一种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形方法技术

本发明专利技术公开一种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形方法。根据工件要求，确定蒙皮壁板类毛坯的形状及尺寸，选择小球垫模、柔性垫层及厚度，设计电磁线圈击打路径及充放电参数；然后将蒙皮壁板类毛坯、小球垫模、柔性垫层及电磁线圈进行装夹固定；通过对电磁线圈充、放电操作，电磁线圈产生的磁场力和小球垫模中小球的共同作用对蒙皮壁板类毛坯进行强化和成形，不断调整电磁线圈和小球垫模位置，直到得到最终工件形状。采用本方法进行蒙皮壁板类零件的加工时，蒙皮壁板类毛坯的热处理状态可直接选用使用态，从而减少或消除传统加工工艺中的预处理、中间热处理或最终热处理等环节；蒙皮壁板类毛坯具有良好的表面质量，疲劳寿命得到提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械成型
，涉及板材强化和成形，具体地说，是指一种针对蒙皮壁板类构件的采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形方法。
技术介绍
目前国内的蒙皮壁板构件的强化主要采用喷丸强化技术；蒙皮壁板构件的成形主要采用拉形、喷丸成形、时效成形技术。一方面，这些成形技术强烈地依赖工艺装备。由于装备加工能力限制，特别是对一些大型构件，不得不分解成小型构件分别成形后连接在一起，极大地降低了构件的整体性能；或者采用大型装备，这又给装备制造业提出了极大的挑战。另一方面，这类成形技术在坯料和模具之间存在强烈的摩擦和材料变形的不均匀性，不仅降低了材料的变形极限，而且残余应力大，影响构件的服役性能，对难成形的轻合金材料尤为突出。因此，研究蒙皮壁板类构件的强化和成形新技术一直以来备受人们关注。美国授权公告号为US005813265A专利，专利技术名称为:Balanced ElectromagneticPeening0该专利涉及一种电磁喷丸装置,该装置包含两个电磁线圈。使用时，将两个线圈分开固定在工件相反的两个表面上，通过电源给线圈提供能量产生电磁力，电磁力使工件表面产生一定的塑性变形，从而影响工件表面的压应力层而达到强化工件表面的效果，但是该方法不适用于蒙皮壁板类构件。美国授权公告号为US007378622B2专利，专利技术名称为:System and Method forElectromagnetic Pulse Surface Treatment。该专利涉及一种在电磁脉冲作用下对工件表面进行处理的系统及方法，设计目的主要针对工件表面的强化要求，克服喷丸强化的缺点，并从有限元分析的角度说明其专利技术实施的可行性，但没有实际应用的说明，此外，也并非针对蒙皮壁板类构件的强化和成形。蒙皮壁板类构件的先进制造技术对促进航空航天运载器技术的发展有着重大的支撑作用，因此，蒙皮壁板类构件的先进制造技术备受航空航天业的重视，专家们一直致力于探索如何改进现有大型蒙皮壁板成形技术的不足或提出新的工艺方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形的方法，适用于蒙皮壁板类构件，该方法具有操作简单、易于控制、方便快捷等特点，能够克服现有成形方法的不足。本专利技术提供一种小球垫模电磁脉冲强化和成形的方法，该方法基于电磁脉冲成形及喷丸原理，将电磁脉冲成形原理和喷丸强化原理结合起来，针对蒙皮壁板类零件的强化和成形方法进行设计，所述方法包括如下步骤:第一步，根据工件要求，确定蒙皮壁板类毛坯的形状及尺寸，选择小球垫模及柔性垫层厚度，设计电磁线圈击打路径及充放电参数。第二步，根据第一步中的设计，将蒙皮壁板类毛坯、小球垫模、柔性垫层及电磁线圈进行装夹固定。所述的装夹固定具体为:小球铺设于模具型腔中形成小球垫模，在小球垫模上依次铺设柔性垫层、蒙皮壁板类毛坯和电磁线圈。第三步，对电磁线圈充电。 第四步，电磁线圈放电，电磁线圈产生的磁场力和小球垫模中小球的共同作用对蒙皮壁板类毛坯进行强化和成形。第五步，如果得到最终工件形状，则结束；否则，通过控制系统调整电磁线圈和小球垫模位置，返回第三步。本专利技术提供一种针对蒙皮壁板类构件的强化和成形方法，与现有强化和成形工艺相比，主要有益效果如下:(I)在电磁线圈产生的脉冲磁场力及小球垫模的支撑力双重作用下，使蒙皮壁板类毛坯的上下表面均得到一定深度的压应力层，起到强化蒙皮壁板类构件，提高疲劳寿命的作用。(2)与电磁线圈相对的蒙皮壁板类毛坯表面在成形过程中无机械接触；与小球垫模相对的蒙皮壁板类毛坯表面，由于小球垫模上的柔性垫层的缓冲作用减小蒙皮壁板类毛坯表面的局部机械摩擦，从而使蒙皮壁板类毛坯具有良好的表面质量不会降低疲劳寿命。(3)可以简化工艺。施加在蒙皮壁板类毛坯上的脉冲磁场力使蒙皮壁板类毛坯获得很大的加速度，具有很高的惯性力，有助于分散蒙皮壁板类毛坯变形、抑制变形集中化。因此采用本方法进行蒙皮壁板类零件的加工时，蒙皮壁板类毛坯的热处理状态可直接选用使用态的，从而减少或消除传统加工工艺中的预处理、中间热处理或最终热处理等环节。(4)本专利技术采用的小球垫模结构简单、通用性强。(5)相比仅采用电磁脉冲磁场力进行蒙皮壁板类构件的强化和成形，本方法所需电磁脉冲设备的能量较小，从而降低成本、节约能源，同时电磁线圈的寿命也会得到提高；相比使用传统喷丸强化和成形蒙皮壁板类零件的方法，本方法不需要大型的、昂贵的数控喷丸成形设备，而且工作环境也得到改善。(6)蒙皮壁板类毛坯与电磁线圈及小球垫模的相对位置易于调整，方便获得不同曲率要求的蒙皮壁板类零件。附图说明图1是本专利技术提供的采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形方法的实现装置的整体结构示意图；图2是本专利技术提供的实现装置中小球垫模的结构示意图；图3是本专利技术提供的采用小球垫模电磁脉冲强化和成形方法流程图。图4是利用本专利技术方法得到的试验件结构示意图；图5是用于蒙皮壁板类毛坯与小球垫模的相对位置调整的机构示意简图；图6是用于电磁线圈与蒙皮壁板类毛坯相对位置调整的机构示意简图；图7是采用本专利技术提供的方法得到的试验件的测量数据进行拟合得到的曲线。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。电磁脉冲成形是利用磁场力使金属坯料变形的高速率成形方法。电磁脉冲成形时，金属坯料放置于电磁线圈和模具之间。电磁线圈连接一储能电容器组，储能电容器组由充电回路充电，然后通过放电回路对电磁线圈放电，电磁线圈产生脉冲磁场,脉冲磁场在金属坯料上产生感应电流，感应电流又产生相应的感应磁场。放电瞬间，金属坯料上感应电流产生的感应磁场和电磁线圈产生的脉冲磁场相互作用，使金属坯料受到背离电磁线圈的磁场力而成形所需工件。喷丸成形是利用高速的球形弹丸喷射工件表面层，使受撞击的表面及下层金属材料产生应力层。使板料逐步发生向受喷表面凸起的弯曲变形而得到所需的外形。受喷表面的残余压应力层起到强化效果，提高工件的疲劳寿命，也就是喷丸强化。对大型蒙皮壁板类构件喷丸成形的应用主要存在两个方面的困难，一是设备问题，即需要大型的数控喷丸设备；二是工艺问题，即影响喷丸强化和成形的工艺参数较多，因此很大程度上要依赖于技术人员的经验和工艺试验确定工艺参数。此外，进行喷丸强化和成形的工作环境相对较差。脉冲电磁力无需通过传力介质施加于板料，这极大降低了成形过程的摩擦效应和不均匀变形。相对于传统的准静态成形方法，电磁脉冲成形时材料应变率高(103_105/s)，可以提高材料的塑性变形能力和变形 均匀性，有利于减少零件回弹，提高零件成形精度。此夕卜，脉冲电磁力可无级调整，并可根据零件金属流动特点在空间上施加有利于变形的脉冲电磁力，以利于复杂、难变形材料的成形。但目前电磁成形设备能量不够大，能量利用率只有10-20%，最高不超过40%，因此单纯利用电磁脉冲加工大型蒙皮壁板类难变形金属零件还存在一定的困难。本专利技术将电磁脉冲成形和喷丸成形相结合，提供，根据附图3的工艺流程，具体方法如下:(I)根据工件蒙皮壁板类毛坯要求，确定蒙皮壁板类毛坯I形状及尺寸、选择小球垫模2上小球201 (球形弹丸)及柔性垫层3、设计电磁线圈4击打路径及充放电参数(放电电压，电磁线圈4形状及尺寸，柔性垫层3的类型和厚度，小球垫模2上小球201的直径，小球垫模2的尺寸)。所述的柔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，根据工件要求，确定蒙皮壁板类毛坯的形状及尺寸，选择小球垫模及柔性垫层厚度，设计电磁线圈击打路径及充放电参数；第二步，根据第一步中的设计，将蒙皮壁板类毛坯、小球垫模、柔性垫层及电磁线圈进行装夹固定；第三步，对电磁线圈充电；第四步，电磁线圈放电，电磁线圈产生的磁场力和小球垫模中小球的共同作用对蒙皮壁板类毛坯进行强化和成形；第五步，如果得到最终工件形状，则结束；否则，通过控制系统调整电磁线圈和小球垫模位置，返回第三步。

【技术特征摘要】
1.种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形方法，其特征在于，包括如下步骤: 第一步，根据工件要求，确定蒙皮壁板类毛坯的形状及尺寸，选择小球垫模及柔性垫层厚度，设计电磁线圈击打路径及充放电参数； 第二步，根据第一步中的设计，将蒙皮壁板类毛坯、小球垫模、柔性垫层及电磁线圈进行装夹固定； 第三步，对电磁线圈充电； 第四步，电磁线圈放电，电磁线圈产生的磁场力和小球垫模中小球的共同作用对蒙皮壁板类毛坯进行强化和成形； 第五步，如果得到最终工件形状，则结束；否则，通过控制系统调整电磁线圈和小球垫模位置，返回第三步。2.根据权利要求1所述的一种采用小球垫模的电磁脉冲强化和成形方法，其特征在于:第二步中所述的装夹固定具体为:小球...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴向东，万敏，王文平，陈晓伟，潘龙，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：