CN104034298B - 金属材料扩孔率的精确测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属材料扩孔率的精确测定方法，它包括1控制金属材料成形试验机的冲头置于待测金属板料的原始孔中；2控制冲头对待测金属板料的原始孔进行扩孔，控制压边力范围为50～200kN，控制冲压速度的范围为0.5～2.0mm/s；3当金属材料成形试验机的冲头的冲顶力下降200～500N时，控制金属材料成形试验机停止对待测金属板料的原始孔的扩孔试验；4获取冲顶力与冲头的位移曲线，读出冲头的最大冲顶力对应的冲头位移，测量得到扩孔试验后待测金属板料的孔高；5计算待测金属板料的原始孔扩孔后的孔径：6计算待测金属板料的原始孔的极限扩孔率λ。本发明能全面真实地反映金属板材的扩孔性能。

Description

金属材料扩孔率的精确测定方法

技术领域

本发明涉及金属薄板扩孔性能的测量领域，具体地指一种金属材料扩孔率的精确测定方法。

背景技术

扩孔试验方法(GB/T24524：2009)是一种评定金属薄板和薄带扩孔成形性能的试验方法。其原理是首先在试样上冲制圆孔，然后将规定形状和尺寸的圆锥形扩孔凸模顶入金属薄板试样的冲制圆孔进行扩孔试验，直至圆孔边缘出现穿透试样厚度的裂纹，停止试验，测定圆孔直径的扩展量与圆孔初始直径的比率，即极限扩孔率，该极限扩孔率作为评判金属薄板扩孔性能的一种性能指标。

但按照标准试验方法在现有金属材料成形试验机上进行试验时，测量结果较分散，同一材料同一条件下测得的扩孔率相差5％左右，甚至达到10％以上。原标准试验方法中，规定当出现穿透试样厚度的裂纹时，立即停止扩孔凸模的运动，打开模具取出试样，测量此时试样的圆孔直径，然而进行人工观察穿透裂纹的操作，由于穿透裂纹的操作由人工观察进行，该过程不能通过量化来控制，从而导致测得的扩孔率结果分散；另外，当人为观察到穿透裂纹而立刻停止试验时，材料早失效(扩孔率应是材料开始产生失效时测量到的扩孔率。材料颈缩和开裂都属于材料的失效.材料的变形过程中,经历塑性形变、颈缩到开裂的过程。当人眼观察到开裂时，材料已经经历了颈缩过程，所以测量开裂时的扩孔率大于材料的实际扩孔率)，此时所测扩孔率大于材料的实际扩孔率。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种金属材料扩孔率的精确测定方法，该方法能全面真实地反映金属板材的扩孔性能，实用性强，整个测定过程操作简单。

为实现此目的，本发明所设计的金属材料扩孔率的精确测定方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将标准扩孔试验模具安装在现有金属材料成形试验机上，将现有金属材料成形试验机的冲头的圆锥部分涂润滑脂，测量待测金属板料的原始孔的孔径D₀，并将待测金属板料置于压模与垫模之间，然后控制金属材料成形试验机的冲头置于待测金属板料的原始孔中；

步骤2：控制金属材料成形试验机的冲头对上述待测金属板料的原始孔进行扩孔试验，在该扩孔试验过程中，控制金属材料成形试验机的压边力范围为50kN～200kN，同时，控制金属材料成形试验机的冲头的冲压速度的范围为0.5mm/s～2.0mm/s；

步骤3：在金属材料成形试验机的冲头对上述待测金属板料的原始孔进行扩孔试验的过程中，当金属材料成形试验机的冲顶力下降200N～500N时，控制金属材料成形试验机停止对待测金属板料的原始孔的扩孔试验；

步骤4：从金属材料成形试验机中获取上述扩孔试验过程中冲头的冲顶力与冲头的位移曲线，并读出冲头的最大冲顶力对应的冲头位移s，同时测量得到扩孔试验后待测金属板料的孔高h；

步骤5：利用如下公式计算待测金属板料的原始孔扩孔后的孔径D_h：

其中，s为冲头的最大冲顶力对应的冲头位移，h为扩孔试验后待测金属板料的孔高，t为待测金属板料的厚度，D₀为待测金属板料的原始孔的孔径；

步骤6：利用如下公式计算待测金属板料的原始孔的极限扩孔率λ：

其中，s为冲头的最大冲顶力对应的冲头位移，h为扩孔试验后待测金属板料的孔高，t为待测金属板料的厚度，D₀为待测金属板料的原始孔的孔径，D_h为待测金属板料的原始孔扩孔后的孔径。

进一步地，所述步骤2在该扩孔试验过程中，控制金属材料成形试验机的压边力为100kN，同时，控制金属材料成形试验机的冲头的冲压速度为1.0mm/s。

进一步地，所述步骤3中当金属材料成形试验机的冲头的冲顶力下降300N时，控制金属材料成形试验机停止对待测金属板料的原始孔的扩孔试验。

更进一步地，所述现有金属材料成形试验机的冲头为60度的圆锥。

本发明通过设计上述操作步骤，能科学真实准确地反映金属薄板的扩孔性能，消除了传统扩孔试验方法中，由于采用人工观察扩孔的穿透裂纹，导致的扩孔过程没有量化控制，扩孔率结果分散的技术问题，另外，还有效解决了人为观察到穿透裂纹而立刻停止试验时，材料已失效造成的所测扩孔率大于材料的实际扩孔率的情况。

本发明可作为金属薄板生产和应用的指导性的性能指标；试验方法操作简单，实用性强，具有很强的推广应用价值。

附图说明

图1为扩孔试验过程中冲头的冲顶力与冲头的位移曲线；

图2为扩孔试验前的结构示意图；

图3为扩孔试验后的结构示意图；

其中，1—金属材料成形试验机的冲头、2—待测金属板料、3—压模、4—垫模、5—原始孔

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

技术人员在应用现有扩孔试验方法时，发现当待测金属板料孔缘即将开裂时，会有力值衰减现象出现，见图1，所以可以利用这一特性实现扩孔试验裂缝的自动判断。分析图1，冲顶力达到最大值后开始下降时，即出现穿透裂纹。基于这些特点设计了如下能更准确获得扩孔率的方案。

一种金属材料扩孔率的精确测定方法，如图2和图3所示，它包括如下步骤：

步骤1：将标准扩孔试验模具安装在现有金属材料成形试验机上，将现有金属材料成形试验机的冲头1的圆锥部分涂润滑脂，测量待测金属板料2的原始孔5的孔径D₀，并将待测金属板料2置于压模3与垫模4之间，然后控制金属材料成形试验机的冲头1置于待测金属板料2的原始孔5中；

步骤2：控制金属材料成形试验机的冲头1对上述待测金属板料2的原始孔5进行扩孔试验，在该扩孔试验过程中，控制金属材料成形试验机的压边力范围为50kN～200kN(上述压边力的设计能很好的压紧边部材料，限制边部材料向中心流动，边部材料的流动会影响最终测量结果)，同时，控制金属材料成形试验机的冲头1的冲压速度的范围为0.5mm/s～2.0mm/s(经过试验分析该冲压速度下待测金属板料不会产生明显的应变速率效应，保证了扩孔率结果的准确，当冲压速度小于2.0mm/s时，孔缘裂纹自动控制是可控的)；

步骤3：在金属材料成形试验机的冲头1对上述待测金属板料2的原始孔5进行扩孔试验的过程中，当金属材料成形试验机的冲顶力下降200N～500N时(冲顶力下降力值不宜过大，过大会扩大孔缘裂纹)，控制金属材料成形试验机停止对待测金属板料2的原始孔5的扩孔试验；

步骤4：从金属材料成形试验机中获取上述扩孔试验过程中冲头的冲顶力与冲头的位移曲线，并读出冲头的最大冲顶力对应的冲头位移s，同时测量得到扩孔试验后待测金属板料2的孔高h；

步骤5：利用如下公式计算待测金属板料的原始孔扩孔后的孔径D_h：

其中，s为冲头的最大冲顶力对应的冲头位移，h为扩孔试验后待测金属板料的孔高，t为待测金属板料的厚度，D₀为待测金属板料的原始孔的孔径；

步骤6：利用如下公式计算待测金属板料的原始孔的极限扩孔率λ：

其中，s为冲头的最大冲顶力对应的冲头位移，h为扩孔试验后待测金属板料的孔高，t为待测金属板料的厚度，D₀为待测金属板料的原始孔的孔径，D_h为待测金属板料的原始孔扩孔后的孔径。

上述技术方案中，现有金属材料成形试验机的冲头为60度的圆锥。

为验证改进的扩孔试验方法的科学性，对双相钢、低合金高强钢等进行传统扩孔试验方法和本发明记载的方法的对比。

(1)传统扩孔试验方法

标准试验方法中，通过人为观察到穿透裂纹时停止试验，而后取出试样，直接测量试样破裂后的圆孔内径D_h，则极限扩孔率

D₀为原始孔径。然而事实上，当人为观察到穿透裂纹而立刻停止试验时，其实材料早已失效，即出现穿透裂纹，此时所测扩孔率大于材料的实际扩孔率。

(2)本发明的金属材料扩孔率的精确测定方法

如图1所示，随着冲头的不断前进，冲顶力在增加，待测金属板料的原始孔的孔缘发生塑性变形，孔径在增加，当孔缘塑性变形经过颈缩到失效时，即出现裂纹，此时，金属材料成形试验机的冲头的冲顶力急剧下降，也既是冲顶力出现下降时，孔缘即出现裂纹，最大冲顶力对应点，即为待测金属板料失效点，出现裂纹点。

根据这一特性，还可根据冲头的冲顶力与冲头的位移曲线自动判断初始穿透裂纹，并根据冲头位移和扩孔后的孔高得出极限扩孔率。

开始冲孔试验之前，控制金属材料成形试验机的冲头置于待测金属板料的原始孔中，与原始孔精密结合，随着冲头的不断前进，原始孔周围的材料随着冲头的运动发生塑性变形，原始孔的孔径在不断增加，孔高也在增加。

试验结束后，读出冲头的最大冲顶力对应的冲头位移s，同时测量得到扩孔试验后待测金属板料的孔高h，冲头相对于试样的绝对位移为s-(h-t)，t为待测金属板料的厚度。由于冲头为60度的圆锥，所以原始孔扩孔后的孔径D_h为：

原始孔的极限扩孔率λ为：

综上分析，本方法计算的扩孔率更科学，更能反应材料的实际扩孔性能。

(3)实测结果对比

对不同材料应用标准试验方法和本试验方法进行扩孔试验，试验结果见表1。试验参数设置，所述步骤2在该扩孔试验过程中，控制金属材料成形试验机的压边力为100kN，同时，控制金属材料成形试验机的冲头的冲压速度的范围为1.0mm/s。所述步骤3中当金属材料成形试验机的冲头的冲顶力下降300N时，控制金属材料成形试验机停止对待测金属板料的原始孔的扩孔试验。

由表1可知，1)本方法测得的扩孔率稳定性优良，同材料同试验条件下测得扩孔率相差不到1.5％，而原标准方法测得扩孔率相差达到6％以上，稳定性差；2)本方法测得的扩孔率小于原标准方法测得的扩孔率，反映了材料的实际扩孔性能。

由于通过人为观察穿透裂纹，很难准确且量化的判断孔缘裂纹，因此往往等发现裂纹停止试验时，材料早已产生裂纹而失效，本方法通过冲顶力下降范围的选择不但能自动判断孔缘裂纹，自动停止试验，而且能使孔缘裂纹量化，确保孔缘一旦产生裂纹，冲顶力下降一定值立刻停止试验，从而使测得的扩孔率具有优良的稳定性。其次，本方法计算所得的扩孔率为裂纹产生时刻的材料扩孔率，反映了材料的实际扩孔率，因此小于标准方法所得扩孔率。

表1不同试验方法测得扩孔率对比

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种金属材料扩孔率的精确测定方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将标准扩孔试验模具安装在现有金属材料成形试验机上，将现有金属材料成形试验机的冲头的圆锥部分涂润滑脂，测量待测金属板料的原始孔的孔径D₀，并将待测金属板料置于压模与垫模之间，然后控制金属材料成形试验机的冲头置于待测金属板料的原始孔中；

步骤2：控制金属材料成形试验机的冲头对上述待测金属板料的原始孔进行扩孔试验，在该扩孔试验过程中，控制金属材料成形试验机的压边力为100kN，同时，控制金属材料成形试验机的冲头的冲压速度的为1.0mm/s；

步骤3：在金属材料成形试验机的冲头对上述待测金属板料的原始孔进行扩孔试验的过程中，当金属材料成形试验机的冲顶力下降200N～500N时，控制金属材料成形试验机停止对待测金属板料的原始孔的扩孔试验；

步骤4：从金属材料成形试验机中获取上述扩孔试验过程中冲头的冲顶力与冲头的位移曲线，并读出冲头的最大冲顶力对应的冲头位移s，同时测量得到扩孔试验后待测金属板料的孔高h；

步骤5：利用如下公式计算待测金属板料的原始孔扩孔后的孔径D_h：

$D_h=\frac{s-\left(h-t\right)}{\sqrt{3}}\×2+D_0---\left(1\right)$

其中，s为冲头的最大冲顶力对应的冲头位移，h为扩孔试验后待测金属板料的孔高，t为待测金属板料的厚度，D₀为待测金属板料的原始孔的孔径；

步骤6：利用如下公式计算待测金属板料的原始孔的极限扩孔率λ：

$\mathrm{\λ}=\frac{D_h-D_0}{D_0}\×100=\frac{s-\left(h-t\right)}{\sqrt{3}}\×\frac{2+D_0-D_0}{D_0}\×100---\left(2\right)$

其中，s为冲头的最大冲顶力对应的冲头位移，h为扩孔试验后待测金属板料的孔高，t为待测金属板料的厚度，D₀为待测金属板料的原始孔的孔径，D_h为待测金属板料的原始孔扩孔后的孔径；

所述现有金属材料成形试验机的冲头为60度的圆锥。

2.根据权利要求1所述的金属材料扩孔率的精确测定方法，其特征在于：所述步骤3中当金属材料成形试验机的冲头的冲顶力下降300N时，控制金属材料成形试验机停止对待测金属板料的原始孔的扩孔试验。