周以瑞，成小園，吳修德，張建國

（1.上饒職業(yè)技術學院機械工程系，江西上饒 334109；2.上饒職業(yè)技術學院電子工程系，江西上饒 334109；3.長江大學機械工程學院，湖北錦州 434023；4.江西百銳數(shù)控刀具有限公司，江西上饒 334109）

1 引言

電脈沖是由于電子短暫運動過程形成的脈沖信號，是由電容或者是間歇源產(chǎn)生的非穩(wěn)態(tài)電流場。當前，電脈沖檢測技術也獲得了廣泛應用，并呈現(xiàn)不斷往高頻與高能量的趨勢，對于微量元素探測、武器開發(fā)等新型技術領域發(fā)揮了重要作用［1?3］。許多學者對這電脈沖效應開展了深入分析，發(fā)現(xiàn)電脈沖效應屬于一種包含多種物理效果的復合轉變過程，具體包含了焦耳熱效應、純電脈沖效應以及集膚效應［4?6］。但因為實驗條件存在差異性，各研究人員獲得的結果也存在明顯偏差。文獻［7］選擇鎂合金作為軋制材料對其進行脈沖軋制測試，結果顯示相對常規(guī)軋制方法軋制力減小了近8%；文獻［8］通過拔絲測試發(fā)現(xiàn)，設置脈沖條件時，拉拔力減小了近5%，同時發(fā)現(xiàn)實際減小比例受到電流密度的顯著影響；文獻［9］對鋁合金進行拉伸測試發(fā)現(xiàn)，合金材料在單電脈沖作用下出現(xiàn)了拉伸應力變化；文獻［10］主要研究了拉伸應力在脈沖周期中發(fā)生的微波動現(xiàn)象；文獻［11］通過分析發(fā)現(xiàn)電脈沖效應主要是由焦耳熱效應引起，其比例達到65%以上。根據(jù)前期文獻報道可知，存在遠超脈沖電流時間變形力減小現(xiàn)象，同時也可以發(fā)現(xiàn)與單脈沖電流一起發(fā)生了變形力跳動的結果［12?13］。以上特征并沒有學者對其進行準確分類，未研究變形力和脈沖電流之間在時間特征方面的聯(lián)系，無法滿足對電脈沖效應進行定量分析的要求，也沒有構建相應的機理仿真模型。

目前，尚未有學者提出電脈沖效應的機理模型，因此針對金屬電脈沖變形進行測試的時候，還需經(jīng)歷工藝試錯的過程。本研究設計了電脈沖軋制（Electric Pulse Rolling，EPR）測試系統(tǒng)，之后對比了EPR 軋制和常規(guī)軋制（Conventional Rolling，CTR）［14］兩種方式的差異性，重點研究了不同時間段內受電脈沖作用而引起的軋制力差異性；之后分析了單周期中的穩(wěn)態(tài)軋制力，由此得到所有軋制道次中施加連續(xù)性電脈沖引起的軋制力變化結果。本研究對提升軋制效率以及改善實際生產(chǎn)過程的電脈沖參數(shù)，以及電脈沖效應機理的加強認識具有很好的指導意義。

2 實驗

這里選擇316L 不銹鋼板進行測試，依次完成電脈沖軋制（EPR）與常規(guī)二輥軋制（CTR）軋制測試。EPR 測試的系統(tǒng)組成結構，如圖1所示。選擇二輥軋機開展軋制測試，其外徑尺寸為65mm，同時保持速度65mm·s?1。用于測試的軋件厚度最初等于2.15mm，寬度等于7mm，經(jīng)過軋制后的厚度達到0.32mm。以入口托板的端部作為軋制處理的初始位置，該部位距離軋輥中線等于20mm，與測溫點的間隔長度為12mm。

圖1 電脈沖軋制示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Electroplastic Rolling

考慮帶實際316L不銹鋼板的力學性能以及參考文獻［14］，軋制時設定以下電脈沖參數(shù)：頻率為500Hz，周期為250μs，設定電壓依次為15V、20V與25V，脈沖電流的脈寬為60μs。進行實驗測試的過程中，軋制力測試數(shù)據(jù)通過示波器按照50MHz頻率采集得到，保證軋制力的精細控制。然后對現(xiàn)場實際測試的數(shù)據(jù)進行整理，得到不同軋制變形量下的軋制力數(shù)值，共計3000多組，以后后續(xù)統(tǒng)計使用。

3 結果分析

3.1 脈沖電壓對軋制力沖擊的影響

本實驗設置不同電壓脈沖條件下形成了具有相近波形特征軋制力，以電壓為25 V進行EPR軋件經(jīng)過5個累積變形程度Σ后形成的單脈沖狀態(tài)下軋件軋制力和脈沖波形結果進行分析結果，如圖2所示。

圖2 單脈沖軋件時EPR軋制力波形Fig.2 EPR Rolling Force Waveform When a Single Pulse Through the Rolling Piece

選擇脈沖電流的起始與終止位置作為特征點，針對軋制力的變化過程獲得圖2 結果，設置單周期中軋制變形力產(chǎn)生影響的不斷作用區(qū)段，將其分成t1穩(wěn)定段、t2脈寬段、t3劇烈擾動段與t4回穩(wěn)段。

根據(jù)圖2可知，受到脈沖電流作用后，形成了波動變化的軋制力，變化幅度接近1.5%，發(fā)生波動時對t2~t4段造成干擾，持續(xù)150μs 的時間，占到T1的6%。由此可以判斷，該軋制力發(fā)生波動的最大特點是與脈沖電流一起出現(xiàn)，將其表示為EPR 脈沖電流作用。

文獻［7］對變形力進行了測試分析，存在小幅波動的脈沖電流，而且在單周期內形成短暫軋制力波動可忽略電流焦耳熱的影響。EPR處理時除了會產(chǎn)生電流焦耳熱效應以外，純電脈沖效應也會引起軋制力的變化，具體作用機理包含電子風作用機制、磁致伸縮效應等。本研究在一個固定脈寬范圍內設置沖擊軋制力波動范圍，避免了未區(qū)分沖擊時間造成模型參數(shù)失真的問題。

3.2 EPR軋制力變化趨勢

根據(jù)圖2 結果，計算出樣品每個道次下所達到的穩(wěn)定軋制力，不同變形量對應的穩(wěn)態(tài)軋制力，如圖3所示。軋制力呈現(xiàn)相近的變化規(guī)律，軋制力在初期階段呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化趨勢，進入后期軋制階段時，發(fā)生了軋制力顯著增大。

圖3 不同工藝下軋制力的變化趨勢Fig.3 Trend of Rolling Force Under Different Processes

為方便分析，去除了部分超過均值15%以上明顯偏離的數(shù)據(jù)點，再對篩選得到的數(shù)據(jù)實施擬合得到圖3的實線結果，可以明顯看到擬合前段都保持幾乎水平的狀態(tài)，進入擬合后段時EPR相對CTR的增長速率更慢，并且當電壓上升后，形成了更大的電流，形成了更加平緩的增長趨勢。

選擇圖3的CTR與EPR在15V電壓下的軋制力參數(shù)進行計算差值ΔP，如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，在軋制過程中ΔP發(fā)生了顯著升高，表現(xiàn)出指數(shù)變化的特征，如圖4所示。通過圖4曲線可以發(fā)現(xiàn)，ΔP最大值在4.2kN附近，達到了16%的CTR軋制力。通過分析擬合曲線可知，進行持續(xù)軋制期間，形成了更大的軋制力差值。

圖4 CTR與EPR的軋制力差值變化Fig.4 Change of Rolling Force Difference Between CTR and EPR

軋制過程中，軋件厚度持續(xù)變小，長度持續(xù)增大，各道次軋制時間介于（1.5~5）s之間。所有軋制道次中EPR軋制力和CTR之間的差值ΔP變化，如圖4所示，其值介于（1.5~5）s的范圍，對應時間刻度明顯超過沖擊特征時刻。

3.3 優(yōu)化電脈沖軋制力波形

根據(jù)圖2與圖4測試結果，綜合考慮1個軋制道次內的EPR與CTR 情況，得到軋制力波形，如圖5 所示。進行EPR處理時，EPR形成了比CTR更小的軋制力，差值ΔP和脈沖電流熱效應存在密切關聯(lián)，這與文獻［3］報道了變形力發(fā)生持續(xù)減小結果一致；根據(jù)圖5拉伸測試結果可知，電路斷開后，軋制狀態(tài)從EPR轉變至CTR 此時軋制力重新進入CTR穩(wěn)定態(tài)。

圖5 道次時間CTR與EPR軋制力波形圖Fig.5 Rolling Force Waveform of Pass Time CTR and EPR

4 結論

（1）受到脈沖電流作用后，形成了波動變化的軋制力，變化幅度接近1.5%。這里構建的沖擊軋制力波動范圍被限定于脈寬區(qū)間內，有效防止因沒有區(qū)分沖擊時間而引起機理模型不匹配。（2）軋制力在初期階段呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化趨勢，進入后期軋制階段時，發(fā)生了軋制力的快速提高。當電壓上升后，形成了更大的電流，形成了更加平緩的增長趨勢。在軋制過程中ΔP發(fā)生了顯著升高，表現(xiàn)出指數(shù)變化的特征。進行持續(xù)軋制期間，形成了更大的軋制力差值。（3）進行EPR處理時，EPR形成了比CTR更小軋制力。電路斷開后，軋制狀態(tài)從EPR轉變至CTR 此時軋制力重新進入CTR穩(wěn)定態(tài)。