一种金属板件电磁内应力调形方法
【专利摘要】本发明公开了一种金属板件电磁内应力调形方法，在板件上放置调形线圈，其中调形线圈由内外线圈构成，调形时，内线圈中通入快速变化的脉冲电流，在金属板件中感应涡流，同时外线圈在感应涡流区域产生垂直于板面的背景轴向磁场，此时涡流与背景轴向磁场共同作用在板件上产生侧向电磁力，通过调节线圈形状、放置位置、放电电流大小和方向，以及放电频率来调控电磁力在板件厚度方向上产生特定的分布，此电磁力使金属板件表皮局部发生塑性变形。在调形完成后，会在板件上产生特定的残余应力分布，并发生相应的变形，按照一定规划路径依次放电后，板件便可获得需要的形状。本发明具有应力分布调节方便灵活、无模成形以及金属板件表面质量好的优点。
【专利说明】一种金属板件电磁内应力调形方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属板件成形领域，更具体地，涉及一种金属板件电磁内应力调形方法。
【背景技术】
[0002]无模具成形具有无需模具、成形快适合于快速成形，中外学者提出不少方案，例如传统的旋压成型、多点成形、数字渐进成形等，以及目前研究较多的喷丸成形、激光冲击成形、激光热应力成形等方式。其中传统的旋压成型技术成熟，所用设备和工具简单，成本低，但是只能加工对称零件，零件的疲劳性能不好。多点成形使用高度可调的基本单元离散连续曲面以代替传统的模具，其具有柔性的特点，适合于快速原型制造等小批量制造，但是其基本单元个数受限而且不能太小因而其成形精度不高、只能成形相对几何形状简单的零件，并且成形零件表面会存在缺陷，表面质量受限。数字渐进成形是将零件三维形状沿z轴方向离散，即分解为一系列二维断面层，使用工具头在这些二维断面层上局部进行等高线塑性加工，达到所需要的形状。数字化渐进成形具有无须一一对应的模具，零件结果和形状不受约束的优点，但是也存在一些问题:1)成形零件尺寸精度差，而且划痕严重，表面质量较差；2)由于工件压头在板材上干摩擦滑动，阻力大，易起皱和拉裂；3)成形零件尺寸受模芯结构影响尺寸受限，不能太小。喷丸成形利用高速弹丸撞击金属板材表面，使其表面发生局部塑形变形，导致面内产生残余应力，在此应力作用下逐步使板料达到要求的外形，其具有以下特点:1)可加工尺寸大；2)工艺设备简单、无需成形模具，只需简单的夹具，准备周期短，固定投资少；3)成形后工件两个表面为残余压应力，利于提高疲劳寿命；4)可对变厚度板料进行成形；5)可成形单曲率和双曲率的外形。但是其成形机理复杂、影响成形的因素多，其工艺的确定还是需要庞大的实验数据库和操作经验，另外其表面质量差，纯喷丸成形变形量小。激光冲击成形是利用高功率密度、短脉冲的强激光作用于覆盖在金属板料表面上的能量转换体，使其气化电离形成等离子体，产生向金属内部传播的强冲击波使材料产生屈服和塑性变形。成形区域内产生残余压应力改善了零件的抗疲劳性能。激光冲击成形具有一些显著特点:1)变形压力高，作用时间短，应变率高，因而变形大、残余压应力层深；2)选择激光脉冲能量、激光冲击轨迹、叠加方式等可以实现自动化生产；3)激光参数精确可控度，可以预计板料成形轮廓。但是激光冲击成形在成形前，零件需要铺设吸收激光能量的吸收层，而且需要水或玻璃等透明的约束层，另外表面也会留下凹坑，影响表面质量。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属板件电磁内应力调形方法，其目的在于，解决传统喷丸成形存在的成形能力和表面质量差的技术问题，且具有成形能力强、残余压应力层深度精确可调，成形后表面质量好的特点。
[0004]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属板件电磁内应力调形方法，包括:[0005](I)将第一内线圈和第一外线圈放置在金属板件的上端面，并将第二内线圈和第二外线圈放置在金属板件的下端面；
[0006](2)将第一内线圈和第二内线圈串联连接，并接入由第一电容器、第一续流二极管和第一开关组成的第一电容器式脉冲电源；
[0007](3)将第一外线圈和第二外线圈串联连接，并接入由第二电容器、第二续流二极管和第二开关组成的第二电容器式脉冲电源；
[0008](4)第二电容器式脉冲电源放电，放电过程中第一外线圈和第二外线圈在金属板件的调形区域中产生背景轴向磁场；
[0009](5)第一电容器式脉冲电源在背景磁场峰值时刻放电，在金属板件调形区域产生感应涡流，在感应涡流和背景磁场的共同作用下，金属板件的调形区域产生特定的侧向电磁力分布，使金属板件调形区域发生局部塑性变形，放电完成后，金属板件的调形区域产生相应的变形；
[0010](6)根据金属板件的内应力调形规划的路径，依次在金属板件不同位置重复上述步骤(4 )至(5 )，直至金属板件产生所需形变为止。
[0011]优选地，当第一内线圈和第一外线圈的电流方向相反，第二内线圈和第二外线圈的电流方向相同时，金属板件调形区域上表面发生塑性变形并上凸变形，当第一内线圈和第一外线圈的电流方向相同，第二内线圈和第二外线圈的电流方向相反时，金属板件调形区域下表面发生塑性变形并下凸变形。
[0012]优选地，本方法还包括步骤(I)之前，通过弯曲模具将金属板件预先弯曲。
[0013]优选地，第一内线圈的电流方向与第一外线圈的电流方向相反，第二内线圈的电流方向与第二外线圈的电流方向也相反。
[0014]优选地，本方法还包括步骤(I)之前，通过拉伸夹具将金属板件预先拉伸。
[0015]优选地，当第一内线圈和第一外线圈的电流方向相反，第二内线圈和第二外线圈的电流方向相同时，金属板件调形区域上表面发生塑性变形并上凸变形，当第一内线圈和第一外线圈的电流方向相同，第二内线圈和第二外线圈的电流方向相反时，金属板件调形区域下表面发生塑性变形并下凸变形。
[0016]按照本发明的另一个方面，提供了一种金属板件电磁内应力调形方法，包括:
[0017](I)将第一内线圈和第一外线圈放置在金属板件的上端面；
[0018](2)将第一内线圈接入由第一电容器、第一续流二极管和第一开关组成的第一电容器式脉冲电源；
[0019](3)将第一外线圈接入由第二电容器、第二续流二极管和第二开关组成的第二电容器式脉冲电源；
[0020](4)第二电容器式脉冲电源放电，放电过程中第一外线圈在金属板件的调形区域中产生背景轴向磁场；
[0021](5)第一电容器式脉冲电源在背景磁场峰值时刻放电，在金属板件调形区域产生感应涡流，在感应涡流和背景磁场的共同作用下，金属板件的调形区域产生特定的侧向电磁力分布，使金属板件调形区域发生局部塑性变形，放电完成后，金属板件的调形区域产生相应的变形；
[0022](6)根据金属板件的内应力调形规划的路径，依次在金属板件不同位置重复上述步骤(4)至(5)，直至金属板件产生所需变形为止。
[0023]优选地，本方法还包括步骤(I)之前，将金属板件固定于基座平台上的步骤。
[0024]优选地，第一内线圈的电流方向与第一外线圈的电流方向相反。
[0025]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
[0026]1、本发明中容易通过调节线圈形状和放置位置以及放电电流大小、频率和大小来调控电磁力，进而灵活调控塑性层的深度。
[0027]2、本发明中对板件表面损害小，因而调形后其表面质量完整。
[0028]3、本发明中调形过程中不需要复杂的模具。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是根据本发明第一实施方式的金属板件电磁内应力调形方法的示意图。
[0030]图2内线圈和外线圈放电时序配合示意图。
[0031]图3是本发明第一实施方式中截面应力分布及分解示意图。
[0032]图4是根据本发明第二实施方式的金属板件电磁内应力调形方法的示意图。
[0033]图5是本发明第二实施方式中截面应力分布示意图。
[0034]图6是根据本发明第三实施方式的金属板件电磁内应力调形方法的示意图。
[0035]图7是本发明第三实施方式中截面应力分布及分解示意图。
[0036]图8是根据本发明第四实施方式的金属板件电磁内应力调形方法的示意图。
[0037]图9是本发明第四实施方式中截面应力分布及分解示意图。
【具体实施方式】
[0038]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0039]如图1所示，根据本发明的第一实施方式，本发明金属板件电磁内应力调形方法包括以下步骤:
[0040](I)将第一内线圈I和第一外线圈2放置在金属板件3的上端面，并将第二内线圈4和第二外线圈5放置在金属板件3的下端面；
[0041](2)将第一内线圈I和第二内线圈4串联连接，并接入由第一电容器14、第一续流二极管15和第一开关16组成的第一电容器式脉冲电源6 ；
[0042](3)将第一外线圈2和第二外线圈5串联连接，并接入由第二电容器13、第二续流二极管12和第二开关11组成的第二电容器式脉冲电源7 ；
[0043](4)第二电容器式脉冲电源7放电,放电过程中第一外线圈2和第二外线圈5在金属板件3的调形区域中产生背景轴向磁场。设计时外线圈的电感和脉冲电源的电容选择比较大，因而其电流脉冲宽度宽，保证背景轴向磁场不被工件感应屏蔽磁场严重抵消；
[0044](5)第一电容器式脉冲电源6在背景磁场峰值时刻放电,在金属板件3调形区域产生感应涡流，在感应涡流和背景磁场的共同作用下，金属板件3的调形区域产生特定的侧向电磁力分布，使金属板件3调形区域发生局部塑性变形，放电完成后，金属板件3的调形区域产生相应的变形。设计时内线圈的电感和脉冲电源的电容选择比较小，因而其脉冲宽度窄，保证工件上感应足够大的涡流。其中当第一内线圈I和第一外线圈2的电流方向相反，第二内线圈4和第二外线圈5的电流方向相同时候，金属板件3调形区域上凸变形；当第一内线圈I和第一外线圈2的电流方向相同,第二内线圈4和第二外线圈5的电流方向相反时，金属板件3调形区域下凹变形；通过调节线圈的电流大小和方向可以调控金属板件3变形的大小和方向；
[0045](6)根据金属板件的内应力调形规划的路径，依次在金属板件3不同位置重复上述步骤(4 )至(5 )，直至金属板件产生所需形变为止。
[0046]内外线圈的一种放电电流时序配合见图2。图3给出调形过程中金属板件3调形核心区域截面应力分布及应力分解示意图，其具体解释了第一实施例中金属板件电磁内应力调形方法的原理。
[0047]如图4所示，根据本发明的第二实施方式，本发明金属板件电磁内应力调形方法包括以下步骤:
[0048](I)将金属板件3固定于基座平台17上；
[0049](2)将第一内线圈I和第一外线圈2放置在金属板件3的上端面；
[0050](3)将第一内线圈I接入由第一电容器14、第一续流二极管15和第一开关16组成的第一电容器式脉冲电源6 ；
[0051](4)将第一外线圈2接入由第二电容器13、第二续流二极管12和第二开关11组成的第二电容器式脉冲电源7 ;
[0052](5)第二电容器式脉冲电源7放电，放电过程中第一外线圈2在金属板件3的调形区域产生背景轴向磁场。设计时外线圈的电感和脉冲电源的电容选择比较大，因而其电流脉冲宽度宽，保证背景轴向磁场不被工件感应屏蔽磁场严重抵消；
[0053](6)第一电容器式脉冲电源6在背景轴向磁场峰值时刻放电,第一内线圈I的电流方向与第一外线圈2的电流方向相反，在金属板件3的调形区域感应涡流，在感应涡流和背景磁场的共同作用下，金属板件3的调形区域产生特定的侧向电磁力分布，使金属板件3调形区域发生相应的局部塑性变形，放电完成后，金属板件3的调形区域产生微小的上凸变形；设计时内线圈的电感和脉冲电源的电容选择比较小，因而其脉冲宽度窄，保证工件上感应足够大的涡流；
[0054](7)根据金属板件的内应力调形规划的路径，依次在金属板件3不同位置重复上述步骤(5 )至(6 )，直至金属板件产生所需形变为止。
[0055]内外线圈的放电时序配合方式与实施例1中相似。图5给出调形过程中金属板件3调形核心区域截面应力分布示意图，其具体解释了第二实施例中金属板件电磁内应力调形方法的原理。
[0056]如图6所示，根据本发明的第三实施方式，本发明金属板件电磁内应力调形方法包括以下步骤:
[0057](I)通过弯曲模具凹模21和凸模22将金属板件3预先弯曲；预弯曲过程中保证金属板件3处于弹性范围内；
[0058](2)将第一内线圈I和第一外线圈2放置在金属板件3的上端面，并将第二内线圈4和第二外线圈5放置在金属板件3的下端面；
[0059](3)将第一内线圈I和第二内线圈4串联连接，并接入由第一电容器14、第一续流二极管15和第一开关16组成的第一电容器式脉冲电源6 ；
[0060](4)将第一外线圈2和第二外线圈5串联连接，并接入由第二电容器13、第二续流二极管12和第二开关11组成的第二电容器式脉冲电源7 ；
[0061](5)第二电容器式脉冲电源7放电,放电过程中第一外线圈2和第二外线圈5在金属板件3的调形区域中产生背景轴向磁场。设计时外线圈的电感和脉冲电源的电容选择比较大，因而其电流脉冲宽度宽，保证背景轴向磁场不被工件感应屏蔽磁场严重抵消；
[0062](6)第一电容器式脉冲电源6在背景磁场峰值时刻放电,其中第一内线圈的电流方向与第一外线圈的电流方向相反，第二内线圈的电流方向与第二外线圈的电流方向也相反，在金属板件3调形区域产生感应涡流，在感应涡流和背景磁场的共同作用下，金属板件3的调形区域产生特定的侧向电磁力分布，使金属板件3调形区域发生局部塑性变形，放电完成后，金属板件3的调形区域产生微小的上凸变形；设计时内线圈的电感和脉冲电源的电容选择比较小，因而其脉冲宽度窄，保证工件上感应足够大的涡流；
[0063](7)根据金属板件的内应力调形规划的路径，依次在金属板件3不同位置重复上述步骤(5 )至(6 )，直至金属板件产生所需形变为止。
[0064]内外线圈的放电时序配合方式与实施例1中相似。图7给出调形过程中金属板件3调形核心区域截面应力分布及应力分解示意图，其具体解释了第三实施例中金属板件电磁内应力调形方法的原理。
[0065]如图7所示，根据本发明的第四实施方式，本发明金属板件电磁内应力调形方法包括以下步骤:
[0066]( I)将金属板件3预先拉伸；拉伸力控制在金属板件3弹性范围内；
[0067](2)将第一内线圈I和第一外线圈2放置在金属板件3的上端面，并将第二内线圈4和第二外线圈5放置在金属板件3的下端面；
[0068](3)将第一内线圈I和第二内线圈4串联连接，并接入由第一电容器14、第一续流二极管15和第一开关16组成的第一电容器式脉冲电源6 ；
[0069](4)将第一外线圈2和第二外线圈5串联连接，并接入由第二电容器13、第二续流二极管12和第二开关11组成的第二电容器式脉冲电源7 ；
[0070](5)第二电容器式脉冲电源7放电,放电过程中第一外线圈2和第二外线圈5在金属板件3的调形区域中产生背景轴向磁场；设计时外线圈的电感和脉冲电源的电容选择比较大，因而其电流脉冲宽度宽，保证背景轴向磁场不被工件感应屏蔽磁场严重抵消；
[0071](6)第一电容器式脉冲电源6在背景磁场峰值时刻放电,在金属板件3调形区域产生感应涡流，在感应涡流和背景磁场的共同作用下，金属板件3的调形区域产生特定的侧向电磁力分布，使金属板件3调形区域发生局部塑性变形，放电完成后，金属板件3的调形区域产生相应的变形；设计时内线圈的电感和脉冲电源的电容选择比较小，因而其脉冲宽度窄，保证工件上感应足够大的涡流。其中当第一内线圈I和第一外线圈2的电流方向相反，第二内线圈4和第二外线圈5的电流方向相同时候，金属板件3调形区域上凸变形；当第一内线圈I和第一外线圈2的电流方向相同,第二内线圈4和第二外线圈5的电流方向相反时，金属板件3调形区域下凹变形；通过调节线圈的电流大小和方向可以调控金属板件3变形的大小和方向；
[0072](7)根据金属板件的内应力调形规划的路径，依次在金属板件3不同位置重复上述步骤(5 )至(6 )，直至金属板件产生所需形变为止。
[0073]内外线圈的放电时序配合方式与实施例1中相似。图9给出调形过程中金属板件3调形核心区域截面应力分布及应力分解示意图，其具体解释了第四实施例中金属板件电磁内应力调形方法的原理。
[0074]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种金属板件电磁内应力调形方法，其特征在于，包括: (1)将第一内线圈和第一外线圈放置在金属板件的上端面，并将第二内线圈和第二外线圈放置在金属板件的下端面； (2)将第一内线圈和第二内线圈串联连接，并接入由第一电容器、第一续流二极管和第一开关组成的第一电容器式脉冲电源； (3)将第一外线圈和第二外线圈串联连接，并接入由第二电容器、第二续流二极管和第二开关组成的第二电容器式脉冲电源； (4)第二电容器式脉冲电源放电，放电过程中第一外线圈和第二外线圈在金属板件的调形区域中产生背景轴向磁场； (5)第一电容器式脉冲电源在背景磁场峰值时刻放电，在金属板件调形区域产生感应涡流，在感应涡流和背景磁场的共同作用下，金属板件的调形区域产生特定的侧向电磁力分布，使金属板件调形区域发生局部塑性变形，放电完成后，金属板件的调形区域产生相应的变形； (6)根据金属板件的内应力调形规划的路径，依次在金属板件不同位置重复上述步骤(4)至(5)，直至金属板件产生所需形变为止。
2.根据权利要求1所述的金属板件电磁内应力调形方法，其特征在于，当第一内线圈和第一外线圈的电流方向相反,第二内线圈和第二外线圈的电流方向相同时,金属板件调形区域上表面发生塑性变形并上凸变形，当第一内线圈和第一外线圈的电流方向相同，第二内线圈和第二外线圈的电流方向相反时，金属板件调形区域下表面发生塑性变形并下凸变形。
3.根据权利 要求1所述的金属板件电磁内应力调形方法，其特征在于，还包括步骤(1)之前，通过弯曲模具将金属板件预先弯曲。
4.根据权利要求3所述的金属板件电磁内应力调形方法，其特征在于，第一内线圈的电流方向与第一外线圈的电流方向相反，第二内线圈的电流方向与第二外线圈的电流方向也相反。
5.根据权利要求1所述的金属板件电磁内应力调形方法，其特征在于，还包括步骤(1)之前，通过拉伸夹具将金属板件预先拉伸。
6.根据权利要求5所述的金属板件电磁内应力调形方法，其特征在于，当第一内线圈和第一外线圈的电流方向相反,第二内线圈和第二外线圈的电流方向相同时,金属板件调形区域上表面发生塑性变形并上凸变形，当第一内线圈和第一外线圈的电流方向相同，第二内线圈和第二外线圈的电流方向相反时，金属板件调形区域下表面发生塑性变形并下凸变形。
7.一种金属板件电磁内应力调形方法，其特征在于，包括: (1)将第一内线圈和第一外线圈放置在金属板件的上端面； (2)将第一内线圈接入由第一电容器、第一续流二极管和第一开关组成的第一电容器式脉冲电源； (3)将第一外线圈接入由第二电容器、第二续流二极管和第二开关组成的第二电容器式脉冲电源； (4)第二电容器式脉冲电源放电，放电过程中第一外线圈在金属板件的调形区域中产生背景轴向磁场； (5)第一电容器式脉冲电源在背景磁场峰值时刻放电，在金属板件调形区域产生感应涡流，在感应涡流和背景磁场的共同作用下，金属板件的调形区域产生特定的侧向电磁力分布，使金属板件调形区域发生局部塑性变形，放电完成后，金属板件的调形区域产生相应的变形； (6)根据金属板件的内应力调形规划的路径，依次在金属板件不同位置重复上述步骤(4)至(5)，直至金属板件产生所需变形为止。
8.根据权利要求7所述的金属板件电磁内应力调形方法，其特征在于，还包括步骤(1)之前，将金属板件固定于基座平台上的步骤。
9.根据权利要求7所述的金属板件电磁内应力调形方法，其特征在于，第一内线圈的电流方向与第一外线圈的电流方向相反。
【文档编号】B21D26/14GK103586324SQ201310528275
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】李亮, 周中玉 申请人:华中科技大学