一种带集磁器的金属板料电磁成形极限实验装置及实验方法

1.本发明属于金属板料电磁成形极限实验技术领域，具体涉及一种带集磁器的金属板料电磁成形极限实验装置及实验方法。


背景技术：

2.在金属板材的成形过程中，材料的成形极限反应了材料的最大变形程度，而成形极限图在研究金属板材成形过程中是表征材料成形性能的重要指标。
3.集磁器是电磁成形中一种常见的辅助配件，在板管零件成形中得到广泛的应用。通过改变集磁器的结构，可以使线圈产生磁场集中在待变形零件的小区域，从而使局部区域的磁场大大加强，达到提高成型效率的目的。
4.目前，对于板料成形，电磁成形用集磁器常使用平板集磁器，但平板集磁器对平板线圈能量的利用率提高的不够明显，电磁力的聚集效果不够突出，且随着板料尺寸和形状以及待变形区的改变，平板螺旋线圈和平板集磁器需要重新设计加工。


技术实现要素：

5.根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种带集磁器的金属板料电磁成形极限实验装置及实验方法，能够使磁场汇集到集磁器内壁第一通孔顶端，增强了金属板料中心区域的磁场；在金属板料中产生感应涡流，从而实现金属板料中的电磁力加载，提高中心区域的洛伦兹力；且在实验过程中无需改变螺旋线圈、模具和集磁器的结构，只需设计不同形状和尺寸的金属板料，降低了加工成本，提高了成形效率。
6.本发明采用的技术方案为：
7.一种带集磁器的金属板料电磁成形极限实验装置，包括模具、集磁器、金属板料、压边圈、压紧件和充放电电路；
8.所述模具设有上下贯通的第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽自上而下设置；
9.所述集磁器设在所述第二凹槽内，所述集磁器为圆筒状结构，所述集磁器内设有自上而下贯通设置的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔为圆柱形，所述第二通孔为圆台形，且第二通孔中朝向集磁器外部的开口的直径大于朝向集磁器内部的开口的直径，所述集磁器侧面设有狭缝，所述狭缝与所述第一通孔和所述第二通孔相通，所述集磁器外侧绕设有螺旋线圈；
10.所述金属板料上蚀刻网格且设有两个对称的弧形槽，所述弧形槽开口向外且半径大于等于0，所述金属板料放置在所述第一凹槽内且设在所述集磁器的上方，所述集磁器、所述第二凹槽和所述金属板料之间填充有绝缘材料；
11.所述压边圈为环状结构，设在所述第一凹槽内且置于所述金属板料顶部；
12.所述压紧件用于压住所述压边圈，为所述金属板料提供压边力，防止所述金属板料的周围板料向中心区域流动；
13.所述充放电电路与所述螺旋线圈相连；
14.其中，所述螺旋线圈通过所述充放电电路充电或放电，所述螺旋线圈放电从而在所述第一通孔产生集中的磁场，使所述金属板料自由胀形，达到颈缩或破裂。
15.进一步地，所述充放电电路包括主电路、第一支路和第二支路，所述主电路上设有电源、电阻和第一控制开关，所述第一支路上设有电容，所述第二支路上设有第二控制开关且与所述螺旋线圈电性连接。
16.进一步地，所述集磁器外壁的高度远高于所述第一通孔的高度。
17.进一步地，所述绝缘材料为环氧树脂填充物。
18.进一步地，所述第一凹槽的直径大于所述第二凹槽的直径。
19.进一步地，所述压紧件为压力机。
20.进一步地，包括多块所述金属板料，多块所述金属板料上的所述弧形槽的半径依次增大。
21.进一步地，所述模具上设有环形凹槽，所述环形凹槽设在所述第二凹槽的外侧，所述压边圈底部设有所述环形凸起，所述金属板料上设有凸块和凹陷，所述凸块与所述环形凹槽相匹配，所述凹陷与所述环形凸起相匹配。
22.一种带集磁器的金属板料电磁成形极限实验方法，包括以下步骤：
23.步骤s1、在多块金属板料上设置两个对称的弧形槽，弧形槽开口向外且大于等于0，且在多块金属板料上蚀刻网格；
24.步骤s2、在集磁器外侧绕设螺旋线圈，将螺旋线圈与充放电电路相连，在集磁器和第二凹槽之间填充绝缘材料；
25.步骤s3、将一块金属板料放置在第一凹槽内且设在集磁器顶部；
26.步骤s4、将压边圈设在第一凹槽内且置于金属板料顶部；
27.步骤s5、通过压紧件压住压边圈，为金属板料提供压边力；
28.步骤s6、通过充放电电路向螺旋线圈充电一次和放电一次，当金属板料发生颈缩或者破裂后，取下金属板料，采集相应网格的应变数据；
29.步骤s7、更换另一块金属板料，跳转步骤s3，直至所有金属板料发生颈缩或者破裂，得到变形的网格的最大主应变及次应变数值，绘制金属板料的成形极限图。
30.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
31.本发明提供的一种带集磁器的金属板料电磁成形极限实验装置及实验方法，采用非对称管件形的集磁器和螺线线圈组合的装置，电磁力的聚集效果优于平板集磁器，实现电流向集磁器内壁第一通孔汇聚，磁场在集磁器内壁端部聚集，电磁力更加的集中，使板件中心区域获得更大的洛伦兹力，改善板料顶部区域内的受力状态。
附图说明
32.为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步的详细说明，其中：
33.图1为金属板料电磁成形极限实验装置的纵向剖面图；
34.图2为非对称集磁器和螺线管线圈组合时的结构示意图；
35.图3为非对称集磁器机构示意图；
36.图4为非对称集磁器纵向剖视图；
37.图5为非对称集磁器电流示意图；
38.图6为对非对称集磁器俯视时电流示意图；
39.图7为金属板料电磁成形极限实验装置的立体剖面图；
40.图8为图7中的局部放大图；
41.图9为起金属板料蚀刻网格示意图；
42.图10为板件电磁成形变形示意图；
43.图11为非对称集磁器内壁磁场汇聚示意图；
44.图12为获取完整成形极限图的板料结构示意图。
45.其中：1、第一控制开关；2、第二控制开关；3、绝缘材料；4、螺旋线圈；5、压边圈；51、环形凸起；6、金属板料；61、凸块；62、凹陷；7、集磁器；71、第一通孔；72、第二通孔；73、狭缝；8、模具；81、环形凹槽；82、第一凹槽；83、第二凹槽；9、电容；10、保护电阻；11、电源。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
47.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
48.一种带集磁器的金属板料电磁成形极限实验装置，如图1-图12所示，包括模具8、集磁器7、金属板料6、压边圈5、压紧件和充放电电路；
49.模具8设有上下贯通的第一凹槽82和第二凹槽83，第一凹槽82和第二凹槽83自上而下设置；
50.集磁器7设在第二凹槽83内，集磁器7为圆筒状结构，集磁器7内设有自上而下贯通设置的第一通孔71和第二通孔72，第一通孔71和第二通孔72形成集磁器7的内壁，第一通孔71为圆柱形，第二通孔72为圆台形，且第二通孔72中朝向集磁器7外部的开口的直径大于朝向集磁器7内部的开口的直径，集磁器7外壁设有狭缝73，狭缝73与第一通孔71和第二通孔72相通，使得集磁器7形成非对称管件结构，集磁器7外壁绕设有螺旋线圈4；
51.金属板料6上蚀刻网格且设有两个对称的弧形槽，弧形槽开口向外且大于等于0，金属板料6放置在第一凹槽82内且设在集磁器7上方，集磁器7、第二凹槽83和金属板料6之间填充有绝缘材料3；
52.压边圈5为环状结构，设在第一凹槽82内且置于金属板料6顶部；
53.压紧件用于压住压边圈5，为金属板料6提供压边力，防止金属板料6的周围板料向中心区域流动；
54.充放电电路与螺旋线圈4相连；
55.其中，螺旋线圈4通过充放电电路充电或放电，螺旋线圈4放电在集磁器7外壁产生感应电流，电流通过狭缝73流动到集磁器7内壁，进而通过狭缝73流动到集磁器7外壁，形成回路，从而在第一通孔71产生集中的磁场，使金属板料6自由胀形，达到颈缩或破裂后。
56.趋肤效应，当工件中加载瞬态变化的电流时，电流会汇集于工件表面，而非均匀分布于工件中。
57.本发明中，利用趋肤效应，使得螺旋线圈4在集磁器7中感应涡流主要集中于集磁器7表面区域，本发明通过在集磁器7外壁上设置有狭缝73，狭缝73与第一通孔71和第二通孔72相通，能够使集磁器7外壁的感应电流通过狭缝73流向集磁器7内壁，进而通过狭缝73流向集磁器7外壁，形成回路。
58.通过设置第一通孔71和第二通孔72，第一通孔71和第二通孔72形成集磁器7的内壁，第一通孔71为圆柱形，第二通孔72为圆台形，且第二通孔72中朝向集磁器7外部的开口的直径大于朝向集磁器7内部的开口的直径，使集磁器7形成非对称管件结构，实现第一通孔71磁场的集中，使金属板料6中心区域获得更大的洛伦兹力。
59.将第一通孔71设置为圆柱形，第二通孔72设置为圆台形，不仅有利于磁场的集中，也有利用加工。
60.且本发明中，无需改变螺旋线圈4、集磁器7和模具8的结构，即使用同一套工装，只需设计不同形状和尺寸的金属板料6，就能够得到完整的成形极限图，加工成本和实验时间大幅度降低，成形效率提高。
61.具体地，在本发明的一个实施例中，如图5和图6所示，螺旋线圈4中电流逆时针流动，集磁器7外壁感生顺时针流动的感应电流，当电流流至狭缝73处时，电流沿狭缝73一侧流入，进而在集磁器7内壁以逆时针流动，集磁器7内壁的电流再次流至狭缝73处，电流沿狭缝73另一侧流出到，集磁器7外壁，从而在集磁器7外壁、狭缝73和内壁之间形成电流回路。实现电流向集磁器7内壁第一通孔71汇聚，实现集磁器7内壁第一通孔71磁场的集中，使金属板料6中心区域获得更大的洛伦兹力。
62.本发明中，如图1所示，充放电电路包括主电路、第一支路和第二支路，主电路上设有电源11、电阻和第一控制开关1，第一支路上设有电容9，第二支路上设有第二控制开关2且与螺旋线圈4电性连接。
63.在实验过程中，关闭第一控制开关1，打开第二控制开关2，对电容9充电；打开第一控制开关1，打开第二控制开关2，电容9对螺旋线圈4放电，使得螺旋线圈4在集磁器7中感应涡流主要集中于集磁器7表面区域，为了使电流流向集磁器7内壁，本发明在集磁器7外壁上设置有狭缝73，狭缝73与第一通孔71和第二通孔72相通，实现电流向集磁器7内壁第一通孔71汇聚，实现集磁器7内壁端部磁场的集中，使金属板料6中心区域获得更大的洛伦兹力。
64.本发明中，如图3-图5所示，集磁器7外壁的高度远高于第一通孔71的高度，形成非对称的集磁器7和螺线线圈4组合的装置，集磁器7外壁的电流在第一通孔7汇聚，这种非对称结构迫使磁场汇集到集磁器7中的第一通孔71，增强了金属板料6中心区域的磁场；在金属板料6中感应涡流，从而实现金属板料6中的电磁力加载，提高中心区域的洛伦兹力；且在实验过程中无需改变螺线线圈4和模具8结构，只需设计不同形状和尺寸的金属板料6，加工成本大幅度降低。
65.具体地，对于集磁器7外壁的高度，根据螺旋线圈4的匝数确定集磁器7外壁的高度，考虑能量大小的原因，螺旋线圈4的匝数不能太少，也不能太多，因此，螺旋线圈4的匝数为3到15匝，由此确定集磁器7外壁的高度。
66.对于第一通孔71的尺寸，为了在金属板料6中心区域产生感应涡流，第一通孔71的直径应等于或稍微小于图9中最小金属板料6(也就是图12中单向拉伸状态的金属板料6)的最小宽度，但是第一通孔71的直径不能过小，以免产生电火花。
67.对于第一通孔71的高度，不能太小与不能太大，第一通孔71的高度为1匝螺旋线圈4或2匝螺旋线圈4的高度。
68.本发明中，如图1所示，绝缘材料3为环氧树脂填充物，通过设置绝缘材料3，防止模具8对集磁器7造成影响。螺旋线圈4、集磁器7、金属板料6三者都不能直接接触，但又不能有太大距离，通过填充绝缘材料，一是起到隔离绝缘作用，二是起到安装固定、增加强度的作用，防止螺旋线圈4、集磁器7、金属板料6之间相互作用力与反作用力带来的位置移动与可能的变形。
69.本发明中，为了放置金属板料6和压边圈5，防止金属板料6的边缘材料发生流动，形成起皱，对金属板料6的中心材料造成影响，影响网络变形的结果。第一凹槽82的直径大于第二凹槽83的直径，使得金属板料6的边缘能够放置在第一凹槽82的底部。
70.另外，如图8所示，为了进一步防止金属板料6的边缘材料发生流动，形成起皱，模具8上设有环形凹槽81，环形凹槽81设在第二凹槽83的外侧，压边圈5底部设有环形凸起51，金属板料6上设有凸块61和凹陷62，凸块61与环形凹槽81相匹配，凹陷62与环形凸起51相匹配。
71.本发明中，压紧件为压力机，可以根据金属板料6的大小设定合适的压边力。
72.本发明中，如图9所示，包括多块金属板料6，多块金属板料6上的弧形槽的半径依次增大，通过对多块金属板料6进行实验，得到多块金属板料6变形网格的最大主应变及次应变数值，然后通过这些网格测量所得到应变值绘制金属板料6的成形极限图，从而研究金属板料6成形性能。
73.本发明还提供一种带集磁器的金属板料电磁成形极限实验方法，包括以下步骤：
74.步骤s1、在多块金属板料6上设置两个对称的弧形槽，弧形槽开口向外且大于等于0，且在多块金属板料6上蚀刻网格；
75.步骤s2、在集磁器7外侧绕设螺旋线圈4，将螺旋线圈4与充放电电路相连，在集磁器7和第二凹槽83之间填充绝缘材料3；
76.步骤s3、将一块金属板料6放置在第一凹槽82内且设在集磁器7顶部；
77.步骤s4、将压边圈5设在第一凹槽82内且置于金属板料6顶部；
78.步骤s5、通过压紧件压住压边圈5，为金属板料6提供压边力；
79.步骤s6、通过充放电电路向螺旋线圈4充电一次和放电一次，当金属板料6发生颈缩或者破裂后，取下金属板料6，采集相应网格的应变数据；
80.步骤s7、更换另一块金属板料6，跳转步骤s3，直至所有金属板料6发生颈缩或者破裂，得到变形网格的最大主应变及次应变数值，绘制金属板料6的成形极限图。
81.综上所述，如图10所示，螺旋线圈4在集磁器7外壁感应的涡流转移到集磁器7的第一通孔71区域内，且在第一通孔71区域内电流密度相较于集磁器7外壁增大，对集磁器7外
壁电流起到了汇集的效果(从集磁器7的外壁汇集到第一通孔71)。同时让磁场b更加集中在集磁器7的第一通孔71部位。
82.如图9所示，电容9放电后，集磁器7产生感应电流，瞬时电流产生磁场b，同时在金属板料6中产生感应电流和磁场，在洛伦兹力的作用下金属板料6发生变形(虚线为金属板料6变形示意过程)。
83.如图11所示，由于金属板料6在变形过程中，不同主应力方向上的主应变的值不同，将应变值较小的次主应变作为横坐标，将应变值较大的主应变作为纵坐标。成形极限图分为左右两个部分，左半边曲线大部分处在单向拉伸应变状态的范围内，表示金属板料6的变形主要是在拉应力和压应力的综合作用下完成，而右半边曲线大部分处在双向等拉应变状态范围内，说明金属板料6的变形主要是在双向拉应力的作用下进行。
84.通过合理的设计实验用的模具8和金属板料6形状，金属板料6结构设计如图9所示，使得金属板料6在变形时分别处于单向拉伸和双向等拉应变状态下，获得各应变状态下金属板料6的断裂成形极限曲线后将两边的曲线连起来，最终得到完整的断裂成形极限图。
85.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。