CN110231228A - 厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置及使用方法，该装置包括内含密封空腔的箱体，箱体侧壁外侧对称设置有两组拉伸单元，拉伸单元的拉杆通过侧壁的安装孔伸入空腔内，两组拉杆与安装孔的连接处进行密封处理，末端固连有试件夹头，用于连接并预紧方板试验件并将方板试验件沿水平方向进行拉伸，两组拉杆上设置有位移传感器并位于同一直线上；流体压力提供单元通过管路向空腔内注入油液，油液由空腔内设置的加热单元进行加热；空腔内油液的压力和温度分别由压力测量单元和温度测量单元实时测量获得。该装置和方法能够精确的获得板材抗皱性能评估所需的指标，并且能实时处理测量数据和连续工作，提高了试验的效率。

Description

厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置及使用方法
技术领域
本发明涉及一种热介质成形技术及材料试验装置及使用方法，更具体地说，本发明涉及一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置及使用方法。
背景技术
热介质成形技术是21世纪初期得到迅速发展，成为最具创新性的塑性成形技术之一。热介质成形采用温热流体介质作为传力介质，并以此代替部分模具成形零件的一种制造方法。热介质成形具有热成形与流体成形的双重优点，在流体压力诱导的厚向应力参与下，材料的塑性和延展性显著提高，屈服强度迅速下降，破裂倾向减小，鉴于这些优点，越来越多的研究者对热介质成形技术展开了更深入的研究工作。板材在成形过程中会出现起皱、破裂等缺陷，国内外研究者也在为解决板材在成形过程中的缺陷而努力。材料的抗皱性能是材料的一个重要成形性能，常温状态下已经有吉田青太试验作为材料的评估标准，而在热流体介质提供厚向应力作用的成形环境中对材料进行抗皱性能测试还是一个难题，也没有进行相应测试的试验装置和评估标准。
常规研究材料抗皱性能的方法是吉田青太方板拉伸试验，一般对100×100mm的方板试验件沿对角轴线进行拉伸，夹持宽度为40mm，如图1所示。拉伸后根据起皱高度、皱纹分布、拉伸点变形量、载荷等数据来分析材料的抗皱性能。这种试验方法，不适用于三维应力状态——流体压力提供厚向应力作用下的板材的抗皱性能测试，且对高温环境下材料的抗皱性能测试不具备通用性。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，其能够在设定温度和压力下，利用热流体介质对板材提供厚向应力作用的成形环境，并获得板材抗皱性能评估所需的指标。
本发明还有一个目的是提供厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置的使用方法，提高试验的效率，以便对板材在热流体介质提供厚向应力作用的成形环境中的抗皱性能进行精确的评估。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，包括：内含密封空腔的箱体，所述箱体侧壁外侧对称设置有两组拉伸单元，所述拉伸单元的拉杆通过侧壁的安装孔伸入所述空腔内，所述两组拉杆与所述安装孔的连接处进行密封处理，末端固连有试件夹头，用于连接并预紧方板试验件并将方板试验件沿水平方向进行拉伸，所述两组拉杆上设置有位移传感器并位于同一直线上；
流体压力提供单元通过管路向所述空腔内注入油液，所述油液由所述空腔内设置的加热单元进行加热；所述空腔内油液的压力和温度分别由压力测量单元和温度测量单元实时测量获得。
优选的是，其中所述箱体包括箱本体和盖板；所述箱本体与所述盖板之间设有高温密封圈，所述高温密封圈、所述盖板与所述箱本体通过螺栓和螺母装配在一起并固定后，在所述箱本体中心形成密封的所述空腔。
优选的是，其中所述试验装置还包括闭合油缸，所述闭合油缸的活塞杆与所述盖板固连，所述闭合油缸为伺服油缸或普通油缸。
优选的是，其中所述拉伸单元还包括：拉伸油缸和支撑块；所述拉伸油缸为伺服油缸，活塞杆与所述拉杆固连，所述拉杆依次穿过所述支撑块和所述安装孔伸入所述空腔内；所述支撑块固定于所述箱体的侧壁外侧。
优选的是，其中所述流体压力提供单元包括高压腔、低压腔和溢流阀；所述高压腔通过管路将油液注入所述空腔内；所述低压腔与所述溢流阀相连接，通过设定所述溢流阀的调定压力来控制所述空腔内的压力。
优选的是，其中所述加热单元包括保温层、加热器和防溅隔板；所述保温层、加热器和防溅隔板安装在所述空腔侧壁内表面的凹槽内，所述防溅隔板与所述空腔侧壁内表面相平齐，并与所述空腔的底部和侧壁分别进行固定，使所述保温层与所述防溅隔板之间形成加热室，所述加热室与所述空腔之间油液能通过所述防溅隔板自由流动。
优选的是，其中所述试验装置还包括冷却单元，所述冷却单元为贯穿所述箱体侧壁的冷却水通道，冷却水从所述冷却水通道循环通过。
优选的是，其中所述试验装置还包括数据采集处理单元；所述数据采集处理单元分别与所述压力测量单元、温度测量单元和位移传感器电性连接，用于实时采集、处理和显示试验过程中的压力、温度和拉伸长度。
本发明的目的还可以进一步由所述厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置的使用方法来实现，该方法包括：
步骤一：准备多组100×100mm的方板试验件，在方板试验件的拉伸轴线上标记出长度为75mm的测量基准区，拉伸时的相对伸长记为λ75；
步骤二：将方板试验件置于所述箱体的密封空腔内，将方板试验件的两个夹持区分别固定于所述试件夹头上，夹持宽度均为40mm；
步骤三：开启所述流体压力提供单元，将低压油液注入所述空腔内，然后关闭所述流体压力提供单元，开启所述加热单元，对所述空腔内的油液进行加热，通过油液的热传导将方板试验件加热到预定温度；
步骤四：开启压力测量单元和温度测量单元实时测量获得试验过程中的所述空腔内油液的压力和温度；再次开启所述流体压力提供单元，调节所述空腔内的油液压力到预定压力，为方板试验件提供厚向应力环境；
步骤五：驱动所述两组拉伸单元，通过所述拉杆对方板试验件进行牵引拉伸，所述位移传感器记录拉伸长度，当相对拉伸长度λ75＝1％时停止拉伸；
步骤六：关闭所述加热单元和所述流体压力提供单元，停止驱动所述两组拉伸单元并对所述空腔进行泄压；
步骤七：待整个装置冷却到室温，打开所述箱体，取出方板试验件；
更换方板试验件后，设定不同的所述空腔内的油液压力，重复步骤二至步骤七进行试验至所有方板试验件拉伸完毕；
步骤八：对所述空腔内的油液进行回流并收集；
步骤九：对方板试验件进行简单清理，进行数据处理，取中心跨b＝25mm内的拱曲高度为h值；试验结果用两个指标来度量：
(1)根据多组试样在设定温度下，不同油液压力作用下的试验所得的拱曲高度值，绘制出油液压力——拱曲高度曲线，以此曲线判断材料的起皱趋势；
(2)提出起皱系数作为抗皱性的评估指标，即Lλ越大，材料的抗皱性越差，也就是材料越容易起皱；式中，p为油液压力，pm为板材不起皱时油液的临界压力。
本发明至少包括以下有益效果：由于采用了密封空间形成了高温高压的热流体介质对板材提供厚度法向应力作用的成形环境，能够精确的获得三维应力场中板材抗皱性能评估所需的指标，并且能实时处理测量数据和连续工作，提高了试验的效率。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中方板试验件的结构示意图；
图2为本发明的一个实施例的纵向结构示意图；
图3为本发明的一个实施例的A-A剖视图；
图4为本发明的一个实施例中方板试验件试验结果数据测量示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图2～3示出了根据本发明的一种实现形式，其中包括：内含密封空腔1的箱体2，该构件的作用是容纳高温高压的油液从而形成流体压力提供厚向应力的作用环境。所述箱体2侧壁外侧对称设置有两组拉伸单元，所述拉伸单元的拉杆3通过侧壁的安装孔4伸入所述空腔1内，所述两组拉杆3与所述安装孔4的连接处进行密封处理，末端固连有试件夹头5，用于连接并预紧方板试验件6并将方板试验件6沿水平方向进行拉伸，该构件的作用是对方板试验件6进行水平拉伸。所述两组拉杆3上设置有位移传感器7并位于同一直线上，该构件的作用是测量方板试验件6在所述拉伸单元进行水平拉伸时的拉伸长度。
流体压力提供单元8通过管路向所述空腔1内注入油液，该构件的作用是提供预定压力的油液，在所述空腔1内形成流体压力环境；所述油液由所述空腔1内设置的加热单元9进行加热；该构件的作用是对所述空腔1内的油液进行加热至预定温度，形成高温流体环境；所述空腔1内油液的压力和温度分别由压力测量单元10和温度测量单元11实时测量获得。该构件的作用是获取试验过程中流体压力环境的压力和温度数值。并且，该构件包括多种实现形式。
在这种技术方案中，所述厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：准备多组100×100mm的方板试验件6，在方板试验件6的拉伸轴线上标记出长度为75mm的测量基准区，拉伸时的相对伸长记为λ75；
步骤二：将方板试验件6置于所述箱体2的密封空腔1内，将方板试验件6的两个夹持区分别固定于所述试件夹头6上，夹持宽度均为40mm；
步骤三：开启所述流体压力提供单元8，将低压油液注入所述空腔1内，然后关闭所述流体压力提供单元8，开启所述加热单元9，对所述空腔1内的油液进行加热，通过油液的热传导将方板试验件6加热到预定温度；
步骤四：开启压力测量单元10和温度测量单元11实时测量获得试验过程中的所述空腔1内油液的压力和温度；再次开启所述流体压力提供单元8，调节所述空腔1内的油液压力到预定压力，为方板试验件6提供厚向应力环境；
步骤五：驱动所述两组拉伸单元，通过所述拉杆3对方板试验件6进行牵引拉伸，所述位移传感器7记录拉伸长度，当相对拉伸长度λ75＝1％时停止拉伸；
步骤六：关闭所述流体压力提供单元8和所述加热单元9，停止驱动所述两组拉伸单元并对所述空腔1进行泄压；
步骤七：待整个装置冷却到室温，打开所述箱体2，取出方板试验件6；
更换方板试验件6后，设定不同的所述空腔1内的油液压力，重复步骤二至步骤七进行试验至所有方板试验件6拉伸完毕；
步骤八：对所述空腔1内的油液进行回流并收集；
步骤九：对方板试验件6进行简单清理，进行数据处理，取中心跨b＝25mm内的拱曲高度为h值；如图4所示，试验结果用两个指标来度量：
(1)根据多组试样在设定温度下，不同油液压力作用下的试验所得的拱曲高度值，绘制出油液压力——拱曲高度曲线，以此曲线判断材料的起皱趋势；
(2)提出起皱系数作为抗皱性的评估指标，即Lλ越大，材料的抗皱性越差，也就是材料越容易起皱；式中，p为油液压力，pm为板材不起皱时油液的临界压力。
在另一种实例中，所述箱体2包括箱本体12和盖板13；所述箱本体12与所述盖板13之间设有高温密封圈14，所述高温密封圈14、所述盖板13与所述箱本体12通过螺栓15和螺母16装配在一起并固定后，在所述箱本体12中心形成密封的所述空腔1。采用这种方案能够使得所述空腔1的密封性能更加稳定可靠。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求的实施态样。
上述方案中所述试验装置还包括闭合油缸17，所述闭合油缸17的活塞杆与所述盖板13固连，所述闭合油缸17为伺服油缸或普通油缸。采用这种方案能够进一步加强所述空腔1的密封效果，其工作方式为：在步骤三之前，先驱动所述闭合油缸17，使得活塞杆伸出压紧所述盖板13，待试验结束后，停止驱动所述闭合油缸17，并将活塞杆复位。
上述方案中所述拉伸单元还包括：拉伸油缸18和支撑块19；所述拉伸油缸18为伺服油缸，活塞杆与所述拉杆3固连，所述拉杆3依次穿过所述支撑块19和所述安装孔4伸入所述空腔1内；所述支撑块19固定于所述箱体2的侧壁外侧。采用拉伸油缸18能够确保对方板试验件6进行平稳的水平拉伸，支撑块19能够将两组所述拉杆3可靠的固定于同一直线上。
上述方案中所述流体压力提供单元8包括高压腔20、低压腔21和溢流阀22；所述高压腔20通过管路将油液注入所述空腔1内；所述低压腔21与所述溢流阀22相连接，通过设定所述溢流阀22的调定压力来控制所述空腔1内的压力。该构件的作用是为所述空腔内注入油液形成流体压力，并控制调整所述空腔1内的油液压力大小。
上述方案中所述加热单元9包括保温层23、加热器24和防溅隔板25；所述保温层23、加热器24和防溅隔板25安装在所述空腔1侧壁内表面的凹槽内，所述防溅隔板25与所述空腔1侧壁内表面相平齐，并与所述空腔1的底部和侧壁分别进行固定，使所述保温层23与所述防溅隔板25之间形成加热室26，所述加热室26与所述空腔1之间油液能通过所述防溅隔板25自由流动。该构件的作用是对所述空腔1内的油液进行加热至预定温度，形成高温流体环境。
上述方案中所述试验装置还包括冷却单元，所述冷却单元为贯穿所述箱体2侧壁的冷却水通道27，冷却水从所述冷却水通道27循环通过。该构件的作用是对所述箱体2侧壁进行冷却，保证试验装置在高温条件下的连续运行。
上述方案中所述试验装置还包括数据采集处理单元28；所述数据采集处理单元28分别与所述压力测量单元10、温度测量单元11和位移传感器7电性连接，用于实时采集、处理和显示试验过程中的空腔1内油液的压力、温度和拉伸长度。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
如上所述，根据本发明，由于采用了密封空间形成了高温高压的热流体介质对板材提供厚度法向应力作用的成形环境，能够精确的获得三维应力场中板材抗皱性能评估所需的指标，并且能实时处理测量数据和连续工作，提高了试验的效率。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，其特征在于，包括：内含密封空腔的箱体，所述箱体侧壁外侧对称设置有两组拉伸单元，所述拉伸单元的拉杆通过侧壁的安装孔伸入所述空腔内，所述两组拉杆与所述安装孔的连接处进行密封处理，末端固连有试件夹头，用于连接并预紧方板试验件并将方板试验件沿水平方向进行拉伸，所述两组拉杆上设置有位移传感器并位于同一直线上；
流体压力提供单元通过管路向所述空腔内注入油液，所述油液由所述空腔内设置的加热单元进行加热；所述空腔内油液的压力和温度分别由压力测量单元和温度测量单元实时测量获得。
2.根据权利要求1所述厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，其特征在于：所述箱体包括箱本体和盖板；所述箱本体与所述盖板之间设有高温密封圈，所述高温密封圈、所述盖板与所述箱本体通过螺栓和螺母装配在一起并固定后，在所述箱本体中心形成密封的所述空腔。
3.根据权利要求2所述厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括闭合油缸，所述闭合油缸的活塞杆与所述盖板固连，所述闭合油缸为伺服油缸或普通油缸。
4.根据权利要求1所述厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，其特征在于：所述拉伸单元还包括：拉伸油缸和支撑块；所述拉伸油缸为伺服油缸，活塞杆与所述拉杆固连，所述拉杆依次穿过所述支撑块和所述安装孔伸入所述空腔内；所述支撑块固定于所述箱体的侧壁外侧。
5.根据权利要求1所述厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，其特征在于：所述流体压力提供单元包括高压腔、低压腔和溢流阀；所述高压腔通过管路将油液注入所述空腔内；所述低压腔与所述溢流阀相连接，通过设定所述溢流阀的调定压力来控制所述空腔内的压力。
6.根据权利要求1所述厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，其特征在于：所述加热单元包括保温层、加热器和防溅隔板；所述保温层、加热器和防溅隔板安装在所述空腔侧壁内表面的凹槽内，所述防溅隔板与所述空腔侧壁内表面相平齐，并与所述空腔的底部和侧壁分别进行固定，使所述保温层与所述防溅隔板之间形成加热室，所述加热室与所述空腔之间油液能通过所述防溅隔板自由流动。
7.根据权利要求1所述厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括冷却单元，所述冷却单元为贯穿所述箱体侧壁的冷却水通道，冷却水从所述冷却水通道循环通过。
8.根据权利要求1所述厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括数据采集处理单元；所述数据采集处理单元分别与所述压力测量单元、温度测量单元和位移传感器电性连接，用于实时采集、处理和显示试验过程中的压力、温度和拉伸长度。
9.一种如权利要求1～8中任一所述厚向应力作用下的板材起皱性能试验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：准备多组100×100mm的方板试验件，在方板试验件的拉伸轴线上标记出长度为75mm的测量基准区，拉伸时的相对伸长记为λ75；
步骤二：将方板试验件置于所述箱体的密封空腔内，将方板试验件的两个夹持区分别固定于所述试件夹头上，夹持宽度均为40mm；
步骤三：开启所述流体压力提供单元，将低压油液注入所述空腔内，然后关闭所述流体压力提供单元，开启所述加热单元，对所述空腔内的油液进行加热，通过油液的热传导将方板试验件加热到预定温度；
步骤四：开启压力测量单元和温度测量单元实时测量获得试验过程中的所述空腔内油液的压力和温度；再次开启所述流体压力提供单元，调节所述空腔内的油液压力到预定压力，为方板试验件提供厚向应力环境；
步骤五：驱动所述两组拉伸单元，通过所述拉杆对方板试验件进行牵引拉伸，所述位移传感器记录拉伸长度，当相对拉伸长度λ75＝1％时停止拉伸；
步骤六：关闭所述加热单元和所述流体压力提供单元，停止驱动所述两组拉伸单元并对所述空腔进行泄压；
步骤七：待整个装置冷却到室温，打开所述箱体，取出方板试验件；
更换方板试验件后，设定不同的所述空腔内的油液压力，重复步骤二至步骤七进行试验至所有方板试验件拉伸完毕；
步骤八：对所述空腔内的油液进行回流并收集；
步骤九：对方板试验件进行简单清理，进行数据处理，取中心跨b＝25mm内的拱曲高度为h值；试验结果用两个指标来度量：
根据多组试样在设定温度下，不同油液压力作用下的试验所得的拱曲高度值，绘制出油液压力——拱曲高度曲线，以此曲线判断材料的起皱趋势；
提出起皱系数作为抗皱性的评估指标，即Lλ越大，材料的抗皱性越差，也就是材料越容易起皱；式中，p为油液压力，pm为板材不起皱时油液的临界压力。
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