專利名稱：一種采用小球墊模的電磁脈沖強(qiáng)化和成形裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械成型技術(shù)領(lǐng)域，涉及板材強(qiáng)化和成形，具體地說，是指一種針對(duì)蒙皮壁板類構(gòu)件的采用小球墊模的電磁脈沖強(qiáng)化和成形裝置。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)的蒙皮 壁板構(gòu)件的強(qiáng)化主要采用噴丸強(qiáng)化技術(shù)；蒙皮壁板構(gòu)件的成形主要采用拉形、噴丸成形、時(shí)效成形技術(shù)。一方面，這些成形技術(shù)強(qiáng)烈地依賴工藝裝備。由于裝備加工能力限制，特別是對(duì)一些大型構(gòu)件，不得不分解成小型構(gòu)件分別成形后連接在一起，極大地降低了構(gòu)件的整體性能；或者采用大型裝備，這又給裝備制造業(yè)提出了極大的挑戰(zhàn)。另一方面，這類成形技術(shù)在坯料和模具之間存在強(qiáng)烈的摩擦和材料變形的不均勻性，不僅降低了材料的變形極限，而且殘余應(yīng)力大，影響構(gòu)件的服役性能，對(duì)難成形的輕合金材料尤為突出。因此，研究蒙皮壁板類構(gòu)件的強(qiáng)化和成形新技術(shù)一直以來備受人們關(guān)注。美國授權(quán)公告號(hào)為US005813265A專利，發(fā)明名稱為:Balanced ElectromagneticPeening0該專利涉及一種電磁噴丸裝置,該裝置包含兩個(gè)電磁線圈。使用時(shí)，將兩個(gè)線圈分開固定在工件相反的兩個(gè)表面上，通過電源給線圈提供能量產(chǎn)生電磁力，電磁力使工件表面產(chǎn)生一定的塑性變形，從而影響工件表面的壓應(yīng)力層而達(dá)到強(qiáng)化工件表面的效果，但是該方法不適用于蒙皮壁板類構(gòu)件。美國授權(quán)公告號(hào)為US007378622B2專利，發(fā)明名稱為:System and Method forElectromagnetic Pulse Surface Treatment。該專利涉及一種在電磁脈沖作用下對(duì)工件表面進(jìn)行處理的系統(tǒng)及方法，設(shè)計(jì)目的主要針對(duì)工件表面的強(qiáng)化要求，克服噴丸強(qiáng)化的缺點(diǎn)，并從有限元分析的角度說明其發(fā)明實(shí)施的可行性，但沒有實(shí)際應(yīng)用的說明，此外，也并非針對(duì)蒙皮壁板類構(gòu)件的強(qiáng)化和成形。蒙皮壁板類構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)對(duì)促進(jìn)航空航天運(yùn)載器技術(shù)的發(fā)展有著重大的支撐作用，因此，蒙皮壁板類構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)備受航空航天業(yè)的重視，專家們一直致力于探索如何改進(jìn)現(xiàn)有大型蒙皮成形技術(shù)的不足或提出新的工藝方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用小球墊模的電磁脈沖強(qiáng)化和成形的裝置，適用于蒙皮壁板類構(gòu)件，應(yīng)用所述裝置進(jìn)行強(qiáng)化和成形，具有操作簡(jiǎn)單、易于控制、方便快捷等特點(diǎn)，能夠克服現(xiàn)有成形方法的不足。本發(fā)明提供一種小球墊模電磁脈沖強(qiáng)化和成形的裝置，該裝置可以將電磁脈沖成形及噴丸成形相結(jié)合，針對(duì)蒙皮壁板類零件的強(qiáng)化和成形進(jìn)行設(shè)計(jì)。所述裝置主要包括小球墊模、柔性墊層、電磁線圈、電磁脈沖動(dòng)力源和控制系統(tǒng)。所述的小球墊模上鋪設(shè)柔性墊層，柔性墊層上鋪設(shè)蒙皮壁板類毛坯，在蒙皮壁板類毛坯上方設(shè)置電磁線圈，所述的電磁線圈通過導(dǎo)線連接電磁脈沖動(dòng)力源。所述的控制系統(tǒng)包括電路控制和機(jī)械控制兩部分，其中電路控制部分連接電磁脈沖動(dòng)力源，機(jī)械部分連接小球墊模和電磁線圈的驅(qū)動(dòng)裝置。所述的小球墊模通過金屬小球鋪設(shè)于模具型腔的底部形成。所述控制系統(tǒng)的機(jī)械部分包括調(diào)節(jié)蒙皮壁板類毛坯位置的橫向絲杠A和縱向絲杠A，蒙皮壁板類毛坯由夾持機(jī)構(gòu)固定邊緣，縱向絲杠A和橫向絲杠A相互垂直，驅(qū)動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)在工作臺(tái)平面上的運(yùn)動(dòng)。所述機(jī)械部分還包括調(diào)節(jié)電磁線圈位置的橫向絲杠B和縱向絲杠B，電磁線圈固定在線圈支架上，橫向絲杠B和縱向絲杠B相互垂直，并驅(qū)動(dòng)線圈支架運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電磁線圈相對(duì)于蒙皮壁板類毛坯的位置調(diào)整。本發(fā)明提供一種針對(duì)蒙皮壁板類構(gòu)件的強(qiáng)化和成形裝置，與現(xiàn)有強(qiáng)化和成形工藝相比，主要有益效果如下:(I)在電磁線圈產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)力及小球墊模的支撐力雙重作用下，使蒙皮壁板類毛坯的上下表面均得到一定深度的壓應(yīng)力層，起到強(qiáng)化蒙皮，提高疲勞壽命的作用。(2)與電磁線圈相對(duì)的蒙皮壁板類毛坯表面在成形過程中無機(jī)械接觸；與小球墊模相對(duì)的蒙皮壁板類毛坯表面，由于小球墊模上的橡膠墊層的緩沖作用減小蒙皮壁板類毛坯表面的局部機(jī)械摩擦，從而使蒙皮壁板類毛坯具有良好的表面質(zhì)量不會(huì)降低疲勞壽命。(3)可以簡(jiǎn)化工藝。施加在蒙皮壁板類毛坯上的脈沖磁場(chǎng)力使蒙皮壁板類毛坯獲得很大的加速度，具有很高的慣性力，有助于分散蒙皮壁板類毛坯變形、抑制變形集中化。因此采用本裝置進(jìn)行蒙皮壁板類零件的加工時(shí)，蒙皮壁板類毛坯的熱處理狀態(tài)可直接選用使用態(tài)的，從而減少或消除傳統(tǒng)加工工藝中的預(yù)處理、中間熱處理或最終熱處理等環(huán)節(jié)。(4)本發(fā)明采用的小球墊模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)。(5)相比僅采用電磁脈沖磁場(chǎng)力進(jìn)行蒙皮壁板類構(gòu)件的強(qiáng)化和成形，本裝置所采用的電磁脈沖設(shè)備的能量較小，從而降低成本、節(jié)約能源，同時(shí)電磁線圈的壽命也會(huì)得到提高；相比使用傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化和成形蒙皮類零件的裝置，本發(fā)明不需要大型的、昂貴的數(shù)控噴丸成形設(shè)備，而且工作環(huán)境也得到改善。(6)蒙皮壁板類毛坯與電磁線圈及小球墊模的相對(duì)位置易于調(diào)整，方便獲得不同曲率要求的蒙皮壁板類工件。


圖1是本發(fā)明提供的采用小球墊模的電磁脈沖強(qiáng)化和成形方法的實(shí)現(xiàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明提供的實(shí)現(xiàn)裝置中小球墊模的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明提供的采用小球墊模電磁脈沖強(qiáng)化和成形方法流程圖。圖4是利用本發(fā)明方法得到的試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是用于蒙皮壁板類毛坯與小球墊模相對(duì)位置調(diào)整的機(jī)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖；圖6是用于電磁線圈與蒙皮壁板類毛坯相對(duì)位置調(diào)整的機(jī)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖；圖7是采用本發(fā)明提供的方法得到的試驗(yàn)件的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
電磁脈沖成形是利用磁場(chǎng)力使金屬坯料變形的高速率成形方法。電磁脈沖成形時(shí)，金屬坯料放置于電磁線圈和模具之間。電磁線圈連接一儲(chǔ)能電容器組，儲(chǔ)能電容器組由充電回路充電，然后通過放電回路對(duì)電磁線圈放電，電磁線圈產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng),脈沖磁場(chǎng)在金屬坯料上產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流又產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)磁場(chǎng)。放電瞬間，金屬坯料上感應(yīng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)和電磁線圈產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)相互作用，使金屬坯料受到背離電磁線圈的磁場(chǎng)力而成形所需工件。噴丸成形是利用高速的球形彈丸噴射工件表面層，使受撞擊的表面及下層金屬材料產(chǎn)生應(yīng)力層。使板料逐步發(fā)生向受噴表面凸起的彎曲變形而得到所需的外形。受噴表面的殘余壓應(yīng)力層起到強(qiáng)化效果，提高工件的疲勞壽命，也就是噴丸強(qiáng)化。對(duì)大型蒙皮噴丸成形的應(yīng)用主要存在兩個(gè)方面的困難，一是設(shè)備問題，即需要大型的數(shù)控噴丸設(shè)備；二是工藝問題，即影響噴丸強(qiáng)化和成形的工藝參數(shù)較多，因此很大程度上要依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和工藝試驗(yàn)確定工藝參數(shù)。此外，進(jìn)行噴丸強(qiáng)化和成形的工作環(huán)境相對(duì)較差。脈沖電磁力無需通過傳力介質(zhì)施加于板料，這極大降低了成形過程的摩擦效應(yīng)和不均勻變形。相對(duì)于傳統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)成形方法，電磁脈沖成形時(shí)材料應(yīng)變率高( 103-105/s)，可以提高材料的塑性變形能力和變形均勻性，有利于減少零件回彈，提高零件成形精度。此夕卜，脈沖電磁力可無級(jí)調(diào)整，并可根據(jù)零件金屬流動(dòng)特點(diǎn)在空間上施加有利于變形的脈沖電磁力，以利于復(fù)雜、難變形材料的成形。但目前電磁成形設(shè)備能量不夠大，能量利用率只有10-20%，最高不超過40%，因此單純利用電磁脈沖加工大型蒙皮壁板類難變形金屬零件還存在一定的困難。本發(fā)明將 電磁脈沖成形和噴丸成形相結(jié)合，提供一種采用小球墊模的電磁脈沖強(qiáng)化和成形裝置。如圖1所示，所述的裝置主要包括小球墊模2、柔性墊層3、電磁線圈4和電磁脈沖動(dòng)力源5。所述小球墊模2為蒙皮壁板類毛坯I提供支撐和形成微型凹模型腔，通過金屬小球201緊密鋪設(shè)于模具型腔的底部中形成，小球墊模2的主體部分為相鄰球狀突起形成的支撐結(jié)構(gòu)，如圖2，模具型腔底部具有小孔，小孔內(nèi)安裝金屬小球201，小孔直徑小于金屬小球201直徑。在電磁線圈4產(chǎn)生的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)力作用下，在蒙皮壁板類毛坯I受脈沖磁場(chǎng)力運(yùn)動(dòng)時(shí)金屬小球201對(duì)蒙皮壁板類毛坯I起到局部擠壓作用，由于作用面積小，產(chǎn)生的壓應(yīng)力比較大，同時(shí)利用各金屬小球201所形成的微型凹模型腔作用，使蒙皮壁板類毛坯I發(fā)生彈、塑性變形，從而使蒙皮壁板類毛坯I得到強(qiáng)化和產(chǎn)生變形。 在所述小球墊模2上鋪設(shè)柔性墊層3，柔性墊層3上鋪設(shè)需要加工的蒙皮壁板類毛坯I，在蒙皮壁板類毛坯I上設(shè)置電磁線圈4，電磁線圈4通過導(dǎo)線連接到電磁脈沖動(dòng)力源5，利用電磁脈沖動(dòng)力源5提供的脈沖強(qiáng)電流產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，在蒙皮壁板類毛坯I表面上產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)力。所述的柔性墊層3可采用橡膠層構(gòu)成，放置于小球墊模2上，用于直接接觸并支撐蒙皮壁板類毛坯I。蒙皮壁板類毛坯I受瞬間脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)力作用而發(fā)生變形時(shí)，由于柔性墊層3的緩沖作用，避免蒙皮壁板類毛坯I上形成劇烈的形貌變化，而改善蒙皮壁板類毛坯I的表面質(zhì)量。所述的柔性墊層3的厚度可根據(jù)有限元分析和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化選擇，如本例中選擇柔性墊層3厚度為1.5_。所述的電磁脈沖動(dòng)力源5包括儲(chǔ)能電容器組501和高壓電源502，為電磁線圈4提供脈沖強(qiáng)電流；如圖1所示，所述的電磁線圈4與高壓電源502之間導(dǎo)線連接儲(chǔ)能電容器組501,并且還在儲(chǔ)能電容器組501和電磁線圈4中間設(shè)置有一個(gè)開關(guān)6,用于對(duì)電磁線圈4進(jìn)行電壓操作控制。所述的控制系統(tǒng)7包括電路控制和機(jī)械控制兩部分。其中電路控制部分用于控制電磁脈沖動(dòng)力源5的充、放電電壓參數(shù)，與儲(chǔ)能電容器組501和高壓電源502連接。機(jī)械控制部分用于蒙皮壁板類毛坯I與小球墊模2的相對(duì)位置調(diào)整，以及電磁線圈4與蒙皮壁板類毛坯I相對(duì)位置的調(diào)整。如圖5，蒙皮壁板類毛坯I由夾持機(jī)構(gòu)101固定邊緣，采用縱向絲杠AS驅(qū)動(dòng)蒙皮壁板類毛坯I的夾持機(jī)構(gòu)101相對(duì)工作臺(tái)(小球墊模)縱向運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)蒙皮壁板類毛坯I相對(duì)與小球墊模2之間的縱向相對(duì)位置；采用橫向絲杠A9驅(qū)動(dòng)蒙皮壁板類毛坯I的夾持機(jī)構(gòu)101帶動(dòng)蒙皮壁板類毛坯I相對(duì)工作臺(tái)橫向運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)蒙皮壁板類毛坯I相對(duì)于小球墊模2之間的橫向相對(duì)位置。橫向絲杠A9和縱向絲杠A8的運(yùn)動(dòng)復(fù)合實(shí)現(xiàn)蒙皮壁板類毛坯I相對(duì)于小 球墊模2在水平面內(nèi)位置的調(diào)整。如圖6，電磁線圈4由另外一組橫向絲杠B401和縱向絲杠B402驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電磁線圈4相對(duì)蒙皮壁板類毛坯I的位置的調(diào)整，所述的橫向絲杠A9、橫向絲杠B401、縱向絲杠A8和縱向絲杠B402的位移均由控制系統(tǒng)控制。電磁線圈4固定在線圈支架403上，橫向絲杠B401和縱向絲杠B402分別相互垂直并連接在線圈支架403上，由控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橫向絲杠B401和縱向絲杠B402的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電磁線圈4相對(duì)于蒙皮壁板類毛坯I的位置調(diào)整。根據(jù)上述的裝置，進(jìn)行蒙皮壁板類毛坯的強(qiáng)化和成形，具體工藝流程如圖3所示，具體方法如下:(I)根據(jù)工件蒙皮壁板類毛坯要求，確定蒙皮壁板類毛坯I形狀及尺寸、選擇小球墊模2上小球201 (球形彈丸)及橡膠墊層3、設(shè)計(jì)電磁線圈4擊打路徑及充放電參數(shù)(放電電壓，電磁線圈4形狀及尺寸，橡膠墊層3的類型和厚度，小球墊模2上小球201的直徑，小球墊模2的尺寸)。(2)按照蒙皮壁板類毛坯I尺寸下料，將蒙皮壁板類毛坯1、小球墊模2、橡膠墊層3及電磁線圈4進(jìn)行裝夾固定。(3)開關(guān)6斷開，利用控制系統(tǒng)7調(diào)定儲(chǔ)能電容器組501的電壓并充電。(4)閉合附圖1中的開關(guān)6，將電磁線圈4與電磁脈沖動(dòng)力源5接通，進(jìn)行放電操作。該實(shí)現(xiàn)裝置的加工力來源與傳統(tǒng)電磁成形一樣，都是電容瞬時(shí)放電形成的脈沖磁場(chǎng)力。加工部分的小球墊模2內(nèi)的金屬小球201的作用類似于噴丸的彈丸。但由于金屬小球201是固定的，需要通過調(diào)整蒙皮壁板類毛坯I和小球墊模2的相對(duì)位置來提高金屬小球201與蒙皮壁板類毛坯I相互作用的面積覆蓋率。(4)按照附圖3的流程圖進(jìn)行強(qiáng)化和成形路徑的判斷，在控制系統(tǒng)的控制作用下，如果已經(jīng)得到最終工件形狀，則完成強(qiáng)化和成形過程，得到所需的工件；如果還沒有得到最終的工件形狀，則調(diào)整電磁線圈或小球墊模位置，返回步驟(3)。圖4為利用本裝置成形的試驗(yàn)件，對(duì)所得試驗(yàn)件進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)擬合，得到如表I數(shù)據(jù)和如圖7所示曲線。該試驗(yàn)件坯料規(guī)格為482X120X1.8mm的A12024-T3。放電電壓為2000V，蓄電池電容2400 μ F，柔性墊層厚度1.5mm。成形工件最大弧高7.3mm,弦長跨度480mm，計(jì)算曲率半徑3948.9mm。與傳統(tǒng)拉形相比，本發(fā)明得到的試驗(yàn)件形狀穩(wěn)定，幾乎無回彈，材料利用率高，可達(dá)到少無切削加工。此外，本試驗(yàn)件熱處理狀態(tài)為使用態(tài)，而傳統(tǒng)拉形一般需要采用易于塑性變形的退火態(tài)，成形后再進(jìn)行淬火處理得到使用所需的熱處理狀態(tài)。與傳統(tǒng)噴丸相比，本試驗(yàn)件不需要復(fù)雜的噴丸設(shè)備和工藝，且工作環(huán)境良好。因此，利用本發(fā)明裝置進(jìn)行蒙皮壁板類構(gòu)件的成形效果優(yōu)良。表I成形工件撓度曲線數(shù)據(jù)I (mm)
權(quán)利要求
1.一種采用小球墊模的電磁脈沖強(qiáng)化和成形裝置，其特征在于:所述裝置包括小球墊模、柔性墊層、電磁線圈、電磁脈沖動(dòng)力源和控制系統(tǒng)；所述的小球墊模上鋪設(shè)柔性墊層，柔性墊層上鋪設(shè)蒙皮壁板類毛坯，在蒙皮壁板類毛坯上方設(shè)置電磁線圈，所述的電磁線圈通過導(dǎo)線連接電磁脈沖動(dòng)力源；所述的控制系統(tǒng)包括電路控制和機(jī)械控制兩部分，其中電路控制部分連接電磁脈沖動(dòng)力源，機(jī)械部分連接小球墊模和電磁線圈的驅(qū)動(dòng)裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用小球墊模的電磁脈沖強(qiáng)化和成形裝置，其特征在于:所述的小球墊模通過金屬小球鋪設(shè)于模具型腔的底部形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種采用小球墊模的電磁脈沖強(qiáng)化和成形裝置，其特征在于:所述的模具型腔底部具有小孔，小孔內(nèi)安裝金屬小球，形成對(duì)柔性墊層的支撐；小孔直徑小于金屬小球直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用小球墊模的電磁脈沖強(qiáng)化和成形裝置，其特征在于:所述的驅(qū)動(dòng)裝置包括調(diào)節(jié)蒙皮壁板類毛坯位置的橫向絲杠A和縱向絲杠A，蒙皮壁板類毛坯由夾持機(jī)構(gòu)固定邊緣，縱向絲杠A和橫向絲杠A相互垂直，驅(qū)動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)在工作臺(tái)平面上的運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用小球墊模的電磁脈沖強(qiáng)化和成形裝置，其特征在于:所述的驅(qū)動(dòng)裝置還包括調(diào)節(jié)電磁線圈位置的橫向絲杠B和縱向絲杠B，電磁線圈固定在線圈支架上，橫向絲杠B和縱向絲杠B相互垂直，并驅(qū)動(dòng)線圈支架運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電磁線圈相對(duì)于蒙皮壁板類毛坯的位置調(diào)整。`
全文摘要
本發(fā)明公開一種采用小球墊模的電磁脈沖強(qiáng)化和成形裝置。所述裝置主要包括小球墊模、柔性墊層、電磁線圈、電磁脈沖動(dòng)力源和控制系統(tǒng)。所述的小球墊模上鋪設(shè)柔性墊層，柔性墊層上鋪設(shè)蒙皮壁板類毛坯，電磁線圈通過導(dǎo)線連接電磁脈沖動(dòng)力源。所述的控制系統(tǒng)連接電磁脈沖動(dòng)力源和小球墊模與電磁線圈的驅(qū)動(dòng)裝置。本發(fā)明在電磁線圈產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)力及小球墊模的支撐力雙重作用下，使蒙皮壁板類毛坯的上下表面均得到一定深度的壓應(yīng)力層，起到強(qiáng)化蒙皮壁板，提高疲勞壽命的作用。采用本裝置進(jìn)行蒙皮壁板類零件的加工時(shí)，蒙皮壁板類毛坯的熱處理狀態(tài)可直接選用使用態(tài)的，從而減少或消除傳統(tǒng)加工工藝中的預(yù)處理、中間熱處理或最終熱處理等環(huán)節(jié)。
文檔編號(hào)C21D7/06GK103173596SQ201310018610
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者吳向東, 萬敏, 王文平, 熊威人, 陳曉偉 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)