CN112387842A - 电磁成形工艺的电磁力分布测量方法及测量装置 - Google Patents

电磁成形工艺的电磁力分布测量方法及测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电磁成形工艺的电磁力分布测量方法，包括：将工件分割成多段；根据工艺要求，设置好电磁成形线圈并通电，利用高速相机拍摄分段的工件每一段的成形过程；根据拍摄的工件每一段的成形过程，计算得到成形过程中工件每一段的速度、加速度；取分段的工件中的微元，根据其对应的段的加速度计算微元受到的合力；计算得到工件的每一段的应变，结合工件材料的弹塑性曲线，计算得到微元所受到的邻作用力；根据微元的电磁力、合力、邻作用力的关系，计算得到微元所受到的电磁力，得到工件电磁成形的电磁力分布。本发明提供了新的电磁力的测量、计算方法以及相应的测量装置，可测量电磁成形工艺的工件上电磁力分布，与电磁力理论计算值相互验证。

Description

电磁成形工艺的电磁力分布测量方法及测量装置
技术领域
本发明属于电磁场分析领域，具体涉及一种电磁成形工艺的电磁力分布测量方法及测量装置。
背景技术
电磁成形是一种高速率脉冲成形技术，其通过电容器在驱动线圈内产生一脉冲电流，同时在金属工件中感应涡流；线圈与工件之间的相互电磁力驱动工件加速并发生塑性变形，进而实现对工件的成形加工。
电磁成形的技术革新往往以新型驱动线圈结构产生更合理的电磁力分布为标志。2011年，华中科技大学李亮教授课题组通过多线圈与多电源系统的精确时序配合，在时间上形成多级、空间上形成多向的电磁力分布，首次提出了多级多向脉冲强磁场成形方法，获得国家“973计划”项目“多时空脉冲强磁场成形制造基础研究”的资助；其带动电磁成形技术跨越式发展，涌现出多种新型电磁成形技术。华中科技大学莫健华教授课题组申请了专利“板材动圈电磁渐进成形方法及其装置”(公开号为CN100447690C)，其采用小型线圈在大型工件局部产生电磁力，再通过计算机控制小型线圈的运动轨迹，实现大型板材的电磁加工。华中科技大学赖智鹏博士提出了轴向力-径向力可控的双线圈电磁拉伸成形工艺，通过在工件的法兰区域引入独立可控的径向电磁力来显著增强该区域板材的塑性流动，有效抑制了工件减薄和破裂的产生。为解决传统管件磁脉冲胀形时工件壁厚减薄、成形性能降低的问题，三峡大学邱立博士采用径向电磁力与轴向电磁力同时加载的施力方式，创新地提出了轴向压缩式管件磁脉冲胀形方法，获得国家自然科学基金青年项目“轴向压缩式管件磁脉冲胀形电磁结构耦合机理及材料成形性能研究”的资助。
诸多学者一直在追求新的电磁力施加方式以提升电磁成形加工能力，显然，电磁力分布是电磁成形过程中最重要的参数。然而，由于电磁力分布属于体力，目前并没有一种方法对电磁力进行测量。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种电磁成形工艺的电磁力分布测量方法以及相应的测量装置，将工件离散化，同时通过采用高速相机拍摄离散工件的每一部分的位置，计算得到工件每一时刻的速度、加速度、所受到的合力，进而计算得到工件电磁成形的电磁力分布。
本发明的技术方案是电磁成形工艺的电磁力分布测量方法，对工件电磁成形工艺的电磁力分布进行测量、计算，所述电磁力分布测量方法包括以下步骤，
步骤1：根据工件形状和工件成形工艺特点，将工件分割成多段；
步骤2：根据工艺要求，设置好电磁成形线圈，对电磁成形线圈通电，工件在电磁力的作用下变形，利用高速相机拍摄分段的工件每一段的成形过程；
步骤3：根据高速相机拍摄的工件每一段的成形过程，计算得到成形过程中工件每一段的速度、加速度；
步骤4：取分段的工件中的微元，根据其对应的段的加速度计算微元受到的合力；
步骤5：根据高速相机拍摄的分段的工件的胀形过程，计算得到工件的每一段的应变，结合工件材料的弹塑性曲线，计算得到工件每一段的应力，计算得到微元所受到的邻作用力；
步骤6：根据微元的电磁力、合力、邻作用力的关系，计算得到微元所受到的电磁力，得到工件电磁成形的电磁力分布。
优选地，所述工件为管件，将管件沿轴向均匀分割成多个圆环，将分割成的圆环自上而下依次编号为1,2,3,…n，分割的圆环的轴向高度不大于1mm。
优选地，工件成形过程中，高速相机的拍摄速度不低于100张/毫秒。
步骤3中，所述计算得到成形过程中工件每一段的速度、加速度，成形初始t0时刻，圆环i的位移为0，速度为0；成形tj时刻，圆环i的位移为Sij，速度为vij，加速度为aij；tj+1时刻，圆环i的位移为Sij+1，速度为vij+1；tm时刻为管件电磁胀形结束时刻，即管件停止运动；vij的计算公式为：
Sij+1-Sij＝(tj+1-tj)×(vij+vij+1)/2
其中j＝0,1,2,…m，i＝1,2,3,…n，vi0＝0，Si0＝0；
圆环i的加速度的计算公式：
aij+1＝(vij+1-vij)/(tj+1-tj)
式中j＝0,1,2,…n-1，i＝1,2,3,…n，ai0＝0。
步骤4中，所述计算微元受到的合力，tj时刻，圆环i的微元所受到的合力大小为
Ftij＝ρ×Vw×aij
式中ρ为管件材料的密度，Vw为微元的体积。
步骤5中，所述计算得到工件每一段的应力，tj时刻，圆环i的位移为Sij，所有圆环的初始半径为r，tj时刻第i个圆环的应变为
εij＝ln(Sij+r)-ln r
通过圆环材料的应力应变曲线σ＝f(ε)，得到tj时刻圆环i的应力σij；
tj时刻，圆环i的微元受到的邻作用力为
Fnij＝A×σij
式中A为圆环的横截面积。
步骤6中，所述计算得到微元所受到的电磁力，微元的电磁力Fe、邻作用力Fn与合力Ft的关系为
Ft＝Fe-Fn×θ
式中θ为微元与圆环的圆心所成的夹角；
tj时刻，圆环i的微元所受到的电磁力为
Feij＝Ftij+Fnij×θ
采用上述电磁成形工艺的电磁力分布测量方法的测量装置，包括电磁成形线圈、电容电源、高清相机和控制器，电磁成形线圈经控制开关与电容电源连接，控制开关的控制端与控制器连接；高清相机经数据总线与控制器连接。
所述测量装置还包括用于对工件进行分段标记的标记设备。
相比现有技术，本发明的有益效果是提供了一种新的电磁力的测量、计算方法以及相应的测量装置，本发明另辟蹊径，将工件分段后划分为微元，通过测量、计算工件每一段的微元在电磁力作用下的变形效果即微元位移变化的加速度，得到微元的受力，根据工件材料的应力应变关系，得到相邻微元的相互作用力，进而得到微元受到的电磁力，综合微元的受力情况得到整个工件上的电磁力分布，可与电磁力理论计算值相互验证，测量精度高，弥补现有技术的不足。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例的电磁力分布测量方法的流程示意图。
图2为本发明实施例的测量装置的结构示意图。
图3为本发明实施例的圆环的微元的受力示意图。
图4为本发明实施例的高速相机拍摄的tj时刻管件圆环的状态图。
图5为本发明实施例的管件材料的应力应变曲线示意图。
具体实施方式
实施例选择管件，对管件的电磁胀形工艺的电磁力分布进行测量、计算。
如图1所示，电磁成形工艺的电磁力分布测量方法，包括以下步骤，
步骤1：根据管件形状和管件胀形工艺特点，将管件沿轴向均匀分割成多个圆环，将分割成的圆环自上而下依次编号为1,2,3,…n，分割的圆环的轴向高度为1mm；
步骤2：根据工艺要求，将分割好的管件置于胀形线圈外侧，通过电容电源对胀形线圈放电，在胀形线圈中产生电磁力驱动分割好的管件发生胀形，用高速相机拍摄分割好的管件每一个圆环的胀形过程；
步骤3：根据高速相机拍摄的每一个圆环的胀形过程，计算得到每一个圆环的速度、加速度；
步骤4：取第i个圆环中角度为θ的微元，i＝1,2,…n，根据圆环的加速度计算微元受到的合力Ft；
步骤5：根据高速相机拍摄的每一个圆环的胀形过程，计算得到圆环的应变，结合管件材料的弹塑性曲线，计算得到每一个圆环的应力，计算得到微元所受到的邻作用力Fn；
步骤6：根据微元的电磁力、合力、邻作用力的关系，计算得到微元所受到的电磁力，得到管件电磁胀形的电磁力分布。
管件胀形过程中，高速相机的拍摄速度为100张/毫秒。
步骤3中，计算每一个圆环的速度、加速度，胀形初始t0时刻，第i个圆环的位移为0，速度为0；胀形tj时刻，高速相机拍摄的管件圆环如图4所示，第i个圆环的位移为Sij，速度为vij，加速度为aij；tj+1时刻，第i个圆环的位移为Sij+1，速度为vij+1；tm时刻为管件电磁胀形结束时刻，即管件的圆环停止运动；管件胀形过程中管件的圆环的位移如表1所示。
vij的计算公式为：
Sij+1-Sij＝(tj+1-tj)×(vij+vij+1)/2
其中j＝0,1,2,…m，i＝1,2,3,…n，vi0＝0，Si0＝0；
第i个圆环的加速度的计算公式：
aij+1＝(vij+1-vij)/(tj+1-tj)
式中j＝0,1,2,…n-1，i＝1,2,3,…n，ai0＝0。
实施例中，圆环中微元的加速度大小与圆环的加速度大小相同。
步骤4中，计算微元受到的合力，tj时刻，第i个圆环的微元所受到的合力大小为
Ftij＝ρ×Vw×aij
式中ρ为管件材料的密度，Vw为微元的体积。
表1管件胀形过程不同时刻管件的圆环的位移对照表
Figure BDA0002720180130000051
步骤5中，计算得到每一个圆环的应力，tj时刻，第i个圆环的位移为Sij，所有圆环的初始半径为r，tj时刻第i个圆环的应变为
εij＝ln(Sij+r)-ln r
通过圆环材料的应力应变曲线σ＝f(ε)，得到tj时刻第i个圆环的应力σij，圆环材料的应力应变曲线如图5所示。
tj时刻，第i个圆环的微元受到的邻作用力为
Fnij＝A×σij
式中A为圆环的横截面积。
步骤6中，计算得到微元所受到的电磁力，如图3所示，微元的电磁力Fe、邻作用力Fn与合力Ft的关系为
Figure BDA0002720180130000052
式中θ为微元与圆环的圆心所成的夹角，实施例中微元对应的θ非常小，接近0°，因而有
Figure BDA0002720180130000053
进而
Figure BDA0002720180130000054
即Ft＝Fe-Fn×θtj时刻，第i个圆环的微元所受到的电磁力为
Feij＝Ftij+Fnij×θ
如图2所示，采用上述电磁成形工艺的电磁力分布测量方法的测量装置，包括胀形线圈、电容电源、高清相机、控制器，胀形线圈经控制开关与电容电源连接，控制开关的控制端与控制器连接；高清相机经数据总线与控制器连接。
实施例将管件分段成圆环后划分微元，通过测量、计算圆环的微元在电磁力作用下的变形效果即微元位移变化的加速度，得到微元的受力，根据管件材料的应力应变关系，得到相邻微元的相互作用力，进而得到微元受到的电磁力，综合微元的受力情况得到整个管件上的电磁力分布，可与电磁力理论计算值相互验证，测量精度高，弥补现有技术的不足，推动电磁成形技术的发展。

Claims (9)

1.电磁成形工艺的电磁力分布测量方法，其特征在于，对工件电磁成形工艺的电磁力分布进行测量、计算，所述电磁力分布测量方法包括以下步骤，
步骤1：根据工件形状和工件成形工艺特点，将工件分割成多段；
步骤2：根据工艺要求，设置好电磁成形线圈，对电磁成形线圈通电，工件在电磁力的作用下变形，利用高速相机拍摄分段的工件每一段的成形过程；
步骤3：根据高速相机拍摄的工件每一段的成形过程，计算得到成形过程中工件每一段的速度、加速度；
步骤4：取分段的工件中的微元，根据其对应的段的加速度计算微元受到的合力；
步骤5：根据高速相机拍摄的分段的工件的胀形过程，计算得到工件的每一段的应变，结合工件材料的弹塑性曲线，计算得到微元所受到的邻作用力；
步骤6：根据微元的电磁力、合力、邻作用力的关系，计算得到微元所受到的电磁力，得到工件电磁成形的电磁力分布。
2.根据权利要求1所述的电磁成形工艺的电磁力分布测量方法，其特征在于，所述工件为管件，将管件沿轴向均匀分割成多个圆环，将分割成的圆环自上而下依次编号为1,2,3,…n，分割的圆环的轴向高度不大于1mm。
3.根据权利要求1所述的电磁成形工艺的电磁力分布测量方法，其特征在于，工件成形过程中，高速相机的拍摄速度不低于100张/毫秒。
4.根据权利要求2所述的电磁成形工艺的电磁力分布测量方法，其特征在于，步骤3中，所述计算得到成形过程中工件每一段的速度、加速度，成形初始t0时刻，圆环i的位移为0，速度为0；成形tj时刻，圆环i的位移为Sij，速度为vij，加速度为aij；tj+1时刻，圆环i的位移为Sij+1，速度为vij+1；tm时刻为管件电磁胀形结束时刻，即管件停止运动；
vij的计算公式为：
Sij+1-Sij＝(tj+1-tj)×(vij+vij+1)/2
其中j＝0,1,2,…m，i＝1,2,3,…n，vi0＝0，Si0＝0；
圆环i的加速度的计算公式：
aij+1＝(vij+1-vij)/(tj+1-tj)
式中j＝0,1,2,…n-1，i＝1,2,3,…n，ai0＝0。
5.根据权利要求4所述的电磁成形工艺的电磁力分布测量方法，其特征在于，步骤4中，所述计算微元受到的合力，tj时刻，圆环i的微元所受到的合力大小为
Ftij＝ρ×Vw×aij
式中ρ为管件材料的密度，Vw为微元的体积。
6.根据权利要求5所述的电磁成形工艺的电磁力分布测量方法，其特征在于，步骤5中，所述计算得到工件每一段的应力，tj时刻，圆环i的位移为Sij，所有圆环的初始半径为r，tj时刻第i个圆环的应变为
εij＝ln(Sij+r)-ln r
通过圆环材料的应力应变曲线σ＝f(ε)，得到tj时刻圆环i的应力σij；
tj时刻，圆环i的微元受到的邻作用力为
Fnij＝A×σij
式中A为圆环的横截面积。
7.根据权利要求6所述的电磁成形工艺的电磁力分布测量方法，其特征在于，步骤6中，所述计算得到微元所受到的电磁力，微元的电磁力Fe、邻作用力Fn与合力Ft的关系为
Ft＝Fe-Fn×θ
式中θ为微元与圆环的圆心所成的夹角；
tj时刻，圆环i的微元所受到的电磁力为
Feij＝Ftij+Fnij×θ。
8.采用权利要求1-7任意一项所述的电磁成形工艺的电磁力分布测量方法的测量装置，其特征在于，包括电磁成形线圈、电容电源、高清相机和控制器，电磁成形线圈经控制开关与电容电源连接，控制开关的控制端与控制器连接；高清相机经数据总线与控制器连接。
9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，还包括用于对工件进行分段标记的标记设备。
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