CN104515735A - 用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置及其测试方法，它涉及一种测试装置及其测试方法。本发明目的是为解决现有方法和装置难以测试复杂形状构件成形过程中在非均匀速度场和压力场作用下所受的粘性附着力的问题。介质仓内有的竖直通道，介质仓内有多条水平设置的活塞通道孔，每条活塞通道孔的两端各有一个活塞，拉力传感器位于上夹盖体内并与插入缝隙相连通。测试方法是将多个活塞通过以不同速度注入粘性介质，通过压力传感器实时测量各个活塞注入的压力并进行控制，从而在介质仓内形成非均匀的压力场和速度场，使得板坯料所受的粘附力是各处非均匀的，通过拉力传感器测试出其所受的总的粘性附着力。本发明用于测试板坯料的粘性附着力。

Description

用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置及其测试方法

技术领域

本发明具体涉及一种用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置及其测试方法。

背景技术

粘性介质压力成形(Viscous Pressure Forming,VPF)是一种板材软模成形新工艺，采用高粘度、可流动的半固态软模(称为粘性介质)作为传力介质，能够提高成形件的形状尺寸精度、表面质量和壁厚分布均匀性，在金属精密塑性成形中具有良好的应用前景。例如,壁厚超薄(0.1～0.3mm)、尺寸精度较高、具有局部结构尺寸精细特征的零件，是面向新型航空、航天和动力机械中重要的功能零件。由于此类零件结构、壁厚、精度等特点，需要保证较好的壁厚均匀性和尺寸精度，成形过程材料流动、塑性变形程度和应力分布的控制问题成为其关键技术问题，一直是亟待解决的问题。

因此，利用粘性介质具有较好界面粘性附着应力这一特性，控制成形过程材料流动性，使其壁厚变化较小，应力分布较为合理，对于成形各种薄壁/超薄壁复杂形状的零件是非常重要的。

粘性附着力以及加载方式(注入加载通道的直径、数量和几何位置)等影响加载到板坯料或筒坯表面粘性介质压力场分布，对成形非常重要。但是由于粘性介质物性属于半固态物质，其性能受分子量，流动速度等的影响，计算和测试都很困难，尤其是在实际零件成形过程中，受零件局部几何构形的影响，粘性介质的速度场是非规则的，因此所受到的粘性附着力也各处也是非均匀的，用通常的理论计算或简单的标准试验难以测试实际成形时的粘性附着力和加载方式对粘性附着力和非均匀压力场的影响。

现有方法和装置只能测试平板试样在单个线性速度梯度场和压力梯度场作用下的单向粘着拉伸试验，不能测试试样在多个非均匀的速度场和压力场作用下所受到的粘性附着力以及加载方式对粘性附着力和非均匀压力场的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置及其测试方法，以解决现有方法和装置难以测试复杂形状构件成形过程中在非均匀速度场和压力场作用下所受的粘性附着力的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置，所述用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置包括介质仓、上夹盖体、拉力传感器、第一压力传感器、压力控制阀、粘性介质和多个活塞，所述介质仓竖直设置，所述介质仓的上端设置有上夹盖体，所述上夹盖体上加工有竖直设置的插入缝隙，所述介质仓内加工有贯通的竖直通道，所述插入缝隙与竖直通道的顶部相连通，所述介质仓内从上至下还加工有多条水平设置的活塞通道孔，多条活塞通道孔均与竖直通道相连通，每条活塞通道孔的两端各设置有一个活塞，所述拉力传感器位于上夹盖体内并与插入缝隙相连通，所述第一压力传感器位于介质仓内并与竖直通道相连通，所述竖直通道的底部设置有压力控制阀，所述粘性介质填充在竖直通道和多条活塞通道孔中。

所述介质仓为用模具钢加工而成的耐压腔体，所述介质仓的内径为Φ，所述介质仓的高度为H，所述内径Φ的取值范围是100mm～300mm，所述高度H的取值范围是100mm～500mm。

所述介质仓上同一高度上匀布加工有一组活塞通道孔，每组活塞通道孔的个数为4～16个，每个活塞通道孔1-2的孔径为5mm～10mm。

所述竖直通道为圆筒形或方筒形。

所述用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置还包括多个第二压力传感器，所述介质仓内还加工有多条辅助通道，辅助通道的一端与竖直通道连通，辅助通道的另一端设置有一个第二压力传感器。

一种使用的粘性附着力测试装置进行的测试方法，所述测试方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：放置板坯料：打开介质仓上端的上夹盖体，将板坯料的一端安装在上夹盖体的插入缝隙内；

步骤二：上夹盖体和介质仓的装配：将上夹盖体放置在介质仓的上端，使板坯料的另一端处于介质仓的竖直通道内，最后将螺栓紧固上夹盖体和介质仓之间；

步骤三：填充粘性介质：选取一个活塞通道孔，将粘性介质通过选取的活塞通道孔进入竖直通道内，直至竖直通道和多条活塞通道孔内均充满粘性介质为止；

步骤四：最后装配工作：首先将多个活塞逐一安装到多个活塞通道孔内，每条活塞通道孔的两端各设置有一个活塞，其次将多个第二压力传感器逐一安装到多条辅助通道处，然后将压力控制阀安装在竖直通道的底部、将第一压力传感器安装到竖直通道处并与竖直通道连通，最后将拉力传感器安装在上夹盖体内并与插入缝隙连通；

步骤五：板坯料在非均匀粘性介质压力场和速度场下的变形过程：调节一条活塞通道孔两端处的两条辅助通道上的溢流阀，调节介质仓内的压力，使所述一条活塞通道孔两端的活塞分别以1.0mm/s～10mm/s的速度推动粘性介质，以此类推，使处于不同高度的活塞通道孔内的粘性介质以不同的速度注入到竖直通道内，使得相应的高度的板坯料处形成不同的压力场，此时介质仓内的压力范围在0～400MPa，再测量坯料在不同的加载方式下发生变形时所受到的粘性附着力的作用；

步骤六：测量粘性附着力F：设定拉力传感器测量板坯料在变形过程中所受到的粘性附着力为F，待板坯料的变形过程稳定后，即可通过上夹盖体上的拉力传感器测量出板坯料变形过程中所受到的粘性附着力F；

步骤七：降压取板坯料：将多条活塞通道孔上的各个活塞反向拉回，使得竖直通道内压力降为0MPa,打开上夹盖体，取出变形后板坯料；

步骤八：清理工作：清除竖直通道、多条活塞通道孔和多条辅助通道内的粘性介质。

所述粘性介质是分子量为400000g/mol～600000g/mol和粘度为10000Pa·s～96000Pa·s的高分子聚合物材料。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1、本发明的方法和装置可以实现粘性介质性能的多功能的测试，并且可以在一次试验中通过竖直通道、多条活塞专用通道和多条辅助通道之间的配合设置实现不同高度、不同方向的加载方式，通过拉力传感器、压力传感器和多个活塞之间的配合设置有效测试出不同材质的板坯料在复杂的非均匀粘性介质压力场和速度场条件下所受到的的粘性附着力的大小，本发明使用方法快速便捷，为不同材质板坯料的粘性附着力的研究工作提供准确的研究数据，有利于不同材质板坯料的粘性附着力的研究工作顺序进行。

2、本发明为不同材质的板坯料的工艺制定和设计提供快速的实验依据，对材料研究和加工工艺具有指导意义。

3、本发明中粘性介质具有较好界面粘性附着应力这一特性，有利于控制成形过程板坯料的流动性，使其壁厚变化较小，应力分布较为合理，适合用于成形各种薄壁/超薄壁复杂形状的零件。

4、本发明用于测量粘性介质压力成形过程中复杂构形板材零件的粘性附着力，本发明中的测试装置和使用方法用于分子量为400,000～600,000g/mol以及粘度为10,000～96,000Pa·s)的粘性介质在板坯料成形过程中。

5、本发明使用灵活，本发明应用范围广泛，可应用在板材粘性介质压力成形过程中,成形参数的测试和确定。

附图说明

图1是本发明中粘性附着力测试装置的主视结构剖面图。

图2是本发明中具体实施方式七中步骤四的使用状态的剖视图。

图3是本发明中具体实施方式七中步骤五的使用状态的剖视图。

图4是图1中A处的放大图。

图5是介质仓1的主视结构剖面图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式中所述用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置包括介质仓1、上夹盖体2、拉力传感器3、第一压力传感器4、压力控制阀5、粘性介质6和多个活塞7，所述介质仓1竖直设置，所述介质仓1的上端设置有上夹盖体2，所述上夹盖体2上加工有竖直设置的插入缝隙2-1，所述介质仓1内加工有贯通的竖直通道1-1，所述插入缝隙2-1与竖直通道1-1的顶部相连通，所述介质仓1内从上至下还加工有多条水平设置的活塞通道孔1-2，多条活塞通道孔1-2均与竖直通道1-1相连通，每条活塞通道孔1-2的两端各设置有一个活塞7，所述拉力传感器3位于上夹盖体2内并与插入缝隙2-1相连通，所述第一压力传感器4位于介质仓1内并与竖直通道1-1相连通，所述竖直通道1-1的底部设置有压力控制阀5，所述粘性介质6填充在竖直通道1-1和多条活塞通道孔1-2中。

本发明还设置有密封圈10，所述介质仓1和上夹盖体2之间的缝隙内设置有密封圈10，密封圈10的作用是用于增强介质仓1和上夹盖体2之间密封性。

本实施方式中的粘性附着力测试装置是用于测试不同材质的板坯料9的粘性附着力，板坯料9是长度的取值范围为100mm～400mm，宽度的取值范围为80mm～200mm，厚度的取值范围为0.1mm～1.5mm的条状板体。板坯料9为金属板材，其由镍基高温合金、铁基高温合金、铝合金、钛合金、不锈钢、镁合金、镁锂合金或Ni3Al合金制成，其中镍基高温合金为GH3044、GH4169或GH99，铁基高温合金为GH161或GH13，铝合金为6k21、6110、6061等。

本实施方式中的拉力传感器3的型号、第一压力传感器4的型号以及压力控制阀5的型号不限，能实现其各自的功能即可。

具体实施方式二：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式中所述介质仓1为用模具钢加工而成的耐压腔体，所述介质仓1的内径为Φ，所述介质仓1的高度为H，所述内径Φ的取值范围是100mm～300mm，所述高度H的取值范围是100mm～500mm。本实施方式中介质仓1具体尺寸可根据具体的实验要求和实验条件设定。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式中所述介质仓1上同一高度上匀布加工有一组活塞通道孔，每组活塞通道孔的个数为4～16个，每个活塞通道孔1-2的孔径为5mm～10mm。这样设置的活塞专用通道1-2易于加工，且实验效果易于量化，方便计算。其它组成及连接关系与具体实施方式一和二相同。

具体实施方式四：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式中所述竖直通道1-1为圆筒形或方筒形。当竖直通道1-1为圆筒形时，多条活塞专用通道1-2可在不同高度下沿圆筒形竖直通道1-1的径向方向与竖直通道1-1相连通；当竖直通道1-1为方筒形时，多条活塞专用通道1-2可在不同高度下沿方筒形竖直通道1-1的四周伸入与竖直通道1-1相连通。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式中所述用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置还包括多个第二压力传感器8，所述介质仓1内还加工有多条辅助通道1-3，辅助通道1-3的一端与竖直通道1-1连通，辅助通道1-3的另一端设置有一个第二压力传感器8。

本实施方式中辅助通道1-3和第二压力传感器8配合设置的作用是为了使粘性介质6的压力由活塞7进行调节，具体调节过程为：通过第二压力传感器8实时监测介质仓1内各个活塞通道处的压力，如果想让介质仓1内某条活塞通道介质注入的压力小一些，那么就让该活塞反向抽回，这样粘性介质6从介质仓内的竖直通道1-1向活塞辅助通道1-2流动，介质仓1内的压力就降下来了。反之，若想让介质仓1内内某条活塞通道介质注入的压力升高，那么就让该活塞向竖直通道推动，这样粘性介质6从活塞辅助通道1-2向介质仓内的竖直通道1-1流动，介质仓1内的压力就开始增大。多个第二压力传感器8和多条辅助通道1-3的设置便于活塞7在活塞专用通道1-2内的运动而产生不同压力，有利于板坯料9在变形后其产生的粘性附着力的测量数据获取的全面且准确。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式六：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式中一种使用如具体实施方式一中粘性附着力测试装置进行的测试方法，所述测试方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：放置板坯料9：打开介质仓1上端的上夹盖体2，将板坯料9的一端安装在上夹盖体2的插入缝隙2-1内；

步骤二：上夹盖体2和介质仓1的装配：将密封圈10放置到介质仓1的开口处，再次将上夹盖体2放置在介质仓1的上端，使板坯料9的另一端处于介质仓1的竖直通道1-1内，最后将螺栓紧固上夹盖体2和介质仓1之间；

步骤三：填充粘性介质6：选取一个活塞通道孔1-2，将粘性介质6通过选取的活塞通道孔1-2进入竖直通道1-1内，直至竖直通道1-1和多条活塞通道孔1-2内均充满粘性介质6为止；

步骤四：最后装配工作：首先将多个活塞7逐一安装到多个活塞通道孔1-2内，每条活塞通道孔1-2的两端各设置有一个活塞7，其次将多个第二压力传感器8逐一安装到多条辅助通道1-3处，然后将压力控制阀5安装在竖直通道1-1的底部、将第一压力传感器4安装到竖直通道1-1处并与竖直通道1-1连通，最后将拉力传感器3安装在上夹盖体2内并与插入缝隙2-1连通；

步骤五：板坯料9在非均匀粘性介质压力场和速度场下的变形过程：调节一条活塞通道孔1-2两端处的两条辅助通道1-3上的溢流阀8，调节介质仓1内的压力，使所述一条活塞通道孔1-2两端的活塞7分别以1.0mm/s～10mm/s的速度推动粘性介质6，以此类推，使处于不同高度的活塞通道孔1-2内的粘性介质6以不同的速度注入到竖直通道1-1内，使得相应的高度的板坯料9处形成不同的压力场，此时介质仓1内的压力范围在0～400MPa，再测量坯料9在不同的加载方式下发生变形时所受到的粘性附着力的作用；

本步骤中调节一条活塞通道孔1-2两端处的两条辅助通道1-3上的第二压力传感器8，调节介质仓1内的压力，使所述一条活塞通道孔1-2两端的活塞7分别以1.0mm/s～10mm/s的速度推动粘性介质6，以此类推，通过调节各个辅助通道1-3上的第二压力传感器8，使处于不同高度的活塞通道孔1-2内的粘性介质6以不同的速度注入到竖直通道1-1内，因此坯料9各处所受到的粘附力是非均匀的，此时介质仓1内的压力范围在0～400MPa，使得相应的高度的板坯料9在不同的加载方式下发生变形，同时在粘性介质6的粘性附着力的作用下产生一个向下的拉力；由于各处的速度场和压力场以及粘附力是不同的，此拉力是这些不同处粘附力的总和，这个拉力可以作为反映板坯料粘性附着力大小的一个比较指标，即所受拉力越大，说明板坯料受到的粘性附着力越大。本步骤中的介质仓1内的压力范围为0～400MPa，根据不同实验要求和板坯料9的材质设置其压力值，最大压力值为400MPa且不允许超过这个数值。

步骤六：测量粘性附着力F：设定拉力传感器3测量板坯料9在变形过程中所受到的粘性附着力为F，待板坯料9的变形过程稳定后，即可通过上夹盖体2上的拉力传感器3测量出板坯料9变形过程中所受到的粘性附着力F；本步骤中的粘性附着力F与步骤五中的向下的拉力的大小相同。

步骤七：降压取板坯料9：将多条活塞通道孔1-2上的各个活塞7反向拉回，使得竖直通道1-1内压力降为0MPa,打开上夹盖体2，取出变形后板坯料9；

步骤八：清理工作：清除竖直通道1-1、多条活塞通道孔1-2和多条辅助通道1-3内的粘性介质6。

具体实施方式七：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式中所述粘性介质6是分子量为400000g/mol～600000g/mol和粘度为10000Pa·s～96000Pa·s的高分子聚合物材料。其常温下的状态为半固态流体。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

Claims (7)

1.一种用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置，其特征在于：所述用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置包括介质仓(1)、上夹盖体(2)、拉力传感器(3)、第一压力传感器(4)、压力控制阀(5)、粘性介质(6)和多个活塞(7)，所述介质仓(1)竖直设置，所述介质仓(1)的上端设置有上夹盖体(2)，所述上夹盖体(2)上加工有竖直设置的插入缝隙(2-1)，所述介质仓(1)内加工有贯通的竖直通道(1-1)，所述插入缝隙(2-1)与竖直通道(1-1)的顶部相连通，所述介质仓(1)内从上至下还加工有多条水平设置的活塞通道孔(1-2)，多条活塞通道孔(1-2)均与竖直通道(1-1)相连通，每条活塞通道孔(1-2)的两端各设置有一个活塞(7)，所述拉力传感器(3)位于上夹盖体(2)内并与插入缝隙(2-1)相连通，所述第一压力传感器(4)位于介质仓(1)内并与竖直通道(1-1)相连通，所述竖直通道(1-1)的底部设置有压力控制阀(5)，所述粘性介质(6)填充在竖直通道(1-1)和多条活塞通道孔(1-2)中。

2.根据权利要求1所述一种用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置，其特征在于：所述介质仓(1)为用模具钢加工而成的耐压腔体，所述介质仓(1)的内径为Φ，所述介质仓(1)的高度为H，所述内径Φ的取值范围是100mm～300mm，所述高度H的取值范围是100mm～500mm。

3.根据权利要求1或2所述用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置，其特征在于：所述介质仓(1)上同一高度上匀布加工有一组活塞通道孔，每组活塞通道孔的个数为4～16个，每个活塞通道孔(1-2)的孔径为5mm～10mm。

4.根据权利要求3所述用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置，其特征在于：所述竖直通道(1-1)为圆筒形或方筒形。

5.根据权利要求4所述用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置，其特征在于：所述用于粘性介质压力成形的粘性附着力测试装置还包括多个第二压力传感器(8)，所述介质仓(1)内还加工有多条辅助通道(1-3)，辅助通道(1-3)的一端与竖直通道(1-1)连通，辅助通道(1-3)的另一端设置有一个第二压力传感器(8)。

6.一种使用如权利要求1的粘性附着力测试装置进行的测试方法，其特征在于：所述测试方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：放置板坯料(9)：打开介质仓(1)上端的上夹盖体(2)，将板坯料(9)的一端安装在上夹盖体(2)的插入缝隙(2-1)内；

步骤二：上夹盖体(2)和介质仓(1)的装配：将上夹盖体(2)放置在介质仓(1)的上端，使板坯料(9)的另一端处于介质仓(1)的竖直通道(1-1)内，最后将螺栓紧固上夹盖体(2)和介质仓(1)之间；

步骤三：填充粘性介质(6)：选取一个活塞通道孔(1-2)，将粘性介质(6)通过选取的活塞通道孔(1-2)进入竖直通道(1-1)内，直至竖直通道(1-1)和多条活塞通道孔(1-2)内均充满粘性介质(6)为止；

步骤四：最后装配工作：首先将多个活塞(7)逐一安装到多个活塞通道孔(1-2)内，每条活塞通道孔(1-2)的两端各设置有一个活塞(7)，其次将多个第二压力传感器(8)逐一安装到多条辅助通道(1-3)处，然后将压力控制阀(5)安装在竖直通道(1-1)的底部、将第一压力传感器(4)安装到竖直通道(1-1)处并与竖直通道(1-1)连通，最后将拉力传感器(3)安装在上夹盖体(2)内并与插入缝隙(2-1)连通；

步骤五：板坯料(9)在非均匀粘性介质压力场和速度场下的变形过程：调节一条活塞通道孔(1-2)两端处的两条辅助通道(1-3)上的溢流阀(8)，调节介质仓(1)内的压力，使所述一条活塞通道孔(1-2)两端的活塞(7)分别以1.0mm/s～10mm/s的速度推动粘性介质(6)，以此类推，使处于不同高度的活塞通道孔(1-2)内的粘性介质(6)以不同的速度注入到竖直通道(1-1)内，使得相应的高度的板坯料(9)处形成不同的压力场，此时介质仓(1)内的压力范围在0～400MPa，再测量坯料(9)在不同的加载方式下发生变形时所受到的粘性附着力的作用；

步骤六：测量粘性附着力F：设定拉力传感器(3)测量板坯料(9)在变形过程中所受到的粘性附着力为F，待板坯料(9)的变形过程稳定后，即可通过上夹盖体(2)上的拉力传感器(3)测量出板坯料(9)变形过程中所受到的粘性附着力F；

步骤七：降压取板坯料(9)：将多条活塞通道孔(1-2)上的各个活塞(7)反向拉回，使得竖直通道(1-1)内压力降为0MPa,打开上夹盖体(2)，取出变形后板坯料(9)；

步骤八：清理工作：清除竖直通道(1-1)、多条活塞通道孔(1-2)和多条辅助通道(1-3)内的粘性介质(6)。

7.根据权利要求6所述用于粘性介质压力成形的测试方法，其特征在于：所述粘性介质(6)是分子量为400000g/mol～600000g/mol和粘度为10000Pa·s～96000Pa·s的高分子聚合物材料。