一種電磁式霍普金森扭桿加載裝置的扭轉(zhuǎn)槍的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料的動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能測(cè)試的加載裝置及實(shí)驗(yàn)方法，具體說(shuō)是一種電磁式霍普金森扭桿加載裝置及試驗(yàn)方法，所述裝置可以作為分離式霍普金森扭桿實(shí)驗(yàn)的加載裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]雖然霍普金森拉伸、壓縮設(shè)備已廣泛用于測(cè)量高應(yīng)變率下材料壓縮、拉伸時(shí)的力學(xué)性質(zhì)。但是壓桿和拉桿都是采用軸向加載方法，壓縮和拉伸縱波在傳播時(shí)，波導(dǎo)桿伴有鏡像變形，產(chǎn)生橫向慣性效應(yīng)，產(chǎn)生波的彌散和試樣端面的摩擦，影響精度；而扭轉(zhuǎn)霍普金森實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)三維問(wèn)題，無(wú)橫向慣性影響，不存在試樣端面的摩擦效應(yīng)。因此扭轉(zhuǎn)霍普金森實(shí)驗(yàn)越來(lái)越受重視。
[0003]扭轉(zhuǎn)霍普金森設(shè)備的加載方式有:1.存儲(chǔ)應(yīng)變能突然釋放方式；2.氣動(dòng)加載方式；3.爆炸加載方式。貝克(Baker)等人在Journal of Applied Mechanics的1996年第33 期中發(fā)表的 Strain-rate effects in the propagat1n of tors1n plastic waves一文中提出的扭轉(zhuǎn)霍普金森設(shè)備，其夾鉗機(jī)構(gòu)由滑塊組成，氣槍子彈打擊滑塊時(shí)，夾鉗放松，產(chǎn)生的扭矩脈沖前沿升時(shí)和應(yīng)變率分別為30us和13s1;坎貝爾(Campbell)等人在Journal of Applied Mechanics 的 1971 年 37 期中發(fā)表的 On the use of a tors1nalsplit Hopkinson bar to study rate effects in IlOO-Oaluminum一文中提出的扭車?；羝战鹕O(shè)備，夾鉗結(jié)構(gòu)由兩個(gè)半圓橋瓦和鋼絲組成，鋼絲拉斷時(shí)，夾鉗放松，其前沿升時(shí)和應(yīng)變率分別為50us和12s 1O此外，還有一些學(xué)者嘗試使用爆炸方式和氣動(dòng)加載方式進(jìn)行扭轉(zhuǎn)加載。目前，在扭轉(zhuǎn)霍普金森桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面，最成熟的技術(shù)還是儲(chǔ)能式加載方式，這種加載方式的缺點(diǎn)在于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波的產(chǎn)生時(shí)間無(wú)法有效控制，并且所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波長(zhǎng)受入射桿的長(zhǎng)度限制。
[0004]傳統(tǒng)的霍普金森扭桿加載方式都是機(jī)械加載，扭轉(zhuǎn)波的產(chǎn)生時(shí)間很難控制。在材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試中，有時(shí)需要測(cè)試材料在扭轉(zhuǎn)和拉伸或者扭轉(zhuǎn)和壓縮的復(fù)合加載下的力學(xué)性能。這兩種復(fù)合加載方式要求扭轉(zhuǎn)波和拉伸波或者扭轉(zhuǎn)波和壓縮波同時(shí)到達(dá)試樣的端面，這要求能夠嚴(yán)格控制扭轉(zhuǎn)波和拉伸波或者扭轉(zhuǎn)波和壓縮波的開始傳播時(shí)間。而傳統(tǒng)的霍普金森桿的機(jī)械加載方式是無(wú)法嚴(yán)格控制應(yīng)力波的產(chǎn)生和傳播時(shí)間的。由于這個(gè)原因，復(fù)合加載的霍普金森桿系統(tǒng)一直很難研制出來(lái)。
[0005]20世紀(jì)60年代美國(guó)波音公司為解決普通鉚接存在的問(wèn)題，由Huber A Schmitt等人率先開始研究電磁鉚接技術(shù)，并申請(qǐng)了電磁鉚接裝置的專利(美國(guó)專利:3961739，1974年5月7日)。后來(lái)美國(guó)研制成功低壓電磁鉚接(歐洲專利:0293257, 1988年5月27日)，解決了高壓鉚接在鉚接質(zhì)量及推廣應(yīng)用方面存在的問(wèn)題，從而使電磁鉚接技術(shù)得到較快發(fā)展。電磁鉚接技術(shù)已在波音、空客系列飛機(jī)制造中得到應(yīng)用。如今，低壓電磁鉚接技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，鉚接力的大小和持續(xù)時(shí)間得到比較精確的控制。電磁鉚槍的技術(shù)原理是:在放電線圈和工件之間增加了一個(gè)線圈和應(yīng)力波放大器。放電開關(guān)閉合的瞬間，主線圈中通過(guò)快速變化的沖擊電流，在線圈周圍產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。與主線圈耦合的次級(jí)線圈在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)，兩磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生渦流斥力，并通過(guò)放大器傳至鉚釘，使鉚釘成形。渦流力的頻率極高，在放大器和鉚釘中以應(yīng)力波的形式傳播，故電磁鉚接也稱應(yīng)力波鉚接。如果將電磁鉚槍的原理應(yīng)用到分離式霍普金森壓桿中代替?zhèn)鹘y(tǒng)分離式霍普金森壓桿中的氣槍和撞擊桿，通過(guò)電磁斥力產(chǎn)生直接產(chǎn)生應(yīng)力波，將會(huì)使分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的規(guī)范化成為可能。并且可以以足夠長(zhǎng)的應(yīng)力脈沖對(duì)試樣進(jìn)行低應(yīng)變率加載，實(shí)現(xiàn)一些傳統(tǒng)霍普金森桿無(wú)法實(shí)現(xiàn)的低應(yīng)變率。2014年西北工業(yè)大學(xué)在專利號(hào)為ZL 201420198611.7的實(shí)用新型專利中提出了一種基于電磁力加載的分離式霍普金森壓桿裝置，在申請(qǐng)?zhí)枮?01410161610.X的發(fā)明專利中提出了一種改進(jìn)的基于電磁力加載的分離式霍普金森壓桿裝置。西北工業(yè)大學(xué)在申請(qǐng)?zhí)柗謩e為201410173843.1和201410171963.8的發(fā)明創(chuàng)造中提出了兩種基于電磁力的拉伸及壓縮應(yīng)力波發(fā)生器及實(shí)驗(yàn)方法，所述實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)將電磁鉚槍裝置直接應(yīng)用于霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的動(dòng)態(tài)壓縮加載，并且應(yīng)力波產(chǎn)生的時(shí)間可以精確控制。但是對(duì)于霍普金森扭轉(zhuǎn)裝置，尚沒有一種能夠控制產(chǎn)生應(yīng)力波的霍普金森扭轉(zhuǎn)裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不能夠控制應(yīng)力波的不足，本發(fā)明提出了一種電磁式霍普金森扭桿加載裝置的扭轉(zhuǎn)槍。
[0007]本發(fā)明括包括轉(zhuǎn)子和4個(gè)定子，所述各定子均布并固定在殼體的內(nèi)圓周表面；在安裝各定子時(shí)，將定子線圈方向相同的2個(gè)定子對(duì)稱安置。連接時(shí)，用導(dǎo)線將4個(gè)定子的線圈依次串連形成串連的線圈組；將所述線圈組的正極接頭與電能儲(chǔ)存與釋放器的正極輸出線連接，將所述線圈組的負(fù)極接頭與電能儲(chǔ)存與釋放器的負(fù)極輸出線連接。
[0008]所述定子線圈是由定子線圈和線圈殼組成的矩形線圈，其中:
[0009]所述定子線圈的上表面和下表面分別為圓弧面，分別形成了定子線圈的外圓弧面和內(nèi)圓弧面。所述定子線圈是在銅塊上采用線切割的方式形成“回”字形的縫隙，并在所述縫隙中填充絕緣膠帶，形成了定子線圈匝與匝之間的絕緣層，該銅塊保留部分則成為線圈的匝。所述4個(gè)定子線圈中，2個(gè)定子線圈的方向?yàn)轫槙r(shí)針，2個(gè)定子線圈的方向?yàn)槟鏁r(shí)針。在定子線圈最外匝的起點(diǎn)處加工有正極接頭，在定子線圈最內(nèi)匝的終點(diǎn)處加工有負(fù)極接頭。所述絕緣層厚度與線圈匝厚度的比例為1/2?1/3。
[0010]所述線圈殼的橫截面呈扇形；該線圈殼的外圓弧面與殼體的內(nèi)圓弧面相互配合；該線圈殼的內(nèi)圓弧面與轉(zhuǎn)子之間間隙配合。該線圈殼上有定子線圈的安裝槽。線圈殼的下表面為槽底。所述線圈殼下表面為圓弧面，該圓弧面的曲率與定子線圈內(nèi)圓弧面的曲率相同。在所述線圈殼上有安裝孔。
[0011]所述扭轉(zhuǎn)槍還包括殼體和殼體蓋，在所述殼體的圓周壁上沿圓周方向均勻分布有4個(gè)方形開口，每個(gè)開口在殼體軸向的長(zhǎng)度為該殼體周向長(zhǎng)度的1/6。殼體蓋中心有用于安裝轉(zhuǎn)子軸軸承的通孔。殼體蓋的外徑與殼體的外徑相同。
[0012]轉(zhuǎn)子包括磁鐵和轉(zhuǎn)子軸:其中所述磁鐵包括轉(zhuǎn)子殼和4個(gè)永磁鐵；所述各永磁鐵均為弧形塊狀，各永磁鐵兩側(cè)表面為夾角α =30°的斜面，并且外圓弧的長(zhǎng)度小于內(nèi)圓弧的長(zhǎng)度。所述永磁鐵外圓弧面和內(nèi)圓弧面均為磁極面。其中兩個(gè)永磁鐵的外圓弧面為N極，內(nèi)圓弧面為S極；兩個(gè)永磁鐵的內(nèi)圓弧面為N極，外圓弧面為S極；
[0013]所述轉(zhuǎn)子殼殼體上均布有4個(gè)用于嵌裝永磁鐵的條形通孔。
[0014]本發(fā)明中，扭轉(zhuǎn)槍用于產(chǎn)生瞬時(shí)扭矩，并將瞬時(shí)扭矩轉(zhuǎn)換成扭轉(zhuǎn)波，通過(guò)轉(zhuǎn)子軸輸出給霍普金森扭桿。
[0015]通過(guò)電能儲(chǔ)存與釋放器中電能的放電為轉(zhuǎn)子線圈提供瞬時(shí)強(qiáng)電源，由于電容器放電時(shí)間比較短，放電電流強(qiáng)，可以使轉(zhuǎn)子上的永磁鐵和定子線圈之間產(chǎn)生瞬間的強(qiáng)電磁力，從而產(chǎn)生強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)力矩，所述扭轉(zhuǎn)力矩以扭轉(zhuǎn)波的形式從轉(zhuǎn)子軸中傳出。至于電能儲(chǔ)存與釋放器的控制系統(tǒng)，目前在電磁鉚接設(shè)備中該技術(shù)已經(jīng)非常成熟