CN105180886A - 一种测量冷轧薄钢板应变分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量冷轧薄钢板应变分布的方法，属于金属塑性加工成型技术领域。该方法是利用表面粗糙度测量仪测量变形前后的其中一些粗糙度指标的变化值，通过本发明提出的相关模型计算出冷轧薄钢板在变形后不同方向的板料某点的应变值，进而得到应变分布。本发明方法不需要印网格，本发明方法同样可用于铝、钛等金属板材的成形应变分析；本发明方法相比较网格应变分析技术，具有仪器携带简便、测量方法简易、数据获得直观、测量精度人为影响因素少等技术特点。

Description

一种测量冷轧薄钢板应变分布的方法

技术领域：

本发明属于金属塑性加工成型技术领域，具体涉及一种测量冷轧薄钢板应变分布的方法。

背景技术：

板料成形是金属加工技术中的重要分支之一，通常需要对应变数据进行处理从而获得某种材料的应变分布和成形极限图(FLD)，其中成形极限反映了板材在塑性失稳前所能取得的最大变形程度，是板材成形领域中重要的性能指标和工艺参数。而应变分布和成形极限图的获得都离不开应变的计算，目前，基于网格变形的应变分析法是板料成形中的重要分析技术，该技术通过在金属板料表面印制坐标网格，板料成形时，网格与试件一同变形，最后测量网格在变形前后的几何尺寸，获得板料的应变及其分布情况，从而确定板材变形后的实际应变分布。网格技术是金属薄板成形分析的主要方式，可以为成形极限图的建立、成形过程中安全裕度的判断以及有限元模拟的验证等提供可靠的数据，故该方法的应用对于指导金属塑性加工的实际生产极有意义。

但板料变形前后，网格由二维变为三维，且网格线条有一定的宽度，变形也会造成线条的扭曲和变化，因此如何选择测量的边界会受实验者的主观判断及其操作的影响，且在人工采集和处理大量离散数据的过程中，会不可避免地产生各种随机误差甚至错误，这对进一步的应变分析产生很大的影响，导致分析结果的精度降低。此外，手工测量极其繁琐，耗时耗力。故采用工程应比例软尺或者工具显微镜的手工测量方法由于自身测量效率低、精度差等缺点，已经无法满足钣件成形领域的应变测量要求。

随着计算机技术及传感器技术的发展，电测技术取代了人工机械测量技术。但该技术要求电阻应变片与被测物体表面接触，而板料变形过程中，物体表面受到模具的挤压和摩擦作用，必然会导致贴于物体表面的电阻应变片遭到损坏，所以电测法存在一定的局限性。紧接着计算机视觉测量技术的发展，坐标网格法与现代计算机图像处理及视觉测量技术的结合成为新的研究方向。该方法通过CCD摄像机和图像采集卡得到数字图像，对采集所得到的图像进行图像处理，后进行系统标定，提取网格坐标数据，得出节点之间的距离，针对不同的网格采用不同的应变计算方法。由于影响测量系统精度的因素也有很多，如CCD摄像机图像分辨率低，量化误差的存在、非线性镜头较大的畸变等，且测量范围太大，还会由于像素的缘故，会带来测量精度的下降。此外，该方法设备繁多，适合实验研究，而实际应用很少。以上方法都需要先印制网格,需要复杂的设备和繁琐的操作过程，而且网格一般为直径1-2mm,测量范围大而繁琐,且只能分析二个方向的应变。

板料在变形过程中，除了印制的网格会发生扭曲和变化外，其表面粗糙度参数也会随之发生有规律的变化，找出板料粗糙度与变形量之间的关系，即可通过测表面粗糙度一些参数值可进行应变分布和成形极限图,许多研究者对自由表面粗化行为进行的大量研究表明板料自由表面粗化行为受应变量、晶粒尺寸、应变路径、晶体结构等参数的影响，但至今都没有文献报道二者的相关模型。

发明内容：

本发明针对现有网格应变分析法存在的技术缺陷，提供一种测量冷轧薄钢板应变分布的方法，即表面粗糙度分析法。该方法是利用表面粗糙度测量仪测量变形前后的其中一些粗糙度指标的变化值，通过本发明提出的相关模型，转化为应变值，进而得到应变分布。

本发明所提供的一种测量冷轧薄钢板应变分布的方法具体步骤如下：

(1)首先将冷轧薄钢板进行平整处理，平整延伸率不大于0.1％。

(2)将经过平整处理后的冷轧薄钢板裁剪成试样大小，得到冷轧薄钢板试样，并标上序号，应用粗糙度仪检测板料任意不少于5个点的某方向的轮廓单峰平均间距S、轮廓算术平均偏差Ra以及轮廓微观不平度的平均间距Sm，若各点检测数值与所有点检测数值加和平均值的差值不超过所有点检测数值加和平均值的5％，则进行下一步，否则回到步骤(1)重新进行平整处理。

(3)对冷轧薄钢板试样进行成型试验，之后对经成型试验变形后的冷轧薄钢板试样的特定点进行粗糙度相关参数的检测，该特定点是成型试验前已标记的点，检测的方向及参数与变形前的检测方向及参数一致，如变形前沿板的轧制方向测量Ra的值，则变形后仍按轧制方向测量Ra的值。

(4)利用以下模型进行应变计算：

$\mathrm{\ϵ}=K\·(R_{a1}\·\sqrt{{S_2}^2+S_{m2}^2}-R_{a2}\·\sqrt{{S_1}^2+S_{m1}^2})/\sqrt{{S_1}^2+S_2^2}$

式中：

ε：冷轧薄钢板板面某点应变值；

S₁和S₂：分别是变形前后的冷轧薄钢板板面某点轮廓单峰平均间距，单位μm；

S_m1和S_m2：分别是变形前后的冷轧薄钢板板面某点轮廓微观不平度的平均间距，单位μm；

R_a1和R_a2：分别是变形前后冷轧薄钢板板面某点的轮廓算术平均偏差，单位μm；

K：比例系数，取0.14～0.15。

通过上述模型计算出冷轧薄钢板在变形后不同方向的板料某点的应变值，而且不需要印网格，本发明同样可用于铝、钛等金属板材的成形应变分析；本发明方法相比较网格应变分析技术，具有仪器携带简便、测量方法简易、数据获得直观、测量精度人为影响因素少等技术特点。

具体实施方式：

选用08Al钢板作为实验加工材料，材料厚度为1mm,将08Al钢板在剪板机上裁剪成12块150×150mm的成形板料，以便实验中使用。将12块板料分别标记为1～12号，并在每块板料上选取2个相同位置使用颜料笔做标记，以便变形后测量该点的表面粗糙度和应变值。

对所有板料，先进行平整处理，平整的延伸率不大于0.06％，使用表面粗糙度测量仪SJ-210在板料变形前，分别测量标记点的于网格方向相同的轮廓单峰平均间距S，轮廓算术平均偏差Ra和轮廓微观不平度的平均间距Sm.

对1～4号板料表面印制方形网格，5～8号板料表面印制圆形网格，9～12号板料不印网格，分别对上述1、2、5、6、9、10号实验板料采用胀形加工，对剩余实验板料采用一般渐进成形方法加工在不破裂的前提下加工成相同形状、相同高度的球形制件。

加工完成后，对印制网格的板料使用网格应变分析法测量上述标记点的网格变形大小并计算相应的应变值。对没有印网格的板料，在板料成形后，使用表面粗糙度测量仪SJ-210，分别测量标记点的于网格方向相同的轮廓单峰平均间距S，轮廓算术平均偏差Ra和轮廓微观不平度的平均间距Sm，再根据本发明提出的模型计算二个方向的应变值。

取相同位置的点计算出各对应应变值并与利用网格应变分析法得出的应变值进行比较，结果如表1所示。

表1各实验板料应变值

从表1的实验结果可以看出，采用本发明所提出表面粗糙度分析法与采用应变分析法得出的应变值在数值上相差不大，且比应变分析法得出的数值更为稳定,另一方面，本发明方法简便，操作简易，节省了大量人工测算的时间，数据的精度和效率都得到了显著的提高。

Claims (1)

1.一种测量冷轧薄钢板应变分布的方法，其特征在于该方法具体步骤如下：

(1)首先将冷轧薄钢板进行平整处理，平整延伸率不大于0.1％；

(2)将经过平整处理后的冷轧薄钢板裁剪成试样大小，得到冷轧薄钢板试样，并标上序号，应用粗糙度仪检测板料任意不少于5个点的某方向的轮廓单峰平均间距S、轮廓算术平均偏差Ra以及轮廓微观不平度的平均间距Sm，若各点检测数值与所有点检测数值加和平均值的差值不超过所有点检测数值加和平均值的5％，则进行下一步，否则回到步骤(1)重新进行平整处理；

(3)对冷轧薄钢板试样进行成型试验，之后对经成型试验变形后的冷轧薄钢板试样的特定点进行粗糙度相关参数的检测，该特定点是成型试验前已标记的点，检测的方向及参数与变形前的检测方向及参数一致；

(4)利用以下模型进行应变计算：

$\mathrm{\ϵ}=K\·(R_{a1}\·\sqrt{{S_2}^2+S_{m2}^2}-R_{a2}\·\sqrt{{S_1}^2+S_{m1}^2})/\sqrt{{S_1}^2+S_2^2}$

式中：

ε：冷轧薄钢板板面某点应变值；

S₁和S₂：分别是变形前后的冷轧薄钢板板面某点轮廓单峰平均间距，单位μm；

S_m1和S_m2：分别是变形前后的冷轧薄钢板板面某点轮廓微观不平度的平均间距，单位μm；

R_a1和R_a2：分别是变形前后冷轧薄钢板板面某点的轮廓算术平均偏差，单位μm；

K：比例系数，取0.14～0.15；

通过上述模型计算出冷轧薄钢板在变形后不同方向的板料某点的应变值。