CN102156080B - 建立超高强硼钢板高温成形极限图的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建立超高强硼钢板高温成形极限图的试验装置，包括上模架和下模架，所述下模架上设有若干根导柱，所述上模架套于导柱上，上模架下表面上设有凸模装置，下模架上设有与所述凸模装置相对应的上下叠放通过连接件固定在一起的压边圈和凹模；所述上模架和下模架上分别设有冷却水道；所述凸模、凹模和压边圈内均设有加热器；所述凸模内端部位置设有温度探针；同时本发明还公开了利用该装置的试验方法。本发明结合超高强钢板高温涨形试验要求，确保通过热成形极限试验获得超高强硼钢板在某特定高温下成形极限图。对汽车用超高强硼钢板成形性能的研究具有重要意义，可推动超高强硼钢在汽车领域的推广应用。

Description

建立超高强硼钢板高温成形极限图的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种成形极限图试验装置及试验方法，尤其是一种建立超高强硼钢板高温成形极限图的试验装置及试验方法。

背景技术

目前随着能源和环境问题的日益突出，以及人们对轿车的安全性、可靠性、舒适性等要求的提高，各大汽车制造商努力从改善汽车的结构设计和寻找新的替代材料两个方面减轻汽车的重量；不断改进和采用新的零件制造工艺，提高产品的质量。作为新材料，先进高强钢和超高强钢的研究和使用，在提高了汽车抗碰撞性的同时，进一步满足了轻量化的需求。但是，超高强钢在室温下变形能力很差，传统的冷冲压方法难以解决超高强钢在汽车车身制造中遇到的问题。近几年，国外学者开发出一种新的(超)高强钢板加热成形工艺-热冲压成形技术。

成形极限是板料成形领域中一个十分重要的性能指标和工艺参数，它反映了加工过程中，板材在塑性失稳前所能取得的最大变形程度。成形极限图作为板成形领域中解决众多难题的很有用的判据，是评价薄板成形性能的重要指标。

目前对板料成形极限的研究目前主要局限于常温冷成形和温成形加工过程，比如一些汽车用铝、镁合金板料的温冲压成形。而对于硼钢板等一系列超高强度钢板的热冲压加工的高温成形极限的研究还鲜有报道。而高温成形极限作为超高强度钢板成形性能的一个重要指标，对于指导热冲压模具的设计以及制定工艺都是十分关键的。并且，由于热冲压加工过程中复杂的温度场和应力场变化，以及模具与板料之间的接触条件，使得板料的高温成形极限将受到很多区别于板料冷冲压成形极限的因素影响。

中国专利ZL 200320128249.8公开了一种成形极限试验用模具，其主要由凹模、压边圈、刚性球形凸模及推动所述凸模的活塞构成，所述凹模的压边筋为分段式的圆弧形。但是其装置没有设置加热及冷却控制系统，无法控制温度，因此无法测试试样在高温状态下的成形极限，仅能获得常温下试样的成形极限。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种能满足高温胀形试验功能，确保通过热成形极限试验获得超高强硼钢板在某特定高温下成形极限图的建立超高强硼钢板高温成形极限图的试验装置及试验方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种建立超高强硼钢板高温成形极限图的试验装置，包括上模架和下模架，所述下模架上设有若干根导柱，所述上模架套于导柱上，上模架下表面上设有凸模装置，下模架上设有与所述凸模装置相对应的上下叠放通过连接件固定在一起的压边圈和凹模；所述上模架和下模架上分别设有冷却水道；所述凸模、凹模和压边圈内均设有加热器；所述凸模内端部位置设有温度探针。

所述上模架上设有使所述导柱穿过的导套。

所述凸模装置包括通过螺栓固定连接于上模架下表面上的凸模固定板，所述凸模固定板下部通过拆卸式凸模固定装置连接有端部呈半球形的凸模。

所述凸模固定装置采用台阶式结构体，其上端与所述凸模固定板固定连接，下端固定于凸模中心内部。

所述连接件为内六角螺钉。

所述凹模上表面上设有若干拉延筋。

所述加热器为柱形加热器。

一种利用建立超高强硼钢板高温成形极限图的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

A.利用柱形加热器将试验装置的凸模、凹模和压边圈预先加热到涨形预定的温度，此温度为热冲压成形过程中的温度，其值在600-800℃之间；

B.将试样固定在试验装置上，试样的网格面背向凸模，在压边圈和凹模之间利用连接件的夹紧力将试样进行固定，采用感应加热线圈将试样加热到900～940℃，保温5～6分钟以获得均匀的奥氏体组织；

C.利用压缩空气(4个高压喷嘴)对试样进行冷却，保证冷却速度大于100℃/s，确保试样在奥氏体状态下成形而没有发生珠光体或贝氏体转变，直到试样温度降到此次试验限定的涨形温度值；

D.通过红外测温仪探测到试样温度达到此次试验限定的温度值后，球形凸模开始在恒温状态下拉深成形，拉深速度10～20mm/s；

E.由于试验装置中设置了加热装置，成形极限试验装置可以不用铺设绝热石棉纸。通过红外测温仪监测试样的温度变化，温度测试保持在试验限定的温度上下浮动10℃范围之内，比如设定试验温度为600℃，则温度的最大值和最小值在590～610℃之间浮动是可以接受的；凸模的温度变化应该在限定温度上下浮动5℃，即595～605℃之间是可以接受的；

F.试样中部通过凸模作用力产生涨形变形，其表面上的圆形网格发生畸变，当试样产生颈缩或者开裂时，停止试验；

G.采用摄像设备对临界区域拍摄，获得至少两个二维影像图，然后采用应变测量系统将二维影像图处理成三维立体图像；其中颈缩区或者紧靠开裂区的未破裂的圆形网格为临界网格圆；具有临近网格圆的区域为临界区域；测量三维立体图像中临界网格圆的长轴直径和短轴直径，然后根据下式计算工程主应变和工程次应变；

e₁＝(d₁-d₀)/d₀×100(％)

e₂＝(d₂-d₀)/d₀×100(％)

式中e₁为工程主应变，e₂为工程次应变，d₁为临界圆形网格长轴直径，d₂为临界圆形网格短轴直径，d₀为圆形网格初始直径；

H.试验数据处理

选择靠近开裂区或颈缩区的网格点作为临界点，通过应变分析软尺测量该区域网格变形，并根据试验数据点进行多项式拟合，最终得到超高强硼钢钢板在高温下的成形极限图。

超高强度钢板的高温胀形模具，在模具结构和功能要求上与传统的冷冲压模具有很大的区别：

(1)料定位要求快速准确。由于高温板料在空气中的暴露时间不宜过长，否则坯料温度下降过多，因此坯料必须能够在模具中迅速定位。

(2)模具材料须具有良好的热力学性能。高温坯料的热量部分将通过模具散失，势必造成模具温度升高，尤其表面温度上升剧烈。在如此恶劣的工作条件下，模具还须具有足够高的硬度能抵御与坯料发生热摩擦。

(3)模具须具有一定隔热能力，减少模具对板料的温降。以实现在不同高温段下，进行胀形试验。

据此，本发明采用半球形凸模涨形法试验模具，凸模、压边圈、凹模六个位置采用柱形加热器，其加热温度可以根据所需自动调整。在凸模顶端(内侧)安装了热探针，准确监测变形区的温度变化。上下模架设计了冷却水道，保证在高温涨形试验过程中模具具有足够的刚度，从而保障试验精度。

本发明中模具的运动过程是：首先利用安装在凹模上的定位销使试样定位，紧固螺栓，使压边圈产生足够大的压力，通过拉延筋将试样压死，然后凸模下行对试样胀形。通过一定的试冲，调整安装在下模架的限位柱控制凸模行程，拉深完毕后凸模上行。

本发明结合超高强钢板高温涨形试验要求，参照GB/T 15825.8-2008《金属薄板成形性能与试验方法，第8部分：成形极限图(FLD)测定指南》，设计出能满足高温胀形试验功能的热胀形模具，并详细列出了具体的测试步骤，确保通过热成形极限试验获得超高强硼钢板在某特定高温下成形极限图。本发明设计的模架带有冷却系统，可以确保模架在高温模具下保持足够的刚性，保证试验结果的可靠性；本发明设计的感应加热线圈可以根据试样形状的不同而采用特定的加热线圈形状，实现试样的快速、均匀加热，避免了从感应加热炉到试验模具转移过程中热量的损失；本发明采用高压喷嘴，利用压缩空气对试样进行快速冷却，避免了试样发生奥氏体向珠光体或者贝氏体的转变；本发明在凹模、凸模和压边圈设置了加热装置，通过温控系统控制加热温度，同时试样变形前采用红外测温仪监测试样的温度变化，确保了试样在预定温度下涨形。本发明对汽车用超高强硼钢板成形性能的研究具有重要意义，可推动超高强硼钢在汽车领域的推广应用。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明凸模结构示意图；

图3是图2中A-A向剖面图；

图4是压边圈结构示意图；

图5是图4中B-B向剖面图；

其中1-上模架，2-凸模固定板，3-凸模加热器，4-凸模，5-压边圈，6-凹模，7-凹模加热器，8-下模架冷却水道，9-下模架，10-拉延筋，11-试样，12-压边圈加热器，13-内六角螺钉，14-导柱，15-导套，16-上模架冷却水道，17-温度探针，18-凸模固定装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-5所示，一种建立超高强硼钢板高温成形极限图的试验装置，包括上模架1和下模架9，所述下模架9上设有若干根导柱14，所述上模架1套于导柱14上，上模架1下表面上设有凸模装置，下模架9上设有与所述凸模装置相对应的上下叠放通过连接件固定在一起的压边圈5和凹模6；所述上模架1和下模架9上分别设有上模架冷却水道16和下模架冷却水道8；所述凸模4、凹模6和压边圈5内分别设有凸模加热器3、凹模加热器7和压边圈加热器12；所述凸模4内端部位置设有温度探针17。

所述上模架1上设有使所述导柱14穿过的导套15。

所述凸模装置包括通过螺栓固定连接于上模架1下表面上的凸模固定板2，所述凸模固定板2下部通过拆卸式凸模固定装置18连接有端部呈半球形的凸模4。

所述凸模固定装置18为台阶式结构体，其上端与所述凸模固定板2固定连接，下端固定于凸模4中心内部。

所述连接件为内六角螺钉13。

所述凹模6上表面上设有若干拉延筋10。

所述各加热器均为柱形加热棒。

本发明中的凹模6的设计与压边圈5结构类似。

应用时，本发明中的温度探针17、各加热器、冷却水的运行以及凸模4的动作均通过控制系统实现，控制系统为现有的技术，在此不再赘述。

超高强度钢板的高温胀形模具，在模具结构和功能要求上与传统的冷冲压模具有很大的区别：

(1)料定位要求快速准确。由于高温板料在空气中的暴露时间不宜过长，否则坯料温度下降过多，因此坯料必须能够在模具中迅速定位。

(2)模具材料须具有良好的热力学性能。高温坯料的热量部分将通过模具散失，势必造成模具温度升高，尤其表面温度上升剧烈。在如此恶劣的工作条件下，模具还须具有足够高的硬度能抵御与坯料发生热摩擦。

(3)模具须具有一定隔热能力，减少模具对板料的温降。以实现在不同高温段下，进行胀形试验。

据此，本发明采用半球形凸模涨形法试验模具，凸模4、压边圈5、凹模6六个位置采用柱形加热器，其加热温度可以根据所需自动调整。在凸模4顶端(内侧)安装了温度探针1，准确监测变形区的温度变化。上、下模架1、9设计了冷却水道，保证在高温涨形试验过程中模具具有足够的刚度，从而保障试验精度。

本发明中模具的运动过程是：首先利用安装在凹模面上的定位销使试样11定位，紧固螺栓，使得压边圈5产生足够大的压力，通过拉延筋10将试样压死，然后凸模4下行对试样胀形。通过一定的试冲，调整安装在下模架的限位柱控制凸模4行程，然后凸模4上行。成形极限的测试步骤：

(1)成形极限图测试原理

应变状态需要实现从双向拉伸到平面应变再到单向拉伸的转变。改变试样11与凸模4接触面问的润滑条件主要用来测定成形极限图的右半部分(双拉应变区，即ε₁＞0，ε₂＞0)，如果在试样与凸模之间加衬合适的橡胶(或橡皮)薄垫，可以比较方便地获得接近于等双拉应变状态(ε₁＝ε₂)下的表面极限应变量，采用不同宽度的试样主要用来测定成形极限图的左半部分(拉压应变区，即ε₁＞0，ε₂＜0)，如果试样11宽度选择适合，可以获得接近于单向拉伸应变状态(ε₁＝-2ε₂)和平面应变状态(ε₂＝0)下的表面极限应变量，同样，试样11的宽度规格越多，试验确定的成形极限图越可靠。

(2)试样制作

按照GB/T 15825.8-2008，试样11为矩形，试样11长度为180mm，宽度分别取180、160、140、120、100、80、60、40、20mm共9种。随着宽度从180mm减小到20mm，同时改变试样11与凸模4接触面间的润滑条件，从而获得不同应变路径下的极限主应变量。采用坐标网格应变分析方法并结合本试验条件的要求，用有机溶剂将试样表面清理干净，采用电腐蚀法在试样单面印制Φ2.5mm的圆网格，网格为等直径相切圆，要求网格完整清晰。光化学蚀刻方法印制在钢板上网格即使经过高温热处理过程，冷却至室温后仍然清晰可见。

(3)试验流程

为使试验结果更准确地反映超高强度钢板在热冲压成形过程中的成形性能变化，更科学地指导后续研究，故依照实际热冲压成形工艺过程来设计本试验，包括以下步骤：

A.利用柱形加热棒将试验装置的凸模4、凹模6和压边圈5预先加热到涨形预定的温度，此温度为热冲压成形过程中的温度，其值在600-800℃之间；

B.将试样11固定在试验装置上，试样11的网格面背向凸模，在压边圈5和凹模6之间利用连接件的夹紧力将试样进行固定，采用感应加热线圈将试样加热到900～940℃，保温5～6分钟以获得均匀的奥氏体组织；

C.利用压缩空气(4个高压喷嘴)对试样11进行冷却，保证冷却速度大于100℃/s，确保试样在奥氏体状态下成形而没有发生珠光体或者贝氏体转变，直到试样11温度降到此次试验限定的涨形温度值(试验时，试验限定的涨形温度值分别为800℃，780℃，760℃，740℃，720℃，700℃，680℃，660℃，640℃，620℃，600℃)；

D.通过红外测温仪探测到试样11温度达到此次试验限定的温度值后，球形凸模4开始在恒温状态下拉深成形，拉深速度10～20mm/s；

E.由于试验装置中设置了加热装置，成形极限试验装置不用铺设绝热石棉纸，通过红外测温仪监测试样11的温度变化，温度测试保持在试验预定的温度上下浮动10℃范围之内，比如设定试验温度为600℃，则温度的最大值和最小值在590～610℃之间浮动是可以接受的；温度探针17测得的凸模4的温度变化应该在设定温度上下浮动5℃，即595～605℃之间是可以接受的；

F.试样中部通过凸模4作用力产生涨形变形，其表面上的圆形网格发生畸变，当试样11产生颈缩或者开裂时，停止试验；

G.采用摄像设备对临界区域拍摄，获得至少两个二维影像图，然后采用应变测量系统将二维影像图处理成三维立体图像；其中颈缩区或者紧靠开裂区的未破裂的圆形网格为临界网格圆；具有临近网格圆的区域为临界区域；测量三维立体图像中临界网格圆的长轴直径和短轴直径，然后根据下式计算工程主应变和工程次应变；

e₁＝(d₁-d₀)/d₀×100(％)

e₂＝(d₂-d₀)/d₀×100(％)

式中e₁为工程主应变，e₂为工程次应变，d₁为临界圆形网格长轴直径，d₂为临界圆形网格短轴直径，d₀为圆形网格初始直径；

H.试验数据处理

尽管有温度探测及加热装置，试样11在冲压过程中还是会有温度波动，但温度变化在±5℃之间，基本保证了恒温的要求。

选择靠近开裂区或颈缩区的网格点作为临界点，通过应变分析软尺测量该区域网格变形，并根据试验数据点进行多项式拟合，最终得到超高强硼钢钢板在高温下的成形极限图。其中，多项式拟合属于公知技术，在此不再赘述。

Claims (1)

1.一种利用建立超高强硼钢板高温成形极限图的试验装置的试验方法，所述试验装置包括上模架和下模架，所述下模架上设有若干根导柱，所述上模架套于导柱上，上模架下表面上设有凸模装置，所述凸模装置包括通过螺栓固定连接于上模架下表面上的凸模固定板，所述凸模固定板下部通过拆卸式凸模固定装置连接有端部呈半球形的凸模；下模架上设有与所述凸模装置相对应的上下叠放通过连接件固定在一起的压边圈和凹模；所述上模架和下模架上分别设有冷却水道；所述凸模、凹模和压边圈内均设有柱形加热器；所述凸模内端部位置设有温度探针，其特征是，试验方法包括以下步骤：

A.利用柱形加热器将所述试验装置的凸模、凹模和压边圈预先加热到涨形预定的温度，此温度为热冲压成形过程中的温度，其值在600-800℃之间；

B.将试样固定在所述试验装置上，试样的网格面背向凸模，在压边圈和凹模之间利用连接件的夹紧力将试样进行固定，采用感应加热线圈将试样加热到900～940℃，保温5～6min以获得均匀的奥氏体组织；

C.利用若干个高压喷嘴中的压缩空气对试样进行冷却，保证冷却速度大于100℃/s，确保试样在奥氏体状态下成形而没有发生贝氏体或珠光体转变，直到试样温度降到此次试验预定的涨形温度值；

D.通过红外测温仪探测到试样温度达到此次试验预定的涨形温度值后，凸模开始在恒温状态下拉深成形，拉深速度10～20mm/s；

E.由于所述试验装置中设置了加热器，不用铺设绝热石棉纸，试样变形前通过红外测温仪监测试样的温度变化，温度测试保持在试验设定的温度上下浮动10℃范围之内，凸模的温度变化在限定温度上下浮动5℃；

F.试样中部通过刚性的凸模作用力产生涨形变形，其表面上的圆形网格发生畸变，当试样产生颈缩或者开裂时，停止试验；

G.采用摄像设备对临界区域拍摄，获得至少两个二维影像图，然后采用应变测量系统将二维影像图处理成三维立体图像；其中颈缩区或者紧靠开裂区的未破裂的圆形网格为临界网格圆；具有临界网格圆的区域为临界区域；测量三维立体图像中临界网格圆的长轴直径和短轴直径，然后根据下式计算工程主应变和工程次应变；

e₁＝(d₁-d₀)/d₀×100(%)

e₂＝(d₂-d₀)/d₀×100(%)

式中e₁为工程主应变，e₂为工程次应变，d₁为临界网格圆长轴直径，d₂为临界网格圆短轴直径，d₀为圆形网格初始直径；

H.试验数据处理

选择靠近开裂区或颈缩区的网格点作为临界点，通过应变分析软尺测量该区域网格变形，并根据试验数据点进行多项式拟合，最终得到超高强硼钢钢板在高温下的成形极限图。

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