CN103852388A - 一种金属板材热成形极限实验装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属板材热成形极限实验装置及测试方法，其包括：冲头（1），气体单向阀（2），密封箱（3），压边圈（4），凹模（6），凹模压杆密封圈（7），凹模液压泵（8），高速摄像头（9），进气管（10），红外感温装置（11），通气孔（12），照明灯（13），钢化玻璃（14），支架（15），电阻丝（16），压边圈支座（17），冲头液压泵连杆密封圈（18），密封箱支座（19），冲头液压泵（20）。本发明所述的热成形极限实验装置可以在实验过程中对试件加热，可以防止在外部加热试样再移到模具中所产生的误差。

Description

一种金属板材热成形极限实验装置及测试方法

技术领域

本发明涉及金属板材热成形加工领域，特别涉及一种金属板材热成形极限实验装置。

背景技术

高强钢通常是指冷轧抗拉强度在340MPa之上，热轧抗拉强度在370MPa之上或者屈服强度在210MPa之上的钢材。由于比强度高、防撞性能好，在同等安全条件下能够大幅度减轻汽车重量，因此在汽车制造业受到广泛关注。但是，高强钢板室温成形性差，易发生起皱、开裂等缺陷，因此，通常采用热成形工艺使其发生变形获得合格零件。

常温成形过程中，对于板材的成形性评价有多种办法，其中成形极限图（FLD）是判断和评定板材成形性能的最为简便和直观的方法，是解决板材冲压成形问题的一个非常有效的工具。FLD是由板材在不同应变路径下的局部失稳极限真实应变ε₁和ε₂构成的条带形区域，全面反映了板材在单向拉应力、双向拉应力、平面应变及中间状态作用下的成形极限。在板材成形中，板平面内的两主应变的任意组合，只要落在成形极限图中的成形极限曲线上，板材变形时就会产生破裂，反之则是安全。

然而，热冲压过程中涉及温度因素，而不同温度下材料的塑性变形规律有很大差别。通常来说，温度越高，材料塑性越好，屈服强度和抗拉强度越低，因此对于热冲压的成形极限而言，不能单纯的建立主应变和次应变的关系，而应考虑温度效应。传统的热成形极限图是由多个不同等温下的成形极限图共同组成，每个成形极限图为主应变和次应变构成，如公开日为：2012年6月12日，发明名称为“一种超高强度钢的热成形极限的模拟预测方法”的专利。其公开了一种超高强度钢的热成形瞬态成形极限的模拟预测方法，描述了材料在瞬态工艺下的主次应变。

实际情况下，热冲压件在变形过程中与模具接触降温，各个位置的温度均不同，呈梯度分布，若仍然采用传统成形极限图的建立方法，很难在传统成形极限图上评估成形件变温成形过程中的失稳情况。

平常的热冲压成形极限实验，往往是把工件在外部加热到需求温度，然后在规定时间内放置到模具中进行胀形实验。但这样金属板胀形实验时温度已经发生改变，并且冲头温度与试件温度相差非常大，在冲头和试件接触时会发生热传递，使得实验结果有较大误差。

尽管传统成形极限图能解决大部分金属板材成形工艺中成形性能的评价问题，其仍然存在局限性，迫切需要一种新的成形极限图来有效的评价高强钢板在热冲压成形过程中的成形性能，为实际冲压生产提供指导依据。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种金属板材热成形极限实验装置，不仅能解决传统成形极限图能解决的成形性能评价问题，还能提供一种可准确、方便评价高强钢板热成形过程中的起皱、破裂问题。

本发明的技术方案是：一种金属板材热成形极限实验装置，其包括：冲头，气体单向阀，密封箱，压边圈，凹模，凹模压杆密封圈，凹模液压泵，高速摄像头，进气管，红外感温装置，通气孔，照明灯，钢化玻璃，支架，电阻丝，压边圈支座，冲头液压泵连杆密封圈，密封箱支座，冲头液压泵，其特征在于：

冲头液压泵、密封箱支座以及支架固定在底座之上，冲头液压泵的活塞连杆上端具有螺纹，冲头与活塞连杆之间进行螺纹连接，压边圈支座两端设有凹槽，凹模上用凹模液压泵施加压边力，对试件进行压边；钢化玻璃安装于密封箱的顶部，电阻丝安装并固定于密封箱的内胆之上；高速摄像头、红外感温装置以及照明灯安置于横梁，并安装在支架上；气体单向阀与进气管安装在密封箱的壁上；液压泵连杆与密封箱之间设置有密封圈。

进一步地，压边圈支座下端的凹槽用于与密封箱支座进行配合，用于定位压边圈支座的位置；压边圈支座上端的凹槽与压边圈配合，用于确定压边圈的位置。

进一步地，密封箱前端设置能打开的带密封装置的门。

此外，本发明还提供了一种金属板材热成形极限实验装置进行测试的方法，其特征在于：

步骤1、首先将密封箱、冲头液压泵按照密封箱支座的位置装配好，将冲头拧紧于冲头液压泵连杆之上，密封箱支座顶部凸出，用于支撑压边圈支座；

步骤2、将压边圈支座放置于密封箱支座上；

步骤3、在试件上打上散斑；

步骤4、通过压边圈支座顶端的凹槽确定压边圈位置，进而确定试件、凹模的相对位置；

步骤5、将高速摄像头、红外感温装置、照明灯安置于摄像头支架上，高速摄像头沿着摄像头支架上下移动，完成自动对焦；

步骤6、胀形模具处于密封箱中，并通过进气管和通气孔向密封箱内通入比空气密度低的保护气体；由通气孔通入的保护气体将空气从气体单向阀中排出；

步骤7、通过密封箱内壁的电阻丝加热整个内部空间，并通过红外感温装置测量密封箱内温度；

步骤8、直接由高速摄像头在线测量实验过程中任意时刻试件表面的应力变化，采集出临界破裂发生时刻的应变值，作为绘制成形极限线的临界应变值。

本发明的有益效果在于：

1）本发明所述的热成形极限实验装置可以在实验过程中对试件加热，可以防止在外部加热试样再移到模具中所产生的误差。

2）本发明所述的热成形极限实验装置将冲头和试件都进行了加温，可以防止冲头与试件发生热传递而产生的误差。

3）本发明所述成形极限线上所需的主次应变值可直接通过数字图像相关（DIC）技术测量获得，即方便又快捷。

4）本发明所述密封箱中的模具可以进行更换，可在不同的拉延筋高度下进行试验。

5）通过以上技术方案，具有通过一次试验就可以完成寻找破裂的优势，并且本发明的一种高强钢板热成形三维成形极限图的建立方法，其在传统的成形极限图上增加了温度变量，能更直观及准确的判断高强钢板是否能成功成形。

附图说明

图1为本发明的一种高温成形极限实验装置的示意图；

图2为零件压边圈支座的正视剖面图及俯视图；

图3为一个密封箱支座的正视剖面图及俯视图；

图4为密封箱支座布置及密封箱轮廓示意图；

图5为400℃以下定义成形极限线所选4个点：单轴拉伸颈缩点（TE）、平面应变点（PS）、双等拉中间点（IM）、双等拉点（BI）；

图6为400～850℃试验条件下各温度的成形极限线；

图7为根据本发明提供的方法所建立的三维成形极限图；

图8为修改前，B柱在实验中，其主、次应变值及温度值在成形极限图中的位置；

图9为增大模具型面台阶处的圆角半径；

图10为修改后，B柱在实验中，其主、次应变值及温度值在成形极限图中的位置；

图中：1-冲头，2-气体单向阀，3-密封箱，4-压边圈，5-试件，6-凹模，7-凹模压杆密封圈，8-凹模液压泵，9-高速摄像头，10-进气管，11-红外感温装置，12-通气孔，13-照明灯，14-钢化玻璃，15-支架，16-电阻丝，17-压边圈支座，18-冲头杆密封圈，19-密封箱支座，20-冲头液压泵。

具体实施方式

下面结合附图1-10和实施例对本发明作详细说明。

为了得到高温成形极限线，并在保温和实验阶段保持稳定的温度，防止高强钢过度氧化，本发明提供的金属板材热成形极限实验装置，该装备包括：冲头1，气体单向阀2，密封箱3，压边圈4，试件5，凹模6，凹模压杆密封圈7，凹模液压泵8，高速摄像头9，进气管10，红外感温装置11，通气孔12，照明灯13，钢化玻璃14，支架15，电阻丝16，压边圈支座17，冲头液压泵连杆密封圈18，密封箱支座19，冲头液压泵20。

其中，冲头液压泵20、密封箱支座19以及支架15是焊接于底座之上。冲头液压泵的活塞连杆上端具有螺纹，冲头与活塞连杆之间进行螺纹连接，从而和液压泵可以进行动力传输。压边圈支座17两端都有凹槽，下端的凹槽用于与密封箱支座进行配合，可以定位压边圈支座的位置。上端的凹槽与压边圈4配合，确定压边圈的位置，同时试件5以及凹模6的位置也可以确定。凹模上用液压泵8施加压边力，对试件进行压边。钢化玻璃14安装与密封箱的顶部，与密封箱存在过盈配合。电阻丝16安装并固定于密封箱的内胆之上。密封箱前端有可打开的带密封装置门，可以对密封箱内部进行操作。高速摄像头9、红外感温装置11以及照明灯13安置在横梁上，并安装在支架15上，可以实现沿支架上下移动以及固定。气体单向阀2与进气管10安装在密封箱壁上，并能实现密封。各个液压泵连杆与密封箱之间都有密封圈（如凹模压杆密封圈7与冲头液压泵连杆密封圈18），以保证密封箱的密封性。

此外，本发明还提供了利用上述实验设备进行测试的方法，具体包括以下步骤：

步骤1、首先将密封箱3、冲头液压泵20按照密封箱支座19的位置装配好，将冲头1拧紧于冲头液压泵连杆之上。密封箱支座19顶部凸出，用于支撑压边圈支座。可以防止压边圈支座直接将力作用在密封箱壁上，从而导致密封箱变形。

步骤2、将压边圈支座17放置于密封箱支座19上。由图2可以看出，压边圈支座呈圆环状，如图4所示，根据4根密封箱支座就可以确定其相对位置。

步骤3、在试件5上打上散斑，散斑的物质是高温漆，材料是钨等耐高温材料。可以承受热成形时钢板的温度，可以有效防止在高温条件下高温漆脱落而引起失效。

步骤4、通过压边圈支座17顶端的凹槽确定压边圈4位置，从而试件5、凹模6的相对位置也能够确定。凹模顶部由凹模液压泵8提供压边力，其顶部由顶端板（图中未画出）进行固定。根据各个的实验需要，还能更换不同的压边圈拉延筋高度。

步骤5、将高速摄像头9、红外感温装置10、照明灯13安置于摄像头支架15上，高速摄像头沿着摄像头支架上下移动，完成自动对焦。

步骤6、胀形模具处于密封箱3中，并通过进气管10和通气孔12向密封箱内通入比空气密度稍低的保护气体，可以防止试件5和冲头1的氧化。

由通气孔12通入的保护气体会将空气从气体单向阀2中排出，可以有效防止密封箱内的模具和试件被氧化。

步骤7、通过密封箱内壁的电阻丝16加热整个内部空间，并通过红外感温装置11测量密封箱内温度。可以控制电流的大小，以达到控制温度的目的。

压边圈支座以及模具表面都进行了耐高温处理，表面覆盖有一层耐高温隔层。

由图1可以看出，冲头也被整体搁置于密封箱内。虽然冲头整体不能加热到高温，但可以保证冲头表面和工件温度接近。

步骤8、直接由高速摄像头9在线测量实验过程中任意时刻试件表面的应力变。采集出临界破裂发生时刻的应变值，作为绘制成形极限线的临界应变值。

基于本发明的实验装置，本发明还提供了一种高强钢板热成形极限图的建立方法，包括以下步骤：

步骤1.在密封箱3中将试件加热到950℃，并保温5分钟，使其完全奥氏体化，然后分别令其冷却到实验所需测量的900℃、800℃、700℃、600℃、500℃；

在400℃以上时，在奥氏体状态下变量大，可以直接用本发明的实验装置通过DIC可得到实时的应变，从而可得到对应温度的一条成形极限线。因此，该实施例中，分别加热再冷却到900℃、800℃、700℃、600℃、500℃，可获得对应温度下的成形极限线。

步骤2.利用在密封箱中的胀形模具，进行900℃、800℃、700℃、600℃、500℃温度下高强钢板单拉、双等拉、平面应变及中间状态的胀形实验；

步骤3.在Gleeble-3500热模拟机上将试件加热到950度，并保温5分钟，使其完全奥氏体化，再分别以大于临界冷却速度v_k冷却到实验所需温度400℃、300℃、20℃，以发生马氏体相变，进行单拉实验，测量其伸长率，通过计算得到对于温度在400℃、300℃、20℃的成形极限线；

当温度低于400℃以下时，材料会发生马氏体相变，而全马氏体状态下变形量很少，通过胀形实验获得400℃以下的成形极限线比较困难，因此需通过计算获得。

在本实验中，要测量的温度为400℃、300℃、20℃。

下面介绍400℃以下成形极限线的获得方法：

从图5可以看出，如果单轴拉伸颈缩点TE、平面应变点PS、双等拉中间点IM、双等拉点BI都已知；那么可以得到一条成形极限线。

单轴拉伸颈缩点（TE）可以用（1）、（2）式计算：

${\mathrm{\ϵ}}_2^{\mathrm{TE}}=-\frac{(0.0626\·A_{80}^{0.567}+(t-1)\·(0.12-0.0024\·A_{80}))\·0.797\·r^{0.701}}{\sqrt{(1+{(0.797\·r^{0.701})}^2)}}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_1^{\mathrm{TE}}=(1+0.797\·r^{0.701})\×\frac{(0.0626\·A_{80}^{0.567}+(t-1)\·(0.12-0.0024\·A_{80}))}{\sqrt{(1+{(0.797\·r^{0.701})}^2)}}---\left(2\right)$

式中，t为厚度，A₈₀为总伸长率，r为应变率,ε₁为主应变，ε₂为次应变。

对于平面应变点（PS），双等拉点（BI）式子可以描述为：

${\mathrm{\ϵ}}_1^{\mathrm{ps}}=0.0084\·A_{80}+0.0012\·A_{80}\·(t-1)---\left(3\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_1^{\mathrm{BI}}=0.00215\·A_{80}^{\min }+0.25+0.00285\·A_{80}^{\min }\·t---\left(4\right)$

式中，

是0°、45°、90°轧制方向上进行单拉实验得到的最小总伸长率。

双等拉中间点（IM）可以通过下式计算：

${\mathrm{\ϵ}}_1^{\mathrm{IM}}=0.0062\·A_{80}+0.18+0.0027\·A_{80}\·(t-1)---\left(5\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_2^{\mathrm{IM}}=0.75\·(0.0062\·A_{80}+0.18+0.0027\·A_{80}\·(t-1))---\left(6\right)$

以300℃作为实例说明计算过程。在Gleeble-3500热模拟机上将试件加热到950度，并保温5分钟，使其完全奥氏体化，再以大于临界冷却速度v_k冷却到300℃，进行单拉实验，测量总伸长率A₈₀。

测得300℃下的总伸长率A₈₀=22%；分别沿轧制方向成0°、45°、90°的方向进行单拉实验，测得最小总伸长率

应变率r=1。

将上面所得的数据分别代入（1）～（6）式，即：

单轴拉伸颈缩点（TE）：

${\mathrm{\ϵ}}_2^{\mathrm{TE}}=-\frac{(0.0626\×{22}^{0.567}+(1.5-1)\·(0.12-0.0024\×22))\×0.797\×1^{0.701}}{\sqrt{(1+{(0.797\×1^{0.701})}^2)}}=-0.25$

${\mathrm{\ϵ}}_1^{\mathrm{TE}}=(1+0.797\×1^{0.701})\×\frac{(0.0626\×{22}^{0.567}+(1.5-1)\·(0.12-0.0024\×22))}{\sqrt{(1+{(0.797\×1^{0.701})}^2)}}=0.55$

平面应变点（PS）：

${\mathrm{\ϵ}}_1^{\mathrm{ps}}=0.0084\×22+0.0012\×22\×(1.5-1)=0.198$

双等拉中间点（IM）：

${\mathrm{\ϵ}}_1^{\mathrm{IM}}=0.0062\×22+0.18+0.0027\×22\×(1.5-1)=0.346$

${\mathrm{\ϵ}}_2^{\mathrm{IM}}=0.75\×(0.0062\×22+0.18+0.0027\×22\×(1.5-1))=0.2595$

双等拉点（BI）：

${\mathrm{\ϵ}}_1^{\mathrm{BI}}={\mathrm{\ϵ}}_2^{\mathrm{BI}}=0.00215\×19+0.25+0.00285\×19\×1.5=0.372$

将以上所求得的点描绘到图中，再进行圆滑，即可得到400℃以下的成形极限线。

总而言之，在可变温度之下的成形极限线都可以根据实验和预测最终得到，如图6所示。

步骤4.采用差值方法在origin软件中将900℃、800℃、700℃、600℃、500℃、400℃、300℃、20℃成形极限线连接成曲面，定义为三维成形极限面。

步骤4中所述成形极限图存在三个坐标轴，X坐标轴为主应变，Y坐标轴为次应变，Z坐标轴为温度。

步骤4中所述成形极限图存在成形极限面，极限面以上区域定义为破裂区，极限面以下区域定义为安全区。材料在一定温度下的应变在图中对应的点，位于极限面以上判定为材料失稳，位于极限面一下判定为安全。

步骤4中所述成形极限图的成形极限面由多条成形极限线连接而成，每条成形极限线是由不同温度胀形试验获得的，每条成形极限线由不同应变状态共同组成，方法为将每个成形极限线由插值方法进行连接成面

采用准确的数值模型（Pamstamp-2G）进行典型件的热成形数值模拟，获得成形件各点应变值、温度值。

将成形件各点温度值与应变值放置于建立的成形极限面三维坐标轴中，在曲面以上的位置定义为破裂位置，曲面以下的位置为安全位置。

将各点在成形极限图中的位置映射到有限元后处理中，位于成形极限面上的点处于破裂的临界状态，成形极限面以上为破裂，成形极限面以下为安全，至此可以直观判定典型件各位置的破裂情况。

下面介绍根据上述方法建立的金属板材成形极限图的应用：

材料为BR1500HS高强钢板，成形件为B柱。

为了证明根据此方法所建立的热成形极限图的有效性，对真实产品B柱进行了危险区的冲压实验。实验中，对B柱进行冲压的力为6300kN。

拉深筋高度修改之前，B柱直壁处发生破裂，其主、次应变值及温度值在成形极限图中的位置如图4所示。

如图5所示，修改拉深筋高度，调试过程中将各处的拉深筋高度均减少二分之一，减小了拉深筋阻力。减小各转角处毛坯的尺寸，相对降低了该处的进料阻力。增大模具型面台阶处的圆角半径，使转角处进料趋于容易。

经过修改之后，B柱主、次应变值及温度值在成形极限图中的位置如图6所示。其应变点位置都处于成形极限面之下，不会发生破裂，能成功成形。

以上所述的具体实施方式，对本发明进行了进一步的详细说明，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明。本发明不仅用于高强钢，对其他金属材料依然可行。

Claims (4)

1.一种金属板材热成形极限实验装置，其包括：冲头（1），气体单向阀（2），密封箱（3），压边圈（4），凹模（6），凹模压杆密封圈（7），凹模液压泵（8），高速摄像头（9），进气管（10），红外感温装置（11），通气孔（12），照明灯（13），钢化玻璃（14），支架（15），电阻丝（16），压边圈支座（17），冲头液压泵连杆密封圈（18），密封箱支座（19），冲头液压泵（20），其特征在于：

冲头液压泵（20）、密封箱支座（19）以及支架（15）固定在底座之上，冲头液压泵（20）的活塞连杆上端具有螺纹，冲头与活塞连杆之间进行螺纹连接，压边圈支座（17）两端设有凹槽，凹模上用凹模液压泵（8）施加压边力，对试件进行压边；钢化玻璃（14）安装于密封箱（3）的顶部，电阻丝（16）安装并固定于密封箱（3）的内胆之上；高速摄像头（9）、红外感温装置（11）以及照明灯（13）安置于横梁，并安装在支架（15）上；气体单向阀（2）与进气管（10）安装在密封箱（3）的壁上；液压泵连杆与密封箱（3）之间设置有密封圈。

2.根据权利要求1所述的金属板材热成形极限实验装置，其特征在于：压边圈支座（17）下端的凹槽用于与密封箱支座进行配合，用于定位压边圈支座的位置；压边圈支座（17）上端的凹槽与压边圈（4）配合，用于确定压边圈的位置。

3.根据权利要求1所述的金属板材热成形极限实验装置，其特征在于：密封箱（3）前端设置能打开的带密封装置的门。

4.一种利用权利要求1所述的金属板材热成形极限实验装置进行测试的方法，其特征在于：

步骤1、首先将密封箱（3）、冲头液压泵（20）按照密封箱支座（19）的位置装配好，将冲头（1）拧紧于冲头液压泵连杆之上，密封箱支座（19）顶部凸出，用于支撑压边圈支座；

步骤2、将压边圈支座（17）放置于密封箱支座（19）上；

步骤3、在试件（5）上打上散斑；

步骤4、通过压边圈支座（17）顶端的凹槽确定压边圈（4）位置，进而确定试件（5）、凹模（6）的相对位置；

步骤5、将高速摄像头（9）、红外感温装置（10）、照明灯（13）安置于摄像头支架（15）上，高速摄像头沿着摄像头支架上下移动，完成自动对焦；

步骤6、胀形模具处于密封箱（3）中，并通过进气管（10）和通气孔（12）向密封箱内通入比空气密度低的保护气体；由通气孔（12）通入的保护气体将空气从气体单向阀（2）中排出；

步骤7、通过密封箱内壁的电阻丝（16）加热整个内部空间，并通过红外感温装置（11）测量密封箱内温度；

步骤8、直接由高速摄像头（9）在线测量实验过程中任意时刻试件表面的应力变化，采集出临界破裂发生时刻的应变值，作为绘制成形极限线的临界应变值。

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