CN207908286U - 一种获取变强度钢板差温成形极限的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种获取变强度钢板差温成形极限的试验装置，包括冲头由冲头主体、镶块和陶瓷隔热层组成；陶瓷隔热层设置于冲头主体中间并与其固连在一起；镶块固定在冲头底部，与冲头主体组成过渡平滑球面；冲头内部设有用于安装加热棒和热电偶的深孔；冲头顶部设有用于连接连杆的螺纹孔；凸、凹模压边圈周围分别设置有高频感应加热线圈和红外探头组成闭环控制系统；还包括上支撑板、下支撑板、滑块、导柱、支柱、底座、主缸、压边缸、光源、高频相机和红外热像仪。本实用新型通过控制冲头两侧的温度，使高温试验样件在冲头两侧具有不同的淬火速率，从而模拟变强度钢板的差温成形过程，并通过高频相机采集的应变场获取变强度钢板的差温成形极限。

Description

一种获取变强度钢板差温成形极限的试验装置

技术领域

本实用新型涉及高强度钢板的热成形领域，尤其涉及一种获取变强度钢板差温成形极限的试验装置。

背景技术

汽车行业的快速发展极大地提高了人们的出行效率，促进了社会发展，但同时也带来了许多安全问题和环境问题。在保证安全的基础上实现轻量化设计，可以有效降低汽车燃油消耗和尾气排放，是汽车未来发展的必然趋势。优化汽车结构设计、使用新型材料及相应的先进制造技术是实现轻量化设计的主要方法。

超高强度钢板热成形技术是一项专门用于成形高强度钢板的先进制造技术，其一般过程是将钢板加热至900℃以上，使其充分奥氏体化，然后快速冲压成形并保压淬火，以获得具有均匀马氏体组织的高强度构件。运用超高强度钢热成形技术能够获得强度超过1500MPa的零件，因此可以在保证零件强度不降低的情况下适当减小构件的厚度，从而实现汽车轻量化的目的。

对于汽车的一些安全构件，如B柱、车门内板等，既要求构件具有足够的强度以防止汽车结构受到严重破坏，同时又需要构件的某些部位具有较低的强度和较高的吸能特性，从而提高汽车的整体碰撞安全性。传统的热成形技术只能获得性能单一的超高强度钢构件，无法满足构件不同部位需要不同力学性能的要求；通过改变构件不同部位在成形过程中的淬火速率，可以获得具有不同微观组织和力学性能变强度结构件，运用于车身中能够最大程度地提高汽车整体的碰撞安全性。

对于热成形板料的成形性评价，应用最普遍、最直观的方法是成形极限图(FLD，或FLC)。所谓成形极限图，是指成形过程中，材料在不同(近似)线性应变路径下开始发生劲缩时的应变点在主次应变坐标系下构成的一条曲线。现有的相关试验装置和方法主要用于获取高强度钢板的等温成形极限，如中国专利(申请号为201410076406.8)公布了一种金属板材热成形极限实验装置及测试方法，通过在密封箱内同时加热板料和冲头，可以防止试验过程中板料和冲头发生热传递，从而减小了试验误差。然而，实际变强度钢板的成形是个非等温过程，温度是连续变化的；同时，变强度钢板不同位置具有不同淬火速率，是个差温成形过程，因此以上装置和方法并不能获取变强度钢板的差温成形极限。中国专利(申请号为201210192708.2)公布了一种超高强度钢的热成形瞬态成形极限的数值模拟预测方法，该预测方法是在进行材料高温单轴拉伸实验获得热成形板料本构特性参数后，运用M-K理论建立稳态条件下热成形极限预测的M-K模型，基于确定的模型对不同热成形瞬态工艺条件下的成形极限进行计算预测，但是缺乏具体的试验结果进行验证。

综上，目前而言，针对于变强度钢板的差温成形过程的试验装置和方法还没有相关报道，迫切需要一种专门的试验装置和方法来实现变强度钢板的差温成形过程，并测试其成形极限，评估其成形性能。

实用新型内容

根据上述提出的现有成形极限试验设备和方法存在的诸多技术问题，而提供一种获取变强度钢板差温成形极限的试验装置。本实用新型提供的试验装置可以模拟变强度钢板的成形过程，获得特定微观组织和力学性能分布的变强度构件；同时，该试验装置可以通过集成的光学应变测量系统实时获取钢板成形过程中的应变场，建立准确的变强度钢板成形极限图。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种获取变强度钢板差温成形极限的试验装置及方法，其特征在于，包括：

冲头，主要由两个具有对称结构的冲头主体、镶块和陶瓷隔热层组成；所述陶瓷隔热层安装于两个所述冲头主体对称结构的中间，用于隔绝所述冲头两侧的热量传递；所述冲头主体和所述陶瓷隔热层通过螺栓紧密地连接在一起；所述镶块通过螺栓固定在所述冲头底部，与所述冲头主体组成过渡平滑的球面，同时起到保护陶瓷隔热层的作用；所述冲头内部还设有用于安装加热棒和热电偶的深孔；所述冲头顶部开设有用于连接连杆的冲头顶部螺纹孔，所述冲头通过所述连杆与主缸相连；

压边圈，嵌套设置在所述冲头的外侧且呈上下布置，分为凸模压边圈和凹模压边圈，所述凸模压边圈和所述凹模压边圈周围分别设置有高频感应加热线圈和红外探头，所述红外探头与所述高频感应加热线圈组成闭环控制系统，用于快速加热压边圈并保持压边圈在指定的试验温度；

支撑结构，主要由底座、固定在所述底座上的支柱、及用于固定所述冲头的支撑主体组成；所述支撑主体包括上支撑板、导柱、滑块和下支撑板；所述凹模压边圈通过螺栓固定在所述下支撑板上，所述凸模压边圈通过螺栓固定在所述滑块上；所述滑块与压边缸相连，带动所述凸模压边圈沿着所述导柱上下移动；所述导柱上端与所述上支撑板通过螺纹连接，所述导柱下端通过螺纹固定在所述下支撑板上；所述主缸和所述压边缸通过螺栓固定在所述上支撑板上，分别为所述冲头和所述凸模压边圈提供动力；所述支柱上端通过螺纹与所述下支撑板连接，所述支柱下端通过螺纹与所述底座相连；

所述底座的中部还设有红外热像仪，用于实时获取和记录试验样件变形过程中的温度场分布；所述红外热像仪的两侧设有光源和高频相机，用于实时获取和记录试验样件的应变场分布。

进一步地，所述连杆与所述冲头连接处设置有石棉垫，用于防止所述冲头的热量通过所述连杆传递到所述主缸。

进一步地，所述上支撑板和所述下支撑板的内部均设有冷却水道，用于防止装置整体因温度过高而产生变形。

进一步地，所述下支撑板的中部设有圆形通孔，所述通孔作为采集温度场和应变场的视窗。

进一步地，所述凸模压边圈和所述凹模压边圈与试验样件接触的一侧表面与内壁相交处均设有圆角。

进一步地，所述凸模压边圈与试验样件接触一侧设置有圆形拉延筋，所述拉延筋与所述凹模压边圈上的凹槽匹配，用于防止试验样件流动；所述拉延筋与所述凸模压边圈表面交界处设置有圆角；所述凹槽与所述凹模压边圈表面交界处设置有圆角。

本实用新型具有以下优点：

1)本实用新型所述试验装置可以将冲头两侧加热至不同温度，冲头接触样件后，可以使样件两侧具有不同的淬火速率，从而模拟变强度钢板的成形过程；

2)本实用新型所述试验装置将压边圈温度加热至与样件温度相同，防止样件被压边后与压边圈发生热量交换，影响试验精度；

3)本实用新型所述试验装置采用高频感应线圈对压边圈进行加热和保温，加热效率高，温度分布均匀，保温效果好；

4)本实用新型所述试验装置采用高频相机实时获取和记录样件变形过程中的应变场分布及临界破裂时刻的应变值，方便，快捷，准确度高；

5)本实用新型所述试验装置可以开展的成形极限试验不仅局限于变强度钢板，同时也可以开展普通非等温成形极限试验，此时只需将冲头两侧温度设置成同一温度即可；

6)本实用新型所述试验装置也可以用来开展一定温度范围内的等温成形极限试验，此时只需要将冲头、压边圈和样件加热至同一温度即可。

基于上述理由本实用新型可在高强度钢板的热成形领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所述冲头、凸模压边圈、凹模压边圈中心纵向剖面图。

图2为本实用新型所述冲头的主视图。

图3为本实用新型所述冲头的俯视图。

图4为本实用新型所述冲头的左视图。

图5为图3中A-A向的剖视图。

图6为本实用新型所述冲头装配示意图。

图7为本实用新型所述试验装置的结构示意图。

图8为本实用新型试验方法的流程图。

图中：1、冲头主体；2、陶瓷隔热层；3、凸模压边圈；4、凹模压边圈；5、镶块；6、凹槽；7、镶块螺纹孔；8、拉延筋；9、对称结构螺纹孔；10、冲头顶部螺纹孔；11、加热棒安装孔；12、热电偶安装孔；13、高频感应加热线圈；14、石棉垫；15、连杆；16、冲头；17、滑块；18、导柱；19、上支撑板；20、主缸；21、压边缸；22、红外探头；23、下支撑板；24、支柱；25、底座、26、光源；27、高频相机；28、红外热像仪。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图7所示，一种获取变强度钢板差温成形极限的试验装置及方法，包括：

冲头16(如图1-图5所示)，主要由两个具有对称结构的冲头主体1、镶块5和陶瓷隔热层2组成；所述陶瓷隔热层5安装于两个所述冲头主体1对称结构的中间，用于隔绝所述冲头16两侧的热量传递；所述冲头主体1和所述陶瓷隔热层5通过螺栓穿过冲头主体1一侧的对称结构螺纹孔9从而紧密地连接在一起；所述镶块5通过螺栓穿过镶块螺纹孔7固定在所述冲头16底部，与所述冲头主体1组成过渡平滑的球面，同时起到保护陶瓷隔热层2的作用；所述冲头16内部还设有用于安装加热棒的加热棒安装孔11和用于安装热电偶的热电偶安装孔12；所述冲头16顶部开设有用于连接连杆15的冲头顶部螺纹孔10，所述冲头16通过所述连杆15与主缸20相连；所述连杆15与所述冲头16连接处设置有石棉垫14，用于防止所述冲头16的热量通过所述连杆15传递到所述主缸20。

压边圈(如图6所示)，嵌套设置在所述冲头16的外侧且呈上下布置，分为凸模压边圈3和凹模压边圈4，所述凸模压边圈3和所述凹模压边圈4周围分别设置有高频感应加热线圈13和红外探头22，所述红外探头22与所述高频感应加热线圈13组成闭环控制系统，用于快速加热压边圈并保持压边圈在指定的试验温度；

支撑结构，主要由底座25、固定在所述底座25上的支柱24、及用于固定所述冲头16的支撑主体组成；所述支撑主体包括上支撑板19、导柱18、滑块17和下支撑板23；所述凹模压边圈4通过6个螺栓固定在所述下支撑板23上，所述凸模压边圈3通过6个螺栓固定在所述滑块17上；所述滑块17与压边缸21相连，带动所述凸模压边圈3沿着所述导柱18上下移动；所述导柱18上端与所述上支撑板19通过螺纹连接，所述导柱18下端通过螺纹固定在所述下支撑板23上；所述上支撑板19和所述下支撑板23的内部均设有冷却水道，用于防止装置整体因温度过高而产生变形。

所述主缸20和所述压边缸21通过螺栓固定在所述上支撑板19上，分别为所述冲头16和所述凸模压边圈3提供动力；所述支柱24上端通过螺纹与所述下支撑板23连接，所述支柱24下端通过螺纹与所述底座25相连；

所述底座25的中心位置还设有红外热像仪28，用于实时获取和记录试验样件变形过程中的温度场分布；所述红外热像仪28的两侧设有光源26和高频相机27，用于实时获取和记录试验样件的应变场分布。

所述下支撑板23的中部设有圆形通孔29，所述通孔29作为采集温度场和应变场的视窗。

所述凸模压边圈3和所述凹模压边圈4与试验样件接触的一侧表面与内壁相交处均设有圆角。所述凸模压边圈3与试验样件接触一侧设置有圆形拉延筋8，所述拉延筋8与所述凹模压边圈4上的凹槽6相匹配，用于防止试验样件流动；所述拉延筋8与所述凸模压边圈3表面交界处设置有圆角；所述凹槽6与所述凹模压边圈4表面交界处设置有圆角。

如图8所示，本实用新型公开了一种应用上述试验装置获取变强度钢板差温成形极限的方法，包括如下步骤：

S1、制备样件，将试验样件表面喷涂黑白相间的耐高温散斑，在试验样件边缘铆接热电偶，将试验样件放置于加热炉中升温至指定温度，并保温一段时间；

S2、在冲头上涂覆耐高温润滑脂，凸模压边圈3下行，触压凹模压边圈4，以减少加热过程中的热量损失；

S3、开启高频感应加热线圈13，迅速将压边圈加热至试验温度，压边圈温度通过红外探头22采集，并与所述高频感应线圈13实现闭环控制；开启冲头16两侧加热棒，或者只开启一侧加热棒，通过调节加热棒功率使冲头16两侧具有不同的温度，冲头16温度通过两侧的热电偶采集并实现闭环控制，具体温度根据所需成形变强度钢板的要求而定；

S4、打开光源26、高频相机27及红外热像仪28；

S5、待试验样件加热至指定温度并保温后，所述凸模压边圈3上行，直至可以容纳试验样件进入所述凸模压边圈3和所述凹模压边圈4之间的间隙为止；通过机械手臂将加热好的试验样件迅速从加热炉内转移出来，放置在所述凹模压边圈4上的指定位置；

S6、快速合模，所述凸模压边圈3将试验样件压紧在所述凹模压边圈4上；

S7、冲头16速度为分段控制，冲头16先快速下行，直至将要接触试验样件时，速度调整为设定好的试验速度；冲头16冲压试验样件，直至试验样件出现劲缩或破裂；同时，由红外热像仪28实时记录试验样件的温度场分布，由高频相机27实时记录试验样件的应变场分布；

S8、提取临界破裂时刻的应变值，通过插值法获得破裂处的极限应变，；

S9、所述凸模压边圈3和冲头16上行，压边圈开模，取出试验后的样件；

S10、重复步骤S1-S9，进行不同应变路径、温度及应变率等条件下的成形极限试验，建立变强度钢板在不同试验条件下的差温成形极限曲线。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种获取变强度钢板差温成形极限的试验装置，其特征在于，包括：

冲头(16)，主要由两个具有对称结构的冲头主体(1)、镶块(5)和陶瓷隔热层(2)组成；所述陶瓷隔热层(2)安装于两个所述冲头主体(1)对称结构的中间，用于隔绝所述冲头(16)两侧的热量传递；所述冲头主体(1)和所述陶瓷隔热层(2)通过螺栓紧密地连接在一起；所述镶块(5)通过螺栓固定在所述冲头(16)底部，与所述冲头主体(1)组成过渡平滑的球面；所述冲头(16)内部还设有用于安装加热棒和热电偶的深孔；所述冲头(16)顶部开设有用于连接连杆(15)的冲头顶部螺纹孔(10)，所述冲头(16)通过所述连杆(15)与主缸(20)相连；

压边圈，嵌套设置在所述冲头(16)的外侧且呈上下布置，分为凸模压边圈(3)和凹模压边圈(4)，所述凸模压边圈(3)和所述凹模压边圈(4)周围分别设置有高频感应加热线圈(13)和红外探头(22)，所述红外探头(22)与所述高频感应加热线圈(13)组成闭环控制系统，用于快速加热压边圈并保持压边圈在指定的试验温度；

支撑结构，主要由底座(25)、固定在所述底座(25)上的支柱(24)、及用于固定所述冲头(16)的支撑主体组成；所述支撑主体包括上支撑板(19)、导柱(18)、滑块(17)和下支撑板(23)；所述凹模压边圈(4)通过螺栓固定在所述下支撑板(23)上，所述凸模压边圈(3)通过螺栓固定在所述滑块(17)上；所述滑块(17)与压边缸(21)相连，带动所述凸模压边圈(3)沿着所述导柱(18)上下移动；所述导柱(18)上端与所述上支撑板(19)通过螺纹连接，所述导柱(18)下端通过螺纹固定在所述下支撑板(23)上；所述主缸(20)和所述压边缸(21)通过螺栓固定在所述上支撑板(19)上，分别为所述冲头(16)和所述凸模压边圈(3)提供动力；所述支柱(24)上端通过螺纹与所述下支撑板(23)连接，所述支柱(24)下端通过螺纹与所述底座(25)相连；

所述底座(25)的中部还设有红外热像仪(28)，用于实时获取和记录试验样件变形过程中的温度场分布；所述红外热像仪(28)的两侧设有光源(26)和高频相机(27)，用于实时获取和记录试验样件的应变场分布。

2.根据权利要求1所述的获取变强度钢板差温成形极限的试验装置，其特征在于，所述连杆(15)与所述冲头(16)连接处设置有石棉垫(14)，用于防止所述冲头(16)的热量通过所述连杆(15)传递到所述主缸(20)。

3.根据权利要求1所述的获取变强度钢板差温成形极限的试验装置，其特征在于，所述上支撑板(19)和所述下支撑板(23)的内部均设有冷却水道，用于防止装置整体因温度过高而产生变形。

4.根据权利要求1所述的获取变强度钢板差温成形极限的试验装置，其特征在于，所述下支撑板(23)的中部设有圆形通孔(29)，所述通孔(29)作为采集温度场和应变场的视窗。

5.根据权利要求1所述的获取变强度钢板差温成形极限的试验装置，其特征在于，所述凸模压边圈(3)和所述凹模压边圈(4)与试验样件接触的一侧表面与内壁相交处均设有圆角。

6.根据权利要求1所述的获取变强度钢板差温成形极限的试验装置，其特征在于，所述凸模压边圈(3)与试验样件接触一侧设置有圆形拉延筋(8)，所述拉延筋(8)与所述凹模压边圈(4)上的凹槽(6)相匹配，用于防止试验样件流动；所述拉延筋(8)与所述凸模压边圈(3)表面交界处设置有圆角；所述凹槽(6)与所述凹模压边圈(4)表面交界处设置有圆角。