CN204594810U - 高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置，该装置包括试样形变压力装置、实时应变测量装置和控制器；基于该测试装置建立恒应变速率条件下高温成形极限图的试验方法，是在确保成形温度恒定条件下，实现试样中心点处的应变速率恒定，获得的板材等温条件下成形极限曲面图(FLD)涵盖一定应变速率范围内的恒应变速率条件下成形极限曲线。具有控制精度高、测量准确的优点，对轻型合金及高强钢温热成形的理论研究和实际应用具有重要意义。

Description

高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置

技术领域

本实用新型涉及金属板材成形性能测试装置，具体涉及一种高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置。

背景技术

目前全球面临能源紧张和环境污染的压力，轻量化是汽车发展的主要趋势，正逐渐由传统钢板转向高强钢、轻合金等轻量化材料汽车车身和底盘的构件用材，用来减轻汽车重量。由此催生了一些新兴的板材成形工艺，例如铝合金、镁合金板材的超塑成形(SPF)、快速塑性成形(QPF)、温冲压成形(WSF)，以及近几年发展起来的高强钢板的热冲压成形(HSF)等等。这些工艺的共同特点就是板材在温热状态下成形，研究温热态板材的成形性能对于这些新兴成形工艺的发展至关重要。

成形极限图(FLD,Forming Limit Diagram)是评价板材成形性能的重要依据和指标，并在实际板材成形工艺中广泛应用。成形极限曲线不仅是实际板材成形工艺中评估成形性和选用板材的重要依据，而且是有限元模拟板材成形中判断板材失效和破裂的重要标准。针对常温下韧性板材成形极限的研究已相对成熟，其中最常用的FLC试验方法是Nakazima法(半球头刚性凸模胀形试验)和Marciniak法(平头刚性凸模胀形试验)，ASTM E2218(2002)和ISO12004(1997)以及我国GB/T15825.8(2008)均针对韧性板材规定了成形极限标准试验规范。

常温韧性板材成形一般不受应变速率因素影响，而在温热状态下板材呈现应变速率敏感性，因此板材温热成形性能的试验研究应该考虑应变速率。针对韧性板材成形极限的常规测试装置及试验方法未必适合于温热态板材。申请号为201110082554.7、201210238542.3和201310337979.7的专利均涉及了高温成形极限试验装置及如何获取高温成形极限图，但现有的板材高温成形极限装置及试验方法均采用恒定的凸模(或凹模)冲压速率，这样获得的成形极限图不同程度地包含应变速率变化对成形性的影响。

随着高温板材成形技术领域对板材成形极限图精度要求的提高，亟需发明一种能够实现试样中心点处应变速率恒定的成形极限测试装置，这样就可消除成形过程中的应变速率因素，通过获得不同应变速率条件下的成形极限曲线，就能掌握应变速率对板材温热成形性能的影响规律，并建立板材温热成形极限曲面图(FLD，Strain Rate Forming Limit Diagram)。

发明内容

本实用新型的目的，为了解决上述目前对建立板材成形极限图的技术存在的技术问题，提出一种高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置。

本实用新型高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置，包括试样形变压力装置、实时应变测量装置和控制器；

所述的试样形变压力装置，包括底座、通过立柱固设在底座上的工作台、固设在底座下端面的主液压缸和固设在底座上端面的副液压缸、穿置在底座和工作台上并与其呈滑动配合的拉杆、固连在拉杆上端的凹模，拉杆下端与所述主液压缸的主活塞杆相连接；设置在凹模下端的设有拉延筋的压边圈通过呈滑动配合的穿过工作台的顶杆与所述副液压缸的副活塞杆相连接；在工作台上与凹模和压边圈同轴固设的凸模；试样放置于凹模和压边圈之间；在工作台上还固设有下加热炉和上加热炉，上、下加热炉之间的高温密封圈，构成容纳所述凹、凸模具的工作空间；

所述的应变测量装置，包括通过支架固设在所述上加热炉上端面上方的具有配套高速图像分析处理系统的摄像机和以下的目镜、物镜、滤光片，摄像机、目镜、物镜和滤光片的光轴通过上加热炉上端面设置的装有石英玻璃的中心孔与所述的凹、凸模同轴(即摄像机、所述目镜、所述物镜和所述滤光片与试样中心保证在同一轴线上)；与摄像机的图像分析处理系统通讯连接的数据分析处理器；

所述的数据分析处理器与所述的控制器通讯连接，传输应变信号至控制器；控制器分别通过伺服驱动器和限压阀与所述的主液压缸和所述的副液压缸控制连接，以驱动所述的凹模和压边圈作直线往复运动。

在所述的上加热炉上端面上通过装有石英玻璃的斜孔设有照明光源。

在所述的上加热炉上端面内侧设置有与所述拉杆上端面接触配合的支杆，凭借拉杆的上下移动以及上加热炉的自身重力，实现上、下加热炉的开合。

在所述的下加热炉的下端面设有柔性波纹管，波纹管与上加热炉和下加热炉围成密闭空间；下加热炉上设有与抽真空装置相连接的出口管，用于实现加热装置内部的真空环境，还设有与氩气瓶相连接的入口管，用于通入氩气为冲压后所述模具和试样提供防氧化保护并冷却。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1.本实用新型测试装置能实现试样中心点处恒应变速率变形，这样就消除板材冲压过程中的应变速率因素，便于研究应变速率对板材温热成形性的影响规律；特别用于当前镁合金、铝合金、钛合金等轻型合金以及高强钢板材高温成形性分析；

2.本实用新型装置适用于Nakazima法(半球头刚性凸模胀形试验)和Marciniak法(平头刚性凸模胀形试验)；

3.本实用新型装置采用凸模固定不动凹模运动的结构，保证试样中心点处位置不变，增加试样中心点处图像采集的稳定性；

4.本实用新型装置的实时应变测量装置借用金相显微成像原理，采用斜照光源和滤光片等结构，获得清晰黑白衬度图像，便于图像快速分析处理，同时试样中心点处微小区域的变形经光学放大后，能有效提高测量精度。

附图说明

图1是本实用新型测试装置的结构原理图；

图2是本实用新型测试装置的结构示意图；

图3是本实用新型提供的测试装置的数据采集与控制原理框图；

图4是本实用新型试验方法采用的试样圆形栅格绘制图案；

图5是本实用新型试验方法采用的试样中心点处十字形图案及变形图。

图中：1、摄像机；2、支架；3、目镜；4、物镜；5、滤光片；6、石英玻璃；7、入口管；8、工作台；9、波纹管；10、立柱；11、底座；12、滑套；13、主液压缸；14、拉杆；15、主限位开关；16、主活塞杆；17、副液压缸；18、副限位开关；19、副活塞杆；20、顶杆；21、凸模；22、出口管；23、下加热炉；24、高温密封圈；25、上加热炉；26、凹模；27、试样；28、支杆；29、压边圈；30、照明光源；31、数据分析处理器；32、控制器。

具体实施方式

下面结合附图给出的实施例对本实用新型作进一步说明。

参照图1～3，一种高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置，包括试样形变压力装置、实时应变测量装置和控制器；

所述的试样形变压力装置，包括底座11、通过立柱10固设在底座11上的工作台8、固设在底座11下端面的主液压缸13和固设在底座11上端面的副液压缸17、穿置在底座11和工作台8上并与其呈滑动配合的拉杆14、固连在拉杆14上端的凹模26，拉杆14下端与所述主液压缸13的主活塞杆16相连接；设置在凹模26下端的设有拉延筋的压边圈29通过呈滑动配合的穿过工作台8的顶杆20与所述副液压缸17的副活塞杆19相连接；在工作台8上与凹模26和压边圈29同轴固设的凸模21；所述的试样27放置于凹模26和压边圈29之间；在工作台8上还固设有下加热炉23和上加热炉25，上、下加热炉之间的高温密封圈24，构成容纳所述凹、凸模具的工作空间；

所述的应变测量装置，包括通过支架2固设在所述上加热炉25上端面上方的具有配套高速图像分析处理系统的摄像机1和以下的目镜3、物镜4、滤光片5，摄像机1、目镜3、物镜4和滤光片5的光轴通过上加热炉25上端面设置的装有石英玻璃的中心孔6与所述的凹、凸模同轴；与摄像机1的图像分析处理系统通讯连接的数据分析处理器31；

所述的数据分析处理器31与所述的控制器32通讯连接，传输应变信号至控制器；控制器32通过伺服驱动器(图中省略未标出)与所述的主液压缸13控制连接，以驱动所述凹模26作直线往复运动，实现对试样27冲压成形；控制器32通过限压阀(图中省略未标出)与所述的副液压缸17控制连接，以驱动所述压边圈29作直线往复运动，并保证冲压成形过程中施加于试样27的压边力恒定不变。

在所述的上加热炉25上端面上通过装有石英玻璃的斜孔设有照明光源30。

在所述的上加热炉25上端面内侧设置有与所述拉杆14上端面接触配合的支杆27，凭借拉杆14的上下移动以及上加热炉25的自身重力，实现上、下加热炉的开合。

所述的上加热炉25上端面与内壁和下加热炉23下端面与内壁设有加热元件，上加热炉25和下加热炉23外侧壁和端面由隔热层和金属壳构成。

在所述的下加热炉23的下端面设有柔性波纹管9，波纹管9与上加热炉25和下加热炉23围成密闭空间；下加热炉23上设有与抽真空装置相连接的出口管22，用于实现加热装置内部的真空环境，还设有与氩气瓶相连接的入口管7，用于通入氩气为冲压后所述模具和试样提供防氧化保护并冷却。

在所述的主液压缸13和副液压缸17上分别设有主限位开关15和副限位开关18。

基于本实用新型的测试装置建立高温恒应变速率条件下成形极限图的试验方法，包括以下步骤：

a.将中心点处标记有十字形图案的试样27置于测试装置中所述的压边圈29上，使其十字形图案的交叉点与模具轴线重合、十字形图案线段分别与第一主应力和第二主应力的方向一致，启动加热至测试温度并保温；

b.在保证试样中心处应变速率恒定的条件下，对试样进行冲压成形，当试样出现颈缩或破裂时，停止试验；

c.对冲压后的试样变形数据进行分析和测量，获得颈缩或破裂区域的第一主应变和第二主应变；

d.更换不同规格尺寸的试样，重复步骤a-c，获得对应此应变速率条件下的板材温热成形极限曲线；

e.按照设定间隔改变试样中心处应变速率值，重复步骤a-d，获得对应不同应变速率的高温成形极限曲线，通过拟合获得对应此测试温度下的板材温热成形极限曲面。

试样27的选取依据GB/T15825.8(2008)，试样长度为180mm，宽度分别为20、40、60、80、100、120、140、160和180mm的9种规格，涵盖成形极限图中从单向拉伸到双向等拉的应力状态范围。采用激光标刻机对试样27进行圆形栅格绘制，圆形栅格直径为2.5mm。如图4所示，圆形栅格相切排列，圆形栅格阵列应与初始主应力方向一致，并且其中一圆形栅格的圆心须与试样27中心重合，试样27中心处圆形栅格中绘制相互垂直的线段，线段交叉点为试样中心，线段方向分别沿第一主应力和第二主应力方向。

参照图5，通过十字形图案的变化来计算试样27中心点处的变形。具体计算依据如下变形分析：

试样中心点处第一主应变和第二主应变的计算公式为，

${\mathrm{\ϵ}}_1^{\′}=\ln \frac{l_1}{l_0}$

${\mathrm{\ϵ}}_2^{\′}=\ln \frac{l_2}{l_0}$

塑性变形等效应力的计算公式为，

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{\sqrt{2}}{3}\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_1^{\′}-{\mathrm{\ϵ}}_2^{\′})}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2^{\′}-{\mathrm{\ϵ}}_3^{\′})}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_3^{\′}-{\mathrm{\ϵ}}_1^{\′})}^2}$

其中，为等效应力，ε₁′、ε₂′和ε₃′分别为试样中心点处第一、第二和第三主应变，l₀为十字形图案各个线段的初始长度，l₁为十字形图案平行于第一主应力线段的长度，l₂为十字形图案垂直于第一主应力线段的长度。同时，塑性变形遵循体积不变原理，因此有如下关系，

ε₁′+ε₂′+ε₃′＝0

结合以上4个公式，经推导可得试样中心点处的等效应变计算公式，

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{\sqrt{2}}{3}\sqrt{{\left(\ln \frac{l_2}{l_1}\right)}^2+{\left(\ln \frac{l_1{l}_2^2}{l_0^3}\right)}^2+{\left(\ln \frac{l_2{l}_1^2}{l_0^3}\right)}^2}$

所述实时应变测量装置的数据分析处理器对十字形图像进行分析处理，并依据以上公式计算试样中心点处区域的等效应变。由于应变速率的定义式为数据分析处理器采用如下公式计算试样中心点处应变速率，

$\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}{|}_t-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}{|}_{t-\mathrm{\Δt}}}{\mathrm{\Δt}}$

其中，为试样中心点处应变速率，为当前时刻等效应变，为前一时刻等效应变(初始时刻等效应变为零)，Δt为数据分析处理器采样的时间间隔。

参照图3，所述驱动装置的控制器对数据分析处理器提供的试样27中心点处应变速率测量值和应变速率试验设定值进行比较，基于反馈控制原理，通过伺服驱动器调节主液压缸13，从而经主活塞杆16及拉杆14，实时调整凹模26向下移动速率，保证冲压过程中试样中心点处应变速率的恒定。控制器依据压边力的试验设定值，通过限压阀调节副液压缸17保持恒定的油压，经副活塞杆19及顶杆20，使压边圈29在冲压过程中对试样27施加恒定压边力。控制器还依据试验相关设定，控制主液压缸13和副液压缸17的空载动作，并受主限位开关15和副限位开关18的限制，实现凹模26和压边圈29在各自活动范围的上下移动，以满足试验前后加热装置开合和试样放取的需要。

上加热炉25与下加热炉23之间设有高温密封圈24，工作台8下端面设有柔性波纹管9，波纹管9与上加热炉25和下加热炉23围成密闭空间；下加热炉23设有出口管22与抽真空装置连接，用于实现加热装置内部的真空环境，下加热炉23设有入口管7与氩气瓶相连，通入氩气为冲压后所述模具和试样提供防氧化保护并冷却。

本实用新型还公开一种获取板材温热成形极限曲面图的试验方法，所述方法获取等温条件下涉及应变速率——第一主应变(ε₁)——第二主应变(ε₂)三者关系的成形极限曲面，成形极限曲面涵盖一定应变速率范围内恒应变速率条件下的成形极限曲线。

获取板材温热成形极限曲面图的试验具体作法如下：

(1)控制主液压缸13和副液压缸17驱动凹模26和压边圈29上升至各自的极限位置，此时上加热炉25与下加热炉23分开，在凸模21上均匀涂抹高温润滑剂，然后放置试样27于压边圈29上，试样27中心与压边圈29中心在同一轴线，之后控制主液压缸13驱动凹模26下降某固定位置，此时上加热炉25由于重力作用与下加热炉23闭合，凹模26与试样27之间尚存在一间隙。锁紧上加热炉25和下加热炉23。

(2)启动抽真空装置，使加热装置内部真空度达到一定值并维持。

(3)控制加热装置加热试样和模具温度至测试温度，并保温一定时间。调整摄像机1及目镜3和物镜4等，使试样27中心处采集图像清晰可鉴，视场对中且大小合适。同时设定试样中心处应变速率值和压边力值。

(4)启动试验，控制器通过反馈控制主液压缸13驱动凹模26向下运动，使试样27变形，并保持试样27中心点处应变速率恒定，同时控制器通过限压阀使副液压缸17保持恒定油压，这样保证压边圈29在被动下移过程中始终对试样27施加恒定压边力。当试样27出现颈缩或破裂时，停止冲压。

(5)关闭抽真空装置，通入氩气，等试样27冷却至一定温度，关闭氩气通道。

(6)控制主液压缸13和副液压缸17驱动凹模26和压边圈29上升至各自的极限位置，打开加热装置，取出试样27。采用摄像机采集试样27颈缩或破裂区域图像，然后应用应变测量分析系统对图像进行处理，计算试样颈缩或破裂区域的圆形栅格的长轴和短轴的变化进行测量，依据如下公式计算变化栅格的第一主应变和第二主应变，

${\mathrm{\ϵ}}_1=\ln \frac{d_1}{d_0}$

${\mathrm{\ϵ}}_2=\ln \frac{d_2}{d_0}$

其中，ε₁为第一主应变，ε₂为第一主应变，d₀为圆形栅格的初始直径，d₁为所测量圆形栅格的长轴长度，d₂为所测量圆形栅格的短轴长度。

(7)保持试样中心处应变速率设定值不变，对于9种不同规格试样，分别按照步骤(1)～(5)完成成形极限试验，获得每种试样对应的极限应变点。通过光滑连接或曲线拟合，获取对应此应变速率条件下的板材温热成形极限曲线。

(8)在一定应变速率范围内按照一定间隔改变试样中心处应变速率值设定，重复步骤(1)～(6)，获得对应不同应变速率的高温成形极限曲线，通过曲面拟合获得对应此测试温度下的板材温热成形极限曲面

Claims (6)

1.一种高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置，包括试样形变压力装置、实时应变测量装置和控制器(32)，其特征在于：

所述的试样形变压力装置，包括底座(11)、通过立柱(10)固设在底座(11)上的工作台(8)、固设在底座(11)下端面的主液压缸(13)和固设在底座(11)上端面的副液压缸(17)、穿置在底座(11)和工作台(8)上并与其呈滑动配合的拉杆(14)、固连在拉杆(14)上端的凹模(26)，拉杆(14)下端与所述主液压缸(13)的主活塞杆(16)相连接；设置在凹模(26)下端的设有拉延筋的压边圈(29)通过呈滑动配合的穿过工作台(8)的顶杆(20)与所述副液压缸(17)的副活塞杆(19)相连接；在工作台(8)上与凹模(26)和压边圈(29)同轴固设的凸模(21)；所述的试样(27)放置于凹模(26)和压边圈(29)之间；在工作台(8)上还固设有下加热炉(23)和上加热炉(25)，上、下加热炉之间的高温密封圈(24)，构成容纳所述凹、凸模具的工作空间；

所述的应变测量装置，包括通过支架(2)固设在所述上加热炉(25)上端面上方的具有配套高速图像分析处理系统的摄像机(1)和以下的目镜(3)、物镜(4)、滤光片(5)，摄像机(1)、目镜(3)、物镜(4)和滤光片(5)的光轴通过上加热炉(25)上端面设置的装有石英玻璃的中心孔(6)与所述的凹、凸模同轴；与摄像机(1)的图像分析处理系统通讯连接的数据分析处理器(31)；

所述的数据分析处理器(31)与所述的控制器(32)通讯连接，传输应变信号至控制器；控制器(32)分别通过伺服驱动器和限压阀与所述的主液压缸(13)和所述的副液压缸(17)控制连接，以驱动所述的凹模(26)和压边圈(29)作直线往复运动。

2.根据权利要求1所述的高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置，其特征在于，在所述的上加热炉(25)上端面上通过装有石英玻璃的斜孔设有照明光源(30)。

3.根据权利要求1所述的高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置，其特征在于,在所述的上加热炉(25)上端面内侧设置有与所述拉杆(14)上端面接触配合的支杆(27)，凭借拉杆(14)的上下移动以及上加热炉(25)的自身重力，实现上、下加热炉的开合。

4.根据权利要求1所述的高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置，其特征在于，所述的上加热炉(25)上端面与内壁和下加热炉(23)下端面与内壁设有加热元件，上加热炉(25)和下加热炉(23)外侧壁和端面由隔热层和金属壳构成。

5.根据权利要求1所述的高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置，其特征在于，在所述的下加热炉(23)的下端面设有柔性波纹管(9)，波纹管(9)与上加热炉(25)和下加热炉(23)围成密闭空间；下加热炉(23)上设有与抽真空装置相连接的出口管(22)，用于实现加热装置内部的真空环境，还设有与氩气瓶相连接的入口管(7)，用于通入氩气为冲压后所述模具和试样提供防氧化保护并冷却。

6.根据权利要求1所述的高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置，其特征在于，在所述的主液压缸(13)和副液压缸(17)上分别设有主限位开关(15)和副限位开关(18)。