CN105067455A - 一种获取板材热成形极限图的测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种获取板材热成形极限图的测试装置，包括万能试验机、模具、应变测量分析装置、加热控制装置和保温隔热装置；万能试验机包括中梁以及与中梁连接的力传感器；加热控制装置包括温控装置以及分别与温控装置连接的加热部件和温度传感部件；模具包括凹模底座、压边模以及凸模，凹模底座与压边模之间通过压边力控制装置进行装配形成用于夹持板材的板材夹持部位；应变测量分析装置包括控制器、金属腐蚀打标装置和CCD图像传感器。本发明装置整体结构精简；通过万能试验机、模具、应变测量分析装置、加热控制装置和保温隔热装置几大部分的组合，实现对板材压边过程和冲压成形过程进行精准的控制，准确获得板料热成形极限图。

Description

一种获取板材热成形极限图的测试装置

技术领域

本发明涉及金属板材热冲压成形装置技术领域，特别地，涉及一种获取板材热成形极限图的测试装置。

背景技术

金属板材热冲压成形工艺，在确保材料优异的机械性能的基础上，能有效地降低能耗和减少环境污染，实现轻量化生产。但由于现代社会对生产效率的要求越来越高，优化成形工艺，确定材料能否被成形为合格的零件是非常重要的。在成形工艺中，成形极限表示金属板料进行塑性成形时能达到的最大成形能力，故准确测量金属的成形极限，对充分利用材料的性能，降低生产成本，提高生产效率具有重要意义。

板料热成形极限图的准确获得比较复杂，影响因素众多，针对FLD的研究依然存在很多问题，FLD受应变速率，压边力，极限状态的判断以及加载温度等影响因素的研究仍然不够成熟。如今的热成形极限实验，大部分通过直接观察试样破裂或紧缩来停止实验，确定成形极限，这种可能会造成较大的人工误差，甚至导致该试验不合格，需重新实验。

对于上述的各影响因素研究的问题，申请号201310337979.7的专利提到了一种获取金属高温温热成形极限曲面图的方法及其测试装置，但所使用的试验测试方法对板料的失稳行为判断没有一个统一的标准，并且是试验后对紧缩或破裂的试样进行拍摄测量应变。而申请号201410076641.5的专利提到一种高强钢板热成形极限图的建立方法，通过高速摄像头在线测量实验过程中任意时刻试件表面的应力变，并通过实时观察试样破裂或紧缩来停止实验，无法保证每次的试样的失稳状态都一样。

发明内容

本发明目的在于提供一种整体结构精简、控制方便且能准确获得板料热成形极限图的装置，具体如下：

为实现上述目的，本发明提供了一种获取板材热成形极限图的测试装置，包括万能试验机、设置在所述万能试验机上且用于对板材进行压边和冲压成形的模具、对板材变形前后的参数进行记录和计算的应变测量分析装置以及对所述模具和板材进行温度控制的加热控制装置和保温隔热装置；

所述万能试验机包括水平设置的工作台面、水平设置于所述工作台面正上方且能沿竖直方向上下运动的中梁以及连接在所述中梁下方的力传感器；

所述加热控制装置包括温控装置以及分别与所述温控装置连接的加热部件和温度传感部件；

所述模具包括设置在所述工作台面上且带有上端具有开口的容纳腔的凹模底座、位于所述凹模底座的正上方且带有与所述容纳腔的开口处相对应设置的通孔的压边模以及上端与所述中梁连接且其下端能在所述容纳腔和所述通孔中上下自由活动的凸模，所述凹模底座与所述压边模之间通过压边力控制装置进行装配形成用于夹持板材的板材夹持部位；所述凸模沿竖直方向设置且其下端面为平面；所述凹模底座、压边模以及凸模上均设有所述加热部件和所述温度传感部件；

所述保温隔热装置包括具有一开口向上的U形结构腔体的保温隔热本体以及设置在所述U形结构腔体的开口处且与其尺寸相匹配的水平设置的隔热板，所述隔热板上设有与所述凸模中部相匹配且与所述通孔相对应设置的第二通孔，所述凹模底座、压边模、凸模的下端、加热部件以及温度传感部件均设在U形结构腔体内；

所述应变测量分析装置包括控制器、用于将板材进行打标的金属腐蚀打标装置以及设置在所述容纳腔内且与所述控制器连接的CCD图像传感器。

以上技术方案中优选的，所述凸模由下至上包括圆柱形模体和圆柱形长轴，所述凹模底座为工字形结构，所述通孔为一沿竖直方向设置的圆柱形通孔，所述凹模底座、压边模以及凸模三者的中心轴线偏差不大于0.15mm。

以上技术方案中优选的，所述加热部件为加热棒或加热条，所述温度传感部件为热电偶；所述圆柱形模体的盲孔内分别设有所述加热棒和所述热电偶；所述凹模底座的外壁上和所述压边模的外壁上均环绕所述加热条，且两者侧壁的盲孔内均设有所述热电偶。

以上技术方案中优选的，所述温控装置为温控仪，所述加热棒、加热条以及热电偶均通过电缆与所述温控仪连接。

以上技术方案中优选的，所述压边力控制装置为螺栓以及与所述螺栓相匹配的螺母。

以上技术方案中优选的，所述压边力控制装置所采用的压边预紧力计算公式如下：

$F=\frac{M}{KD},$

其中K为预紧力系数；D为的螺纹公称直径，其单位为毫米；F为压边预紧力，其单位为千牛顿，其范围为10-100千牛顿内可调；M为力矩，其单位为牛×米。

为了达到更好的技术效果，所述凸模与所述中梁通过销钉固定在一起，且两者相接触的部位设有隔热部件。

以上技术方案中优选的，所述隔热部件为隔热垫片；所述保温隔热本体的材质为石棉。

以上技术方案中优选的，所述板材变形前后的参数为板料上网格圆的初始直径以及网格圆的长轴的长度和短轴的长度；

所述控制器内部设有如下应变力计算公式：

第一主应变力：第二主应变力：

其中，e₁为第一主应变力，e₂为第二主应变力，d₁为变形后所测量板材中临界网格圆的长轴长度，d₂为变形后所测量板材中临界网格圆的短轴长度，d₀为变形前所测量板材中网格圆的初始直径，其中d₁、d₂、d₀的单位均为毫米。

以上技术方案中优选的，所述凹模底座、压边模以及凸模的材质均为硬度不低于60HRC的热作模具钢。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明获取板材热成形极限图的测试装置包括万能试验机、模具、应变测量分析装置、加热控制装置和保温隔热装置，整体结构精简，占用空间小；加热控制装置和保温隔热装置的设计能实现对模具和板材进行精准的温度控制；通过带有力传感器的中梁带动模具中的凸模沿竖直方向上下运动来实现板材的冲压成形，通过压边力控制装置控制凹模底座和压边模，实现板材的压边，不会造成板材的破裂等，精确度高；通过应变测量分析装置的设计对板材变形前后的参数进行记录和计算。即本发明通过万能试验机、模具、应变测量分析装置、加热控制装置和保温隔热装置几大部分的组合，实现对板材压边过程和冲压成形过程进行精准的控制，从而克服现有技术中存在的误差大、板材成形结果不一等缺陷，准确获得板料热成形极限图。

(2)本发明中凸模、凹模底座、通孔的结构选择加工方便；加热部件采用加热棒或加热条，温度传感部件采用热电偶，温控装置采用温控仪，部件容易获得且精确度高；加热部件和温度传感部件在凸模、压边模以及凹模底座中的设置方式以及与温控仪通过电缆的方式进行连接，安装、拆卸以及检修方便，且控温效果好。

(3)本发明中压边力控制装置采用螺栓以及与其相匹配的螺母，部件容易获得，且压边时力度控制精准；其采用特定的计算公式进行计算，结果一致性高。

(4)本发明中凸模与中梁通过销钉固定在一起，安装拆卸方便，且稳定性好；凸模与中梁相接触的部位设有隔热部件，隔热部件采用隔热垫片，部件容易获得且隔热效果好，能很好地防止因凸模过热而烧坏万能试验机自带的力传感器，延长装置的使用寿命。

(5)本发明中板材变形前后的参数为板料上网格圆的初始直径以及网格圆的长轴的长度和短轴的长度，通过控制器内部设有的应变力计算公式，能精确地自动计算出相应的应变力的大小，从而更为精准地获得板料热成形极限图。

(6)本发明中凹模底座、压边模以及凸模的材质均为硬度不低于60HRC的热作模具钢，使用寿命长。

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是本发明优选实施例1的获取板材热成形极限图的测试装置的整体结构示意图；

图2是图1中局部剖视放大图；

图3是采用实施例1的测试装置所获取的一组板材成形极限图；

其中，1、万能试验机，1.1、工作台面，1.2、中梁，1.3、力传感器，2、模具，2.1、凹模底座，2.11、容纳腔，2.2、压边模，2.21、通孔，2.3、凸模，2.31、圆柱形模体，2.32、圆柱形长轴，3、应变测量分析装置，3.1、控制器，3.2、金属腐蚀打标装置，3.3、CCD图像传感器，4、加热控制装置，4.1、温控装置，4.2、加热部件，4.3、温度传感部件，5、保温隔热装置，5.1、保温隔热本体，5.11、U形结构腔体，5.2、隔热板，6、压边力控制装置，6.1、螺栓，6.2、螺母，7、隔热部件，8、板材。

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，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1至图2，一种获取板材热成形极限图的测试装置，包括万能试验机1、模具2、应变测量分析装置3、加热控制装置4以及保温隔热装置5。

所述万能试验机1包括水平设置的工作台面1.1、水平设置于所述工作台面1.1正上方且能沿竖直方向上下运动的中梁1.2以及连接在所述中梁1.2下方的力传感器1.3。

所述加热控制装置4包括温控装置4.1以及分别与所述温控装置4.1连接的加热部件4.2和温度传感部件4.3，所述加热部件4.2采用加热棒或加热条，所述温度传感部件4.3采用热电偶，所述温控装置4.1采用温控仪，所述加热棒、加热条以及热电偶均通过电缆与所述温控仪连接。

所述模具2包括设置在所述工作台面1.1上的凹模底座2.1、位于所述凹模底座2.1的正上方的压边模2.2以及上端通过销钉与所述中梁1.2连接且沿竖直方向设置的凸模2.3(所述凸模2.3与所述中梁1.2相接触的部位设有隔热部件7，所述隔热部件7采用隔热垫片，隔热垫片能很好地防止因凸模过热而烧坏万能试验机自带的力传感器，延长装置的使用寿命)，所述凹模底座2.1上设有上端具有开口的容纳腔2.11，所述压边模2.2上设有与所述容纳腔2.11的开口处相对应设置的通孔2.21，凸模2.3的尺寸以其下端能在所述容纳腔2.11和所述通孔2.21中上下自由活动为准，且所述凸模2.3由下至上包括圆柱形模体2.31和圆柱形长轴2.32。所述凹模底座2.1的整体外形结构为工字形结构。所述凹模底座2.1、压边模2.2以及凸模2.3三者的中心轴线偏差不大于0.15mm，且三者的材质均为硬度不低于60HRC的热作模具钢。所述凸模2.3的下端面为平面。所述圆柱形模体2.31的盲孔内分别设有所述加热棒和所述热电偶；所述凹模底座2.1的外壁上和所述压边模2.2的外壁上均环绕所述加热条，且两者侧壁的盲孔内均设有所述热电偶。防止试验过程中板材开裂，所述凹模底座2.1与压边模2.2相接触的一侧设有凹槽，凹槽内安装有拉延筋。

所述凹模底座2.1与所述压边模2.2之间通过压边力控制装置6进行装配形成用于夹持板材8的板材夹持部位，所述压边力控制装置6采用螺栓6.1以及与所述螺栓6.1相匹配的螺母6.2，通过力矩扳手操作来控制的压边力。所述压边力控制装置6所采用的压边预紧力计算公式如下：

$F=\frac{M}{KD},$

其中K为预紧力系数；D为的螺纹公称直径，其单位为毫米；F为压边预紧力，其单位为千牛顿，其范围为10-100千牛顿内可调；M为力矩，其单位为牛×米。

所述保温隔热装置5包括具有一开口向上的U形结构腔体5.11且材质为石棉的保温隔热本体5.1以及设置在所述U形结构腔体5.11的开口处且与其尺寸相匹配的水平设置的隔热板5.2，所述隔热板5.2与所述凸模2.2的装配方式为：所述凸模2.2的中部设有环形的凹槽，所述隔热板5.2上具有竖直设置圆柱形通孔，所述圆柱形通孔镶嵌在所述凹槽处实现隔热板和凸模之间的密封，所述凹模底座2.1、压边模2.2、凸模2.3的下端、加热部件4.2以及温度传感部件4.3均设在U形结构腔体5.11内。上述通孔2.21为一沿竖直方向设置的圆柱形通孔。

所述应变测量分析装置3包括控制器3.1、用于将板材8进行打标的金属腐蚀打标装置3.2以及设置在所述容纳腔2.11内且与所述控制器3.1连接的CCD图像传感器3.3，所述CCD图像传感器3.3上设置有耐高温的保护膜。

所述板材8变形前后的参数为板料上网格圆的初始直径以及网格圆的长轴的长度和短轴的长度；

所述控制器3.1内部设有如下应变力计算公式：

第一主应变：第二主应变力：

其中，e₁为第一主应变力，e₂为第二主应变力，d₁为变形后所测量板材中临界网格圆的长轴长度，d₂为变形后所测量板材中临界网格圆的短轴长度，d₀为变形前所测量板材中网格圆的初始直径，其中d₁、d₂、d₀的单位均为毫米。

使用本发明装置获取板材热成形极限图的方法具体包括以下步骤：

第一步：对板材8的单面采用化学腐蚀法进行网格印制，用金属腐蚀打标装置3.2印制圆网格，将板材8放在凹模底座2.1和压边模2.2之间的板材夹持部位处，通过压边力控制装置6连接压牢板材，压边预紧力在10-100kN之间可调；

第二步：将模具2固定在万能试验机1的工作台面1.1上，通过加热控制装置4将模具2和板材加热到预定温度并保持不变，预定温度在25-500℃之间，保温5-10min；

第三步：然后以指定凸模速率开始实验，凸模速率在0.1-500mm/min之间可调，实时采集凸模载荷，当载荷下降至控制载荷时停止实验(具体是：通过万能试验机1的中梁1.2带动凸模2.3沿竖直方向运动，通过力传感器1.3进行检测中梁1.2的载荷而间接检测凸模的载荷)；

第四步：重复第三步的过程，通过应变测量分析装置3实时采集板材的不同变形数据，计算板材变形后的第一主应变和第二主应变，最后将相应结果进行拟合而获取金属热成形极限图，具体拟合方式为：以第二主应变为横坐标，第一主应变为纵坐标，建立表面应变坐标系；将网格极限应变值投影于建立的表面应变坐标系中，将他们连接成适当的曲线即可获得成形极限图。

上述试验通过使用不同宽度的板材，从而得到不同的应变路径。基于GB/T15825.4-2008，板材的长度选为180mm，宽度分别选为20、40、60、80、100、120、140、160、180mm共9种宽度，对于成形极限图中单向拉伸应变状态到平面应变状态，再到等双拉应变状态的范围。为了防止窄边矩形板材在设有拉深筋的地方开裂，建议采用中部稍窄、两端稍宽的阶梯形状的板材。对于宽度90-180mm的板材，为了防止从圆角处断裂，通常在板材与凸模之间加一层塑性较好的材料作为垫片，垫片中间进行开孔，孔的直径约为30-40mm。

采用上述获取板材热成形极限图的测试装置对西南铝业有限公司提供的厚度为1.5mm的6061-T6铝合金板材进行试验，板材具有中等强度、良好的抗腐蚀性、韧性高等特点。用电化学腐蚀打标装置印制圆形网格，圆形网格的直径为2.5mm，试验过程中凸模的速度为3mm/min，通过力矩扳手控制压边力为50KN。根据上述实验条件分别进行了25℃、200℃、300℃成形温度下的成形极限试验，试验结果详见图3，本试验通过控制凸模的速率和压边力的大小，在改变板材的温度的情况下能够获得精准的成形极限图。通过相同的原理，在确定凸模的速率、压边力以及板材的温度中的任意两个参数，改变剩余一个参数，均可获得板材的不同成形极限图，实用性强。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种获取板材热成形极限图的测试装置，其特征在于，包括万能试验机(1)、设置在所述万能试验机(1)上且用于对板材进行压边和冲压成形的模具(2)、对板材变形前后的参数进行记录和计算的应变测量分析装置(3)以及对所述模具(2)和板材进行温度控制的加热控制装置(4)和保温隔热装置(5)；

所述万能试验机(1)包括水平设置的工作台面(1.1)、水平设置于所述工作台面(1.1)正上方且能沿竖直方向上下运动的中梁(1.2)以及连接在所述中梁(1.2)下方的力传感器(1.3)；

所述加热控制装置(4)包括温控装置(4.1)以及分别与所述温控装置(4.1)连接的加热部件(4.2)和温度传感部件(4.3)；

所述模具(2)包括设置在所述工作台面(1.1)上且带有上端具有开口的容纳腔(2.11)的凹模底座(2.1)、位于所述凹模底座(2.1)的正上方且带有与所述容纳腔(2.11)的开口处相对应设置的通孔(2.21)的压边模(2.2)以及上端与所述中梁(1.2)连接且其下端能在所述容纳腔(2.11)和所述通孔(2.21)中上下自由活动的凸模(2.3)，所述凹模底座(2.1)与所述压边模(2.2)之间通过压边力控制装置(6)进行装配形成用于夹持板材的板材夹持部位；所述凸模(2.3)沿竖直方向设置且其下端面为平面；所述凹模底座(2.1)、压边模(2.2)以及凸模(2.3)上均设有所述加热部件(4.2)和所述温度传感部件(4.3)；

所述保温隔热装置(5)包括具有一开口向上的U形结构腔体(5.11)的保温隔热本体(5.1)以及设置在所述U形结构腔体(5.11)的开口处且与其尺寸相匹配的水平设置的隔热板(5.2)，所述凹模底座(2.1)、压边模(2.2)、凸模(2.3)的下端、加热部件(4.2)以及温度传感部件(4.3)均设在U形结构腔体(5.11)内；

所述应变测量分析装置(3)包括控制器(3.1)、用于将板材进行打标的金属腐蚀打标装置(3.2)以及设置在所述容纳腔(2.11)内且与所述控制器(3.1)连接的CCD图像传感器(3.3)。

2.根据权利要求1所述的获取板材热成形极限图的测试装置，其特征在于，所述凸模(2.3)由下至上包括圆柱形模体(2.31)和圆柱形长轴(2.32)，所述通孔(2.21)为一沿竖直方向设置的圆柱形通孔，所述凹模底座(2.1)、压边模(2.2)以及凸模(2.3)三者的中心轴线偏差不大于0.15mm。

3.根据权利要求2所述的获取板材热成形极限图的测试装置，其特征在于，所述加热部件(4.2)为加热棒或加热条，所述温度传感部件(4.3)为热电偶；所述圆柱形模体(2.31)的盲孔内分别设有所述加热棒和所述热电偶；所述凹模底座(2.1)的外壁上和所述压边模(2.2)的外壁上均环绕所述加热条，且两者侧壁的盲孔内均设有所述热电偶。

4.根据权利要求3所述的获取板材热成形极限图的测试装置，其特征在于，所述温控装置(4.1)为温控仪，所述加热棒、加热条以及热电偶均通过电缆与所述温控仪连接。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的获取板材热成形极限图的测试装置，其特征在于，所述压边力控制装置(6)为螺栓(6.1)以及与所述螺栓(6.1)相匹配的螺母(6.2)。

6.根据权利要求5所述的获取板材热成形极限图的测试装置，其特征在于，所述压边力控制装置(6)所采用的压边预紧力计算公式如下：

$F=\frac{M}{KD},$

其中K为预紧力系数；D为螺纹公称直径，其单位为毫米；F为压边预紧力，其单位为千牛顿，其范围为10-100千牛顿内可调；M为力矩，其单位为牛×米。

7.根据权利要求5所述的获取板材热成形极限图的测试装置，其特征在于，所述凸模(2.3)与所述中梁(1.2)通过销钉固定在一起，且两者相接触的部位设有隔热部件(7)。

8.根据权利要求7所述的获取板材热成形极限图的测试装置，其特征在于，所述隔热部件(7)为隔热垫片；所述保温隔热本体(5.1)的材质为石棉。

9.根据权利要求5所述的获取板材热成形极限图的测试装置，其特征在于，所述板材变形前后的参数为板料上网格圆的初始直径以及网格圆的长轴的长度和短轴的长度；

所述控制器(3.1)内部设有如下应变力计算公式：

第一主应变力：第二主应变力：

其中，ε₁为第一主应变力，ε₂为第二主应变力，d₁为变形后所测量板材中临界网格圆的长轴长度，d₂为变形后所测量板材中临界网格圆的短轴长度，d₀为变形前所测量板材中网格圆的初始直径，其中d₁、d₂、d₀的单位均为毫米。

10.根据权利要求5所述的获取板材热成形极限图的测试装置，其特征在于，所述凹模底座(2.1)、压边模(2.2)以及凸模(2.3)的材质均为硬度不低于60HRC的热作模具钢。