基于電磁高能率下的薄板材料成形極限的測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于材料機(jī)械性能領(lǐng)域，具體為電磁高能率下薄板材料成形極限的測量裝置及方法，為薄板材料高速率成形提供成形極限圖。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)成形極限理論，可知為了繪制出完整的成形極限圖，在測試過程中必須獲得單向拉伸、平面應(yīng)變和雙向拉伸三種應(yīng)變狀態(tài)(如圖1所示)。傳統(tǒng)測量成形極限的方法是在平直無變形的板料表面印制選定的、尺寸精確的網(wǎng)格或隨機(jī)斑點(diǎn)圖案，再采用Nakajima或Marciniak方法對板料進(jìn)行變形直至破裂、停止試驗(yàn)。Nakazima試驗(yàn)法，其實(shí)質(zhì)是半球形剛性凸模脹形試驗(yàn)。通過改變試件的寬度，使其側(cè)向約束改變從而得到從單拉到等雙拉的成形極限。Marciniak方法，其實(shí)質(zhì)是平面剛性凸模脹形試驗(yàn)。但是由于受傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，凸模的下行速度受到限制，這兩種方法只適合于常態(tài)下的成形極限測量。電磁高能率下，材料變形的應(yīng)變率可高達(dá)103/s，不同于常態(tài)下的成形方法，常規(guī)的成形極限的測試已不能完全滿足要求。
[0003]針對電磁高能率下材料的成形極限測量，Seth、Golovashchenko、Dariani分別提出了方案。Seth通過采用單一的平面螺線線圈，同種圓形坯料，不同的沖頭形狀獲得不同的應(yīng)變狀態(tài):采用軸對稱沖頭(導(dǎo)彈頭形狀)時(shí)，在沖頭頂部可以獲得近似雙向拉伸的應(yīng)變狀態(tài)；采用楔形沖頭時(shí)，可以得到接近平面應(yīng)變狀態(tài)的變形。由于采用的板料撞擊沖頭的方法，這樣對于強(qiáng)度硬度較大的材料如鈦合金則不易破裂，且需要更大的能量從而耗能大。
[0004]Golovashchenko通過采用平面螺旋線圈成形方形還料獲得雙向拉伸應(yīng)變狀態(tài)；采用軌道線圈成形不同長寬比的長條坯料獲得單向拉伸及平面應(yīng)變狀態(tài)。Golovashchenko的方法為了使變形均勻，獲得單拉應(yīng)變狀態(tài)與平面應(yīng)變狀態(tài)需要采用不同形式的線圈，增加線圈制作成本。軌道線圈成形時(shí)長條坯料不易夾緊，且長條軌道之間由于電磁力相互作用容易使軌道線圈失穩(wěn)。
[0005]Dariani采用不同的長寬比的長條還料及方形還料獲得不同應(yīng)變狀態(tài)。Dariani是基于爆炸成形裝置而設(shè)置長條坯料及方形坯料的。
[0006]為了能夠準(zhǔn)確的測量出電磁高能率下薄板材料的成形極限，考慮到不同的板料形狀不會(huì)影響線圈所感應(yīng)的渦流分布。本發(fā)明提出采用單一螺旋線圈，不同的坯料形狀以獲得不同的應(yīng)變狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種基于電磁高能率下的薄板材料成形極限的測量裝置及方法，可以有效解決上述問題。
[0008]本發(fā)明提供一種基于電磁高能率下的薄板材料成形極限的測量裝置，包括:
脹形模具，包括上模和下模，所述上模具有一凹形空間；
驅(qū)動(dòng)線圈，設(shè)置于所述下模中； 驅(qū)動(dòng)源，與所述驅(qū)動(dòng)線圈電連接，所述驅(qū)動(dòng)源包括AC電源以及與所述AC電源并聯(lián)的電容器；以及
驅(qū)動(dòng)片，具有一中心孔；
其中，所述上模和所述下模用于夾持所述薄板材料，所述驅(qū)動(dòng)片設(shè)置于驅(qū)動(dòng)線圈的上表面。
[0009]進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)線圈采用平面螺旋線圈。
[0010]進(jìn)一步的，所述薄板材料為方形板料或圓形板料。
[0011]進(jìn)一步的，所述薄板材料為方形板料，且具有兩個(gè)關(guān)于所述方形板料中心軸對稱的半圓形孔，兩個(gè)半圓形孔沿中心軸的距離為D，所述半圓形孔的半徑為1/2D，每一半圓形孔的兩端通過圓弧R5進(jìn)行光滑連接。
[0012]進(jìn)一步的，所述薄板材料為方形板料，且具有四個(gè)關(guān)于所述方形板料中心對稱的1/4圓形孔，相鄰兩個(gè)1/4圓形孔沿中心軸的距離為d，所述1/4圓形孔的半徑為R1，每一1/4圓形孔的兩端通過圓弧R2和R3進(jìn)行光滑連接，每一 1/4圓形孔的直角端通過圓弧R4進(jìn)行光滑連接。
[0013]進(jìn)一步的，所述薄板材料為TC4欽合金或尚強(qiáng)鋼等尚電阻率材料。
[0014]進(jìn)一步的，在雙向脹形時(shí)，所述驅(qū)動(dòng)片采用AA5052鋁板；在單向拉伸及平面應(yīng)變狀態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用T3紫銅板。
[0015]一種用于上述測量裝置的測量方法，包括:
通過所述驅(qū)動(dòng)源中的電容器放電，在所述驅(qū)動(dòng)線圈上產(chǎn)生脈沖電流，從而使所述驅(qū)動(dòng)線圈與所述驅(qū)動(dòng)片之間產(chǎn)生相互排斥的力，使所述薄板材料變形；
將脹形后的薄板材料取出，通過拍照采集數(shù)據(jù)再通過軟件ASAME進(jìn)行處理，得到成形極限所需的單向拉伸、平面應(yīng)變和雙向拉伸三種應(yīng)變狀態(tài)下的主應(yīng)變及次應(yīng)變，從而得到成形極限圖。
進(jìn)一步的，所述通過驅(qū)動(dòng)源中的電容器放電的步驟包括:
通過AC電源向所述電容器充電；以及通過充電后的電容器向所述驅(qū)動(dòng)線圈放電。
[0016]進(jìn)一步的，所述AC電源的電壓為20_40kv ;所述電容器的容量為200-300 μ f ;放電時(shí)間為毫秒級。
[0017]本發(fā)明所述的電磁高能率下薄板材料成形極限的測量裝置及方法，具有如下技術(shù)效果:采用簡單的螺旋線圈，將脈沖電磁成形的方法與成形極限曲線的傳統(tǒng)測量方法結(jié)合在一起并通過專業(yè)的應(yīng)變分析軟件ASAME得到薄板材料在高應(yīng)變率下的成形極限圖。從而為薄板材料在實(shí)際的高能率下成形提供塑性性能的參考，也為學(xué)者研究高應(yīng)變速率下材料本構(gòu)關(guān)系的變化提供參考。
【附圖說明】
[0018]圖1為薄板材料的成形極限原理圖。
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的電磁高能率下薄板成形極限的測量裝置成形前的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的電磁高能率下薄板成形極限的測量裝置成形后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖4-6為不同的薄板材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖7為電磁高能率雙向拉伸應(yīng)變狀態(tài)下TC4鈦合金板材的成形極限。
[0023]圖8為電磁高能率單向拉伸應(yīng)變狀態(tài)下TC4鈦合金板材的成形極限。
[0024]圖9為電磁高能率平面應(yīng)變狀態(tài)下TC4鈦合金板材的成形極限。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明?？梢岳斫獾氖牵颂幩枋龅木唧w實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部結(jié)構(gòu)。
[0026]請參照圖2，本發(fā)明提供一種基于電磁高能率下的薄板材料14成形極限的測量裝置100，包括:
脹形模具10，包括上模101和下模102，所述上模101具有一凹形空間；
驅(qū)動(dòng)線圈11，設(shè)置于所述下模102中；
驅(qū)動(dòng)源12，與所述驅(qū)動(dòng)線圈11電連接，所述驅(qū)動(dòng)源12包括AC電源121以及與所述AC電源121并聯(lián)的電容器123 ;以及驅(qū)動(dòng)片13，具有一中心孔131 ;
其中，所述薄板材料14夾持設(shè)置于所述上模101和所述下模102之間，所述驅(qū)動(dòng)片13設(shè)置于所述薄板材料14靠近所述驅(qū)動(dòng)線圈11的表面，所述薄板材料14表面印制密排的網(wǎng)格。所述上模101可以封閉結(jié)構(gòu)或開口結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述上模102的內(nèi)緣為圓弧形，以降低后續(xù)薄板材料14形變時(shí)的阻礙。進(jìn)一步的，采用帶孔的環(huán)氧樹脂板15墊高所述薄板材料14，所述環(huán)氧樹脂板15的高度等于所述驅(qū)動(dòng)片13的高度。
[0027]所述驅(qū)動(dòng)線圈11采用平面螺旋線圈，其中單層平面螺旋線圈優(yōu)選采用矩形截面的紫銅漆包線，直接旋轉(zhuǎn)鑲嵌