CN107971382A - 一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置及方法，解决现有试验模具功能单一、互换性差的问题。本发明可以通过改变压边圈与凹模座的安装位置，来改变装置的使用用途，用于刚性模胀形与液压胀形试验。可以根据刚性模胀形试验使用的半球头胀形凸模尺寸与不同的板材厚度，相应地更换内圈为不同凹模直径的凹模嵌块。可以根据液压胀形试验过程，改变板料变形应变路径的需要，更换内圈为不同凹模直径、或者不同椭圆率的凹模嵌块。从而可以进行不同厚度的板材刚性模胀形试验与变应变路径的液压胀形试验。同时，本发明具有试验模具装卸简单，增加了试验的灵活性和模具的互换性，降低了模具成本费用等优点。
Description
技术领域
本发明属于分析及测量控制技术领域，特别是涉及一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置及方法。
背景技术
确定材料性能是研究金属材料变形行为与成形缺陷控制的必要途径。其中，板材成形极限与材料流动应力是反映材料成形性能的关键性能参数。成形极限图是由金属薄板在不同应变状态下所能达到的极限应变值构成的图形，结合数值模拟技术，可用于预测板材成形过程缺陷的发生。对于试验获取的材料流动应力，可用于复杂加载路径下的弹、塑性变形过程的数值模拟，以及解决有关材料受力状态的工程技术问题。
在实验室条件下，通常可采用刚性凸模对金属薄板进行胀形的方法测定成形极限图。也可采用结合单拉试验与变椭圆率凹模的液压胀形试验方法测定成形极限图。刚性模胀形试验时，将一侧板面制有网格圆的试样置于凹模与压边圈之间，利用压边力压牢试样材料，试样中部在凸模的作用下产生变形并形成凸包，其表面上的网格圆发生变形，当凸包上某个局部产生颈缩或者破裂时停止试验，测量颈缩区或者破裂区附近的网格圆长轴与短轴尺寸，由此计算金属薄板表面的极限应变。改变试验用金属板材坯料尺寸形状，重复上述步骤，以测得不同状态下的极限应变。根据试验数值，绘制成形极限曲线，即可得到成形极限图。结合单拉试验与变椭圆率凹模的液压胀形试验的方法与刚性模胀形方法相类似。液压胀形后测量颈缩区或者破裂区附近网格圆，计算得到极限应变。根据单拉得到的极限应变，椭圆凹模液压胀形得到的极限应变绘制成形极限曲线，从而得到成形极限图。两者区别在于应变路径的改变方式与胀形方式的不同。刚性模胀形方法是通过改变板材形状与尺寸来改变应变路径。而液压胀形方法是通过改变椭圆凹模椭圆率来改变金属板材的应变路径。对于胀形方式，前者是通过刚性半球头凸模胀形，而后者是通过流体介质液压胀形。
针对当前在航空航天、汽车等领域应用较为广泛的板材充液成形工艺，液压胀形试验获得的材料流动性能比传统单向拉伸试验获得的材料性能更加符合充液成形实际情况。液压胀形最大的优点在于无摩擦，能充分展现材料性能。胀形试验过程中薄板双向受力，有别于单向拉伸试验的单向应力状态，且胀形试验没有颈缩现象，其破裂应变为单向拉伸的2倍左右。试验中通过记录液体压力和胀形高度以计算材料流动应力。
针对不同成形方法的工艺特征，选择与实际成形过程相类似的工艺条件下获取的材料性能参数可以更为准确地用于预测成形过程的材料变形情况以及缺陷的发生。刚性模胀形测得的材料成形极限，可用于传统刚性模拉深成形等工艺。结合单拉试验与椭圆凹模液压胀形测得的材料成形极限，可用于充液成形等液压辅助成形工艺。
现有的刚性模胀形模具与液压胀形模具功能单一，刚性模胀形模具仅仅局限于刚性模胀形试验，液压胀形模具仅仅局限于相关液压胀形试验。且刚性模胀形试验获取板材成形极限的过程，需要根据所测板材厚度来改变凸模与凹模之间的间隙。如果需要测量不同材料不同厚度板材的成形极限等材料性能，需要分别开发不同尺寸的试验模具。使得试验成本增大，试验模具使用不够便捷。
发明内容
为了解决上述试验模具存在的不足，本发明的目的在于提供一种灵活性好、模具互换性强、装卸简单的可用于刚性模胀形试验以及液压胀形试验，且可通过更换凹模嵌块来改变胀形试验凹模直径的组合模具。
一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置包括：液室、凹模座、凹模嵌块、压边圈、压边转接块、压边块、半球头胀形凸模、开槽锥端紧定螺钉、内六角圆柱头螺钉、O形橡胶密封圈。组合模具根据不同的试验用途，以不同的方式装配模具后，可以分别用于刚性模胀形以及液压胀形试验。
所述的装置用于刚性模胀形试验时，由液室、凹模座、凹模嵌块、开槽锥端紧定螺钉、压边圈、压边转接块、压边块、半球头胀形凸模、内六角圆柱头螺钉等装配而成。连接后由内六角圆柱头螺钉GB/T 70.1M16×50与压块将液室固定在压机工作台面上。由内六角圆柱头螺钉GB/T 70.1M12×30将凹模座与液室固定。采用间隙定位配合的方式，将内径为Φ102.1mm的凹模嵌块嵌入凹模座。通过开槽锥端紧定螺钉GB/T 71M10×40将凹模嵌块进行固定。通过内六角圆柱头螺钉GB/T 70.1M12×30将压边圈与压边转接块相固定。压边块与压机的压边缸螺纹杆端相连接。压边块再与压边转接块通过内六角圆柱头螺钉GB/T70.1M10×25相固定。半球头胀形凸模通过内六角圆柱头螺钉GB/T 70.1M12×45与压机固定。在压边圈、凹模座接触端设计加工导向槽，引导合模过程压边圈与凹模座的闭合。
所述的装置用于液压胀形试验时，由液室、凹模座、凹模嵌块、开槽锥端紧定螺钉、压边圈、压边转接块、压边块、O形橡胶密封圈、内六角圆柱头螺钉等装配而成。连接后由内六角圆柱头螺钉GB/T 70.1M16×50与压块将液室固定在压机工作台面上。由内六角圆柱头螺钉GB/T 70.1M12×30将压边圈与液室固定。压边圈与液室之间用O形橡胶密封圈进行密封。液压***管路与注油口相连接后，可向液室充液。采用间隙定位配合的方式，将胀形用的凹模嵌块嵌入凹模座。通过开槽锥端紧定螺钉GB/T 71M10×40将凹模嵌块进行固定。通过内六角圆柱头螺钉GB/T 70.1M12×30将凹模座与压边转接块相固定。压边块与压机的压边缸螺纹杆端相连接。压边块再与压边转接块通过内六角圆柱头螺钉GB/T 70.1M10×25相固定。
所述装置的凹模嵌块可以根据使用需要更换。凹模嵌块外径都为Φ130mm，凹模嵌块与凹模座加工的凹模嵌块安装盲孔相配合。刚性模胀形时，可以根据半球头凸模直径、板材厚度、凸凹模间隙，设计相应的凹模嵌块内径(即凹模直径)。在进行不同厚度板材的刚性模胀形试验时，只需更换相应的凹模嵌块。液压胀形时，同样可以根据使用需要，设计不同的凹模嵌块内径大小，进行液压胀形试验。同时，凹模嵌块内圈可以设计成不同椭圆率的椭圆形状，以此来改变液压胀形过程的板料变形应变路径。试验过程可以更换不同的凹模嵌块，从而测量不同应变路径下的板料液压胀形极限应变。
一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置的刚性模胀形试验使用方法，具体包括如下步骤：
步骤1、按照刚性模胀形试验的模具安装方式装配完成后，控制液压机，将压边圈与凸模上行到安全工作高度。将刚性模胀形试验试样定位摆放到合适位置，且使试样制有应变分析网格的板面贴靠凹模座与凹模嵌块。
步骤2、设定压边力、凸模速度、控制载荷等液压机试验参数。
步骤3、控制压边圈下行，与凹模座合模，压紧试样，防止胀形过程板料向里流动。
步骤4、以设置的凸模速度控制凸模下行，将试样进行刚性模胀形。试样颈缩破裂后，载荷下降过程随即停止凸模下行。
步骤5、控制压边圈与凸模上行至安全高度，取出试样，对试样颈缩区附近的网格进行应变测量。
步骤6、重复上述步骤进行其他试样的刚性模胀形试验。
一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置的液压胀形试验使用方法，具体包括如下步骤：
步骤1、按照液压胀形试验的模具安装方式装配好后，设置液压机相关工艺参数，设定液压胀形液室压力、压边力。
步骤2、操作液压机工作台，使增压缸回程，同时往液室补液，直到液体到达压边圈上端面为止。
步骤3、将胀形板料定位，放于压边圈上端面。且使板料制有应变分析网格的板面贴靠凹模座与凹模嵌块。
步骤4、控制压边缸下行，使凹模座下行与压边圈合模。以设定的压边力压紧试样，防止液压胀形过程板料向里流动。
步骤5、以设定的液室压力进行充液胀形。根据液室压力实时监测的数值，当胀形压力开始衰减后，停止充液。
步骤6、控制增压缸退回，以及控制液室回油。
步骤7、控制压边缸退回，凹模座上行到安全高度。
步骤8、取出液压胀形试样，根据试验需要进行相关测量。
步骤9、如不需更换凹模嵌块，则准备另一板料，重复上述步骤，进行液压胀形。如需改变板料变形应变路径，则更换不同椭圆率的凹模嵌块。由紧定螺钉锁紧凹模嵌块后，准备板料，重复上述步骤，进行液压胀形。
本发明的优点与积极效果在于：
(1)该板材刚性模胀形与液压胀形试验组合模具，可以通过改变压边圈与凹模座的安装位置，来改变组合模具的使用方式，用于刚性模胀形与液压胀形试验，从而丰富了模具的使用功能。
(2)可以根据刚性模胀形试验使用的半球头刚性模胀形凸模尺寸与不同厚度的板料，相应地更换内圈为不同凹模直径的凹模嵌块。或者根据液压胀形试验改变板料变形应变路径的需要，更换内圈为不同凹模直径、或者不同椭圆率的凹模嵌块。从而可以进行不同厚度板料的刚性模胀形试验与变应变路径的液压胀形试验。
(3)试验模具装卸简单。增加了试验的灵活性和模具的互换性，降低了模具成本费用。
附图说明
图1为本发明的一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置的刚性模胀形模具装配示意图；
图2为本发明的一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置的液压胀形模具装配示意图；
图3为本发明的一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置的压边转接块与压边块结构示意图；
图4为本发明的一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置的凹模嵌块示意图；
图5为本发明的一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置的刚性模胀形模具与液压胀形模具装配示意图。
图中：
1－液室；2－内六角圆柱头螺钉；3－凹模座；4－凹模嵌块；5－压边圈；6－压边转接块；7－半球头胀形凸模；8－压边块；9－开槽锥端紧定螺钉；10－O形橡胶密封圈；11－内六角螺钉。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1、图2和图5，本发明的一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置包括：液室1，内六角圆柱头螺钉2，凹模座3，凹模嵌块4，压边圈5，压边转接块6，半球头胀形凸模7，压边块8，开槽锥端紧定螺钉9，O形橡胶密封圈10，内六角螺钉11。组合模具根据不同的试验用途，以不同的方式装配模具后，可以分别用于刚性模胀形试验(图1所示)以及液压胀形试验(图2所示)。
如图1，所述的组合模具用于刚性模胀形试验时，由液室1，凹模座3，凹模嵌块4，开槽锥端紧定螺钉9，压边圈5，压边转接块6，压边块8，半球头胀形凸模7，内六角圆柱头螺钉2等装配而成。连接后由内六角圆柱头螺钉GB/T 70.1M16×50与压块将液室固定在压机工作台面上。由内六角圆柱头螺钉2将凹模座3与液室1固定。以径向采用间隙定位配合、轴向利用凹模座3中心轴盲孔底面定位的方式，将内径为Φ102.1mm的凹模嵌块4嵌入凹模座3。通过开槽锥端紧定螺钉9将凹模嵌块4进行固定。凹模嵌块4内径小于凹模座3中心轴通孔直径，因此通过向凹模嵌块4内径边缘到凹模座3通孔之间的凹模嵌块底面施加力，可以方便地将凹模嵌块4取出。通过内六角圆柱头螺钉2将压边圈5与压边转接块6相固定。压边块8中心轴螺纹孔与压机的压边缸杆端螺纹相连接。如图3，压边块8再与压边转接块6通过内六角圆柱头螺钉11相固定。从而，压边缸的上下往复运动带动压边圈5上下运动。半球头胀形凸模7通过内六角圆柱头螺钉GB/T 70.1M12×45与压机主缸轴端固定。在压边圈5、凹模座3的接触端设计、加工导向槽，引导合模过程压边圈5与凹模座3的闭合。
如图2，所述的组合模具用于液压胀形试验时，由液室1，凹模座3，凹模嵌块4，开槽锥端紧定螺钉9，压边圈5，压边转接块6，压边块8，O形橡胶密封圈10，内六角圆柱头螺钉2等装配而成。连接后由内六角圆柱头螺钉GB/T 70.1M16×50与压块将液室固定在压机工作台面上。由内六角圆柱头螺钉2将压边圈5与液室1固定。压边圈5与液室1之间用O形橡胶密封圈10进行密封。液压***管路与液室1左端处的注油口相连接后，可向液室充液。以径向采用间隙定位配合的方式，轴向利用凹模座3中心轴盲孔底面定位的方式，将胀形用的凹模嵌块4嵌入凹模座3。通过开槽锥端紧定螺钉9将凹模嵌块4进行固定。通过内六角圆柱头螺钉2将凹模座3与压边转接块6相固定。压边块8中心轴螺纹孔与压机的压边缸杆端螺纹相连接。压边块8再与压边转接块6通过内六角圆柱头螺钉GB/T 70.1M10×25相固定。从而，压边缸上下往复运动带动凹模座3上下运动。
所述组合模具的凹模嵌块4可以根据使用需要更换。凹模嵌块4外径都为Φ130mm，凹模嵌块4与凹模座3加工的凹模嵌块安装盲孔相配合。刚性模胀形时，可以根据半球头胀形凸模7的直径、板材厚度、凸凹模间隙，设计相应的凹模嵌块4的内径(即凹模直径)。在进行不同厚度板材的刚性模胀形试验时，只需根据板材厚度，更换相应的凹模嵌块4。液压胀形时，同样可以根据使用需要，设计不同的凹模嵌块4的内径大小，进行液压胀形试验。同时，凹模嵌块4的内圈可以设计成不同椭圆率的椭圆形状，以此来改变液压胀形过程的板料变形应变路径。试验过程可以更换不同的凹模嵌块4，从而测量不同应变路径下的板料液压胀形极限应变。
一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置的刚性模胀形试验使用方法，具体包括如下步骤：
步骤1、按照如图1所示的刚性模胀形试验的模具安装方式装配完成后，控制液压机，将压边圈5与半球头胀形凸模7上行到安全工作高度。将刚性模胀形试验试样定位摆放到合适位置，且使试样制有应变分析网格的板面贴靠凹模座3与凹模嵌块4。
步骤2、设定压边力、凸模速度、控制载荷等液压机试验参数。
步骤3、控制压边圈5下行，与凹模座3合模，压紧试样，防止胀形过程板料向里流动。
步骤4、以设置的凸模速度控制半球头胀形凸模7下行，将试样进行刚性模胀形。试样颈缩破裂后，载荷下降过程随即停止半球头胀形凸模7下行。
步骤5、控制压边圈5与凸模7上行至安全高度，取出试样，对试样颈缩区附近的网格进行应变测量。
步骤6、如进行不同厚度的板材刚性模胀形试验，需要改变凹模直径，则松开开槽锥端紧定螺钉9，将原凹模嵌块4取出，更换相应的凹模嵌块4，拧紧开槽锥端紧定螺钉9进行固定，并重复上述步骤进行其他试样的刚性模胀形试验。如进行同一厚度板材刚性模胀形试验，则重复上述步骤进行其他试样的刚性模胀形试验。
一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置的液压胀形试验使用方法，具体包括如下步骤：
步骤1、按照如图2所示的液压胀形试验的模具安装方式装配好后，设置液压机相关工艺参数，设定液压胀形液室压力、压边力。
步骤2、控制液压机工作台，使增压缸回程，同时往液室1补液，直到液体到达压边圈5上端面为止。
步骤3、将胀形板料定位，放于压边圈5上端面。且使板料制有应变分析网格的板面贴靠凹模座3与凹模嵌块4。
步骤4、控制压边缸下行，使凹模座3下行与压边圈5合模。以设定的压边力压紧试样，防止液压胀形过程板料向里流动。
步骤5、以设定的液室压力进行充液胀形。根据液室压力实时监测的数值，当胀形压力开始衰减后，停止充液。
步骤6、控制增压缸退回，以及控制液室回油。
步骤7、控制压边缸退回，凹模座3上行到安全高度。
步骤8、取出液压胀形试样，根据试验需要进行相关测量。
步骤9、如不需更换凹模嵌块4，则准备另一板料，重复上述步骤，进行液压胀形。如需改变板料变形应变路径，则更换不同椭圆率的凹模嵌块4。由紧定螺钉9锁紧凹模嵌块4后，准备板料，重复上述步骤，进行液压胀形。
Claims (4)
1.一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置及方法，其特征在于，所述的装置包括：液室(1)，内六角圆柱头螺钉(2)，凹模座(3)，凹模嵌块(4)，压边圈(5)，压边转接块(6)，半球头胀形凸模(7)，压边块(8)，开槽锥端紧定螺钉(9)，O形橡胶密封圈(10)，内六角螺钉(11)；
所述的装置用于刚性模胀形试验时，连接后由六个内六角圆柱头螺钉(2)将凹模座(3)与液室(1)固定；通过六个内六角圆柱头螺钉(2)将压边圈(5)与压边转接块(6)相固定；半球头胀形凸模(7)通过内六角圆柱头螺钉与压机主缸轴端固定；用于液压胀形试验时，由六个内六角圆柱头螺钉(2)将压边圈(5)与液室(1)固定；压边圈(5)与液室(1)之间用O形橡胶密封圈(10)进行密封；液压***管路与液室(1)左端处的注油口相连接后，可向液室充液；注油口与液室(1)内腔接触的通道最低位置略低于液室(1)的内腔底面；通过六个内六角圆柱头螺钉(2)将凹模座(3)与压边转接块(6)相固定；在压边圈(5)、凹模座(3)接触端设计、加工有导向槽；压边圈(5)、凹模座(3)与液室(1)、压边转接块(6)连接的端面结构形状尺寸相同；以径向采用间隙定位配合、轴向利用凹模座(3)中心轴盲孔底面定位的方式，将凹模嵌块(4)嵌入凹模座(3)；通过开槽锥端紧定螺钉(9)将凹模嵌块(4)进行固定；凹模嵌块(4)内径小于凹模座(3)中心轴通孔直径；压边块(8)中心轴螺纹孔与压机的压边缸杆端螺纹相连接；压边块(8)再与压边转接块(6)通过内六角圆柱头螺钉(11)相固定。
2.根据权利要求1所述的一种可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置及方法，其特征在于，凹模嵌块(4)可以根据使用需要更换；凹模嵌块(4)外径都为Φ130mm，凹模嵌块(4)与凹模座(3)加工的凹模嵌块安装盲孔相配合；刚性模胀形时，可以根据半球头胀形凸模(7)的直径、板材厚度、凸凹模间隙，设计相应的凹模嵌块(4)的内径(即凹模直径)；在进行不同厚度板材的刚性模胀形试验时，只需根据板材厚度，更换相应的凹模嵌块(4)；液压胀形时，同样可以根据使用需要，设计不同的凹模嵌块(4)的内径大小，进行液压胀形试验；同时，凹模嵌块(4)的内圈可以设计成不同椭圆率的椭圆形状，以此来改变液压胀形过程的板料变形应变路径；试验过程可以更换不同的凹模嵌块(4)，从而测量不同应变路径下的板料液压胀形极限应变。
3.一种应用权利要求1所述的可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置的刚性模胀形试验使用方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤1、按照刚性模胀形试验的模具安装方式装配完成后，控制液压机，将压边圈(5)与半球头胀形凸模(7)上行到安全工作高度；将刚性模胀形试验试样定位摆放到合适位置，且使试样制有应变分析网格的板面贴靠凹模座(3)与凹模嵌块(4)；
步骤2、设定压边力、凸模速度、控制载荷等液压机试验参数；
步骤3、控制压边圈(5)下行，与凹模座(3)合模，压紧试样，防止胀形过程板料向里流动；
步骤4、以设置的凸模速度控制半球头胀形凸模(7)下行，将试样进行刚性模胀形；试样颈缩破裂后，载荷下降过程随即停止半球头胀形凸模(7)下行；
步骤5、控制压边圈(5)与凸模(7)上行到安全高度，取出试样，对试样颈缩区附近的网格进行应变测量；
步骤6、如进行不同厚度的板材刚性模胀形试验，需要改变凹模直径，则松开开槽锥端紧定螺钉(9)，将原凹模嵌块(4)取出，更换相应的凹模嵌块(4)，拧紧开槽锥端紧定螺钉(9)进行固定，并重复上述步骤进行其他试样的刚性模胀形试验；如进行同一厚度板材刚性模胀形试验，则重复上述步骤进行其他试样的刚性模胀形试验。
4.一种应用权利要求1所述的可用于板材刚性模胀形与液压胀形试验的装置的液压胀形试验使用方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤1、按照液压胀形试验的模具安装方式装配好后，设置液压机相关工艺参数，设定液压胀形液室压力、压边力；
步骤2、控制液压机工作台，使增压缸回程，同时往液室(1)补液，直到液体到达压边圈(5)上端面为止；
步骤3、将胀形板料定位，放于压边圈(5)上端面；且使板料制有应变分析网格的板面贴靠凹模座(3)与凹模嵌块(4)；
步骤4、控制压边缸下行，使凹模座(3)下行与压边圈(5)合模；以设定的压边力压紧试样，防止液压胀形过程板料向里流动；
步骤5、以设定的液室压力进行充液胀形；根据液室压力实时监测的数值，当胀形压力开始衰减后，停止充液；
步骤6、控制增压缸退回，以及控制液室回油；
步骤7、控制压边缸退回，凹模座(3)上行到安全高度；
步骤8、取出液压胀形试样，根据试验需要进行相关测量；
步骤9、如不需更换凹模嵌块(4)，则准备另一板料，重复上述步骤，进行液压胀形；如需改变板料变形应变路径，则更换不同椭圆率的凹模嵌块(4)；由紧定螺钉(9)锁紧凹模嵌块(4)后，准备板料，重复上述步骤，进行液压胀形。
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