加热条件下电磁成形试验研究怀化

加热条件下电磁成形试验研究

加热条件下电磁成形试验研究 2011： 摘要：通过对LY12铝材在不同温度下进行电磁成形的试验结果的分析对比，得到了相同能量下以及电路参数不变的条件下，加热对工件变形的影响规律。通过理论推导以及和试验相比较，对在加热条件下工件的温度系数、材料在不同温度下的力学性能及电阻率诸因素对电磁成形的影响进行了分析。其结果对以后的生产实践有一定的指导意义。关键词：电磁成形；加热；线圈1、引言电磁成形是一种高能率成形方法，电磁成形具有生产效率高、工装简单、可提高某些材料的塑性、对环境的污染小等优点。可以直接或借助于弹性介质实现零件的成形、装配、冲裁、焊接等工艺。电磁成形不仅涉及到电学、电磁学、电动力学、以及塑性力学的内容，而且也涉及到热力学等方面的内容。由于涉及多门学科，使电磁成形的理论和实验研究变得复杂而困难。因此电磁成形领域仍有很多问题有待进一步研究解决。关于加热条件下电磁成形的实验研究的报道很少，本试验将就此问题进行探讨。在加热条件下，材料的性能和常温下是有区别的，加热时，材料的力学性能、电学性能、以及其它的物理性能都会发生不同程度的改变。一般情况下，加热会使金属材料的塑性增强。图1是LY12在高温下的塑性曲线。塑性的指标有很多，我们用延伸率来表征它。

图1 LY12延伸率随温度的关系曲线

从图1可以明显看出，随着温度的升高，材料的延伸率升高，受到相同的力后，变形量应该随温度的升高而升高。也就是说，在高温下电磁成形时，成形效果要比常温电磁成形效果好，结果是否如此，我们将做试验进行验证。在不同的温度下，材料的成形性能是不一样的。而在高速下，温度对材料的成形性能有没有影响，如果有影响，影响有多大，都是本文所要研究的问题。下面通过在相同能量下，其它参数不变的情况下，仅仅改变温度，材料成形性能的变化。加热的结构如图 2所示，实物图如图3所示。

图 2 加热试验示意图

1、 线圈 2、工件 3、模具 4、加热套1、coil 2、workpiece 3、mould 4、heating jacket图3 加热设备

2、试验目的通过该系列试验，了解在加热条件下，应用电磁成形对工件进行自由胀形，温度对成形效果的影响，为以后的生产应用作试验准备。试验过程如下：1. 按照图3所示，准备好工装，以及测试设备。选用热电耦直接测试试样温度。给工件画网格。2. 测出工件分别加热到200℃、300℃、400℃、500℃时所需的时间，为下一步作准备。3. 加热模具，到一定温度后停止加热，放置工件，上面放置隔热石棉层，用热电偶测试工件温度。4. 给电容充电，等工件温度达到后，放置线圈，压紧线圈、工件、模具后对模腔抽真空。抽真空完毕触发放电。5. 测试变形后的工件。主要测试最大变形高度和变形率。3、试验结果分别对常温20℃、200℃、300℃、400℃、500℃时工件变形后的高度进行了测试，得到以下的结果。回路的电参数为：电压为2500伏特，电容为2400微法、电感线圈为0.024毫亨。料厚为1毫米，材料牌号微LY12。模具内径为100毫米。通过实验数据，可以画出在加热条件下温度和成形高度的关系曲线图。如图3所示。

图 4 加热条件下温度和成形高度的关系曲线

从图4可以明显看出，该牌号铝板在加热条件下，应用电磁成形并没有使工件的成形高度加大，反而有一定的减小，也就是说，在加热的条件下，温度升高并无宜于工件的成形，这和通常情况下加热有利于成形的概念有矛盾。但是这不能说明该铝板在加热条件下的塑性变差，仅仅说明在电磁成形过程中，通过加热来改变工件的成形性能意义不大。4、理论推导和解释通常情况下，给铝板加热，随着温度的升高铝板的塑性变好，材料的屈服强度降低，所以很多冷加工无法完成的成形工艺往往用热加工来解决。从图1可以明显看出，随着温度的升高，铝板的屈服强度大致成线性降低，也可以说铝板的成形能力成线性提高，经计算，屈服强度线性降低的系数为：1MPa/℃。温度升高时，铝板的电阻增大。铝板的各项物理性能随温度的变化如表1所示。

表 1 铝板不同温度下的物理性能品种温度(℃)屈服强度（Mpa）延伸率(%)电阻率（10-9）板材-25344141℃-19634342-7024535-20230222710022622.536.4150191442001375247.82507873300648959.9

根据表1，绘出如下图5。各个物理性能随温度变化的曲线。

图 5 延伸率、电阻率、屈服强度随温度的变化曲线系列1—延伸率随温度的变化曲线 系列2--屈服强度随温度的变化曲线 系列3—电阻率随温度变化的曲线

从图5可以明显看出，延伸率呈抛物线形，在室温下取到最低值，屈服强度随温度的升高下降，但在室温到100℃区间趋于平缓。而电阻率随温度的升高而上升。屈服强度的下降和电阻率的上升的程度可以通过计算比较。电阻率随温度变化的规律如式（1）所示[2]。

LY12铝材的温度系数为0.00429（1/℃），由式（1）可以算出：

从式（2）到式（5）可以明显看出，。也就是说，温度升高到200℃，工件中的电阻是常温下的1.34倍，那么工件中的涡流也就减小为常温时涡流的0.75倍，根据力的推导可知，工件中涡流的大小和工件所受电磁力的大小成正比。而温度升高到200℃。屈服强度减少到常温时的0.80倍。也就是说，温度升高时，电阻的升高幅度超过了拉伸强度的降低的幅度，所以就出现了温度升高，成形高度反而降低的试验现象。同时也可以知道，如果随温度的增长，电阻的增大幅度小于拉伸强度的降低幅度时，温度升高，工件的成形高度应该是增加的，但因为有电阻增大的抵消，所以加热对于电磁成形来讲，提高工件的成形效率效果不大。从趋肤深度这方面来看温度的影响，根据趋服深度的定义：

式中ρ的为电阻的大小，可见，电阻增加，在相同的频率下，趋肤深度变大，当温度为400℃时，电阻为原来的3.82倍，趋肤深度为原来的1.95倍，电流按指数关系变化。这时，工件的料厚不变，而趋肤深度变大了，也就是说，浪费到空气中的磁场能量增加，能量的利用率降低，成形效果变差。综合以上两方面的影响，工件在加热的情况下，成形效果的好坏和电阻的变化、趋肤深度的变化、屈服强度的变化等因素有关系，对于LY12来讲，电阻和趋肤深度的综合影响效果大于屈服强度的变化的影响效果，随温度的升高，成形效果变差。5、结论1、在加热条件下，电磁成形的成形性能变化的趋势与工件的温度系数、材料在不同温度下的力学性能及电阻率有关系。当电阻的增长幅度大于材料的拉伸强度的降低时，则随着温度的升高工件的成形效果变差，否则相反。2、对于LY12铝材，在加热条件下，电磁成形的成形效果随温度的增加变差。[lx2] 参考文献：[1] 机械工业科技攻关项目：机械工程常用材料性能数据库。[2] 约翰.戴维斯、彼得.辛普森的《感应加热手册》。国防工业出版社，1985。444～488。[3] 工程材料使用手册，工程材料实用手册编辑委员会。中国标准出版社，1989。106～107。[4] 赵凯华、陈熙谋的《电磁学》。高等教育出版社，1978。15～65。*国家自然科学基金项目（50375016）资助及科技部中欧合作项目资助。(end)

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