CN105203412B - 基于电磁高能率下的薄板材料成形极限的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电磁高能率下的薄板材料成形极限的测量装置，包括：胀形模具，包括上模和下模，所述上模具有一凹形空间；驱动线圈，设置于所述下模中；驱动源，与所述驱动线圈电连接，所述驱动源包括AC电源以及与所述AC电源并联的电容器；以及驱动片，具有一中心孔；所述上模和所述下模用于夹持所述薄板材料，所述驱动片设置于驱动线圈的上表面；所述的薄板材料，具有独特的形状，放置于所述的驱动片之上。本发明还涉及一种使用上述测量装置的测量方法。

Description

基于电磁高能率下的薄板材料成形极限的测量装置及方法

技术领域

本发明属于材料机械性能领域，具体为电磁高能率下薄板材料成形极限的测量装置及方法，为薄板材料高速率成形提供成形极限图。

背景技术

根据成形极限理论，可知为了绘制出完整的成形极限图，在测试过程中必须获得单向拉伸、平面应变和双向拉伸三种应变状态(如图1所示)。传统测量成形极限的方法是在平直无变形的板料表面印制选定的、尺寸精确的网格或随机斑点图案，再采用Nakajima或Marciniak方法对板料进行变形直至破裂、停止试验。Nakazima试验法，其实质是半球形刚性凸模胀形试验。通过改变试件的宽度，使其侧向约束改变从而得到从单拉到等双拉的成形极限。Marciniak方法，其实质是平面刚性凸模胀形试验。但是由于受传统机械结构限制，凸模的下行速度受到限制，这两种方法只适合于常态下的成形极限测量。电磁高能率下，材料变形的应变率可高达103/s，不同于常态下的成形方法，常规的成形极限的测试已不能完全满足要求。

针对电磁高能率下材料的成形极限测量，Seth、Golovashchenko、Dariani分别提出了方案。Seth通过采用单一的平面螺线线圈，同种圆形坯料，不同的冲头形状获得不同的应变状态：采用轴对称冲头(导弹头形状)时，在冲头顶部可以获得近似双向拉伸的应变状态；采用楔形冲头时，可以得到接近平面应变状态的变形。由于采用的板料撞击冲头的方法，这样对于强度硬度较大的材料如钛合金则不易破裂，且需要更大的能量从而耗能大。

Golovashchenko通过采用平面螺旋线圈成形方形坯料获得双向拉伸应变状态；采用轨道线圈成形不同长宽比的长条坯料获得单向拉伸及平面应变状态。Golovashchenko的方法为了使变形均匀，获得单拉应变状态与平面应变状态需要采用不同形式的线圈，增加线圈制作成本。轨道线圈成形时长条坯料不易夹紧，且长条轨道之间由于电磁力相互作用容易使轨道线圈失稳。

Dariani采用不同的长宽比的长条坯料及方形坯料获得不同应变状态。Dariani是基于爆炸成形装置而设置长条坯料及方形坯料的。

为了能够准确的测量出电磁高能率下薄板材料的成形极限，考虑到不同的板料形状不会影响线圈所感应的涡流分布。本发明提出采用单一螺旋线圈，不同的坯料形状以获得不同的应变状态。

发明内容

本发明提供一种基于电磁高能率下的薄板材料成形极限的测量装置及方法，可以有效解决上述问题。

本发明提供一种基于电磁高能率下的薄板材料成形极限的测量装置，包括：

胀形模具，包括上模和下模，所述上模具有一凹形空间；

平面螺旋线圈，设置于所述下模中；

驱动源，与所述平面螺旋线圈电连接，所述驱动源包括AC电源以及与所述AC电源并联的电容器；以及

驱动片，具有一中心孔；

其中，所述上模和所述下模用于夹持所述薄板材料，所述驱动片设置于平面螺旋线圈的上表面；

测量成形极限的双向拉伸应变状态时，所述薄板材料为方形板料或圆形板料。

进一步的，测量成形极限的平面应变状态时，所述薄板材料为方形板料，且具有两个关于所述方形板料中心轴对称的半圆形孔，两个半圆形孔沿中心轴的距离为D，所述半圆形孔的半径为1/2D，每一半圆形孔的两端通过圆弧R5进行光滑连接。

进一步的，测量成形极限的单向拉伸应变状态时，所述薄板材料为方形板料，且具有四个关于所述方形板料中心对称的1/4圆形孔，相邻两个1/4圆形孔沿中心轴的距离为d，所述1/4圆形孔的半径为R1，每一1/4圆形孔的两端通过圆弧R2和R3进行光滑连接，每一1/4圆形孔的直角端通过圆弧R4进行光滑连接。

进一步的，所述薄板材料为TC4钛合金或高强钢等高电阻率材料。

进一步的，在双向胀形时，所述驱动片采用AA5052铝板；在单向拉伸及平面应变状态实验时，所述驱动片采用T3紫铜板。

一种用于上述测量装置的测量方法，包括：

通过所述驱动源中的电容器放电，在所述平面螺旋线圈上产生脉冲电流，从而使所述平面螺旋线圈与所述驱动片之间产生相互排斥的力，使所述薄板材料变形；

将胀形后的薄板材料取出，通过拍照采集数据再通过软件ASAME进行处理，得到成形极限所需的单向拉伸、平面应变和双向拉伸三种应变状态下的主应变及次应变，从而得到成形极限图。

进一步的，所述通过驱动源中的电容器放电的步骤包括：

通过AC电源向所述电容器充电；以及

通过充电后的电容器向所述平面螺旋线圈放电。

进一步的，所述AC电源的电压为20-40kv；所述电容器的容量为200-300μf；放电时间为毫秒级。

本发明所述的电磁高能率下薄板材料成形极限的测量装置及方法，具有如下技术效果：采用简单的螺旋线圈，将脉冲电磁成形的方法与成形极限曲线的传统测量方法结合在一起并通过专业的应变分析软件ASAME得到薄板材料在高应变率下的成形极限图。从而为薄板材料在实际的高能率下成形提供塑性性能的参考，也为学者研究高应变速率下材料本构关系的变化提供参考。

附图说明

图1为薄板材料的成形极限原理图。

图2为本发明实施例提供的电磁高能率下薄板成形极限的测量装置成形前的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的电磁高能率下薄板成形极限的测量装置成形后的结构示意图。

图4-6为不同的薄板材料的结构示意图。

图7为电磁高能率双向拉伸应变状态下TC4钛合金板材的成形极限。

图8为电磁高能率单向拉伸应变状态下TC4钛合金板材的成形极限。

图9为电磁高能率平面应变状态下TC4钛合金板材的成形极限。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

请参照图2，本发明提供一种基于电磁高能率下的薄板材料14成形极限的测量装置100，包括：

胀形模具10，包括上模101和下模102，所述上模101具有一凹形空间；

平面螺旋线圈11，设置于所述下模102中；

驱动源12，与所述平面螺旋线圈11电连接，所述驱动源12包括AC电源121以及与所述AC电源121并联的电容器123；以及

驱动片13，具有一中心孔131；

其中，所述薄板材料14夹持设置于所述上模101和所述下模102之间，所述驱动片13设置于所述薄板材料14靠近所述平面螺旋线圈11的表面，所述薄板材料14表面印制密排的网格。所述上模101可以封闭结构或开口结构。优选的，所述上模102的内缘为圆弧形，以降低后续薄板材料14形变时的阻碍。进一步的，采用带孔的环氧树脂板15垫高所述薄板材料14，所述环氧树脂板15的高度等于所述驱动片13的高度。

所述平面螺旋线圈中单层平面螺旋线圈优选采用矩形截面的紫铜漆包线，直接旋转镶嵌到加工有螺旋槽的环氧板上，上面覆盖一层薄的环氧板，然后再用环氧树脂进行密封加固。这样的线圈制作简单，结构对称，有利于改善平面螺旋线圈11的受力状态，延长平面螺旋线圈11的寿命。

请参照图4，对于成形极限图右侧，即双向拉伸应变状态，所述薄板材料14采用边长为L×L的方形板料或直径为L的圆形板料。优选的，采用边长为L×L的方形板料尺寸L以保证板料有足够的压边力。

请参照图5，对于成形极限图左侧即单向拉伸应变状态，根据单向拉伸试样标准图，同时考虑到平面螺旋线圈产生的双驼峰型的电磁力分布特点，所述薄板材料14采用方形板料，且具有四个关于所述方形板料中心对称的1/4圆形孔，相邻两个1/4圆形孔沿中心轴的距离为d，所述1/4圆形孔的半径为R1，每一1/4圆形孔的两端通过圆弧R2和R3进行光滑连接，每一1/4圆形孔的直角端通过圆弧R4进行光滑连接。

请参照图6，塑性变形过程中，平面应变状态是比较苛刻的状态，在成形极限测试中，平面应变状态是比较难获得的。为了获得平面应变状态，借鉴Wagoner等人的试样设计思想。根据一些难成形材料如钛合金需要在驱动片的作用下变形的特点采用所述薄板材料14为方形板料，且具有两个关于所述方形板料中心轴对称的半圆形孔，两个半圆形孔沿中心轴的距离为D，所述半圆形孔的半径为1/2D，每一半圆形孔的两端通过圆弧R5进行光滑连接。

所述薄板材料14可以为高阻的金属材料或合金材料。本实施例中，所述薄板材料14为TC4钛合金，其电阻率为169.3μΩ.cm。

所述驱动片13选自轻质，易变形，低电阻率的材料，从而可以有效提高平面螺旋线圈11的成形效率，尤其是在成形高电阻率材料时。优选，电阻率小于等于10μΩ.cm；更优选，电阻率小于等于5μΩ.cm。本实施例中，在双向胀形时，所述驱动片13采用2mm厚的AA5052铝板，电阻率约为2.7μΩ.cm，以提高成形效率，另外可改善线圈的受力，延长其寿命；单向拉伸及平面应变状态实验时，所述驱动片采用0.8mm厚的T3紫铜板，电阻率约为1.7μΩ.cm。

一种使用上述测量装置100的测量方法，包括：

通过所述驱动源12中的电容器123放电，在所述平面螺旋线圈11上产生脉冲电流，从而使所述平面螺旋线圈11与所述驱动片13之间产生相互排斥的力，使所述薄板材料14变形，请参照图3；

将胀形后的薄板材料14取出，通过拍照采集数据再通过软件ASAME进行处理，得到成形极限所需的单向拉伸、平面应变和双向拉伸三种应变状态下的主应变及次应变，从而得到成形极限图。

进一步的，所述通过驱动源12中的电容器123放电的步骤包括：

通过AC电源121向所述电容器123充电；以及

通过充电后的电容器123向所述平面螺旋线圈11放电。上述步骤可以通过开关122和开关124实现。所述AC电源的电压可以为20-40kv；所述电容器的容量为200-300μf；放电时间为毫秒级。优选的，所述AC电源的电压为25-35kv；所述电容器的容量为200-250μf。更优选的，所述AC电源的电压为28-32kv；所述电容器的容量为210-220μf。本实施例中，所述AC电源的电压为30kv；所述电容器的容量为213μf。

采用本发明中的方形试样获得了电磁高能率双向拉伸应变状态下TC4钛合金板材的成形极限，如图7所示；采用如图5试样获得了电磁高能率单向拉伸应变状态下TC4钛合金板材的成形极限，如图8所示；采用如图6试样获得了电磁高能率平面应变状态下TC4钛合金板材的成形极限，如图9所示。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种基于电磁高能率下的薄板材料成形极限的测量装置，其特征在于，包括：

胀形模具，包括上模和下模，所述上模具有一凹形空间；

平面螺旋线圈，设置于所述下模中；

驱动源，与所述平面螺旋线圈电连接，所述驱动源包括AC电源以及与所述AC电源并联的电容器；以及

驱动片，具有一中心孔；

其中，所述上模和所述下模用于夹持所述薄板材料，所述驱动片设置于平面螺旋线圈的上表面；

测量成形极限的双向拉伸应变状态时，所述薄板材料为方形板料或圆形板料；

测量成形极限的平面应变状态时，所述薄板材料为方形板料，且具有两个关于所述方形板料中心轴对称的半圆形孔，两个半圆形孔沿中心轴的距离为D，所述半圆形孔的半径为1/2D，每一半圆形孔的两端通过圆弧R5进行光滑连接；

测量成形极限的单向拉伸应变状态时，所述薄板材料为方形板料，且具有四个关于所述方形板料中心对称的1/4圆形孔，相邻两个1/4圆形孔沿中心轴的距离为d,所述1/4圆形孔的半径为R1，每一1/4圆形孔的两端通过圆弧R2和R3进行光滑连接，每一1/4圆形孔的直角端通过圆弧R4进行光滑连接。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述薄板材料为TC4钛合金或高电阻高强钢材料。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，在双向胀形时，所述驱动片采用AA5052铝板；在单向拉伸及平面应变状态实验时，所述驱动片采用T3紫铜板。

4.一种测量方法，应用于如权利要求1至3任意一项所述的测量装置，其特征在于，包括：

通过所述驱动源中的电容器放电，在所述平面螺旋线圈上产生脉冲电流，从而使所述平面螺旋线圈与所述驱动片之间产生相互排斥的力，使所述薄板材料变形；

将胀形后的薄板材料取出，通过拍照采集数据再通过软件ASAME进行处理，得到成形极限所需的单向拉伸、平面应变和双向拉伸三种应变状态下的主应变及次应变，从而得到成形极限图。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述通过驱动源中的电容器放电的步骤包括：

通过AC电源向所述电容器充电；以及

通过充电后的电容器向所述平面螺旋线圈放电。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述AC电源的电压为20-40kv；所述电容器的容量为200-300μf；放电时间为毫秒级。