CN108465725A - 一种电磁压边拉深试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于电磁压边拉深试验装置及试验方法，包括定位及紧固机构、电磁压边拉深装置、电磁力标定装置及相应试验方法。定位及紧固机构由固定块、压板、垫块及底板组成，凹模及固定环由螺钉紧固于装置底板；凹模上部环形凹槽内安装有弹簧顶件机构；固定环凹槽内绕制有励磁线圈，并配有相应电源及控制器；磁力环加工有环形凹槽与压边圈配合为一整体；磁力环与标定块由螺纹配合；凸模与标定块手柄通过螺钉紧固在上模座。本发明的电磁压边拉深试验装置，可输出可调电磁力，通过给出的标定方法可获得电磁力与电流强度曲线。通过试验可得到给定拉深件的最优压边力曲线，并可获得板料直径大小对给定拉深件极限拉深系数的影响。

Description

一种电磁压边拉深试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种电磁压边拉深试验装置及试验方法，特别涉及一种适于薄板金属拉深电磁压边拉深试验装置。

背景技术

在薄板金属的拉深过程中，毛坯法兰的外缘由于受到较大切向压应力的作用容易发生起皱，往往需要在法兰部分施加压边力抑制起皱的发生。传统的压边装置分为机械式与液压式两类。机械式压边一般采用弹簧、橡胶垫与氮气缸，液压式压边往往通过活塞产生的液体压力进行压边。传统的压边装置所提供的压边力一般无法灵活调节且成递增趋势。为解决传统压边方式的缺陷，提出了电磁压边技术，并已在电磁成形领域中得到应用。电磁压边技术在薄板金属拉深领域中的应用目前大多是机械与电磁混合压边的形式，成本较高，结构较为复杂，可拆卸性能较差，压边力由于机械力的作用无法做到灵活精确的控制。为解决压边力由电磁力精确控制的电磁压边拉深装置的实现问题，本发明人曾申请了一项名为“一种可拆卸式电磁压边拉深模具及其压边力控制方法”的发明专利（申请公布号：CN107716723 A），提出了一种实用型模具，用于大批量生产，但没有涉及合理压边力曲线的获取。合理压边力曲线的获取方式主要可分为理论解析法、数值模拟法与试验法。理论解析法往往需要对装置结构简化，易造成计算结果不精确。数值模拟法也往往需要对装置结构简化且所输入的参数曲线不够精确，因而也会造成仿真结果的不准确。试验法是通过设计一系列的试验，采用实践的方法获得合理的压边力曲线，试验的设计精度会对曲线产生一定的影响。

发明内容

（1）发明目的

本发明的目的是为了提供一种压边力单纯由电磁力提供的薄板金属拉深电磁压边拉深试验装置的具体实施方案，并给出具体的装置安装方式、合理压边力曲线确定方法、空气隙及电流强度对压边力影响规律测量方法及电磁力与电流强度大小的标定方法；通过改变毛坯尺寸以确定拉深件的极限拉深系数，极限拉深系数的确定可有效减少拉深次数，降低生产成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

（2）技术方案

一种电磁压边拉深试验装置及试验方法，整套装置包括凸模、凹模、磁力环、励磁线圈、固定环、凹模、圆柱头内六角螺钉、垫块、固定块、压板、底板、垫片、圆柱螺旋压缩弹簧、推件板、标定块等零件。薄板金属拉深电磁压边试验装置安装于万能材料试验机上。万能材料试验机的上模座呈圆盘形，下模座为加工有长直梯形槽的工作台。为将装置底板与万能材料试验机工作台紧固为一整体，设计横截面为梯形的固定块嵌于万能材料试验机工作台面的梯形凹槽中，固定块加工有螺纹通孔，将压板放置于垫块与底板的上端面，并由圆柱头内六角螺钉将四者紧固为一整体。凹模及固定环由圆柱头内六角螺钉固定于装置底板，两者间的配合采用间隙配合。固定环的凹槽内绕制有励磁线圈，并配有相应的电源及控制器。固定环的下方设置有厚度可调的垫片以改变工作气隙的大小。

凹模上部圆形凹槽内的弹簧顶件机构由圆柱螺旋压缩弹簧与推件板组成。所述的压边圈，由模具钢制成，其上均布有螺纹孔以与磁力环配合。

所述的磁力环，由磁导率较大的钢材制成。磁力环的上端面加工有圆柱凸台，圆柱凸台的中央加工有螺纹通孔，以与凸模或标定块配合。磁力环的周向均布有螺纹孔，且其下端面加工有圆形凹槽，通过圆柱头内六角螺钉将其与压边圈连接为一个整体。

所述的固定环，由磁导率较高的钢制成。其上部加工有环形凹槽，以放置励磁线圈；固定环的内环上端面画有板料的定位线。

所述的励磁线圈，由铝线均匀绕制而成，并由环氧树脂封装在固定环的环形凹槽内。

所述的标定块，在其外缘面加工螺纹以与磁力环配合，且在标定块的手柄上加工有垂直于外缘面轴线的贯通螺纹孔，采用圆柱头内六角螺钉将之与上模座紧固为一个整体。

本发明包括装置定位及紧固机构、电磁压边拉深装置及电磁力与电流强度关系标定装置。装置定位及紧固机构由底板、垫板、压板及圆柱内六角螺钉等组成；电磁压边拉深装置由凸模、凹模、压边圈、磁力环、固定环、励磁线圈、垫片等组成；电磁力标定装置由标定单元、万能材料试验机上的读数盘与装置控制器组成。

电磁压边拉深装置试验方法可以分为装置在万能材料试验机上的安装方法、获取合理压边力曲线试验方法、电流强度及空气隙对压边力大小的影响规律测量方法、确定拉深件极限拉深系数的试验方法及电磁力大小与电流强度关系的标定方法。

电磁压边拉深装置在万能材料试验机上的安装方法为：首先将凸模模柄插入上模座中央的圆形凹槽中，将圆柱头内六角螺钉旋入上模座垂直于凸模与上模座轴线的螺纹孔中将两者紧固以完成对凸模的固定。将固定块嵌入万能材料试验机的长直凹槽中并将底板及垫块放置在万能材料试验机的工作台上。将压板搭接在底板及垫块的上方，并由圆柱头内六角螺钉旋入压板中央的空隙将底板、垫块、压板及固定块紧固为一个整体。凹模与固定环间采用间隙配合，采用圆柱头内六角螺钉将两者紧固在装置底板上。

压边力随凸模位移变化关系曲线的测量方法：凸模位移可由安装在凸模一侧万能材料试验机自带的位移传感器测量，压边力大小可由安装在压边圈上的压力传感器测得，随着拉深件拉深的不断进行，压边力与凸模位移的数据节点即可被测得，两者的变化关系曲线便可被绘出。

获取合理压边力曲线的试验方法为：将装置的配套电源与220V交流电压接通，由装置内部的整流器将交流电转化为直流电并通入励磁线圈中，瞬间磁力环与固定环中的磁力线构成了封闭的回路，因此在磁力环与固定环之间会产生一定大小的电磁吸力，电磁吸力通过磁力环传递给压边圈继而对板料的法兰部位施加压边力，随着拉深过程的不断进行，通过调节控制器以连续改变励磁线圈中的电流强度，继而得到一条连续可变的压边力曲线。当拉深结束后，停止向装置电源供电，压边力随之消失。此时将磁力环托起，拉深件在弹簧力的作用下被顶出凹模，完成卸料，第一次试验结束。重复上述过程，调节电源控制器向励磁线圈中输入另一种形式的压边力曲线，进行第二次试验，得到所对应的拉深件。如此往复，进行一系列拉深试验，并得到一系列所对应的筒形件，比较其成形结果。无破裂起皱的拉深件所对应的压边力曲线即为试验得到的合理压边力曲线。

电流强度对压边力大小影响的试验方法为：试验设计以筒形件拉深为例，并选用相同尺寸的板料。首先调节装置配套控制器的旋钮，将直流电流先稳定在一恒定值。启动万能材料试验机进行筒形件的拉深，待拉深结束，记录此时的筒形件高度。继续调节控制器旋钮，增大电流强度并同样使电流保持另一恒定值，再次进行筒形件的拉深，又得到相对应的筒形件高度，记录此时的筒形件高度。以此类推，不断调节电流强度，进行筒形件的拉深，将会得到不同高度的筒形件，分别将拉深高度值记录下来。根据所得到的筒形件拉深高度可以算出所对应的毛坯直径，继而根据压边力经验公式可以估算出相应压边力的大小。以此方法可间接得到电流强度与压边力关系曲线。

空气隙对压边力大小影响的试验方法为：试验设计仍以筒形件拉深为例，并选用尺寸相同的板料并保持励磁线圈中电流强度的恒定。进行多次试验，第一次试验时选用一定厚度的垫片放置在固定环的下方，给装置电源通电，通过控制器将直流电流稳定在一定的数值。此时启动万能材料试验机对给定直径的板料进行拉深试验直至拉深结束，记录筒形件的成形高度；第二次试验时改变垫片的厚度，再次对板料进行拉深得到筒形件，记录此时筒形件的高度；如此往复，进行一系列试验，每次试验均只改变垫片的厚度，拉深并记录筒形件的高度。最后，记录所有筒形件拉深高度值并代入压边力经验公式估算压边力数值，通过数据处理可间接得到空气隙与压边力大小关系曲线。

上述试验方法均涉及电磁力大小与电流强度的关系曲线，所以需对装置电磁力大小进行标定，提供如下标定方法：

先将标定块由圆柱内六角螺钉安装于万能材料试验机上模座，并将标定块与磁力环通过螺纹配合成一个整体。给装置电源通电，调节控制器使励磁线圈中的电流强度保持在一恒定值，此时在磁力环与固定环之间产生一定大小的电磁吸力。启动万能材料试验机，使得磁力环与固定环之间产生相对运动趋势，当磁力环与固定环分离的瞬间，试验机表盘上的示数减去标定块重力即为电磁吸力标定值。调节控制器使电流值变为另一恒定值，重复上述步骤，测得相对应的电磁力数值。如此往复，得到一系列电流强度与电磁力大小数组并绘制成曲线。

本发明装置结构紧凑，操作方便，可通过改变电流强度灵活调节压边力大小，成本较低，使用安全可靠，填补了电磁压边拉深装置试验方法的空白。

（3）技术效果

本发明的有益效果是：（1）本发明给出了一种具体可行的电磁压边拉深试验装置，可以得到压边力随凸模行程的变化曲线。（2）电磁压边拉深试验装置不需单独设计上下模座及凸模驱动系统，安装在万能材料试验机上即可完成试验。（3）本发明给出了标定电磁力大小与电流强度关系的试验装置及方法，结构简单易行。（4）本发明可以探究空气隙及电流强度对压边力大小的影响规律。

本发明主要适用于薄板金属的电磁压边拉深成形，装置易于拆卸，压边力大小易于调控，安全性能较好，制造成本较低。

附图说明

图1是本发明电磁压边拉深试验装置剖视图。

图2是本发明凸模与上模座连接机构局部放大图。

图3是本发明底板与万能材料试验机工作台紧固机构局部剖视图。

图4是本发明标定装置剖视图。

图5是本发明标定块的受力示意图。

图6是直流电流强度与压边力大小的关系曲线。

图7是空气隙与压边力大小的关系曲线。

图1标记说明：1凸模，2压边圈，3磁力环，4励磁线圈，5固定环，6凹模，7圆柱头内六角螺钉，8圆柱头内六角螺钉，9垫块，10标定块，11压板，12底板，13垫片，14圆柱头内六角螺钉，15圆柱螺旋压缩弹簧，16推件板，17圆柱头内六角螺钉，18圆柱头内六角螺钉。

图4标记说明：19标定块。

图5标记说明：F ₁上模座对标定块的拉力，F ₂励磁线圈对磁力环的吸力，F _g标定单元的重力。

具体实施方式：

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，但其仅为优选实施例，并不用来限制本发明的实质范围。

图1为本发明的电磁压边拉深装置剖视图，所述的电磁压边拉深装置包括凸模1，压边圈2，磁力环3，励磁线圈4，固定环5，凹模6，圆柱头内六角螺钉7，圆柱头内六角螺钉8，垫块9，固定块10，压板11，底板12，垫片13，圆柱头内六角螺钉14，圆柱螺旋压缩弹簧15，推件板16，圆柱头内六角螺钉17，圆柱头内六角螺钉18；所述的电磁压边拉深装置采用正装结构，凸模1在上，凹模6在下，凹模由圆柱头内六角螺钉14固定在底板上。固定环5与凹模6间的配合为间隙配合，同样由4个按一定角度分布的圆柱头内六角螺钉7固定在底板12上，固定环5与底板12间设置有一定厚度的垫片13以调节空气隙的大小。固定环5的内环端面上画有定位标记进行毛坯的定位。底板12的固定是由图3所示底板与万能材料试验机工作台固定机构实现，该机构由圆柱头内六角螺钉8、垫块9、固定块10、压板11、底板12组成。2个固定块10嵌于万能材料试验机工作台的梯形凹槽内，底板放置于万能材料试验机的工作台面上，如图3所示2个圆柱头内六角螺钉8将垫块9、压板11及底板12连接为一个整体以完成对底板的紧固。磁力环3与压边圈2用6个均布的圆柱头内六角螺钉17连接为一个整体。励磁线圈4由环氧树脂封装在固定环5的环形凹槽内。磁力环3与压边圈2的组合单元与板料相接触，并与板料同轴心放置。凸模1的固定采用1个圆柱头内六角螺钉18与万能材料试验机上模座配合，使其成为一个整体。标定装置是由标定块19，磁力环3，压边圈2与万能材料试验机的读数盘组成。标定块19通过螺纹与磁力环3连接为一个整体。

电磁压边拉深装置试验方法可以分为装置在万能材料试验机上的安装方法、获取合理压边力曲线试验方法、电流强度及空气隙对压边力大小的影响规律测量方法、确定拉深件极限拉深系数的试验方法及电磁力大小与电流强度关系的标定方法。

电磁压边拉深装置在万能材料试验机上的安装方法为：首先将凸模1模柄插入上模座中央的圆形凹槽中，将圆柱头内六角螺钉18旋入上模座垂直于凸模1与上模座轴线的螺纹孔中将两者紧固以完成对凸模1的固定。凸模的安装如图2所示。将固定块10嵌入万能材料试验机的长直凹槽中并将底板12及垫块9放置在万能材料试验机的工作台上。将压板11搭接在底板12及垫块9的上方，并由圆柱头内六角螺钉8旋入压板中央的空隙将底板12、垫块9、压板11及固定块10紧固为一个整体。凹模6与固定环5间采用间隙配合，采用圆柱头内六角螺钉14将两者紧固在装置底板12上。

获取合理压边力曲线的试验方法为：先在固定环5下方放置一定厚度的垫片13，以给定空气隙的大小。启动材料试验机，使凸模1相对于凹模6下行。此时将装置电源与220V交流电压接通，在励磁线圈4中通入直流电流，瞬间磁力环3与固定环5中的磁力线构成了封闭的回路，在两者间便产生一定大小的电磁吸力，电磁力通过与磁力环3固连的压边圈2传递给板料的法兰部分以完成压边。随着凸模1进一步下行，通过控制器连续调节电源输出的电流值，以提供连续可变的压边力。当凸模1停止运动时，拉深结束。此时停止向励磁线圈4供电，压边力随即消失。此时将磁力环3托起，拉深件在弹簧力的作用下被顶出凹模6，完成卸料第一次试验结束。重复上述过程，调节电源控制器向励磁线圈4中输入另一种形式的压边力曲线，进行第二次试验，得到所对应的拉深件。如此往复，进行一系列拉深试验，并得到一系列所对应的筒形件，比较其成形结果。无破裂起皱的拉深件所对应的压边力曲线即为试验得到的合理压边力曲线。为了更好的说明当提供不同恒定直流电流大小对压边力大小的影响，本发明绘制了图6强度不同的恒定直流电流与压边力大小的关系曲线。

压边力随凸模位移变化关系曲线的测量方法为：凸模1位移可由安装在凸模1一侧万能材料试验机自带的位移传感器测量，压边力大小可由安装在压边圈2上的压力传感器测得，随着拉深件拉深的不断进行，压边力与凸模1位移的数据节点即可被测得，两者的变化关系曲线便可被绘出。

电流强度对压边力大小影响的试验方法为：以筒形件拉深为例，选取尺寸相同的板料。首先调节装置配套控制器的旋钮，将直流电流先稳定在一恒定值。启动万能材料试验机进行筒形件的拉深，待拉深结束，记录此时的筒形件高度。继续调节控制器旋钮，增大电流强度并同样使电流保持另一恒定值，再次进行筒形件的拉深，又得到相对应的筒形件高度，记录此时的筒形件高度。以此类推，不断调节电流强度，并进行筒形件的拉深，将会得到不同高度的筒形件，分别将拉深高度值记录下来。根据所得到的拉深高度可以算出所对应的毛坯直径，继而根据经验公式（1）可以估算出相应压边力的大小。最后可得到电流强度与压边力关系曲线，曲线形貌如图6所示。

（1）

F _BHF-压边力

D-毛坯直径

d ₁ -拉深件直径

r _凹-凹模圆角半径

P-单位压力

空气隙对压边力大小影响的试验方法为：试验设计以筒形件拉深为例，并选取尺寸相同的板料，第一次试验时选用一定厚度的垫片13放置在固定环5的下方，给装置电源通电，通过控制器将直流电流稳定在一定的数值。此时启动万能材料试验机对板料施加拉深力直至拉深结束，记录拉深件的高度；第二次试验时改变垫片13的厚度，励磁线圈4中的电流值保持与第一次试验一致，对板料进行拉深得到筒形件，记录此时筒形件的高度；同理，进行第三组，第四组等一系列试验，均只改变垫片13的厚度，拉深并记录筒形件的高度。最后，记录所有拉深高度值并代入经验公式（1）计算压边力数值，通过数据处理可得空气隙大小与压边力关系曲线，曲线形貌如图7所示。

上述试验方法均涉及电磁力大小与电流强度的关系曲线，所以需对装置电磁力大小进行标定，提供如下标定方法：

电磁压边拉深装置的标定方法为：先测得标定块的重力。再将标定块19旋入磁力环3中央的螺纹孔中，具体的标定装置剖视图见图4。启动万能材料试验机，使凸模1相对于凹模6上行，给标定块19施加向上的拉力。此时接通装置电源，给励磁线圈4通电并调节控制器使电流保持一恒定值，使得磁力环3与固定环5之间产生相对运动趋势。通过控制器调节电源输出的电压值使得标定单元受到向下的电磁吸力与前述的拉力相平衡。当磁力环3与固定环5分离的瞬间，读取试验机仪表盘的示数，将该示数减去标定块重力即为所调节的电流强度对应的电磁压边拉深装置产生电磁力数值。继而调节控制器使电流值变为另一恒定值，重复上述步骤，测得相对应的电磁力数值。如此往复，得到一组电流强度与电磁力大小数值并绘制成曲线。

为了更好的说明电磁力标定时标定块19受到的拉力与电磁吸力的力学平衡关系，结合图5所示标定块19的受力示意图做进一步说明。

根据理论力学中力的平衡关系，可得：

力的平衡方程：F ₁+F ₂+F _g=0

式中：F ₁-上模座对标定块的拉力

F ₂-实际电磁吸力（标定值）

F _g-标定单元的重力

得到电磁吸力（标定值）的表达式为：F ₂ =-F ₁ -F _g。

Claims (6)

1.一种电磁压边拉深试验装置及试验方法，装置结构包括凸模、压边圈、磁力环、励磁线圈、固定环、凹模、圆柱头内六角螺钉、垫块、标定块、压板、底板、垫片、圆柱螺旋压缩弹簧、推件板等部件，凸凹模相对运动的驱动力由万能材料试验机提供。

2.根据权利要求书1所述的一种电磁压边拉深试验装置及试验方法，其特征在于所提出的通过电源控制器调节电流强度间接改变压边力的试验方法可以探索薄板金属拉深合理压边力曲线。

3.根据权利要求书1所述的一种电磁压边拉深试验装置及试验方法，其特征在于采用该试验装置可以研究通过改变板料尺寸以确定拉深件的极限拉深系数。

4.根据权利要求书1所述的一种电磁压边拉深试验装置及试验方法，其特征在于设计了探究电流强度与电磁力大小关系的试验，可以得出电流强度对电磁力大小的影响规律。

5.根据权利要求书1所述的一种电磁压边拉深试验装置及试验方法，其特征在于设计了探究空气隙大小与电磁力大小关系的试验，可以得出空气隙对电磁力大小的影响规律。

6.根据权利要求书1所述的一种电磁压边拉深试验装置及试验方法，其特征在于设计了电磁力大小与电流强度关系的标定试验，可以得到一定电流强度下电磁力大小的标定值。