CN103175745A - 用于高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置，其包括一旋压轮和一模具；模具为一芯轴，芯轴具有一位于芯轴一端端部的装配部分，一位于芯轴中部的轴身部分，以及一位于芯轴另一端端部的成型部分；其中，轴身部分为圆柱形；成型部分为椭球形，成型部分沿其轴向方向的切面外轮廓包括一直线段和分别连接于直线段两端的两椭圆曲线段，两椭圆曲线段以成型部分的中心轴线为对称轴对称设置。此外，本发明同时还公开了采用上述评估装置进行评估的方法。采用本发明所述的评估装置及方法能够对高强钢和拼焊板进行旋压成型极限评估，其评估结果准确可靠并具有连续性。

Description

用于高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置及方法

技术领域

本发明涉及一种金属板材成型极限评估装置及方法，尤其涉及一种金属板材旋压成型极限评估的装置及方法。

背景技术

随着对汽车轻量化需求的增加，高强钢及拼焊板的应用日益广泛。同时，由于旋压成型工艺能获得更为显著的加工强化效果，采用旋压工艺制造高强钢及拼焊板零件已经成为汽车轻量化的重要技术之一。

但是，相对于传统软钢，高强钢在强度提升的同时，其成型性有所下降，在旋压成型过程中较软钢更易发生开裂；而对于拼焊板，由于焊缝的存在，其旋压成型性也将受到显著影响。因此需要一种评估方法来对高强钢及拼焊板的旋压成型极限进行评估，以及评估不同的旋压工艺对这些材料旋压极限的影响。

公开号分别为CN1903474、CN2676182以及CN2702311的中国专利文件中均提到了测试成型极限的方法或装置，但均不是针对旋压成型工艺。由于旋压成型的应力、应变的复杂性，一般的测试成型极限试验应用于旋压中时，会产生较大误差，因此一般的测试成型极限试验不适用于测量旋压成型极限。

目前，旋压成型极限的评估方法主要针对软钢，有锥形模试验和椭球模试验两种：

1)锥形模试验

锥形模试验是针对剪切旋压的特点，通过配置一组不同锥角的模具，对每组模具分别进行试验，以获得使材料开裂的最小锥角。锥形模试验是一种较为直接测量软钢的方法，但是该方法较为原始、粗糙，并存在下列缺点：

a.由于需要各种锥角的模具，因此锥角模具数量较多，耗费较大；

b.由于各种模具的锥角角度是不连续的，因此得到的数据具也没有连续性；

c.试验易产生偏离率

(其中，t₁为工件实际厚度，t₀为按正弦律求得的理论厚度)，对试验结果的影响较大。

2)椭球模试验

椭球模试验是在锥形模试验的启发下，采用一个椭球模来近似模拟一组锥角连续变化的锥形模，从而克服锥形莫耗费较大以及测得数据不具备连续性的缺点。但是该方法仍具有以下缺点：

a.由于变形过程较为平缓，得到的极限减薄率偏大；

b.仅通过一道次轴向运动轨迹直接得到旋压成型极限的工艺过于简单，对材料要求也较高，无法对某些材料的旋压成型极限进行准确地评估，例如拼焊板，极可能在贴膜之前就已发生了焊缝开裂；

c.试验中产生的偏离率对试验结果的影响较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置及方法，该评估装置及其方法应当能够准确地评估高强钢和拼焊板的旋压成型极限，并且使用该评估装置及其方法所得的数据应当具有连续性。

根据上述发明目的，本发明提供了一种用于高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置，其包括一旋压轮和一模具；

模具为一芯轴，芯轴具有一位于芯轴一端端部的装配部分，一位于芯轴中部的轴身部分，以及一位于芯轴另一端端部的成型部分；

其中，轴身部分为圆柱形；

成型部分为椭球形，成型部分沿其轴向方向的切面外轮廓包括一直线段和分别连接于直线段两端的两椭圆曲线段，两椭圆曲线段以成型部分的中心轴线为对称轴对称设置；

椭圆曲线段的曲线方程为：

$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1$

其中，a＝240-260mm，b＝120-130mm，离心率

在本技术方案中，装配部分用以实现模具与设备之间的牢靠连接；轴身的作用是为坯料的伸长提供空间，其本身并不起到成形的作用。位于芯轴端部的成型部分是材料成型的核心部分，其中，椭圆曲线的合适选取至关重要。

发明人确定椭圆曲线首先是基于以下两个原则：

1)若椭圆曲线方程的离心率小，长、短半轴差别较小，从而使得在坯料贴合成型部分的过程中坯料所需的轴向位移较小，因此能够有效防止坯料在贴合成型部分之前由于拉深而产生的断裂；然而，若椭圆曲线方程的离心率过小，则在成型过程中，由于沿椭球模切线方向的锥角变化过于剧烈，因此很难实现在某一锥角下可旋性的准确测量；

2)若椭圆曲线方程的离心率大，长、短半轴差别较大，从而在成形过程中沿椭球模切线方向的锥角变化比较缓慢，容易实现在某锥角下可旋性的准确测量；然而，若椭圆曲线方程的离心率过大，则在贴合成型部分过程中坯料所需的轴向位移较大，因此易在此过程中因拉深而产生的断裂。

经过上述分析，由发明人反复试验后得到合适的参数范围：a＝240-260mm，b＝120-130mm，离心率

在上述的用于高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置中，直线段的长度为110-130mm。

相应地，本发明还同时提供了采用上述用于高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置进行旋压成型极限评估的方法，其包括下列步骤：

(1)将坯料放置于芯轴成型部分的端部，使坯料与直线段所在的平面贴合；

(2)使芯轴绕其自身轴心转动，同时控制旋压轮按照椭圆曲线段进给，使坯料贴合成型部分；该步骤能够解决在传统旋压成型极限测量中，拼焊板靠模之前发生拼焊板焊缝开裂的问题；

(3)继续保持芯轴绕其自身轴心转动，同时控制旋压轮自直线段与椭圆曲线段的交点处起进行直线进给，直至坯料发生旋裂；

(4)测量开裂处的坯料厚度，按照下述模型计算极限减薄率

式中，t_min为开裂处的坯料厚度，t₀为坯料初始厚度。

在所述采用高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置进行旋压成型极限评估的方法中，直线段的长度为110-130mm。

对于高强钢及拼焊板来说，尤其拼焊板，焊缝处在靠模之前极易发生开裂，因此传统方法难以准确测量旋压成形极限。本技术方案所述的方法通过控制旋压的弧线轨迹，先按成型部分的椭圆曲线进给，先进行成形，使板材成形为芯轴形状零件，并保证贴模良好，这样就能避免传统旋压成形极限测量中在靠模之前发生的拼焊板焊缝开裂。然后，在高强钢或拼焊板材料贴模之后，控制旋压轮接着进行径向进给，进行强力旋压试验，就能获得极限减薄率。由于高强钢及拼焊板应用目标一般为轻量化及性能提高，成形的过程一般都为强旋减薄，因此本实验在贴模后的强力旋压更接近实际旋压过程，获得的旋压成形极限测量结果更加准确、有效。

此外，本技术方案可以有效减小旋压过程中的偏离率影响，保证材料旋压成形极限结果更为准确。为了保证测量结果的准确性，偏离率的控制至关重要。传统的一道次轴向运动轨迹测得旋压成形极限的方法，由于旋压成形过程的不贴模，偏离率在坯料靠近芯模之后发生变化，将对材料的旋压成形极限产生显著影响。而本技术方案这种首先旋压至贴模，之后再做轴向进给运动的方法，将有效减小剪旋过程中壁厚偏离率变化，使测量结果更为准确。

本发明所述的评估装置及方法能够对高强钢和拼焊板的旋压评估装置进行准确地评估，弥补了拼焊板旋压成型极限测量方面的空白；此外，本发明所述的评估装置结构简单，评估方法合理，所得的数据具有连续性，从而保证了评估结果的准确可靠。

附图说明

图1为本发明所述的用于高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置在一种实施方式下的使用状态图。

具体实施方式

图1显示了本发明所述的用于高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置在本实施例中的结构。如图1所示，该评估装置包括旋压轮3和芯轴1。芯轴1包括一位于芯轴1一端端部的装配部分4、一位于芯轴1中部的轴身部分5以及一位于芯轴1另一端端部的成型部分6。其中，装配部分4用以芯轴1与设备之间的连接；轴身部分5为圆柱形，，其为坯料的伸长提供空间，本身不起到成形的作用；成型部分6为椭球形，成型部分6沿其轴向方向的切面外轮廓包括一长度为120mm的直线段，和分别连接于直线段两端的两椭圆曲线段，两椭圆曲线段以成型部分6的中心轴线为对称轴对称设置，其椭圆曲线段的曲线方程为：

$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1$

其中，a＝240-260mm，b＝120-130mm，离心率

图1还显示了本发明所述的用于高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置在本实施例中使用时的状态。请继续参阅图1，采用上述评估装置对高强钢和拼焊板进行旋压成型极限评估的步骤如下：

1.坯料为600-800MPa级的车轮高强钢：

(1)将切割为圆形的坯料2放置于芯轴1的成型部分6的端部并用尾顶夹持，使坯料2与直线段所在的平面贴合；

(2)开动设备使芯轴1绕其自身轴心转动，同时控制旋压轮3按照椭圆曲线段进给，使坯料2贴合成型部分6；

(3)继续保持芯轴1绕其自身轴心转动，同时控制旋压轮3自直线段与椭圆曲线段的交点A处起，沿芯轴1轴向方向进行直线进给，直至坯料2发生旋裂；

(4)测量开裂处的坯料厚度，按照下述模型计算极限减薄率

式中，t_min为开裂处的坯料厚度，t₀为坯料2初始厚度；

(5)根据上述计算得到的极限减薄率

判断该车轮高强钢的可旋性：极限减薄率越大则材料可旋性越好，极限减薄率越小则材料可旋性越差。

2.坯料由两种高强钢拼焊而成：

(1)将切割为圆形的坯料2放置于芯轴1的成型部分6的端部并用尾顶夹持，使坯料2与直线段所在的平面贴合；

(2)开动设备使芯轴1绕其自身轴心转动，同时控制旋压轮3按照椭圆曲线段进给，使坯料2贴合成型部分6；

(3)继续保持芯轴1绕其自身轴心转动，同时控制旋压轮3自直线段与椭圆曲线段的交点A处起，沿芯轴1轴向方向进行直线进给，直至坯料2发生旋裂；

(4)测量开裂处的坯料厚度，按照下述模型计算极限减薄率

式中，t_min为开裂处的坯料厚度，t₀为坯料2初始厚度；

在本步骤中算得的极限减薄率

为高强拼焊板中开裂处材料的旋压成型极限。对于拼焊的另一种高强钢，则测其最薄处，记为t′_min，若该处坯料初始壁厚为t′₀，则极限减薄率：

也就是说，对于拼焊板来说，其旋压成型的极限为：开裂处高强钢的极限减薄率为

另外一种高强钢的极限减薄率为

(5)根据上述计算得到的极限减薄率

判断该拼焊板的可旋性，同样的道理：极限减薄率越大则材料可旋性越好，极限减薄率越小则材料可旋性越差。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置，其包括一旋压轮和一模具，其特征在于：

所述模具为一芯轴，所述芯轴具有一位于芯轴一端端部的装配部分，一位于芯轴中部的轴身部分，以及一位于芯轴另一端端部的成型部分；其中

所述轴身部分为圆柱形；

所述成型部分为椭球形，所述成型部分沿其轴向方向的切面外轮廓包括一直线段和分别连接于所述直线段两端的两椭圆曲线段，所述两椭圆曲线段以成型部分的中心轴线为对称轴对称设置；

所述椭圆曲线段的曲线方程为：

$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1$

其中，a＝240-260mm，b＝120-130mm，离心率

2.如权利要求1所述的用于高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置，其特征在于，所述直线段的长度为110-130mm。

3.一种采用如权利要求1或2所述的用于高强钢和拼焊板的旋压成型极限评估装置进行旋压成型极限评估的方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)将坯料放置于所述芯轴成型部分的端部，使坯料与所述直线段所在的平面贴合；

(2)使所述芯轴绕其自身轴心转动，同时控制旋压轮按照所述椭圆曲线段进给，使坯料贴合所述成型部分；

(3)继续保持芯轴绕其自身轴心转动，同时控制旋压轮自所述直线段与椭圆曲线段的交点处起进行直线进给，直至坯料发生旋裂；

(4)测量开裂处的坯料厚度，按照下述模型计算极限减薄率

式中，t_min为开裂处的坯料厚度，t₀为坯料初始厚度。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述直线段的长度为110-130mm。