CN103143611B - 板材液压成形中摩擦影响的测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
板材液压成形中摩擦影响的测试装置及方法，它涉及一种板材液压成形的测试装置及方法，以解决传统板材液压成形中，无法进行摩擦对板材壁厚分布影响的定量分析的问题。装置：凸模位于凹模上面，管路一端与液压控制系统连接、另一端与凹模介质槽相通。方法：一、制作板材试样；二、凹模处于水平；三、充入液压油；四、对板材试样左端进行标记；五、涂抹润滑物质；六、凸模与板材试样接触；七、对凹模介质槽内液压油进行适时调控；八、对压力与拉伸载荷数值变化进行适时记录；九、持续施加恒定载荷至板材试样断裂；十、对断裂后的板材试样进行壁厚减薄、断裂后伸长尺寸测量。本发明用于板材液压成形过程中摩擦、内压对壁厚分布及成形性能影响的测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种板材液压成形的测试装置及方法，具体涉及一种板材液压成形中摩擦影响的测试装置及方法。
背景技术
随着航空航天及汽车制造业的飞速发展，大量冷成形性能差的轻质材料及结构复杂的薄壁零件得到了广泛应用，这就为液压成形技术的推广提供了前所未有的契机。液压成形获得零件的表面质量好、尺寸精度高，尤其适于形状复杂、质量要求高、小批量零件的生产，使复杂形状构件的生产简单化、柔性化，实现零件的快速制造、模具成本也大幅度降低。生产出的零件整体性能好、回弹小，进而成为加工低塑性难成形材料构件的首选途径之一，特别是在汽车制造领域占有举足轻重的地位。
按材料差异可分为板材液压成形、管材液压成形两大类。其中，板材液压成形主要是靠液室压力所建立起来的板材与凸模(或凹模)间的有益摩擦和法兰区与凹模(或凸模)之间的流体润滑，来减小凸模(或凹模)圆角处坯料所受的径向拉应力从而提高其成形极限的。但板材液压成形中液室压力是随着成形过程而逐渐发生变化的，板材与模具之间摩擦情况的变化也较为复杂，极易引起尺寸精度、壁厚分布及受力状态发生改变。
管材液压成形是指通过内部加压和轴向补料把管坯压入到模具型腔使其成形的工艺方法。进入十九世纪九十年代，随着超高压技术与液压伺服技术的发展，管材液压成形(内高压成形)开始在美国和欧洲应用于生产汽车轻体结构件。变径管成形时在内压与轴向载荷合理匹配的情况下，理论上可以得到壁厚无减薄、膨胀量无限大的成形件，但由于摩擦条件的限制，管材内高压成形所获得工件送料区壁厚增厚、膨胀区壁厚减薄是在所难免的；同时，如矩形、梯形或多边形等截面的外凸部位成形时仅靠增大内压胀形获得外凸圆角则易引起圆角与直边过渡部位壁厚的减薄，使管件产生壁厚分布不均、尺寸超差等。
液压成形中传力介质虽可消除传统冲压成形过程中凸模(或凹模)对坯料产生的径向摩擦，使成形零件一侧的表面精度得到提高，然而坯料另一侧在流体高压作用下与凹模(或凸模)进行贴合成形，在成形过程中随着坯料的径向流动所产生的反向摩擦力对坯料在厚度方向上的减薄及分布有着显著影响，掌握其变化规律并加以控制十分重要。
传统板(管)材液压成形过程是在密闭模腔内进行，摩擦、内压等对板(管)材壁厚分布耦合交互影响作用关系复杂，存在难以直接测试和实时评价的问题。
发明内容
本发明的目的是为解决传统板(管)材液压成形中工艺因素影响多且存在着几何非线性以及无法进行液压成形情况下摩擦条件对板材壁厚分布影响的定量分析的问题，而提供一种板材液压成形中摩擦影响的测试装置及方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
装置：所述装置包括凸模、凹模、液压控制系统、管路和两个密封条，凹模的上端面由内向外设有凹模介质槽和凹模环形密封槽，凸模位于凹模的上面，凸模的下端面设有与凹模环形密封槽正对的凸模环形密封槽，两个密封条分别设置在凸模环形密封槽和凹模环形密封槽中，管路的一端与液压控制系统连接，管路的另一端与凹模介质槽相通。
方法：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、按图纸分别加工制作板材试样若干个，板材试样与凸模接触的端面精度等级为IT8～IT7；
步骤二、将凹模通过装夹机构固定于试验台上，保证凹模的压边区域处于水平状态；
步骤三、液压控制系统通过管路向凹模介质槽充入液压油，充至液面高度为凹模介质槽深度的4/5为止；
步骤四、将板材试样置于凹模的上端面处，将板材试样的垂直几何中心与凹模上端面的垂直几何中心重合，对板材试样左端进行标记，并保证标记不影响测量精度，对板材试样标记的一端施加固定约束；
步骤五、将凸模安装于试验台上方的行程机构中，调整凸模的水平位置，使凸模下端面的垂直几何中心与板材试样的垂直几何中心重合，将润滑物质均匀涂抹于凸模的下表面上，在板材试样与凸模的下表面对应区域内也均匀涂抹润滑物质；
步骤六、通过行程机构使凸模平稳下移直至与板材试样接触，同时预施加一定的合模力，并保证润滑物质与凸模及板材试样发生充分接触；
步骤七、通过液压控制系统对凹模介质槽内液压油进行适时调控，保证凹模介质槽内液室压力为20MPa～100MPa区间内的设定值，与此同时，对板材试样另一端施加恒定的位移载荷，保证其应变速率为0.01s-1；
步骤八、在测试过程中对凹模介质槽内液压油的压力与拉伸载荷数值的变化进行适时记录；
步骤九、持续施加恒定位移载荷直至板材试样发生断裂，即实验结束，分别卸去凹模介质槽内的压力和拉伸载荷，并移除凸模；
步骤十、取出板材试样，对断裂后的板材试样进行壁厚减薄、断裂后伸长尺寸测量，至此，完成板材液压成形中摩擦影响的测试。
本发明方法具体优点如下：一、利用本发明的装置可直接对板材液压成形过程中的摩擦性能进行测试。测试过程中可排除板材液压成形过程中非摩擦因素对板材壁厚变化及成形性能的干扰影响，针对由内压引起的摩擦对壁厚变化及成形性能影响进行独立并有针对性地测试。利用本发明方法解决了传统板(管)材液压成形中工艺因素影响多且存在着几何非线性以及无法进行液压成形情况下摩擦条件对板材壁厚分布影响的定量分析的问题。
二、通过更换不同材质及表面粗糙度的凸模，同时在凸模与试样接触面之间添加不同润滑剂，均可获得不同属性的摩擦表面与板材试样发生接触，从而产生不同效果的摩擦力。
三、板材试样的加载与变形方向保持一致，使受力与变形保持了线性度且拉伸载荷和液室压力均可分别独立加载及精确控制，测试装置简单但精度较高；
四、采用本发明方法可测试低碳钢、不锈钢、铝合金及镁合金等多种金属材质，通过改变试样的几何形状及尺寸可分别测量不同接触条件下摩擦对壁厚变化的影响。
五、本发明装置结构简单可靠，制造技术成熟，易于在生产中实施、推广和应用。
附图说明
图1是具体实施方式一的结构主剖视图(板材试样2为一个)，图2是具体实施方式一的整体结构主剖视图(板材试样2为两个)，图3是具体实施方式二的主剖视图，图4是具体实施方式三的主剖视图，图5是试样A的结构示意图，图6是试样B的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括凸模4、凹模7、液压控制系统8、管路9和两个密封条6，凹模7的上端面由内向外设有凹模介质槽7-1和凹模环形密封槽7-2，凸模4位于凹模7的上面，凸模4的下端面设有与凹模环形密封槽7-2正对的凸模环形密封槽4-1，两个密封条6分别设置在凸模环形密封槽4-1和凹模环形密封槽7-2中，管路9的一端与液压控制系统8连接，管路9的另一端与凹模介质槽7-1相通。凹模7固定于试验台上，将板材试样2放置于凹模7的中部，并对板材试样2的一端施加固定约束1，板材试样2的上端面涂敷润滑物质3，由管路9向凹模介质槽7-1内充满液压油5，并通过液压控制系统8对液室压力进行调控。凸模4(压块)下移至凹模7上端，同时对板材试样2的另一端施加拉伸载荷。当对两个板材试样2同时进行测试时，可将两个板材试样2上下叠放(见图2)。板材试样2有两种：试样A和试样B，试样A的两夹持端A-1的宽度T大于标距(测试区域)宽度t、且夹持端A-1与标距间通过半圆过渡的试样；试样B为等宽的条状矩形试样。
具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式的所述凸模4的下端面设有角形四边环槽4-2，角形四边环槽4-2的外边缘与凹模介质槽7-1的外边缘正对。其它连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式的凸模4的下端面设有梯形四边环槽4-3，梯形四边环槽4-3的外边缘与凹模介质槽7-1的外边缘正对。其它连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：
步骤一、按图纸分别加工制作板材试样2若干个，板材试样2与凸模4接触的端面精度等级为IT8～IT7；
步骤二、将凹模7通过装夹机构固定于试验台上，保证凹模7的压边区域处于水平状态，避免此处不可控摩擦量的引入；
步骤三、液压控制系统8通过管路9向凹模介质槽7-1充入液压油5，充至液面高度为凹模介质槽7-1深度的4/5为止；
步骤四、将板材试样2置于凹模7的上端面处，将板材试样2的垂直几何中心与凹模7上端面的垂直几何中心重合，对板材试样2左端进行标记，并保证标记不影响测量精度，对板材试样2标记的一端施加固定约束1；
步骤五、将凸模4安装于试验台上方的行程机构中，调整凸模4的水平位置，使凸模4下端面的垂直几何中心与板材试样2的垂直几何中心重合，将润滑物质3均匀涂抹于凸模4的下表面(即工作表面)上，在板材试样2与凸模4的下表面对应区域内也均匀涂抹润滑物质3；
步骤六、通过行程机构使凸模4平稳下移直至与板材试样2接触，同时预施加一定的合模力，并保证润滑物质3与凸模4及板材试样2发生充分接触；
步骤七、通过液压控制系统8对凹模介质槽7-1内液压油5进行适时调控，保证凹模介质槽7-1内液室压力为20MPa～100MPa区间内的设定值，与此同时，对板材试样2另一端(右端)施加恒定的位移载荷，保证其应变速率为0.01s-1；
步骤八、在测试过程中对凹模介质槽7-1内液压油5的压力与拉伸载荷数值的变化进行适时记录；
步骤九、持续施加恒定位移载荷直至板材试样2发生断裂，即实验结束，分别卸去凹模介质槽7-1内的压力和拉伸载荷，并移除凸模4；
步骤十、取出板材试样2，对断裂后的板材试样进行壁厚减薄、断裂后伸长尺寸测量，至此，完成板材液压成形中摩擦影响的测试。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤五中的润滑物质3选用甘油或PE聚乙烯薄膜。其他步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤七中的凹模介质槽7-1内液室压力为30MPa。其他步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤七中的凹模介质槽7-1内液室压力为40MPa。其他步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤七中的凹模介质槽7-1内液室压力为55MPa。其他步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤七中的凹模介质槽7-1内液室压力为70MPa。其他步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤七中的凹模介质槽7-1内液室压力为85MPa。其他步骤与具体实施方式四相同。
Claims (7)
1.一种实现板材液压成形中摩擦影响的测试方法，其特征在于，所述方法采用一种板材液压成形中摩擦影响的测试装置，所述测试装置包括凸模(4)、凹模(7)、液压控制系统(8)、管路(9)和两个密封条(6)，凹模(7)的上端面由内向外设有凹模介质槽(7-1)和凹模环形密封槽(7-2)，凸模(4)位于凹模(7)的上面，凸模(4)的下端面设有与凹模环形密封槽(7-2)正对的凸模环形密封槽(4-1)，两个密封条(6)分别设置在凸模环形密封槽(4-1)和凹模环形密封槽(7-2)中，管路(9)的一端与液压控制系统(8)连接，管路(9)的另一端与凹模介质槽(7-1)相通；
凸模(4)的下端面设有角形四边环槽(4-2)，角形四边环槽(4-2)的外边缘与凹模介质槽(7-1)的外边缘正对；
凸模(4)的下端面设有梯形四边环槽(4-3)，梯形四边环槽(4-3)的外边缘与凹模介质槽(7-1)的外边缘正对；
所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、按图纸分别加工制作板材试样(2)若干个，板材试样(2)与凸模(4)接触的端面精度等级为IT8～IT7；
步骤二、将凹模(7)通过装夹机构固定于试验台上，保证凹模(7)的压边区域处于水平状态；
步骤三、液压控制系统(8)通过管路(9)向凹模介质槽(7-1)充入液压油(5)，充至液面高度为凹模介质槽(7-1)深度的4/5为止；
步骤四、将板材试样(2)置于凹模(7)的上端面处，将板材试样(2)的垂直几何中心与凹模(7)上端面的垂直几何中心重合，对板材试样(2)左端进行标记，并保证标记不影响测量精度，对板材试样(2)标记的一端施加固定约束(1)；
步骤五、将凸模(4)安装于试验台上方的行程机构中，调整凸模(4)的水平位置，使凸模(4)下端面的垂直几何中心与板材试样(2)的垂直几何中心重合，将润滑物质(3)均匀涂抹于凸模(4)的下表面上，在板材试样(2)与凸模(4)的下表面对应区域内也均匀涂抹润滑物质(3)；
步骤六、通过行程机构使凸模(4)平稳下移直至与板材试样(2)接触，同时预施加一定的合模力，并保证润滑物质(3)与凸模(4)及板材试样(2)发生充分接触；
步骤七、通过液压控制系统(8)对凹模介质槽(7-1)内液压油(5)进行适时调控，保证凹模介质槽(7-1)内液室压力为20MPa～100MPa区间内的设定值，与此同时，对板 材试样(2)另一端施加恒定的位移载荷，保证其应变速率为0.01s-1；
步骤八、在测试过程中对凹模介质槽(7-1)内液压油(5)的压力与拉伸载荷数值的变化进行适时记录；
步骤九、持续施加恒定位移载荷直至板材试样(2)发生断裂，即实验结束，分别卸去凹模介质槽(7-1)内的压力和拉伸载荷，并移除凸模(4)；
步骤十、取出板材试样(2)，对断裂后的板材试样进行壁厚减薄、断裂后伸长尺寸测量，至此，完成板材液压成形中摩擦影响的测试。
2.根据权利要求1所述板材液压成形中摩擦影响的测试方法，其特征在于，步骤五中的润滑物质(3)选用甘油或PE聚乙烯薄膜。
3.根据权利要求1所述板材液压成形中摩擦影响的测试方法，其特征在于，步骤七中的凹模介质槽(7-1)内液室压力为30MPa。
4.根据权利要求1所述板材液压成形中摩擦影响的测试方法，其特征在于，步骤七中的凹模介质槽(7-1)内液室压力为40MPa。
5.根据权利要求1所述板材液压成形中摩擦影响的测试方法，其特征在于，步骤七中的凹模介质槽(7-1)内液室压力为55MPa。
6.根据权利要求1所述板材液压成形中摩擦影响的测试方法，其特征在于，步骤七中的凹模介质槽(7-1)内液室压力为70MPa。
7.根据权利要求1所述板材液压成形中摩擦影响的测试方法，其特征在于，步骤七中的凹模介质槽(7-1)内液室压力为85MPa。
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