CN104588440B - 粘性介质压力成形中非均匀压力场测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
粘性介质压力成形中非均匀压力场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大变径比薄壁或超薄壁管缩颈过程中在多个非均匀速度场和压力场作用下的失稳起皱和褶皱消除的变形行为,且每种模具装置每次仅测试一种加载方式对筒坯表面非均匀压力场的影响的问题。本发明结构设计合理且测试数据全面准确。所述测试方法是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注入压力，再通过活塞的往返运动控制粘性介质的注入压力，在介质仓内形成多个非均匀的压力场和速度场，使得管坯料在不同的条件下发生缩颈变形。本发明用于粘性介质加载方式对管坯料粘性介质压力缩径的研究工作。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种粘性介质压力成形中非均匀压力场测试装置及其测试方法。
背景技术
粘性介质压力成形(ViscousPressureForming,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和非均匀压力场等特性，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)等影响加载到管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,粘性介质的速度场和压力场等都是非规则的，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非均匀压力场的影响。
对于筒形坯料粘性介质缩颈试验，现有方法每次都是测试一种加载条件下所形成的非均匀压力场及其对筒坯起皱过程的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种粘性介质压力成形中非均匀压力场测试装置及其测试方法，以解决现有方法和装置难以测试大变径比薄壁或超薄壁管缩颈过程中在多个非均匀速度场和压力场作用下的失稳起皱和褶皱消除的变形行为,且每种模具装置每次只能测试一种加载方式对筒坯表面非均匀压力场的影响的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
粘性介质压力成形中非均匀压力场测试装置包括介质仓、上夹盖体、芯模、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孔，所述介质仓内加工有竖直设置的介质注入通道，所述插入孔与介质注入通道相连通，所述芯模位于介质注入通道内并与介质注入通道间隙设置，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介质注入通道相连通，每条活塞通道孔的两端各设置有一个活塞，所述第一压力传感器位于介质仓内并与介质注入通道相连通，所述介质注入通道的底部设置有压力控制阀，所述粘性介质填充在介质注入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。
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，每个活塞通道孔的孔径为5mm～10mm。
所述粘性介质压力成形中非均匀压力场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，辅助通道的一端与介质注入通道连通，辅助通道的另一端设置有一个第二压力传感器。
一种使用粘性介质压力成形中非均匀压力场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：放置管坯料：打开介质仓上端的上夹盖体，将芯模插入管坯料内，再将插有芯模的管坯料插入上夹盖体的插入孔中；
步骤二：上夹盖体和介质仓的装配：将带有芯模和管坯料的上夹盖体放到介质仓上端，使插有芯模的管坯料进入介质注入通道内，最后将螺栓紧固于上夹盖体和介质仓之间；
步骤三：填充粘性介质：选取一条活塞通道孔，将粘性介质通过选取的活塞通道孔进入介质注入通道内，直至介质注入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介质注入通道的底部、将第一压力传感器安装到介质注入通道处并与介质注入通道连通；
步骤五：管坯料变形过程：通过监测辅助通道上的第二压力传感器，控制介质仓内的压力，使一条活塞通道孔两端的活塞分别以1.0mm/s～10.0mm/s的速度推动粘性介质，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介质注入通道内，使得相应高度上的管坯料在芯模的支撑下，在不同的加载方式、压力梯度场和速度梯度场下发生缩径变形，并通过第一压力传感器测量此时的压力值；
步骤六：降压取管坯料：将多条活塞通道孔上的各个活塞反向拉回，使得介质注入通道内压力降为0MPa，打开上夹盖体，取出变形后管坯料，再将芯模从变形后管坯料中拆分出来；
步骤七：清理工作：清除介质注入通道、多条活塞通道孔和多条辅助通道内的粘性介质。
所述粘性介质为甲基乙烯基高分子聚合物，所述粘性介质为分子量在400000g/mol～600000g/mol和粘度在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非均匀压力场下不同材质的管坯料变形时的变形行为如失稳起皱和褶皱消除进行测试，并且可以在一次试验中通过介质注入通道、多条活塞通道孔和多条辅助通道之间的配合设置实现对管坯料的加载方式，从而达到不同程度的缩径变形，测试出管坯料发生缩径变形时所受压力以及是否发生起皱、壁厚的减薄率等，为模具设计和压力控制的方法提供依据。
2、本发明使用方法快速便捷，便于研究不同材质管坯料在非均匀压力场下的变化状态，为不同材质管坯料的研究工作提供有效可靠信息，对材料研究和加工工艺具有指导意义。
3、本发明可进行不同加载方式的缩径试验，并且通过改变缩径模具结构还可以进行不同直径、壁厚及缩径区长度条件下的缩径试验，通过本发明可分析加载方式对管坯料的变形方式、几何形状、失稳状态、褶皱形貌和数量的影响，确定缩径区域尺寸对缩径过程的影响规律。
4、本发明中的非均匀压力场测试装置可重复使用，从而避免浪费，有效节省研究经费。
5、本发明为不同材质的管坯料的工艺制定和设计提供快速的实验依据，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管坯料的流动性，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。
6、本发明使用灵活且应用范围广泛，可应用在管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是本发明中粘性介质压力成形中非均匀压力场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六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六中步骤五的使用状态的剖视图。
图4是介质仓1的主视结构剖面图。
图5是芯模的剖面图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式中粘性介质压力成形中非均匀压力场测试装置包括介质仓1、上夹盖体2、芯模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孔2-1，所述介质仓1内加工有竖直设置的介质注入通道1-1，所述插入孔2-1与介质注入通道1-1相连通，所述芯模3位于介质注入通道1-1内并与介质注入通道1-1间隙设置，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均与介质注入通道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，所述第一压力传感器4位于介质仓1内并与介质注入通道1-1相连通，所述介质注入通道1-1的底部设置有压力控制阀5，所述粘性介质6填充在介质注入通道1-1和多条活塞通道孔1-2中。
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管坯料9的粘性附着力，管坯料9是壁厚为1.0mm、外径为133mm、高度为65mm.的空心管体。管坯料9为金属板材，如Cr18Ni9Ti制成的管坯料。
本实施方式中第一压力传感器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。
本实施方式中芯模3由圆柱芯轴3-1、两块第一分体组合型模3-2和两块第二分体组合型模3-3组成，第一分体组合型模3-2的横截面为弧形结构，第二分体组合型模3-3的横截面为矩形结构，两块第一分体组合型模3-2和两块第二分体组合型模3-3拼接成是一种空心结构的分体组合芯模，所述圆柱芯轴3-1为实心结构且竖直设置，两块第一分体组合型模3-2和两块第二分体组合型模3-3交替排列在圆柱芯轴3-1外围形成圆形套体形状，圆形套体的外径小于插入孔2-1的孔径，管坯料9与插入孔2-1间隙设置，芯模3是一种缩颈成形模具。通过圆柱芯轴3-1、两块第一分体组合型模3-2和两块第二分体组合型模3-3的设置方便将芯模3从管坯料9拆卸出来且不会破坏芯模3的变形形状。两块第一分体组合型模3-2和两块第二分体组合型模3-3的材质均为模具钢，在管坯料9成形完毕后，卸载芯模3时，先将芯轴3-1抽出，然后将两块第一分体组合型模3-2和两块第二分体组合型模3-3逐一地从管坯料9中取出即可。
具体实施方式二：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式中所述介质仓1为用模具钢等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。
本实施方式中管坯料9是厚度的取值范围为0.1mm～1.5mm，长度为100mm～400mm，直径为80mm～200mm，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。
具体实施方式三：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。这样设置的活塞通道孔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和图3说明本实施方式，本实施方式中所述一种粘性介质压力成形中非均匀压力场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的一端与介质注入通道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方便排放介质注入通道1-1中的粘性介质6，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从介质仓内的介质注入通道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，那么就让该活塞向介质注入通道推动，这样粘性介质6从活塞辅助通道1-2向介质仓内的介质注入通道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，有利于获取管坯料9在变形后所受压力的数值，全面且准确。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，本实施方式中一种使用如具体实施方式一的非均匀压力场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：放置管坯料9：打开介质仓1上端的上夹盖体2，将芯模3插入管坯料9内，再将插有芯模3的管坯料9插入上夹盖体2的插入孔2-1中；
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，将带有芯模3和管坯料9的上夹盖体2放到介质仓1上端，使插有芯模3的管坯料9进入介质注入通道1-1内，最后将螺栓紧固于上夹盖体2和介质仓1之间；本步骤中还可使用密封圈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；
步骤三：填充粘性介质6：选取一条活塞通道孔1-2，将粘性介质6通过选取的活塞通道孔1-2进入介质注入通道1-1内，直至介质注入通道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安装在介质注入通道1-1的底部、将第一压力传感器4安装到介质注入通道1-1处并与介质注入通道1-1连通；
步骤五：管坯料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上的第二压力传感器8，调节介质仓1内的压力，使一条活塞通道孔1-2两端的活塞7分别以1.0mm/s～10.0mm/s的速度推动粘性介质6，再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介质注入通道1-1内，使得相应高度上的管坯料9在芯模3的支撑下，在不同的加载方式下发生缩径变形，并通过第一压力传感器4测量此时的压力值；
步骤六：降压取管坯料9：将多条活塞通道孔1-2上的各个活塞7反向拉回，使得介质注入通道1-1内压力降为0MPa，打开上夹盖体2，取出变形后管坯料9，再将芯模3从变形后管坯料9中拆分出来；
步骤七：清理工作：清除介质注入通道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，本实施方式中所述粘性介质6为甲基乙烯基高分子聚合物，所述粘性介质6为分子量在400000g/mol～600000g/mol和粘度在10000Pa·s～96000Pa·s的高分子聚合物材料。其它方法步骤与具体实施方式五相同。
Claims (6)
1.一种粘性介质压力成形中非均匀压力场测试装置，其特征在于：粘性介质压力成形中非均匀压力场测试装置包括介质仓(1)、上夹盖体(2)、芯模(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孔(2-1)，所述介质仓(1)内加工有竖直设置的介质注入通道(1-1)，所述插入孔(2-1)与介质注入通道(1-1)相连通，所述芯模(3)位于介质注入通道(1-1)内并与介质注入通道(1-1)间隙设置，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)均与介质注入通道(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)，所述第一压力传感器(4)位于介质仓(1)内并与介质注入通道(1-1)相连通，所述介质注入通道(1-1)的底部设置有压力控制阀(5)，所述粘性介质(6)填充在介质注入通道(1-1)和多条活塞通道孔(1-2)中。
2.根据权利要求1所述粘性介质压力成形中非均匀压力场测试装置，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所述粘性介质压力成形中非均匀压力场测试装置，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所述粘性介质压力成形中非均匀压力场测试装置，其特征在于：所述粘性介质压力成形中非均匀压力场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)的一端与介质注入通道(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)。
5.一种使用如权利要求1的粘性介质压力成形中非均匀压力场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：放置管坯料(9)：打开介质仓(1)上端的上夹盖体(2)，将芯模(3)插入管坯料(9)内，再将插有芯模(3)的管坯料(9)插入上夹盖体(2)的插入孔(2-1)中；
步骤二：上夹盖体(2)和介质仓(1)的装配：将带有芯模(3)和管坯料(9)的上夹盖体(2)放到介质仓(1)上端，使插有芯模(3)的管坯料(9)进入介质注入通道(1-1)内，最后将螺栓紧固于上夹盖体(2)和介质仓(1)之间；
步骤三：填充粘性介质(6)：选取一条活塞通道孔(1-2)，将粘性介质(6)通过选取的活塞通道孔(1-2)进入介质注入通道(1-1)内，直至介质注入通道(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)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)安装介质注入通道(1-1)的底部、将第一压力传感器(4)安装到介质注入通道(1-1)处并与介质注入通道(1-1)连通；
步骤五：管坯料(9)变形过程：通过监测辅助通道(1-3)上的第二压力传感器(8)，控制介质仓(1)内的压力，使一条活塞通道孔(1-2)两端的活塞(7)分别以1.0mm/s～10.0mm/s的速度推动粘性介质(6)，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介质注入通道(1-1)内，使得相应高度上的管坯料(9)在芯模(3)的支撑下，在不同的加载方式、压力梯度场和速度梯度场下发生缩径变形，并通过第一压力传感器(4)测量此时的压力值；
步骤六：降压取管坯料(9)：将多条活塞通道孔(1-2)上的各个活塞(7)反向拉回，使得介质注入通道(1-1)内压力降为0MPa，打开上夹盖体(2)，取出变形后管坯料(9)，再将芯模(3)从变形后管坯料(9)中拆分出来；
步骤七：清理工作：清除介质注入通道(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)。
6.根据权利要求5所述粘性介质压力成形中非均匀压力场测试装置进行的测试方法，其特征在于：所述粘性介质(6)为甲基乙烯基高分子聚合物，所述粘性介质(6)为分子量在400000g/mol～600000g/mol和粘度在10000Pa·s～96000Pa·s的高分子聚合物材料。
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