CN104181053A - 一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置及方法，装置包括密闭箱体、拉伸装置、流体压力系统、加热系统、冷却系统、压力测量系统、温度测量装置和数据采集处理装置。本发明提出的板材起皱试验装置利用高压油液对板材提供厚向应力，扩展了起皱试验的试验条件；该装置的油液压力可调，适用于各种流体压力环境；试验装置能对试样和油液进行加热和恒温控制，调节精度高，升温快，效率高；并且具有冷却系统，在高温试验时能对箱体进行必要的冷却，提高试验装置的使用寿命；起皱试验方法创新性的提出了两种度量指标，一种是油腔内压力—拱曲高度曲线，一种是起皱系数，试验结果能够总结出材料的起皱性能与温度、油液压力间的定性关系。

Description

一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置及方法

技术领域

本发明属于热介质成形技术及材料试验技术领域，具体涉及一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置及方法。

背景技术

热介质成形技术是21世纪初期得到迅速发展，成为最具创新性的塑性成形技术之一。热介质成形采用温热流体介质作为传力介质，并以此代替部分模具成形零件的一种制造方法。热介质成形具有热成形与流体成形的双重优点，在流体压力诱导的厚向应力参与下，材料的塑性和延展性显著提高，屈服强度迅速下降，破裂倾向减小，鉴于这些优点，越来越多的研究者对热介质成形技术展开了更深入的研究工作。板材在成形过程中会出现起皱、破裂等缺陷，国内外研究者也在为解决板材在成形过程中的缺陷而努力。材料的抗皱性能是材料的一个重要成形性能，常温状态下已经有吉田青太试验作为材料的评估标准，而在热流体介质提供厚向应力作用的成形环境中对材料进行抗皱性能测试还是一个难题，也没有进行相应测试的试验装置和评估标准。

常规研究材料抗皱性能的方法是吉田青太方板拉伸试验，一般对100×100mm的方板沿对角轴线进行拉伸，夹持宽度为40mm，拉伸后根据起皱高度、皱纹分布、拉伸点变形量、载荷等数据来分析材料的抗皱性能。这是常规的起皱试验方法，不适用于流体压力提供厚向应力作用下的板材的抗皱性能测试，且对高温环境下材料的抗皱性能测试不具备通用性。

发明内容

本发明的目的是为了解决常规实验方法不适用于流体压力提供厚向应力作用下的板材的抗皱性能测试，和高温环境下材料的抗皱性能测试。本发明在常规实验方法的基础上进行改进，提出了一种高温流体提供厚向应力的起皱试验装置，并配合试验装置提出了一套材料抗皱性能评估标准。

一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，包括密闭箱体、拉伸装置、流体压力系统、加热系统、冷却系统、压力测量系统、温度测量装置和数据采集处理装置；

密闭箱体包括箱体、固定模具、箱体盖板、闭合油缸和垫块；箱体中心具有凹腔，凹腔分为上、下两个部分，下部凹腔侧面开有凹槽，上部凹腔两个对称侧面分别设有一个拉伸杆安装孔，每个拉伸杆安装孔与一个拉伸杆配合；上部凹腔另外两个对称侧面分别设有一个固定模具，用来夹持和固定试验板材；箱体盖板和箱体固定连接，箱体盖板与箱体之间设有高温密封圈，箱体底部固定在垫块上，垫块安装固定在机架上；

设有两套拉伸装置，对称设置，两个拉伸杆处于同一条直线上，拉伸装置包括主缸、活塞、拉伸杆、支撑块、试件夹头和位移传感器；拉伸杆水平穿透箱体的拉伸杆安装孔，位于工作腔内部的拉伸杆的端头通过固定有试件夹头，用于连接并预紧方板试验件，拉伸杆的另一端均位于箱体外，连接活塞，活塞设置在主缸中，支撑块固定在箱体的外壁表面，用于支撑拉伸杆；主缸固定在底座上，底座和机架连接在一起；在拉伸杆上设置有位移传感器，用于测量试验时的拉伸位移；

加热系统包括保温层、加热单元和防溅隔板；保温层、加热单元和防溅隔板依次安装在密闭箱体的下部凹腔的凹槽中，防溅隔板与上部凹腔的内部侧壁相平齐，并与凹腔的底部内壁、上部凹腔的内部侧壁之间分别进行固定，使保温层、加热单元和防溅隔板之间形成加热室，上部凹腔的内部侧壁、防溅隔板的外壁、凹腔的底部内壁与箱体盖板内壁之间形成工作腔；

流体压力系统包括流体压力产生装置和溢流阀；流体压力产生装置包括低压腔和高压腔，高压腔通过高压管路与工作油腔相连，流体压力产生装置将高压流体压入工作油腔，低压腔与溢流阀连接，通过设定溢流阀的压力，控制工作油腔中的压力；

压力测量系统通过高压管路与工作油腔相通，固定在箱体外壁上，用于测量试验时油腔中的实际压力；

温度测量装置固定在箱体外壁上，热电偶伸入工作油腔中用于测量工作油腔中的实际温度；

在箱体壁上开出冷却水孔，通循环冷却水对箱体外壁进行冷却，形成冷却系统；

数据采集处理装置通过线路分别与压力测量系统、温度测量装置连接，用于实时采集、处理和显示试验过程中的压力和温度数据。

应用上述装置在厚向应力作用下的板材起皱试验方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：准备多组100×100mm的方板试样，试样分为两个固定区和两个夹持区，固定区在箱体内的固定模具上固定，夹持区在试件夹头上夹持固定，夹持宽度均为40mm，在试样的拉伸轴线上标记出长度为75mm的测量基准区，拉伸时的相对伸长记为λ₇₅；

步骤二：将箱体盖板与箱体装配在一起并且固定，盖板与箱体间用高温密封圈密封，驱动闭合油缸，使油缸产生压力压紧箱体盖板，保证工作油腔处于密封状态；

步骤三：开启流体压力产生装置，将低压油液注入工作油腔，然后关闭流体压力产生装置，开启加热系统，对油液进行加热，通过油液的热传导将试样加热到预定温度；

步骤四：开启数据采集和处理装置，再次开启流体压力产生装置，调节溢流阀压力，使高压流体充满工作油腔，流体压力作用在试样上，为板材提供厚向应力环境，同时开启冷却系统，对箱体进行冷却；

步骤五：驱动两个主缸，两个拉伸杆对试样进行拉伸，位移传感器记录拉伸长度，当相对拉伸长度λ₇₅＝1％时，停止拉伸，试验停止；

步骤六：关闭加热系统和流体压力产生装置，停止驱动主缸，通过驱动低压腔内的活塞向后移动，对工作腔进行泄压，驱动闭合油缸回程；

步骤七：待系统冷却到室温，打开箱体盖板，取出试样；

步骤八：更换试样进行试验，重复步骤二至步骤七，改变工作油腔内压力重复试验；

步骤九：试验完成后工作油腔内油液回流并收集，关系冷却系统；

步骤十：对试样进行简单清理，进行数据处理，取中心跨b＝25mm内的拱曲高度为h值；试验结果用两个指标来度量：

(1)在一定的温度下，用多组试样分别设置不同的油腔内压力进行试验，绘制出油腔内压力—拱曲高度曲线，以此曲线判断材料的起皱趋势；

(2)提出起皱系数作为抗皱性的评估指标，即L_λ越大，材料的抗皱性越差，也就是材料越容易起皱，式中，p为油液压力，p_m为板材不起皱时油液的临界压力。

本发明的优点在于：

(1)本发明所述的装置能够测量板材在厚向应力作用下的起皱性，试验中使用高压油液对板材提供厚向应力，扩展了起皱试验的试验条件；

(2)本发明所述的装置中的流体压力能够调节，适用各种流体压力环境；

(3)本发明所述的装置具有加热系统，能够对试样和油液进行加热和恒温控制，温度调节精度高，升温快，效率高；

(4)本发明所述的装置需要在试验过程中进行冷却，其冷却系统与箱体壁上的冷却管道相连，防止试验过程中箱体温度过高而损坏箱体和试验设备，提高装置的使用寿命；

(5)本发明所述的起皱试验方法，创新性的提出了两种度量指标，一种是油腔内压力—拱曲高度曲线，一种是起皱系数；这两种指标需要大量的基础试验作为数据基础，其试验结果能够揭示温度、油液压力等因素对材料起皱性能的影响，并总结材料的起皱性能与温度、油液压力间的定性关系，对日后零件成形过程具有指导意义。

附图说明

图1为本发明的起皱试验原理示意图；

图2为本发明的起皱试验装置结构示意图；

图3为本发明的起皱试验装置A-A剖视图；

图中：

1—垫块               2—防溅隔板            3—加热单元

4—保温层             5—主缸                6—主缸活塞

7—拉伸杆             8—支撑块              9—高温密封圈

10—箱体盖板          11—闭合油缸           12—螺栓

13—螺母              14—位移传感器         15—试件夹头

16—冷却水孔          17—箱体               18—压力测量装置

19—数据采集装置      20—温度测量装置       21—固定模具

22—高压腔            23—流体压力产生装置   24—低压腔

25—溢流阀

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，如图2、图3所示，包括密闭箱体、拉伸装置、流体压力系统、加热系统、冷却系统、压力测量系统18、温度测量装置20和数据采集处理装置19。

密闭箱体包括箱体17、固定模具21、箱体盖板10、闭合油缸11和垫块1；

箱体17中心具有凹腔，凹腔分为上、下两个部分，下部凹腔侧面开有凹槽，用来固定和安装加热系统，上部凹腔两个对称侧面分别设有一个拉伸杆安装孔，每个拉伸杆安装孔与一个拉伸杆7配合；上部凹腔另外两个对称侧面分别设有一个固定模具21，用来夹持和固定试验板材；箱体盖板10和箱体17通过螺栓12和螺母13固定；箱体盖板10与箱体17之间设有高温密封圈9，闭合油缸11施加压力作用于箱体盖板10上，使箱体17的凹腔处于密闭状态；箱体17底部固定在垫块1上，垫块1安装固定在机架上。

本发明设有两套拉伸装置，对称设置，两个拉伸杆7处于同一条直线上，以一个拉伸装置进行说明：

拉伸装置包括主缸5、活塞6、拉伸杆7、支撑块8、试件夹头15和位移传感器14；

拉伸杆7水平穿透箱体17的拉伸杆安装孔，并与箱体17的连接处进行密封处理，位于工作腔内部的拉伸杆7的端头通过螺栓固定有试件夹头15，用于连接并预紧方板试验件，拉伸杆7的另一端均位于箱体17外，连接活塞6，活塞6设置在主缸5中，支撑块8通过焊接固定在箱体17的外壁表面位于拉伸杆7下方处，用于支撑拉伸杆7；主缸5通过螺栓固定在底座上，底座和机架连接在一起；在拉伸杆7上设置有位移传感器14，用于测量试验时的拉伸位移。

加热系统包括保温层4、加热单元3和防溅隔板2；

保温层4、加热单元3和防溅隔板2依次安装在密闭箱体的下部凹腔的凹槽中，防溅隔板2与上部凹腔的内部侧壁相平齐，并与凹腔的底部内壁、上部凹腔的内部侧壁之间分别进行固定，使保温层4、加热单元3和防溅隔板2之间形成加热室，上部凹腔的内部侧壁、防溅隔板2的外壁、凹腔的底部内壁与箱体盖板10内壁之间形成工作腔，防溅隔板2用于将加热室与工作腔隔开，防止高压流体进入加热室。

流体压力系统包括流体压力产生装置23和溢流阀25；

流体压力产生装置23包括低压腔24和高压腔22，高压腔22通过高压管路与工作油腔相连，流体压力产生装置23能将高压流体压入工作油腔；低压腔24与溢流阀25连接，通过设定溢流阀25的压力，间接控制工作油腔中的压力。

压力测量系统18通过高压管路与工作油腔相通，用螺栓固定在箱体17外壁上，用于测量试验时油腔中的实际压力。

温度测量装置20用螺栓固定在箱体17外壁上，热电偶伸入工作油腔中用于测量工作油腔中的实际温度。

在箱体17壁上开出冷却水孔16，通循环冷却水对箱体17外壁进行冷却，形成冷却系统。

数据采集处理装置19通过线路分别与压力测量系统18、温度测量装置20连接，用于实时采集、处理和显示试验过程中的压力和温度数据。

所述的加热单元采用加热管或电阻丝。

所述的流体压力产生装置和溢流阀设置1～2套。

所述的流体压力产生装置为增压器、倍加器、放大器、手动泵、电动泵、普通油缸、伺服油缸、普通气缸、伺服气缸、数字油缸或数字气缸。

所述的主缸为伺服油缸。

所述的闭合油缸为伺服油缸或普通油缸。

应用一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置在厚向应力作用下的板材起皱试验方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：准备多组100×100mm的方板试样，如图1(a)所示，试样分为两个固定区和两个夹持区，固定区在箱体内的固定模具21上固定，夹持区在试件夹头15上夹持固定，夹持宽度均为40mm，在试样的拉伸轴线上标记出长度为75mm的测量基准区，拉伸时的相对伸长记为λ₇₅。

步骤二：将箱体盖板10与箱体17装配在一起，盖板10与箱体17间用高温密封圈9密封，并用螺栓12和螺母13固定，驱动闭合油缸11，使油缸产生压力压紧箱体盖板10，保证工作油腔处于密封状态。

步骤三：开启流体压力产生装置23，将一定量的低压油液注入工作油腔，然后关闭流体压力产生装置23；开启加热系统，对油液进行加热，通过油液的热传导将试样加热到合适的温度。

步骤四：开启数据采集和处理装置19；再次开启流体压力产生装置23，调节溢流阀25压力，使高压流体充满工作油腔，流体压力作用在试样上，为板材提供厚向应力环境；同时开启冷却系统，对箱体17进行冷却。

步骤五：驱动两个主缸5，两个拉伸杆7对试样进行拉伸，位移传感器14记录拉伸长度，当相对拉伸长度λ₇₅＝1％时，停止拉伸，试验停止。

步骤六：关闭加热系统和流体压力产生装置23，停止驱动主缸，通过驱动低压腔24内的活塞向下移动，对工作腔进行泄压，驱动闭合油缸11回程。

步骤七：待系统冷却到室温，打开箱体盖板10，取出试样。

步骤八：更换试样进行试验，重复步骤二至步骤七，改变工作油腔内压力重复试验。

步骤九：试验完成后工作油腔内油液回流并收集，关系冷却系统。

步骤十：对试样进行简单清理，进行数据处理，如原理图1(b)所示，取中心跨b＝25mm内的拱曲高度为h值。试验结果可用两个指标来度量：

(1)在一定的温度下，用多组试样分别设置不同的油腔内压力进行试验，绘制出油腔内压力—拱曲高度曲线，以此曲线判断材料的起皱趋势；

(2)提出起皱系数作为抗皱性的评估指标，即L_λ越大，材料的抗皱性越差，也就是材料越容易起皱，式中，p为油液压力，p_m为板材不起皱时油液的临界压力。

Claims (8)

1.一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，包括密闭箱体、拉伸装置、流体压力系统、加热系统、冷却系统、压力测量系统、温度测量装置和数据采集处理装置；

密闭箱体包括箱体、固定模具、箱体盖板、闭合油缸和垫块；箱体中心具有凹腔，凹腔分为上、下两个部分，下部凹腔侧面开有凹槽，上部凹腔两个对称侧面分别设有一个拉伸杆安装孔，每个拉伸杆安装孔与一个拉伸杆配合；上部凹腔另外两个对称侧面分别设有一个固定模具，用来夹持和固定试验板材；箱体盖板和箱体固定连接，箱体盖板与箱体之间设有高温密封圈，箱体底部固定在垫块上，垫块安装固定在机架上；

设有两套拉伸装置，对称设置，两个拉伸杆处于同一条直线上，拉伸装置包括主缸、活塞、拉伸杆、支撑块、试件夹头和位移传感器；拉伸杆水平穿透箱体的拉伸杆安装孔，位于工作腔内部的拉伸杆的端头通过固定有试件夹头，用于连接并预紧方板试验件，拉伸杆的另一端均位于箱体外，连接活塞，活塞设置在主缸中，支撑块固定在箱体的外壁表面，用于支撑拉伸杆；主缸固定在底座上，底座和机架连接在一起；在拉伸杆上设置有位移传感器，用于测量试验时的拉伸位移；

加热系统包括保温层、加热单元和防溅隔板；保温层、加热单元和防溅隔板依次安装在密闭箱体的下部凹腔的凹槽中，防溅隔板与上部凹腔的内部侧壁相平齐，并与凹腔的底部内壁、上部凹腔的内部侧壁之间分别进行固定，使保温层、加热单元和防溅隔板之间形成加热室，上部凹腔的内部侧壁、防溅隔板的外壁、凹腔的底部内壁与箱体盖板内壁之间形成工作腔；

流体压力系统包括流体压力产生装置和溢流阀；流体压力产生装置包括低压腔和高压腔，高压腔通过高压管路与工作油腔相连，流体压力产生装置将高压流体压入工作油腔，低压腔与溢流阀连接，通过设定溢流阀的压力，控制工作油腔中的压力；

压力测量系统通过高压管路与工作油腔相通，固定在箱体外壁上，用于测量试验时油腔中的实际压力；

温度测量装置固定在箱体外壁上，热电偶伸入工作油腔中用于测量工作油腔中的实际温度；

在箱体壁上开出冷却水孔，通循环冷却水对箱体外壁进行冷却，形成冷却系统；

数据采集处理装置通过线路分别与压力测量系统、温度测量装置连接，用于实时采集、处理和显示试验过程中的压力和温度数据。

2.根据权力要求1所述的一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，所述的加热单元采用加热管或电阻丝。

3.根据权力要求1所述的一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，所述的流体压力产生装置和溢流阀设置1～2套。

4.根据权力要求1所述的一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，所述的流体压力产生装置为增压器、倍加器、放大器、手动泵、电动泵、普通油缸、伺服油缸、普通气缸、伺服气缸、数字油缸或数字气缸。

5.根据权力要求1所述的一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，所述的主缸为伺服油缸。

6.根据权力要求1所述的一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，所述的闭合油缸为伺服油缸或普通油缸.

7.根据权力要求1所述的一种流体压力提供厚向应力的板材摩擦性能试验装置，所述的拉伸杆与箱体的连接处进行密封处理。

8.应用权利要求1所述装置在厚向应力作用下的板材起皱试验方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：准备多组100×100mm的方板试样，试样分为两个固定区和两个夹持区，固定区在箱体内的固定模具上固定，夹持区在试件夹头上夹持固定，夹持宽度均为40mm，在试样的拉伸轴线上标记出长度为75mm的测量基准区，拉伸时的相对伸长记为λ₇₅；

步骤二：将箱体盖板与箱体装配在一起并且固定，盖板与箱体间用高温密封圈密封，驱动闭合油缸，使油缸产生压力压紧箱体盖板，保证工作油腔处于密封状态；

步骤三：开启流体压力产生装置，将低压油液注入工作油腔，然后关闭流体压力产生装置，开启加热系统，对油液进行加热，通过油液的热传导将试样加热到预定温度；

步骤四：开启数据采集和处理装置，再次开启流体压力产生装置，调节溢流阀压力，使高压流体充满工作油腔，流体压力作用在试样上，为板材提供厚向应力环境，同时开启冷却系统，对箱体进行冷却；

步骤五：驱动两个主缸，两个拉伸杆对试样进行拉伸，位移传感器记录拉伸长度，当相对拉伸长度λ₇₅＝1％时，停止拉伸，试验停止；

步骤六：关闭加热系统和流体压力产生装置，停止驱动主缸，通过驱动低压腔内的活塞向后移动，对工作腔进行泄压，驱动闭合油缸回程；

步骤七：待系统冷却到室温，打开箱体盖板，取出试样；

步骤八：更换试样进行试验，重复步骤二至步骤七，改变工作油腔内压力重复试验；

步骤九：试验完成后工作油腔内油液回流并收集，关系冷却系统；

步骤十：对试样进行简单清理，进行数据处理，取中心跨b＝25mm内的拱曲高度为h值；试验结果用两个指标来度量：

(1)在一定的温度下，用多组试样分别设置不同的油腔内压力进行试验，绘制出油腔内压力—拱曲高度曲线，以此曲线判断材料的起皱趋势；

(2)提出起皱系数作为抗皱性的评估指标，即L_λ越大，材料的抗皱性越差，也就是材料越容易起皱，式中，p为油液压力，p_m为板材不起皱时油液的临界压力。