CN102749253A - 板材高温成形极限图的测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种板材高温成形极限图的测试系统，包括：双轴拉伸装置、材料热/力模拟试验装置及测量分析装置；所述双轴拉伸装置用于在材料热/力模拟试验装置对试样进行加热后，对试样进行拉伸变形；所述测量分析装置用于获取试样变形的数据，并对获取的试样变形数据进行分析和计算，获得板材的成形极限图。本发明提供的一种板材高温成形极限图的测试方法，通过设计双轴拉伸装置和对应不同应变状态的试样，利用材料热/力模拟试验装置，准确控制试样变形区域的温度和应变速率，且拉伸过程中变形区域无摩擦，操作简单，可准确获得板材在不同温度和应变速率下的成形极限图，为板材温热成形技术的工艺设计和模具设计提供重要依据。

Description

板材高温成形极限图的测试系统及方法

技术领域

本发明涉及金属板材成形技术领域，具体涉及一种板材高温成形极限图的测试系统及方法。

背景技术

随着日益严重的能源危机、环境问题与人们对汽车安全性能要求的不断提高，节能、环保、安全已成为汽车工业发展的主题。高强度钢板的热成形技术是实现车身轻量化和提高车身安全性的先进技术之一，通过车身零件的减薄和高强度的合理匹配，可以有效减轻车身重量，降低油耗，同时提高车身的安全性。高强钢的热冲压成形技术克服传统冷冲压成形技术中成形困难、回弹严重、形状不良等难题，可生产高强度、高精度及复杂形状的汽车零部件。另外，铝、镁合金等轻质合金的温热成型技术越来越广泛的应用于车身和航空航天零部件的制造。

成形极限是指板材在塑性失稳前所能达到的最大变形程度。成形极限图作为判断板材成形极限的重要依据，被广泛应用于冲压工艺和模具设计中。目前板材成形极限图的测试方法主要是由ISO12004-2标准提出的Nakajima和Marciniak测试方法，其基本原理是：利用冲头对板材进行冲压变形，通过改变试样的几何形状尺寸获得不同的应变状态，采用网格法或数字图像相关技术测量试样断裂周围缩颈区域的主、次应变值，从而获得成形极限图。Marciniak测试方法使用平冲头，冲头与试样中间增加垫板；Nakajima测试方法则使用半球形冲头，需要一套复杂的润滑系统。需要特别指出的是：此标准提出的测试方法主要应用于获取板材在常温下的成形极限图。

由于热冲压成形过程中存在复杂的温度场、应力场、组织转变等多因素的耦合作用，现有成形极限图的测试方法很难准确获得板材在高温下的成形极限图，Dahan、Turetta和专利CN201110082554.7等提出获得板材在高温下成形极限图的测试方法均基于Nakajima测试方法，其缺点为：

（1）板料变形区域的温度难以保持稳定。冲压变形时，冲头的不同位置先后与试样接触，造成板材的变形温度下降且不均匀；

（2）高温下冲头和模具难以保持足够的刚性，对冲头及模具材料的热力学性能要求高；

（3）难以准确的控制应变速率；

（4）难以消除热摩擦的影响；

（5）Nakajima测试方法冲压变形的初始阶段为双向应变状态，造成FLC上的最低点右移。

发明内容

本发明的目的是，提供一种可准确控制试样变形区域的温度和应变速率，且变形区域无摩擦，操作简单，可准确获得板材在不同温度及应变速率下的成形极限图的板材高温成形极限图的测试系统及方法。

本发明的一个方面，提供一种板材高温成形极限图的测试系统，包括：双轴拉伸装置、材料热/力模拟试验装置及测量分析装置；

所述双轴拉伸装置用于在材料热/力模拟试验装置对试样进行加热后，对试样进行拉伸变形；

所述测量分析装置用于获取试样变形的数据，并对获取的试样变形数据进行分析和计算，获得板材的成形极限图。

进一步，所述双轴拉伸装置包括：

夹具、两个“井”字形部件、连杆、陶瓷垫片及陶瓷销；

所述两个“井”字形部件通过连杆连接；

所述夹具与所述连杆连接，所述夹具用于固定试样，并在受到一定的载荷或位移时，同步或单轴对试样进行拉伸运动；

所述“井”字形部件通过陶瓷销和陶瓷垫片与所述连杆固定连接。

进一步，所述“井”字形部件中心设有一观察孔；

所述夹具包括两组水平方向夹具及两组竖直方向夹具。

进一步，所述材料热/力模拟试验装置为材料拉伸试验机与加热设备的一体化装置或组合装置。

进一步，所述测量分析装置包括：

图像采集设备及测量分析设备；

所述图像采集设备用于通过所述观察孔获取试样变形的数据；

所述测量分析设备用于通过对比获取的试样变形数据中不同变形时刻试样表面随机分布的斑点阈值，计算变形试样的主次应变；

对不同变形试样应变的计算结果进行多项式拟合，获得成形极限图。

进一步，所述试样包括：

十字形试样或单轴应变状态试样；

所述试样中间区域减薄，通过改变中间减薄区域的宽度a与长度b的比值a/b，获得对应不同应变状态的试样，拉伸变形量的控制是由试样的设计来完成的；

所述对应不同应变状态的试样，其臂上带有不同数量的缝隙，厚度变化的过渡部分由圆角过渡。

进一步，所述十字形试样包括双向应变状态点试样、平面应变状态点试样、介于双向应变和平面应变状态点试样及介于单向应变和平面应变状态点试样；

所述单轴应变状态试样包括单向应变状态点试样。

根据本发明的另一个方面，提供了一种板材高温成形极限图的测试方法，包括：

制备试样，通过改变试样中间减薄区域的长度a和宽度b的比值a/b，获得对应不同应变状态的试样；

在试样中间减薄区域设置图像识别层；

将试样安装于双轴拉伸装置；

将双轴拉伸装置安装于材料热/力模拟试验机，对制备的试样加热后进行拉伸变形；

通过拉伸过程中图样识别层的变化获取试样变形的数据，对获取的试样变形数据进行分析，计算变形试样的主次应变；

对不同变形试样应变的计算结果进行多项式拟合，获得成形极限图。

进一步，所述试样包括十字形试样及单轴应变状态试样；

所述试样中间区域减薄，通过改变中间减薄区域的宽度a与长度b的比值a/b，获得对应不同应变状态的试样，拉伸变形量的控制是由试样的设计来完成的；

所述对应不同应变状态的试样臂上带有不同数量的缝隙，厚度变化的过渡部分由圆角过渡。

进一步，所述十字形试样包括双向应变状态点试样、平面应变状态点试样、介于双向应变和平面应变状态点试样及介于单向应变和平面应变状态点试样；

所述单轴应变状态试样包括单向应变状态点试样。

本发明提供的一种板材高温成形极限图的测试系统及方法，通过设计双轴拉伸装置和对应不同应变状态的试样，可实现不同的应变路径，获得不同的应变状态；利用材料热/力模拟试验装置，可准确控制试样变形区域的温度和应变速率，且拉伸过程中变形区域无摩擦，操作简单，可准确获得板材在不同温度和应变速率下的成形极限图，为板材温热成形技术的工艺设计和模具设计提供重要依据。

附图说明

图1为使用本发明提供的一种板材高温成形极限图的测试系统的结构示意图；

图2为图1所示结构中双轴拉伸装置的结构示意图；

图3为本发明提供的试样在不同应变速率下的典型板材成形极限图；

图4a为本发明提供的双向应变状态点试样的结构示意图；

图4b为本发明提供的平面应变状态点试样的结构示意图；

图4c为本发明提供的单向应变状态点试样的结构示意图；

图4d为本发明提供的介于双向应变和平面应变状态点试样的结构示意图；

图4e为本发明提供的介于单向应变和平面应变状态点试样的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种板材高温成形极限图的测试系统，包括：材料热/力模拟试验装置1、双轴拉伸装置2及测量分析装置3；材料热/力模拟试验装置1与双轴拉伸装置2连接；材料热/力模拟试验装置1用于控制试样变形区域的温度和应变速率；双轴拉伸装置2用于实现试样不同应变状态的拉伸形变；测量分析装置3用于在获取试样变形的整个过程后，通过对比不同变形时刻试样表面随机分布的斑点阈值，从而计算变形试样的主次应变，进而获得板材的成形极限图。

其中，材料热/力模拟试验装置1可以是材料拉伸试验机与加热设备的一体化装置，也可以是组合装置。此例中本发明材料热/力模拟试验1装置采用的是美国DSI公司型号为Gleeble3800的产品，最大拉伸载荷98KN，大于双轴拉伸装置的最大载荷；所述Gleeble3800设备采用全数字闭环控制系统，冲程速度范围为0.01mm/s~2000mm/s，可准确控制加载位移，因此可准确控制试样变形所需的应变速率；所述Gleeble3800设备采用电阻加热，可快速升温，最大加热温度1700℃，最大加热速度10000℃/s，最大冷却速度可达140℃/s，冷却介质有压缩空气和雾化水，因此利用热电偶可精确控制试样变形区域的温度。

如图2所示，双轴拉伸装置2包括两组水平方向夹具6和两组竖直方向夹具7、两个“井”字形部件8、四根连杆9、若干个陶瓷垫片10及陶瓷销11；两个“井”字形部件上、下、左、右四个部位分别通过一根连杆9连接。连接“井”字形部件左、右两个部位上的两根连杆上分别设有一组水平方向夹具6，连接“井”字形部件上、下两个部位上的两根连杆上分别设有一组竖直方向夹具7。连接“井”字形部件左、右两个部位上的两根连杆分别通过一组水平方向夹具6连接，用于固定试样，并在受到一定的载荷或位移时，同步或单轴对试样进行拉伸运动；“井”字形部件8通过陶瓷销11和陶瓷垫片10与连杆9固定连接，陶瓷销11和陶瓷垫片10用于在测试时使电流沿试样水平方向流动。“井”字形部件8中心设有一观察孔，用于测量分析装置3记录试样的变形过程。

测量分析装置3包括图像采集设备4及分析设备5。本发明采用的图像采集设备4为高速摄像机，分析设备5为DIC系统。图像采集设备4用于拍摄试样变形的整个过程。分析设备5用于通过对比不同变形时刻试样表面随机分布的斑点阈值，从而计算变形试样的主次应变，进而获得板材的成形极限图。

拉伸变形过程中变形量的控制是由试样的设计来完成的。所述对应不同应变状态的试样设计，是基于如图3所示，

和

分别代表不同的应变速率，根据图3中不同应变速率下成形极限曲线对应的5种典型的应变状态（双向应变状态点i₁、平面应变状态点i₂、单向应变状态点i₃、介于双向应变和平面应变状态点i₄、介于单向应变和平面应变状态点i₅），设计5种不同应变状态的试样。本例中本发明采用的试样包括十字形试样及单轴应变状态试样。十字形试样包括图4a所示的双向应变状态点试样（a/b=1）、图4b所示的平面应变状态点试样（a/b=1/4）、图4d所示的介于双向应变和平面应变状态点试样（a/b=4/5）及图4e所示的介于单向应变和平面应变状态点试样（a/b=1/2）；单轴应变状态试样包括图4c所示的单向应变状态点试样。试样的中间区域减薄，臂上带有不同数量的缝隙，厚度变化的过渡部分由圆角过渡，通过改变中间减薄区域的宽度a与长度b的比值a/b，获得对应不同应变状态的试样。十字形试样的臂间通过圆弧过渡。

本发明提供的一种板材高温成形极限图的测试方法，包括以下几个步骤：

步骤S1：制备试样；试样包括十字形试样及单轴应变状态试样。对于十字形试样，通过改变中间减薄区域的宽度a与长度b的比值a/b，获得对应不同应变状态的试样。试样的臂上带有不同数量的缝隙，厚度变化的过渡部分由圆角过渡。十字形试样的臂间通过圆弧过渡。

步骤S2：在试样中间减薄区域制作图像识别层。

步骤S3：将试样固定在双轴拉伸装置2上，然后安装于材料热/力模拟试验装置1的工作平台内，连接热电偶至相应端口，设定相应的变形温度和对应的应变速率等工艺参数，拉伸形变的变形量的控制是由试样的设计完成的，本实施例使用的材料热/力模拟试验装置1为Gleeble3800。

步骤S4：对制备的试样加热后进行拉伸形变。

步骤S5：通过测量分析装置3获取试样变形的数据，并对获取的试样变形数据进行分析，计算变形试样的主次应变。其中，测量分析装置3包括图像采集设备4及分析设备5，本发明采用的图像采集设备4为高速摄像机及照明设备，分析设备5采用是DIC系统，利用DIC技术分析变形数据。

步骤S6：根据本实施例提供的5种应变状态试样的计算结果进行多项式拟合，获得板材的成形极限图。

其中，步骤S1制备试样具体包括以下步骤：

步骤S11：利用数控电火花线切割技术，改变试样减薄区域的宽度a和长度b的比值a/b，制备对应不同应变状态的试样，拉伸变形量的控制是由试样的设计来完成的。本发明实施例采用的试样包括：十字形试样及单轴应变状态试样。十字形试样包括图4a所示的双向应变状态点试样（a/b=1）、图4b所示的平面应变状态点试样（a/b=1/4）、图4d所示的介于双向应变和平面应变状态点试样（a/b=4/5）及图4e所示的介于单向应变和平面应变状态点试样（a/b=1/2）；单轴应变状态试样包括图4c所示的单向应变状态点试样。试样基本特征为中间区域减薄，臂上带有不同数量的缝隙，臂间通过圆弧过渡，厚度变化的过渡部分由圆角过渡。

步骤S5通过测量分析装置3获取试样变形的数据，并对获取的试样变形数据进行分析，计算变形试样的主次应变具体包括以下步骤：

步骤S51：通过高速摄像机记录试样拉伸过程中通过图像识别层的图样的变化，获取试样变形的数据；

步骤S52：通过DIC分析技术对比获取的试样变形数据中不同变形时刻试样表面随机分布的斑点阈值，从而计算变形试样的主次应变。

步骤S51首先通过高速摄像机获取试样变形的数据具体包括以下步骤：

步骤S511：将高速摄像机固定在支架上，连接相关线路，设定相机参数，调节照明系统和高速摄像机参数，使图像具有良好的分辨率。

步骤S512：运行程序，打开照明系统，用高速摄像机记录整个变形过程。

步骤S6综合本实施例提供的如图4a-图4e所示的5种应变状态试样的计算结果，获得板材的成形极限图是：

步骤S61：更换不同的试样，重复试验步骤（S2-S5）；

步骤S62：通过DIC技术计算本实施例提供的5种应变状态试样变形的主次应变，进行多项式拟合，获得成形极限图。

本发明提供的一种板材高温成形极限图的测试系统及方法，通过设计双轴拉伸装置和对应不同应变状态的试样，可实现不同的应变路径，获得不同的应变状态；利用材料热/力模拟试验装置，准确控制试样变形区域的温度和应变速率，且拉伸过程中变形区域无摩擦，操作简单，可准确获得板材在不同温度和应变速率下的成形极限图，为板材温热成形技术的工艺设计和模具设计提供重要依据。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种板材高温成形极限图的测试系统，其特征在于，包括：

双轴拉伸装置、材料热/力模拟试验装置及测量分析装置；

所述双轴拉伸装置用于在材料热/力模拟试验装置对试样进行加热后，对试样进行拉伸变形；

所述测量分析装置用于获取试样变形的数据，并对获取的试样变形数据进行分析和计算，获得板材的成形极限图。

2.如权利要求1所述的板材高温成形极限图的测试系统，其特征在于，所述双轴拉伸装置包括：

夹具、两个“井”字形部件、连杆、陶瓷垫片及陶瓷销；

所述两个“井”字形部件通过连杆连接；

所述夹具与所述连杆连接，所述夹具用于固定试样，并在受到一定的载荷或位移时，同步或单轴对试样进行拉伸运动；

所述“井”字形部件通过陶瓷销和陶瓷垫片与所述连杆固定连接。

3.如权利要求2所述的板材高温成形极限图的测试系统，其特征在于：

所述“井”字形部件中心设有一观察孔；

所述夹具包括两组水平方向夹具及两组竖直方向夹具。

4.如权利要求1所述的板材高温成形极限图的测试系统，其特征在于：

所述材料热/力模拟试验装置为材料拉伸试验机与加热设备的一体化装置或组合装置。

5.如权利要求3所述的板材高温成形极限图的测试系统，其特征在于，所述测量分析装置包括：

图像采集设备及测量分析设备；

所述图像采集设备用于通过所述观察孔获取试样变形的数据；

所述测量分析设备用于通过对比获取的试样变形数据中不同变形时刻试样表面随机分布的斑点阈值，计算变形试样的主次应变；

对不同变形试样应变的计算结果进行多项式拟合，获得成形极限图。

6.如权利要求1-5任一项所述的板材高温成形极限图的测试系统，其特征在于，所述试样包括：

十字形试样或单轴应变状态试样；

所述试样中间区域减薄，通过改变中间减薄区域的宽度a与长度b的比值a/b，获得对应不同应变状态的试样，拉伸变形量的控制是由试样的设计来完成的；

所述对应不同应变状态的试样，其臂上带有不同数量的缝隙，厚度变化的过渡部分由圆角过渡。

7.如权利要求6所述的板材高温成形极限图的测试系统，其特征在于：

所述十字形试样包括双向应变状态点试样、平面应变状态点试样、介于双向应变和平面应变状态点试样及介于单向应变和平面应变状态点试样；

所述单轴应变状态试样包括单向应变状态点试样。

8.一种板材高温成形极限图的测试方法，其特征在于，包括：

制备试样，通过改变试样中间减薄区域的长度a和宽度b的比值a/b，获得对应不同应变状态的试样；

在试样中间减薄区域设置图像识别层；

将试样安装于双轴拉伸装置；

将双轴拉伸装置安装于材料热/力模拟试验机，对制备的试样加热后进行拉伸变形；

通过拉伸过程中图样识别层的变化获取试样变形的数据，对获取的试样变形数据进行分析，计算变形试样的主次应变；

对不同变形试样应变的计算结果进行多项式拟合，获得成形极限图。

9.如权利要求8所述的板材高温成形极限图的测试方法，其特征在于：

所述试样包括十字形试样及单轴应变状态试样；

所述试样中间区域减薄，通过改变中间减薄区域的宽度a与长度b的比值a/b，获得对应不同应变状态的试样，拉伸变形量的控制是由试样的设计来完成的；

所述对应不同应变状态的试样臂上带有不同数量的缝隙，厚度变化的过渡部分由圆角过渡。

10.如权利要求9所述的板材高温成形极限图的测试方法，其特征在于：

所述十字形试样包括双向应变状态点试样、平面应变状态点试样、介于双向应变和平面应变状态点试样及介于单向应变和平面应变状态点试样；

所述单轴应变状态试样包括单向应变状态点试样。

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