專利名稱：一種采用小球墊模的電磁脈沖強化和成形裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機械成型技術領域，涉及板材強化和成形，具體地說，是指一種針對蒙皮壁板類構件的采用小球墊模的電磁脈沖強化和成形裝置。
背景技術：
目前國內的蒙皮 壁板構件的強化主要采用噴丸強化技術；蒙皮壁板構件的成形主要采用拉形、噴丸成形、時效成形技術。一方面，這些成形技術強烈地依賴工藝裝備。由于裝備加工能力限制，特別是對一些大型構件，不得不分解成小型構件分別成形后連接在一起，極大地降低了構件的整體性能；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，這類成形技術在坯料和模具之間存在強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，而且殘余應力大，影響構件的服役性能，對難成形的輕合金材料尤為突出。因此，研究蒙皮壁板類構件的強化和成形新技術一直以來備受人們關注。美國授權公告號為US005813265A專利，發(fā)明名稱為:Balanced ElectromagneticPeening0該專利涉及一種電磁噴丸裝置,該裝置包含兩個電磁線圈。使用時，將兩個線圈分開固定在工件相反的兩個表面上，通過電源給線圈提供能量產生電磁力，電磁力使工件表面產生一定的塑性變形，從而影響工件表面的壓應力層而達到強化工件表面的效果，但是該方法不適用于蒙皮壁板類構件。美國授權公告號為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工件表面進行處理的系統(tǒng)及方法，設計目的主要針對工件表面的強化要求，克服噴丸強化的缺點，并從有限元分析的角度說明其發(fā)明實施的可行性，但沒有實際應用的說明，此外，也并非針對蒙皮壁板類構件的強化和成形。蒙皮壁板類構件的先進制造技術對促進航空航天運載器技術的發(fā)展有著重大的支撐作用，因此，蒙皮壁板類構件的先進制造技術備受航空航天業(yè)的重視，專家們一直致力于探索如何改進現(xiàn)有大型蒙皮成形技術的不足或提出新的工藝方法。

發(fā)明內容
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化和成形的裝置，適用于蒙皮壁板類構件，應用所述裝置進行強化和成形，具有操作簡單、易于控制、方便快捷等特點，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合，針對蒙皮壁板類零件的強化和成形進行設計。所述裝置主要包括小球墊模、柔性墊層、電磁線圈、電磁脈沖動力源和控制系統(tǒng)。所述的小球墊模上鋪設柔性墊層，柔性墊層上鋪設蒙皮壁板類毛坯，在蒙皮壁板類毛坯上方設置電磁線圈，所述的電磁線圈通過導線連接電磁脈沖動力源。所述的控制系統(tǒng)包括電路控制和機械控制兩部分，其中電路控制部分連接電磁脈沖動力源，機械部分連接小球墊模和電磁線圈的驅動裝置。所述的小球墊模通過金屬小球鋪設于模具型腔的底部形成。所述控制系統(tǒng)的機械部分包括調節(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構固定邊緣，縱向絲杠A和橫向絲杠A相互垂直，驅動夾持機構在工作臺平面上的運動。所述機械部分還包括調節(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，并驅動線圈支架運動，實現(xiàn)電磁線圈相對于蒙皮壁板類毛坯的位置調整。本發(fā)明提供一種針對蒙皮壁板類構件的強化和成形裝置，與現(xiàn)有強化和成形工藝相比，主要有益效果如下:(I)在電磁線圈產生的脈沖磁場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力層，起到強化蒙皮，提高疲勞壽命的作用。(2)與電磁線圈相對的蒙皮壁板類毛坯表面在成形過程中無機械接觸；與小球墊模相對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械摩擦，從而使蒙皮壁板類毛坯具有良好的表面質量不會降低疲勞壽命。(3)可以簡化工藝。施加在蒙皮壁板類毛坯上的脈沖磁場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。因此采用本裝置進行蒙皮壁板類零件的加工時，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構簡單、通用性強。(5)相比僅采用電磁脈沖磁場力進行蒙皮壁板類構件的強化和成形，本裝置所采用的電磁脈沖設備的能量較小，從而降低成本、節(jié)約能源，同時電磁線圈的壽命也會得到提高；相比使用傳統(tǒng)噴丸強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位置易于調整，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化和成形方法的實現(xiàn)裝置的整體結構示意圖；圖2是本發(fā)明提供的實現(xiàn)裝置中小球墊模的結構示意圖；圖3是本發(fā)明提供的采用小球墊模電磁脈沖強化和成形方法流程圖。圖4是利用本發(fā)明方法得到的試驗件結構示意圖；圖5是用于蒙皮壁板類毛坯與小球墊模相對位置調整的機構示意簡圖；圖6是用于電磁線圈與蒙皮壁板類毛坯相對位置調整的機構示意簡圖；圖7是采用本發(fā)明提供的方法得到的試驗件的測量數(shù)據進行擬合得到的曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
電磁脈沖成形是利用磁場力使金屬坯料變形的高速率成形方法。電磁脈沖成形時，金屬坯料放置于電磁線圈和模具之間。電磁線圈連接一儲能電容器組，儲能電容器組由充電回路充電，然后通過放電回路對電磁線圈放電，電磁線圈產生脈沖磁場,脈沖磁場在金屬坯料上產生感應電流，感應電流又產生相應的感應磁場。放電瞬間，金屬坯料上感應電流產生的感應磁場和電磁線圈產生的脈沖磁場相互作用，使金屬坯料受到背離電磁線圈的磁場力而成形所需工件。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生應力層。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力層起到強化效果，提高工件的疲勞壽命，也就是噴丸強化。對大型蒙皮噴丸成形的應用主要存在兩個方面的困難，一是設備問題，即需要大型的數(shù)控噴丸設備；二是工藝問題，即影響噴丸強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人員的經驗和工藝試驗確定工藝參數(shù)。此外，進行噴丸強化和成形的工作環(huán)境相對較差。脈沖電磁力無需通過傳力介質施加于板料，這極大降低了成形過程的摩擦效應和不均勻變形。相對于傳統(tǒng)的準靜態(tài)成形方法，電磁脈沖成形時材料應變率高( 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，脈沖電磁力可無級調整，并可根據零件金屬流動特點在空間上施加有利于變形的脈沖電磁力，以利于復雜、難變形材料的成形。但目前電磁成形設備能量不夠大，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合，提供一種采用小球墊模的電磁脈沖強化和成形裝置。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構，如圖2，模具型腔底部具有小孔，小孔內安裝金屬小球201，小孔直徑小于金屬小球201直徑。在電磁線圈4產生的脈沖強磁場力作用下，在蒙皮壁板類毛坯I受脈沖磁場力運動時金屬小球201對蒙皮壁板類毛坯I起到局部擠壓作用，由于作用面積小，產生的壓應力比較大，同時利用各金屬小球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得到強化和產生變形。 在所述小球墊模2上鋪設柔性墊層3，柔性墊層3上鋪設需要加工的蒙皮壁板類毛坯I，在蒙皮壁板類毛坯I上設置電磁線圈4，電磁線圈4通過導線連接到電磁脈沖動力源5，利用電磁脈沖動力源5提供的脈沖強電流產生脈沖強磁場，在蒙皮壁板類毛坯I表面上產生脈沖磁場力。所述的柔性墊層3可采用橡膠層構成，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受瞬間脈沖強磁場力作用而發(fā)生變形時，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的表面質量。所述的柔性墊層3的厚度可根據有限元分析和實驗的結果進行優(yōu)化選擇，如本例中選擇柔性墊層3厚度為1.5_。所述的電磁脈沖動力源5包括儲能電容器組501和高壓電源502，為電磁線圈4提供脈沖強電流；如圖1所示，所述的電磁線圈4與高壓電源502之間導線連接儲能電容器組501,并且還在儲能電容器組501和電磁線圈4中間設置有一個開關6,用于對電磁線圈4進行電壓操作控制。所述的控制系統(tǒng)7包括電路控制和機械控制兩部分。其中電路控制部分用于控制電磁脈沖動力源5的充、放電電壓參數(shù)，與儲能電容器組501和高壓電源502連接。機械控制部分用于蒙皮壁板類毛坯I與小球墊模2的相對位置調整，以及電磁線圈4與蒙皮壁板類毛坯I相對位置的調整。如圖5，蒙皮壁板類毛坯I由夾持機構101固定邊緣，采用縱向絲杠AS驅動蒙皮壁板類毛坯I的夾持機構101相對工作臺(小球墊模)縱向運動，調節(jié)蒙皮壁板類毛坯I相對與小球墊模2之間的縱向相對位置；采用橫向絲杠A9驅動蒙皮壁板類毛坯I的夾持機構101帶動蒙皮壁板類毛坯I相對工作臺橫向運動，調節(jié)蒙皮壁板類毛坯I相對于小球墊模2之間的橫向相對位置。橫向絲杠A9和縱向絲杠A8的運動復合實現(xiàn)蒙皮壁板類毛坯I相對于小 球墊模2在水平面內位置的調整。如圖6，電磁線圈4由另外一組橫向絲杠B401和縱向絲杠B402驅動，實現(xiàn)電磁線圈4相對蒙皮壁板類毛坯I的位置的調整，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)驅動橫向絲杠B401和縱向絲杠B402的運動實現(xiàn)電磁線圈4相對于蒙皮壁板類毛坯I的位置調整。根據上述的裝置，進行蒙皮壁板類毛坯的強化和成形，具體工藝流程如圖3所示，具體方法如下:(I)根據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、設計電磁線圈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進行裝夾固定。(3)開關6斷開，利用控制系統(tǒng)7調定儲能電容器組501的電壓并充電。(4)閉合附圖1中的開關6，將電磁線圈4與電磁脈沖動力源5接通，進行放電操作。該實現(xiàn)裝置的加工力來源與傳統(tǒng)電磁成形一樣，都是電容瞬時放電形成的脈沖磁場力。加工部分的小球墊模2內的金屬小球201的作用類似于噴丸的彈丸。但由于金屬小球201是固定的，需要通過調整蒙皮壁板類毛坯I和小球墊模2的相對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的流程圖進行強化和成形路徑的判斷，在控制系統(tǒng)的控制作用下，如果已經得到最終工件形狀，則完成強化和成形過程，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件，對所得試驗件進行測量和數(shù)據擬合，得到如表I數(shù)據和如圖7所示曲線。該試驗件坯料規(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，計算曲率半徑3948.9mm。與傳統(tǒng)拉形相比，本發(fā)明得到的試驗件形狀穩(wěn)定，幾乎無回彈，材料利用率高，可達到少無切削加工。此外，本試驗件熱處理狀態(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，本試驗件不需要復雜的噴丸設備和工藝，且工作環(huán)境良好。因此，利用本發(fā)明裝置進行蒙皮壁板類構件的成形效果優(yōu)良。表I成形工件撓度曲線數(shù)據I (mm)
權利要求
1.一種采用小球墊模的電磁脈沖強化和成形裝置，其特征在于:所述裝置包括小球墊模、柔性墊層、電磁線圈、電磁脈沖動力源和控制系統(tǒng)；所述的小球墊模上鋪設柔性墊層，柔性墊層上鋪設蒙皮壁板類毛坯，在蒙皮壁板類毛坯上方設置電磁線圈，所述的電磁線圈通過導線連接電磁脈沖動力源；所述的控制系統(tǒng)包括電路控制和機械控制兩部分，其中電路控制部分連接電磁脈沖動力源，機械部分連接小球墊模和電磁線圈的驅動裝置。
2.根據權利要求1所述的一種采用小球墊模的電磁脈沖強化和成形裝置，其特征在于:所述的小球墊模通過金屬小球鋪設于模具型腔的底部形成。
3.根據權利要求2所述的一種采用小球墊模的電磁脈沖強化和成形裝置，其特征在于:所述的模具型腔底部具有小孔，小孔內安裝金屬小球，形成對柔性墊層的支撐；小孔直徑小于金屬小球直徑。
4.根據權利要求1所述的一種采用小球墊模的電磁脈沖強化和成形裝置，其特征在于:所述的驅動裝置包括調節(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構固定邊緣，縱向絲杠A和橫向絲杠A相互垂直，驅動夾持機構在工作臺平面上的運動。
5.根據權利要求1所述的一種采用小球墊模的電磁脈沖強化和成形裝置，其特征在于:所述的驅動裝置還包括調節(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，并驅動線圈支架運動，實現(xiàn)電磁線圈相對于蒙皮壁板類毛坯的位置調整。`
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、電磁脈沖動力源和控制系統(tǒng)。所述的小球墊模上鋪設柔性墊層，柔性墊層上鋪設蒙皮壁板類毛坯，電磁線圈通過導線連接電磁脈沖動力源。所述的控制系統(tǒng)連接電磁脈沖動力源和小球墊模與電磁線圈的驅動裝置。本發(fā)明在電磁線圈產生的脈沖磁場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力層，起到強化蒙皮壁板，提高疲勞壽命的作用。采用本裝置進行蒙皮壁板類零件的加工時，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)加工工藝中的預處理、中間熱處理或最終熱處理等環(huán)節(jié)。
文檔編號C21D7/06GK103173596SQ201310018610
公開日2013年6月26日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權日2013年1月18日
發(fā)明者吳向東, 萬敏, 王文平, 熊威人, 陳曉偉 申請人:北京航空航天大學