CN104634665A - 一种管材充液胀形试验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种管材充液胀形试验方法及装置。将试验管材两端约束，仅放开其轴向移动的自由度，在其内部施加均匀增加的液压力p，同时在管材两端分别施加等大的力至管材破裂。采集胀形过程中管材最高点的实时壁厚t和胀形高度h。当轴向力正好抵消内压力对管材内腔端面的作用力时，通过获得的胀形过程数据p、t、h即可按照塑性理论推导出管材的轴向自由胀形应力应变曲线及材料参数。在管材两端施加不同的拉力或推力，可以完成不同加载路径下的管材成形试验，为绘制管材成形极限图提供试验数据。实施例证明，该方法能够准确获得管材胀形应力应变曲线以及较大应变范围的管材应力应变数据。试验装置及管材在扩口、胀形过程中方便反复拆装，实施效果良好。
Description
技术领域
本发明属于材料性能测试技术领域，特别是涉及一种基于轴向自由胀形的管材充液成形性能测试试验方法及装置。
背景技术
管材充液成形技术(Tube Hydroforming)是指管材在内部液压力和轴向推力作用下充满模具型腔并贴模，进而成形具有一定复杂型面的空心薄壁零件高压柔性成形工艺，也被称为内高压成形或液压成形工艺，鉴于其特别适用于成形整体、复杂、薄壁的空心零件，成形精度高、材料利用率高、生产成本低的特点，该技术在本世纪初得到了快速发展，并开始广泛应用于航空航天、汽车制造等产业。随着工艺应用的发展，研究人员发现由于高压均匀面力等因素的作用原始板材单向拉伸试验获得的材料性能参数不能很好地适用于管材充液成形工艺分析，实际生产对材料性能的要求也越来越高，目前针对管材充液成形性能的测试方法和装置尚不够完善和统一。根据大量工程经验和对现有管材胀形性能试验方法存在的不足之处，本发明提出了一种基于轴向自由胀形的管材充液成形性能测试试验方法及装置。通过实验验证，该方法能够稳定获得更大应变范围内的管材充液胀形实时应力应变数据，进而获得应力应变曲线和材料性能参数，管材径向应力(主应力)远大于轴向应力和厚向应力，接近于单向拉伸试验的应力应变状态，受力边界简单、清晰，摩擦、窜动等干扰误差小，易于检测、采集和处理数据。另外，可以按照设定曲线在管材两端施加拉力或推力，完成简单加载路径下的管材成形极限试验，绘制FLD-成形极限图或FLSD-应力成形极限图，也可以实现复杂加载路径下的材料变形过程模拟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于轴向自由胀形的管材充液成形性能测试试验方法及装置，准确可靠地获取管材胀形应力应变曲线、材料性能参数和成形极限图等，为材料测试、检验和结构、工艺设计提供参考依据和标准。
本发明提供的基于轴向自由胀形的管材充液成形性能测试试验方法如图1所示，利用本发明提供的试验装置将11-试验管材的两端完全刚性约束，仅放开其轴向移动的自由度，在管材内部施加均匀液压力p，同时在管材左右两端分别通过1-伺服侧推油缸(管材两端各1个)施加推力F1、F2，并满足公式(1)，Ain为11-试验管材的内腔截面积，k1、k2为加载系数。
k1F1＝k2F2＝Ainp (1)
管材在胀形过程中直径逐渐增大、长度逐渐缩短，因而伺服侧推油缸在加载推力的同时要跟随管材的收缩而发生位移，才能保证侧推力的施加是持续而稳定、有效的，在精确控制左右伺服侧推油缸加载推力的同时，让其随管材的自由收缩而运动，但不控制其位移的大小，仅保证其左右位移相等，即两侧伺服油缸上安装的A-左侧位移传感器和I-右侧位移传感器的位移反馈值S1＝S2。液压力p均匀上升直至管材破裂过程中保持前述关系不变，同时通过D-超声测厚仪及探头、E-胀形高度位传感器实时监控管材胀形中间最高点的实时壁厚t和胀形高度h。当k1＝k2＝1时，侧推力F1、F2正好抵消内压力p对管材内腔端面Ain的作用力，通过获得的胀形过程数据p、t、h即可按照塑性理论推导出11-试验管材的轴向自由胀形应力应变曲线及材料参数。此种工况下，试验管材仅受到内压力p对管腔内壁的法向作用和管端节点的径向约束，同时保持胀形最高点轴向不窜动，而不受任何其它外力、约束或摩擦的影响。改变k1、k2即可在管材两端施加不同的拉力或推力，完成简单加载路径下的管材成形极限试验。
如图2-5所示，本发明提供的基于轴向自由胀形的管材充液成形性能测试试验装置的一种较佳实施例结构组成如下。
组件1：左右伺服侧推油缸组件由1-伺服侧推油缸、2-油缸防转导向部件、3-侧推固定加强筋板、4-侧推油缸固定板四部分组成。1-伺服侧推油缸法兰通过螺栓连接在4-侧推油缸固定板中心，3-侧推固定加强筋板焊接在4-侧推油缸固定板下部，与油缸同侧，2-油缸防转导向部件通过螺栓连接安装在油缸活塞杆前端，并穿过4-侧推油缸固定板上预留的通孔内，防止油缸活塞杆沿自身轴线旋转。
组件2：上拉杆下工作台组件由6-预紧拉杆套管部件、17-工作台、18-预紧防松螺母部件三部分组成。4-侧推油缸固定板和3-侧推固定加强筋板通过螺栓连接在17-工作台两侧，6-预紧拉杆套管部件穿过4-侧推油缸固定板上部预留的通孔与17-工作台一起通过18-预紧防松螺母部件实现定位预紧。左右伺服侧推油缸组件关于工作台中心左右对称。
组件3：导向工装组件由7-底板、8-上压半圆形导套、9-下支撑半圆形导套、10-轴向定位键四部分组成。导向工装组件位于17-工作台的中心位置，左右对称。7-底板通过销钉和螺栓定位连接在17-工作台上，9-下支撑半圆形导套与7-底板通过10-轴向定位键和螺栓实现定位和压紧，9-下支撑半圆形导套和左右伺服侧推油缸组件同轴。8-上压半圆形导套与9-下支撑半圆形导套上下扣合，通过螺栓连接为圆形导向结构。
组件4：试验管材及高压密封推杆组件由5-左推杆、11-试验管材、14-对开螺母卡套部件、15-右推杆、16-超高压水管、26-高压密封圈六部分组成。14-对开螺母卡套部件包括20-卡套、21-内螺纹圆柱销、22-对开螺母。22-对开螺母上下瓣和20-卡套通过21-内螺纹圆柱销连接为一整体，并可反复拆装。左、右推杆法兰通过螺栓分别连接在左、右伺服侧推油缸的活塞杆端面上。左、右推杆与对开螺母卡套部件采用螺纹连接，并可反复拆卸，11-试验管材被左、右推杆和对开螺母卡套部件夹紧在中间，通过螺纹实现预紧。16-超高压水管通过螺纹连接在右推杆上，并可通过右推杆上的27-高压水通道向试验管材内注入高压液体。20-卡套可以在8-上压半圆形导套和9-下支撑半圆形导套组成的圆形导向结构内沿轴向自由窜动，配合界面采用大间隙配合，并涂油润滑，因而形成整体的组件4可以在组件3的导向结构内沿轴向自由窜动。
组件5：扩口模具包含19-左扩口冲头、23-右扩口冲头、24-限位块下瓣和25-限位块上瓣，以及14-对开螺母卡套部件。左、右扩口冲头法兰通过螺栓分别连接在左、右伺服侧推油缸的活塞杆端面上。限位块上、下瓣扣合在11-试验管材中间并通过螺栓连接，两侧端面与14-对开螺母卡套部件贴合，实现扩口限位作用，限位块长度L0即为11-试验管材的材料测试变形区长度，试验管材外径为d0。
组件6：传感器系统由A-左侧位移传感器、B-左侧油缸无杆腔压力传感器、C-左侧油缸有杆腔压力传感器、D-超声测厚仪及探头、E-胀形高度位传感器、F-超高压压力传感器、G-右侧油缸有杆腔压力传感器、H-右侧油缸无杆腔压力传感器、I-右侧位移传感器九个传感器和12-超声测头固定块、13-胀形高度位传感器支架两个传感器的固定辅助结构组成。
试验装置总体：分为J-工控机总控系统、K-液压系统、L-水系统、M-增压器和N-试验工装五部分，其中，N-试验工装包含组件1-5，J-工控机总控系统包含组件6。K-液压系统工作介质为液压油，L-水系统工作介质为乳化液，M-增压器为液压力转换和放大装置，通过1:10的高压腔和低压腔面积比可以将0-25MPa的液压泵站出口液压油压力转换为水压力，并放大到0-250MPa。
为了达到试验目的，本发明提供的管材轴向自由胀形性能测试试验方法包括按顺序进行的下列步骤：准备坯料→扩口→排气密封→胀形与数据采集处理。
附图说明
图1为管材轴向自由胀形性能测试试验原理图。
图2为扩口模具图。
图3为试验工装结构图。
图4为高压密封结构图。
图5为试验装置系统原理图。
图6为实施例材料测试的应力应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的管材充液胀形试验方法及装置进行详细说明。
如图2—图5所示，本发明提供的管材充液胀形试验方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)准备坯料根据试验设计的L0/d0确定管材下料长度L，通常取L0/d0＝1～5，L＝L0+0.8d0，下料完成后进行管端倒角和打磨等辅助操作，准备出11-试验管材，便于进一步试验操作。
2)扩口启动设备，将左右伺服侧推油缸退至最后，设为位移零点。将组件3安装在组件1、2中间，再把11-试验管材、组件5-扩口模具与伺服侧推油缸安装好，确保24-限位块下瓣和25-限位块上瓣夹紧11-试验管材，限位块两侧端面与14-对开螺母卡套部件端面贴合。左右伺服侧推油缸同步进给至11-试验管材扩口部位与14-对开螺母卡套部件内壁贴合，完成对11-试验管材的扩口。左右伺服侧推油缸后退至零点，拆卸19-左扩口冲头、23-右扩口冲头、24-限位块下瓣和25-限位块上瓣。
3)排气密封参照图3，将26-高压密封圈安装在5-左推杆、15-右推杆上并与11-试验管材、14-对开螺母卡套部件连接，首先将15-右推杆与右侧对开螺母卡套部件通过螺纹连接拧紧，同时夹紧11-试验管材右端的扩口特征，然后将5-左推杆与左侧对开螺母卡套部件通过螺纹连接，旋入但不拧紧，保证管腔内气体可以从左侧排出。连接6-超高压水管和15-右推杆，启动L-水系统，向管腔内补水，待水系统的工作介质乳化液从5-左推杆与左侧对开螺母卡套部件未旋紧的螺纹牙中大量溢出后即实现排气。迅速将5-左推杆与左侧对开螺母卡套部件旋紧，完成密封。左右伺服侧推油缸同步点动进给，至两侧油缸活塞端面与左右推杆法兰端面刚刚接触，拧紧螺栓。至此试验工装已经按照图3组装完毕。此时如果11-试验管材为有纵向焊缝的焊接管材，要注意确保焊缝朝下，防止管材破裂时高压水对试验仪表和人员形成冲击。安装好传感器，查验传感器数据的校准与显示，准备胀形。
4)胀形与数据采集处理按照公式(1)或其他特殊试验设计要求设定管材内压力p和侧推力F1、F2的加载曲线，J-工控机总控系统按照设定加载曲线自动加载至管材破裂，同时通过组件6-传感器系统采集胀形过程数据p、t、h即可按照塑性理论推导出11-试验管材的轴向自由胀形应力应变曲线及材料参数。完成胀形后先拆卸16-超高压水管和组件3中的8-上压半圆形导套，然后去除5-左推杆与15-右推杆和左右伺服侧推油缸的螺栓连接，左右伺服侧推油缸后退至零点。依次将5-左推杆与15-右推杆从左右对开螺母卡套部件中拧出，同时确认26-高压密封圈没有损伤，当发现密封圈磨损时要及时更换。拔出14-对开螺母卡套部件中的21-内螺纹圆柱销，拆下20-卡套，轻敲22-对开螺母上下瓣让其与11-试验管材分离，至此全部完成11-试验管材和N-试验工装的拆卸，为下一次试验做好准备。14-对开螺母卡套部件的创造性设计是保证管材在扩口、胀形后完成后方便反复拆装的关键，实施效果良好。
具体实施例
材料名称与牌号QSTE340TM，管材直径d0＝72.5mm，壁厚t0＝3.8mm，管材试验段L0/d0＝2.0。通过胀形试验获得的材料参数如下表1所示，应力应变曲线如图6所示。
表1
Claims (3)
1.一种管材充液胀形试验方法及装置，其特征在于：所述的试验方法是将要进行性能测试的11-试验管材两端完全刚性约束，仅放开其轴向移动的自由度，在管材内部施加均匀液压力p，同时在管材左右两端分别施加推力F1、F2，并满足公式k1F1＝k2F2＝Ainp，Ain为11-试验管材的内腔截面积。管材在胀形过程中直径逐渐增大、长度逐渐缩短，伺服侧推油缸在加载推力的同时跟随管材的收缩而发生位移，保证侧推力的施加是持续而稳定、有效的，在精确控制左右伺服侧推油缸加载推力的同时，让其随管材的自由收缩而运动，但不控制其位移的大小，仅保证其左右位移相等，即两侧伺服油缸上安装的A-左侧位移传感器和I-右侧位移传感器的位移反馈值S1＝S2。液压力p均匀上升直至管材破裂过程中保持前述关系不变，同时通过D-超声测厚仪及探头、E-胀形高度位传感器实时监控管材胀形中间最高点的实时壁厚t和胀形高度h。当k1＝k2＝1时，侧推力F1、F2正好抵消内压力p对管材内腔端面Ain的作用力，通过获得的胀形过程数据p、t、h即可按照塑性理论推导出11-试验管材的轴向自由胀形应力应变曲线及材料参数。此种工况下，试验管材仅受到内压力p对管腔内壁的法向作用和管端节点的径向约束，同时保持胀形最高点轴向不窜动，而不受任何其它外力、约束或摩擦的影响。改变k1、k2即可在管材两端施加不同的拉力或推力，完成不同加载路径下的管材成形试验。
2.一种管材充液胀形试验方法及装置，其特征在于：所述的试验装置包括下列组成：
组件1：左右伺服侧推油缸组件由1-伺服侧推油缸、2-油缸防转导向部件、3-侧推固定加强筋板、4-侧推油缸固定板四部分组成。1-伺服侧推油缸法兰通过螺栓连接在4-侧推油缸固定板中心，3-侧推固定加强筋板焊接在4-侧推油缸固定板下部，与油缸同侧，2-油缸防转导向部件通过螺栓连接安装在油缸活塞杆前端，并穿过4-侧推油缸固定板上预留的通孔内，防止油缸活塞杆沿自身轴线旋转。
组件2：上拉杆下工作台组件由6-预紧拉杆套管部件、17-工作台、18-预紧防松螺母部件三部分组成。4-侧推油缸固定板和3-侧推固定加强筋板通过螺栓连接在17-工作台两侧，6-预紧拉杆套管部件穿过4-侧推油缸固定板上部预留的通孔与17-工作台一起通过18-预紧防松螺母部件实现定位预紧。左右伺服侧推油缸组件关于工作台中心左右对称。
组件3：导向工装组件由7-底板、8-上压半圆形导套、9-下支撑半圆形导套、10-轴向定位键四部分组成。导向工装组件位于17-工作台的中心位置，左右对称。7-底板通过销钉和螺栓定位连接在17-工作台上，9-下支撑半圆形导套与7-底板通过10-轴向定位键和螺栓实现定位和压紧，9-下支撑半圆形导套和左右伺服侧推油缸组件同轴。8-上压半圆形导套与9-下支撑半圆形导套上下扣合，通过螺栓连接为圆形导向结构。
组件4：试验管材及高压密封推杆组件由5-左推杆、11-试验管材、14-对开螺母卡套部件、15-右推杆、16-超高压水管、26-高压密封圈六部分组成。14-对开螺母卡套部件包括20-卡套、21-内螺纹圆柱销、22-对开螺母。22-对开螺母上下瓣和20-卡套通过21-内螺纹圆柱销连接为一整体，并可反复拆装。左、右推杆法兰通过螺栓分别连接在左、右伺服侧推油缸的活塞杆端面上。左、右推杆与对开螺母卡套部件采用螺纹连接，并可反复拆卸，试验管材被左、右推杆和对开螺母卡套部件夹紧在中间，通过螺纹实现预紧。16-超高压水管通过螺纹连接在右推杆上，并可通过右推杆上的27-高压水通道向试验管材内注入高压液体。20-卡套可以在8-上压半圆形导套和9-下支撑半圆形导套组成的圆形导向结构内沿轴向自由窜动，配合界面采用间隙配合，并涂油润滑。
组件5：扩口模具包含19-左扩口冲头、23-右扩口冲头、24-限位块下瓣和25-限位块上瓣，以及14-对开螺母卡套部件。左、右扩口冲头法兰通过螺栓分别连接在左、右伺服侧推油缸的活塞杆端面上。限位块上、下瓣扣合在11-试验管材中间并通过螺栓连接，两侧端面与14-对开螺母卡套部件贴合，实现扩口限位作用，限位块长度L0即为11-试验管材的材料测试变形区长度，试验管材外径为d0。
组件6：传感器系统由A-左侧位移传感器、B-左侧油缸无杆腔压力传感器、C-左侧油缸有杆腔压力传感器、D-超声测厚仪及探头、E-胀形高度位传感器、F-超高压压力传感器、G-右侧油缸有杆腔压力传感器、H-右侧油缸无杆腔压力传感器、I-右侧位移传感器九个传感器和12-超声测头固定块、13-胀形高度位传感器支架两个传感器的固定辅助结构组成。
试验装置总体：由J-工控机总控系统、K-液压系统、L-水系统、M-增压器和N-试验工装五部分组成，其中，N-试验工装包含组件1-5，J-工控机总控系统包含组件6。K-液压系统工作介质为液压油，L-水系统工作介质为乳化液。
3.一种管材充液胀形试验方法及装置，其特征在于：所述的试验方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)准备坯料根据试验设计的L0/d0确定管材下料长度L，通常取L0/d0＝1～5，L＝L0+0.8d0，下料完成后进行管端倒角和打磨等辅助操作，准备出11-试验管材，便于进一步试验操作。
2)扩口启动设备，将左右伺服侧推油缸退至最后，设为位移零点。将组件3安装在组件1、2中间，再把11-试验管材、组件5-扩口模具与伺服侧推油缸安装好，确保24-限位块下瓣和25-限位块上瓣夹紧11-试验管材，限位块两侧端面与14-对开螺母卡套部件端面贴合。左右伺服侧推油缸同步进给至11-试验管材扩口部位与14-对开螺母卡套部件内壁贴合，完成对11-试验管材的扩口。左右伺服侧推油缸后退至零点，拆卸19-左扩口冲头、23-右扩口冲头、24-限位块下瓣和25-限位块上瓣。
3)排气密封将26-高压密封圈安装在5-左推杆、15-右推杆上并与11-试验管材、14-对开螺母卡套部件连接，首先将15-右推杆与右侧对开螺母卡套部件通过螺纹连接拧紧，同时夹紧11-试验管材右端的扩口特征，然后将5-左推杆与左侧对开螺母卡套部件通过螺纹连接，旋入但不拧紧，保证管腔内气体可以从左侧排出。连接6-超高压水管和15-右推杆，启动L-水系统，向管腔内补水，待水系统的工作介质乳化液从5-左推杆与左侧对开螺母卡套部件未旋紧的螺纹牙中大量溢出后即实现排气。迅速将5-左推杆与左侧对开螺母卡套部件旋紧，完成密封。左右伺服侧推油缸同步点动进给，至两侧油缸活塞端面与左右推杆法兰端面刚刚接触，拧紧螺栓。至此试验工装已经按照图3组装完毕。此时如果11-试验管材为有纵向焊缝的焊接管材，要注意确保焊缝朝下，防止管材破裂时高压水对试验仪表和人员形成冲击。安装好传感器，查验传感器数据的校准与显示，准备胀形。
4)胀形与数据采集处理按照公式(1)或其他特殊试验设计要求设定管材内压力p和侧推力F1、F2的加载曲线，J-工控机总控系统按照设定加载曲线自动加载至管材破裂，同时通过组件6-传感器系统采集胀形过程数据p、t、h即可按照塑性理论推导出11-试验管材的轴向自由胀形应力应变曲线及材料参数。完成胀形后先拆卸16-超高压水管和组件3中的8-上压半圆形导套，然后去除5-左推杆与15-右推杆和左右伺服侧推油缸的螺栓连接，左右伺服侧推油缸后退至零点。依次将5-左推杆与15-右推杆从左右对开螺母卡套部件中拧出，同时确认26-高压密封圈没有损伤，当发现密封圈磨损时要及时更换。拔出14-对开螺母卡套部件中的21-内螺纹圆柱销，拆下20-卡套，轻敲22-对开螺母上下瓣让其与11-试验管材分离，至此全部完成11-试验管材和N-试验工装的拆卸，为下一次试验做好准备。
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