一種金屬板材高速成形極限實(shí)驗(yàn)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種板材高速成形極限實(shí)驗(yàn)裝置，其包括：導(dǎo)軌支架(1)，凹模座(2)，凹模(3)，試驗(yàn)板料(4)，墊圈(5)，壓邊圈(6)，緊固螺釘(7)，復(fù)合材料沖頭(8)，升降支架(9)，電動(dòng)導(dǎo)軌(10)，平板線圈(11)，驅(qū)動(dòng)塊(12)，連接棒(13)，可調(diào)緩沖橡膠塊(14)，限位槽(15)，電磁鐵(16)，銜鐵(17)，沖頭橡膠緩沖塊(18)，橡膠緩沖塊支座(19)，高速照相機(jī)(20)，高速照相機(jī)支座(21),激光測(cè)距儀(22)電路總開關(guān)(23)，變壓器(24)，電容充電開關(guān)(25)，保護(hù)電容(26)，高壓整流橋(27)，電容器組(28)，沖頭發(fā)射開關(guān)(29)，保護(hù)電阻(30)，整流橋(31)。本發(fā)明所述的高速成形極限實(shí)驗(yàn)裝置可以在使用高壓電容器對(duì)平板線圈放電，產(chǎn)生瞬間強(qiáng)磁場(chǎng)，使驅(qū)動(dòng)塊高速向下移動(dòng)，推動(dòng)沖頭進(jìn)行高速FLD實(shí)驗(yàn)。
【專利說(shuō)明】
一種金屬板材高速成形極限實(shí)驗(yàn)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及金屬板材高速成形加工領(lǐng)域，特別涉及一種金屬板材高速成形極限實(shí) 驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速高能成形包括多種工藝方法，主要包括爆炸成形、電磁成形、電液成形，也就 是利用電氣、化學(xué)、機(jī)械貯存的高能量在瞬間放出而進(jìn)行加工。電磁成形和爆炸成形都能達(dá) 到15~300米/秒的加工速度，能極大的提高加工效率。同時(shí)，很多金屬材料的高應(yīng)變速率 下，其成形極限較室溫低速過(guò)程有很大的提高。爆炸成形、電磁成形、電液成形國(guó)外早在上 個(gè)世紀(jì)中葉就開始了研究，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。
[0003] 常溫低速成形過(guò)程中，板材的成形性評(píng)價(jià)有多種辦法，其中成形極限圖（FLD)是判 斷和評(píng)定板材成形性能的最為簡(jiǎn)便和直觀的方法，是解決板材沖壓成形問(wèn)題的一個(gè)非常有 效的工具。FLD是由板材在不同應(yīng)變路徑下的局部失穩(wěn)極限真實(shí)應(yīng)變 ￡1和￡2構(gòu)成的條帶形區(qū) 域，全面反映了板材在單向拉應(yīng)力、雙向拉應(yīng)力、平面應(yīng)變及中間狀態(tài)作用下的成形極限。 在板材成形中，板平面內(nèi)的兩主應(yīng)變的任意組合，只要落在成形極限圖中的成形極限曲線 上，板材變形時(shí)就會(huì)產(chǎn)生破裂，反之則是安全。
[0004] 然而，高速成形過(guò)程中涉及應(yīng)變速率因素，而不同應(yīng)變速率下材料的塑性變形規(guī) 律有很大差別，且不同材料的塑性隨應(yīng)變速率變化情況也大不相同。通常來(lái)說(shuō)，板料在超高 應(yīng)變速率下通常塑性較好，但在中速應(yīng)變速率下塑性較差。而且，板料成形時(shí)板料不同位置 處的應(yīng)變速率存在很大差別，這將顯著影響板料失效點(diǎn)的預(yù)測(cè)。因此，高速高能成形的成形 極限不能單純的建立主應(yīng)變和次應(yīng)變的關(guān)系，而應(yīng)考慮應(yīng)變速率效應(yīng)，常規(guī)的成形極限測(cè) 試方法也不再適用。
[0005] 目前，測(cè)量材料的高應(yīng)變速率下的應(yīng)變值通常采用霍普金森拉桿或壓桿來(lái)獲得材 料的高速拉伸或壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；中應(yīng)變速率則可使用高速拉伸機(jī)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。除普通 的高速拉伸機(jī)外，還有如專利CN102944474A中所述的一套利用電磁力驅(qū)動(dòng)的超高速率單向 拉伸試驗(yàn)裝置及方法。但無(wú)論采用霍普金森桿抑或高速拉伸機(jī)，都只能獲得單向拉伸或單 向壓縮的應(yīng)變狀態(tài)，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
[0006] 此外，在高速成形極限實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集也是一個(gè)難題。傳統(tǒng)的成形極限 測(cè)試的方法采用在板料上印刷網(wǎng)格，將板料沖壓至產(chǎn)生破裂的瞬間立即停止實(shí)驗(yàn)，此時(shí)對(duì) 板料破裂處的網(wǎng)格長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，達(dá)到應(yīng)變測(cè)量的目的。然而，高速成形極限實(shí)驗(yàn)，無(wú)法控 制實(shí)驗(yàn)在板料產(chǎn)生破裂時(shí)終止。專利CN102305745A中提及了一種利用DIC在線圖像測(cè)量技 術(shù)的板料成形性能測(cè)試裝置，裝置可以實(shí)時(shí)測(cè)量板料產(chǎn)生的應(yīng)變，無(wú)需控制實(shí)驗(yàn)終止，無(wú)需 對(duì)板料進(jìn)行人工測(cè)量。但該專利存在如下缺陷：1、由于DIC技術(shù)在測(cè)量曲面上的應(yīng)變時(shí)，數(shù) 據(jù)十分不準(zhǔn)確，因此裝置采用的平底沖頭，平底沖頭相較圓形沖頭，存在圓角處極易破裂、 需要使用要求更高的潤(rùn)滑措施等諸多缺陷。2、沖頭向上沖壓板料的時(shí)候，板料到相機(jī)快門 的距離會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)近的變化，這會(huì)造成圖像的放大效應(yīng)，造成測(cè)量誤差。3、裝置只能測(cè)量成形 極限的右半部分，左半部分需要依靠單向拉伸試驗(yàn)以及經(jīng)驗(yàn)公式。4、平頭沖頭質(zhì)量過(guò)大，向 上移動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速實(shí)驗(yàn)。
[0007] 因此，目前尚沒(méi)有一種能直接測(cè)量高應(yīng)變速率下，板料成形極限的裝置和方法，現(xiàn) 存的高應(yīng)變速率板料失效預(yù)測(cè)方法存在很大局限性，迫切需要一種新的成形極限圖，及其 測(cè)試裝置和測(cè)試方法來(lái)有效評(píng)價(jià)金屬板材在高速成形過(guò)程中的成形性能，為實(shí)際爆炸成 形、電磁成形、電液成形等生產(chǎn)過(guò)程提供指導(dǎo)依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是提供一種金屬板材高速成形極限實(shí)驗(yàn)裝置，能夠獲得不 同應(yīng)變速率下，不同應(yīng)變路徑下的板料成形極限，提供一種可準(zhǔn)確、方便評(píng)價(jià)金屬板材高速 成形過(guò)程中的起皺、破裂問(wèn)題的方法。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種金屬板材高速成型極限實(shí)驗(yàn)裝置，包括:導(dǎo)軌支架， 凹模座，凹模，墊圈，壓邊圈，緊固螺釘，復(fù)合材料沖頭，升降支架，電動(dòng)導(dǎo)軌，平板線圈，驅(qū)動(dòng) 塊，連接棒，可調(diào)緩沖橡膠墊，限位槽，電磁鐵，銜鐵和控制電路;其特征在于：
[0010] 電動(dòng)導(dǎo)軌布置在方形導(dǎo)軌支架上端，用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)升降支架上下移動(dòng)和固定;升 降支架上用絕緣膠和電木粘接有平板線圈，平板線圈由電容器組供電，平板線圈產(chǎn)生脈沖 電磁力并推動(dòng)緊鄰其布置的銅質(zhì)的驅(qū)動(dòng)塊向下移動(dòng)，從而帶動(dòng)與驅(qū)動(dòng)塊連接的連接棒，連 接棒與復(fù)合材料沖頭采用螺栓固定;復(fù)合材料沖頭上粘接銜鐵，實(shí)驗(yàn)前被吸附在電磁鐵上， 電磁鐵的支撐柱用螺栓固定于升降支架上端，穿過(guò)支架下端的開孔與銜鐵相對(duì)；
[0011] 升降支架下端中部設(shè)計(jì)有開孔的限位槽，連接棒穿過(guò)其中；
[0012] 限位槽上端放置一塊能夠更換的環(huán)形緩沖橡膠塊；
[0013] 凹模座放置于導(dǎo)軌支架之間，凹模座上端是一個(gè)環(huán)形凹槽，環(huán)形的凹模放置于凹 模座上端的凹槽中；環(huán)形的凹模外圈環(huán)形布置有螺紋孔，內(nèi)圈有一圈拉延筋；
[0014] 壓邊圈的外圈有環(huán)形布置有與凹模上螺紋孔相對(duì)的鉆孔，內(nèi)圈布置有與凹模上對(duì) 應(yīng)的拉延筋；
[0015] 壓邊圈用周向布置的螺釘將板料壓死在板料上。
[0016] 凹模座下方安裝有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)；
[0017] 控制電路用于控制金屬板材高速成型極限實(shí)驗(yàn)裝置。
[0018] 控制電路用于控制金屬板材高速成型極限實(shí)驗(yàn)裝置本發(fā)明的有益效果在于：
[0019] 1)采用電磁發(fā)射方式發(fā)射輕質(zhì)高強(qiáng)度沖頭，設(shè)備簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，可將沖頭在極短 時(shí)間內(nèi)加速并以極高速度發(fā)射，可使板料獲得可在一定范圍內(nèi)調(diào)整的高應(yīng)變速率，同時(shí)由 于采用沖頭向下發(fā)射方式，達(dá)到重力勢(shì)能補(bǔ)充動(dòng)能消耗，采用了電磁鐵，可在實(shí)驗(yàn)發(fā)射前固 定沖頭。
[0020] 2)采用常用的符合國(guó)標(biāo)的圓形沖頭，避免平底沖頭產(chǎn)生的各種缺陷，可在該實(shí)驗(yàn) 裝置上，通過(guò)調(diào)整板料形狀，測(cè)量成形極限圖上任意線性應(yīng)變路徑的成形極限點(diǎn)。
[0021] 3)限制了沖頭行程，行程可通過(guò)調(diào)整可調(diào)緩沖橡膠塊改變，下方還設(shè)置了沖頭緩 沖裝置以進(jìn)一步緩沖沖頭，并且由于高速照相機(jī)安置于緩沖裝置支座與凹模座之間，可有 效保護(hù)相機(jī)不會(huì)被沖頭損壞，還可以采用平面鏡系統(tǒng)，改變高速照相機(jī)位置，進(jìn)一步保護(hù)相 機(jī)。
[0022] 4)實(shí)驗(yàn)速度可通過(guò)調(diào)節(jié)電容器組電壓和電容量控制。
[0023] 5)采用兩臺(tái)高速照相機(jī)和一臺(tái)激光測(cè)距儀記錄印刷了網(wǎng)格的板料的三維變形過(guò) 程，解決了高速成形極限實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各點(diǎn)應(yīng)變和瞬間應(yīng)變速率測(cè)量的難題，解決了高速實(shí) 驗(yàn)無(wú)法控制破裂終止實(shí)驗(yàn)的難題，可通過(guò)記錄的圖像準(zhǔn)確的找到初始破裂點(diǎn)。具有通過(guò)一 次試驗(yàn)就可以完成尋找破裂的優(yōu)勢(shì)
[0024] 6)本發(fā)明所述的模具可以進(jìn)行更換，可在不同的拉延筋高度下進(jìn)行試驗(yàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的一種高速成形極限實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖和電路原理圖；
[0026] 圖2為凹模座2的截面圖和俯視圖；
[0027] 圖3為凹模3的截面圖和俯視圖；
[0028]圖4為壓邊圈6的截面圖和俯視圖；
[0029] 圖5為升降支架9的截面圖和A-A剖面圖；
[0030] 圖6為橡膠緩沖塊支座19的截面圖和俯視圖；
[0031]圖7為相機(jī)軸線平面計(jì)算原理圖。
[0032]圖中：1-導(dǎo)軌支架，2-凹模座，3-凹模，4-試驗(yàn)板料，5-墊圈，6-壓邊圈，7-緊固螺 釘，8-復(fù)合材料沖頭，9-升降支架，10-電動(dòng)導(dǎo)軌，11-平板線圈，12-驅(qū)動(dòng)塊，13-連接棒，14-可調(diào)緩沖橡膠墊，15-限位槽，16-電磁鐵，17-銜鐵，18-沖頭橡膠緩沖塊，19-橡膠緩沖塊支 座，20-高速照相機(jī)，21-高速照相機(jī)支座，22-激光測(cè)距儀，23-電路總開關(guān)，24-變壓器，25-電容充電開關(guān)，26-保護(hù)電容，27-高壓整流橋，28-電容器組，29-沖頭發(fā)射開關(guān)，30-保護(hù)電 阻，31-整流橋。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖1-7和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
[0034] 如圖1所示，本發(fā)明提供了的一種金屬板材高速成型極限實(shí)驗(yàn)裝置，包括:導(dǎo)軌支 架1，凹模座2，凹模3，墊圈5，壓邊圈6，緊固螺釘7，復(fù)合材料沖頭8，升降支架9，電動(dòng)導(dǎo)軌10， 平板線圈11，驅(qū)動(dòng)塊12,連接棒13,可調(diào)緩沖橡膠墊14,限位槽15,電磁鐵16,銜鐵17,沖頭橡 膠緩沖塊18,橡膠緩沖塊支座19,高速照相機(jī)20,高速照相機(jī)支座21，激光測(cè)距儀22和控制 電路。
[0035] 其中，電動(dòng)導(dǎo)軌10布置在方形導(dǎo)軌支架1上端，用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)升降支架9上下移動(dòng) 和固定，升降支架9結(jié)構(gòu)如圖5所示，為一對(duì)面相通的正方體。升降支架9上用絕緣膠和電木 粘接有平板線圈11，平板線圈11由電容器組28供電，產(chǎn)生強(qiáng)大的脈沖電磁力，可推動(dòng)緊鄰其 布置，活動(dòng)的銅質(zhì)驅(qū)動(dòng)塊12向下高速移動(dòng)，從而帶動(dòng)與其采用螺紋連接的連接棒13，連接棒 13與復(fù)合材料沖頭8采用螺栓固定。沖頭8上粘接銜鐵17,實(shí)驗(yàn)前被吸附在電磁鐵16上，電磁 鐵16的支撐柱用螺栓固定于升降支架9上端，穿過(guò)支架9下端的開孔與銜鐵17相對(duì)。
[0036]升降支架9下端中部設(shè)計(jì)有增厚型開孔限位槽15,連接棒13穿過(guò)其中。限位槽上端 放置一塊可更換的環(huán)形緩沖橡膠塊14。
[0037]凹模座2獨(dú)立于導(dǎo)軌支架1，放置于導(dǎo)軌支架1之間，其下方可墊有一塊橡膠墊，凹 模座如圖2所示，其上端是一個(gè)環(huán)形凹槽，環(huán)形凹模3放置于凹模座2上端的凹槽中。環(huán)形凹 模3外圈環(huán)形布置有螺紋孔，內(nèi)圈有一圈拉延筋，如圖3所不。
[0038] 壓邊圈6的外圈有環(huán)形布置有與與凹模3上螺紋孔相對(duì)的鉆孔，內(nèi)圈布置有與凹模 3上對(duì)應(yīng)的拉延筋，如圖4所示。
[0039] 壓邊圈6用周向布置的螺釘7將板料5壓死在板料上。凹模座下方安裝有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 的采集系統(tǒng)，是兩臺(tái)呈對(duì)稱布置，相機(jī)軸線始終可以相交于一點(diǎn)的高速照相機(jī)20,和一臺(tái)垂 直布置，用于實(shí)時(shí)測(cè)量沖頭8與兩臺(tái)相機(jī)焦點(diǎn)所成直線的垂直距離的激光測(cè)距儀22。
[0040] 高速照相機(jī)20安裝在相機(jī)支座21上，激光測(cè)距儀安裝在橡膠緩沖塊支座19中央的 圓孔中，如圖6所示，橡膠緩沖塊支座19固定在沖頭8正下方，其中央圓孔正對(duì)沖頭9中央其 上圓形凹槽放置有同樣中央開孔的沖頭橡膠緩沖塊18。
[0041] 金屬板材高速成型極限實(shí)驗(yàn)裝置采用的沖頭8向下沖壓板材4的模式，使得重力勢(shì) 能能為沖頭8補(bǔ)充一部分迫使板材4變形所消耗的能量。所用沖頭8為國(guó)標(biāo)推薦的直徑為 100mm的半圓形沖頭，為減輕沖頭8質(zhì)量，沖頭8采用高強(qiáng)度復(fù)合材料制成，內(nèi)部中空，分為半 圓頭和蓋板兩部分，兩部分的連接采用膠接。采用輕質(zhì)材料的目的是使一定的平板線圈11 放電能量下，沖頭8能獲得更大的速度。裝置提供兩種不同質(zhì)量的沖頭8,使得在同樣的放電 能量下，沖頭能獲得兩種不同等級(jí)的速度。
[0042]連接棒13穿過(guò)升降支架9上的限位槽15中，使得沖頭8只能上下移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)塊12與 限位槽15上可調(diào)緩沖橡膠塊14的距離為沖頭8的行程，這個(gè)距離略大于沖頭8到下方?jīng)_頭橡 膠緩沖塊18的距離，保證板料在破裂前相機(jī)都能清晰的拍攝到板料的照片，沖頭8的動(dòng)能主 要由可調(diào)緩沖橡膠塊14吸收，過(guò)大的殘余動(dòng)能將由沖頭橡膠緩沖塊18,同時(shí)其將起到保護(hù) 作用。
[0043]橡膠塊14環(huán)向設(shè)計(jì)開口，使得其不必拆卸驅(qū)動(dòng)塊12,連接棒13,沖頭8的連接，并取 出連接棒13就可以更換橡膠塊。
[0044]金屬板材高速成型極限實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括兩臺(tái)呈對(duì)稱布置的 高速照相機(jī)20,高速照相機(jī)20軸線始終可以相交于一點(diǎn)；還包括一臺(tái)垂直布置的，用于實(shí)時(shí) 測(cè)量沖頭8與兩臺(tái)相機(jī)焦點(diǎn)所成直線的垂直距離的激光測(cè)距儀22。
[0045]高速照相機(jī)20安裝在相機(jī)支座21上，激光測(cè)距儀安裝在橡膠緩沖塊支座19中央的 圓孔中，橡膠緩沖塊支座19固定在沖頭8正下方，其中央圓孔正對(duì)沖頭9中央其上圓形凹槽 放置有同樣中央開孔的沖頭橡膠緩沖塊18。
[0046]金屬板材高速成型極限實(shí)驗(yàn)裝置的控制電路包括電路總開關(guān)23,變壓器24,電容 充電開關(guān)25，保護(hù)電容26，高壓整流橋27，電容器組28，沖頭發(fā)射開關(guān)29，保護(hù)電阻30，整流 橋31。
[0047] 控制電路部分采用市電供電，電路總開關(guān)23控制電路的啟閉，通過(guò)變壓器24和高 壓整流橋27為高壓電容器組充電，電容器組28的電壓和電容容量可通過(guò)改變串并聯(lián)電容數(shù) 量調(diào)節(jié)，以改變放電能量，調(diào)節(jié)沖頭8速度。
[0048]電容器充電開關(guān)25控制電容器組28的通斷;保護(hù)電容26可以通過(guò)一定限度內(nèi)的交 流電，并阻斷由于過(guò)高的電容器組電壓導(dǎo)致的反向擊穿直流電，用于保護(hù)電容器組28充電 電路的安全。
[0049]發(fā)射按鈕29同時(shí)控制電容器組28的放電和電磁鐵16的斷電，按下沖頭發(fā)射按鈕29 時(shí)，電容器組28對(duì)平板線圈12放電，同時(shí)電磁鐵16斷電，將沖頭8發(fā)射出去。電磁鐵16頭部設(shè) 計(jì)有撞塊，當(dāng)銜鐵撞擊撞塊的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)彈起發(fā)射按鈕29，電容器組29通路斷開，電磁鐵 16通電，吸住沖頭8,從而方便沖頭8的實(shí)驗(yàn)前固定。
[0050] 實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也可以使用平面鏡系統(tǒng)將相機(jī)安裝在別處，但其等效光路應(yīng) 滿足前述要求。對(duì)沖頭8運(yùn)動(dòng)范圍的限制、橡膠緩沖塊支座19和凹模座2的設(shè)計(jì)可起到對(duì)昂 貴的高速照相機(jī)20多重保護(hù)作用，使其不會(huì)被失控的沖頭8撞壞。
[0051] 此外，本發(fā)明還提供了利用上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試的方法，具體包括以下步驟： [0052]步驟1、開始實(shí)驗(yàn)前，確認(rèn)電容充電開關(guān)25處于斷開狀態(tài)，發(fā)射開關(guān)29處于發(fā)射檔 位，待電容器組28放電完成，以保障電路安全，平板線圈不會(huì)燒毀，電容器組調(diào)整前電容處 于不帶電狀態(tài)。開啟激光測(cè)距儀22,再將沖頭8上兩塊銜鐵17對(duì)準(zhǔn)電磁鐵吸頭16且沖頭8圓 頭頂端對(duì)準(zhǔn)激光光斑后，使銜鐵17撞擊電磁鐵16頭部的撞塊，發(fā)射開關(guān)29彈到電磁吸合檔 位，閉合電路總開關(guān)23。
[0053]步驟2、制作試驗(yàn)板料4。
[0054]試驗(yàn)板料4上印刷正方形網(wǎng)格。網(wǎng)格越小，實(shí)驗(yàn)越精確。
[0055] 步驟3、升起升降支架9,升起壓邊圈6,將試驗(yàn)用板料4放置與凹模3上；
[0056] 放置時(shí)要盡量使試驗(yàn)板料(4)上網(wǎng)格線平行或垂直于兩臺(tái)高速照相機(jī)(20)的相機(jī) 軸線所在平面，方便后續(xù)圖片的數(shù)據(jù)處理，閉合壓邊圈6,壓緊板料4。此步可根據(jù)各個(gè)的實(shí) 驗(yàn)需要，更換不同的壓邊圈拉延筋高度。
[0057]步驟4、降下升降支架9,使沖頭8貼近板料4;
[0058]但需留出一段距離，其目的是為了使沖頭8有充足的加速距離完成瞬間加速，完 成加速后，沖頭依靠慣性高速?zèng)_擊板料4，板料4將在極短的時(shí)間內(nèi)被漲破，同時(shí)由于重力的 補(bǔ)償作用，可以認(rèn)為板料在被漲破的過(guò)程中，應(yīng)變速率變化不大。
[0059]步驟5、調(diào)整兩臺(tái)高速照相機(jī)20角度，使成像中心都對(duì)準(zhǔn)于板料4被激光光斑照射 的一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，這可使得兩個(gè)所拍攝的圖像都不會(huì)由于板料表面拱起而被擋住一部分。記 錄兩臺(tái)相機(jī)與豎直線所夾的銳角9^02。這兩個(gè)夾角將用于后續(xù)的圖像處理。
[0060] 步驟6、調(diào)整電容器組28的耐壓值和電容值，調(diào)整變壓器電壓值與電容器組28耐壓 值對(duì)應(yīng)。閉合電容器充電25開關(guān)，完成電容器組28的充電。
[0061] 步驟7、完成充電后，確保斷開電容器充電開關(guān)25。
[0062]否則若直接按下發(fā)射開關(guān)29,平板線圈11可能燒毀?？稍O(shè)置一個(gè)熔斷保險(xiǎn)。
[0063]步驟8、打開高速照相機(jī)20,確認(rèn)激光測(cè)距儀22打開，進(jìn)行照相機(jī)20初始對(duì)焦、圖像 長(zhǎng)度的對(duì)標(biāo)，測(cè)算初始高速照相機(jī)長(zhǎng)度cU，d2(高速照相機(jī)焦點(diǎn)到初始對(duì)焦點(diǎn)的距離）。
[0064] 步驟9、高速照相機(jī)20,確認(rèn)激光測(cè)距儀22二者進(jìn)行時(shí)間對(duì)標(biāo)，按下發(fā)射開關(guān)29。沖 頭8被發(fā)射，印刷了網(wǎng)格的板料4被高速脹形，脹形過(guò)程將被高速照相機(jī)20記錄下來(lái)，直到?jīng)_ 頭8達(dá)到最大行程，剩余動(dòng)能被可調(diào)緩沖橡膠塊14和緩沖器18吸收。關(guān)閉高速照相機(jī)20,試 驗(yàn)后斷開總電源，確認(rèn)電容充電開關(guān)處于斷開狀態(tài)。依據(jù)高速照相機(jī)拍攝的照片找到破裂 點(diǎn)，確認(rèn)破裂時(shí)應(yīng)變速率，求得破裂應(yīng)變。
[0065]基于本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置，本發(fā)明還提供了一種通過(guò)兩個(gè)高速照相機(jī)以及激光測(cè)距 儀確定所拍攝空間中線段長(zhǎng)度和坐標(biāo)的方法，步驟如下：
[0066]步驟1.建立空間坐標(biāo)系，在兩個(gè)高速照相機(jī)軸線相交的平面上，約定空間中激光 測(cè)距儀焦點(diǎn)為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閦軸，垂直X z平面方向?yàn)閥軸。
[0067] 步驟2.建立圖像坐標(biāo)系，約定拍攝圖像中激光測(cè)距儀焦點(diǎn)，也即空間中激光測(cè)距 儀焦點(diǎn)在成像平面上的投影為原點(diǎn)，兩個(gè)高速照相機(jī)成像平面與空間中兩個(gè)高速照相機(jī)軸 線相交的平面的交線上分別建立ai，a2軸，垂直交線方向建立bi，b2軸。
[0068] 步驟3.空間中任意一條直線，其長(zhǎng)度為1R，將其往兩個(gè)高速照相機(jī)軸線相交的平 面上投影，投影長(zhǎng)度為1，可知
[0069] 12R=12 +Γ; (1)
[0070] 其中l(wèi)y是空間直線在y軸上的投影長(zhǎng)度，由小孔成像原理易知y軸上的投影長(zhǎng)度與 圖像上b軸的長(zhǎng)度正相關(guān)，即I y=kbilbi = kb2lb2，因此
[0071] /； =l: + {k,J,y (2)
[0072] 其中，kb是基于對(duì)應(yīng)高速照相機(jī)的焦點(diǎn)到空間直線在y軸上投影的中點(diǎn)的高速照 相機(jī)長(zhǎng)度d決定的圖像對(duì)標(biāo)系數(shù)，我們首先將采用先前測(cè)算的初始高速照相機(jī)長(zhǎng)度d^cb。
[0073] 步驟4.兩個(gè)高速照相機(jī)軸線與豎直線的夾角01，02已知，測(cè)量圖像坐標(biāo)系中，空間 直線分別在ai，a 2軸上的長(zhǎng)度1^12,它們?cè)趦蓚€(gè)高速照相機(jī)軸線相交的平面中的關(guān)系如圖7 所示，可以證明，
[0074]
[0075] 其中，kal和ka2分別是基于對(duì)應(yīng)高速照相機(jī)的焦點(diǎn)到投影直線的中點(diǎn)的高速照相 機(jī)長(zhǎng)度d al，da2決定的圖像對(duì)標(biāo)系數(shù)(空間直線投影直線的中點(diǎn)并不一定體現(xiàn)為圖像上直線 的中點(diǎn)，這需要根據(jù)高速照相機(jī)軸線與直線相對(duì)傾斜角和高速照相機(jī)長(zhǎng)度測(cè)算，高速照相 機(jī)長(zhǎng)度越大，相對(duì)傾斜角越接近直角，越接近中點(diǎn)），我們首先將采用先前測(cè)算的初始高速 照相機(jī)長(zhǎng)度cU，d 2。
[0076] 聯(lián)立公式(2)，（3)，可得待求空間長(zhǎng)度
[0077]
12345
[0078] 同時(shí)可以確定直線端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，可以求取如圖7所示中，空間直線在高速照相 機(jī)軸線平面中投影線與水平線的夾角0:，可以證明
2 3 4 這樣可分別初步求得空間直線的x，z軸坐標(biāo)值lcose^lsinQi，而y軸坐標(biāo)值就是 kblb，這個(gè)坐標(biāo)值是基于以空間直線一個(gè)端點(diǎn)為原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系，我們還要求得其在步 驟1中建立坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，這就需要按照步驟3~4的方法求得端點(diǎn)到激光聚焦點(diǎn)這條 之間的距離。 5 同時(shí)，根據(jù)目前的高速照相機(jī)長(zhǎng)度和軸線夾角0^02，由小孔成像原理，可以測(cè)算出 空間投影直線1對(duì)應(yīng)圖像上的線段中點(diǎn)。圖像上中點(diǎn)到兩端的距離比滿足下面的關(guān)系式：
[0084]
[0085] 其中，81和82分別是圖像上空間中點(diǎn)到端點(diǎn)的短邊和長(zhǎng)邊長(zhǎng)度。而y軸上的線段中 點(diǎn)在圖像上也表示為中點(diǎn)，從而進(jìn)一步修正線段中點(diǎn)空間坐標(biāo)值。
[0086]步驟5.通過(guò)步驟4最后求得的坐標(biāo)，通過(guò)激光測(cè)距儀測(cè)得的該時(shí)刻空間坐標(biāo)原點(diǎn) 到兩高速照相機(jī)焦點(diǎn)連線的距離，沖頭直徑100mm，兩個(gè)高速照相機(jī)軸線與豎直線的夾角 Θ!，θ2，由空間幾何關(guān)系求得相應(yīng)的高速照相機(jī)長(zhǎng)度dal，da2，d bl，db2，（求得的高速照相機(jī)長(zhǎng) 度為空間線段中點(diǎn)到高速照相機(jī)焦點(diǎn)平面的距離)修正圖像對(duì)標(biāo)系數(shù)1^ 1，1^2，1^1，1^2，其關(guān) 系是
[0087]
[0088]其中k'，d'和k，d分別表示修正的圖像對(duì)標(biāo)系數(shù)，高速照相機(jī)長(zhǎng)度和上一步采用的 圖像對(duì)標(biāo)系數(shù)，高速照相機(jī)長(zhǎng)度。
[0089]步驟6.采用修正的數(shù)據(jù)，不斷重復(fù)步驟3~5，直到所求得兩次坐標(biāo)之差小于一個(gè) 約定的誤差限δ。
[0090] 步驟7.由于板料上網(wǎng)格是在沖頭8的圓面上，沖頭半徑R，板料厚度t已知，弦長(zhǎng)轉(zhuǎn) 弧長(zhǎng)，變形后網(wǎng)格線實(shí)際長(zhǎng)度SR有
[0091]
[0092] 這里忽略了板料變形后，板料厚度t的變化。SR即為所求，可用于計(jì)算應(yīng)變，而連續(xù) 兩張圖片計(jì)算所得應(yīng)變，可用于計(jì)算應(yīng)變速率。
[0093] 為了提高計(jì)算效率，減小計(jì)算強(qiáng)度，根據(jù)試驗(yàn)需要，以上計(jì)算方法可通過(guò)如下幾種 方式減小計(jì)算量：
[0094] 1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)記錄的圖片，確定板料的初始破裂位置，只對(duì)處于初始破裂位置的網(wǎng) 格進(jìn)行如上跟蹤分析。
[0095] 2.采用平面鏡系統(tǒng)，改變照相機(jī)的位置，使照相機(jī)焦點(diǎn)到拍攝點(diǎn)的距離盡量長(zhǎng)，這 樣板料變形過(guò)程中引起的照相機(jī)長(zhǎng)度變化相對(duì)較小，計(jì)算收斂將更快。同時(shí)，采用平面鏡系 統(tǒng)還可以更好的保護(hù)照相機(jī)。
[0096] 3 .計(jì)算變形過(guò)程中的應(yīng)變速率和應(yīng)變時(shí)，若照相機(jī)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，可不對(duì)圖像對(duì)標(biāo)系 數(shù)進(jìn)行修正，或者隔一定距離修正一次。
[0097]以上所述的【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，以上所述僅為本 發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限制本發(fā)明。例如壓緊壓邊圈的方式可以使用液 壓栗驅(qū)動(dòng)的液壓缸。實(shí)驗(yàn)使用的照相機(jī)可以不用布置在底部，底部可用兩個(gè)平面鏡代替，兩 臺(tái)高速照相機(jī)布置在平面鏡的光路上。還包括使用現(xiàn)有DIC設(shè)備和平底沖頭。尤其是本發(fā)明 提供的一種通過(guò)兩個(gè)照相機(jī)以及激光測(cè)距儀確定所拍攝空間中線段長(zhǎng)度和坐標(biāo)的方法，不 局限于本專利中描述的采用印刷網(wǎng)格的方式，其還包括了在板料噴涂散斑，采用類似于DIC 的圖像處理技術(shù)，通過(guò)圖像轉(zhuǎn)換矩陣的方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線處理。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種金屬板材高速成型極限實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于： 包括導(dǎo)軌支架（1)，凹模座(2)，凹模(3)，墊圈（5)，壓邊圈（6)，緊固螺釘(7)，復(fù)合材料 沖頭(8)，升降支架(9)，電動(dòng)導(dǎo)軌（10)，平板線圈（11)，驅(qū)動(dòng)塊（12)，連接棒（13)，可調(diào)緩沖 橡膠墊(14)，限位槽(15)，電磁鐵(16)，銜鐵(17)和控制電路;其特征在于： 電動(dòng)導(dǎo)軌（10)布置在方形導(dǎo)軌支架（1)上端，用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)升降支架(9)上下移動(dòng)和固 定;升降支架(9)上用絕緣膠和電木粘接有平板線圈（11)，平板線圈（11)由電容器組(28)供 電，平板線圈（11)產(chǎn)生脈沖電磁力并推動(dòng)緊鄰其布置的銅質(zhì)的驅(qū)動(dòng)塊（12)向下移動(dòng)，從而 帶動(dòng)與驅(qū)動(dòng)塊(12)連接的連接棒(13)，連接棒(13)與復(fù)合材料沖頭(8)采用螺栓固定;復(fù)合 材料沖頭(8)上粘接銜鐵(17 )，實(shí)驗(yàn)前被吸附在電磁鐵(16)上，電磁鐵(16)的支撐柱用螺栓 固定于升降支架(9)上端，穿過(guò)支架(9)下端的開孔與銜鐵(17)相對(duì)； 升降支架(9)下端中部設(shè)計(jì)有開孔的限位槽(15)，連接棒(13)穿過(guò)其中； 限位槽(15)上端放置一塊能夠更換的環(huán)形緩沖橡膠塊(14); 凹模座（2)放置于導(dǎo)軌支架（1)之間，凹模座（2)上端是一個(gè)環(huán)形凹槽，環(huán)形的凹模（3) 放置于凹模座（2)上端的凹槽中；環(huán)形的凹模(3)外圈環(huán)形布置有螺紋孔，內(nèi)圈有一圈拉延 筋； 壓邊圈（6)的外圈有環(huán)形布置有與凹模（3)上螺紋孔相對(duì)的鉆孔，內(nèi)圈布置有與凹模 (3)上對(duì)應(yīng)的拉延筋； 壓邊圈(6)用周向布置的螺釘(7)將板料(5)壓死在板料上； 凹模座(2)下方安裝有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)； 控制電路用于控制金屬板材高速成型極限實(shí)驗(yàn)裝置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬板材高速成型極限實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采 集系統(tǒng)包括兩臺(tái)呈對(duì)稱布置的高速照相機(jī)（20)，高速照相機(jī)(20)軸線始終可以相交于一 點(diǎn);還包括一臺(tái)垂直布置的，用于實(shí)時(shí)測(cè)量沖頭(8)與兩臺(tái)相機(jī)焦點(diǎn)所成直線的垂直距離的 激光測(cè)距儀(22)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬板材高速成型極限實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于：高速照相機(jī) (20)安裝在相機(jī)支座(21)上，激光測(cè)距儀(22)安裝在橡膠緩沖塊支座（19)中央的圓孔中， 橡膠緩沖塊支座（19)固定在沖頭(8)正下方，其中央圓孔正對(duì)沖頭(9)中央其上圓形凹槽放 置有同樣中央開孔的沖頭橡膠緩沖塊(18)。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬板材高速成型極限實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:控制電路還包 括電路總開關(guān)(23)，變壓器(24)，電容充電開關(guān)(25)，保護(hù)電容(26)，高壓整流橋(27)，電容 器組(28)，沖頭發(fā)射開關(guān)(29)，保護(hù)電阻(30)，整流橋(31); 電路總開關(guān)(23)控制電路的啟閉，通過(guò)變壓器(24)和高壓整流橋(27)為高壓電容器組 充電，電容器組(28)的電壓和電容容量可通過(guò)改變串并聯(lián)電容數(shù)量調(diào)節(jié)，以改變放電能量， 調(diào)節(jié)沖頭(8)速度； 電容器充電（25)控制電容器組(28)的通斷;保護(hù)電容(26)通過(guò)一定限度內(nèi)的交流電， 并阻斷由于過(guò)高的電容器組電壓導(dǎo)致的反向擊穿直流電，用于保護(hù)電容器組(28)充電電路 的安全； 發(fā)射按鈕(29)同時(shí)控制電容器組(28)的放電和電磁鐵(16)的斷電。
【文檔編號(hào)】B21D55/00GK105855351SQ201610201325
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月1日
【發(fā)明人】崔俊佳, 鄧樺坤, 李光耀, 孫光永
【申請(qǐng)人】湖南大學(xué)