CN117433928A - 平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，包括凸模、压边圈、凹模、液压杆、试验板材和温控仪；所述凸模包括平底凸模座、平底凸模盖、圆形加热片和隔热套；在凹模内设有热偶固定器，热偶固定器上设有第一热电偶；凸模内部设有第二热电偶，圆形加热片与电源相连，电源和第二热电偶分别通过导线与温控仪进行连接；凸模和压边圈设置在试验板材的下方，凹模设置在试验板材的上方，液压杆设置在凸模的下方。本发明还公开了一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验方法，采用了所述平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置。本发明极大减少了应力状态对测试结果的影响，避免了板料厚度方向的应力。
Description
技术领域
本发明属于金属板材高温成形加工技术领域，具体涉及一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置和方法。
背景技术
在铝合金热冲压工艺中，板料高温条件下的成形性能对于工艺参数优化及模具设计等至关重要，而高温成形极限曲线(forming limit curve)是衡量热成形性能的重要指标之一，该曲线反映了板材在不同应变路径下的变形极限。因此，热冲压工艺下评估铝合金板高温成形极限，是诸多研究的重要基础。
针对铝合金板热冲压工艺下的高温成形极限曲线，往往以高温成形极限试验测试为基础。在成形极限试验方法中，主要有半球形凸模试验法(面外法)和圆柱形凸模试验法(面内法)。
半球形凸模试验法的特点包括如下：(1)在拉伸过程中变形受到模具几何形状的限制，板材破裂处会被迫发生在板材的特定位置；(2)在板材上会受到额外的弯曲应力，其大小取决于模具的冲头半径和板材的厚度。(3)由于摩擦和曲率的存在，板材上所受的力是不均匀的，在不同位置会存在较大应变梯度。由于上述几个原因，所以用半球形凸模试验法所测的成形极限曲线会依赖于模具的几何结构及板材的厚度，对板材材料本身的敏感度不高。且由于应变梯度及弯曲应力的存在，板材破裂处的应变路径会发生变化，导致应变路径非线性。所以用半球形凸模试验法时，为了准确的获得成形极限曲线，一般会多做几组在不同位置破裂的试验，这极大的浪费了时间和成本。但目前高温成形极限试验试验过程中，如专利文献CN201520189437.4、专利文献CN201820340860.3、专利文献CN201410794936.6、专利文献CN201410076641.5、专利文献CN201110082554.7均是采用面外法进行测试，存在着浪费时间和成本的缺陷。
理论上，圆柱形凸模试验法中板材变形发生在同一个平面上，不存在弯曲应力，极大的避免了弯曲及摩擦对应变路径及应力状态的影响，所以在拉伸过程中板材上的各点应变是均匀且应变路径恒定，由于这些特性，面内成形极限对材料缺陷更加敏感，并且不受模具几何尺寸的影响，从而可以更准确地定义成形极限。但使用圆柱形凸模试验法，会导致板材所受应力容易集中在圆角处，导致圆角处的板材会先于中间区域而发生破裂，导致试验成形极限试验失败。为了避免该问题，在圆柱形凸模试验法中往往采用模具与被测试板材中间增加垫板的方法进行试验，垫板材料的选择及加工等与被测试的板料性能息息相关，需要经过大量试验才能获得比较好的垫板材料，导致测试时间及经济成本显著增加，且该圆柱形凸模试验方法往往都在室温下进行，目前还没有基于面内法的高温成形极限测试装置。
因此，需要设计一种新的平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置和方法，以解决背景技术中提出的目前高温成形极限试验多采用半球形凸模试验法而产生的浪费时间和成本的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，包括凸模、压边圈、凹模、液压杆、试验板材和温控仪；
所述凸模包括平底凸模座、平底凸模盖、圆形加热片和隔热套；平底凸模座呈圆柱状，平底凸模座的上端边缘剖面为圆角，平底凸模座的上端中部设置有凸模座顶部凹槽，隔热套匹配设置在凸模座顶部凹槽内，隔热套向上开口，隔热套的向上开口处匹配设置有平底凸模盖，平底凸模盖的下表面紧贴设置有圆形加热片；平底凸模座的中部设置有第二热电偶，第二热电偶用于测量平底凸模盖的温度，圆形加热片与电源相连，电源和第二热电偶分别通过导线与温控仪进行连接，平底凸模盖的上表面、隔热套的上端面和平底凸模座的上端面处于同一平面上；压边圈和凹模的中部均设置有圆孔，圆孔直径大于凸模直径与两倍试验板材厚度之和；凹模下端的内侧边缘剖面为圆角；在凹模中部的圆孔内设置有热偶固定器，热偶固定器上设置有第一热电偶，第一热电偶用于测量试验板材的温度；凸模、压边圈、凹模、液压杆和试验板材均处于同一轴心线上，凸模和压边圈设置在试验板材的下方，液压杆设置在凸模的下方，凹模设置在试验板材的上方；所述试验板材夹持设置在压边圈和凹模之间。
在一种具体的实施方式中，所述凹模中部的圆孔的内径至少有两个尺寸，且上方的内径大于下方的内径，热偶固定器的直径大于凹模圆孔下方的内径且小于凹模圆孔上方的内径，热偶固定器呈圆板状搭设在凹模圆孔上下内径相接处。
在一种具体的实施方式中，所述热偶固定器的中心位置设置有热偶固定通孔，热偶固定通孔与第一热电偶通过过盈配合进行连接。
在一种具体的实施方式中，所述平底凸模座的中部位置设置有热偶固定通孔，热偶固定通孔与第二热电偶通过过盈配合进行连接，所述平底凸模座的下端中部设置有凸模座底部凹槽，凸模座底部凹槽用于使凸模匹配设置在液压机顶杆上；所述液压杆的中心位置设置有热偶槽，用于引出第二热电偶的导线。
在一种具体的实施方式中，当进行拉拉应变状态下的成形极限试验时，所述试验板材为中心位置进行了减薄处理的圆板状板材，试验板材的中心位置为减薄区，减薄区的形状呈圆形，减薄区减薄的厚度不小于非减薄区厚度的30％，减薄区的半径不大于试验板材半径的10％。
在一种具体的实施方式中，所述减薄区在靠近凸模的一侧进行减薄；所述压边圈和凹模的横截面的外边缘均为圆形，且压边圈和凹模的外径均与试验板材的直径相等。
在一种具体的实施方式中，当进行平面应变状态下的成形极限试验时，所述试验板材为中心位置进行了减薄处理且在圆板状板材的基础上对两侧进行了对称平行裁剪得到的板材，试验板材的中心位置为减薄区，减薄区的形状呈圆形，减薄区减薄的厚度不小于非减薄区厚度的30％，减薄区的半径不大于试验板材半径的10％。
在一种具体的实施方式中，当进行拉压应变状态下的成形极限试验时，所述试验板材为先在圆板状板材的基础上对两侧进行了对称平行裁剪，再向圆心方向对称内凹裁剪掉两块圆弧板，所得到的板材。
本发明还提供了一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验方法，采用了如前所述的平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，
具体步骤为：先通过温控仪调节圆形加热片功率，使平底凸模盖达到试验温度；然后将试验板材放置在压边圈和凹模之间压紧并保持；接着利用液压机向上移动凸模，对试验板材胀形；当试验板材产生裂纹时，凸模加载停止，凸模退回，取下试验板材。
在一种具体的实施方式中，针对不同应变状态下成形极限的试验需要对板材进行相应的前处理从而得到试验板材，前处理包括减薄和/或裁剪。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置和方法，解决了准确测定板料在不同温度下的高温成形极限的问题。
本发明利用温度差及厚度差的共同作用，避免了面内法测试成形极限时板料在凸模圆角处发生失效，提高了试验效率及试验准确度。
本发明只需加热凸模盖，避免了传统高温成形试验中加热整个模具。同时避免了面内法常用的垫板，使得试验及成形工艺成本降低，且可重复试验。
本发明加入热偶固定器，能直接测量板材表面温度；而不是传统试验中通过测量凸模温度而确定板材温度。
本发明中板材变形发生在同一个平面上的，不存在弯曲应力，极大的避免了弯曲及摩擦对应变路径及应力状态的影响，在拉伸过程中板材上的各点应变是均匀且应变路径恒定。由于这些特性，面内成形极限对材料缺陷更加敏感，并且不受模具几何尺寸的影响，从而能更准确地定义成形极限。
本发明通过控制平底凸模温度，使试验板材温度呈梯度分布，同时结合中心减薄处理形成厚度差；胀形过程中受厚度差及温度差影响，试验板材失效会出现在与凸模平底接触的区域，而不是发生在圆角处；这保证了试验板材失效处应变路径为定值，且受力处于平面应力状态，结合特定的凸模温度可以准确测得板材高温成形极限。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请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是本发明一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置的结构示意图；
图2是不同减薄厚度下减薄区内的应变路径图，可见当减薄厚度越大，板材减薄区的应变路径越偏移平面应变路径；
图3是不同减薄区半径下板材的应变分布图，可见如果减薄区半径大于试验板材半径的10％，会使试验板材在圆角处发生明显的应力集中；
图4是本发明一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置的控温回路图；
图5是本发明一种热偶固定器的结构示意图；
图6(a)是等双向应力状态下的试验板材的俯视图；图6(b)是平面应变下的试验板材的俯视图；图6(c)是单向应力状态下的试验板材的俯视图；
图7是本发明的试验板材温度传热示意图；
图8是试验板材的温度和等效塑性应变分布图；
图9是7075铝合金在400℃下不同应变路径的高温成形极限图；
图10是7075铝合金在100℃下不同应变路径的高温成形极限图；
其中，1、第一热电偶；2、温控仪；3、圆形加热片；4、平底凸模盖；5、平底凸模座；6、隔热套；7、压边圈；8、试验板材；9、凹模；10、热偶固定器；11、第二热电偶；12、液压杆；13、电源。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明的一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，包括凸模、压边圈7、凹模9、液压杆12、试验板材8和温控仪2；
所述凸模包括平底凸模座5、平底凸模盖4、圆形加热片3和隔热套6；平底凸模座5呈圆柱状，平底凸模座5的上端边缘剖面为圆角，平底凸模座5的上端中部设置有凸模座顶部凹槽，隔热套6匹配设置在凸模座顶部凹槽内，隔热套6向上开口，隔热套6的向上开口处匹配设置有平底凸模盖4，平底凸模盖4的下表面紧贴设置有圆形加热片3；平底凸模座5的中部设置有第二热电偶11，第二热电偶11用于测量平底凸模盖4的温度，圆形加热片3与电源13相连，电源13和第二热电偶11分别通过导线与温控仪2进行连接，平底凸模盖4的上表面、隔热套6的上端面和平底凸模座5的上端面处于同一平面上；压边圈7和凹模9的中部均设置有圆孔，圆孔直径大于凸模直径与两倍试验板材8厚度之和；凹模9下端的内侧边缘剖面为圆角；在凹模9中部的圆孔内设置有热偶固定器10，热偶固定器10上设置有第一热电偶1，第一热电偶1用于测量试验板材8的温度；；凸模、压边圈7、凹模9、液压杆12和试验板材8均处于同一轴心线上，凸模和压边圈7设置在试验板材8的下方，液压杆12设置在凸模的下方、凹模9设置在试验板材8的上方；所述试验板材8夹持设置在压边圈7和凹模9之间。圆形加热片3通过平底凸模盖4传热，用于加热试验板材8；隔热套6用于避免温度流失。
所述凹模9中部的圆孔的内径至少有两个尺寸，且上方的内径大于下方的内径，热偶固定器10的直径大于凹模圆孔下方的内径且小于凹模圆孔上方的内径，热偶固定器10呈圆板状搭设在凹模圆孔上下内径相接处。
所述热偶固定器10的中心位置设置有热偶固定通孔，热偶固定通孔与第一热电偶1通过过盈配合进行连接。热偶固定器10为直径117mm、高5mm的圆板，在中心位置开设直径6mm、下偏差0.05mm的热偶固定通孔。
所述平底凸模座的中部位置开设有直径6mm、下偏差0.05mm的热偶固定通孔，所述平底凸模座的中部位置设置有热偶固定通孔，热偶固定通孔与第二热电偶通过过盈配合进行连接，所述平底凸模座5的下端中部设置有凸模座底部凹槽，凸模座底部凹槽用于使凸模匹配设置在液压机顶杆12上。所述液压杆12的中心位置设置有热偶槽。液压杆12直径为50mm、高为100mm的圆柱体，顶面中轴线处开有一个长50mm、宽25mm、高12.5mm的顶部凹槽。顶部凹槽用于引出第二热电偶11的导线。
凸模为底圆直径100mm、高70mm的圆柱体，圆柱体顶部倒半径为20mm的圆角，底面中轴线处开一个直径50mm，高10mm的凸模座底部凹槽。压边圈7的内径为109mm，外径为240mm，高为30mm。
材料选择：板材采用7075-T4态铝合金板，厚度为1mm的板料。
工艺参数确定：
为了板材在胀形过程中能够对中，板材外圆直径240mm与压边圈外圆直径相同。为了完成板材不同应变路径下成形极限的测试需要裁剪成以下不同尺寸。
当进行等双向应力状态下的成形极限试验时，所述试验板材8为中心位置进行了减薄处理的圆板状板材，试验板材8的中心位置为减薄区，减薄区的形状呈圆形，减薄区减薄的厚度不小于非减薄区厚度的30％，减薄区的半径不大于试验板材8半径的10％。减薄区厚度为0.3mm，减薄区半径12mm。
所述减薄区在靠近凸模的一侧进行减薄；所述压边圈7和凹模9的横截面的外边缘均为圆形，且压边圈7和凹模9的外径均与试验板材8的直径相等。
当进行平面应变下成形极限的试验时，所述试验板材8为中心位置进行了减薄处理且在圆板状板材的基础上对两侧进行了对称平行裁剪得到的板材，试验板材8的中心位置为减薄区，减薄区的形状呈圆形，减薄区减薄的厚度不小于非减薄区厚度的30％，减薄区的半径不大于试验板材8半径的10％。减薄区厚度为0.3mm，减薄区半径12mm。
当进行单向应力状态下的成形极限试验时，所述试验板材8为先在圆板状板材的基础上对两侧进行了对称平行裁剪，再向圆心方向对称内凹裁剪掉两块圆弧板，所得到的板材。
一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验方法，采用了如前所述的平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，
具体步骤为：先通过温控仪调节圆形加热片功率，使平底凸模盖达到试验温度；然后将试验板材8放置在压边圈7和凹模9之间压紧并保持；接着利用液压机向上移动凸模，对试验板材8胀形；当试验板材8产生裂纹时，凸模加载停止，凸模退回，取下试验板材8。
通过温控仪控制圆形加热片功率把平底凸模盖的温度稳定在400℃。将试验板材8固溶处理(480℃、10min)后快速移入压边圈和凹模中间，后续上移压边圈，配合凹模压住试验板材8。最后上移凸模，使得凸模与板材正好接触。经过传热，试验板材8温度从平底凸模盖接触区(400℃)向压边接触区逐渐降低。
最后凸模上移，对试验板材8胀形。当试验板材8失效或破裂时，凸模加载停止，凸模退回，取下试验板材8，一次试验结束。如图8所示，可以看到试验板材8成形后的温度及等效塑性应变分布。平底区域的温度达到试验温度，随后离平底区域越远，温度越低。应变最大处发生在板材减薄区及高温区域。更换不同尺寸的板材进行试验，成形极限图如图9所示：即可获得7075铝合金在400℃不同应变路径下的高温成形极限图。
改变凸模盖温度，重复上诉步骤即可获得7075铝合金在不同温度下不同应变路径的高温成形极限图。图10展示了7075铝合金在100℃下不同应变路径的高温成形极限图。
针对不同应变路径下成形极限的试验需要对板材进行相应的前处理从而得到试验板材8，前处理包括减薄和/或裁剪。
本发明的一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置具体装配关系如下：该试验装置需要液压机配合使用，凹模安装在压力机上平台中心，压边圈安装在压力机下平台上表面，凸模安装在液压机顶杆上。热偶固定器与凹模间隙配合，同时保证热偶固定器、凹模、压边圈、凸模同轴安装。凸模直径小于凹模和压边圈内径，保证了冲头可以通过。
针对利用面内法进行高温成形极限测试，本发明通过温度监测系统，实时采集及调节试验板材温度，控制平底凸模盖的温度。在试验过程中，用压边圈和凹模压紧固溶温度下的试验板材。上移凸模，使凸模与试验板材接触传热。经过一段时间后，试验板材中心区域与凸模温度保持一致，达到试验温度。试验板材边缘受凹模与压边圈的传热，温度会低于中心区域。试验板材整体温度呈现出从中心到边缘逐步降低。当变形发生时，受中心区高温度及薄厚度的影响，试验板材会优先从中心区开始变形直至失效，确保了试验板材在平面应力状态下进行高温成形极限试验，极大提高了基于面内法的高温成形极限试验效率。
在高温成型过程中，首先通过圆形加热片把平底凸模盖加热到所需温度。第二热电偶测得平底凸模盖温度并反馈给温控仪，从而控制加热片电流的功率及通断，使平底凸模盖保持在所需温度。然后将固溶温度下带有中心减薄的铝合金板材放入压边圈和凹模之间并夹紧板料。上移平底凸模和压边圈，使凸模平底区域与板料以及压边圈和凹模与板材接触的区域传热。热偶固定器与第一热电偶过盈配合，并用自身重量把第一热电偶压在板材上表面，可以直接测量试验板材温度变化。
保温一段时间后，板材温度呈现中间高两边低的梯度分布。压边圈在压力机活塞的作用下继续向上运动，压紧板材。最后平底冲头上移，对板材胀形。当板材产生裂纹时，平底凸模加载停止，平底凸模退回，取下板材，一次试验结束。
通过改变板材尺寸可获得不同应变路径下的应变极限，进而获得整个高温成形极限图。通过改变平底凸模温度即可获得不同温度下的高温成形极限图。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，其特征在于，包括凸模、压边圈(7)、凹模(9)、液压杆(12)、试验板材(8)和温控仪(2)；
所述凸模包括平底凸模座(5)、平底凸模盖(4)、圆形加热片(3)和隔热套(6)；平底凸模座(5)呈圆柱状，平底凸模座(5)的上端边缘剖面为圆角，平底凸模座(5)的上端中部设置有凸模座顶部凹槽，隔热套(6)匹配设置在凸模座顶部凹槽内，隔热套(6)向上开口，隔热套(6)的向上开口处匹配设置有平底凸模盖(4)，平底凸模盖(4)的下表面紧贴设置有圆形加热片(3)；平底凸模座(5)的中部设置有第二热电偶(11)，圆形加热片(3)与电源(13)相连，电源(13)和第二热电偶(11)分别通过导线与温控仪(2)进行连接，平底凸模盖(4)的上表面、隔热套(6)的上端面和平底凸模座(5)的上端面处于同一平面上；压边圈(7)和凹模(9)的中部均设置有圆孔，圆孔直径大于凸模直径与两倍试验板材(8)厚度之和；凹模(9)下端的内侧边缘剖面为圆角；在凹模(9)中部的圆孔内设置有热偶固定器(10)，热偶固定器(10)上设置有第一热电偶(1)；凸模、压边圈(7)、凹模(9)、液压杆(12)和试验板材(8)均处于同一轴心线上，凸模和压边圈(7)设置在试验板材(8)的下方，液压杆(12)设置在凸模的下方，凹模(9)设置在试验板材(8)的上方；所述试验板材(8)夹持设置在压边圈(7)和凹模(9)之间。
2.根据权利要求1所述的平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，其特征在于，所述凹模(9)中部的圆孔的内径至少有两个尺寸，且上方的内径大于下方的内径，热偶固定器(10)的直径大于凹模圆孔下方的内径且小于凹模圆孔上方的内径，热偶固定器(10)呈圆板状搭设在凹模圆孔上下内径相接处。
3.根据权利要求1所述的平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，其特征在于，所述热偶固定器(10)的中心位置设置有热偶固定通孔，热偶固定通孔与第一热电偶(1)通过过盈配合进行连接。
4.根据权利要求1所述的平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，其特征在于，所述平底凸模座(5)的中部位置设置有热偶固定通孔，热偶固定通孔与第二热电偶(11)通过过盈配合进行连接，所述平底凸模座(5)的下端中部设置有凸模座底部凹槽，凸模座底部凹槽用于使凸模匹配设置在液压杆(12)上；所述液压杆(12)的中心位置设置有热偶槽，用于引出第二热电偶(11)的导线。
5.根据权利要求1所述的平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，其特征在于，当进行拉拉应变状态下的成形极限试验时，所述试验板材(8)为中心位置进行了减薄处理的圆板状板材，试验板材(8)的中心位置为减薄区，减薄区的形状呈圆形，减薄区减薄的厚度不小于非减薄区厚度的30％，减薄区的半径不大于试验板材(8)半径的10％。
6.根据权利要求5所述的平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，其特征在于，所述减薄区在靠近凸模的一侧进行减薄；所述压边圈(7)和凹模(9)的横截面的外边缘均为圆形，且压边圈(7)和凹模(9)的外径均与试验板材(8)的直径相等。
7.根据权利要求1所述的平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，其特征在于，当进行平面应变状态下的成形极限试验时，所述试验板材(8)为中心位置进行了减薄处理且在圆板状板材的基础上对两侧进行了对称平行裁剪得到的板材，试验板材(8)的中心位置为减薄区，减薄区的形状呈圆形，减薄区减薄的厚度不小于非减薄区厚度的30％，减薄区的半径不大于试验板材(8)半径的10％。
8.根据权利要求1所述的平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，其特征在于，当进行拉压应变状态下的成形极限试验时，所述试验板材(8)为先在圆板状板材的基础上对两侧进行了对称平行裁剪，再向圆心方向对称内凹裁剪掉两块圆弧板，所得到的板材。
9.一种平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验方法，其特征在于，采用了如权利要求1～8中任意一项所述的平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验装置，
具体步骤为：先通过温控仪调节圆形加热片功率，使平底凸模盖达到试验温度；然后将试验板材(8)放置在压边圈(7)和凹模(9)之间压紧并保持；接着利用液压机向上移动凸模，对试验板材(8)胀形；当试验板材(8)产生裂纹时，凸模加载停止，凸模退回，取下试验板材(8)。
10.根据权利要求9所述的平面应力状态下铝合金板材高温成形极限试验方法，其特征在于，针对不同应变状态下成形极限的试验需要对板材进行相应的前处理从而得到试验板材(8)，前处理包括减薄和/或裁剪。
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