221825655.9U
Authority: CN
Inventors: 罗天勇; 王慈宸; 廖颖晴
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-07-14
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2032-07-14

Abstract

本实用新型公开了一种轴类实芯零件的电磁增韧系统，属于零部件加工技术领域，包括顺次连接的控制单元、脉冲电源和线圈，线圈绕制在金属材质的轴类实芯零件上；脉冲电源产生的脉冲电流的上升率大于1.25*10⁸A/s，脉冲电流的幅值大于等于25kA。通过脉冲电源提供的快速上升的直流大脉冲电流使环绕在轴类实芯零件上的线圈产生一个变化的轴向磁场，轴类实芯零件在变化磁场作用下感生出环向电流，环向电流会使零件在轴向磁场中受到较大的均匀径向力，消除零件内裂纹的径向分量，形成环形晶向织构，从而提高零件在受到旋转扭矩时的断裂强度，实现对轴类实芯零件的电磁增韧，提高了零件的使用寿命。

Description

一种轴类实芯零件的电磁增韧系统

技术领域

本实用新型涉及零部件加工技术领域，尤其涉及一种轴类实芯零件的电磁增韧系统。

背景技术

影响国产轴类零件使用寿命的关键在于内部微裂纹存在径向分量，在零件高速旋转时，强大的扭矩会在轴承环向上形成拉应力，当微裂纹存在径向分量时，在切向应力的作用下裂纹会沿着径向生长，最终导致轴承断裂。

传统的径向锻造技术是一种在同一平面上同时对轴类实芯零件施加多个周向均匀分布的打击力的成形方法，径向锻造有锤头打击速度快，变形温降小和可实现全截面细晶锻造等优点。但是径向锻造具有设备复杂，锤头往复运行范围小等缺点，且径向锻造由于采用多个锤头对棒料进行打击，每次打击都只能使棒料受到有限个方向的力，这种方向力从原理上无法保证处处与环向垂直，总是存在径向偏角，这种偏角导致锻造后轴类实芯零件内部的裂纹出现径向分量，在零件高速旋转时，沿切向的应力会导致这样的裂纹扩展，降低零件寿命。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的问题，提供了一种轴类实芯零件的电磁增韧系统。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种轴类实芯零件的电磁增韧系统，所述系统包括顺次连接的控制单元、脉冲电源和线圈，线圈绕制在金属材质的轴类实芯零件上；脉冲电源产生的脉冲电流的上升率大于1.25*108A/s，脉冲电流的幅值大于等于25kA。

在一示例中，所述控制单元连接有高频交流电源，高频交流电源的输出端与线圈连接。

在一示例中，所述轴类实芯零件为非铁磁金属材质的零件。

在一示例中，所述线圈的引出端的进线方式为相切进线或弯折进线。

在一示例中，所述线圈以分层绕制或连续螺旋绕制的方式环绕在轴类实芯零件上。

在一示例中，所述线圈的引出端的进线方式为相切进线，线圈以连续螺旋绕制的方式环绕在轴类实芯零件上。

在一示例中，所述线圈的引出端截面积大于等于4mm2。

在一示例中，所述线圈为铜材质线圈，线圈的引线端为铜材质的引线端。

在一示例中，所述系统还包括夹持装置，夹持装置夹持在轴类实芯零件一端。

在一示例中，所述系统还包括顺次连接的动力装置和传动装置，传动装置输出端与夹持装置连接。

需要进一步说明的是，上述各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

与现有技术相比，本实用新型有益效果是：

1.在一示例中，本实用新型通过脉冲电源提供的快速上升的直流大脉冲电流使环绕在轴类实芯零件上的线圈产生一个变化的轴向磁场，轴类实芯零件在变化磁场作用下感生出环向电流，环向电流会使零件在轴向磁场中受到较大的均匀径向力，消除零件内裂纹的径向分量，从而提高了零件在受到旋转扭矩时的断裂强度，实现对轴类实芯零件的电磁增韧，提高了零件的使用寿命。

2.在一示例中，通过引入高频交流电源对轴类实芯两件进行预加热，降低消除微裂纹径向分量所需的径向应力，从而降低对脉冲电源的峰值功率要求，提高了脉冲电源的利用率。

3.在一示例中，通过动力装置、传动装置和夹持装置的配合，能够使轴类实芯零件各部位均实现增韧处理，最大程度提高零件在受到旋转扭矩时的断裂强度。同时，解决了长轴零件进行全缠绕线圈的电感过高的问题，提高了脉冲电源的利用率。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明一示例中的系统示意图；

图2为本发明优选示例中的系统示意图；

图3为本发明一示例中采用相切进线和螺旋绕制的线圈示意图；

图4为本发明一示例中的进线垂直轴类零件表面示意图；

图5为本发明一示例中采用弯折进线和螺旋绕制的线圈示意图；

图6为本发明一示例中采用相切进线和分层绕制的线圈示意图；

图7为采用本发明系统进行增韧处理的零部件内部的裂纹取向分布情况示意图；

图8为未采用本发明系统进行增韧处理的零部件内部的裂纹取向分布情况示意图；

图9为本发明一示例系统使用方法流程图；

图10为本发明一示例系统优选使用方法流程图。

图中：控制单元1、脉冲电源2、线圈3、零件4、高频交流电源5、夹持装置6、动力装置7、传动装置8、裂纹9。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，使用序数词(例如，“第一和第二”、“第一至第四”等)是为了对物体进行区分，并不限于该顺序，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在一示例中，一种轴类实芯零件4的电磁增韧系统，如图1所示，系统具体包括顺次连接的控制单元1、脉冲电源2和线圈3，线圈3绕制在金属材质的轴类实芯零件4上。其中，控制单元1为PLC、FPGA、单片机、工控机等任意一种，用于控制脉冲电源2的工作状态(开始或者停止工作)。本示例中，控制单元1优选为PLC，PLC的I/O端与脉冲电源2连接。脉冲电源2由充电储能模块和放电模块组成，用于产生快速上升的直流大脉冲电流。本示例中，脉冲电流的上升率大于1.25*10⁸A/s，幅值大于等于25kA，脉冲维持时间小于1ms，且每次放电的时间间隔大于1s，脉冲频率小于1Hz(以为充电模块预留充电时间)，峰值功率大于15MW，对于不同金属材质的轴类实芯零件4，该脉冲电流的上升率和幅值都能使轴类实芯零件4表面产生超过其屈服强度的应力，从而达到消除零件4内部裂纹径向分量的效果。需要说明的是，脉冲电源2产生脉冲电流具体工作原理以及脉冲电源2与控制器的连接方式等是本领域技术人员的公知常识，如公开号为CN102594196A、专利名称一种开关脉冲电源2的控制装置和控制方法公开了脉冲电源2的工作原理、以及主控板与脉冲电源2的连接关系等。

本示例中，绕制在轴类实芯零件4上的线圈3在快速上升的直流大脉冲电流的激励下，产生一个变化的轴向磁场，轴类实芯零件4在变化磁场作用下感生出环向电流，环向电流使零件4在轴向磁场中受到较大的均匀径向力，消除零件4内裂纹的径向分量即微裂纹，从而使零件4内的裂纹在遭受因高速旋转带来的切向应力时不扩展，提高了零件4在受到旋转扭矩时的断裂强度，实现对轴类实芯零件4的电磁增韧，提升了零件4的使用寿命。

需要进一步说明的是，现有技术通过中频脉冲产生的磁场消除零件4应力，是对零部件表面的圆形度或者平整度进行加工处理(会使零件4发生形变)，以提高零件4的使用寿命，与本实用新型的技术原理并不相同。具体地，本实用新型线圈3在快速上升的直流大脉冲电流激励下产生的磁场产生的强应力大于零件4的金属材料的屈服强度，使得轴内部金属材料的晶界发生破坏晶粒取向重整，形成环向织构，相当于在金属内部形成了环绕的纤维结构，宏观上零件4截面不发生形变，轴的径向尺寸不会发生改变，仅改变轴内金属材料的微观组织结构，达到提高断裂因子、增韧延寿的效果。

在一示例中，如图2所示，控制单元1连接有高频交流电源5，高频交流电源5的输出端与线圈3连接。具体地，控制单元1的输出端与高频交流电源5控制连接，高频交流电源5的输出端与线圈3两端连接。控制单元1用于控制高频交流电源5的工作状态；高频交流电源5为线圈3提供交变电流(高频交流电流)，流过线圈3的交变电流产生通过轴类实芯零件4的交变磁场，进而零件4产生涡流进而实现对不同金属材质的零件4预加热处理，且能够达到良好的加热效果，降低消除微裂纹径向分量所需的径向应力，从而降低对脉冲电源2的峰值功率要求，提高了脉冲电源2的利用率。需要说明的是，高频交流电源5产生高频交流电流的具体工作原理以及高频交流电源5与控制器的连接方式等是本领域技术人员的公知常识，如公告号为CN208087687U、专利名称一种用于带钢焊缝热处理的加热装置公开了高频交流电源5的工作原理以及控制器与高频交流电源5的连接关系等。

在一示例中，轴类实芯零件4为非铁磁金属材质的零件，包括不限于铜、不锈钢、铝和钛合金等，电磁感应加热效果好，增韧效果显著。进一步地，轴类实芯零件4的半径范围为5mm-150mm。

在一示例中，线圈3的引出端的进线方式为相切进线或弯折进线。其中，相切进线表示线圈3的引出端沿与线圈所在圆周相切的方向与线圈3直接相连；弯折进线表示线圈3的引出端通过一段弯折后再与线圈3相连。

在一示例中，线圈3以分层绕制或连续螺旋绕制的方式环绕在轴类实芯零件4上。其中，分层绕制表示每层线圈留有空隙，每层线圈与下一层线圈通过金属薄片连接，该金属薄片可以为铜片；连续螺旋绕制表示线圈连续不间断地绕制在轴类实芯零件4周围。

在一示例中，线圈3的引出端有效截面积大于等于4mm²，用于降低电流密度，防止线圈过热，保证线圈材质在机械和电学性能的稳定性。进一步地，线圈可以采用空芯线圈，中间采用水冷或气冷，对线圈进行冷却降温处理。

在一示例中，线圈3为铜材质线圈，线圈3的引线端为铜材质的引线端，能够保证预加热、增韧效果的同时降低了系统成本。

在一示例中，如图2所示，系统还包括夹持装置6，夹持装置6夹持在轴类实芯零件4一端。具体地，夹持装置6为现有夹具，如公告号为CN215966123U、专利名称为一种机械零部件锻造用夹持装置6的实用新型专利中的夹持装置6。优选地，采用具有伸缩功能的夹具。

在一示例中，如图2所示，系统还包括顺次连接的动力装置7和传动装置8，传动装置8输出端与夹持装置6连接。具体地，动力装置7可以为电机、马达等，本示例为步进式电机。传动装置8用于实现位移传动，本示例中传动装置8包括导轨、滑块、丝杆、丝杆螺母座；步进式电机设于导轨一端并与丝杆连接，丝杆置于导轨之间，且丝杆与丝杆螺母座螺纹连接，丝杆螺母座与滑块连接，滑块设于导轨上，由滑块和丝杆螺母座构成的平面上安装有夹持装置6。当电机开始工作，带动丝杆转动进而使丝杆螺母座发生位移，同时丝杆螺母座带动滑块在导轨上移动，进而使夹持装置6发生位移，最终使轴类实芯零件4移动，进而使轴类实芯零件4各部位均能够实现增韧处理，最大程度提高零件4在受到旋转扭矩时的断裂强度。

将上述示例进行组合，且在示例A中，如图3所示，线圈3的引出端的进线方式为相切进线，线圈3以连续螺旋绕制的方式环绕在轴类实芯零件4上。此时，由于如果进线垂直于轴类零件表面如图4所示，会在进线附近的轴类零件表面上感应出径向电流，在感生磁场作用下会产生环向应力，在环向应力作用下轴类零件表面的径向微裂纹会发生裂纹扩展，无法达到理想的增韧效果，因此本发明的线圈进线方式都回避了进线垂直于轴类零件表面的可能，确保在进线口附近不感生出径向电场，从而能够达到最优的增韧效果。本示例中，采用的轴类实芯零件4材料为不锈钢，半径为15mm，加载在线圈3上的电流上升率高于1.25*10⁸A/s且幅值不低于25kA。

将上述示例进行组合，且在示例B中，如图5所示，线圈3的引出端的进线方式为弯折进线，线圈3以连续螺旋绕制的方式环绕在轴类实芯零件4上，且采用轴类实芯零件4材料为不锈钢，半径为15mm，加载在线圈3上的电流上升率高于1.25*10⁸A/s且幅值不低于25kA。

将上述示例进行组合，且在示例B中，如图6所示，线圈3的引出端的进线方式为上下引入弯折进线，同样规避了进线垂直轴类零件表面，线圈3以连续螺旋绕制的方式环绕在轴类实芯零件4上，且采用轴类实芯零件4材料为不锈钢，半径为15mm，加载在线圈3上的电流上升率高于1.25*10⁸A/s且幅值不低于25kA。

将上述示例进行组合，且在示例D中，线圈3的引出端的进线方式为相切进线，即线圈3的引出端与线圈3所在的圆周成相切关系，引出端不经过弯折直接与线圈3相连；采用的线圈3绕制形式为螺旋绕制，即线圈3连续不间断地螺旋缠绕在轴类实芯零件4周围。此时采用的轴类实芯零件4材料有四种，分别为铜，不锈钢，铝和钛合金，半径均为15mm。对于铜材料，加载在线圈3上的电流上升率高于0.5*10⁸A/s且幅值不低于10kA；对于不锈钢材料，加载在线圈3上的电流上升率高于1.25*10⁸A/s且幅值不低于25kA；对于铝材料，加载在线圈3上的电流上升率高于0.85*10⁸A/s且幅值不低于17kA；对于钛合金材料，加载在线圈3上的电流上升率高于1.2*10⁸A/s且幅值不低于24kA。

进一步地，上述示例A-示例D中零件表面应力以及体积力密度如表1所示：

表1各示例零件表面应力以及体积力密度对照表

根据表1中的数据可知，本实用新型示例A-B提供的线圈3的不同进线方式都能在不锈钢锻件表面产生超过310MPa的应力，超过不锈钢的屈服强度，可以达到消除材料内部裂纹径向分量的目的，实现增韧的效果；本实用新型示例A-C提供的线圈3的绕制方式中，螺旋绕制的线圈3能在不锈钢锻件表面产生超过310MPa的应力，而分层绕制的线圈3在相同电流条件下不能产生超过310MPa的应力，螺旋绕线可以达到增韧效果；本实用新型示例D提供的不同材料的轴类实芯零件4，当线圈3采用螺旋绕制时，根据不同金属施加不同上升率和幅值的电流，都能在轴类实芯零件4表面产生超过其屈服强度的应力，从而改善裂纹分布。

本实用新型系统在每次对零件4进行增韧处理时，能够使零件4受到均匀且垂直于环向的力，消除零件4在制造过程中产生的微裂纹9的径向分量，使零件4内形成沿环向的裂纹9，如图7所示，在轴类零件4旋转时，扭矩难以造成该裂纹9的扩展，从而使轴类零件4在高速旋转时拥有较高的断裂强度，以此提高零件4的使用寿命。而未经增韧的轴类零件4内的微裂纹9将很少沿环向分布，如图8所示，在轴类零件4高速旋转时，强大的扭矩会使裂纹9逐渐扩展，最终撕裂零件4，导致零件4寿命下降。

为实现一种轴类实芯零件的电磁增韧系统的工业应用，现对该系统的使用方法进行说明，如图9所示，包括以下步骤：

在金属材质的轴类实芯零件4上绕制线圈3；本步骤中，优选使线圈3紧密围绕在轴类实芯零件4周围。

控制脉冲电源2在线圈上施加上升率大于1.25*10⁸A/s、幅值大于等于25kA的脉冲电流，以对轴类实芯零件4施加均匀径向力，进而实现轴类实芯零件4的增韧处理。其中，本步骤的执行主体为控制单元1，控制单元1使脉冲电源2产生快速上升的直流大脉冲电流，通过环绕在金属材质的轴类实芯零件4上的线圈3产生一个变化的轴向磁场，轴类实芯零件4在变化磁场作用下感生出环向电流，环向电流使零件4在轴向磁场中受到与轴类实芯零件4环向完全垂直的径向力。该径向力可以有效地消除轴类实芯零件4内部裂纹的径向分量，仅保留在扭矩切向应力作用下不发生裂纹扩展的环向分量，以此实现增韧处理。进一步地，在实施本步骤前已经将控制单元1、脉冲电源2、线圈3进行连接并通电，使控制单元1、脉冲电源2处于待机状态。

在一示例中，在线圈3上施加脉冲电流前还包括：

控制高频交流电源5在线圈3上施加高频交流电，以对轴类实芯零件4进行预加热。其中，本步骤的执行主体为控制单元1，且在实施本步骤前，已经将控制单元1、高频交流电源5、线圈3顺次连接并通电，使控制单元1、脉冲电源2处于待机状态。

在一示例中，增韧处理完成后还包括：

控制动力装置7开始工作，使动力装置7依次带动传动装置8、夹持装置6进而使轴类实芯零件4产生位移，重复增韧处理步骤，直至整个轴类实芯零件4完成增韧处理。其中，本步骤的执行主体为控制单元1，且在实施本步骤前，已经将控制单元1、电机、传动装置8、夹持装置6进行连接并通电。

将上述轴类实芯零件4的电磁增韧系统的应用方法进行组合，得到优选增韧方法，如图10所示，具体包括以下步骤：

S1：将轴类实芯零件4的一端夹持在夹持装置6上；

S2：在轴类实芯零件4的另一端周围绕制线圈3，并使线圈3紧密围绕在轴类实芯零件4周围；

S3：将控制单元1与脉冲电源2、高频交流电源5和电机连接；

S4：控制单元1控制高频交流电源5在线圈3上施加一个高频交流电以加热轴类实芯零件4，待零件4温度上升到预设温度时，控制单元1切断高频交流电源5，不再向线圈3提供交流电；其中，温度为预设温度，具体根据不同材质的轴类实芯零件4进行取值，以达到降低所有材质零件4表面的屈服强度的目的。

S5：控制单元1控制脉冲电源2放电，向线圈3施加一上升率大于1.25*10⁸A/s、幅值大于等于25kA的直流脉冲电流，对轴类实芯零件4施加一个作用时间很短但幅值较大的均匀径向力，实现一次增韧；

S6：控制单元1切断脉冲电源2并控制电机动作，步进电机旋转带动传动装置8将零件沿竖直方向送进一段距离，重复S4，直到整个轴类实芯零件4全部增韧完成。

以上具体实施方式是对本实用新型的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种轴类实芯零件的电磁增韧系统，其特征在于：所述系统包括顺次连接的控制单元、脉冲电源和线圈，线圈绕制在金属材质的轴类实芯零件上；脉冲电源产生的脉冲电流的上升率大于1.25*10⁸A/s，脉冲电流的幅值大于等于25kA。

2.根据权利要求1所述的一种轴类实芯零件的电磁增韧系统，其特征在于：所述控制单元连接有高频交流电源，高频交流电源的输出端与线圈连接。

3.根据权利要求1所述的一种轴类实芯零件的电磁增韧系统，其特征在于：所述轴类实芯零件为非铁磁金属材质的零件。

4.根据权利要求1所述的一种轴类实芯零件的电磁增韧系统，其特征在于：所述线圈的引出端的进线方式为相切进线或弯折进线。

5.根据权利要求1所述的一种轴类实芯零件的电磁增韧系统，其特征在于：所述线圈以分层绕制或连续螺旋绕制的方式环绕在轴类实芯零件上。

6.根据权利要求1所述的一种轴类实芯零件的电磁增韧系统，其特征在于：所述线圈的引出端的进线方式为相切进线，线圈以连续螺旋绕制的方式环绕在轴类实芯零件上。

7.根据权利要求1所述的一种轴类实芯零件的电磁增韧系统，其特征在于：所述线圈的引出端截面积大于等于4mm²。

8.根据权利要求1所述的一种轴类实芯零件的电磁增韧系统，其特征在于：所述线圈为铜材质线圈，线圈的引线端为铜材质的引线端。

9.根据权利要求1所述的一种轴类实芯零件的电磁增韧系统，其特征在于：所述系统还包括夹持装置，夹持装置夹持在轴类实芯零件一端。

10.根据权利要求7所述的一种轴类实芯零件的电磁增韧系统，其特征在于：所述系统还包括顺次连接的动力装置和传动装置，传动装置输出端与夹持装置连接。