CN103196758B - 流体压力作用下板材成形性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

流体压力作用下板材成形性能测试装置及方法，属于板材液压成形技术领域。针对传统板材成形性能测试难以进行流体加压条件下的实时测试及准确评价，并因板材试样为非圆截面而无法实现流体高压情况下的动态密封的问题。技术要点：端盖与夹持件采用活塞缸形式配合，在上下两夹持件连接区域通过圆柱销钉形式连接板材试样；测试方法依次为放置试样、组合测试装置、连接试验机、施加液压与下夹头下移、断后试样取出并进行尺寸测量。活塞缸形式配合可使矩形截面的板材试样实现流体高压动态密封，装置的简化结构设计可实现腔内液压与板材拉伸速率的独立精确控制，本发明可实现板材试样的形状及尺寸多样化成形性能测试。

Description

流体压力作用下板材成形性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种板材成形性能测试装置及方法，具体涉及一种流体压力作用下板材成形性能测试装置及方法，属于板材液压成形技术领域。

背景技术

随着航空航天及汽车等领域的飞速发展，采用铝合金、镁合金及钛合金等轻质材料是从材料途径实现轻量化的重要手段。尤其在航空航天领域，以整流罩为典型代表的绝大多数形状复杂的板材零件均由铝镁合金等轻质材料制成。但是，这些材料在常温下相比常规深冲钢材的成形性能差、塑性低的矛盾已成为其加工成形的瓶颈。因此，能够提高零件成形极限、减少成形道次的板材液压成形技术是低塑性、难成形轻质材料板材零件成形的有效途经之一并得到了广泛关注。

板材液压成形中液态的水或油作为传力介质，代替传统的刚性凸模或凹模，使坯料在传力介质压力作用下贴合凹模或凸模成形。通过外部工艺条件可改变成形过程中板材的受力状态，将对板材的室温成形性能产生重要影响。如对板材成形中施加法向载荷能提高塑性区的静水压力，有效地抑制板材内部裂纹的产生和扩展，从而改善塑性成形能力；增大背压可以提高板材的极限胀形高度且背压与材料强度相当时，极限高度提高的更加显著，但难以突破过高压力加载时的动密封技术瓶颈；采用外侧包覆护板可对成形板材起背压作用，进而提高板材成形能力，而外层护板所能提供的法向压力分布均匀性及可控性均较差；尽管气体可作为传力介质，但气体压缩量较大且不易过高；采用粘性介质可对板材成形过程中的双侧同时施加压力，但因工艺自身特点等条件制约，成形时板材各部位的受力均匀性较差并增加了后续清理工序。

目前在板材液压成形过程中流体压力值随着使用要求的增加而逐渐加大，有时达到甚至超过了铝合金、镁合金及低碳钢等材料的室温屈服极限，因此，流体压力对板材成形过程中的变形特征及壁厚变化的影响则不能被忽略，此种情况下板材实际上是处于一拉两压的复杂应力状态，即三维应力状态。而传统板材单向拉伸性能测试时仅为一维应力状态，即简单应力状态，不能反应流体压力作用下板材的真实成形特性，故需要考虑流体压力作用对板材成形性能的影响。但现有板材成形性能测试方法或技术均存在着显著的不足之处，无法真实对流体压力条件下板材成形性能进行测试。

发明内容

本发明为了解决传统板材成形性能测试方法难以进行流体加压条件下的实时测试及准确评价，并因板材试样为非圆截面而无法实现流体高压情况下的动态密封等瓶颈问题，进而提供了一种流体压力作用下板材成形性能测试装置及方法。其密封设置在夹持结构与端盖相配合的部位，解决了板材试样为非圆截面情况下因动密封问题所带来的技术瓶颈。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种流体压力作用下板材成形性能测试装置，所述测试装置包括厚壁筒、上端盖、下端盖、上夹持件、下夹持件，所述厚壁筒为圆形厚壁筒，所述上端盖和下端盖均与厚壁筒的上下两端密封连接，所述上端盖和下端盖几何中心处均设有圆柱形通孔，通孔内壁均设有上下均匀分布的两道凹槽，凹槽处配有密封圈用于实现上夹持件和下夹持件分别与上端盖和下端盖之间的动态密封，所述上夹持件和下夹持件均由夹持区域、活塞区域和连接区域组成，上夹持件和下夹持件的连接区域相对安装在所述厚壁筒的内腔中，上夹持件和下夹持件的夹持区域分别位于上端盖和下端盖之外，上夹持件和下夹持件的活塞区域与上端盖和下端盖分别采用圆柱形通孔即活塞缸形式配合，上夹持件和下夹持件可沿厚壁筒上下移动，厚壁筒、上端盖、下端盖、上夹持件和下夹持件共同形成流体介质腔体(完整密封腔体)，厚壁筒上设有与流体介质腔体相通的注入孔；上夹持件和下夹持件的连接区域沿其轴向均设有插槽，用于放置板材试样的夹持端，使板材试样的上下夹持端对应地与上夹持件、下夹持件连接在一起。

所述测试装置还包括上圆柱销钉、下圆柱销钉，所述上圆柱销钉和下圆柱销钉的圆柱外径与板材试样的通孔内径采用间隙配合，上夹持件通过上圆柱销钉与板材试样的上夹持端相连，下夹持件通过下圆柱销钉与板材试样的下夹持端相连。

所述测试装置中的密封圈包括多个O型密封圈，所述上端盖与上夹持件之间分别设有两个O型密封圈；所述下端盖与下夹持件之间分别设有两个O型密封圈。

一种利用上述测试装置的成形性能测试方法，其特征在于：所述测试方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、将板材试样分别通过上圆柱销钉、下圆柱销钉与上夹持件、下夹持件进行配合连接；

步骤二、按设计要求将O型密封圈分别装配于上端盖与下端盖矩形凹槽处；

步骤三、将装配好的板材试样、上圆柱销钉、下圆柱销钉、上夹持件与下夹持件作为一个整体从厚壁筒的一侧开口处进入，进入后将装配有O型密封圈的下端盖通过通孔与下夹持件进行圆柱通孔形式配合连接，然后将下端盖与厚壁筒进行密封螺纹连接，用相同方法装配上端盖；

步骤四、将装配好的测试装置通过上下夹持件与万能(单向拉伸)试验机相连，上夹持件置于万能(单向拉伸)试验机的上夹头内，通过装夹机构将其固定，同理将下夹持件固定于万能(单向拉伸)试验机的下夹头内，试验机的下夹头分别与力载荷传感器及位移载荷传感器相连，调整厚壁筒的竖直位置使其注入孔正对于板材试样的几何中心，在该位置处通过装夹机构固定上端盖、厚壁筒与下端盖所组成的整体结构；

步骤五、将厚壁筒上的注入孔通过高压油管与外接增压器相连，独立控制，然后通过注入孔向流体介质腔体内注入流体介质，使流体介质充满直至将流体介质腔体内的空气全部排出；

步骤六、启动万能(单向拉伸)试验机数据采集系统，同时设定试验机上下夹头固定不动，通过调节外接增压器使流体介质腔体内液压值上升，当其上升至规定值后，调节外接增压器使流体介质腔体内液压在该数值上时刻保持动态平衡；

步骤七、通过控制万能(单向拉伸)试验机使上夹头保持不动、下夹头以设定速率匀速向下移动，即此时板材试样拉伸变形的应变速率为确定因素，直至万能(单向拉伸)试验机数据采集系统判定板材试样已被拉断，即实验结束；

步骤八、通过调节外接增压器卸去流体介质腔体内压力，通过调节装夹机构将测试装置从万能(单向拉伸)试验机中取出，卸去连接注入孔的高压油管，使流体介质腔体内部与外部大气压联通，分离上端盖与厚壁筒，将上夹持件从厚壁筒内取出，同理取出下夹持件，取出时确保断后试样的完整性，避免其受其余外力的影响；

步骤九、通过常规尺寸测试手段对拉断后的板材试样进行断后伸长率、壁厚减薄量及其分布等测试，并分析不同流体压力、应变速率、标距宽度、标距厚度、试样材料各因素对其的影响。

在步骤六中，所述规定值是指流体介质腔体内流体压力值设定为50～400MPa范围内某一值。

本发明具有以下有益效果：

利用本发明方法测试时上下两夹持件与板材试样不发生相对运动，因此，随着夹持件分别向上下两侧运动，板材试样也随之发生伸长变形。该方法实现了板材在法向流体压力与轴向可控拉力作用下单向拉伸过程中力学性能的测试与数据采集，将板材试样置于流体高压腔内，通过具有特殊结构的夹持件将试样两端与万能(单向拉伸)试验机相连，从而实现法向流体压力作用下板材单向拉伸成形过程中力学性能的测试及数据采集等工作。

本发明的创新之处就在于通过将夹持件与端盖设计为圆形活塞缸形式配合，而圆柱夹持件与试样两端通过圆柱销钉插入通孔的形式攻克了板材矩形截面无法实现高压动态密封这一技术难题。通过在厚壁筒中心处钻油孔并由高压油管与外接增压器相连。首先将内置板材试样的测试装置与万能(单向拉伸)试验机相连，固定上下两夹持件，通过注入孔向流体介质腔体内注入液压油直至达到所需内压，在保证内压值动态平衡条件下启动万能(单向拉伸)试验机，保持上夹持件固定，下移下夹持件实现板材试样在一定应变速率下的单向拉伸，直至试样被拉断即实验结束。将测试装置移出万能(单向拉伸)试验机，通过夹持件取出断后板材试样，对板材试样的断后伸长率、壁厚减薄量及分布进行测量与分析。

本发明方法具体优点如下：一、通过转化的思想将难以实现的非圆截面高压动态密封转为技术成熟的圆截面活塞缸动态密封形式，可实现流体加压条件下板材单向拉伸成形过程中的动态密封；二、流体加压与板材单向拉伸成形可分别独立精确和实时控制，在两者合理匹配作用下获得各因素影响的权重比；三、圆柱夹持件与试样两端分别设有通孔用于圆柱销钉连接的结构设计，在保证试样夹持端受力均衡的同时，可供不同形状尺寸、不同材质的板材试样进行成形性能测试；四、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是具体实施方式一实验前测试装置与板材试样位置关系状态示意图(流体介质腔体10内充满流体介质，使腔内达到一定压力值)，图2是具体实施方式一实验过程中测试装置与板材试样位置关系状态示意图(在内压保持动态恒定条件下，连接万能(单向拉伸)试验机的下夹持件7已下行至一定距离，板材试样3被拉伸至一定长度)，图3是利用本发明具体实施方式一实验后测试装置结构示意图(下夹持件7下行至一定距离后，板材试样3伸长至极限长度以致其发生断裂，实验结束)，图4是具体实施方式一中试样A(板材试样3)的尺寸结构示意图，图5是具体实施方式二中试样B(板材试样3)的尺寸结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图2、图3和图4具体说明本实施方式。该装置包括厚壁筒11，所述厚壁筒11为圆形厚壁筒，其上设有与流体介质腔体10相通的注入孔4，工作时通过注入孔4向流体介质腔体10内注入流体介质；厚壁筒11圆形内壁光滑，上下相通，所述厚壁筒11分别与上端盖13、下端盖9采用密封螺纹连接，所述上端盖13、下端盖9分别与上夹持件1、下夹持件7采用圆柱通孔形式配合连接，形成完整的动态密封腔体，所述上端盖13与下端盖9的光滑圆形通孔内壁处分别设有上下相隔一定距离的两道凹槽，用于放置O型密封圈14、2与6、8，以防止上夹持件1与下夹持件7轴向移动时高压流体介质发生泄漏；所述上夹持件1与下夹持件7露出端盖的部分区域供万能(单向拉伸)试验机夹持固定，其形状为细长圆棒状；所述上夹持件1与下夹持件7底部圆形截面中心处均设有一定深度的矩形槽，在矩形槽所在长度范围内设有圆形通孔，该通孔与圆柱销钉帽接触一侧设有螺纹，用于固定圆柱销钉，以避免实验过程中销钉滑落，所述上圆柱销钉12与下圆柱销钉5分别通过通孔与板材试样3连接(所述板材试样3的夹持端几何中心处设有圆形通孔，其直径与上下夹持件1、7连接区域的圆形通孔一致，用于连接板材试样3与上下夹持件1、7)，所述板材试样3的上下夹持端几何中心处分别设有与圆柱销钉直径相同的圆孔，以便圆柱销钉穿过，所述板材试样3的两夹持端宽度大于标距(测试区域)宽度、且夹持端与标距间通过半圆过渡，所述板材试样3为标距宽度10mm、标距长度24mm、厚度2mm的铝合金板材。

具体实施方式二：下面结合图1、图2、图3和图5具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一的不同点在于铝合金板材试样3标距宽度为5mm，其它组成结构与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于板材试样的材料选为镁合金，其它组成结构与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：利用上述装置进行测试的方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、将板材试样3分别通过上圆柱销钉12、下圆柱销钉5与上夹持件1、下夹持件7进行配合连接；

步骤二、按设计要求将O型密封圈14、2、6、8分别装配于上端盖13与下端盖9矩形凹槽处；

步骤三、将装配好的板材试样3、上圆柱销钉12、下圆柱销钉5、上夹持件1与下夹持件7作为一个整体从厚壁筒11的一侧开口处进入，进入后将装配有O型密封圈6、8的下端盖9通过通孔与下夹持件7进行圆柱通孔形式配合连接，然后将下端盖9与厚壁筒11进行密封螺纹连接，用相同方法装配上端盖13；

步骤四、将装配好的测试装置通过上下夹持件1、7与万能(单向拉伸)试验机相连，上夹持件1置于万能(单向拉伸)试验机的上夹头内，通过装夹机构将其固定，同理将下夹持件7固定于万能(单向拉伸)试验机的下夹头内，试验机的下夹头分别与力载荷传感器及位移载荷传感器相连，调整厚壁筒11的竖直位置使其注入孔4正对于板材试样3的几何中心，在该位置处通过装夹机构固定上端盖13、厚壁筒11与下端盖9所组成的整体结构；

步骤五、将厚壁筒11上的注入孔4通过高压油管与外接增压器相连，独立控制，然后通过注入孔4向流体介质腔体10内注入流体介质，使流体介质充满直至将流体介质腔体10内的空气全部排出；

步骤六、启动万能(单向拉伸)试验机数据采集系统，同时设定试验机上下夹头固定不动，通过调节外接增压器使流体介质腔体10内液压值上升，当其上升至规定值后，调节外接增压器使流体介质腔体10内液压在该数值上时刻保持动态平衡；

步骤七、通过控制万能(单向拉伸)试验机使上夹头保持不动、下夹头以设定速率匀速向下移动，即此时板材试样3拉伸变形的应变速率为确定因素，直至万能(单向拉伸)试验机数据采集系统判定板材试样3已被拉断，即实验结束；

步骤八、通过调节外接增压器卸去流体介质腔体10内压力，通过调节装夹机构将测试装置从万能(单向拉伸)试验机中取出，卸去连接注入孔4的高压油管，使流体介质腔体10内部与外部大气压联通，分离上端盖13与厚壁筒11，将上夹持件1从厚壁筒11内取出，同理取出下夹持件7，取出时确保断后试样的完整性，避免其受其余外力的影响；

步骤九、通过常规尺寸测试手段对拉断后的板材试样3进行断后伸长率、壁厚减薄量及其分布等测试，并分析不同流体压力、应变速率、标距宽度、标距厚度、试样材料各因素对其的影响。

Claims (5)

1.一种流体压力作用下板材成形性能测试装置，其特征在于：所述测试装置包括厚壁筒(11)、上端盖(13)、下端盖(9)、上夹持件(1)、下夹持件(7)，所述厚壁筒(11)为圆形厚壁筒，所述上端盖(13)和下端盖(9)均与厚壁筒(11)的上下两端密封连接，所述上端盖(13)和下端盖(9)几何中心处均设有圆柱形通孔，通孔内壁均设有上下均匀分布的两道凹槽，凹槽处配有密封圈用于实现上夹持件(1)和下夹持件(7)分别与上端盖(13)和下端盖(9)之间的动态密封，所述上夹持件(1)和下夹持件(7)均由夹持区域、活塞区域和连接区域组成，上夹持件(1)和下夹持件(7)的连接区域相对安装在所述厚壁筒(11)的内腔中，上夹持件(1)和下夹持件(7)的夹持区域分别位于上端盖(13)和下端盖(9)之外，上夹持件(1)和下夹持件(7)的活塞区域与上端盖(13)和下端盖(9)分别采用圆柱形通孔即活塞缸形式配合，上夹持件(1)和下夹持件(7)可沿厚壁筒(11)上下移动，厚壁筒(11)、上端盖(13)、下端盖(9)、上夹持件(1)和下夹持件(7)共同形成流体介质腔体(10)，厚壁筒(11)上设有与流体介质腔体(10)相通的注入孔(4)；上夹持件(1)和下夹持件(7)的连接区域沿其轴向均设有插槽(1-1，7-1)，用于放置板材试样(3)的夹持端，使板材试样(3)的上下夹持端对应地与上夹持件(1)、下夹持件(7)连接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种流体压力作用下板材成形性能测试装置，其特征在于：所述测试装置还包括上圆柱销钉(12)、下圆柱销钉(5)，所述上圆柱销钉(12)和下圆柱销钉(5)的圆柱外径与板材试样(3)的通孔内径采用间隙配合，上夹持件(1)通过上圆柱销钉(12)与板材试样(3)的上夹持端相连，下夹持件(7)通过下圆柱销钉(5)与板材试样(3)的下夹持端相连。

3.根据权利要求2所述的一种流体压力作用下板材成形性能测试装置，其特征在于：所述测试装置中的密封圈包括多个O型密封圈(14、2、6、8)，所述上端盖(13)与上夹持件(1)之间分别设有两个O型密封圈(14、2)；所述下端盖(9)与下夹持件(7)之间分别设有两个O型密封圈(6、8)。

4.一种利用上述权利要求3所述测试装置的成形性能测试方法，其特征在于：所述测试方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、将板材试样(3)分别通过上圆柱销钉(12)、下圆柱销钉(5)与上夹持件(1)、下夹持件(7)进行配合连接；

步骤二、按设计要求将O型密封圈(14、2、6、8)分别装配于上端盖(13)与下端盖(9)凹槽处；

步骤三、将装配好的板材试样(3)、上圆柱销钉(12)、下圆柱销钉(5)、上夹持件(1)与下夹持件(7)作为一个整体从厚壁筒(11)的一侧开口处进入，进入后将装配有O型密封圈(6、8)的下端盖(9)通过通孔与下夹持件(7)进行圆柱通孔形式配合连接，然后将下端盖(9)与厚壁筒(11)进行密封螺纹连接，用相同方法装配上端盖(13)；

步骤四、将装配好的测试装置通过上下夹持件(1、7)与万能试验机相连，上夹持件(1)置于万能试验机的上夹头内，通过装夹机构将其固定，同理将下夹持件(7)固定于万能试验机的下夹头内，试验机的下夹头分别与力载荷传感器及位移载荷传感器相连，调整厚壁筒(11)的竖直位置使其注入孔(4)正对于板材试样(3)的几何中心，在该位置处通过装夹机构固定上端盖(13)、厚壁筒(11)与下端盖(9)所组成的整体结构；

步骤五、将厚壁筒(11)上的注入孔(4)通过高压油管与外接增压器相连，独立控制，然后通过注入孔(4)向流体介质腔体(10)内注入流体介质，使流体介质充满直至将流体介质腔体(10)内的空气全部排出；

步骤六、启动万能试验机数据采集系统，同时设定试验机上下夹头固定不动，通过调节外接增压器使流体介质腔体(10)内液压值上升，当其上升至规定值后，调节外接增压器使流体介质腔体(10)内液压在该规定值上时刻保持动态平衡；

步骤七、通过控制万能试验机使上夹头保持不动、下夹头以设定速率匀速向下移动，即此时板材试样(3)拉伸变形的应变速率为确定因素，直至万能试验机数据采集系统判定板材试样(3)已被拉断，即实验结束；

步骤八、通过调节外接增压器卸去流体介质腔体(10)内压力，通过调节装夹机构将测试装置从万能试验机中取出，卸去连接注入孔(4)的高压油管，使流体介质腔体(10)内部与外部大气压联通，分离上端盖(13)与厚壁筒(11)，将上夹持件(1)从厚壁筒(11)内取出，同理取出下夹持件(7)，取出时确保断后试样的完整性，避免其受其余外力的影响；

步骤九、通过常规尺寸测试手段对拉断后的板材试样(3)进行断后伸长率、壁厚减薄量及其分布测试。

5.根据权利要求4所述的成形性能测试方法，其特征在于：在步骤六中，所述规定值是指流体介质腔体(10)内液压值设定为50～400MPa范围内某一值。