CN103528898A - 三维应力状态下板材成形性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

三维应力状态下板材成形性能测试装置及方法，涉及板材成形技术领域。解决了板材三维应力状态下成形性能难于测试及法向压力对成形性能的影响难于评估的问题。装置主要包括缸体、左活塞、右活塞、左端盖和右端盖。测试方法：将装有试样的活塞置入缸体内，安装左端盖和右端盖，向第一腔体和第二腔体注入流体介质，通过独立控制的外接高压源使第一腔体和第二腔体的压力同步达到某一压力值，然后逐渐降低第二腔体的压力，压差产生拉伸力使金属板材试样产生拉伸变形。通过采集压力及拉伸位移进行数据处理，可获得板材成形性能数据。使用本发明可建立单向拉伸时的三维应力条件，可有效评估三维应力状态中法向应力对板材成形性能的影响。

Description

三维应力状态下板材成形性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测试板材在三维应力状态下成形性能的装置及方法，涉及板材成形技术领域。

背景技术

近年来，以流体为传力介质的液压成形技术以其工艺柔性高、制模简单、成形质量好等优点，日益得到广泛的重视，可克服普通冲压成形方式的不足，尤其适合变形量大、复杂板材零件的一道工序成形。为改善板材零件的可成形性、克服成形缺陷以及提高壁厚均匀性，对于铝合金等低塑性材料，经常通过在板材上、下表面施加法向压力进行正、反加压的液压成形。上述成形方式使板材处于高压流体法向压力的作用下，变形坯料往往处于三维应力状态。

常规的金属板材成形，变形板材处于二维应力状态下。常规的金属板材成形性能评价方法是单向拉伸试验，在带有引伸计的拉伸试验机上进行，计算机数据采集系统获得试样标距范围内的位移和拉伸力曲线，然后经过数据处理获得材料性能参数。对于板材正反加压的液压成形，法向压力比较大，变形板材处于三维应力状态下，三维应力状态下的应力-应变曲线、材料厚向异性指数、硬化指数及其与法向压力的关系等无法通过在普通拉伸试验机上的单向拉伸试验获得。目前，由于法向压力无法施加，还没有通过单向拉伸试验有效评估板材三维应力状态下成形性能的测试方法。

发明内容

针对板材三维应力状态下成形性能难于测试及法向压力对成形性能的影响难于评估问题，本发明提出法向压力施加的方法，并提供一种三维应力状态下板材成形性能测试装置及方法。通过该装置及方法，可获得板材在三维应力状态下成形性能，并可考察不同法向压力对板材成形性能的影响。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

三维应力状态下板材成形性能测试装置，所述测试装置包括包括缸体、左端盖、右端盖以及位于缸体内的左活塞、右活塞、左夹持件、右夹持件、第一导向支撑杆和第二导向支撑杆；

右端盖安装在缸体的右端上，右夹持件固装在右活塞内且二者可一同沿缸体内腔表面移动，左夹持件固装在左活塞内且左活塞安装在缸体左端内腔中，左夹持件由左上半锥形块和左下半锥形块构成，左上半锥形块和左下半锥形块合在一起用于夹持板材试样的左端并将板材试样的左端固定在左活塞上，右夹持件由右上半锥形块和右下半锥形块构成，右上半锥形块和右下半锥形块合在一起用于夹持板材试样的右端并将板材试样的右端固定在右活塞上；左活塞与缸体的左端面限位连接，左端盖安装在缸体的左端上；左活塞、右活塞之间设有第一导向支撑杆和第二导向支撑杆；缸体侧壁与左活塞和左夹持件二者的内端面、右活塞和右夹持件二者的内端面构成第一密封腔体，缸体的侧壁与右活塞的外端面、右端盖的内端面构成第二密封腔体；第一密封腔体和第二密封腔体之间为右活塞；在所述缸体侧壁上设有与第一密封腔体相通的第一液体注入孔，第一液体注入孔用于与高压源连接，所述右端盖上设有与第二密封腔体相通的第二液体注入孔；顶杆穿过右端盖，顶杆一部分位于第二密封腔体内且其相应端与右活塞连接，顶杆另一部分位于伸出缸体外部。

所述右活塞内部与右夹持件配合的表面为由外向内渐扩圆锥面，右上半锥形块和右下半锥形块的锥角与右活塞内部圆锥面的锥角相同；左活塞内部与左夹持件配合的表面为由外向内渐扩圆锥面，左上半锥形块和左下半锥形块的锥角与左活塞内部圆锥面的锥角相同。

所述左活塞的外端面上设有台肩，实现与缸体左端面的限位连接。

第一导向支撑杆和第二导向支撑杆与左活塞螺纹连接。

所述第一导向支撑杆两端与左活塞、右活塞连接处分别设有第一左阶梯结构（限位挡台）、第一右阶梯结构；所述第二导向支撑杆两端与左活塞、右活塞连接处分别设有第二左阶梯结构（限位挡台）、第二右阶梯结构。

所述顶杆上与右活塞连接处设有顶杆阶梯结构（限位挡台）。

所述顶杆与右活塞螺纹连接，所述顶杆与位移传感器连接。

一种利用上述测试装置的三维应力状态下板材成形性能测试方法，所述测试方法的实现过程如下：

步骤一、活塞摩擦力测试：在单向拉伸过程中，右活塞与缸体之间由于密封的存在，产生摩擦，加载在第一密封腔体内的压力P1驱动无装夹板材试样的活塞运动，可驱动活塞运动的最小压力Pm与活塞横截面积的乘积既是活塞与缸体之间的摩擦力；

步骤二、制作金属板材试样：将原始厚度为t0的金属板材根据标准切割出长条形单向拉伸试样，板材试样中间部分的宽度小于其两端的宽度；

步骤三、夹紧金属板材试样；

步骤四、高压缸装配；

步骤五、缸体左右腔压力同步加载：通过第一液体注入孔和第二液体注入孔将第一密封腔体和第二密封腔体注入流体介质，通过两个独立控制的高压源在第一密封腔体施加压力P1、第二密封腔体施加压力P2,并使P1与P2大小相等；

步骤六、单向拉伸试验：保持第一密封腔体内部压力P1恒定，逐渐降低第二密封腔体内部压力P2，第一密封腔体和第二密封腔体产生压差，压差产生的力推动右活塞运动，使板材试样产生拉伸变形，记录不同时刻第二密封腔体内部压力P2和顶杆的位移△L，当第一密封腔体内部压力P1和第二密封腔体内部压力P2的压差达到驱动右活塞的最小压力Pm时，拉伸试样断裂，拉伸结束；

步骤七、取出试样：将第一密封腔体和第二密封腔体的压力卸载，左端盖和右端盖拆下，取出左活塞和右活塞，将金属板材试样卸下；

步骤八、数据处理：根据第一密封腔体恒定压力及连续获得的第二密封腔体内的压力P2和拉伸位移△L，考虑右活塞与缸体的摩擦力，算出不同时刻的单向拉伸力 $F=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}(P_1-P_2-P_m)$ 及试样横截面积 $S=\frac{L_0{t}_0{H}_0}{L_0+{\mathrm{\Δ}}_L},$ D为右活塞的直径；

根据拉伸力及横截面积即可获得不同时刻的应力

应变根据不同时刻的△L获得应变将上述数据点连起来即可获得应力应变曲线；

根据应力应变曲线及σ=Kεⁿ即可求得硬化指数n;将断裂后的试样按照断口面吻合好，测量试样变形后变形区的长度L1，根据即可获得三维应力状态下的极限延伸率；

重复步骤二到步骤七，通过控制压力P2来控制活塞位移△L，使单向拉伸时的延伸率

之间，取出试样，测量变形区宽度H'和变形区长度L'，可分别获得宽度方向的应变和厚度方向的应变

根据上述宽度和厚度方向的应变即可获得厚向异性指数

改变第一密封腔体的压力P1，重复上述步骤，即可获得不同法向压力条件下的板材成形性能参数：极限延伸率、应力应变曲线和厚向异性指数。

在步骤二中，板材试样中间变形部分的原始宽度H0为3mm,板材试样变形区的长度L0为25mm；板材试样两端的宽度为23mm。

在步骤三中，夹紧金属板材试样的过程为：将金属板材试样左端通过左上半锥形块和左下半锥形块夹持到左活塞上，金属板材试样右端通过半锥形块和半锥形块夹持到右活塞上，顶杆安装到右活塞上；在步骤四中，高压缸装配的过程为：安装右端盖，将夹持板材试样的右活塞和左活塞、连同第一导向支撑杆、第二导向支撑杆和顶杆从左侧水平装入缸体内，顶杆穿过右端盖之后与位移传感器连接，安装左端盖。

本发明具有以下优点：

1、采用本发明所述方法及装置进行板材成形性能测试，易于构建单向拉伸变形时的三维应力条件，为三维应力状态下板材成形性能测试提供一种新方法。

2、对单向拉伸板材试样施加法向压力，可获得不同法向压力条件下的成形性能数据，易于评估三维应力状态中法向应力对成形性能的影响。

本发明提供了一种可以测试三维应力状态下板材成形性能的装置及方法，测试装置上的两个密封腔的压差产生拉伸力使金属板材试样产生拉伸变形。通过采集压力及拉伸位移进行数据处理，可获得板材成形性能数据。使用本发明所述方法及装置，可建立单向拉伸时的三维应力条件，可有效评估三维应力状态中法向应力对板材成形性能的影响。

附图说明

图1是具体实施方式一的结构示意图（主视图）；图2是板材单向拉伸试样。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种可以测试板材在三维应力状态下成形性能的装置。参照图1～2，它包括缸体1，所述缸体1上设有与腔体1-2相通的液体注入孔1-1，液体注入孔1-1与外接的高压源连接，通过高压源控制腔体1-2内部压力P1，所述腔体1-2内表面为圆柱面；所述缸体1右端与端盖2螺纹连接，缸体1的端面设有密封3，所述端盖2上设有与腔体1-3相通的液体注入孔2-1，液体注入孔2-1与外接的高压源连接，通过高压源控制腔体1-3内部压力P2，所述腔体1-3内表面为圆柱面；所述腔体1-2和腔体1-3之间为活塞4，所述活塞4的柱面设有密封7和密封10，防止两腔体之间泄露，所述活塞4内部为圆锥面，通过螺栓5和螺栓9分别与半锥形块11和半锥形块12连接，两个半锥形块用于夹紧试样24的端部，所述半锥形块11和半锥形块12的锥角与活塞4内部圆锥面的锥角相同，所述螺栓5、螺栓9与活塞4的内孔之间设有密封垫6和密封垫8；所述缸体1左端与端盖19通过螺纹连接，所述端盖19压靠在活塞14的法兰上，所述活塞14的柱面设有密封15和密封16，防止腔体1-2液体泄露、保证建立起压力，活塞14内部为圆锥面，通过螺栓17和螺栓21分别与半锥形块22和半锥形块23连接，两个半锥形块用于夹紧试样24的端部，所述半锥形块22和半锥形块23的锥角与活塞14内部圆锥面的锥角相同，所述螺栓17、螺栓21与活塞14的内孔之间设有密封垫18和密封垫20；板材单向拉伸试样24通过螺栓5、螺栓9、螺栓17和螺栓21的紧固使半锥形块11、半锥形块12、半锥形块22和半锥形块23进行夹紧；活塞14和活塞4之间设有导向支撑杆13和导向支撑杆25，用于安装试样时支撑活塞4，所述导向支撑杆13和导向支撑杆25与活塞14螺纹连接，所述导向支撑杆13上存在阶梯结构13-1和阶梯结构13-2，导向支撑杆25上存在阶梯结构25-1和阶梯结构25-2；顶杆26与活塞4螺纹连接，所述顶杆上存在阶梯结构26-1，并穿过端盖2伸出缸体外部，端盖2内设有密封27，所述顶杆26在缸体外部与位移传感器28连接。利用所述装置进行三维应力状态下成形极限测试，具体过程依次如下：

步骤一、制作金属板材试样：将原始厚度为t0的金属板材根据标准切割出长条形单向拉伸试样，试样中间变形部分的原始宽度H0为3mm,试样变形区的长度L0为25mm；

步骤二、夹紧金属板材试样：将金属板材试样24左侧夹持端放入半锥形块22和半锥形块23之间，通过螺栓17和螺栓21拧紧使试样被两半锥形块夹紧，固定到活塞14上；将导向支撑杆13和导向支撑杆25通过螺纹旋入到活塞14上，通过导向支撑杆13和导向支撑杆25的导向作用下，将活塞4放置到阶梯结构13-1和阶梯结构25-2上，将试样右夹持端置入半锥形块11和半锥形块12之间，通过螺栓5和螺栓9拧紧使试样被两半锥形块夹紧，固定到活塞4上，顶杆26安装到活塞4上。

步骤四、高压缸装配：将端盖2通过螺纹安装到缸体1上，将夹持试样24的活塞4和活塞14、连同导向支撑杆13、导向支撑杆25和顶杆26从左侧水平装入缸体内，顶杆26穿过端盖2之后与位移传感器连接，安装端盖19；

步骤五、缸体左右腔压力同步加载：将注入孔1-1和注入孔2-1与独立控制的高压源连接，通过注入孔1-1和注入孔2-1将腔体1-2和腔体1-3注满流体介质，通过两个独立控制的高压源在腔体1-2施加压力P1、腔体1-3施加压力P2,并使P1与P2大小相等；

步骤六、单向拉伸试验：通过外接的高压源保持腔体1-2内部压力P1恒定，逐渐降低腔体1-3内部压力P2，腔体1-2和腔体1-3产生压差，压差产生的力推动活塞4向右运动，使试样产生拉伸变形，记录变形过程中不同时刻腔体1-2内部压力P2和顶杆26的位移△L，当腔体1-2内部压力P1和腔体1-3内部压力P2的压差达到驱动活塞4运动的最小压力Pm时，可确定拉伸试样断裂，拉伸结束；

步骤七、取出试样：外接的高原源回程，将腔体1-2和腔体1-3的压力卸载，端盖19和端盖2拆下，取出带有断裂试样的活塞14和活塞4，拧松螺栓5、螺栓9、螺栓22和螺栓23将两段金属板材试样24从所述锥形块中卸下；

步骤八、数据处理：根据腔体1-2恒定压力P1及连续获得的腔体1-3内的压力P2和拉伸位移△L，考虑活塞4与缸体1的摩擦力，根据活塞4的直径D及腔体内的压力，可计算出不同时刻的单向拉伸力

及试样横截面积根据拉伸力及横截面积即可获得不同时刻的应力

应变根据不同时刻的△L获得应变

将上述数据点连起来即可获得应力应变曲线；根据应力应变数据及σ=Kεⁿ即可求得硬化指数n;将断裂后的试样按照断口吻合好，测量试样变形后变形区的长度L1，根据

即可获得三维应力状态下的极限延伸率；重复上述步骤，通过控制压力P2来控制活塞位移△L，使单向拉伸时的延伸率在15-20%之间，取出试样，测量变形区宽度H'和变形区的长度L'，可分别获得宽度方向的应变

和厚度方向的应变

根据上述宽度和厚度方向的应变即可获得厚向异性指数

本实施方式中，腔体1-2内的压力P1起到施加法向压力、建立单向拉伸变形时的三维应力条件的作用，腔体1-3内的压力P2起到拉伸变形前平衡腔体1-2的压力P1及产生压力差、提供拉伸力的作用。通过施加不同的法向压力P1，可获得不同法向压力条件下的板材成形性能数据，可有效评估三维应力状态中法向应力对成形性能的影响。

实施例：

采用上述装置及所述方法对板材进行成形性能测试。材料为A1050铝合金，板材厚度为1mm，法向压力为100MP。在法向压力作用下，试样减薄得到抑制，塑性变形区域扩展，极限延伸率可由普通单向拉伸的15.2%提高到40.8%。结果表明，仅从极限延伸率这一指标来看，法向压力可提高板材成形性能，材料变形能力得到改善。

Claims (10)

1.三维应力状态下板材成形性能测试装置，其特征在于，所述测试装置包括包括缸体（1）、左端盖（19）、右端盖（2）以及位于缸体（1）内的左活塞（14）、右活塞（4）、左夹持件、右夹持件、第一导向支撑杆（13）和第二导向支撑杆（25）；

右端盖（2）安装在缸体（1）的右端上，右夹持件固装在右活塞（4）内且二者可一同沿缸体（1）内腔表面移动，左夹持件固装在左活塞（14）内且左活塞（14）安装在缸体（1）左端内腔中，左夹持件由左上半锥形块（22）和左下半锥形块（23）构成，左上半锥形块（22）和左下半锥形块（23）合在一起用于夹持板材试样（24）的左端并将板材试样（24）的左端固定在左活塞（14）上，右夹持件由右上半锥形块（12）和右下半锥形块（11）构成，右上半锥形块（12）和右下半锥形块（11）合在一起用于夹持板材试样（24）的右端并将板材试样（24）的右端固定在右活塞（4）上；左活塞（14）与缸体（1）的左端面限位连接，左端盖（19）安装在缸体（1）的左端上；

左活塞（14）、右活塞（4）之间设有第一导向支撑杆（13）和第二导向支撑杆（25）；缸体（1）侧壁与左活塞（14）和左夹持件二者的内端面、右活塞（4）和右夹持件二者的内端面构成第一密封腔体（1-2），缸体（1）的侧壁与右活塞（4）的外端面、右端盖（2）的内端面构成第二密封腔体（1-3）；第一密封腔体（1-2）和第二密封腔体（1-3）之间为右活塞（4）；在所述缸体（1）侧壁上设有与第一密封腔体（1-2）相通的第一液体注入孔（1-1），第一液体注入孔（1-1）用于与高压源连接，所述右端盖（2）上设有与第二密封腔体（1-3）相通的第二液体注入孔（2-1）；顶杆（26）穿过右端盖（2），顶杆（26）一部分位于第二密封腔体（1-3）内且其相应端与右活塞（4）连接，顶杆（26）另一部分位于伸出缸体（1）外部。

2.根据权利要求1所述的三维应力状态下板材成形性能测试装置，其特征在于：所述右活塞（4）内部与右夹持件配合的表面为由外向内渐扩圆锥面，右上半锥形块（12）和右下半锥形块（11）的锥角与右活塞（4）内部圆锥面的锥角相同；左活塞（14）内部与左夹持件配合的表面为由外向内渐扩圆锥面，左上半锥形块（22）和左下半锥形块（23）的锥角与左活塞（14）内部圆锥面的锥角相同。

3.根据权利要求2所述的三维应力状态下板材成形性能测试装置，其特征在于：所述左活塞（14）的外端面上设有台肩，实现与缸体（1）左端面的限位连接。

4.根据权利要求3所述的三维应力状态下板材成形性能测试装置，其特征在于：第一导向支撑杆（13）和第二导向支撑杆（25）与左活塞（14）螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的三维应力状态下板材成形性能测试装置，其特征在于：所述第一导向支撑杆（13）两端与左活塞（14）、右活塞（4）连接处分别设有第一左阶梯结构（13-1）、第一右阶梯结构（13-2）；所述第二导向支撑杆（25）两端与左活塞（14）、右活塞（4）连接处分别设有第二左阶梯结构（25-1）、第二右阶梯结构（25-2）。

6.根据权利要求5所述的三维应力状态下板材成形性能测试装置，其特征在于：所述顶杆（26）上与右活塞（4）连接处设有顶杆阶梯结构（26-1）。

7.根据权利要求7所述的三维应力状态下板材成形性能测试装置，其特征在于：所述顶杆（26）与右活塞（4）螺纹连接，所述顶杆（26）与位移传感器（28）连接。

8.一种利用权利要求1、2、3、4、5、6或7所述测试装置的三维应力状态下板材成形性能测试方法，其特征在于，所述测试方法的实现过程如下：

步骤一、活塞摩擦力测试：在单向拉伸过程中，右活塞（4）与缸体（1）之间由于密封（7，10）的存在，产生摩擦，加载在第一密封腔体（1-2）内的压力P1驱动无装夹板材试样的活塞（4）运动，可驱动活塞运动的最小压力Pm与活塞（4）横截面积的乘积既是活塞（4）与缸体（1）之间的摩擦力；

步骤二、制作金属板材试样：将原始厚度为t0的金属板材根据标准切割出长条形单向拉伸试样，板材试样中间部分的宽度小于其两端的宽度；

步骤三、夹紧金属板材试样；

步骤四、高压缸装配；

步骤五、缸体左右腔压力同步加载：通过第一液体注入孔（1-1）和第二液体注入孔（2-1）将第一密封腔体（1-2）和第二密封腔体（1-3）注入流体介质，通过两个独立控制的高压源在第一密封腔体（1-2）施加压力P1、第二密封腔体（1-3）施加压力P2,并使P1与P2大小相等；

步骤六、单向拉伸试验：保持第一密封腔体（1-2）内部压力P1恒定，逐渐降低第二密封腔体（1-3）内部压力P2，第一密封腔体（1-2）和第二密封腔体（1-3）产生压差，压差产生的力推动右活塞（4）运动，使板材试样（24）产生拉伸变形，记录不同时刻第二密封腔体（1-3）内部压力P2和顶杆（26）的位移△L，当第一密封腔体（1-2）内部压力P1和第二密封腔体（1-3）内部压力P2的压差达到驱动右活塞（4）的最小压力Pm时，拉伸试样断裂，拉伸结束；

步骤七、取出试样：将第一密封腔体（1-2）和第二密封腔体（1-3）的压力卸载，左端盖（19）和右端盖（2）拆下，取出左活塞（14）和右活塞（4），将金属板材试样（24）卸下；

步骤八、数据处理：根据第一密封腔体（1-2）恒定压力及连续获得的第二密封腔体（1-3）内的压力P2和拉伸位移△L，考虑右活塞（4）与缸体（1）的摩擦力，算出不同时刻的单向拉伸力

及试样横截面积

D为右活塞（4）的直径；

根据拉伸力及横截面积即可获得不同时刻的应力应变根据不同时刻的△L获得应变

将上述数据点连起来即可获得应力应变曲线；

根据应力应变曲线及σ=Kεⁿ即可求得硬化指数n;将断裂后的试样按照断口面吻合好，测量试样变形后变形区的长度L1，根据

即可获得三维应力状态下的极限延伸率；

重复步骤二到步骤七，通过控制压力P2来控制活塞位移△L，使单向拉伸时的延伸率在15-20%之间，取出试样，测量变形区宽度H'和变形区长度L'，可分别获得宽度方向的应变和厚度方向的应变

根据上述宽度和厚度方向的应变即可获得厚向异性指数

改变第一密封腔体（1-2）的压力P1，重复上述步骤，即可获得不同法向压力条件下的板材成形性能参数：极限延伸率、应力应变曲线和厚向异性指数。

9.根据权利要求8所述的三维应力状态下板材成形性能测试方法，其特征在于：在步骤二中，板材试样中间变形部分的原始宽度H0为3mm,板材试样变形区的长度L0为25mm；板材试样两端的宽度为23mm。

10.根据权利要求8或9所述的三维应力状态下板材成形性能测试方法，其特征在于：在步骤三中，夹紧金属板材试样的过程为：将金属板材试样（24）左端通过左上半锥形块（22）和左下半锥形块（23）夹持到左活塞（14）上，金属板材试样（24）右端通过半锥形块（11）和半锥形块（12）夹持到右活塞（4）上，顶杆（26）安装到右活塞（4）上；

在步骤四中，高压缸装配的过程为：安装右端盖（2），将夹持板材试样（24）的右活塞（4）和左活塞（14）、连同第一导向支撑杆（13）、第二导向支撑杆（25）和顶杆（26）从左侧水平装入缸体（1）内，顶杆（26）穿过右端盖（2）之后与位移传感器（28）连接，安装左端盖（19）。

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