CN110686976A - 一种电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试装置，所述测试装置包括线圈基座、凹模、相机支架、高速相机和放电单元；所述凹模将试样压装在所述线圈基座上；所述线圈基座中心表面设有凹槽；所述放电单元包括线圈，所述线圈放置在所述凹槽内；通过所述放电单元所述线圈通电产生电磁力，使所述试样高速变形；所述凹模中心设有中央通孔，所述中央通孔中心与所述试样中心相齐；所述高速相机通过相机支架设置在所述凹模上方，所述高速相机通过所述中央通孔朝向所述试样，拍摄所述试样的高速变形过程。本发明能够准确完整地建立高应变速率下金属板材的成形极限图。

Description

一种电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试装置
技术领域
本发明涉及一种极限测试装置，具体涉及一种电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试装置。
背景技术
成形极限图也称成形极限曲线，它是由板料在不同应变路径下的局部失稳极限真实主应变ε1和次应变ε2构成的条带形区域或曲线，它反映了金属板材在发生失稳前所能取得的最大变形程度，是评价板材成形性的一个最直接简单的方法。
目前，在准静态下的成形极限图的建立方法已经非常成熟，能够解决传统工艺下的板材成形性的评价问题。但是，随着高速成形(爆炸成形、电磁和电液成形)的发展，现有的成形极限测试手段难以正确地评价板材在高速下的成形极限。在现有的电磁成形工艺中，需要更换线圈的形状来控制板材在不同路径下的极限应变，且难以测量并控制高速变形过程中试样的应变速率，使得高速成形极限图的建立繁琐且精度较低。因此，对现有的电磁成形工艺而言，无法精确完整地建立高应变速率下金属板材的成形极限图。
发明内容
为解决现有的成形极限测试领域中存在的上述问题，本发明提供了一种电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试装置，通过该测试装置能够准确完整地建立高应变速率下金属板材的成形极限图。
本发明的具体技术方案如下：
一种电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试装置，其特征在于，所述测试装置包括线圈基座、凹模、相机支架、高速相机和放电单元；所述凹模将试样压装在所述线圈基座上；
所述线圈基座中心表面设有凹槽；所述放电单元包括线圈，所述线圈放置在所述凹槽内；通过所述放电单元所述线圈通电产生电磁力，使所述试样高速变形；
所述凹模中心设有中央通孔，所述中央通孔中心与所述试样中心相齐；所述高速相机通过所述相机支架设置在所述凹模上方，所述高速相机通过所述中央通孔朝向所述试样，拍摄所述试样的高速变形过程。
优选地，所述测试装置还包括垫板，所述垫板放置在所述线圈的上表面，所述试样设置在所述垫板与所述凹模之间。
优选地，所述垫板上表面设有绝缘层，使所述垫板与所述试样隔开。
优选地，所述垫板采用易导电材料制成。
优选地，所述放电单元还包括电容、直流电源、充电开关和放电开关；所述线圈、所述电容和所述放电开关构成放电回路，所述电容放电为所述线圈提供电力；所述电容、所述直流电源和所述充电开关构成充电回路，所述直流电源为所述电容充电。
优选地，所述测试装置包括多个所述高速相机，多个所述高速相机在不同方位朝向所述试样，共同拍摄所述试样的高速变形过程。
本发明还提供了一种电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试方法，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：
S1、制作金属板材的试样，并在试样表面喷上散斑；
S2、将试样中心对齐垫板的中央通孔并同时设置在线圈基座与凹模之间，通过压紧螺母将试样夹紧；
S3、调节高速相机的参数，使视野正对试样中心且视野清晰；
S4、放电单元为线圈供电，使试样高速变形，同时高速相机拍摄变形过程，直到试样破裂后取下试样；
S5、将高速相机采集到的照片输入到相应的数据分析系统，找到破裂点并计算出应变速率和极限应变。
优选地，所述测试方法通过S6建立金属板料高速下成形极限图，S6、重复S1到S5的步骤，在S1中改变试样的切割形状，并在S2中选用试样不同的摆放角度，实现单拉到双拉全路径下的成形极限，形成成形极限图。
优选地，重复S1到S6的步骤，在S4中改变放电电压值，以得到不同应变速率下的成形极限。
优选地，在S4过程中，放电单元为线圈供电过程：设定放电电压值，将充电开关闭合，断开放电开关，电容充电，充满电后，再断开充电开关，闭合放电开关，电容向线圈放电。
本发明的有益效果：
本发明能够准确完整地建立高应变速率下金属板材的成形极限图。本发明通过简单的变换构成不同的试样形状，通过改变试样摆放方式来获得不同应变路径下的极限应变，同时不需要改换线圈，使得成形极限图的建立标准统一且完整准确；通过铝合金等高导电率的材料作为垫板可以实现任何金属材料的高速变形，解除了电磁成形需要高电导率材料的限制，增大了其应用范围；通过改变放电电压，改变了试样变形过程中的应变速率，重复性好且操作便利。此外，本发明能够使板料整个变形过程保持恒定应变速率，且通过DIC技术能够实时监测整个变形过程的数据并进行分析，使高速成形极限图的建立更加准确。
附图说明
图1为本发明电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试装置的整体结构示意图；
图2为本发明中底座俯视图；
图3为本发明中底座纵向剖面图；
图4为本发明中凹模俯视图；
图5为本发明中凹模纵向剖视图；
图6为本发明中线圈结构示意图；
图7为本发明采用的为获取单拉到平面应变路径的试样形状及相对线圈位置示意图；
图8为本发明所采用的为获取平面到双拉应变路径的试样形状及相对线圈位置示意图；
图9为本发明所得到的应变随时间变化曲线与传统高速胀形对比图；
图10为本发明获得的金属板料成形极限图。
其中：1-底座、2–线圈基座、3-凹模、4–相机支架、5-压紧螺母、6-高速相机、7-试样、8-绝缘层、9-垫板、10-支撑螺柱、11-线圈、12-电容、13-直流电源、14-充电开关、15-放电开关。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细说明。
本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
本实施例记载了一种电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试装置，如图1所示，该测试装置包括底座1、线圈基座2、凹模3、相机支架4、压紧螺母5、高速相机6、试样7、绝缘层8、垫板9、支撑螺柱10和放电单元。
底座1为该测试装置的基座，如图2和图3所示，围绕底座1中心均匀分布有多个沉头孔，本实施例为6个，沉头孔之间间距由所需测试的试样7规格范围确定。6个支撑螺柱10分别通过沉头孔安装在底座1上，用于固定试样7。
线圈基座2安装在底座1上，在线圈基座2上具有6个第一通孔，第一通孔分别位于底座1上的沉头孔正上方，与沉头孔相匹配，通过支撑螺柱10可将线圈基座2与底座1紧密贴合在一起。在线圈基座2中心表面设有凹槽，用于安放放电单元中的线圈11。
凹模3将试样7压装在线圈基座2上，如图4和图5所示，在凹模3中心位置设置有中央通孔，凹模3安装试样7后中央通孔中心与试样7中心对齐，通过中央通孔可查看试样7。环绕中央通孔中心凹模3上还均匀设置有6个第二通孔，第二通孔与底座1的沉头孔相匹配，支撑螺柱10穿过第二通孔，将凹模3定位，通过压紧螺母5与支撑螺柱10配合旋紧凹模3压紧试样7。
高速相机6安装在相机支架4上，用于拍摄试样7的变形过程，然后通过DIC技术获得试样7的成形极限。高速相机6通过凹模3的中央通孔朝向试样7。为保证拍摄的照片准确全面，可安装多个高速相机6，在不同方位朝向试样7，共同拍摄试样7的高速变形过程。
如试样7为不易导电材料，垫板9放置在线圈11的上表面，垫板9采用铝合金等易导电材料制成，并与试样7形状相同，线圈11产生的电磁力作用于垫板9上，由垫板9推动试样7发生高速胀形。在垫板9中心位置还设有通孔，用于引导试样7产生更大更均匀的双拉变形，同时避免试样7中心区域胀形过高影响测量。在进行电磁力驱动成形极限测试时，试样7设置在垫板9与凹模3之间，通孔中心与试样7中心相同。为防止试样7与垫板9之间发生短路而引起打火，在垫板9上表面设置绝缘层8与试样7隔开。并垫板9可根据实际情况进行更换。如试样7本身为易导电材料，则可以不使用垫板9。
放电单元包括线圈11、电容12、直流电源13、充电开关14和放电开关15。线圈11、电容12和放电开关15构成放电回路，由电容12放电为线圈11提供电力，线圈11产生电磁力使试样7高速变形。电容12、直流电源13和充电开关14构成充电回路，由直流电源13为电容12充电。
本实施例中线圈11采用单匝螺旋线圈代替现有金属板材电磁成形装置中的平板螺旋线圈，如图6所示，与平板螺旋线圈相比，单匝线圈结构简单，寿命长，能量利用率高。
该测试装置为获取金属板材高速成形极限图，可通过改变材质、厚度均相同的试样7参数得到对应的应变路径，试样7可采用多种尺寸形状和多种摆放方式。下面以十字型金属板料作为试样7进行说明。
试样7的臂与臂之间的夹角α作为变量可以作为第一至N试样来获取从单拉到平面应变空间内的任一路径，其中N≥3。如图7所示，本实施例中分别取α＝0°，α＝30°，α＝90°作为获取单拉到双拉应变路径的第一至第三试样，第一至第三试样与线圈11的相对位置如图7所示，其线圈11与试样7中心轴线的夹角β为90°。
如图8所示，利用α＝90°的试样并以线圈11轴向与试样7的夹角β作为变量可以作为第一至第M种摆放方式来实现平面到等双拉应变空间内的任一路径，其中M≥3。本实施例中取β＝45°，β＝60°，β＝90°作为获取平面到等双拉应变路径的第一至第三种摆放方式。
本实施例中所用的垫板9也为十字型，材质为铝，且其中心位置的通孔为一个小孔，垫板9厚度为0.5mm。
本实施例中得到的应变随时间曲线斜率通过LS-DYNA仿真模型计算可知其基本固定，与传统高速胀形测试方法相比，具有应变速率恒定的优点，如图9所示，能使不同应变速率下的成形极限图的建立更加准确。
本实施例中可以通过改变放电电压来获取不同应变速率下的成形极限图，应变速率可通过DIC技术得到。本实施例的测试装置通过如下步骤建立金属板料高速下成形极限图：
步骤一、将金属板材进行线切割制作试样7，并在试样7表面喷上散斑；
步骤二、将试样7中心对齐垫板9的中央通孔并同时设置在线圈基座2与凹模3之间，通过压紧螺母5将试样7夹紧，以防止打滑；
步骤三、调节高速相机6的参数，使视野正对试样7中心且视野清晰；
步骤四、设定放电电压值，将充电开关14闭合，断开放电开关15，电容12充电，充满电后，再断开充电开关14，闭合放电开关15，电容12向线圈11放电，使试样7高速变形，同时高速相机6拍摄变形过程，直到试样7破裂后取下试样7；
步骤五、将高速相机6采集到的照片输入到相应的数据分析系统，找到破裂点并计算出应变速率和极限应变；
步骤六、重复步骤一到步骤五的步骤，在步骤一中改变试样7的切割形状，并在步骤二中选用试样7不同的摆放角度，最终可实现单拉到双拉全路径下的成形极限，形成成形极限图，如图10所示，其中，e1为试样7的主应变，e2为试样7的次应变；
步骤七、重复步骤一到步骤六的步骤，在步骤四中改变放电电压值，以得到不同应变速率下的成形极限。
采用本实施例建立金属板材高速成形极限图，能够使高速成形极限图的建立更加简单且准确。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试装置，其特征在于，所述测试装置包括线圈基座(2)、凹模(3)、相机支架(4)、高速相机(6)和放电单元；所述凹模(3)将试样(7)压装在所述线圈基座(2)上；
所述线圈基座(2)中心表面设有凹槽；所述放电单元包括线圈(11)，所述线圈(11)放置在所述凹槽内；通过所述放电单元所述线圈(11)通电产生电磁力，使所述试样(7)高速变形；
所述凹模(3)中心设有中央通孔，所述中央通孔中心与所述试样(7)中心相齐；所述高速相机(6)通过所述相机支架(4)设置在所述凹模(3)上方，所述高速相机(6)通过所述中央通孔朝向所述试样(7)，拍摄所述试样(7)的高速变形过程。
2.根据权利要求1所述的电磁力驱动的金属薄板高速成形极限图测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括垫板(9)，所述垫板(9)放置在所述线圈(11)的上表面，所述试样(7)设置在所述垫板(9)与所述凹模(3)之间。
3.根据权利要求2所述的电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试装置，其特征在于，所述垫板(9)上表面设有绝缘层(8)，使所述垫板(9)与所述试样(7)隔开。
4.根据权利要求2所述的电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试装置，其特征在于，所述垫板(9)采用易导电材料制成。
5.根据权利要求1所述的电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试装置，其特征在于，所述放电单元还包括电容(12)、直流电源(13)、充电开关(14)和放电开关(15)；所述线圈(11)、所述电容(12)和所述放电开关(15)构成放电回路，所述电容(12)放电为所述线圈(11)提供电力；所述电容(12)、所述直流电源(13)和所述充电开关(14)构成充电回路，所述直流电源(13)为所述电容(12)充电。
6.根据权利要求1所述的电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试装置，其特征在于，所述测试装置包括多个所述高速相机(6)，多个所述高速相机(6)在不同方位朝向所述试样(7)，共同拍摄所述试样(7)的高速变形过程。
7.一种电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试方法，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：
S1、制作金属板材的试样(7)，并在试样(7)表面喷上散斑；
S2、将试样(7)中心对齐垫板(9)的中央通孔并同时设置在线圈基座(2)与凹模(3)之间，通过压紧螺母(5)将试样(7)夹紧；
S3、调节高速相机(6)的参数，使视野正对试样(7)中心且视野清晰；
S4、放电单元为线圈(11)供电，使试样(7)高速变形，同时高速相机(6)拍摄变形过程，直到试样(7)破裂后取下试样(7)；
S5、将高速相机(6)采集到的照片输入到相应的数据分析系统，找到破裂点并计算出应变速率和极限应变。
8.根据权利要求7所述的电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试方法，其特征在于，所述测试方法通过S6建立金属板料高速下成形极限图，S6、重复S1到S5的步骤，在S1中改变试样(7)的切割形状，并在S2中选用试样(7)不同的摆放角度，实现单拉到双拉全路径下的成形极限，形成成形极限图。
9.根据权利要求8所述的电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试方法，其特征在于，重复S1到S6的步骤，在S4中改变放电电压值，以得到不同应变速率下的成形极限。
10.根据权利要求7所述的电磁力驱动的金属薄板高速成形极限测试方法，其特征在于，在S4过程中，放电单元为线圈(11)供电过程：设定放电电压值，将充电开关(14)闭合，断开放电开关(15)，电容(12)充电，充满电后，再断开充电开关(14)，闭合放电开关(15)，电容(12)向线圈(11)放电。
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