CN101788432A - 一种便捷通用多参数金属板料拉深性能楔形试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便捷通用多参数金属板料拉深性能楔形试验方法，所述的方法中采用楔形试样代替圆形坯料，然后将楔形试样在滑块速度可变的拉深模具内进行拉深试验性能测定，在拉深过程中对应滑块行程设置有5段压边力变化监控，采用板料冲压变形CAE分析软件模拟初定试验工艺参数；本发明的有益效果：把高精度压力传感器技术、闭环液电组合控制技术、先进的伺服冲床和计算机技术结合，应用到金属板料成型工艺性能的检测分析中，用楔形拉深试样代替圆筒形拉深试样，改变了圆筒形件拉深切向受力模式单一、不可变的局限，通过在切向施加多样化的边界条件，可以模仿汽车覆盖件等冲压产品中某个局部的实际受力和变形。

Description

一种便捷通用多参数金属板料拉深性能楔形试验方法

技术领域

本发明涉及新材料开发及相关冲压成形工艺性能测定和相关模具设计和制造技术领域，具体地说是一种便捷通用多参数金属板料拉深性能楔形试验方法。

背景技术

材料成形技术的创新是汽车、飞机、船舶等载运工具轻量化和降低能源消耗的关键所在。这主要表现在两个方面：一是新型高强度和低密度轻质材料的开发以及轻质零件的制备，用其取代传统钢铁零部件，可以大大减轻载运器自重，如高强度钢、铝、镁、钛合金等金属材料以及高分子材料和复合材料等；二是采用新的成形工艺实现零部件结构的简化和轻型化，以节约原材料、提高性能，如剪裁毛坯、不等厚拼接成形、液压成形、零件轧制、发泡铝成形、激光焊接等。但是，材料成形技术研究中的一个难点问题是对金属材料成形加工工艺性能的可靠测定和准确评判。面对载运工具零件形状日益多样化，冲压工艺日益复杂化的需求，没有科学、简便、可靠、实用的测定方法，会影响载运工具发展的步伐。

现有的金属冲压拉深成形工艺性能测定方法包括：胀形试验法(杯突试验)、扩孔试验法、冲杯拉深性能试验法(SWIFT拉深试验)、拉深潜力试验法(TZP)和锥杯试验法(福井锥杯试验)等。这些试验方法的共同点都是采用旋转体试样进行试验，测定的都是规则条件下均匀的成形性能。针对现代载运工具多样化流线形产品越来越复杂的变形受力状态，这些方法都显示出一定的局限性。比如对某个覆盖件产品胀形和拉深复合界面上的变形性能的预测，由于没有可变边界条件的模拟和测定方式，不能得到可靠的结果。另一方面，实验室条件下类似于覆盖件冲压所需大吨位冲床的缺乏，大型实验的模具制作和试样制作成本等限制了冲压拉深性能测定的实用性、经济性和科学性。第三，现有的测定方法在工艺参数的监控和分析精度方面还相当有限。第四，现有的测定方法都在液压机上进行，变形的速度很小(如GB/T 15825.3-2008中试验速度小于1.2mm/s)，而实际板料冲压大多是在机械压力机上进行，变形的速度相对较高。没有考虑变形速度对成形性能的影响，所得结果与材料的实际成形性能将会有较大差距。

已有拉楔拉伸实验法(图1)是用拉伸的方法，把扇形坯料拉过楔形夹具，只考虑扇形变形区的变形，过滤了很多影响拉深效果的因素，测试精度有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种便捷通用多参数金属板料拉深性能楔形试验方法，试样为非旋转体、变形区受力边界条件可变、试样尺寸只有旋转体1/6、冲压所需吨位相对只有1/5、工艺参数监控分析采用现代液电技术和信息技术，在滑块速度连续可调的伺服冲床上进行测定的。

为实现上述目的，本发明提出一种便捷通用多参数金属板料拉深性能楔形试验方法，其方法步骤包括：(1)、初步选择试验工艺参数；(2)、通过楔形试验确定板料的力学性能参数；(3)、将试验数据充实到CAE数据库，其特征为：所述的方法中采用楔形试样代替圆形坯料，然后将楔形试样在滑块速度可变的拉深模具内进行拉深试验性能测定，在拉深过程中对应滑块行程设置有5段压边力变化监控，采用板料冲压变形CAE分析软件模拟初定试验工艺参数。

所述楔形试样由可控宽度剪板机定位装置完成。

所述通过楔形试验确定板料的力学性能参数方法步骤中：首先，剪料，其次，通过中心定位宽度可调的楔形试样落料冲孔模落料并获得楔形试样，然后，通过楔形拉深试验模对楔形试样进行拉深试验，拉深试验过程中的试验数据通过监测系统获得，所述监测系统包括：拉深行程监测、反顶力-行程、拉深力-行程、压边力-行程、模具状态监测、滑块速度监测、切向压力监测、液压系统内压力闭环控制。

一种通用金属板料拉深性能楔形试验模具，包括凸模、压边圈、拉深凹模、反顶座、反顶油缸、凸模镶块、凹模圆角镶块、楔形镶块、压边镶块、上模板、拉深工艺参数测定系统和伺服压机的数据分析系统，其特征为：所述拉深工艺参数测定系统采用5段压边力变化监控，所述压边力采用闭环液压和PLC监控，并带有压电式压力传感器和信号变送器，在压边缸和压边圈之间装有压力传感器，在反顶适配器上装有反顶压力传感器。

所述拉深工艺参数测定系统包括：拉深行程监测、反顶力-行程、拉深力-行程、压边力-行程、模具状态监测、滑块速度监测、切向压力监测、液压系统内压力闭环控制。

本发明用拉深模具(图2)代替楔形夹具，取旋转体的1/6，两边有对称扇形的坯料(图3)放在设置了楔形滑块的凹槽中，用楔形的压边块压住扇形部分，楔形滑块上设定一定的切向压力，两边对称用拉深凸模进行拉深，获得直壁平行的拉深件(图4)。可以直接反映凹模圆角、筒壁部两次弯曲、鞍形变形、筒壁危险区等变形特点(图5)。还增加了切向应力等边界条件可变的功能。可以有选择地进行复合变形的复杂边界条件下，不同板料的拉深工艺性能测定。其非旋转体的试样形状，为复杂非旋转体曲面的成形工艺性能测定提供了具有更高符合度和适应性的试验方法。

本发明中，楔形试样的坯料宽度由剪板机定位装置保证，宽度可以灵活调整。利用通用楔形试样落料模落料，利用楔形拉深试验模进行拉深性能测定。拉深实验用的金属材料强度在20～1200MPa范围内可变，变形速度在0～700mm/s范围内可调，压边力采用闭环液压和PLC监控，并带有压电式压力传感器和信号变送器。拉深工艺参数测定系统和伺服压机的数据分析系统一起可以对金属材料的拉深性能进行精确地评价。

本发明中，板料厚度在0.40～2.50mm范围内可变，对应实验拉深系数在0.94～0.49范围内可变(对应板料宽度在96～182mm范围内可变)，对应拉深楔形角度可以通过更换交叉布置的不同楔形挡块，在16～34°范围内可变。拉深压边力在0～100KN范围内可变，拉深的凹模圆角半径在3～25mm范围内可变，拉深凸模圆角半径在0.5～45mm范围内可变，拉深模具间隙在板料厚度与40mm之间的范围内可变(大间隙在曲面旋转体拉深时有效)，拉深反顶力在0～50KN范围内可变，拉深反顶力可以在滑块0～700mm/s的速度下，迅速卸压并维持设定的压力不变。

具体试验过程分为三个步骤：

第一步，初步选择试验工艺参数。首先，对所试板料进行工艺性数据采集和分析，如板料材质、厚度和质量等，在材料和工艺数据库中选择相近的可分析数据，然后，对试验模具和试样进行三维实体造型，提炼力学模型，在网格划分和边界参数设置之后，进行CAE工艺模拟获得初始试验数据，初步选择试验工艺方案。

第二步，通过楔形试验确定板料的力学性能参数。首先，通过可控宽度剪板机剪料(图6)，其次，通过中心定位宽度可调的楔形试样落料冲孔模(图7)落料并获得楔形试样，然后，通过楔形拉深试验模对楔形试样进行拉深试验，拉深试验过程中的试验数据通过监测系统获得(含：拉深行程监测、反顶力-行程、拉深力-行程、压边力-行程(图8)、模具状态监测、滑块速度监测、切向压力监测、液压系统内压力闭环控制)。

第三步，将试验数据充实到CAE数据库。对所获板料性能参数分析，出具试验分析报告，所获数据经甄选后充实到CAE数据库。

本发明的有益效果：把高精度压力传感器技术、闭环液电组合控制技术、先进的伺服冲床和计算机技术结合，应用到金属板料成型工艺性能的检测分析中。用楔形拉深试样代替圆筒形拉深试样，改变了圆筒形件拉深切向受力模式单一、不可变的局限，通过在切向施加多样化的边界条件，可以模仿汽车覆盖件等冲压产品中某个局部的实际受力和变形。应力和应变试验参数和实际环境更为接近，更有参考意义和实用性；只有圆筒形1/6的楔形试样拉深，使得实验室条件下较小吨位的压力机可以进行对应较大尺寸的拉深试验；在板料厚度、材质、压边力、反顶力、拉深变形速度、拉深系数、凹模圆角、凸模圆角和凹凸模间隙等方面多参数可控和通用。对现代交通载运工具轻量化过程中新材料开发及其性能的测定提供了一种新的有效方法和装置。

附图说明

图1是原有拉伸楔形试验方法示意图；

图2是本发明的楔形拉深试验示意图；

图3是本发明的楔形坯料示意图；

图4是完成楔形拉深试验后的试样示意图；

图5是楔形拉深试验的中间过程示意图；

图6是可控宽度剪板机剪料示意图；

图7是中心定位宽度可调的楔形试样落料冲孔示意图；

图8是压边力-行程设定和实测曲线示意图；

图9是便捷通用多参数的金属板料拉深性能楔形试验系统框图；

图10是楔形拉深试验模具结构示意图；

图中，01模柄、02销钉、03凸模、04压边圈+压力传感器、05拉深试样、06拉深凹模、07反顶板、08反顶适配器、09反顶座、10反顶油缸、11反顶力传感器、12坯料导正钉、13凸模镶块螺钉、14凸模镶块、15凹模圆角镶块、16楔形镶块、17压边镶块、18导柱、19凸模固定板、20凸模垫板、21凸模固定螺钉、22上模板。

具体实施方式

具体试验方法过程为：对所试板料进行工艺性数据采集和分析——在材料和工艺数据库中选择相近似的可分析数据——对试验模具和试样进行三维实体造型——对力学模型进行提炼——进行网格划分——进行边界参数的设置——进行CAE工艺模拟获得初试数据——初选试验工艺方案——剪板机剪料(图6)——中心定位宽度可调的楔形试样落料冲孔模(图7)——楔形拉深试验模——试验过程监控(含：拉深行程监控、反顶力-行程、拉深力-行程、压边力-行程(图8)、模具状态监控、滑块速度监控、切向压力监控、液压系统内压力闭环控制)——对所获工艺数据反馈到对比判定环节，和CAE模拟的数据进行对比和判定——分析试验数据，出具试验分析报告——所获数据经甄选后充实到CAE数据库。完成本发明试验方法体系如图9所示。

拉深试验模具结构如图10所示。其工作原理为：设置五段压边力—行程参数；调整反顶缸压力在所需的范围内和其他需要调整监控的工艺参数；根据坯料的厚度和所需凸模圆角安装所需要的凸模镶块14，以满足拉深所需凹凸模间隙的值和凸模圆角半径值；安装所需半径的凹模圆角镶块15；调整压力机的闭合高度使得拉深凸模的下止点位置可以完成全部拉深行程；楔形坯料按楔形角置放于凹模上对应的楔形镶块16的楔形槽内，坯料上的孔套在导正钉12上；启动压边圈下行压住拉深试样5；压机滑块下行，当凸模镶块14接触到拉深试样5表面后开始拉深行程，这时安装在压边缸和压边圈4之间的压力传感器显示出压边力值，在设定的范围内有五段压力变化；同时凸模镶块14和反顶板7压紧拉深试样5防止由于两边不对称引起的坯料侧向滑移；这时凸模迫使反顶油缸10的活塞下行，反顶缸下腔压力增加，由于反顶缸下腔回路设定了溢流压力，油缸下腔压力被卸压并维持在恒压，直至行程结束，反顶压力传感器11测得反顶压力至监控器；反顶缸、压边缸向上复位；拉深过程开始后筒壁危险区可能会因压边力过大、拉深系数过小、楔形角度过大、切向压力过大、凸模圆角过小、凹模圆角过小、滑块速度过快或过慢、压边力过小引起扇形区起皱等因素造成破裂。这时可以维持其它因素不变，通过调整某一个参数重复实验，直到获得无失效的拉深结果。记录所有参数，绘制所有因素对拉深性能的影响规律曲线，并对此材料的冲压工艺性能进行一个准确地评价。更换材质、材料厚度等，再次重复前述过程，可以对不同材料和厚度的板料进行工艺性分析和对比。

Claims (7)

1.一种便捷通用多参数金属板料拉深性能楔形试验方法，其方法步骤包括：(1)、初步选择试验工艺参数；(2)、通过楔形试验确定板料的力学性能参数；(3)、将试验数据充实到CAE数据库，其特征为：所述的方法中采用楔形试样代替圆形坯料，然后将楔形试样在滑块速度可变的拉深模具内进行拉深试验性能测定，在拉深过程中对应滑块行程设置有5段压边力变化监控，采用板料冲压变形CAE分析软件模拟初定试验工艺参数。

2.按权利要求1所述便捷通用多参数金属板料拉深性能楔形试验方法，其特征为：所述楔形试样由可控宽度剪板机定位装置完成。

3.按权利要求1所述便捷通用多参数金属板料拉深性能楔形试验方法，其特征为：所述通过楔形试验确定板料的力学性能参数方法步骤中：首先，剪料，其次，通过中心定位宽度可调的楔形试样落料冲孔模落料并获得楔形试样，然后，通过楔形拉深试验模对楔形试样进行拉深试验，拉深试验过程中的试验数据通过监测系统获得，所述监测系统包括：拉深行程监测、反顶力-行程、拉深力-行程、压边力-行程、模具状态监测、滑块速度监测、切向压力监测、液压系统内压力闭环控制。

4.按权利要求1所述便捷通用多参数金属板料拉深性能楔形试验方法，其特征为：所述拉深实验用的金属材料强度在20～1200MPa，变形速度在0～700mm/s。

5.一种按权利要求1所述方法设计的通用金属板料拉深性能楔形试验模具，包括凸模、压边圈、拉深凹模、反顶座、反顶适配器、反顶油缸、凸模镶块、凹模圆角镶块、楔形镶块、压边镶块、上模板、拉深工艺参数测定系统和伺服压机的数据分析系统，其特征为：所述拉深工艺参数测定系统采用5段压边力变化监控，所述压边力采用闭环液压和PLC监控，并带有压电式压力传感器和信号变送器，在压边缸和压边圈之间装有压力传感器，在反顶适配器上装有反顶压力传感器。

6.按权利要求5所述的通用金属板料拉深性能楔形试验模具，其特征为：所述拉深工艺参数测定系统包括：拉深行程监测、反顶力-行程、拉深力-行程、压边力-行程、模具状态监测、滑块速度监测、切向压力监测、液压系统内压力闭环控制。

7.按权利要求5所述的通用金属板料拉深性能楔形试验模具，其特征为：所述板料厚度为0.40～2.50mm，对应实验拉深系数为0.94～0.49，对应拉深楔形角度通过更换交叉布置的不同楔形挡块为16～34°，拉深压边力为0～100KN，拉深的凹模圆角半径为3～25mm，拉深凸模圆角半径为0.5～45mm，拉深模具间隙为0～40mm，拉深反顶力为0～50KN，拉深反顶力在滑块0～700mm/s的速度下，迅速卸压并维持设定的压力不变。

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