本發(fā)明涉及金屬塑性加工及成形，具體為一種改善增材成形工件性能的磁脈沖強化裝置及工藝。

背景技術(shù)：

1、電弧熔絲增材制造（wire?arc?additive?manufacturing，waam）是使用電弧焊槍將金屬熔融后進行層層堆焊，最終形成目標(biāo)工件毛坯，再通過后續(xù)機加工達到設(shè)計目標(biāo)的尺寸精度和表面質(zhì)量的增材制造方法。其特點為沉積效率高、設(shè)備費用低、材料利用率高和對環(huán)境較為友好。雖然waam生產(chǎn)的部件的機械性能在許多情況下可以與傳統(tǒng)加工的同類產(chǎn)品相媲美，但仍有一些加工缺陷在關(guān)鍵應(yīng)用中必須得到解決。在waam生產(chǎn)工件的應(yīng)用過程中，必須避免氣孔、高殘余拉應(yīng)力和裂紋，其會導(dǎo)致成型工件性能的大幅度下降。這些缺陷的存在很大程度上限制了waam的進一步發(fā)展和應(yīng)用。

2、除了調(diào)控工藝參數(shù)及后續(xù)熱處理工藝等方法改善成形件微觀組織，提升綜合力學(xué)性能之外，一些學(xué)者還將傳統(tǒng)塑性成形工藝引入電弧增材制造中，形成了超聲激光沖擊復(fù)合技術(shù)，高頻微鍛造復(fù)合技術(shù)，軋制復(fù)合技術(shù)等電弧增材塑性成形復(fù)合制造技術(shù)。這些復(fù)合技術(shù)在調(diào)控殘余應(yīng)力、細化晶粒、提升性能等方面有一定的作用，但是也存在破壞表面質(zhì)量、影響層深度低、熱輸入較高等各方面的問題。因此，亟需發(fā)展表面完整性好、影響層深度高、熱輸入較少的改善增材后工件殘余應(yīng)力的新技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對上述的缺陷和不足，提供一種改善增材成形工件性能的磁脈沖強化裝置及工藝，基于rlc放電回路，在增材的過程中充電，之后放電，電流通過工作線圈產(chǎn)生強大的磁場，異形的集磁器則可以控制磁場的分布，在金屬工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流和磁場，使工件受到多向的磁場力，在磁場力的作用下使工件內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形，改善增材過程產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，同時，可以防止工件形狀發(fā)生較大的改變，減小后續(xù)機加工余量。磁脈沖強化過程是非接觸的，對工件表面影響較小，能提高表面完整性；應(yīng)變速率大，影響層深度較深；作用時間短，不易造成工件的重熔，可以有效的改善增材后的組織，消除內(nèi)部缺陷，具有顯著的優(yōu)勢。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：

3、一種改善增材成形工件性能的磁脈沖強化裝置，包括基座、固定設(shè)置于基座頂面上的增材成形臺和第一垂向定位機構(gòu)，所述第一垂向定位機構(gòu)的定位輸出端固定連接有套設(shè)于增材成形臺外側(cè)的升降定位板，所述升降定位板的頂面分別固定設(shè)置有水平縱向定位機構(gòu)和第二垂向定位機構(gòu)，所述水平縱向定位機構(gòu)的定位輸出端固定連接有水平橫向定位機構(gòu)，所述水平橫向定位機構(gòu)的定位輸出端固定連接有位于增材成形臺頂面上方的電弧熔絲增材焊槍組件，所述第二垂向定位機構(gòu)的定位輸出端固定連接有升降架板，升降架板的底部設(shè)置有位于增材成形臺頂面正上方的磁脈沖強化組件；

4、水平縱向定位機構(gòu)和水平橫向定位機構(gòu)驅(qū)動電弧熔絲增材焊槍組件在增材成形臺上逐層向上增材沉積成形工件，每完成一層增材沉積成形，第二垂向定位機構(gòu)驅(qū)動磁脈沖強化組件定位至已增材成形的工件頂部外側(cè)，磁脈沖強化組件通過磁場力對工件的頂部表面進行沖擊強化。

5、進一步的，所述磁脈沖強化組件包括倒錐型空心結(jié)構(gòu)的集磁器、同軸設(shè)置于集磁器頂面上的磁脈沖強化線圈，所述集磁器的底面上開設(shè)有與工件的截面形狀的頂部輪廓相匹配的強化槽，所述磁脈沖強化線圈為渦狀線結(jié)構(gòu)，其兩端分別與磁脈沖強化裝置的兩個輸出電極連接。

6、進一步的，所述磁脈沖強化裝置的系統(tǒng)回路包括電源、電容器、電容開關(guān)、電感器和電阻器，電源的一端電極與磁脈沖強化線圈的一端連接，電源的另一端電極依次與電感器和電阻器串聯(lián)后與磁脈沖強化線圈的另一端連接，電容器與電容開關(guān)串聯(lián)后與電源的兩電極端并聯(lián)。

7、進一步的，所述磁脈沖強化裝置的最大放電能量100~150kj，電容器（1032）的電容量為160~320?μf，放電電壓為5~20kv。

8、進一步的，所述升降架板的底部固定連接有安裝架板，安裝架板的底部固定連接有夾持筒，夾持筒的底部可拆卸地連接有夾持壓板，所述集磁器的頂面邊緣被夾持于夾持壓板和夾持筒之間，所述磁脈沖強化線圈位于夾持筒內(nèi)。

9、還提供了一種改善增材成形工件性能的磁脈沖強化工藝，應(yīng)用于如前所述的改善增材成形工件性能的磁脈沖強化裝置，包括以下步驟：

10、s1、系統(tǒng)初始化，裝置復(fù)位：第二垂向定位機構(gòu)驅(qū)動磁脈沖強化組件上升復(fù)位至增材成形臺的待增材區(qū)域的正上方，水平縱向定位機構(gòu)和水平橫向定位機構(gòu)驅(qū)動電弧熔絲增材焊槍組件水平移動復(fù)位至增材成形臺的待增材區(qū)域的上方一側(cè)；

11、s2、電弧熔絲單層增材：水平縱向定位機構(gòu)和水平橫向定位機構(gòu)驅(qū)動電弧熔絲增材焊槍組件移動至增材成形臺的待增材區(qū)域，并驅(qū)動電弧熔絲增材焊槍組件按照預(yù)設(shè)的成形路線移動，電弧熔絲增材焊槍組件在移動過程中將熔融金屬擠出，熔融金屬沉積成形，水平縱向定位機構(gòu)和水平橫向定位機構(gòu)驅(qū)動電弧熔絲增材焊槍組件移動復(fù)位；

12、s3、磁脈沖表面強化：第二垂向定位機構(gòu)驅(qū)動磁脈沖強化組件下移至已增材成形的工件的頂部外側(cè)，磁脈沖強化組件通過磁場力對工件的頂部表面進行沖擊強化，至預(yù)設(shè)的沖擊強化時間后，第二垂向定位機構(gòu)驅(qū)動磁脈沖強化組件上升復(fù)位；

13、s4、增材高度進給：第一垂向定位機構(gòu)驅(qū)動電弧熔絲增材焊槍組件上移一個單層增材高度；

14、s5、循環(huán)增材和強化過程：重復(fù)上述步驟s2至步驟s4，完成工件在增材成形臺上逐層向上增材沉積成形過程，并在每層增材沉積成形后，完成對工件頂部表面的沖擊強化；

15、s6、取出樣品：裝置停止工作，待增材成形的工件冷卻至室溫后從增材成形臺上移出。

16、進一步的，步驟s3中，集磁器的底面上的強化槽的側(cè)面與已增材成形的工件的頂部外側(cè)表面之間的距離為0.5~2mm，預(yù)設(shè)的沖擊強化時間為0.001~1ms。

17、進一步的，在步驟s6之后，通過金相觀察和殘余應(yīng)力檢測確定磁脈沖強化參數(shù)與晶粒尺寸、冶金缺陷和殘余應(yīng)力的關(guān)系。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的有益效果如下：

19、1、本發(fā)明通過設(shè)置磁脈沖強化組件，通過磁脈沖強化線圈釋放的電磁場，產(chǎn)生磁場力，對增材工件的頂部表面進行沖擊強化，電磁成形中應(yīng)變速率非常高（應(yīng)變速率103-104s-1），可以利用高速變形的高應(yīng)變率硬化效應(yīng)來提高磁脈沖強化的效果，從而對工件表面引入殘余應(yīng)力場和一定程度的表面加工硬化，提高了工件的疲勞強度；

20、2、本發(fā)明采用的磁脈沖表面沖擊強化工藝屬于非接觸式?jīng)_擊強化，在強化過程中，工件的表面完整性較好、表面質(zhì)量較高，減少了后續(xù)機加工量；同時，磁脈沖強化過程作用時間短，僅有0.001-1ms，能在極短的時間內(nèi)完成增材工件的表面強化，強化效率高，且不易造成工件的重熔，可以在不破壞增材工件基本形狀的條件下，實現(xiàn)了對工件組織和性能的調(diào)控；

21、3、本發(fā)明通過采用異形結(jié)構(gòu)的集磁器，調(diào)控磁脈沖強化過程磁場分布，使工件的頂部表面在磁脈沖表面沖擊強化的過程中受到三向的壓應(yīng)力，顯著改善了工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布，并有效的細化晶粒，可以有效的修復(fù)增材后工件內(nèi)部孔隙、裂紋等缺陷，調(diào)控其殘余應(yīng)力，提升了工件的綜合性能；

22、4、本發(fā)明通過使用rlc回路，在增材的過程給電容器充電，節(jié)省充電時間，提高了工作效率；

23、5、本發(fā)明可通過將異性集磁器設(shè)計成多種形狀，以適應(yīng)不同形狀的增材工件的磁脈沖表面沖擊強化工藝的應(yīng)用需要，適應(yīng)性好。