CN109916735A - 一种金属板材瞬态热成形极限的测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属板材瞬态热成形极限的测试装置及测试方法，测试装置包括：双向拉伸实验装置，计算机控制系统，光学应变测量系统，红外测温仪，电磁感应加热装置，冷却装置；所述光学应变测量系统通过CCD相机实现对十字形样件表面变形的拍摄；所述电磁感应加热装置通过蚊香盘式感应线圈实现对十字形样件中心区域的加热和保温；所述冷却装置通过高压空气喷头实现对高温十字形样件的降温。本发明可在高温十字形样件的拉伸过程中，对其进行指定冷却速率下的降温处理，进而准确获取材料的瞬态极限应变并建立瞬态热成形极限图；与实际热冲压金属板材连续变温特点相一致，可实现更加可靠的板材成形性预测，有效指导工艺优化，提高生产效率与产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及金属板材热冲压先进制造技术领域，尤其是涉及一种金属板材瞬态热成形极限的测试装置及测试方法。
背景技术
金属材料在高温下的塑性变形能力将得到显著提高。基于这一特点，金属板材热冲压技术在汽车制造领域得到了广泛研究与应用。通过对高强度轻质金属板材进行热冲压成形，可实现多种车身结构件的制造，如B柱、前后保险杠、侧梁等。高强度轻质金属板材的应用可在保证整车碰撞安全性的同时，实现车身的轻量化。
热冲压成形是一种金属板材的高温变形过程，板材最终的成形质量将受众多工艺因素的影响。除传统冷冲压需考虑的压边力外，还需额外考虑高温摩擦、冲压速率、初始成形温度等因素的影响。如上述工艺因素不合理，板材很可能在成形过程中发生破裂，造成资源浪费、延长生产周期。另一方面，在高温下，金属材料的力学性能将表现出明显的应变率、温度相关性。因此，如何准确预测板材在高温下的成形性是热冲压技术应用需着重解决的问题。
极限应变是指板材在发生集中性失稳时的应变值。通过获取板材在不同变形路径下的一系列主、次极限应变，并将其绘制在以主、次应变为轴线的坐标系中，便可以得到材料的成形极限图。目前，成形极限图被广泛用于板材的成形性评价。通过有限元数值仿真获取板材的应变值，进一步与极限应变进行比较，以确定板材在成形过程中是否发生破裂。
针对建立高温下的成形极限图：申请号为CN201110082554.7的中国专利公开了一种建立超高强硼钢板高温成形极限图的试验装置及试验方法；申请号为CN201410076406.8的中国专利公开了一种金属板材热成形极限实验装置及测试方法；申请号为CN201320475508.8的中国专利公开了一种金属高温温热成形极限TFLD测试装置；申请号为CN201810205248.X的中国专利公开了一种高温高速金属板材热冲压成形极限测试装置及测试方法。上述专利均是采用Nakazima半球形冲头对样件进行高温胀形试验，以获取板材在不同路径下的热成形极限。申请号为CN201310319572.1的中国专利公开了一种局部加热成形极限试验方法。该专利采用双向拉伸试验法，并通过对样件的局部区域进行加热处理，以获取材料在不同路径下的热成形极限。然而，上述获取热成形极限的方法与实际热冲压工艺存在明显差异。在实际热冲压过程中，模具通常为室温，因此高温板材与之接触会发生剧烈的热交换。因此，热冲压成形是一个板材温度连续变化的过程。而上述专利的热成形极限均是在某一恒定温度下获取的；亦或是对不同温度下极限应变曲线进行插值以获取成形极限曲面。因此，上述专利方法获取的成形极限图并不能准确衡量连续变温对材料成形性的影响。
申请号为CN201210192708.2的中国专利公开了一种超高强度钢的热成形瞬态成形极限的模拟预测方法。该专利采用M-K理论模型对超高强度钢的瞬态成形极限进行了预测。然而，预测结果的精确度将强烈依赖于本构方程的选择以及模型参数的确定。因此，该方法对于其他材料而言，其可移植性较差。同时，该预测方法的有效性需结合试验做进一步验证。申请号为CN201820341276.X的中国专利公开了一种获取变强度钢板差温成形极限的试验装置及方法。该专利通过在Nakazima半球形冲头两侧布置不同功率的加热棒，以实现冲头两侧温度的不同，进而对高温样件进行胀形试验以获取差温极限应变。然而，该方法并不能准确控制样件的降温速率；另一方面，由于冲头顶部率先与样件发生接触，样件中心位置温度要低于边缘处。而材料温度较高位置的变形抗力较小，因此样件极易在边缘处发生破裂，如此获取的极限应变是不准确的。
综上，提出一种能控制高温样件降温速率，同时能保证断裂发生在样件中心位置的测试装置及瞬态热成形极限测试方法是十分必要的。瞬态热成形极限图的建立将有助于板材成形性的准确预测，进而指导热冲压工艺的优化。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种金属板材瞬态热成形极限的测试装置，不仅能实现传统恒温、不同变形路径、不同应变率下成形极限的获取；还提供一种测试方法，用于获取高温板材在不同降温速率下的瞬态热成形极限，与实际热冲压工艺特点相符。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种金属板材瞬态热成形极限的测试装置，包括双向拉伸实验装置、计算机控制系统、光学应变测量系统、红外测温仪、电磁感应加热装置和冷却装置；
所述双向拉伸实验装置夹持十字形样件，进行不同的拉伸速率且两个垂直方向不同拉伸比例的拉伸测试；
所述计算机控制系统连接并控制双向拉伸实验装置两个垂直方向的拉伸比例以及拉伸速率，同时采集拉伸力的数据；
所述光学应变测量系统计算十字形样件表面的应变场，进一步计算极限应变值以及变形路径；
所述红外测温仪测量十字形样件中心区域的温度，并将测量值反馈给电磁感应加热装置；
所述电磁感应加热装置设于十字形样件的一侧，电磁感应加热装置电连接红外测温仪；
所述冷却装置位于蚊香盘式感应线圈的后方，对十字形样件进行冷却处理。
进一步，所述冷却装置设有高压空气喷头，高压空气喷头位于蚊香盘式感应线圈的后方且与其共轴。
进一步，所述电磁感应加热装置设有蚊香盘式感应线圈，蚊香盘式感应线圈设于十字形样件的一侧且与其共轴。
进一步，所述红外测温仪和蚊香盘式感应线圈分别位于十字形样件的前后两侧。
进一步，所述光学应变测量系统连接两个用于实时拍摄十字形样件表面的CCD相机。
进一步，所述CCD相机与红外测温仪位于十字形样件的同一侧。
一种应用上述的测试装置进行金属板材瞬态热成形极限测试的方法，包括如下步骤：
步骤1、制备中心区域减薄的十字形样件，并在十字形样件一侧喷涂随机均匀分布的耐高温黑、白散斑；
步骤2、采用双向拉伸试验装置的夹具紧固十字形样件，设置保载力并启动保载；
步骤3、采用电磁感应加热装置对十字形样件中心区域进行快速加热，红外测温仪对十字形样件中心区域温度进行测量并反馈给电磁感应加热装置，电磁感应加热装置调节输出功率，将十字形样件按规定速率加热到指定温度并保温；
步骤4、达到保温时间后，停止加热，采用冷却装置将十字形样件快速冷却至初始测试温度；
步骤5、调整高压空气喷头的出口压力，对十字形样件进行恒定冷却速率下的降温处理，同时采用计算机控制系统调控双向拉伸实验装置，进行指定比例和拉伸速率下的双向拉伸，并记录力-位移数据；
步骤6、光学应变测量系统在拉伸过程中采用CCD相机实时拍摄十字形样件表面并计算样件中心区域的应变场，进一步采用基于位置或时间相关的方法对极限应变进行计算；
步骤7、重复步骤1-6，开展不同比例的双向拉伸测试，以获得不同变形路径下的极限应变并建立瞬态热成形极限图；
步骤8、重复步骤1-7，开展不同冷却速率、不同初始测试温度、不同拉伸速率下的拉伸实验，以建立材料在不同冷却速率、不同初始测试温度、不同应变率下的瞬态热成形极限图。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1)相比于Nakazima半球形冲头胀形的测试方法，采用双向拉伸的测试方法可有效解决高温摩擦问题，样件更易于在中心位置发生破裂，使测试结果更加准确。
2)相比于Nakazima半球形冲头胀形的测试方法，采用双向拉伸的测试方法便于更加精确的拉伸速率控制，以准确建立某一应变率下材料的成形极限图。
3)相比于Nakazima半球形冲头胀形所采用的样件，十字形样件几何形式简单，通过改变拉伸比例便可得到不同变形路径下的极限应变，样件设计成本低。
4)十字形样件先紧固于双向拉伸试验装置，后对其进行加热和保温处理，减少了高温样件的转运过程，操作简单且安全；同时，避免了转运过程中的热量损失，样件温度控制更加精确；另一方面，在加热阶段对样件进行保载处理，可避免因热变形导致的样件形状畸变。
5)在双向拉伸过程中对高温样件进行不同冷却速率下的降温处理，可获得金属板材的瞬态热成形极限，与实际热冲压成形工艺特点相一致，所建立的成形极限图更加准确合理。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明金属板材瞬态热成形极限测试装置的结构示意图，用以说明各部件间的相对摆放位置；
图2为本发明中心区域减薄的十字形拉伸样件；
图3为本发明高压空气喷头的正视图；
图4为本发明高压空气喷头的俯视图；
图5为本发明瞬态热成形极限测试方法的流程图；
附图标记说明：
1-双向拉伸实验装置；2-计算机控制系统；3-光学应变测量系统；4-CCD相机；5-红外测温仪；6-电磁感应加热装置；7-蚊香盘式感应线圈；8-冷却装置；9-高压空气喷头；10-十字形样件。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-5所示，一种金属板材瞬态热成形极限的测试装置，包括双向拉伸实验装置1、计算机控制系统2、光学应变测量系统3、红外测温仪5、电磁感应加热装置6和冷却装置8。
所述双向拉伸实验装置1用于夹持十字形样件10，通过调整两个垂直方向上的拉伸比例，可实现样件在不同路径下的变形，进一步，通过调整拉伸速率，可实现样件在不同应变率下的变形，进行不同的拉伸速率且两个垂直方向不同拉伸比例的拉伸测试。
所述计算机控制系统2连接并控制双向拉伸实验装置1在两个垂直方向上的拉伸比例以及拉伸速率，同时采集拉伸力的数据，用于后续分析。
所述光学应变测量系统3计算十字形样件10表面的应变场，进一步计算极限应变值以及变形路径；
所述红外测温仪5测量十字形样件10中心区域的温度，并将测量值反馈给电磁感应加热装置6，以调节输出功率；
所述电磁感应加热装置6设于十字形样件10的一侧，电磁感应加热装置6电连接红外测温仪5。电磁感应加热装置6设有蚊香盘式感应线圈7，蚊香盘式感应线圈7设于十字形样件10的一侧且与其共轴。所述电磁感应加热装置6可通过蚊香盘式感应线圈7将所述十字形样件10中心区域快速加热到指定温度；所述电磁感应加热装置6可以调节输出功率，以满足样件的不同加热速率要求以及恒温保温功能。
所述红外测温仪5和蚊香盘式感应线圈7分别位于十字形样件10的前后两侧。红外测温仪5用于实时测量样件中心区域的温度，并将测量值反馈给所述电磁感应加热装置6。
所述冷却装置8位于蚊香盘式感应线圈7的后方，对十字形样件10进行冷却处理。
所述冷却装置8设有高压空气喷头9，通过调整出口气压，可对所述十字形样件10进行不同冷却速率下的降温处理。高压空气喷头9位于蚊香盘式感应线圈7的后方且与其共轴。
所述光学应变测量系统3连接两个CCD相机4，用于实时拍摄十字形样件10的变形表面，进而对样件的应变场进行计算。所述CCD相机4与红外测温仪5设于十字形样件10的同一侧。
一种应用上述的测试装置进行金属板材瞬态热成形极限测试的方法，如图5所示，以高强度硼钢板22MnB5的瞬态热成形极限测试为例。包括如下步骤：
步骤1、制备中心区域减薄的十字形样件10，并在十字形样件10一侧喷涂随机均匀分布的耐高温黑、白散斑；其中，对十字形样件10中心区域做减薄处理，有助于破裂在样件中心位置的发生。
步骤2、采用双向拉伸试验装置1的夹具紧固十字形样件10，设置保载力并启动保载；在对十字形样件10中心区域进行加热的过程中，对样件进行保载处理可避免样件因热变形所导致的形状畸变。
步骤3、采用电磁感应加热装置6对十字形样件10中心区域进行快速加热，红外测温仪5对十字形样件10中心区域温度进行测量并反馈给电磁感应加热装置6，电磁感应加热装置6通过调节输出功率，将十字形样件10按规定速率加热到指定温度并保温。对于高强度硼钢22MnB5，加热温度为900℃，保温时间为5min，以实现十字形样件10中心区域奥氏体微观组织的均匀化。
步骤4、达到保温时间后，停止加热，采用冷却装置8将十字形样件10快速冷却至初始测试温度。对于高强度硼钢热冲压成形，板材的初始成形温度一般在500～800℃之间。因此，测试的初始拉伸温度选为500～800℃，测试温度间隔取为50℃。同时，为保证测试前，十字形样件中心区域微观组织为奥氏体，从保温温度到初始测试温度间的样件冷却速率应大于30℃/s。
步骤5、调整高压空气喷头9的出口压力，对十字形样件10进行恒定冷却速率下的降温处理，同时采用计算机控制系统2调控双向拉伸实验装置1，进行指定比例和拉伸速率下的双向拉伸，并记录力-位移数据。其中，拉伸过程中的降温速率选为10～100℃/s，降温速率间隔取为10℃/s。
步骤6、光学应变测量系统3在拉伸过程中采用CCD相机4实时拍摄十字形样件10表面并计算样件中心区域的应变场，进一步采用基于位置或时间相关的方法对当前测试工况下样件的极限应变进行计算。
步骤7、重复步骤1-6，开展不同比例的双向拉伸测试，以获得十字形样件10在不同变形路径下的极限应变并建立瞬态热成形极限图；
步骤8、重复步骤1-7，开展不同冷却速率、不同初始测试温度、不同拉伸速率下的拉伸实验，以建立材料在不同冷却速率、不同初始测试温度、不同应变率下的瞬态热成形极限图。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本发明的测试装置适用于各类金属板材的成形极限研究，同时加热方法也不局限于电磁加热，如激光加热、热辐射等也可作为替换的加热方式；此外，本测试装置也可用于等温成形极限，非线性应变路径下的成形极限研究。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种金属板材瞬态热成形极限的测试装置，其特征在于：包括双向拉伸实验装置(1)、计算机控制系统(2)、光学应变测量系统(3)、红外测温仪(5)、电磁感应加热装置(6)和冷却装置(8)；
所述双向拉伸实验装置(1)夹持十字形样件(10)，进行不同的拉伸速率且两个垂直方向不同拉伸比例的拉伸测试；
所述计算机控制系统(2)连接并控制双向拉伸实验装置(1)两个垂直方向的拉伸比例以及拉伸速率，同时采集拉伸力的数据；
所述光学应变测量系统(3)计算十字形样件(10)表面的应变场，进一步计算极限应变值以及变形路径；
所述红外测温仪(5)测量十字形样件(10)中心区域的温度，并将测量值反馈给电磁感应加热装置(6)；
所述电磁感应加热装置(6)设于十字形样件(10)的一侧，电磁感应加热装置(6)电连接红外测温仪(5)；
所述冷却装置(8)位于蚊香盘式感应线圈(7)的后方，对十字形样件(10)进行冷却处理。
2.根据权利要求1所述的金属板材瞬态热成形极限的测试装置，其特征在于：所述冷却装置(8)设有高压空气喷头(9)，高压空气喷头(9)位于蚊香盘式感应线圈(7)的后方且与其共轴。
3.根据权利要求1所述的金属板材瞬态热成形极限的测试装置，其特征在于：所述电磁感应加热装置(6)设有蚊香盘式感应线圈(7)，蚊香盘式感应线圈(7)设于十字形样件(10)的一侧且与其共轴。
4.根据权利要求3所述的金属板材瞬态热成形极限的测试装置，其特征在于：所述红外测温仪(5)和蚊香盘式感应线圈(7)分别位于十字形样件(10)的前后两侧。
5.根据权利要求1所述的金属板材瞬态热成形极限的测试装置，其特征在于：所述光学应变测量系统(3)连接两个用于实时拍摄十字形样件(10)表面的CCD相机(4)。
6.根据权利要求5所述的金属板材瞬态热成形极限的测试装置，其特征在于：所述CCD相机(4)与红外测温仪(5)位于十字形样件(10)的同一侧。
7.一种应用权利要求1-6任意一项所述的测试装置进行金属板材瞬态热成形极限测试的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、制备中心区域减薄的十字形样件(10)，并在十字形样件(10)一侧喷涂随机均匀分布的耐高温黑、白散斑；
步骤2、采用双向拉伸试验装置(1)的夹具紧固十字形样件(10)，设置保载力并启动保载；
步骤3、采用电磁感应加热装置(6)对十字形样件(10)中心区域进行快速加热，红外测温仪(5)对十字形样件(10)中心区域温度进行测量并反馈给电磁感应加热装置(6)，电磁感应加热装置(6)调节输出功率，将十字形样件(10)按规定速率加热到指定温度并保温；
步骤4、达到保温时间后，停止加热，采用冷却装置(8)将十字形样件(10)快速冷却至初始测试温度；
步骤5、调整高压空气喷头(9)的出口压力，对十字形样件(10)进行恒定冷却速率下的降温处理，同时采用计算机控制系统(2)调控双向拉伸实验装置(1)，进行指定比例和拉伸速率下的双向拉伸，并记录力-位移数据；
步骤6、光学应变测量系统(3)在拉伸过程中采用CCD相机(4)实时拍摄十字形样件(10)表面并计算十字形样件(10)中心区域的应变场，进一步采用基于位置或时间相关的方法对极限应变进行计算；
步骤7、重复步骤1-6，开展不同比例的双向拉伸测试，以获得不同变形路径下的极限应变并建立瞬态热成形极限图；
步骤8、重复步骤1-7，开展不同冷却速率、不同初始测试温度、不同拉伸速率下的拉伸实验，以建立材料在不同冷却速率、不同初始测试温度、不同应变率下的瞬态热成形极限图。
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