CN111633116B - 一种测量测试板料拉延高度或胀形高度的装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测试板料拉延高度或胀形高度的装置，其包括上模结构、下模结构、往复式位移传感器(4)、感光元件(5)、感光元件安装板(6)，上模结构包括上模座(1)、上压料镶块(8)、导板(9)，下模结构包括下模座(2)、凸模底板(3)、导柱(7)、半球凸模(10)、定位器(11)、下压料镶块(12)、行程限位块(13)、拉杆挡板(14)。本发明将拉延胀形试验集成在一套模具中实现，降低了试验成本，提高了试验效率；由于在模具结构中安装了感光元件以及位移传感器，可准确判断材料开裂点，得到精确的板材拉延高度值或胀形高度值，消除目前人工判断带来的误差。

Description

一种测量测试板料拉延高度或胀形高度的装置及试验方法
技术领域
本发明涉及于汽车、轨道、航空、船舶等交通载运工具、仪电、家电中所有金属板料冲压成形技术及新材料开发领域测试技术，特别是涉及一种测量金属板料拉延高度或胀形高度的试验方法及模具结构。
背景技术
在节能、环保、安全、舒适以及智能化成为当今汽车技术发展的大趋势下，对高强度材料、复合材料、轻质金属材料的开发层出不穷，随着新材料的使用性能不断提升，对其成形性能也不容忽视。在金属板料冲压成形技术及新材料开发领域，除了需要通过基本力学试验如单向拉伸试验、硬度试验等得到一些基本的使用性能指数如弹性模量、屈服强度、硬度等，还需要进行模拟试验来测试板料的成形性能如拉延、胀形、翻边等极限成形性能。
Swift试验是测试板料的拉延极限性能最常用的方法之一，也是中国GB/T15825.3-2008中推荐的方法，Swift试验的基本原理是将圆片试样压置到凹模和压边圈之间，在保证压边圈上面的料不起皱的前提下，通过凸模对其进行拉深成形。需要采用不同直径的试样，并逐级改变试样直径进行拉深，以测定拉深杯体底部圆角附近的壁部不产生破裂时允许使用的最大试样直径，从而求出极限拉延比LDR来评价板料的拉延极限性能。
埃里克森杯突试验则是测量板料胀形极限性能的常用方法之一，中国GB/T4156-2007对该试验有规定。杯突试验的基本原理是通过一个球头凸模压迫圆形金属板料进入凹模，由于金属板料的外边缘用压边圈压住，且压边圈与凹模之间布有拉延筋，使压边圈上的金属材料无法流动，不能进入凹模孔内补充，导致凸模上面的金属材料以两向受拉的形式发生变薄，最后拉裂。从凸模下行接触到板料开始，到坯料被拉破的一瞬间，凸模的位置差值，即为杯突试验值，并以该指标评价板料的胀形极限性能。
对于上述两种传统试验方法，是在两套不同的模具上分别进行，试验时需要更换不同的模具，过程繁琐，试验效率低。并且对于试验终点的判别，往往是通过人的主观感知来决定，即通过肉眼观察试样的开裂情况或者根据观察板料开裂时发出的声响来判断试验停止的时刻。由于该方法受试验环境及人为主观意识的影响，对板料开裂的时刻判断不够敏感或直观，对试验结果会造成较大误差。另外，由于传统方法是通过人工控制机器在板料开裂时刻暂停，以得到较为准确的结果，因此要求传统方法必须在板料即将发生开裂时以极低的冲压速度进行试验，而有关研究表明冲压速度对得到板料的胀形高度结果具有一定的影响，因此低速下得到的胀形结果无法准确代表实际冲压过程中材料的胀形性能。
发明内容
本发明的目的针对传统的测试板料拉延、胀形性能试验，在两套不同的模具上分别进行，试验时需要更换不同的模具，过程繁琐，试验效率低，并且对于试验终点的判别，往往是通过人的主观感知来决定对板料开裂的时刻，判断不够敏感或直观，对试验结果会造成较大误差的问题。提出一种可精确测量金属板料拉延及胀形高度的模具结构与试验方法，并且利用该方法可以进行高冲压速度下的胀形试验。
本发明提供的技术方案是本发明提供的技术方案是一种测试板料拉延高度或胀形高度的装置，其包括上模结构、下模结构、往复式位移传感器、感光元件、感光元件安装板，其特征在于：
上模结构包括上模座、上压料镶块、导板，上压料镶块通过螺栓安装在上模座内部，并且上模座两侧分别通过螺栓安装了两块导板，使上模座相对于下模座运动时起导向作用；
上模座顶部四周均安装感光元件，感光元件安装在感光元件安装板上，并一起通过螺栓安装在上模座顶部腔体内；在感光元件观察路径上，用于记录并保存整个试验过程画面；对上模座内部加工四个窥视孔，以便感光元件能够拍摄到板料的变形过程，找到板料开裂的画面；同时在上压料镶块加工四个凹槽；
下模结构包括下模座、凸模底板、导柱、半球凸模、定位器、下压料镶块、行程限位块、拉杆挡板；
下压料镶块通过螺栓安装在下模座内部，下压料镶块周围有四个定位器安装在下模座上，用于调节板料位置，并对板料定位；
行程限位块放置在下模座四周；半球凸模与四根导柱均通过过盈配合安装在凸模底板上，导柱的作用是使下模座相对于半球凸模运动时起到导向作用；
往复式位移传感器的机壳部分安装在凸模底板，在往复式位移传感器拉杆的上方，设置一块安装在下模座上的拉杆挡板与拉杆接触；
进一步地，往复式位移传感器的拉杆处具有弹簧，当下模座带动拉杆挡板向下运动时时，往复式位移传感器的拉杆向下运动；当拉杆挡板向上运动时，拉杆会自动复位，直到达到往复式位移传感器的自然状态。
本发明还提供了一种测试板料拉延高度的装置进行试验的方法，具体包括以下步骤：
步骤1、将上模结构锁在液压机滑块上，下模结构由液压机顶杆顶住，凸模底板则固定在机台上；此时下压料镶块的上表面与半球凸模顶部平齐，往复式位移传感器的拉杆顶部与拉杆挡板平齐，位移信号处于零点；
步骤2、将试样置于上压料镶块与下压料镶块之间并压紧，此时感光元件能够通过窥视孔观察到试样表面；
步骤3、由液压机滑块提供压力，上模结构与下模结构压紧试样一起下行，半球凸模保持不变，此时试样在半球凸模的作用下发生变形，与此同时，往复式位移传感器的拉杆被压缩，记录下行位移量；
步骤4、当试样发生变形开裂时，试验停止；
步骤5、上模结构随液压机滑块上行，下模结构由机台顶杆顶起，往复式位移传感器的拉杆恢复到初始状态；保存好感光元件的图像信息与往复式位移传感器的位移信息后，更换试样进行下一组试验。
步骤6、进行数据处理，通过信息采集设备读取图像信息以及位移信息，首先找到试验开始视频段，逐帧查看录像，找出半球凸模刚开始接触试样时的画面；随后找到试样发生开裂时的视频段，逐帧查看录像，找出试样刚好发生开裂时的画面；记录两个图像画面之间的时间差ΔT；
步骤7、观察位移信息，找到时间为0+ΔT时对应的位移量即为试样的拉延或胀形极限高度H。
步骤8、进行胀形试验时，更换上压料镶块与下压料镶块，重复步骤1至步骤7。
本发明的有益效果在于：
1、将拉延、胀形试验集成在一套模具中实现，降低了试验成本，提高了试验效率；
2、由于在模具结构中安装了感光元件以及位移传感器，可准确判断材料开裂点，得到精确的板材拉延高度值或胀形高度值，消除目前人工判断带来的误差；
3、利用该设备及方法，可进行高冲压速率下的板材拉延、胀形试验，解决目前只能在进行低速条件下进行试验的问题，使的试验结果更具有工程参考意义。
附图说明
图1是拉延、胀形模具结构图；
图2是上模结构图；
图3是下模结构图(初始状态)；
图4是下模结构图(结束状态)；
图5是拉延、胀形模具俯视图；
图6是模具初始状态截面图(X方向截面)；
图7是模具初始状态截面图(对角线方向截面)；
图8是模具闭合状态截面图(X方向截面)；
图9是模具闭合状态截面图(对角线方向截面)；
图10是下压料镶块(拉延)；
图11是下压料镶块(胀形)；
图12是上压料镶块；
图13是拉延高度或胀形高度测试原理图。
1-上模座；2-下模座；3-凸模底板；4-往复式位移传感器；5-感光元件；6-感光元件安装板；7-导柱；8-上压料镶块；9-导板；10-半球凸模；11-定位器；12-下压料镶块；13-行程限位块；14-拉杆挡板；15-试样。
具体实施方式
以下将结合附图1-13对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，该实施例提供了一种测试板料拉延高度或胀形高度的装置，其包括上模结构、下模结构、往复式位移传感器4、感光元件5、感光元件安装板6。
上模结构包括上模座1、上压料镶块8、导板9，上压料镶块8通过螺栓安装在上模座1内部，并且上模座1两侧分别通过螺栓安装了两块导板9，使上模座1相对于下模座2运动时起导向作用。
感光元件5安装在感光元件安装板6上，并一起通过螺栓安装在上模座顶部腔体内，由于板料开裂位置不一，为了能全方位观察到板料开裂情况，因此在上模座1顶部四周均安装感光元件5，并且在感光元件观察路径上对上模座1内部加工四个窥视孔及上压料镶块8加工四个凹槽。
下模结构包括下模座2、凸模底板3、导柱7、半球凸模10、定位器11、下压料镶块12、行程限位块13、拉杆挡板14。
下压料镶块12通过螺栓安装在下模座2内部，下压料镶块12周围有四个定位器11安装在下模座2上，用于调节板料位置，给板料定位。行程限位块13放置在下模座2四周。半球凸模10与四根导柱7均通过过盈配合安装在凸模底板3上，导柱的作用是使下模座2相对于半球凸模10运动时起到导向作用。
往复式位移传感器4的机壳部分安装在凸模底板3，在往复式位移传感器拉杆的上方，有一块安装在下模座2上的拉杆挡板14与拉杆接触。该往复式位移传感器是直线往复式位移传感器，并且拉杆处具有弹簧，当下模座2带动拉杆挡板14向下运动时时，往复式位移传感器上的拉杆向下运动；当拉杆挡板14向上运动时，拉杆会自动复位，直到达到往复式位移传感器4的自然状态。
由于拉延工艺是均匀壁厚的变形，而胀形工艺是迫使板料厚度变薄的变形，即在板料拉延过程中，法兰面的材料会随着变形发生流动，而胀形过程中法兰面的材料不会发生流动，因此拉延工艺一般不采用拉延筋而胀形工艺需要采用。因此，本发明在设计模具时，通过共用模座与凸模，更换不同压料镶块将两种试验集成在一套模具中，实现一模两用；
此外，本发明还要设计一种能够准确记录试验过程、判断材料开裂时刻并得到此时拉延高度值或胀形高度值的试验方法。为实现该目的，在上模座安装感光元件，用于记录并保存整个试验过程画面。在上模座加工窥视孔，以便感光元件能够拍摄到板料的变形过程，准确找到板料开裂的画面。
由于在拉延、胀形过程中，发生开裂的部位事先无法预测，因此需要上模座四周均安装感光元件及加工窥视孔。由于上压料镶块厚度较大，假如开裂处发生在零件侧壁可能导致感光元件无法观测到，因此需要在每个感光元件的观测路径对应的压料镶块上加工4个斜槽。
由于上模座锁在油压机滑块上，试验时内部无光线，因此还要求感光元件分辨率高，帧数高，具有夜视功能。为了能够准确得到开裂时刻对应的拉延高度或胀形高度，还应安装往复式位移传感器，记录板料开始接触凸模发生变形到试验结束时的位移值。往复式位移传感器应具有足够的量程，精度能够满足要求。
因此，该实施例提供了一种测试金属板料拉延高度或胀形高度的试验方法，具体包括以下步骤：
步骤1、将上模结构锁在液压机滑块上，下模结构由液压机顶杆顶住，凸模底板则固定在机台上；此时下压料镶块12的上表面与半球凸模10顶部平齐，往复式位移传感器4的拉杆顶部与拉杆挡板14平齐，位移信号处于零点；
如图6所示，试验开始时将模具调整至图6状态；
步骤2、如图7所示，将试样15置于上压料镶块8与下压料镶块12之间并压紧，此时感光元件5能够通过窥视孔观察到试样15表面；
步骤3、试验时，由液压机滑块提供压力，上模结构与下模结构压紧试样15一起下行，半球凸模10保持不变，此时试样15在半球凸模10的作用下发生变形，与此同时，往复式位移传感器4的拉杆被压缩，记录下行位移量，如图8、9所示。
步骤4、当试样15发生变形开裂时，试验停止；
步骤5、随后，如图5、6所示，上模结构随液压机滑块上行，下模结构由机台顶杆顶起，往复式位移传感器4的拉杆恢复到初始状态。保存好感光元件5的图像信息与往复式位移传感器4的位移信息后，更换试样15进行下一组试验。
如图10、11所示，由于拉延试验与胀形试验区别在于法兰面区域的材料是否会发生流动参与变形过程，因此可通过更换压料镶块的方式将两种试验在同一套模具中实现，拉延试验使用的压料镶块压料面为平面，胀形试验使用的下压料镶块压料面有沉台，对应上压力镶块压料面有凸台，以保证试样被压紧且试样法兰面材料不会发生流动。
步骤6、进行数据处理，通过信息采集设备读取图像信息以及位移信息，首先找到试验开始视频段，逐帧查看录像，找出半球凸模10刚开始接触试样15时的画面，与前一帧画面相比可观察到试样中部发生微小变形；随后找到试样发生开裂时的视频段，逐帧查看录像，找出试样刚好发生开裂时的画面，此时与前一帧画面相比，可观察到试样表面出现细小裂缝。记录两个图像画面之间的时间差ΔT。
步骤7、观察位移信息，找到时间为0+ΔT时对应的位移量即为试样的拉延或胀形极限高度H，如图13所示。
步骤8、进行胀形试验时，更换上压料镶块8与下压料镶块12，重复步骤1至步骤7。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种测试板料拉延高度或胀形高度的装置，其包括上模结构、下模结构、往复式位移传感器(4)、感光元件(5)、感光元件安装板(6)，其特征在于：
上模结构包括上模座(1)、上压料镶块(8)、导板(9)，上压料镶块(8)通过螺栓安装在上模座(1)内部，并且上模座(1)两侧分别通过螺栓安装了两块导板(9)，使上模座(1)相对于下模座(2)运动时起导向作用；
上模座(1)顶部四周均安装感光元件(5)，感光元件(5)安装在感光元件安装板(6)上，并一起通过螺栓安装在上模座顶部腔体内；在感光元件(5)观察路径上，用于记录并保存整个试验过程画面；对上模座(1)内部加工四个窥视孔，以便感光元件(5)能够拍摄到板料的变形过程，找到板料开裂的画面；同时在上压料镶块(8)加工四个凹槽；
下模结构包括下模座(2)、凸模底板(3)、导柱(7)、半球凸模(10)、定位器(11)、下压料镶块(12)、行程限位块(13)、拉杆挡板(14)；
下压料镶块(12)通过螺栓安装在下模座(2)内部，下压料镶块(12)周围有四个定位器(11)安装在下模座(2)上，用于调节板料位置，并对板料定位；
行程限位块(13)放置在下模座(2)四周；半球凸模(10)与四根导柱(7)均通过过盈配合安装在凸模底板(3)上，导柱(7)的作用是使下模座(2)相对于半球凸模(10)运动时起到导向作用；
往复式位移传感器(4)的机壳部分安装在凸模底板(3)，在往复式位移传感器(4)拉杆的上方，设置一块安装在下模座(2)上的拉杆挡板(14)与拉杆接触。
2.根据权利要求1所述的测试板料拉延高度或胀形高度的装置，其特征在于：上压料镶块(8)与下压料镶块(12)可根据试验类型进行更换，进行拉延试验时采用的镶块压料一侧为平面，进行胀形试验时采用的镶块压料一侧带有台阶。
3.根据权利要求1所述的测试板料拉延高度或胀形高度的装置，其特征在于：往复式位移传感器(4)的拉杆处具有弹簧，当下模座(2)带动拉杆挡板(14)向下运动时，往复式位移传感器(4)的拉杆向下运动；当拉杆挡板(14)向上运动时，拉杆会自动复位，直到达到往复式位移传感器(4)的自然状态。
4.根据权利要求1所述的测试板料拉延高度或胀形高度的装置进行试验的方法，具体包括以下步骤：
步骤1、将上模结构锁在液压机滑块上，下模结构由液压机顶杆顶住，凸模底板则固定在机台上；此时下压料镶块(12)的上表面与半球凸模(10)顶部平齐，往复式位移传感器(4)的拉杆顶部与拉杆挡板(14)平齐，位移信号处于零点；
步骤2、将试样(15)置于上压料镶块(8)与下压料镶块(12)之间并压紧，此时感光元件(5)能够通过窥视孔观察到试样(15)表面；
步骤3、由液压机滑块提供压力，上模结构与下模结构压紧试样(15)一起下行，半球凸模(10)保持不变，此时试样(15)在半球凸模(10)的作用下发生变形，与此同时，往复式位移传感器(4)的拉杆被压缩，记录下行位移量；
步骤4、当试样(15)发生变形开裂时，试验停止；
步骤5、上模结构随液压机滑块上行，下模结构由液压机顶杆顶起，往复式位移传感器(4)的拉杆恢复到初始状态；保存好感光元件(5)的图像信息与往复式位移传感器(4)的位移信息后，更换试样(15)进行下一组试验；
步骤6、进行数据处理，通过信息采集设备读取图像信息以及位移信息，首先找到试验开始视频段，逐帧查看录像，找出半球凸模(10)刚开始接触试样(15)时的画面；随后找到试样(15)发生开裂时的视频段，逐帧查看录像，找出试样刚好发生开裂时的画面；记录两个图像画面之间的时间差ΔT；
步骤7、观察位移信息，找到时间为0+ΔT时对应的位移量即为试样的拉延极限高度H；
步骤8、进行胀形试验时，更换上压料镶块(8)与下压料镶块(12)，重复步骤1至步骤7。
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