CN101363785A - 金属薄板剪应力起皱试验方法及试验装置 - Google Patents
金属薄板剪应力起皱试验方法及试验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及金属薄板应力试验方法及试验装置。一种金属薄板剪应力起皱试验方法，其步骤是：第一步，制作试样，试样由毛坯试样和成形试样组成；第二步，将成形试样放置在试验装置上进行剪应力起皱试验；第三步，将试验完的试样沿中轴线进行剪裁；第四步，通过测量装置测量试样皱高；第五步，试样对称的四个皱高进行平均；第六步，记录试样参数和测量结果。本发明的试验方法可操作性强，配合相应的试验装置，可在现有拉伸试验机上进行金属薄板剪应力起皱试验，试验结果重复性好，适合于研究金属薄板的剪应力起皱特性。
Description
技术领域
本发明涉及金属薄板应力试验方法及试验装置，尤其涉及金属薄板剪应力起皱试验方法及试验装置。
背景技术
在金属薄板冲压过程中，如：汽车零件冲压过程中，起皱现象是经常出现的质量问题。根据起皱区外力条件不同，起皱主要有三种表现形式：压应力起皱、不均匀拉应力起皱和剪应力起皱，参见图1。
在钢板冲压成形时，凹模内部的毛坯是处于拉力下成形的，由于冲压件的结构较复杂，导致毛坯的受力也较复杂，当毛坯受到的拉力不同轴平衡时，则会在毛坯内产生剪应力，如图2所示。根据力学基本知识可知，最大主应力方向与剪应力成45°角，即在Y1方向，且 ；最小主应力必然在X1方向， 。即材料在X1方向受到的应力是压应力，当这一压应力达到一定值时，板料就会产生受压失稳现象，其皱纹的长度方向是在Y1方向，这就是剪应力起皱原理。
目前国内外对压应力起皱、不均匀拉应力起皱已有许多研究和相应的模拟试验方法，如压应力的圆筒形零件拉伸时法兰变形区的起皱试验，不均匀拉应力的方板对角拉伸试验等，但对剪应力起皱的试验方法研究还很少，也没有相应的试验装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属薄板剪应力起皱试验方法及试验装置，该试验方法可操作性强，配合相应的试验装置，可在现有拉伸试验机上进行金属薄板剪应力起皱试验。
为实现上述目的，本发明是这样实现的：
一种金属薄板剪应力起皱试验方法，其步骤是：
第一步，制作试样，试样由毛坯试样和成形试样组成；
毛坯成哑铃状，成轴对称图形，中心区域和四角区域不同轴，四角为矩形突出块，其一边延伸，作细长切口；成形试样是在毛坯基础上进行制作，在四角突出部位处施于力，使其成压筋状，对称于切口顶端垂直作平行线，并沿线折弯一定角度，对称于哑铃状细部顶端平行线折弯；
第二步，将成形试样放置在试验装置上进行剪应力起皱试验；
试验装置包括凸模、凹模、压边模、底座，凹模由前后两块凹模块组成，前后凹模块的空间组成凹槽，凹槽间距根据试样尺寸通过底座的调整螺孔进行调整，使试样处于中心；前后凹模块两边上平面的压筋凹槽构成的压边槽和相应前后两块压边模块两边下平面压筋镶嵌，以将试样压住；凹模上平面中间和压边模下平面中间为光滑平面，在试样受压时，试样中间流入凹槽；在凹槽和前后压边槽中间有一个凸模，凸模通过螺栓和加载机构相连固定；通过加载机构对对称试样施加载荷进行拉伸，使试样产生变形；由于压筋部分和受压位置不在一个轴上，从而产生剪应力和起皱；
第三步，将试验完的试样沿中轴线进行剪裁；
第四步，通过测量装置测量试样皱高；
测量装置由测量平台、X、Y推进轴，测量仪和底座组成，对称裁开的试样置于测量平台上，测量平台可在X、Y轴方向分别移动，测量仪固定在测量装置上，通过调整X、Y推进轴上的两个旋转把手，使试样与测量仪产生相对运动，从而快速准确的测出皱高；
第五步，试样对称的四个皱高进行平均；
第六步，记录试样参数和测量结果。
一种实施金属薄板剪应力起皱试验方法的试验装置，包括凸模、凹模、压边模、底座，底座开有对称T型槽和固定螺栓孔，凹模通过底座螺栓孔由螺钉和底座连接固定；凹模由前后两块凹模块组成，前后凹模块的空间组成凹槽，凹槽间距根据试样尺寸通过底座的调整螺孔进行调整，使试样处于中心；压边模通过底座T型槽上的长螺栓使底座、凹模和压边模固定，前后凹模块两边上平面的压筋凹槽构成的压边槽和相应前后两块压边模块两边下平面压筋镶嵌，以将试样压住；凹模上平面中间和压边模下平面中间为光滑平面；在凹槽和前后两边压边槽中间有一个凸模，凸模通过螺栓和加载机构相连固定，凸模对对称试样施加载荷，使试样产生变形。
所述在前后凹模块内侧边中心位置有对称定位挡板，使试样处于中心。
本发明的金属薄板剪应力起皱试验方法是根据剪应力起皱原理而设计的，试验方法通过试验装置在试样的压力区产生拉力，从而产生剪应力，并由此剪应力产生起皱，测定金属薄板的皱高，从而得到金属薄板抗剪应力特性，以满足如汽车厂、钢厂的科研和其它用户技术支持的需要。
本发明的试验方法可操作性强，配合相应的试验装置，可在现有拉伸试验机上进行金属薄板剪应力起皱试验，试验结果重复性好，适合于研究金属薄板的剪应力起皱特性。
附图说明
图1为板材起皱形式示意图，其中：(a)压应力起皱，(b)不均匀拉应力起皱，(c)剪应力起皱；
图2为剪应力起皱原理示意图；
图3为板材受不同轴平衡拉力的示意图；
图4为金属薄板剪应力起皱试验用试样的毛坯示意图；
图5为起皱试验用成形试样示意图；
图6为图5的俯视图；
图7为起皱试验装置结构示意图；
图8为图7的左视图；
图9为图7的俯视图；
图10为皱高测量装置示意图；
图11为图10中的A-A视图；
图12为图11的左视图(另增加了皱高测量装置的测量仪和磁性座)；
图中：1压边区，2剪应力起皱区，3拉力区，4设定力导向切口，5压筋凸面。A剪应力起皱面的平面与位于上方的拉力区平面之间的夹角，B起皱；10试样(成形试样)，11凸模，12凹模，12a前凹模块，12b后凹模块，13压边模，13a前压边模块，13b后压边模块，14底座，15T型槽、16螺钉，17凹槽，18定位挡板，19长螺栓，20压筋凹槽(压边槽)，21加载机构压头；31上支架，32下支架，33支板，34上台面，35磁性座，36测量仪，37上丝杆，38上导柱，39上丝母套，40上丝母座，41直线轴承座，42下丝杆，43下导柱，44下丝母套，45下丝母座，46连接杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
一种金属薄板剪应力起皱试验方法，其步骤是：
第一步，制作试样，试样由毛坯试样和成形试样组成；
参见图4，毛坯由在一个平面内的拉力区3、剪应力起皱区2、压边区1组成，拉力区3为一个，压边区1为四个，四个压边区1位于拉力区3四角且呈中心对称分布，四个压边区1与拉力区3之间有四个剪应力起皱区2，拉力区3、剪应力起皱区2、压边区1由矩形或者正方形组成。毛坯呈哑铃状，为轴对称图形。在压边区1一边向剪应力起皱区2延伸处开有设定力导向切口4，设定力可通过拉伸机经相应模具控制；压边区1和拉力区3受力不同轴。
参见图5、图6，成形试样是在毛坯基础上进行制作，在四角突出部位处施于力，使其成压筋状，对称于切口顶端垂直作平行线，并沿线折弯一定角度，对称于哑铃状细部顶端平行线折弯。成形试样的拉力区3位于上方，四个压边区1位于下方，剪应力起皱区2位于拉力区3与压边区1之间且呈斜平面。剪应力起皱面2的平面与位于上方的拉力区3平面之间的夹角A成钝角，较佳的夹角A为104度。压力区1开有压筋凸面5，压筋凸面5中心线与设定力导向切口4相垂直。
第二步，将成形试样放置在试验装置上进行剪应力起皱试验；
参见图7、图8、图9，试验装置包括凸模11、凹模12、压边模13、底座14，底座14开有对称T型槽15和固定螺栓孔16，凹模12通过底座螺栓孔由螺钉16和底座14连接固定。凹模12由前后两块凹模块12a、12b组成，前后凹模块12a、12b的空间组成凹槽17，凹槽17间距根据试样10尺寸通过底座14的调整螺孔进行调整，在前后凹模块12a、12b内侧边中心位置有对称定位挡板18，使试样10处于中心。压边模13通过底座14T型槽15上的长螺栓19使底座14、凹模12和压边模13固定，前后凹模块12a、12b两边上平面的压筋凹槽20构成的压边槽和相应前后两块压边模块13两边下平面压筋镶嵌，以将试样10压住，防止试样10在受压时流入凹槽17；前、后凹模块12a、12b和前、后压边模块13a、13b，其结构完全相同。凹模12上平面中间和压边模13下平面中间为光滑平面，在试样10受压时，试样10中间流入凹槽17；在凹槽12和前后压边槽20中间有一个凸模11，凸模11通过螺栓和加载机构压头21相连固定；通过加载机构对对称试样10施加载荷进行拉伸，使试样10产生变形；由于压筋部分和受压位置不在一个轴上，从而产生剪应力和起皱。
第三步，将试验完的试样10沿中轴线进行剪裁；
第四步，通过测量装置测量试样皱高；
测量装置由测量平台、X、Y推进轴，测量仪和底座组成，测量平台上装有磁性座，对称裁开的试样置于磁性座上，测量平台可在X、Y轴方向分别移动，测量仪为测量千分表，测量千分表固定在测量装置的连接杆头部。
具体的说，参见图10、图11、图12，测量装置包括上支架31、下支架32、支板33、上台面34、磁性座35、测量仪36。上支架31上装有上丝杆37、上导柱38，上丝杆37装在上支架31两端，在上丝杆31中间装有上丝母套39，上丝母套39与上丝杆37相配合，上丝母套39装在上丝母座40内，上丝母座40两端套装在上导柱38内，上丝母座40上装有上台面34，上台面34上装有磁性座35。下支架32上装有下丝杆42、下导柱43，下丝杆42装在下支架32两端，在下丝杆42中间装有下丝母套44，下丝母套44与下丝杆42相配合，下丝母套44装在下丝母座45内，下丝母座45两端被由下导柱43为轴组成的直线轴承座41夹住，直线轴承座41上装有上支架31，下支架32安装在支板33上。测量仪36通过测量装置上的连接杆46置于磁性座35上方。上丝杆37即为X推进轴，下丝杆42为Y推进轴，测量仪36为测量千分表。
试样测量座为磁性台面35，可以保证试样10稳定的放置在台面上，试样10固定在磁性台面35上后，调整表头连接杆46，使千分表36头与试样10接触，锁紧表头连接杆46。通过调整X、Y推进轴37、42上的两个旋转把手，使试样10与测量千分表36产生相对运动，从而快速准确的测出皱高。
第五步，试样对称的四个皱高进行平均；
第六步，记录试样参数和测量结果。
本发明金属薄板剪应力起皱试验方法是根据剪应力起皱原理而设计的。剪应力起皱是试样在受到不同轴平衡拉力后，在某区域里产生剪应力而引起的起皱。本发明的金属薄板试样通过试验装置在压边区产生拉力，从而产生剪应力，并由此剪应力产生起皱，参见图3。本发明的试样受不同轴平衡拉力作用，在图3所示阴影区会产生剪应力，随着拉力的增大，拉力所诱发的剪应力也增大，当剪应力增大到一定程度时，就会产生起皱B，测定金属薄板的皱高，从而得到金属薄板抗剪应力特性。
经选取10种典型的钢种(共5种厚度)进行剪应力起皱试验，板料性能如表1所示。在本发明的试验方法下，凸模行程5mm情况下，10种材料得到的试样皱高平均值，见表2。
表1 实验所用材料及其力学性能
表2 实验材料在凸模行程5mm下的皱高
| 钢种 | 代号 | 厚度(mm) | 平均皱高h(mm) |
| DC56 | 1 | 0.6 | 0.63 |
| DC04 | 2 | 0.8 | 0.280 |
| DC06 | 3 | 0.8 | 0.260 |
| B170P1 | 4 | 0.7 | 0.413 |
| BLD | 5 | 0.8 | 0.330 |
| B140 | 6 | 0.79 | 0.365 |
| H220BD | 7 | 0.7 | 0.445 |
| DC04 | 8 | 0.72 | 0.378 |
| B180H1 | 9 | 0.8 | 0.393 |
| DC04 | 10 | 0.7 | 0.352 |
试验结果表明，在受检验的十种材料中，钢种DC56平均皱高最高，其抗剪应力起皱性能最差，DC06平均皱高最低，其抗剪应力起皱性能最好。同时也表明了，本发明的试验方法及试验装置能诱发剪应力状态，产生剪应力起皱现象，采用对称试样相配套的试验装置的对称模具，不仅可使试样两边载荷均衡，避免因偏载引起的起皱不均匀，而且试样两边各有两个起皱区域，可以同时测试并取平均值，可消除其它因素引起的误差，确保测量精度。
本发明的金属薄板剪应力起皱试验方法可操作性强，配合相应的试验装置，可在现有拉伸试验机上进行金属薄板剪应力起皱试验，试验结果重复性好，适合于研究金属薄板的剪应力起皱特性。
Claims (3)
1.一种金属薄板剪应力起皱试验方法，其特征是：
第一步，制作试样，试样由毛坯试样和成形试样组成；
毛坯成哑铃状，成轴对称图形，中心区域和四角区域不同轴，四角为矩形突出块，其一边延伸，作细长切口；成形试样是在毛坯基础上进行制作，在四角突出部位处施于力，使其成压筋状，对称于切口顶端垂直作平行线，并沿线折弯一定角度，对称于哑铃状细部顶端平行线折弯；
第二步，将成形试样放置在试验装置上进行剪应力起皱试验；
试验装置包括凸模、凹模、压边模、底座，凹模由前后两块凹模块组成，前后凹模块的空间组成凹槽，凹槽间距根据试样尺寸通过底座的调整螺孔进行调整，使试样处于中心；前后凹模块两边上平面的压筋凹槽构成的压边槽和相应前后两块压边模块两边下平面压筋镶嵌，以将试样压住；凹模上平面中间和压边模下平面中间为光滑平面，在试样受压时，试样中间流入凹槽；在凹槽和前后压边槽中间有一个凸模，凸模通过螺栓和加载机构相连固定；通过加载机构对对称试样施加载荷进行拉伸，使试样产生变形；由于压筋部分和受压位置不在一个轴上，从而产生剪应力和起皱；
第三步，将试验完的试样沿中轴线进行剪裁；
第四步，通过测量装置测量试样皱高；
测量装置由测量平台、X、Y推进轴，测量仪和底座组成，对称裁开的试样置于测量平台上，测量平台可在X、Y轴方向分别移动，测量仪固定在测量装置上，通过调整X、Y推进轴上的两个旋转把手，使试样与测量仪产生相对运动，从而快速准确的测出皱高；
第五步，试样对称的四个皱高进行平均；
第六步，记录试样参数和测量结果。
2.一种实施权利要求1的金属薄板剪应力起皱试验方法的试验装置，其特征是：所述试验装置包括凸模、凹模、压边模、底座，底座开有对称T型槽和固定螺栓孔，凹模通过底座螺栓孔由螺钉和底座连接固定；凹模由前后两块凹模块组成，前后凹模块的空间组成凹槽，凹槽间距根据试样尺寸通过底座的调整螺孔进行调整，使试样处于中心；压边模通过底座T型槽上的长螺栓使底座、凹模和压边模固定，前后凹模块两边上平面的压筋凹槽构成的压边槽和相应前后两块压边模块两边下平面压筋镶嵌，以将试样压住；凹模上平面中间和压边模下平面中间为光滑平面；在凹槽和前后两边压边槽中间有一个凸模，凸模通过螺栓和加载机构相连固定，凸模对对称试样施加载荷，使试样产生变形。
3.根据权利要求2所述的金属薄板剪应力起皱试验装置，其特征是：在前后凹模块内侧边中心位置有对称定位挡板，使试样处于中心。
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