CN107941609A - 一种建立薄壁管材成形极限图的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种建立薄壁管材成形极限图的方法和装置，本方法是在目标管材表面开设对称的孔，在内层承压管材内部液压的作用下同时发生胀形，通过改变孔的形状、大小和位置，可以获得目标管材从单向拉伸到双向等拉范围内所有应力状态下的成形极限；在内层承压管材内部液压的作用下，目标管材和内层承压管材同步发生膨胀，两管材之间的摩擦作用较小，目标管材不会因为摩擦的影响而导致结果失准；本测试方法相比在轴向施加压力或拉力的方法较为简单，不需要内压与轴向力的闭环伺服控制，只要合理设计孔的形状、大小和位置，并选择合适的内层承压管材作为支撑即可实现。
Description
技术领域
本发明涉及管材液压成形领域，尤其涉及一种建立薄壁管材成形极限图的方法和装置。
背景技术
板料的成形极限表示在不发生塑性失稳前可以达到的最大变形量，板料主要的失稳模式有颈缩、断裂和起皱等。多年来，成形极限图（Forming Limit Diagram，FLD）被广泛用来描述板料的成形性，目前有几种不同的实验方法来建立平面板材的成形极限图。通过对板材进行单向拉伸，可以研究拉-压应变区域（FLD的左侧）的成形极限，当拉伸试样的宽度较宽时，可能实现平面应变状态的变形，所以单向拉伸仅仅适用于FLD左侧区域成形极限的测量。拉-拉应变区域（FLD的右侧）的成形极限可以通过两种方式获得：第一，利用圆形模具液压胀形得到双向等拉应力状态下的成形极限，平面应变到双向等拉范围内的成形极限通过改变钢模拉伸中的试样形状获得；第二，同样利用圆形模具液压胀形得到双向等拉应力状态下的成形极限，但平面应变到双向等拉范围内的成形极限通过在椭圆形模具上进行液压胀形的方法来实现，通过改变椭圆模口的长短轴比例，可以实现拉-拉区域不同的应变状态。国际IDDRG工作组已经根据Nakazima和Marciniak测试方法制定了板材成形极限图的标准建立方法（ISO 12004）。
薄壁管材主要有两种形式：一种是将板材进行卷曲，然后焊接成管材，对于此类管材，可以利用原始板材根据上述方法建立其成形极限图来近似代替卷焊后管材的成形极限；另外一种是通过轧制、挤压或拉拔的无缝管材，这种管材由于其特殊的结构而无法使用上述方法来建立其成形极限图。目前在管材成形领域建立管材成形极限图的方法主要有两种。一种是通过改变管材胀形区长度来获得不同的应力状态，但是这种方法只能建立FLD的右侧，管材从变形开始到结束都是从平面应变的方式逐渐向双向拉应力的方式进行转变，而对于一些塑性较低的管材，应变路径偏离平面应变状态非常小时就已经发生破裂，且单向拉应力状态需要通过轴向试样的单向拉伸进行获得，实际上应该通过环向试样的单向拉伸来获取。第二种方法是在管材内部施加液压的同时在管材的两端施加轴向压力或拉力，然而这样的实验装置实现起来较为困难，尤其是对于轴向拉力的情况，实验装置非常复杂。此外轴向的载荷只能通过位移来体现，很难通过力进行控制。所以，到目前为止，管材成形极限图的实验测量还很不完善，还没有一种简单有效的方法得到单拉到双向等拉范围内所有应变路径下管材的成形极限。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种建立薄壁管材成形极限图的方法和装置。
本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种建立薄壁管材成形极限图的方法，包括：在目标管材表面绘制网格，在指定位置按预设进行切孔，同时在目标管材内部装载内层承压管材；其中，内层承压管材的外径等于目标管材的内径，长度等于目标管材的长度；将目标管材和内层承压管材两端通过封闭物固定封闭，并在其中一端的封闭物上设置一连通内层承压管材内部的通道；通过通道向内层承压管材内部注入高压介质，同时向两端的封闭物施加轴向压力，使内层承压管材带动目标管材同步膨胀变形，直至目标管材破裂失稳；对目标管材破裂裂口附近区域进行极限应变的测量，得到目标管材在一种应力状态下的成形极限应变；多次改变目标管材上的切孔位置及孔的大小形状，重复前述步骤，得到目标管材在不同应力状态下的成形极限应变，并在以环向应变和轴向应变为坐标的坐标系中形成成形极限图。
本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种建立管材成形极限图的装置，包括：模具，用于固定目标管材和内层承压管材组成的组合管材；封闭机构，用于封闭组合管材两端，并提供通向组合管材内部的通道；注射机构，用于通过通道向组合管材内部注入高压介质；以及，处理机构，用于在目标管材因液压作用发生破裂失稳时，分析处理得到目标管材在不同应力状态下的成形极限应变，并在以环向应变和轴向应变为坐标的坐标系中形成成形极限图。
区别于现有技术，本发明的建立薄壁管材成形极限图的方法和装置是目标管材表面开设对称的孔，通过改变孔的形状、大小和位置，可以获得管材从单向拉伸到双向等拉范围内所有应力状态下的成形极限；在内层承压管材内部液压的作用下，目标管材和内层承压管材同步发生膨胀，两管材之间的摩擦作用较小，目标管材不会因为摩擦的影响而导致结果失准；测试方法相比在轴向施加压力或拉力的方法较为简单，不需要内压与轴向力的闭环伺服控制，只要合理设计孔的形状、大小和位置，并选择合适的内层承压管材作为支撑即可实现。
附图说明
图1是本发明提供的一种建立薄壁管材成形极限图的方法的流程示意图；
图2是本发明提供的一种建立薄壁管材成形极限图的装置的第一实施方式的结构示意图；
图3是本发明提供的一种建立薄壁管材成形极限图的装置的另一实施方式中目标管材随内层承压管材胀形后的示意图；
图4是本发明提供的一种建立薄壁管材成形极限图的装置的第一实施方式中目标管材随内层承压管材胀形后的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
参阅图1，图1是本发明提供的一种建立薄壁管材成形极限图的方法的流程示意图。该方法的步骤包括：
S110：在目标管材表面绘制网格，在指定位置按预设进行切孔，同时在目标管材内部装载内层承压管材。
在需要测量的薄壁目标管材的指定区域根据预先设定的形状进行切孔。如在目标管材的中心区域进行切孔，切孔开设在以目标管材中心点为对称点的两侧，形状和大小保持一致，在目标管材上印制圆形或方形网格，然后将内层承压管材装入目标管材内部，内层承压管材的外径与目标管材的内径保持相等，且必须要保证可以刚好顺利将内层承压管材放入目标管材内部。
内层承压管材与外层的目标管材的材料或壁厚可以相同或不同，但是必须要保证内层承压管材的破裂失稳晚于外层的目标管材，可以同时发生破裂或目标管材破裂时内层承压管材未破裂。其中，目标管材的材料为通过挤压、拉拔获得的无缝管材。如背景技术中，此类管材无法通过传统建立板材成形极限图的方法来测试其成形极限。具体的，目标管材的材料为铝、铝合金、镁、镁合金、铜及铜合金中的一种。
S120：将目标管材和内层承压管材两端通过封闭物固定封闭，并在其中一端的封闭物上设置一连通内层承压管材内部的通道。
将目标管材和内层承压管材装配完成后，两端通过封闭物进行固定封闭。在本发明中，两侧的封闭物为两个冲头，如图2所示。通过向冲头施加相向的轴向压力，实现将目标管材和内层承压管材两端固定封闭。两个冲头其中之一者设置连通内层承压管材内部的通道。在其他实施方式中，也可采用如图3所示的固定封闭方式。在图3中，内层承压管材内部设置一芯棒。芯棒呈哑铃状，两端部分的直径等于内层承压管材的内径，中间部分的直径小于内层承压管材的内径，从而和内层承压管材内壁之间产生间隙。在芯棒内设置通道，通道入口设置于哑铃状芯棒两侧中的任意一端，通道向芯棒内部延伸，出口设置于芯棒中部，通过通道将芯棒与内层承压管材内壁之间的空隙与外界连通。同时，在芯棒两端与内层承压管材接触的位置分别设置O型密封圈，以保证封闭性。进一步，通过在目标管材两端设置涨紧圈，以实现目标管材两端的固定封闭。相较于使用冲头进行固定的技术方案，目标管材和内层承压管材两端的固定封闭通过涨紧圈来夹紧实现，可以避免通过冲头施加轴向压力的技术方案中，扩口密封过程中易造成管材轴向起皱失稳的问题。
S130：通过通道向内层承压管材内部注入高压介质，同时向两端的封闭物施加轴向压力，使内层承压管材带动目标管材同步膨胀变形，直至目标管材破裂失稳。
通过通道向内层承压管材注入高压介质，如液体水等。随着高压介质的不断注入，内层承压管材内部压力也不断增大，使内层承压管材在内部压力的作用下逐渐发生胀形，外层的目标管材在内层承压管材的带动下同时发生胀形。由于外层的目标管材与内层承压管材保持同步发生膨胀变形，外层目标管材和内层承压管材之间的摩擦作用较小，目标管材的变形受摩擦影响较小，通过继续注入高压介质以增加内层承压管材内部的压力，直至目标管材发生破裂失稳。
S140：对目标管材破裂裂口附近区域进行极限应变的测量，得到目标管材在一种应力状态下的成形极限应变，即环向与轴向极限应变。
由于在步骤S110中对目标管材进行切孔操作，目标管材发生破裂的裂口位置通常在切孔附近区域。对目标管材裂口附近区域利ASAME网格应变测试***进行极限应变的测量，即可得到当前应力状态所对应的目标管材的成形极限应变。
目标管材在变形过程中破裂点处的应变还可以在管材上预先制作闪斑图像，通过CCD相机进行实时采集，然后通过专用的三维数字散斑应变测量分析***，分析实验得到目标管材破裂点附近区域在变形过程中的应变路径，进一步计算当前应力状态下的成形极限应变。
S150：多次改变目标管材上的切孔位置以及孔的大小与形状，重复前述步骤，得到目标管材在不同应力状态下的成形极限应变，并在以环向应变和轴向应变为坐标的坐标系中形成成形极限图。
通过多次改变目标管材上的切孔位置，以及切孔的大小与形状，重复步骤S110-S140的操作，得到目标管材在不同应力状态下的成形极限应变。通过改变切孔的位置、大小与形状，可以得到从单向拉伸到双向等拉应力范围内的任意应力状态，从而可以得到任意应变路径下的成形极限，切孔的形状、位置和大小可以通过数值模拟手段来进行设计，由此也可以得到目标管材变形过程中的应变路径。对于目标管材上某一种形状、大小和位置的情况，通过改变其胀形区长度，可得到多种不同的应变路径。其中，通过改变孔的形状、大小和位置，可以改变目标管材在胀形过程中，孔之间区域所受到的应力状态，使目标管材破裂点处的应力状态从单向拉伸变化到双向等拉，且应变路径接近线性加载形式，孔开设在管材的两侧，保持对称，以使目标管材在胀形过程中保持平衡。
得到不同应力状态下目标管材的成形极限应变，将不同应力状态下的极限应变描绘在以环向应变和轴向应变为坐标的坐标系中，即可得到目标管材的成形极限图。一般而言，从单向拉伸到双向等拉范围内，进行五个实验点就足够。
区别于现有技术，本发明的建立薄壁管材成形极限图的方法是目标管材表面开设对称的孔，通过改变孔的形状、大小和位置，可以获得管材从单向拉伸到双向等拉范围内所有应力状态下的成形极限；在内层承压管材内部液压的作用下，目标管材和内层承压管材同步发生膨胀，两管材之间的摩擦作用较小，目标管材不会因为摩擦的影响而导致结果失准；测试方法相比在轴向施加压力或拉力的方法较为简单，不需要内压与轴向力的闭环伺服控制，只要合理设计孔的形状、大小和位置，并选择合适的内层承压管材作为支撑即可实现。
此外，本发明提供的一种建立薄壁管材成形极限图的装置。该装置200包括：
模具3，用于装载目标管材1和内层承压管材2组成的组合管材。
封闭机构，用于在目标管材1和内层承压管材2组成组合管材通过封闭物固定封闭后，向封闭物施加相向的轴向压力。在本发明的一种实施方式中，封闭物为设置于组合管材两端的冲头4和5，通过向冲头4和5施加方向相对的轴向压力，可实现对组合管材两端的固定封闭。同时在冲头4上设置一通道6，该通道6连通外界和内层承压管材2内部，如图2所示。图4是本实施方式中目标管材1随内层承压管材2胀形后的示意图。在另一实施方式中，封闭物为设置在内层承压管材2内部的芯棒7，芯棒7呈哑铃状，两端部分的直径等于内层承压管材2的内径，中间部分的直径小于内层承压管材2的内径，从而和内层承压管材2内壁之间产生间隙。在芯棒7内设置通道11，通道11入口设置于哑铃状芯棒7两侧中的任意一端，通道11向芯棒7内部延伸，出口设置于芯棒7中部，通过通道11将芯棒7与内层承压管材2内壁之间的空隙与外界连通。在芯棒7两端与内层承压管材2接触的位置分别设置O型密封圈10，以保证封闭性。同时，通过在目标管材1两端设置涨紧圈8和9，以实现目标管材1两端的固定封闭，如图3所示。如此可以避免左冲头4和右冲头5在扩口密封过程中易造成管材轴向起皱失稳的问题。
注射机构通过通道（6或11）向内层承压管材2内部或内层承压管材2与芯棒7之间的间隙注入高压介质，直至目标管材1发生破裂失稳。
处理机构15，用于在目标管材1因液压作用发生破裂失稳时，分析处理得到目标管材1在不同应力状态下的成形极限应变，并绘制以环向应变和轴向应变为坐标的坐标系中的成形极限图。
处理机构15通过对目标管材1破裂裂口附近区域利用ASAME网格应变测试***进行极限应变的测量，得到目标管材在对应的应力状态下的成形极限应变。目标管材1在变形过程中破裂点附近的应变还可以在管材上预先制作闪斑图像，通过CCD相机进行实时采集，然后通过专用的三维数字散斑应变测量分析***，分析实验得到目标管材破裂点附近区域在变形过程中的应变路径，进一步计算当前应力状态下的成形极限应变。
通过多次改变目标管材1上的切孔位置，以及切孔的大小与形状，得到目标管材1在不同应力状态下的成形极限应变。通过改变切孔的位置、大小与形状，可以得到从单向拉伸到双向等拉应力范围内的任意应力状态，从而可以得到任意应变路径下的成形极限。对于目标管材上某一种形状、大小和位置的情况，通过改变其胀形区长度，可得到多种不同的应变路径。如在图3所示的实施方式中，通过改变涨紧圈8和9在目标管材1上的涨紧位置，可改变涨形区的长度。
处理机构15通过无线方式接收CCD相机采集的图像进行处理，最终结合计算信息绘制目标管材的成形极限图。
得到不同应力状态下目标管材的成形极限应变，处理机构15将不同应力状态下的极限应变描绘在以环向应变和轴向应变为坐标的坐标系中，即可得到目标管材的成形极限图。一般而言，从单向拉伸到双向等拉范围内，进行五个实验点就足够。
区别于现有技术，本发明的建立薄壁管材成形极限图的装置是目标管材表面开设对称的孔，通过改变孔的形状、大小和位置，可以获得管材从单向拉伸到双向等拉范围内所有应力状态下的成形极限；在内层承压管材内部液压的作用下，目标管材和内层承压管材同步发生膨胀，两管材之间的摩擦作用较小，目标管材不会因为摩擦的影响而导致结果失准；测试方法相比在轴向施加压力或拉力的方法较为简单，不需要内压与轴向力的闭环伺服控制，只要合理设计孔的形状、大小和位置，并选择合适的内层承压管材作为支撑即可实现。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种建立薄壁管材成形极限图的方法，其特征在于，包括：
在目标管材表面绘制网格，在指定位置按预设进行切孔，同时在所述目标管材内部装载内层承压管材；其中，所述内层承压管材的外径等于所述目标管材的内径，长度等于所述目标管材的长度；
将所述目标管材和所述内层承压管材两端通过封闭物固定封闭，并在其中一端的封闭物上设置一连通所述内层承压管材内部的通道；
通过所述通道向所述内层承压管材内部注入高压介质，同时向两端的封闭物施加轴向压力，使所述内层承压管材带动所述目标管材同步膨胀变形，直至所述目标管材发生破裂失稳；
对所述目标管材破裂裂口附近区域进行极限应变的测量，得到所述目标管材在一种应力状态下的成形极限应变；
多次改变所述目标管材上的切孔位置以及孔的大小与形状，重复前述步骤，得到所述目标管材在不同应力状态下的成形极限应变，并在以环向应变和轴向应变为坐标的坐标系中形成成形极限图。
2.根据权利要求1的建立薄壁管材成形极限图的方法，其特征在于，在将所述目标管材和所述内层承压管材两端通过封闭物固定封闭的步骤中，所述封闭物为冲头，其中之一者设置高压介质的通道。
3.根据权利要求1的建立薄壁管材成形极限图的方法，其特征在于，在将所述目标管材和所述内层承压管材两端通过封闭物固定封闭的步骤中，在所述内层承压管材内部设置芯棒，所述芯棒呈哑铃状，两端部分的直径等于所述内层承压管材内径，中间部分的直径小于所述内层承压管材内径。
4.根据权利要求3的建立薄壁管材成形极限图的方法，其特征在于，所述芯棒两端和所述内层承压管材内壁接触的位置分别设置O型密封圈以实现液压的密封，所述目标管材两端设置涨紧圈，以对所述目标管材两端的固定封闭。
5.根据权利要求1的建立薄壁管材成形极限图的方法，其特征在于，所述目标管材的材料为通过挤压、拉拔获得的无缝管材；所述目标管材的材料为铝、铝合金、镁、镁合金、铜及铜合金中的一种。
6.根据权利要求1的建立薄壁管材成形极限图的方法，其特征在于，所述目标管材在变形过程中，破裂点所处区域的应变可以通过CCD相机进行实时采集，通过图像处理***进行实验处理得到所述目标管材破裂点所处区域在变形过程中的应变路径。
7.一种建立薄壁管材成形极限图的装置，其特征在于，包括：
模具，用于固定目标管材和内层承压管材组成的组合管材；
封闭机构，用于封闭所述组合管材两端，并提供通向所述组合管材内部的通道；
注射机构，用于通过所述通道向所述组合管材内部注入高压介质；以及，
处理机构，用于在所述目标管材因液压作用发生破裂失稳时，分析处理得到所述目标管材在不同应力状态下的成形极限应变，并在以环向应变和轴向应变为坐标的坐标系中形成成形极限图。
8.根据权利要求7所述的建立薄壁管材成形极限图的装置，其特征在于，所述封闭机构为设置于所述组合管材两端的冲头，通过向所述冲头施加相向的轴向压力以进行固定封闭。
9.根据权利要求7所述的建立薄壁管材成形极限图的装置，其特征在于，所述封闭机构为设置于所述组合管材内部的芯棒，所述芯棒呈哑铃状，两端部分的直径等于所述内层承压管材内径，中间部分的直径小于所述所述内层承压管材内径。
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