CN118130216A - 一种金属板材电辅助成形极限测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属板材电辅助成形极限测试装置及方法，该极限测试装置包括电脉冲发生器、支撑筒体、同轴设置于支撑筒体内的球顶凸模，支撑筒体的顶面上固定连接有绝缘板，绝缘板的顶面上固定设置有由若干个电极片组成的电极板，电极板的顶部设置有环形压板，环形压板通过扭矩螺栓紧固设置于支撑筒体上，待测试的板件夹持于电极板和环形压板之间；电极片划分为两组，在两组电极片之间为板件通电，可实现板件整体均匀通电或不均匀通电；在电极片和球顶凸模之间为板件通电，可实现板件的局部通电。本发明的装置整体结构简单，设置有两种完全不同的通电方式和多个独立的通电区域，可测试各种形状的板件在两种通电状态下的成形极限。

Description

一种金属板材电辅助成形极限测试装置及方法

技术领域

本发明涉及金属板件成形技术领域，具体为一种金属板材电辅助成形极限测试装置及方法。

背景技术

成形极限是板件成形领域中重要的性能指标和工艺参数，反映了板件在不发生塑性失稳前可以达到的最大变形量。多年来，成形极限图被广泛用来描述板料的成形性，它是对金属板件成形性能的一种定量描述，它反映了金属板件在塑性失稳前所能取得的最大变形程度，是评判金属板件成形性能的最直接和最简单的方法。同时板件的成形极限图对于板件性能、成形理论、成形工艺和质量控制的发展提供有力指导依据。通过研究电脉冲成形极限，可以为电脉冲加工技术的发展提供有力指导依据。

目前，板件在温度、电磁等条件下的成形极限试验装置已经有了成熟的发展，但在电脉冲条件下研究板件的成形极限还研究较少，由于模具结构以及通电模式的复杂性，为板件电辅助下的成形极限试验带来困难。目前，还没有一种简单的电辅助下的成形极限测试装置和方法，能够直接应用在万能试验机的上来实现板件的整体或局部电辅助成形极限测试。

发明内容

本发明提出的一种金属板材电辅助成形极限测试装置及方法，装置整体结构简单，使用方便，而且为电辅助成形极限试验提供了一个较好的应用方案，该装置有两种完全不同的通电方式，可测试板件在两种通电状态下的成形极限，且设置了多个独立的通电区域，可适用于不同形状板件的电热辅助，为电辅助成形极限试验测试提供一个可靠的装置和方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：

一种金属板材电辅助成形极限测试装置，包括电脉冲发生器、固定于万能试验机工作台面上的支撑筒体、固定连接于万能试验机动力输出端并同轴设置于支撑筒体内的球顶凸模，所述支撑筒体的顶面上固定连接有绝缘板，绝缘板的顶面上固定设置有由若干个电极片组成的电极板，电极板的顶部设置有环形压板，环形压板通过扭矩螺栓紧固设置于支撑筒体上，待测试的板件夹持于电极板和环形压板之间；

当电极片划分为两组，一组同时与电脉冲发生器的一个输出电极连接，另一组同时与电脉冲发生器的另一个输出电极连接时，球顶凸模的顶部表面绝缘，可实现板件在成形过程中整体均匀通电或不均匀通电；

当电极片中的全部或部分同时与电脉冲发生器的一个输出电极连接，球顶凸模与脉冲发生器的另一个输出电极连接时，球顶凸模的顶部表面通电，板件在成形过程中，仅与球顶凸模顶部表面相接触的区域局部通电。

进一步的，所述电极片的数量为偶数，并在绝缘板的顶部均匀分布。

进一步的，相邻两个所述电极片之间设置有可拆卸地连接于绝缘板顶面上的绝缘压块。

进一步的，所述电极片的侧面设置有半圆缺口，半圆缺口的侧面底部设置有压边台阶，所述绝缘压块的侧面设置有与半圆缺口相匹配的半圆凸起，半圆凸起的顶面边缘设置有与压边台阶相匹配的压边凸缘。

进一步的，所述绝缘压块的中部开设有通孔，所述扭矩螺栓贯穿于通孔内。

进一步的，所述环形压板的底面固定设置有压边凸起。

进一步的，所述支撑筒体和环形压板均采用绝缘材料制成，或表面均设置有绝缘层。

还提供了一种金属板材电辅助成形极限测试方法，应用于所述的金属板材电辅助成形极限测试装置，包括以下步骤：

S1、将支撑筒体固定连接在万能试验机的工作台面上，将球顶凸模的底部杆端固定连接在万能试验机的动力输出端；

S2、旋松扭矩螺栓，使扭矩螺栓与支撑筒体分离，将环形压板从电极板上移除，将待测试的板件放置在电极板上，再将环形压板放置在板件的上方，而后使扭矩螺栓再次螺纹连接于支撑筒体上，使板件位于电极板和环形压板之间并处于非紧固态；

S3、根据板件的形状和测试类型，选择整体通电模式，使板件在成形过程中整体均处于通电状态，或选择局部通电模式，使板件在成形过程中仅与球顶凸模的顶部表面相接触的部分通电；

S4、电脉冲发生器工作，向板件输入预设频率的脉冲电流，至板件的热能到达平衡值，旋紧扭矩螺栓使环形压板将板件紧压紧固；

S5、万能试验机驱动球顶凸模上行，球顶凸模以预设压力冲压板件的底面，直至板件发生破裂，测试结束。

进一步的，在步骤S4之前，先进行通电测试，保证试验过程的安全性和可靠性。

进一步的，在步骤S4中，板件的热能到达平衡值的时间ΔT可由下式计算得出：

；

其中，I为电流，为电阻，t为电阻时间，T为对流系数，A为试样的标测部分的表面积，为试样的温度增加，为热导率，S为试样的标测部分的横截面积，为试样的长度，为热容，为试样的质量。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

1.本发明通过设置多个电极片组成的电极板，为待测试的板件提供不同电流参数（电流大小、频率等）下的成形极限测试，以获得对应参数下的成形极限试验结果，从而综合判断金属板件的成形性能；

2.本发明可根据待测试的板件的形状特点，将电极片划分为两组，一组同时与电脉冲发生器的一个输出电极连接，另一组同时与电脉冲发生器的另一个输出电极连接时，球顶凸模的顶部表面绝缘，可实现板件在成形过程中整体均匀通电或不均匀通电；或者，电极片中的全部或部分同时与电脉冲发生器的一个输出电极连接，球顶凸模与脉冲发生器的另一个输出电极连接时，球顶凸模的顶部表面通电，板件在成形过程中，仅与球顶凸模顶部表面相接触的区域局部通电，电流向板件四周扩散，因而具备两种完全不同的通电模式；

3.本发明的组装式电极板结构形式，配合两种不同的通电模式，不仅适用于常规板件，对于各种异型板件同样适用，因而具有较好的普适性，并且可以进行单向拉伸、双向等拉、双向不等拉等多种方式的测试试验，应用范围广泛；

4.本发明的装置整体结构设计简单，制造成本较低，可直接应用在现有的万能试验机上。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图之一；

图2为本发明的立体结构示意图之二；

图3为本发明的剖视结构示意图；

图4为本发明的立体爆炸结构示意图；

图5为板件在成形极限测试装置上装夹状态的立体结构示意图；

图6为所述电极片在绝缘板上分布状态的立体结构示意图；

图7为所述绝缘压块的立体结构示意图；

图8为所述绝缘压块与电极片组装状态的立体结构示意图；

图9为所述环形压板的立体结构示意图；

图10为正方形板件在两侧整体通电模式下的电热分布的仿真模拟图；

图11为正方形板件在局部通电模式下的电热分布的仿真模拟图。

图中：1、支撑筒体；2、球顶凸模；3、绝缘板；4、电极片；5、环形压板；51、压边凸起；6、扭矩螺栓；7、绝缘压块；100、板件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图9，一种金属板材电辅助成形极限测试装置，包括电脉冲发生器、固定于万能试验机工作台面上的支撑筒体1、固定连接于万能试验机动力输出端并同轴设置于支撑筒体1内的球顶凸模2。电脉冲发生器用于给待测试的板件100提供预设频率和功率的脉冲电流，使板件100快速升温而实现电热辅助，以改善金属材料性能，便于板件成形。万能试验机用于安装测试装置，以及为球顶凸模2提供冲压动力。万能试验机和电脉冲发生器均采用现有的市售设备，其具体结构和工作原理此处不作赘述。以下仅对本发明的结构设计和工作原理进行详细说明。

支撑筒体1为上下贯通的空心圆柱体结构，其底面外侧一体设置有连接法兰，并通过螺栓固定连接在万能试验机的工作台面上，其侧壁顶面上设置有多个螺纹连接孔，用于扭矩螺栓6的螺纹连接。支撑筒体1的顶面上固定连接有绝缘板3，绝缘板3为绝缘材料（如电木板）制成的元环形薄板结构，其底面可完全覆盖支撑筒体1的侧壁顶面。绝缘板3通过胶黏或螺栓连接等方式固定设置在支撑筒体1的侧壁顶面上，且顶面开设有供扭矩螺栓6贯穿的通孔。

绝缘板3的顶面上固定设置有由若干个电极片4组成的电极板电极板的顶部设置有环形压板5，环形压板5通过扭矩螺栓6紧固设置于支撑筒体1上，待测试的板件100夹持于电极板和环形压板5之间。球顶凸模2的顶端为半球形状、下端为圆柱杆状，球顶凸模2同轴地设置在支撑筒体1内，且其底端固定连接在万能试验机的动力输出端（如万能试验机的升降横梁）上，通过动力输出端驱动球顶凸模2垂直向上移动，可使球顶凸模2顶部的半球体表面逐渐靠近板件100的底面，进而完成冲压成形过程。

电极片4在绝缘板3的顶面上构成环状分布结构，其外侧壁上设置有接线端子，通过接线端子与电脉冲发生器的电源输出端连接，进而为其上的板件100提供加热电流。当电极片4按照不同的数量和分布位置划分为两组时，一组同时与电脉冲发生器的一个输出电极连接，另一组同时与电脉冲发生器的另一个输出电极连接时，球顶凸模2的顶部表面绝缘，可实现板件100在成形过程中整体均匀通电或不均匀通电，以满足各种形状的板件100在不同通电场景、成形过程整体通电状态下的成形极限测试需要；当电极片4中的全部或部分同时与电脉冲发生器的一个输出电极连接，球顶凸模2与脉冲发生器的另一个输出电极连接时，球顶凸模2的顶部表面通电，板件100在成形过程中，仅与球顶凸模2顶部表面相接触的区域局部通电，以满足各种形状的板件100在不同通电场景、成形过程局部通电状态下的成形极限测试需要。优选的，本实施例中，电极片4的数量为偶数（如图2中所示的8个），并在绝缘板3的顶部均匀分布。

为便于电极板4在绝缘板3上的拼装、位置的准确定位以及电极片4之间的有效绝缘，相邻两个电极片4之间设置有可拆卸地连接于绝缘板3顶面上的绝缘压块7。电极片4的侧面设置有半圆缺口，半圆缺口的侧面底部设置有压边台阶，绝缘压块7的侧面设置有与半圆缺口相匹配的半圆凸起，半圆凸起的顶面边缘设置有与压边台阶相匹配的压边凸缘。绝缘压块7的两端分别通过螺钉固定连接在绝缘板3的顶面上。通过半圆凸起与半圆缺口的匹配，可实现电极片4相互位置的快速对位，以及拼装后各个电极片4的水平限位，通过压边凸缘对压边台阶的压紧作用，可使电极片4固定在绝缘板3上。

进一步优选的，支撑筒体1和环形压板5均采用绝缘材料制成，或表面均设置有绝缘层，使得电极板的上、下两侧与外部均处于绝缘状态，各个电极片4之间也处于彼此独立的状态。同时，绝缘压块7的中部开设有通孔，扭矩螺栓6贯穿于通孔内，使得扭矩螺栓6的外侧全部与绝缘材料接触，可确保测试过程中手动旋松或旋紧扭矩螺栓6的操作的安全性。

为提升板件100在环形压板5和电极板之间的夹持效果，避免板件100的夹持位置在成形过程中出现滑移，环形压板5的底面固定设置有环形分布的压边凸起51（如齿牙）。

一种金属板材电辅助成形极限测试方法，应用于所述的金属板材电辅助成形极限测试装置，包括以下步骤：

S1、将支撑筒体1固定连接在万能试验机的工作台面上，将球顶凸模2的底部杆端固定连接在万能试验机的动力输出端；保证支撑筒体1的轴线垂向设置，且球顶凸模2与支撑筒体1同轴设置；

S2、旋松扭矩螺栓6，使扭矩螺栓6与支撑筒体1分离，将环形压板5从电极板上移除，将待测试的板件100放置在电极板上，再将环形压板5放置在板件100的上方，而后使扭矩螺栓6再次螺纹连接于支撑筒体1上，使板件100位于电极板和环形压板5之间并处于非紧固态（保证板料100与电极片4的顶面贴合，能够顺利通电即可）；目的是为板件100通电受热后的热膨胀预留移动的膨胀空间。

S3、根据板件100的形状和测试类型，选择整体通电模式，使板件100在成形过程中整体均处于通电状态，或选择局部通电模式，使板件100在成形过程中仅与球顶凸模2的顶部表面相接触的部分通电；

以正方形板件为例，若采用在全部区域通入电流的成形模式，可采用电极片4与电脉冲发生器的正、负极电源输出端依次交替的方式进行连接；若为拉伸试样的板件，则将位于板件两端位置的电极片分为两组，其中一组同时与电脉冲发生器的正极电源输出端连接，而相对的一组则同时与电脉冲发生器的负极电源输出端连接，该通电模式下的电热分布的仿真模拟图如图10所示。若采用局部通电的成形模式，凸模球体表面未经过氧化层处理，在所有的电极片通入正极电流，在凸模底部接入负极，测试过程中只有板件与凸模球体接触部分有电流通过，该通电模式下的电热分布的仿真模拟图如图11所示。

S4、电脉冲发生器工作，向板件100输入预设频率的脉冲电流，至板件100的热能到达平衡值（约几十秒），旋紧扭矩螺栓6使环形压板5将板件100紧压紧固；在对板件100正式通电前，先进行通电测试，保证试验过程的安全性和可靠性，避免接电位置接触不良等因素对测试结果及测试数据的准确性造成不利影响。

板件100的热能到达平衡值的时间ΔT可由下式计算得出：

；

其中，I为电流，为电阻，t为电阻时间，T为对流系数，A为试样的标测部分的表面积，为试样的温度增加，为热导率，S为试样的标测部分的横截面积，为试样的长度，为热容，为试样的质量。

S5、万能试验机驱动球顶凸模2上行，球顶凸模2以预设压力冲压板件100的底面，直至板件100发生破裂，测试结束。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种金属板材电辅助成形极限测试装置，其特征在于：包括电脉冲发生器、固定于万能试验机工作台面上的支撑筒体（1）、固定连接于万能试验机动力输出端并同轴设置于支撑筒体（1）内的球顶凸模（2），所述支撑筒体（1）的顶面上固定连接有绝缘板（3），绝缘板（3）的顶面上固定设置有由若干个电极片（4）组成的电极板，电极板的顶部设置有环形压板（5），环形压板（5）通过扭矩螺栓（6）紧固设置于支撑筒体（1）上，待测试的板件（100）夹持于电极板和环形压板（5）之间；

当电极片（4）划分为两组，一组同时与电脉冲发生器的一个输出电极连接，另一组同时与电脉冲发生器的另一个输出电极连接时，球顶凸模（2）的顶部表面绝缘，可实现板件（100）在成形过程中整体均匀通电或不均匀通电；

当电极片（4）中的全部或部分同时与电脉冲发生器的一个输出电极连接，球顶凸模（2）与脉冲发生器的另一个输出电极连接时，球顶凸模（2）的顶部表面通电，板件（100）在成形过程中，仅与球顶凸模（2）顶部表面相接触的区域局部通电。

2.根据权利要求1所述的一种金属板材电辅助成形极限测试装置，其特征在于：所述电极片（4）的数量为偶数，并在绝缘板（3）的顶部均匀分布。

3.根据权利要求2所述的一种金属板材电辅助成形极限测试装置，其特征在于：相邻两个所述电极片（4）之间设置有可拆卸地连接于绝缘板（3）顶面上的绝缘压块（7）。

4.根据权利要求3所述的一种金属板材电辅助成形极限测试装置，其特征在于：所述电极片（4）的侧面设置有半圆缺口，半圆缺口的侧面底部设置有压边台阶，所述绝缘压块（7）的侧面设置有与半圆缺口相匹配的半圆凸起，半圆凸起的顶面边缘设置有与压边台阶相匹配的压边凸缘。

5.根据权利要求4所述的一种金属板材电辅助成形极限测试装置，其特征在于：所述绝缘压块（7）的中部开设有通孔，所述扭矩螺栓（6）贯穿于通孔内。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种金属板材电辅助成形极限测试装置，其特征在于：所述环形压板（5）的底面固定设置有压边凸起（51）。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的一种金属板材电辅助成形极限测试装置，其特征在于：所述支撑筒体（1）和环形压板（5）均采用绝缘材料制成，或表面均设置有绝缘层。

8.一种金属板材电辅助成形极限测试方法，应用于权利要求1-7任意一项所述的金属板材电辅助成形极限测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将支撑筒体（1）固定连接在万能试验机的工作台面上，将球顶凸模（2）的底部杆端固定连接在万能试验机的动力输出端；

S2、旋松扭矩螺栓（6），使扭矩螺栓（6）与支撑筒体（1）分离，将环形压板（5）从电极板上移除，将待测试的板件（100）放置在电极板上，再将环形压板（5）放置在板件（100）的上方，而后使扭矩螺栓（6）再次螺纹连接于支撑筒体（1）上，使板件（100）位于电极板和环形压板（5）之间并处于非紧固态；

S3、根据板件（100）的形状和测试类型，选择整体通电模式，使板件（100）在成形过程中整体均处于通电状态，或选择局部通电模式，使板件（100）在成形过程中仅与球顶凸模（2）的顶部表面相接触的部分通电；

S4、电脉冲发生器工作，向板件（100）输入预设频率的脉冲电流，至板件（100）的热能到达平衡值，旋紧扭矩螺栓（6）使环形压板（5）将板件（100）紧压紧固；

S5、万能试验机驱动球顶凸模（2）上行，球顶凸模（2）以预设压力冲压板件（100）的底面，直至板件（100）发生破裂，测试结束。

9.根据权利要求8所述的一种金属板材电辅助成形极限测试方法，其特征在于：在步骤S4之前，先进行通电测试，保证试验过程的安全性和可靠性。

10.根据权利要求8所述的一种金属板材电辅助成形极限测试方法，其特征在于：在步骤S4中，板件（100）的热能到达平衡值的时间ΔT可由下式计算得出：

；

其中，I为电流，为电阻，t为电阻时间，T为对流系数，A为试样的标测部分的表面积，为试样的温度增加，为热导率，S为试样的标测部分的横截面积，为试样的长度，为热容，为试样的质量。