CN111389915B - 模拟板带材电热场量变化的微控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种模拟板带材电热场量变化的微控装置，其括板形模拟试验平台、大电流调节电源、电流调节装置、热成像仪、热电偶、非接触式全场应变测量仪、大功率电流控制装置和电塑控制系统；针对大宽厚比高硬脆合金板带材，沿可移动式支撑梁横向布置不同数量电极，利用大功率电流控制装置，实现板带材电场、热场、应力场的分区域控制；同时，利用可移动式支撑梁和拉力传感器，实现不同长度和宽度板带材的工况测试，模拟不同场量间的瞬态同步纠缠关系，并利用电塑控制系统实现特定工况的智能闭环控制。该装置为研究实际轧制过程中的大宽厚比高硬脆板带材非匀态电塑效应，提供高精度的物理测试平台，并为传统轧机系统增加一种新的高效调节手段。

Description

模拟板带材电热场量变化的微控装置
技术领域
本发明属于特种合金板带材的电塑轧制领域，具体涉及一种模拟板带材电热场量变化的微控装置。
背景技术
轧制是一种非常高效的加工手段，但是对于高硬脆合金材质，传统轧制工艺很难直接应用。近年来，国内外针对难变形材料，如高强钢、不锈钢、钛合金、锆合金以及镁合金等电塑性板材的轧制成形问题开展了一系列的理论研究和技术攻关，重点集中在电塑效应机理和电流辅助成形两个方面，主要利用电塑热效应和纯电致效应，通过调整金属组织演变特性和宏观力能参数降低流变应力，达到改善脆性或高硬等难变形带材加工困难、塑性差的目的，另外期待解决边裂、微裂纹或微孔洞等工程问题。
然而电流辅助成形在轧制领域实验对象依旧停留在线材、窄带，应用依旧不够成熟；而高效电塑性测控装置及其对应电流控制手段的缺失，在很大程度上限制了电塑性理论和技术的工业化进程，尤其对于宽带高速电塑性轧制过程来说，实现稳定轧制难度不言而喻，因此研发高效电塑性轧制装置及其配套的电流控制手段，对于难变形极薄带，提高电塑性效应控制能力，至关重要。发明专利公布号：CN109351773A，发明名称为：“一种电塑性宽带轧制装置”提供一种宽带电塑性轧制装置，利用导电辊和工作辊内部的内嵌导电块，提供一种电流分布在线调控手段，提高电塑性轧制宽带横向电流分布的均匀性。然而高速电塑性轧制过程极不稳定，使得传感器无法精准获得配电参数对电流场和温度场的作用规律。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够精细调节板带材高向、横向电、热、力各场量的分布规律及其多场纠缠过程的装置，从而改变轧制过程中轧件的局部本构关系或流动应力状态，充分利用电塑效应，探索高硬脆板带材轧制过程的增塑效果，为真正意义上的大宽厚比高硬脆合金板带的电塑轧制提供物理仿真装置和多工况测试平台。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种模拟板带材电热场量变化的微控装置，其包括板形模拟试验平台、大电流调节电源、电流调节装置、热成像仪、热电偶、非接触式全场应变测量仪、大功率电流控制装置和电塑控制系统；
所述板形模拟试验平台包括试验平台钢板、可移动式支撑梁、板带材试件、导电夹头、活结螺杆、拉力传感器和伺服电动缸；
试验平台钢板用于为可移动式支撑梁、板带材试件、导电夹头、活结螺杆、拉力传感器和伺服电动缸提供支撑；所述可移动式支撑梁固定连接在试验平台钢板两端，为施力承载装置；所述可移动式支撑梁沿横向钻孔，纵向距离无级或多级可调，在试验平台钢板上根据试样尺寸规格要求进行固定；所述导电夹头的第一端夹持在板带材试件横向的打孔位置，所述拉力传感器的第一端通过活结螺杆与导电夹头的第二端连接，拉力传感器的第二端与伺服电动缸连接；所述伺服电动缸和拉力传感器可单独调节或测量，以改变板带横向的局部场分布；
所述大电流调节电源为板带材试件提供电流，所述电流为直流电脉冲；
所述电流调节装置包括多个大功率电流控制装置，所述大功率电流控制装置安装在所述大电流调节电源和所述导电夹头之间，实现对流经试样两端电流的分别调控；所述电流的参数同步传送至所述电塑控制系统；
所述大功率电流控制装置包括伺服电机、绝缘推杆、导电夹头连接端、大电流铜极滑块、铜线、绝缘支架和电源连接端；所述铜线缠绕在所述绝缘支架上，并且表面绝缘；所述电源连接端连接到大电流调节电源的正极，所述导电夹头连接端与所述导电夹头相连；由电塑控制系统控制的伺服电机推动大电流铜极滑块改变接入电路部分铜线的长度来改变电阻，逐渐改变电路中的电流的大小；
所述电塑控制系统根据板带材初始温度和张应力分布条件，离线设定和在线精调电脉冲参数和各支路电流并获得与控制目标相近的温度和张力分布条件；
所述热成像仪布置在试验平台上方，用于测量被测板带材的温度场，同时在所述板带材试件表面镶嵌热电偶对所述热成像仪进行校正；
所述非接触式全场应变测量仪布置在所述试验平台钢板上方，所述非接触式全场应变测量仪的镜头方向垂直于板带材试样上表面，用于进行板带材试件全场应变测量；
所述热成像仪、非接触全场应变测量仪和拉力传感器实时获取的电流场、温度场、应力场数据传送至所述电塑控制系统。
上述技术方案中，电塑控制系统可根据实际的张应力分布情况，利用大电流调节电源和大功率电流控制装置，实时地独立改变各通道的电参数，进而调节板带的局部场量特征，从而获得满足要求的张应力分布规律；同时结合热成像仪或热电偶，根据温度场和张应力的实测值，模拟各场量的同步纠缠过程，实现电、热、力的精细匹配和闭环控制，重复利用电塑效应。
优选的，所述导电夹头沿板带材试件的每路间距为26mm。
优选的，所述热电偶依次镶嵌在所述板带材试件的中部和边部。
优选的，所述伺服电动缸和拉力传感器可单独调节或测量，以改变板带材试件横向的局部场分布。
优选的，连接大功率电流控制装置和导电夹头的导线上安装有霍尔电流传感器，实时采集各个分路电流反馈至电塑控制系统形成闭环，获得目标电流场、温度场及应力场。
优选的，所述电流调节装置包括正极电流调节装置和负极电流调节装置；所述正极电流调节装置连接在所述大电流调节电源正极和导电夹头之间，所述负极电流调节装置连接在所述大电流调节电源负极和导电夹头之间。
优选的，所述可移动式支撑梁通过肋板螺栓固定在所述试验平台钢板两端。
优选的，所述大电流调节电源提供的电流为直流电脉冲，所述直流电脉冲的峰值电流、脉宽、频率可在线调控。
优选的，传送至所述电塑控制系统的同步电流参数包括大电流调节电源参数和导电序列；所述导电序列即脉冲电流通过各支路的电流值，所述大电流调节电源参数包括有效电流、频率和脉宽。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提出的模拟板带材电热场量变化的微控装置，利用板形模拟试验平台和电塑控制系统，模拟真实的板带材电塑轧制电流控制工艺，利用传感器和信号采集装置，实测不同电流场、温度场下的应力变化规律，同步观察三种场量的瞬态纠缠关系；在此基础上沿板带材试件横向布置若干导电夹头，利用大电流调节电源和大功率电流控制装置，模拟实际的张应力分布情况，实时地独立改变各通道的电参数，线精确模拟电流加载和供给策略对多物理场的纠缠作用效果，对带材分区域施加不同幅值的电流，调节板带的局部场量特征，同时温度场产生响应变化，改变板带材试件张应力的横向分布，进而对大宽厚比高硬脆极薄带高效电塑轧制过程中的电、热、力场量的精确控制，从而获得轧制需要的张应力分布规律，从而满足大宽厚比高硬脆合金板带轧制过程的增塑要求。
附图说明
图1为本发明实施例中的模拟板带材电热场量变化的微控装置示意图；
图2为本发明实施例中的板形模拟试验平台示意图；
图3为本发明实施例中的试验试样规格示意图；
图4为本发明实施例中的高能电脉冲电流分布控制电路原理示意图；
图5为本发明实施例中的大功率电流控制装置示意图；
图6-1为本发明实施例中的第一种导电序列模式示意图；
图6-2为本发明实施例中的第二种导电序列模式示意图；
图6-3为本发明实施例中的第三种导电序列模式示意图；
图6-4为本发明实施例中的第四种导电序列模式示意图。
附图部件编号：1-试验平台钢板、2-可移动式支撑梁、3-肋板、4-正极电流调节装置、5-大电流调节电源、6-热成像仪、7-非接触全场应变测量仪、8- 负极电流调节装置、9-板带材试件、10-导电夹头、11-活结螺杆、12-拉力传感器、13-伺服电动缸、14-大功率电流控制装置、15-伺服电机、16-绝缘推杆、 17-导电夹头连接端、18-大电流铜极滑块、19-铜线、20-绝缘支架、21-电源连接端。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
如图1和图2所示，本发明实施例提出的一种模拟板带材电热场量变化的微控装置，包括大电流调节电源5、板形模拟试验平台、正极电流调节装置4 和负极电流调节装置8、热成像仪6、热电偶、非接触式全场应变测量仪以及电塑控制系统。试验材料为AZ31镁合金带材，样品规格为尺寸为 150mm*130mm*2mm。
板形模拟实验平台两端设置的可移动式支撑梁2为施力承载装置，可移动式支撑梁2通过肋板3螺栓固定在板形模拟实验平台两端，可移动式支撑梁2 沿横向钻孔，如图3所示，本发明的试验试样规格示意图，提供了一种试样尺寸规格，其中根据横向设置的导电夹头10(电极接触点)，沿板带材试样横向打孔，每路间距为26mm；试验平台利用热成像仪观察温度场分布，并通过多点的热电偶进行校正，其中热电偶依次镶嵌在板带材中部和边部，如图3中的 TC1、TC2、TC3、TC4、TC5位置所示。导电夹头10(电极接触点)的第一端夹持在带材试样横向打孔位置，导电夹头10(电极接触点)的第二端与焊接在拉力传感器12第一端的活结螺杆11连接，拉力传感器12的第二端与伺服电动缸13连接，其中各伺服电动缸13和拉力传感器12可单独调节或测量，以改变板带横向的局部场分布，其主要功能为改变板带材试件9张应力场，实现张应力横向分布的自动控制，模拟电塑性轧制过程中轧机入口张应力横向分布情况；
正极电流调节装置4和负极电流调节装置8分别设置在大电流调节电源5 两端，实现对流经试样两端的电流的分别调控；电流供给参数同步传送至电塑控制系统，其中电流供给参数包括大电流调节电源参数(有效电流、频率、脉宽)和导电序列，导电序列即脉冲电流通过各支路的电流值。负极电流调节装置8使用的大功率电流控制装置与正极电流调节装置4使用的大功率电流控制装置14结构相同，只需将其电源连接端连接到大电流调节电源5的负极即可。
试验平台的信号采集处理通过热成像仪6、非接触全场应变测量仪7和拉力传感器12实时获取大电流分布微控模拟时电流场、温度场、应力场的变化情况，热成像仪6、非接触全场应变测量仪7和拉力传感器12实时获取的电流场、温度场、应力场数据传送至电塑控制系统，然后电塑控制系统调控大电流调节电源5参数和大功率电流控制装置14的电阻值，继而实现板带材电热场量的自动控制。
本发明实施例的高能电脉冲电流分布控制电路原理如图4所示，沿板带材横向分布若干导电夹头(电极接触点)，负极电流调节装置8安装在大电流调节电源5的电源负极与导电夹头(电极接触点)之间，正极电流调节装置4 安装在大电流调节电源5的电源正极与导电夹头(电极接触点)之间，正极电流调节装置4和负极电流调节装置8利用大功率电流控制装置14分区域施加不同幅值的电流，从而改变板带材的内部电流场，霍尔电流传感器实时采集电流反馈至电塑控制系统形成闭环，继而通过调节不同的温度场，改变板带材张应力的横向分布，以实现大宽厚比高硬脆合金板带不同区域的电流场、温度场和应力场的精细可控。
本发明实施例中的正极电流调节装置4使用的大功率电流控制装置14如图5所示，大功率电流控制装置14包括伺服电机15、绝缘推杆16、导电夹头连接端17、大电流铜极滑块18、铜线19、绝缘支架20和电源连接端21；整体导电金属材质均为纯铜，大功率铜线19缠绕在绝缘支架20上，并且铜线表面绝缘。电源连接端21连接到大电流调节电源5的正极，导电夹头连接端17 与导电夹头10相连；电塑控制系统控制通过伺服电机15推动大电流铜极滑块 18改变接入电路部分铜线的长度来改变电阻，逐渐改变电路中的电流的大小。
镁合金带材由板形模拟实验平台预设张应力20MPa，大电流调节电源预设参数为有效电流197.7A、频率500Hz、脉宽45μs，采用本发明的大电流电流测控方法，即利用大功率电流控制装置，分区域施加不同幅值的电流，从而改变板带材的内部电流场，继而通过调节不同的温度场和应力场。
本发明实施例的导电序列模式示意图如图6所示，利用板形模拟试验平台对冷轧带材常出现的边浪、中浪、复合浪等几种板形缺陷进行模拟，为提高横向张力分布的均匀性，提出四种电流分布控制策略。图6-1到图6-4所示，分区域施加不同幅值的电流改变试件9的内部电流场，继而通过调节不同的温度场，改变板带材张应力的横向分布。在电塑性轧制过程中通入脉冲电流的带材，由于局部温度场和张应力场的改变使得轧制变形区内局部金属流动发生改变，从而改善整体金属变形的均匀性，达到板形控制的目的；对于原始板形就有一定缺陷如(边浪、肋浪、中浪、斜条纹等)，在采集到原始板形后，电塑控制系统针对目前张应力分布自动输出导电序列、导电时间、电流大小等电参数，传感器实时获取各路电流值、试样温度场及应变场反馈至电塑控制系统，然后电塑控制系统控制大电流调节电源输出电参数和大电流调节装置调整各路电流，最终实现张应力均匀调控。
本实施例中通过控制导电序列，使得电流加载路径如图6-1所示；通过拉力传感器测得加载电流通路的拉力差要远远大于其他未施加电流的通路，其最大差值大约为530N，同时其温度场分布也随电流分布改变，加载电流通路的局部温度要比未施加电流的通路高45℃，非接触式全场应变测量仪显示通电侧位移较大，而远端基本没有位移；此时通过电塑控制系统和大电流调节电源将电流加载模式切换至如图6-3所示，通过热成像仪和热电偶实时测得加载电流板带材温度场，带材温度高点迅速由带材边部转移至中部，力传感器测得的拉力差也从边部转移至中部。这就说明成功的改变了该通路镁合金带材的温度场和应力场分布，最终准确模拟电流流入方式对电流场、温度场、应力场的影响，为电塑控制系统建立提供参考依据，为金属板带材电塑性轧制电流控制和板形控制提供一种新型调控手段。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种模拟板带材电热场量变化的微控装置，其特征在于，其包括板形模拟试验平台、大电流调节电源、电流调节装置、热成像仪、热电偶、非接触式全场应变测量仪、大功率电流控制装置和电塑控制系统；
所述板形模拟试验平台包括试验平台钢板、可移动式支撑梁、板带材试件、导电夹头、活结螺杆、拉力传感器和伺服电动缸；
试验平台钢板用于为可移动式支撑梁、板带材试件、导电夹头、活结螺杆、拉力传感器和伺服电动缸提供支撑；所述可移动式支撑梁固定连接在试验平台钢板两端，为施力承载装置；所述可移动式支撑梁沿横向钻孔，纵向距离无级或多级可调，在试验平台钢板上根据试样尺寸规格要求进行固定；所述导电夹头的第一端夹持在板带材试件横向的打孔位置，所述拉力传感器的第一端通过活结螺杆与导电夹头的第二端连接，拉力传感器的第二端与伺服电动缸连接；所述伺服电动缸和拉力传感器可单独调节或测量，以改变板带横向的局部场分布；
所述大电流调节电源为板带材试件提供电流，所述电流为直流电脉冲；
所述电流调节装置包括多个大功率电流控制装置，所述大功率电流控制装置安装在所述大电流调节电源和所述导电夹头之间，实现对流经试样两端电流的分别调控；所述电流的参数同步传送至所述电塑控制系统；
所述大功率电流控制装置包括伺服电机、绝缘推杆、导电夹头连接端、大电流铜极滑块、铜线、绝缘支架和电源连接端；所述铜线缠绕在所述绝缘支架上，并且表面绝缘；所述电源连接端连接到大电流调节电源的正极，所述导电夹头连接端与所述导电夹头相连；由电塑控制系统控制的伺服电机推动大电流铜极滑块改变接入电路部分铜线的长度来改变电阻，逐渐改变电路中的电流的大小；
所述电塑控制系统根据板带材初始温度和张应力分布条件，离线设定和在线精调电脉冲参数和各支路电流并获得与控制目标相近的温度和张力分布条件；
所述热成像仪布置在试验平台上方，用于测量被测板带材的温度场，同时在所述板带材试件表面镶嵌热电偶对所述热成像仪进行校正；
所述非接触式全场应变测量仪布置在所述试验平台钢板上方，所述非接触式全场应变测量仪的镜头方向垂直于板带材试样上表面，用于进行板带材试件全场应变测量；
所述热成像仪、非接触全场应变测量仪和拉力传感器实时获取的电流场、温度场、应力场数据传送至所述电塑控制系统。
2.根据权利要求1所述的模拟板带材电热场量变化的微控装置，其特征在于，所述导电夹头沿板带材试件的每路间距为26mm。
3.根据权利要求1所述的模拟板带材电热场量变化的微控装置，其特征在于，所述热电偶依次镶嵌在所述板带材试件的中部和边部。
4.根据权利要求1所述的模拟板带材电热场量变化的微控装置，其特征在于，还包括霍尔电流传感器；所述霍尔电流传感器安装在连接大功率电流控制装置和导电夹头的导线上，实时采集各个分路电流反馈至电塑控制系统形成闭环，获得目标电流场、温度场及应力场。
5.根据权利要求1所述的模拟板带材电热场量变化的微控装置，其特征在于，所述电流调节装置包括正极电流调节装置和负极电流调节装置；所述正极电流调节装置连接在所述大电流调节电源正极和导电夹头之间，所述负极电流调节装置连接在所述大电流调节电源负极和导电夹头之间。
6.根据权利要求1所述的模拟板带材电热场量变化的微控装置，其特征在于，所述可移动式支撑梁通过肋板螺栓固定在所述试验平台钢板两端。
7.根据权利要求1所述的模拟板带材电热场量变化的微控装置，其特征在于，所述大电流调节电源提供的电流为直流电脉冲，所述直流电脉冲的峰值电流、脉宽、频率可在线调控。
8.根据权利要求1所述的模拟板带材电热场量变化的微控装置，其特征在于，传送至所述电塑控制系统的同步电流参数包括大电流调节电源参数和导电序列；所述导电序列即脉冲电流通过各支路的电流值，所述大电流调节电源参数包括有效电流、频率和脉宽。
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