一种金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置及成形极限图建立方法与流程

本发明涉及一种金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置及基于该装置的金属板材成形极限图建立方法，属于金属板材成形领域。

背景技术：

成形极限图是对金属板材成形性能的一种定量描述，它反映了金属板材在塑性失稳前所能取得的最大变形程度，是评判金属板材成形性能的最直接和最简单的方法。

目前，采用建立成形极限图的方式能够解决大部分成形工艺下金属板材成形性能的评价问题。但是，在现有电磁成形工艺中，需要采用更换不同形状的线圈的方式来获得金属板材在不同应变状态下的极限应变，更换线圈的方式使得金属板材成形极限图的建立标准不统一。除此之外，采用更换线圈的方式只能获得金属板材在三种应变状态下的极限应变，无法获得更多应变状态下的极限应变，进而导致成形极限图的精确度较低。因此，在现有电磁成形工艺下，无法建立标准统一的高精确度的成形极限图。

技术实现要素：

本发明为解决在现有金属板材电磁成形领域中，无法建立标准统一的高精确度的成形极限图的问题，提出了一种金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置及基于该装置的金属板材成形极限图建立方法。

本发明所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置包括上固定板1、下固定板2、多个第一支撑体3、垫圈4、加热套圈5、凹模6、多个第二支撑体7、多个压缩弹簧8、升降平台和放电单元；

上固定板1与下固定板2相对设置，多个第一支撑体3均竖直设置在上固定板1与下固定板2之间，多个第一支撑体3的两端均分别与上固定板1和下固定板2固连，多个第一支撑体3沿着下固定板2的外缘均匀分布；

在下固定板2的中部设置有第一通孔，第一通孔的两个开口端分别位于下固定板2的上表面和下表面上，垫圈4固定设置在下固定板2的上表面上，加热套圈5套在垫圈4的外环面上；

在凹模6的中部设置有第二通孔，第二通孔的两个开口端分别位于凹模6的上表面和下表面上，凹模6设置在垫圈4的上表面上，并在多个压缩弹簧8的共同作用下与垫圈4贴合；

第一通孔、垫圈4的空心部和第二通孔相对并形成通腔；

多个第二支撑体7均竖直设置在上固定板1与凹模6之间，多个第二支撑体7的两端均分别与上固定板1和凹模6固连，多个第二支撑体7沿着凹模6的外缘均匀分布，多个压缩弹簧8分别套在多个第二支撑体7上；

升降平台包括底座9和位于底座中央的升降部10，下固定板2设置在底座9上，升降部10位于第一通孔中，在升降部10的上表面上水平设置有单匝线圈11，在单匝线圈11的上端面上设置有驱动板12，在驱动板12上设置有绝缘布13；

所述金属板材包括第一板材至第N板材，第一板材至第N板材的材质、形状和大小均相同，在第二板材至第N板材的表面上均设置有两个通孔，位于同一板材上的两个通孔相同，该板材的中心点为该两个通孔的中心连接线的中点，第二板材至第N板材上的通孔按照由小到大的顺序依次设置，N为正整数且大于等于4；

在进行电磁温热驱动成形极限试验时，第一板材至第N板材中的任意一个板材设置在垫圈4与凹模6之间，其中部与驱动板12相对；

放电单元包括交流电源14、电容15、第一开关16和第二开关17，交流电源14的正极同时与电容15的一端和单匝线圈11的一个引线端相连，交流电源14的负极与第一开关16的一端相连，第一开关16的另一端同时与电容15的另一端和第二开关17的一端相连，第二开关17的另一端与单匝线圈11的另一个引线端相连。

本发明所述的金属板材成形极限图建立方法基于上述金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置实现，所述方法包括：

步骤一、采用电腐蚀打标机同时在第一板材至第N板材的上表面上蚀刻网格，并分别对蚀刻后的第一板材至第N板材实施下述步骤二至步骤五；

步骤二、调整压缩弹簧8并将板材紧密地设置在垫圈4与凹模6之间；

步骤三、采用加热套圈5将板材加热到T1℃，24＜T1≤300；

步骤四、启动升降部10，使单匝线圈11进入垫圈4内；

步骤五、将第一开关16闭合，第二开关17断开，当电容15充电完成后，将第一开关16断开，第二开关17闭合，当板材发生极限应变后，取下板材；

步骤六、分别采集极限应变后的第一板材至第N板材的应变数据，采用应变分析软件对采集到的应变数据进行处理，并生成成形极限图。

本发明所述的装置及方法无需采用更换不同形状的线圈的方式来获得金属板材在不同应变状态下的极限应变，使得金属板材成形极限图的建立标准统一；通过在金属板材的表面上设置两个通孔，能够获得成形极限曲线上的应变状态；通过将第二板材至第N板材上的通孔按照由小到大的顺序依次设置，在金属板材电磁成形的过程中，可产生从单向拉伸应变状态到双等拉伸应变转态的转变，进而能够获得金属板材在多种应变状态下的极限应变，由此而建立的金属板材成形极限图的精确度较高。因此，基于本发明所述的装置并使用本发明所述的方法能够解决在现有金属板材电磁成形领域中，无法建立标准统一的高精确度的成形极限图的问题。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置及成形极限图建立方法进行更详细的描述，其中：

图1为金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置的纵向剖面图；

图2为依次堆叠的第一板材至第五板材的尺寸图；

图3为凹模的仰视图；

图4为凹模的纵向剖面图；

图5为垫圈的俯视图；

图6为垫圈的纵向剖面图；

图7为上固定板的俯视图；

图8为上固定板的纵向剖面图；

图9为下固定板的仰视图；

图10为下固定板的纵向剖面图；

图11为单匝线圈的结构示意图；

图12为工作中的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置的纵向剖面图；

图13为金属板材成形极限图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置及成形极限图建立方法作进一步说明。

实施例一：下面结合图1、图2和图11详细地说明本实施例。本实施例所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置包括上固定板1、下固定板2、多个第一支撑体3、垫圈4、加热套圈5、凹模6、多个第二支撑体7、多个压缩弹簧8、升降平台和放电单元；

上固定板1与下固定板2相对设置，多个第一支撑体3均竖直设置在上固定板1与下固定板2之间，多个第一支撑体3的两端均分别与上固定板1和下固定板2固连，多个第一支撑体3沿着下固定板2的外缘均匀分布；

在下固定板2的中部设置有第一通孔，第一通孔的两个开口端分别位于下固定板2的上表面和下表面上；

垫圈4固定设置在下固定板2的上表面上，加热套圈5套在垫圈4的外环面上；

在凹模6的中部设置有第二通孔，第二通孔的两个开口端分别位于凹模6的上表面和下表面上，凹模6设置在垫圈4的上表面上，并在多个压缩弹簧8的共同作用下与垫圈4贴合；

第一通孔、垫圈4的空心部和第二通孔相对并形成通腔；

多个第二支撑体7均竖直设置在上固定板1与凹模6之间，多个第二支撑体7的两端均分别与上固定板1和凹模6固连，多个第二支撑体7沿着凹模6的外缘均匀分布，多个压缩弹簧8分别套在多个第二支撑体7上；

升降平台包括底座9和位于底座中央的升降部10，下固定板2设置在底座9上，升降部10位于第一通孔中，在升降部10的上表面上水平设置有单匝线圈11，在单匝线圈11的上端面上设置有驱动板12，在驱动板12上设置有绝缘布13；

所述金属板材包括第一板材、第二板材、第三板材、第四板材和第五板材，第一板材、第二板材、第三板材、第四板材和第五板材均为圆形且直径和厚度均相等；

在第二板材上设置有第三通孔和第四通孔，第三通孔与第四通孔均为圆形，直径均为D1，二者的圆心位于第二板材的同一条直径上，且与第二板材的圆心的间距相等；

在第三板材上设置有第五通孔和第六通孔，第五通孔与第六通孔均为圆形，直径均为D2，二者的圆心位于第三板材的同一条直径上，且与第三板材的圆心的间距相等；

在第四板材上设置有第七通孔和第八通孔，第七通孔与第八通孔均为圆形，直径均为D3，二者的圆心位于第四板材的同一条直径上，且与第四板材的圆心的间距相等；

在第五板材上设置有第九通孔和第十通孔，第九通孔与第十通孔均为椭圆形，短轴均为D3，二者的中心点位于第五板材的同一条直径上，且与第五板材的圆心的间距相等，二者的长轴互相平行；

D1＜D2＜D3；

在进行电磁温热驱动成形极限试验时，第一至第五板材中的任意一个设置在垫圈4与凹模6之间，其中部与驱动板12相对；

放电单元包括交流电源14、电容15、第一开关16和第二开关17，交流电源14的正极同时与电容15的一端和单匝线圈11的一个引线端相连，交流电源14的负极与第一开关16的一端相连，第一开关16的另一端同时与电容15的另一端和第二开关17的一端相连，第二开关17的另一端与单匝线圈11的另一个引线端相连。

本实施例中的第一板材的直径为180mm，厚度为1mm。

本实施例采用单匝线圈替代现有金属板材电磁成形装置中的平板螺旋线圈，与平板螺旋线圈相比，单匝线圈的结构简单，加工制作方便，使用寿命长。

在本实施例中，通过更换不同型号的压缩弹簧能够精确地调节凹模对金属板材边缘的压力，该压力简称压边力，进而为金属板材获得极限应变提供有效的压边力，能够最大程度地减少在金属板材电磁成形的过程中，因压边力不合适而影响金属板材获得极限应变问题的发生。

本实施例的驱动板上设置有绝缘布，能够解决因驱动板被高温金属板材加热而影响金属板材成形速率的问题。

本实施例所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置在现有电磁成形方法的基础上，采用整体式单匝线圈替代现有的平板螺旋线圈，通过设置压缩弹簧实现对凹模的压边力的精确调节，通过设置加热套圈实现对金属板材的预热，并通过采用特殊设计的第一至第五板材来获取金属板材在电磁温热高速率下的成形极限。

实施例二：下面结合图1详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置进一步的限定。

本实施例所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置，在垫圈4的内环面上设置有隔热圈18。

本实施例中设置在垫圈内环面上的隔热圈用于防止单匝线圈在进入垫圈内部后被加热而缩短使用寿命。

实施例三：下面结合图3和图5详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置进一步的限定。

本实施例所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置，在垫圈4的上表面和凹模6的下表面上均设置有拉延筋19。

本实施例中的垫圈的上表面和凹模的下表面上均设置有两条拉延筋，拉延筋的设置有助于改善电磁成形中的金属板材上各处的变形状态，使金属板材成形更加均匀。

实施例四：下面结合图4和图6详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置进一步的限定。

本实施例所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置，在垫圈4的上表面设置有至少一个定位盲孔20，在凹模6的下表面上设置有至少一个定位柱21，定位盲孔20与定位柱21的数量相等，且相互匹配。

本实施例中的定位盲孔和定位柱相互匹配，用于在将凹模安装在垫圈上的过程中准确定位。

实施例五：下面结合图3、图4、图7至图10详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置进一步的限定。

本实施例所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置，第一支撑体3的两端分别与上固定板1和下固定板2螺纹连接；

第二支撑体7的两端分别与上固定板1和凹模6螺纹连接。

螺纹连接是一种广泛使用的可拆卸的固定连接，具有结构简单、连接可靠和装拆方便等优点。

实施例六：本实施例是对实施例一所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置进一步的限定。

本实施例所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置，单匝线圈11的一个引线端和另一个引线端均通过高温导线分别与电容15的一端和第二开关17的另一端相连；

在垫圈4上还设置有通槽22，用于高温导线的走线。

本实施例中的单匝线圈通过高温导线与放电单元相连，高温导线的设置增强了所述金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置的电气部分的稳定性。

实施例七：本实施例是对实施例一所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置进一步的限定。

本实施例所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置，驱动板12的材质为铜或铝。

本实施例中的驱动板为圆形，其直径为98mm，厚度为1mm；

本实施例中的驱动板的材质为铜或铝，铜和铝均具有优良的导电性和延展性，且价格较低。

实施例八：下面结合图12和图13详细地说明本实施例。本实施例所述的金属板材成形极限图建立方法基于实施例一所述的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置实现。

本实施例所述的金属板材成形极限图建立方法包括：

步骤一、采用电腐蚀打标机同时在第一板材、第二板材、第三板材、第四板材和第五板材的上表面上蚀刻网格，并分别对蚀刻后的第一板材、第二板材、第三板材、第四板材和第五板材实施下述步骤二至步骤五；

步骤二、调整压缩弹簧8并将板材紧密地设置在垫圈4与凹模6之间；

步骤三、采用加热套圈5将板材加热到200℃；

步骤四、启动升降部10，使单匝线圈11进入垫圈4内；

步骤五、将第一开关16闭合，第二开关17断开，当电容15充电完成后，将第一开关16断开，第二开关17闭合，当板材发生极限应变后，取下板材；

步骤六、分别采集极限应变后的第一至第五板材的应变数据，采用应变分析软件对采集到的应变数据进行处理，并生成成形极限图。

图12为工作中的金属板材电磁温热驱动成形极限试验装置的纵向剖面图，发生极限应变的板材向上凸起，驱动板12与板材贴合。

实施步骤六后生成的成形极限图如图13所示，e1为板材的横向应变百分比，e2为板材的纵向应变百分比。

采用本实施例所述的金属板材成形极限图建立方法，能够使金属板材电磁成形极限图的建立标准化，统一化。

本实施例所述的方法操作简单方便，通过实施所述建立方法获得的金属板材电磁成形极限图更加精确，能够为电磁成形生产提供指导依据，具有较强的推广应用价值。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。