一種金屬板件電磁內應力調形方法
【專利摘要】本發明公開了一種金屬板件電磁內應力調形方法，在板件上放置調形線圈，其中調形線圈由內外線圈構成，調形時，內線圈中通入快速變化的脈沖電流，在金屬板件中感應渦流，同時外線圈在感應渦流區域產生垂直于板面的背景軸向磁場，此時渦流與背景軸向磁場共同作用在板件上產生側向電磁力，通過調節線圈形狀、放置位置、放電電流大小和方向，以及放電頻率來調控電磁力在板件厚度方向上產生特定的分布，此電磁力使金屬板件表皮局部發生塑性變形。在調形完成后，會在板件上產生特定的殘余應力分布，并發生相應的變形，按照一定規劃路徑依次放電后，板件便可獲得需要的形狀。本發明具有應力分布調節方便靈活、無模成形以及金屬板件表面質量好的優點。
【專利說明】一種金屬板件電磁內應力調形方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬板件成形領域，更具體地，涉及一種金屬板件電磁內應力調形方法。
【背景技術】
[0002]無模具成形具有無需模具、成形快適合于快速成形，中外學者提出不少方案，例如傳統的旋壓成型、多點成形、數字漸進成形等，以及目前研究較多的噴丸成形、激光沖擊成形、激光熱應力成形等方式。其中傳統的旋壓成型技術成熟，所用設備和工具簡單，成本低，但是只能加工對稱零件，零件的疲勞性能不好。多點成形使用高度可調的基本單元離散連續曲面以代替傳統的模具，其具有柔性的特點，適合于快速原型制造等小批量制造，但是其基本單元個數受限而且不能太小因而其成形精度不高、只能成形相對幾何形狀簡單的零件，并且成形零件表面會存在缺陷，表面質量受限。數字漸進成形是將零件三維形狀沿z軸方向離散，即分解為一系列二維斷面層，使用工具頭在這些二維斷面層上局部進行等高線塑性加工，達到所需要的形狀。數字化漸進成形具有無須一一對應的模具，零件結果和形狀不受約束的優點，但是也存在一些問題:1)成形零件尺寸精度差，而且劃痕嚴重，表面質量較差；2)由于工件壓頭在板材上干摩擦滑動，阻力大，易起皺和拉裂；3)成形零件尺寸受模芯結構影響尺寸受限，不能太小。噴丸成形利用高速彈丸撞擊金屬板材表面，使其表面發生局部塑形變形，導致面內產生殘余應力，在此應力作用下逐步使板料達到要求的外形，其具有以下特點:1)可加工尺寸大；2)工藝設備簡單、無需成形模具，只需簡單的夾具，準備周期短，固定投資少；3)成形后工件兩個表面為殘余壓應力，利于提高疲勞壽命；4)可對變厚度板料進行成形；5)可成形單曲率和雙曲率的外形。但是其成形機理復雜、影響成形的因素多，其工藝的確定還是需要龐大的實驗數據庫和操作經驗，另外其表面質量差，純噴丸成形變形量小。激光沖擊成形是利用高功率密度、短脈沖的強激光作用于覆蓋在金屬板料表面上的能量轉換體，使其氣化電離形成等離子體，產生向金屬內部傳播的強沖擊波使材料產生屈服和塑性變形。成形區域內產生殘余壓應力改善了零件的抗疲勞性能。激光沖擊成形具有一些顯著特點:1)變形壓力高，作用時間短，應變率高，因而變形大、殘余壓應力層深；2)選擇激光脈沖能量、激光沖擊軌跡、疊加方式等可以實現自動化生產；3)激光參數精確可控度，可以預計板料成形輪廓。但是激光沖擊成形在成形前，零件需要鋪設吸收激光能量的吸收層，而且需要水或玻璃等透明的約束層，另外表面也會留下凹坑，影響表面質量。
【發明內容】
[0003]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種金屬板件電磁內應力調形方法，其目的在于，解決傳統噴丸成形存在的成形能力和表面質量差的技術問題，且具有成形能力強、殘余壓應力層深度精確可調，成形后表面質量好的特點。
[0004]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種金屬板件電磁內應力調形方法，包括:[0005](I)將第一內線圈和第一外線圈放置在金屬板件的上端面，并將第二內線圈和第二外線圈放置在金屬板件的下端面；
[0006](2)將第一內線圈和第二內線圈串聯連接，并接入由第一電容器、第一續流二極管和第一開關組成的第一電容器式脈沖電源；
[0007](3)將第一外線圈和第二外線圈串聯連接，并接入由第二電容器、第二續流二極管和第二開關組成的第二電容器式脈沖電源；
[0008](4)第二電容器式脈沖電源放電，放電過程中第一外線圈和第二外線圈在金屬板件的調形區域中產生背景軸向磁場；
[0009](5)第一電容器式脈沖電源在背景磁場峰值時刻放電，在金屬板件調形區域產生感應渦流，在感應渦流和背景磁場的共同作用下，金屬板件的調形區域產生特定的側向電磁力分布，使金屬板件調形區域發生局部塑性變形，放電完成后，金屬板件的調形區域產生相應的變形；
[0010](6)根據金屬板件的內應力調形規劃的路徑，依次在金屬板件不同位置重復上述步驟(4 )至(5 )，直至金屬板件產生所需形變為止。
[0011]優選地，當第一內線圈和第一外線圈的電流方向相反，第二內線圈和第二外線圈的電流方向相同時，金屬板件調形區域上表面發生塑性變形并上凸變形，當第一內線圈和第一外線圈的電流方向相同，第二內線圈和第二外線圈的電流方向相反時，金屬板件調形區域下表面發生塑性變形并下凸變形。
[0012]優選地，本方法還包括步驟(I)之前，通過彎曲模具將金屬板件預先彎曲。
[0013]優選地，第一內線圈的電流方向與第一外線圈的電流方向相反，第二內線圈的電流方向與第二外線圈的電流方向也相反。
[0014]優選地，本方法還包括步驟(I)之前，通過拉伸夾具將金屬板件預先拉伸。
[0015]優選地，當第一內線圈和第一外線圈的電流方向相反，第二內線圈和第二外線圈的電流方向相同時，金屬板件調形區域上表面發生塑性變形并上凸變形，當第一內線圈和第一外線圈的電流方向相同，第二內線圈和第二外線圈的電流方向相反時，金屬板件調形區域下表面發生塑性變形并下凸變形。
[0016]按照本發明的另一個方面，提供了一種金屬板件電磁內應力調形方法，包括:
[0017](I)將第一內線圈和第一外線圈放置在金屬板件的上端面；
[0018](2)將第一內線圈接入由第一電容器、第一續流二極管和第一開關組成的第一電容器式脈沖電源；
[0019](3)將第一外線圈接入由第二電容器、第二續流二極管和第二開關組成的第二電容器式脈沖電源；
[0020](4)第二電容器式脈沖電源放電，放電過程中第一外線圈在金屬板件的調形區域中產生背景軸向磁場；
[0021](5)第一電容器式脈沖電源在背景磁場峰值時刻放電，在金屬板件調形區域產生感應渦流，在感應渦流和背景磁場的共同作用下，金屬板件的調形區域產生特定的側向電磁力分布，使金屬板件調形區域發生局部塑性變形，放電完成后，金屬板件的調形區域產生相應的變形；
[0022](6)根據金屬板件的內應力調形規劃的路徑，依次在金屬板件不同位置重復上述步驟(4)至(5)，直至金屬板件產生所需變形為止。
[0023]優選地，本方法還包括步驟(I)之前，將金屬板件固定于基座平臺上的步驟。
[0024]優選地，第一內線圈的電流方向與第一外線圈的電流方向相反。
[0025]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0026]1、本發明中容易通過調節線圈形狀和放置位置以及放電電流大小、頻率和大小來調控電磁力，進而靈活調控塑性層的深度。
[0027]2、本發明中對板件表面損害小，因而調形后其表面質量完整。
[0028]3、本發明中調形過程中不需要復雜的模具。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1是根據本發明第一實施方式的金屬板件電磁內應力調形方法的示意圖。
[0030]圖2內線圈和外線圈放電時序配合示意圖。
[0031]圖3是本發明第一實施方式中截面應力分布及分解示意圖。
[0032]圖4是根據本發明第二實施方式的金屬板件電磁內應力調形方法的示意圖。
[0033]圖5是本發明第二實施方式中截面應力分布示意圖。
[0034]圖6是根據本發明第三實施方式的金屬板件電磁內應力調形方法的示意圖。
[0035]圖7是本發明第三實施方式中截面應力分布及分解示意圖。
[0036]圖8是根據本發明第四實施方式的金屬板件電磁內應力調形方法的示意圖。
[0037]圖9是本發明第四實施方式中截面應力分布及分解示意圖。
【具體實施方式】
[0038]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0039]如圖1所示，根據本發明的第一實施方式，本發明金屬板件電磁內應力調形方法包括以下步驟:
[0040](I)將第一內線圈I和第一外線圈2放置在金屬板件3的上端面，并將第二內線圈4和第二外線圈5放置在金屬板件3的下端面；
[0041](2)將第一內線圈I和第二內線圈4串聯連接，并接入由第一電容器14、第一續流二極管15和第一開關16組成的第一電容器式脈沖電源6 ；
[0042](3)將第一外線圈2和第二外線圈5串聯連接，并接入由第二電容器13、第二續流二極管12和第二開關11組成的第二電容器式脈沖電源7 ；
[0043](4)第二電容器式脈沖電源7放電,放電過程中第一外線圈2和第二外線圈5在金屬板件3的調形區域中產生背景軸向磁場。設計時外線圈的電感和脈沖電源的電容選擇比較大，因而其電流脈沖寬度寬，保證背景軸向磁場不被工件感應屏蔽磁場嚴重抵消；
[0044](5)第一電容器式脈沖電源6在背景磁場峰值時刻放電,在金屬板件3調形區域產生感應渦流，在感應渦流和背景磁場的共同作用下，金屬板件3的調形區域產生特定的側向電磁力分布，使金屬板件3調形區域發生局部塑性變形，放電完成后，金屬板件3的調形區域產生相應的變形。設計時內線圈的電感和脈沖電源的電容選擇比較小，因而其脈沖寬度窄，保證工件上感應足夠大的渦流。其中當第一內線圈I和第一外線圈2的電流方向相反，第二內線圈4和第二外線圈5的電流方向相同時候，金屬板件3調形區域上凸變形；當第一內線圈I和第一外線圈2的電流方向相同,第二內線圈4和第二外線圈5的電流方向相反時，金屬板件3調形區域下凹變形；通過調節線圈的電流大小和方向可以調控金屬板件3變形的大小和方向；
[0045](6)根據金屬板件的內應力調形規劃的路徑，依次在金屬板件3不同位置重復上述步驟(4 )至(5 )，直至金屬板件產生所需形變為止。
[0046]內外線圈的一種放電電流時序配合見圖2。圖3給出調形過程中金屬板件3調形核心區域截面應力分布及應力分解示意圖，其具體解釋了第一實施例中金屬板件電磁內應力調形方法的原理。
[0047]如圖4所示，根據本發明的第二實施方式，本發明金屬板件電磁內應力調形方法包括以下步驟:
[0048](I)將金屬板件3固定于基座平臺17上；
[0049](2)將第一內線圈I和第一外線圈2放置在金屬板件3的上端面；
[0050](3)將第一內線圈I接入由第一電容器14、第一續流二極管15和第一開關16組成的第一電容器式脈沖電源6 ；
[0051](4)將第一外線圈2接入由第二電容器13、第二續流二極管12和第二開關11組成的第二電容器式脈沖電源7 ;
[0052](5)第二電容器式脈沖電源7放電，放電過程中第一外線圈2在金屬板件3的調形區域產生背景軸向磁場。設計時外線圈的電感和脈沖電源的電容選擇比較大，因而其電流脈沖寬度寬，保證背景軸向磁場不被工件感應屏蔽磁場嚴重抵消；
[0053](6)第一電容器式脈沖電源6在背景軸向磁場峰值時刻放電,第一內線圈I的電流方向與第一外線圈2的電流方向相反，在金屬板件3的調形區域感應渦流，在感應渦流和背景磁場的共同作用下，金屬板件3的調形區域產生特定的側向電磁力分布，使金屬板件3調形區域發生相應的局部塑性變形，放電完成后，金屬板件3的調形區域產生微小的上凸變形；設計時內線圈的電感和脈沖電源的電容選擇比較小，因而其脈沖寬度窄，保證工件上感應足夠大的渦流；
[0054](7)根據金屬板件的內應力調形規劃的路徑，依次在金屬板件3不同位置重復上述步驟(5 )至(6 )，直至金屬板件產生所需形變為止。
[0055]內外線圈的放電時序配合方式與實施例1中相似。圖5給出調形過程中金屬板件3調形核心區域截面應力分布示意圖，其具體解釋了第二實施例中金屬板件電磁內應力調形方法的原理。
[0056]如圖6所示，根據本發明的第三實施方式，本發明金屬板件電磁內應力調形方法包括以下步驟:
[0057](I)通過彎曲模具凹模21和凸模22將金屬板件3預先彎曲；預彎曲過程中保證金屬板件3處于彈性范圍內；
[0058](2)將第一內線圈I和第一外線圈2放置在金屬板件3的上端面，并將第二內線圈4和第二外線圈5放置在金屬板件3的下端面；
[0059](3)將第一內線圈I和第二內線圈4串聯連接，并接入由第一電容器14、第一續流二極管15和第一開關16組成的第一電容器式脈沖電源6 ；
[0060](4)將第一外線圈2和第二外線圈5串聯連接，并接入由第二電容器13、第二續流二極管12和第二開關11組成的第二電容器式脈沖電源7 ；
[0061](5)第二電容器式脈沖電源7放電,放電過程中第一外線圈2和第二外線圈5在金屬板件3的調形區域中產生背景軸向磁場。設計時外線圈的電感和脈沖電源的電容選擇比較大，因而其電流脈沖寬度寬，保證背景軸向磁場不被工件感應屏蔽磁場嚴重抵消；
[0062](6)第一電容器式脈沖電源6在背景磁場峰值時刻放電,其中第一內線圈的電流方向與第一外線圈的電流方向相反，第二內線圈的電流方向與第二外線圈的電流方向也相反，在金屬板件3調形區域產生感應渦流，在感應渦流和背景磁場的共同作用下，金屬板件3的調形區域產生特定的側向電磁力分布，使金屬板件3調形區域發生局部塑性變形，放電完成后，金屬板件3的調形區域產生微小的上凸變形；設計時內線圈的電感和脈沖電源的電容選擇比較小，因而其脈沖寬度窄，保證工件上感應足夠大的渦流；
[0063](7)根據金屬板件的內應力調形規劃的路徑，依次在金屬板件3不同位置重復上述步驟(5 )至(6 )，直至金屬板件產生所需形變為止。
[0064]內外線圈的放電時序配合方式與實施例1中相似。圖7給出調形過程中金屬板件3調形核心區域截面應力分布及應力分解示意圖，其具體解釋了第三實施例中金屬板件電磁內應力調形方法的原理。
[0065]如圖7所示，根據本發明的第四實施方式，本發明金屬板件電磁內應力調形方法包括以下步驟:
[0066]( I)將金屬板件3預先拉伸；拉伸力控制在金屬板件3彈性范圍內；
[0067](2)將第一內線圈I和第一外線圈2放置在金屬板件3的上端面，并將第二內線圈4和第二外線圈5放置在金屬板件3的下端面；
[0068](3)將第一內線圈I和第二內線圈4串聯連接，并接入由第一電容器14、第一續流二極管15和第一開關16組成的第一電容器式脈沖電源6 ；
[0069](4)將第一外線圈2和第二外線圈5串聯連接，并接入由第二電容器13、第二續流二極管12和第二開關11組成的第二電容器式脈沖電源7 ；
[0070](5)第二電容器式脈沖電源7放電,放電過程中第一外線圈2和第二外線圈5在金屬板件3的調形區域中產生背景軸向磁場；設計時外線圈的電感和脈沖電源的電容選擇比較大，因而其電流脈沖寬度寬，保證背景軸向磁場不被工件感應屏蔽磁場嚴重抵消；
[0071](6)第一電容器式脈沖電源6在背景磁場峰值時刻放電,在金屬板件3調形區域產生感應渦流，在感應渦流和背景磁場的共同作用下，金屬板件3的調形區域產生特定的側向電磁力分布，使金屬板件3調形區域發生局部塑性變形，放電完成后，金屬板件3的調形區域產生相應的變形；設計時內線圈的電感和脈沖電源的電容選擇比較小，因而其脈沖寬度窄，保證工件上感應足夠大的渦流。其中當第一內線圈I和第一外線圈2的電流方向相反，第二內線圈4和第二外線圈5的電流方向相同時候，金屬板件3調形區域上凸變形；當第一內線圈I和第一外線圈2的電流方向相同,第二內線圈4和第二外線圈5的電流方向相反時，金屬板件3調形區域下凹變形；通過調節線圈的電流大小和方向可以調控金屬板件3變形的大小和方向；
[0072](7)根據金屬板件的內應力調形規劃的路徑，依次在金屬板件3不同位置重復上述步驟(5 )至(6 )，直至金屬板件產生所需形變為止。
[0073]內外線圈的放電時序配合方式與實施例1中相似。圖9給出調形過程中金屬板件3調形核心區域截面應力分布及應力分解示意圖，其具體解釋了第四實施例中金屬板件電磁內應力調形方法的原理。
[0074]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種金屬板件電磁內應力調形方法，其特征在于，包括: (1)將第一內線圈和第一外線圈放置在金屬板件的上端面，并將第二內線圈和第二外線圈放置在金屬板件的下端面； (2)將第一內線圈和第二內線圈串聯連接，并接入由第一電容器、第一續流二極管和第一開關組成的第一電容器式脈沖電源； (3)將第一外線圈和第二外線圈串聯連接，并接入由第二電容器、第二續流二極管和第二開關組成的第二電容器式脈沖電源； (4)第二電容器式脈沖電源放電，放電過程中第一外線圈和第二外線圈在金屬板件的調形區域中產生背景軸向磁場； (5)第一電容器式脈沖電源在背景磁場峰值時刻放電，在金屬板件調形區域產生感應渦流，在感應渦流和背景磁場的共同作用下，金屬板件的調形區域產生特定的側向電磁力分布，使金屬板件調形區域發生局部塑性變形，放電完成后，金屬板件的調形區域產生相應的變形； (6)根據金屬板件的內應力調形規劃的路徑，依次在金屬板件不同位置重復上述步驟(4)至(5)，直至金屬板件產生所需形變為止。
2.根據權利要求1所述的金屬板件電磁內應力調形方法，其特征在于，當第一內線圈和第一外線圈的電流方向相反,第二內線圈和第二外線圈的電流方向相同時,金屬板件調形區域上表面發生塑性變形并上凸變形，當第一內線圈和第一外線圈的電流方向相同，第二內線圈和第二外線圈的電流方向相反時，金屬板件調形區域下表面發生塑性變形并下凸變形。
3.根據權利 要求1所述的金屬板件電磁內應力調形方法，其特征在于，還包括步驟(1)之前，通過彎曲模具將金屬板件預先彎曲。
4.根據權利要求3所述的金屬板件電磁內應力調形方法，其特征在于，第一內線圈的電流方向與第一外線圈的電流方向相反，第二內線圈的電流方向與第二外線圈的電流方向也相反。
5.根據權利要求1所述的金屬板件電磁內應力調形方法，其特征在于，還包括步驟(1)之前，通過拉伸夾具將金屬板件預先拉伸。
6.根據權利要求5所述的金屬板件電磁內應力調形方法，其特征在于，當第一內線圈和第一外線圈的電流方向相反,第二內線圈和第二外線圈的電流方向相同時,金屬板件調形區域上表面發生塑性變形并上凸變形，當第一內線圈和第一外線圈的電流方向相同，第二內線圈和第二外線圈的電流方向相反時，金屬板件調形區域下表面發生塑性變形并下凸變形。
7.一種金屬板件電磁內應力調形方法，其特征在于，包括: (1)將第一內線圈和第一外線圈放置在金屬板件的上端面； (2)將第一內線圈接入由第一電容器、第一續流二極管和第一開關組成的第一電容器式脈沖電源； (3)將第一外線圈接入由第二電容器、第二續流二極管和第二開關組成的第二電容器式脈沖電源； (4)第二電容器式脈沖電源放電，放電過程中第一外線圈在金屬板件的調形區域中產生背景軸向磁場； (5)第一電容器式脈沖電源在背景磁場峰值時刻放電，在金屬板件調形區域產生感應渦流，在感應渦流和背景磁場的共同作用下，金屬板件的調形區域產生特定的側向電磁力分布，使金屬板件調形區域發生局部塑性變形，放電完成后，金屬板件的調形區域產生相應的變形； (6)根據金屬板件的內應力調形規劃的路徑，依次在金屬板件不同位置重復上述步驟(4)至(5)，直至金屬板件產生所需變形為止。
8.根據權利要求7所述的金屬板件電磁內應力調形方法，其特征在于，還包括步驟(1)之前，將金屬板件固定于基座平臺上的步驟。
9.根據權利要求7所述的金屬板件電磁內應力調形方法，其特征在于，第一內線圈的電流方向與第一外線圈的電流方向相反。
【文檔編號】B21D26/14GK103586324SQ201310528275
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】李亮, 周中玉 申請人:華中科技大學