CN113128001B - 一种成形极限测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种成形极限测试方法，包括以下步骤：S1、设计金属极板上的冲压形变结构，包括直流道结构、圆台结构和胀形结构三种类型，确定关键尺寸参数；S2、分别选定上弯角内圆半径r₁和下弯角内圆半径r₂的值，作为计算基值，选择若干组关键尺寸参数，通过有限元仿真获得最大减薄率；确定次应变与主应变之比α；S3、利用冲压装置在试样板上冲压形成相应的冲压形变结构，得到成形极限试样；S4、对成形极限试样上的冲压形变结构进行剖面观察和测量，判断是否出现开裂或颈缩或局部减薄情况，并计算得到应变参数组，得到开裂点、颈缩或局部减薄点和安全点；S5、将所有开裂点、颈缩或局部减薄点、以及安全点，绘制得到成形极限图。

Description

一种成形极限测试方法

技术领域

本发明涉及金属薄板材料的成形性能测试领域，具体涉及一种成形极限测试方法。

背景技术

成形极限是对板材成形性能的一种定量描述，准确地表征成形极限是解决板材冲压问题，判断冲压工艺好坏的关键，对优化冲压工艺有着重要的意义。通常用成形极限图表征板材的成形极限，通过将板材在各种应力状态下的成形极限点连成曲线得到成形极限曲线，将成形极限曲线绘制在应变空间中称为成形极限图。

现在获得金属板材成形极限图的试验方法是根据国家标准：GB/T15825.8-2008《金属薄板成形性能与试验方法第8部分:成形极限图(FLD)测定指南》来进行测试。这种方法测试超薄金属极板基材FLD时常面临的困难主要有：1、超薄金属极板基材的厚度通常在0.05～0.1mm，极板特征尺寸通常在1mm以下，在这种厚度的金属板材上印制精密网格(比如直径小于0.2mm)比较困难；2、Nakazima和Marciniak测试使用的试样的尺寸(直径或边长)为180mm，测试结果不能准确地反映超薄金属极板基材小尺度成形(≤1mm)的成形极限；3、传统成形极限测试方法，一次试验仅能获取一个应变路径下的数据，获取完整的成形极限图需要进行大量的试验，效率较低。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种成形极限测试方法，能够实现小尺度超薄金属极板基材的成形极限表征问题，方法简单，结果可靠，并且减少成形极限图所需试验次数。

为实现上述目的，本发明提供一种成形极限测试方法，用于金属极板基材的成形极限测试，包括以下步骤：

S1、设计金属极板基材上的冲压形变结构，冲压形变结构包括直流道结构、圆台结构和胀形结构三种类型，且直流道结构、圆台结构和胀形结构都具有上弯角和下弯角；确定冲压形变结构的关键尺寸参数；

S2、对于每种冲压形变结构，分别选定上弯角内圆半径r1和下弯角内圆半径r2的值，作为计算基值，且r₁和r₂都在0.05～0.15mm范围内；然后在计算基值的基础上选择若干组关键尺寸参数，通过有限元仿真获得冲压形变结构在每组关键尺寸参数下的最大减薄率；确定在冲压形变结构的上弯角在计算基值基础上的次应变与主应变之比α；

S3、基于冲压形变结构的计算基值和关键尺寸参数，设计冲压装置；选择合适尺寸的金属极板基材作为试样板，利用冲压装置在试样板上冲压形成相应的冲压形变结构，得到成形极限试样；

S4、对成形极限试样上的冲压形变结构进行剖面观察和测量，若出现开裂，则测量开裂处断后最小厚度t，计算出该处的减薄率η、厚向应变ε_t、主应变ε₁和次应变ε₂，得到该处的应变参数组(η，ε_t，ε₁，ε₂)，并记为开裂点；若未出现开裂，则测量最小厚度处的厚度t，计算出该处的减薄率η、厚向应变εt、主应变ε₁和次应变ε₂，得到该处的应变参数组(η，ε_t，ε₁，ε₂)，然后进行以下判定：以最小厚度处为基准点，设置范围参数i，沿冲压形变结构厚度的中心线上，若基准点±i范围内最大厚度与最小厚度的差值大于最大厚度的10％，则判断该处出现颈缩或局部减薄，并将其应变参数组(η，ε_t，ε₁，ε₂)记为颈缩或局部减薄点，否则记为安全点；

S5、将所有开裂点、颈缩或局部减薄点、以及安全点，绘制在以为ε₂为X轴、ε₁为Y轴的坐标中，得到基于主次应变的成形极限图，或者绘制在以α为X坐标、减薄率为Y坐标的坐标中，得到基于减薄率的成形极限图。

进一步地，所述步骤S1中，直流道结构的关键尺寸参数包括脊宽a、槽宽d、槽深c和拔模角β；圆台结构的关键尺寸参数包括脊宽a、槽深c和拔模角β，胀形结构的的关键尺寸参数包括槽深c和拔模角β。

进一步地，所述步骤S2中，在计算基值的基础上至少选择4组关键尺寸参数。

进一步地，所述步骤S2中，选择的关键尺寸参数满足以下要求：利用关键尺寸参数得到的最大减薄率在-80％至-30％范围内

进一步地，所述步骤S3中，试样板的直径或边长小于等于1mm，厚度为0.05～0.1mm。

进一步地，所述步骤S3中，试样板上相邻冲压形变结构之间间隔不少于1mm。

进一步地，所述步骤S4中，根据以下公式计算减薄率η：η＝(t-t₀)/t₀×100％，其中t₀为试样板的初始厚度；根据以下公式计算厚向应变εt：ε_t＝ln(1+η)；根据以下公式计算主应变和次应变ε₁＝-ε_t/(1+α)，ε₂＝-(α*ε_t)/(1+α)。

进一步地，所述步骤S4中，根据以下公式计算范围参数i：i＝(r₁+t₀/2)*(90-β)*π/360，其中t₀为试样板的初始厚度，β为冲压形变结构拔模角。

进一步地，所述步骤S5中，在成形极限图中，利用数据点回归方式得到两条线段，将开裂点、颈缩点和安全点分割为三部分。

进一步地，还包括步骤S6、通过对金属极板基材进行有限元成形仿真，利用成形极限图对其成形进行预测，来验证得到所得到的成形极限图是否有效。

如上所述，本发明涉及的成形极限测试方法，具有以下有益效果：

相对于现有技术，能够解决超薄金属极板基材在小尺度成形时的成形极限表征问题，该成形极限测试方法实施简单，且不受成形温度限制，可以用于测试金属极板基材冷成形和热成形的成形极限；同时该成形极限测试方法关注的测试区域，其变形历史更接近金属极板基材成形的真实状态，判定结果更加可靠。并且该成形极限测试方法，参数调控范围大，同时形成多个多类型的冲压变形结构，仅需一次实验就可以获得右半边成形极限图(即双拉变形区)，能够显著提高实验效率。

附图说明

图1为本发明中的直流道结构的结构示意图。

图2为本发明中的圆台结构的结构示意图。

图3为本发明中的胀形结构的结构示意图。

图4为本发明中的直流道结构上弯角的主应变和次应变的关系示意图。

图5为本发明中的圆台结构上弯角的主应变和次应变的关系示意图。

图6为本发明中的胀形结构上弯角的主应变和次应变的关系示意图。

图7为本发明中的成形极限试样的结构示意图。

图8为本发明中的冲压形变结构出现开裂处的剖面示意图。

图9为本发明中的冲压形变结构未出现开裂处的剖面示意图。

图10为本发明中的冲压形变结构最薄处的测量示意图。

图11为本发明中的基于主次应变的成形极限图。

图12为本发明中的基于减薄率的成形极限图。

图13为本发明中的金属极板基材应变状态仿真验证的结果示意图。

图14为本发明中的冲压验证样板的示意图。

元件标号说明

1 直流道结构

2 圆台结构

3 胀形结构

4 试样板

41 中心线

5 树脂镶嵌材料

6 冲压验证样板

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

参见图1至图14，本发明提供了一种成形极限测试方法，用于金属极板基材的成形极限测试，包括以下步骤S1～S6：

S1、设计金属极板基材上的冲压形变结构，冲压形变结构包括直流道结构1、圆台结构2和胀形结构3三种类型，且直流道结构1、圆台结构2和胀形结构3都具有上弯角和下弯角，确定冲压形变结构的关键尺寸参数。

具体地，冲压形变结构包括通过冲压方式在金属极板基材形成的各种凸起变形结构，并且在冲压时会在冲压形变结构的顶部和底部处都形成弯角，称为上弯角和下弯角，冲压形变结构可为多种类型，在本发明中，主要采用直流道结构1、圆台结构2和胀形结构3三种典型类型作为测试研究对象，当然也可以包括其他类型的冲压形变结构。参见图1，对于直流道结构1，一般采用多条并排布置的方式，其中图1(B)为直流道结构1典型截面形状，其凸起顶部形成脊背，相邻直流道结构1之间形成槽，上弯角位于凸起的脊背两侧，下弯角位于直流道结构1两侧的底部位置处，也即槽两侧，直流道结构1的关键尺寸参数包括脊宽a、槽宽d、槽深c和拔模角β。对于圆台结构2，参见图2，其中图2(B)为圆台结构2的典型截面形状，其凸起顶部形成脊背，上弯角位于脊背周边，下弯角位于的圆台结构2底部周边处，圆台结构2关键尺寸参数包括脊宽a、槽深c和拔模角β。对于胀形结构3，参见图3，其中图3(B)为胀形结构3典型截面形状，其凸起顶部呈圆弧状，为上弯角，下弯角则位于的胀形结构3底部周边处，胀形结构3关键尺寸参数包括槽深c和拔模角β。

S2、对于每种冲压形变结构，分别选定上弯角内圆半径r1和下弯角内圆半径r2的值，作为计算基值，且r₁和r₂都在0.05～0.15mm范围内；然后在计算基值的基础上选择若干组关键尺寸参数，优选不少于4组；通过有限元仿真获得冲压形变结构在每组关键尺寸参数下的最大减薄率；确定在冲压形变结构上弯角在计算基值基础上的次应变与主应变之比α。

本步骤中，在选择关键尺寸参数时，应选择合适值，使得利用这些关键尺寸参数得到的最大减薄率在-80％至-30％范围内。具体地，在实际操作时，可通过选取大量关键尺寸参数进行有限元仿真试验，得到最大减薄率，然后将落入到-80％至-30％范围内的最大减薄率对应的关键尺寸参数作为选择对象。其中，通过有限元仿真获得冲压形变结构在每组关键尺寸参数下的最大减薄率，是本领域中已知的，因此不再详述。

在本实施例中，具体地，金属极板基材选用0.1mm厚度的316L奥氏体不锈钢板，直流道结构1、圆台结构2和胀形结构3这三种类型，都取上弯角内圆半径r₁为0.15mm，下弯角内圆半径r₂为0.05mm，作为一组计算基值，对于直流道结构1，取4组关键尺寸参数，并通过有限元仿真得到其相应的最大减薄率，且最大减薄率落入在-80％至-30％范围内，见下表1：

表1

对于圆台结构2，取7组关键尺寸参数，通过有限元仿真得到其相应的最大减薄率，且最大减薄率落入在-80％至-30％范围内，见下表2：

表2

对于胀形结构3，取5组关键尺寸参数，通过有限元仿真得到其相应的最大减薄率，且最大减薄率落入在-80％至-30％范围内，见下表3：

冲压形变结构的上弯角为形变最严重的位置，最大减薄处和断裂处常发生或者靠近该处，在本发明中，以上弯角为主要研究对象，对于直流道结构1、圆台结构2和胀形结构3这三种形变结构，在上弯角处具有不同应力状态，其中直流道结构1的应力状态为平面应变，圆台结构2和胀形结构3的应力状态都为双向拉伸，应力状态用次应变与主应变比α表示，α＝ε₂/ε₁，对于直流道结构1、圆台结构2和胀形结构3，不同的上弯角内圆半径r1和下弯角内圆半径r₂时α具有不同值，当上弯角内圆半径r₁和下弯角内圆半径r₂确定时，对于不同的关键尺寸参数，α值变化不大，在本发明中，认为其是不变的，然后通过有限元仿真方法，获得直流道结构1、圆台结构2和胀形结构3的α值，分别参见图4、图5和图6。

S3、基于冲压形变结构的计算基值和关键尺寸参数，设计冲压装置；选择合适尺寸的金属极板基材作为试样板4，利用冲压装置在试样板4上冲压形成相应的冲压形变结构，得到成形极限试样。

冲压装置可采用常规装置，主要包括压机、模座、模架、凸模模芯、凹模模芯、导柱等。在本实施例中，根据表1、表2和表3中的计算基值和关键尺寸参数，在模芯中设计相应形状尺寸的冲压结构，然后采用冷冲压或热冲压的方式，在试样板4上冲压得到相应的直流道结构1、圆台结构2和胀形结构3，从而得到成形极限试样，参见图7。其中，冲压形变结构在试样板4上的分布方式不做要求，优选地，相邻冲压形变结构之间间隔不少于1mm。

在本发明中，冲压形变结构(直流道结构1、圆台结构2和胀形结构3)的上弯角内圆半径r₁和下弯角内圆半径r₂、以及其关键尺寸参数，与金属极板基材所具有的精细流道结构尺寸相近，应用在超薄(厚度0.05～0.1mm)金属极板基材上，能够通过冲压装置冲压成形，冲压形变结构(直流道结构1、圆台结构2和胀形结构3)在冲压成形过程中所经历的变形状态更接近金属极板基材真实成形状态，可获得更准确的超薄金属极板基材成形极限，并且通过冲压装置，同时冲压多个直流道结构1、圆台结构2和胀形结构3，从而减少冲压试验次数。

S4、对成形极限试样上的冲压形变结构进行剖面观察和测量，冲压形变结构的最薄处或开裂处主要出现在其上弯角处，参见图8和图9，以试样板4上的两个冲压形变结构为例，其中白色部分为试样板4，黑色部分为冲压时包裹在试样板4的树脂镶嵌材料5。若出现开裂时，参见图8，则测量开裂处断后最小厚度t，计算出该处的减薄率η、厚向应变ε_t、主应变ε₁和次应变ε₂，得到该处的应变参数组(η，ε_t，ε₁，ε₂)，并记为开裂点；若未出现开裂时，参见图9，则测量最小厚度处的厚度t，计算出该处的减薄率η、厚向应变ε_t、主应变ε₁和次应变ε₂，得到该处的应变参数组(η，ε_t，ε₁，ε₂)，然后进行以下判定：以最小厚度处为基准点，设置范围参数i，i可通过下述公式计算：i＝(r₁+t₀/2)*(90-β)*π/360，其中r₁为上弯角内圆半径，t₀为试样板4的初始厚度，β为冲压形变结构的关键尺寸参数中的拔模角，具体在本实施例中i为0.07mm，参见图10，沿冲压形变结构厚度的中心线41上，若基准点的±0.07mm范围内最大厚度与最小厚度的差值大于最大厚度的10％，则判断该处出现颈缩或局部减薄，并将其应变参数组(η，ε_t，ε₁，ε₂)记为颈缩或局部减薄点，否则记为安全点。

其中，计算减薄率η的计算公式为η＝(t-t₀)/t₀×100％，t₀为试样薄板的初始厚度；厚向应变ε_t的计算公式为ε_t＝ln(1+η)；主应变ε₁和次应变ε₂的计算公式为ε₁＝-ε_t/(1+α)，ε₂＝-(α*ε_t)/(1+α)。

通过上述方法，得到直流道结构1、圆台结构2和胀形结构3的多个应变参数组，分别见下表4、表5和表6：

表4

表5

表6

S5、将所有开裂点、颈缩或局部减薄点、以及安全点，绘制在以为ε₂为X轴、ε₁为Y轴的坐标中，并利用数据点回归得到两条线段，将数据点分割为三部分，分别为开裂区、颈缩或局部减薄区和减薄区，得到基于主次应变的成形极限图，参见图11；或者将所有开裂点、颈缩或局部减薄点、以及安全点，绘制在以α为X坐标、减薄率η为Y坐标的坐标中，得到基于减薄率的成形极限图，参见图12，并利用数据点回归得到两条线段，将数据点分割为三部分，分别为开裂区、颈缩或局部减薄区和减薄区。至此，可得到成形极限图，用于描述金属极板的成形性能。

进一步地，在本发明中，还包括步骤S6、通过对金属极板进行有限元成形仿真，利用成形极限图对其成形进行预测，来验证得到所得到的成形极限图是否有效。参见图13，有限元成形仿真中金属极板典型位置的应变状态均处于成形极限图中的安全区与颈缩或局部减薄区，无开裂风险，对金属极板进行冲压试验，可以安全成形，结果参见图14中的冲压验证样板6，因此认为通过本方法获取的超薄金属极板的成形极限图是有效的。

本发明的成形极限测试方法，相对于现有技术，能够解决超薄金属极板基材在小尺度成形时的成形极限表征问题，该成形极限测试方法实施简单，不受成形温度限制，可以用于测试金属极板冷成形和热成形的成形极限；同时该成形极限测试方法关注的测试区域，其变形历史更接近金属极板成形的真实状态，判定结果更加可靠。并且该成形极限测试方法，参数调控范围大，同时形成多个多类型的冲压变形结构，仅需一次实验就可以获得右半边成形极限图(即双拉变形区)，能够显著提高实验效率。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种成形极限测试方法，用于金属极板基材的成形极限测试，其特征在于：包括以下步骤：

S1、设计金属极板基材上的冲压形变结构，冲压形变结构包括直流道结构、圆台结构和胀形结构三种类型，且直流道结构、圆台结构和胀形结构都具有上弯角和下弯角；确定冲压形变结构的关键尺寸参数；

S2、对于每种冲压形变结构，分别选定上弯角内圆半径r₁和下弯角内圆半径r₂的值，作为计算基值，且r₁和r₂都在0.05～0.15mm范围内；然后在计算基值的基础上选择若干组关键尺寸参数，通过有限元仿真获得冲压形变结构在每组关键尺寸参数下的最大减薄率；确定在冲压形变结构的上弯角在计算基值基础上的次应变与主应变之比α；

S3、基于冲压形变结构的计算基值和关键尺寸参数，设计冲压装置；选择合适尺寸的金属极板基材作为试样板，利用冲压装置在试样板上冲压形成相应的冲压形变结构，得到成形极限试样；

S4、对成形极限试样上的冲压形变结构进行剖面观察和测量，若出现开裂，则测量开裂处断后最小厚度t，计算出该处的减薄率η、厚向应变ε_t、主应变ε₁和次应变ε₂，得到该处的应变参数组(η，ε_t，ε₁，ε₂)，并记为开裂点；若未出现开裂，则测量最小厚度处的厚度t，计算出该处的减薄率η、厚向应变ε_t、主应变ε₁和次应变ε₂，得到该处的应变参数组(η，ε_t，ε₁，ε₂)，然后进行以下判定：以最小厚度处为基准点，设置范围参数i，沿冲压形变结构厚度的中心线上，若基准点±i范围内最大厚度与最小厚度的差值大于最大厚度的10％，则判断该处出现颈缩或局部减薄，并将其应变参数组(η，ε_t，ε₁，ε₂)记为颈缩或局部减薄点，否则记为安全点；

S5、将所有开裂点、颈缩或局部减薄点、以及安全点，绘制在以为ε₂为X轴、ε₁为Y轴的坐标中，得到基于主次应变的成形极限图，或者绘制在以α为X坐标、η为Y坐标的坐标中，得到基于减薄率的成形极限图。

2.根据权利要求1所述的成形极限测试方法，其特征在于：所述步骤S1中，直流道结构的关键尺寸参数包括脊宽a、槽宽d、槽深c和拔模角β；圆台结构的关键尺寸参数包括脊宽a、槽深c和拔模角β，胀形结构的的关键尺寸参数包括槽深c和拔模角β。

3.根据权利要求1所述的成形极限测试方法，其特征在于：所述步骤S2中，在计算基值的基础上至少选择4组关键尺寸参数。

4.根据权利要求1所述的成形极限测试方法，其特征在于：所述步骤S2中，选择的关键尺寸参数满足以下要求：利用关键尺寸参数得到的最大减薄率在-80％至-30％范围内。

5.根据权利要求1所述的成形极限测试方法，其特征在于：所述步骤S3中，试样板的厚度为0.05～0.1mm。

6.根据权利要求1所述的成形极限测试方法，其特征在于：所述步骤S3中，试样板上相邻冲压形变结构之间间隔不少于1mm。

7.根据权利要求1所述的成形极限测试方法，其特征在于：所述步骤S4中，根据以下公式计算减薄率η：η＝(t-t₀)/t₀×100％，其中t₀为试样板的初始厚度；根据以下公式计算厚向应变ε_t：ε_t＝ln(1+η)；根据以下公式计算主应变和次应变：ε₁＝-ε_t/(1+α)，ε₂＝-(α*ε_t)/(1+α)。

8.根据权利要求1所述的成形极限测试方法，其特征在于：所述步骤S4中，根据以下公式计算范围参数i：i＝(r₁+t₀/2)*(90-β)*π/360，其中t₀为试样板的初始厚度，β为冲压形变结构的拔模角。

9.根据权利要求1所述的成形极限测试方法，其特征在于：所述步骤S5中，在成形极限图中，利用数据点回归方式得到两条线段，将开裂点、颈缩点和安全点分割为三部分。

10.根据权利要求1所述的成形极限测试方法，其特征在于：还包括步骤S6、通过对金属极板基材进行有限元成形仿真，利用成形极限图对其成形进行预测，来验证得到所得到的成形极限图是否有效。

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