CN108279177B - 一种高温高速金属板材热冲压成形极限测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温高速金属板材热冲压成形极限测试装置及测试方法，装置包括高频感应加热箱；机器手臂；冲压结构，包括内部设有冲头高功率加热棒和冲头温度传感器的半球形冲头、压边圈和凹模的***设有高频感应线圈，其内部设有高功率加热棒和温度传感器；支撑结构，包括上模架和下模架通过导柱连接；冲头液压缸和压边圈液压缸安装于上模架上；半球形冲头通过连杆与冲头液压缸相连；压边圈与压边圈液压缸相连；凹模安装于下模架并固定不动；光学应变测量装置和红外测温仪和控制装置。本发明可建立完全符合实际工业热冲压工艺流程的高温高速金属板材成形极限图，覆盖工况范围广，适用性强，可有效指导热冲压工艺优化，缩短产品研发周期。
Description
技术领域
本发明涉及金属板材成形技术领域，尤其涉及一种高温高速金属板材热冲压成形极限测试装置及测试方法。
背景技术
节能、环保是当今汽车制造业发展的主题。针对新能源汽车来讲，消费者在购车时会首要关注能耗问题；另一方面，国家已出台相应法规，明确要求轻型汽车在整车出厂时标明油耗标识。因此，车身轻量化将是汽车生产企业关注的重点问题。
采用高强度钢板制造的车身结构件，在实现车身减重的同时还能保证整车的碰撞安全性。另一方面，高强度钢板较高的性价比也促使其成为汽车生产企业为实现轻量化而首选的材料。然而，高强度钢板室温成形性较差，容易出现破裂、回弹大等问题，因此，在实际生产中常采用热冲压成形技术对上述问题予以解决。同时，需要指出，随着生产工艺的日臻完善，铝镁等高强度轻质合金在未来汽车轻量化领域也会得到大量的应用。
热冲压成形是一个板料温度连续变化的过程，同时为了保证板料的成形性和最终产品的质量，需保证高强度钢板在奥氏体状态完成冲压成形。可以看出，高强度钢板热冲压成形是一个热-力-相耦合的复杂过程。而在高温下，高强度钢板的力学性能将表现出显著地温度、应变率相关性。因此，对于热冲压钢板的成形性评价，需充分考虑温度和应变率对材料成形性能的影响。
成形极限图是评价板料成形性能最为直观和有效的方法之一，它反映了板料在发生破裂前所能承受的最大塑性变形能力。在热冲压数值仿真中，采用成形极限图作为评价高强度钢板在成形过程中是否发生破裂的准则，可有效指导成形工艺和模具几何的优化设计，从而有效保证冲压产品的质量，同时缩短新产品的研发周期。
为研究适用于热冲压的成形极限图，申请号为201110082554.7的中国专利公开了一种建立超高强硼钢板高温成形极限图的试验装置及试验方法。该专利首先将模具加热到试验温度，随后将样件通过压边圈和凹模之间连接件的夹紧力进行固定，该夹紧样件的操作方式不能保证每次施加的夹紧力相同，且每次操作时需人工进行样件的手动更换，实验效率低，操作风险和难度较大；另一方面，因模具温度低于样件温度，因此样件与模具间存在热交换，这必然导致样件温度的不均匀，进而引起样件力学性能的差异，造成测量结果的不准确；同时，高温样件没有进行防氧化处理，高温变形过程中钢板氧化现象严重，因此样件表面上的网格在实验结束后可能变得模糊不清，不利于后续成形极限的计算；另一方面，试验拉深速度控制在10～20mm/s，该速度低于实际工业热冲压工况，因此不能全面满足热冲压样件成形性的评价需求。
申请号为201410076406.8的中国专利公开了一种金属板材热成形极限实验装置及测试方法。该专利将模具和样件置于密封箱中，利用密封箱内壁的电阻丝加热整个内部空间，以实现模具和样件的同时加热与冷却。该加热方式加热效率低，能源耗费高；另一方面，为保证热冲压产品的力学性能，热冲压过程需先将高强度钢板样件加热到900℃以上，随后快速冷却至指定温度进行成形，以防止高温奥氏体样件发生相变，而该专利无法实现样件的快速降温，所建立的成形极限曲线与实际热冲压工艺不符；该专利也没有考虑应变率对高强度钢板高温成形性能的影响；另一方面，该专利没有考虑冲头与样件间的润滑，在胀形过程中样件很容易发生边缘破裂，导致测试结果不准确。
申请号为201320475508.8的中国专利公开了一种金属高温热成形极限TFLD测试装置。与申请号为201410076406.8的中国专利类似，采用加热炉对模具进行加热，加热效率低，能源浪费严重；同时模具降温缓慢，导致开展不同温度成形极限测试周期长；该专利采用传统方式，通过测量样件上腐刻网格的变形量来计算极限应变，临界网格的选取受主观因素影响较大；另一方面，样件破裂后很难及时停止冲头的运行，导致样件裂纹附近网格继续撕裂，计算结果不准确。
综上所述，针对于高温高速金属板材热冲压成形过程的试验装置和方法还没有相关报道，迫切需要设计一种试验装置和方法来模拟高温高速金属板材的成形过程，并获取其成形极限，评估其成形性能。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种高温高速金属板材热冲压成形极限测试装置及测试方法。本发明的目的主要为了建立覆盖热冲压温度、应变率区间的高温高速成形极限图，同时成形极限数据的获取流程须完全符合实际的热冲压工艺。
本发明采用的技术手段如下：
一种高温高速金属板材热冲压成形极限测试装置，其特征在于，包括：
高频感应加热箱，用于将高强度钢板样件快速加热到奥氏体温度并实现保温；
机器手臂，集成急冷装置于其上，用于快速冷却高强度钢板样件至测试温度，并用于转运高强度钢板样件至胀形模具进行高温高速成形极限测试；
冲压结构，包括半球形冲头、嵌套设置在所述半球形冲头外侧的压边圈和与所述压边圈相匹配的用于压合成形所述高强度钢板样件的凹模，所述压边圈和所述凹模的***分别设有用于快速加热到测试温度的高频感应线圈，所述压边圈和所述凹模内部分别设有用于实现保温功能的高功率加热棒和温度传感器；所述半球形冲头内部设有用于快速加热和保温的冲头高功率加热棒和冲头温度传感器；所述半球形冲头和压边圈分别采用冲头液压缸、压边圈液压缸提供动力独立运行；
支撑结构，包括上模架和下模架，通过导柱连接以保证装置整体的稳定性；冲头液压缸和压边圈液压缸安装于所述上模架上；所述半球形冲头通过连杆与所述冲头液压缸相连接；所述压边圈通过螺栓与所述压边圈液压缸相连接；所述凹模安装于所述下模架并固定不动；
光学应变测量装置和红外测温仪，均安装于所述下模架的底部，用于测量所述高强度钢板样件在胀形过程中的应变场和温度场；
控制装置，用于协调上述各部件间的运行并分析数据。
进一步地，所述压边圈的下表面设有圆环形拉延筋，所述凹模的上表面对应所述压边圈拉延筋的位置设有圆环形凹槽，用于避免样件压边后在胀形过程中出现滑移。
进一步地，所述半球形冲头设有自平衡装置，用于保证胀形过程中的对中性。
本发明公开了一种应用上述的测试装置进行高温高速金属板材热冲压成形极限测试的方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、制备不同尺寸喷有黑白耐高温散斑的哑铃型高强度钢板样件；
S2、利用高功率加热棒、高频感应线圈相结合的方式把模具加热至成形极限测试温度并保温，其中，半球形冲头的表面在加热前须均匀涂抹高温润滑剂(可选择二硫化钼或OMEGA润滑脂)，根据实际热冲压工艺，高强度钢板样件的测试温度范围选为500～800℃；
S3、采用高频感应加热箱加热高强度钢板样件至奥氏体温度并保温一段时间以实现奥氏体组织的均匀化；
S4、利用集成急冷装置的机器手臂抓取高强度钢板样件并快速冷却至测试温度，随后快速转运至胀形模具上；
S5、压边并胀形成形，胀形速度范围50～300mm/s，在胀形的同时，采用光学应变测量装置和红外测温仪对高强度钢板样件的应变场和温度场进行实时监控采集；
S6、采用基于位置或时间相关的成形极限计算方法获取样件的成形极限数据；
S7、重复步骤S1-S6，获取不同尺寸样件的成形极限数据并建立成形极限图；
S8、重复步骤S1-S7，开展覆盖热成形工艺范围的不同温度、不同成形速度的成形极限测试，建立高强度钢板在不同温度、不同应变率下的高温高速成形极限图。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、针对现有采用密封箱或加热炉加热模具的方式，本发明采用高功率加热棒和高频感应线圈相结合的方式来加热模具，该加热方式加热效率高，节约能源；另一方面，方便开展不同温度的成形极限测试研究，测试周期短。
2、针对现有模具和样件一起采用密封箱加热的方式，本发明中采用高频感应加热箱对样件进行加热，加热效率高；同时在转运过程中有急冷处理，可保证高温高强度钢板样件微观组织为奥氏体组织，与实际热冲压工艺相一致，可保证样件的成形质量。
3、针对现有样件先通过凹模和压边圈之间连接件的夹紧力进行压边，随后对样件进行加热的方式，本发明采用高频感应加热箱对样件单独加热，可避免因高温样件与模具间的热交换而导致的样件温度不均匀，温度不均匀将导致力学性能存在差异；本发明采用压边圈液压缸控制压边圈的运行和压边力，压边力控制精确。
4、针对现有采用网格腐刻方式来计算变形量的成形极限获取方法，该方法不能准确控制冲头的停机条件；本发明采用光学应变测量***，进而采用基于位置或时间相关的成形极限计算方法获得样件的成形极限数据，控制精度高，获取的破裂过程应变数据准确度高。
5、针对现有方法的片面性，本发明充分考虑温度、应变率对高强度钢板高温力学性能的影响以及实际热冲压技术的工艺特点，建立高强度钢板不同温度、不同应变率下的高温高速成形极限图。
综上所述，本发明利用上述测试装置可建立完全符合实际工业热冲压工艺流程的高温高速金属板材成形极限图，所述成形极限图覆盖工况范围广，适用性强，可有效指导热冲压工艺优化，缩短产品研发周期。
基于上述理由本发明可在金属板材热冲压成形领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明高温高速金属板材热冲压成形极限测试装置的示意图。
图2为本发明成形极限测试模具的正视图。
图3为本发明成形极限测试模具的剖视图。
图4为本发明成形极限测试模具的俯视图。
图5为本发明高温高速成形极限测试方法的流程图。
图中：1、高频感应加热箱；2、高强度钢板样件；3、机器手臂；4、半球形冲头；5、压边圈；6、凹模；7、压边圈高功率加热棒；8、压边圈温度传感器；9、凹模高功率加热棒；10、凹模温度传感器；11、压边圈高频感应线圈；12、凹模高频感应线圈；13、压边圈液压缸；14、冲头液压缸；15、上模架；16、下模架；17、光学应变测量装置；18、红外测温仪；19、导柱；20、控制装置；21、冲头高功率加热棒；22、冲头温度传感器；23、螺栓孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1-图4所示，一种高温高速金属板材热冲压成形极限测试装置，包括：
高频感应加热箱1，用于将高强度钢板样件2快速加热到奥氏体温度并实现保温一段时间，以保证样件微观组织的均匀性；
机器手臂3，集成急冷装置于其上，用于快速冷却高强度钢板样件2至测试温度，并用于转运高强度钢板样件2至胀形模具进行高温高速成形极限测试；
冲压结构，包括半球形冲头4、嵌套设置在所述半球形冲头4外侧的压边圈5和与所述压边圈5相匹配的用于压合成形所述高强度钢板样件2的凹模6，
压边圈5***设有压边圈高频感应线圈11，通过压边圈高频感应线圈11可将压边圈5迅速加热到测试温度；压边圈5内部同时设有6根压边圈高功率加热棒7和压边圈温度传感器8，可对已经加热到测试温度的压边圈5进行保温操作并实现温度均匀性检测。凹模6***设有凹模高频感应线圈12，通过凹模高频感应线圈12可将凹模6迅速加热到测试温度；凹模6内部同时设有6根凹模高功率加热棒9和凹模温度传感器10，可对已经加热到测试温度的凹模6进行保温操作并实现温度均匀性检测。所述半球形冲头4内部设有4根冲头高功率加热棒21和冲头温度传感器22，可将冲头快速加热到测试温度并实现温度均匀性检测和保温；所述半球形冲头4还设有自平衡装置，用于保证胀形过程中的对中性。所述压边圈5的下表面设有圆环形拉延筋，所述凹模6的上表面对应所述压边圈5拉延筋的位置设有圆环形凹槽，当压边圈5下行合模后，用于避免样件在胀形过程中出现滑移。
支撑结构，包括上模架15和下模架16，通过4根导柱19连接以保证装置整体的稳定性，同时模架内部设有循环冷却水道，可保证模架在长时间高温工作环境下的刚度要求和使用寿命；冲头液压缸14和压边圈液压缸13安装于所述上模架15上；所述半球形冲头4通过连杆与所述冲头液压缸14相连接；所述压边圈5通过***到螺栓孔23内的螺栓与所述压边圈液压缸13相连接，因此，半球形冲头4和压边圈5可独立运行并实现不同加载工况；所述凹模6安装于所述下模架16并固定不动。
光学应变测量装置17和红外测温仪18，均安装于所述下模架16的底部，用于测量所述高强度钢板样件2在胀形过程中的应变场和温度场，其中，光学应变测量装置17配有蓝光照明灯，可保证拍摄的清晰度。
控制装置20用于调控各部件间的运行，包括压边速度和压边力，胀形速度等；同时用于处理样件的应变、温度等数据。
本发明公开了一种应用上述的测试装置进行高温高速金属板材热冲压成形极限测试的方法，如图5所示，包括如下步骤：
S1、制备不同尺寸喷有黑白耐高温散斑的哑铃型高强度钢板样件2；样件为铝硅镀层高强度钢板，铝硅镀层具有优秀的抗氧化和抗腐蚀能力。根据国标GB/T 24171.2-2009，制备宽度分别为20、60、80、105、120、140、170mm，直径为170mm，圆角半径为25mm的哑铃型样件。相比于矩形样件，哑铃型样件可获得分布更加均匀的成形极限数据点；制备不同宽度尺寸的样件是为了获得材料在不同变形路径下的成形极限数据，涵盖了近似单向拉伸到等双向拉伸的应变路径。
S2、利用高功率加热棒、高频感应线圈相结合的方式把模具加热至成形极限测试温度并保温，其中，半球形冲头4的表面在加热前须均匀涂抹高温润滑剂(二硫化钼润滑脂)以减少高温样件与半球形冲头间的摩擦；根据实际热冲压工艺，高强度钢板样件2的测试温度范围选为500～800℃，取50℃为测试温度间隔；
S3、将高强度钢板样件2表面喷有散斑漆一侧朝上放于高频感应加热箱1中，将高强度钢板样件2加热至900℃以上并保温一段时间以实现样件微观组织为均匀的奥氏体组织；
S4、利用集成急冷装置的机器手臂3将高温奥氏体态的高强度钢板样件2取出，采用高压空气将样件快速冷却至测试温度，随后再利用机器手臂3将样件快速精准的运送到凹模6上表面中心位置，将样件表面喷有散斑漆一侧朝下放置；
S5、压边圈5下行合模，将样件在凹模6与压边圈5之间夹紧，防止胀形过程中发生滑动；随后，半球形冲头4下行，进行指定测试温度的胀形试验，其中，半球形冲头4置于上模架15更易于实现高速和大行程。半球形冲头4运行速度范围为50～300mm/s，行程最大值为200mm，完全满足工业实际热冲压成形的工艺需求；在胀形过程中，采用光学应变测量装置17和红外测温仪18对高强度钢板样件2的应变场和温度场进行实时采集检测；对温度梯度大于10℃的样件予以舍弃，其中，光学应变测量装置17和红外测温仪18须在实验前进行位置调整并进行必要的参数标定；
S6、高强度钢板高温下具有很好的延展性，采用基于位置相关的成形极限计算方法就可以准确获得样件的成形极限数据，该方法在国标GB/T24171.2-2009中有详细的介绍，这里不再赘述；
S7、重复步骤S1-S6，获取不同尺寸样件的成形极限数据并建立成形极限图；
S8、重复步骤S1-S7，开展覆盖热成形工艺范围的不同温度、不同成形速度的成形极限测试，建立高强度钢板在不同温度、不同应变率下的高温高速成形极限图。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种高温高速金属板材热冲压成形极限测试装置，其特征在于，包括：
高频感应加热箱(1)，用于将高强度钢板样件(2)快速加热到奥氏体温度并实现保温；
机器手臂(3)，集成急冷装置于其上，用于快速冷却高强度钢板样件(2)至测试温度，并用于转运高强度钢板样件(2)至胀形模具进行高温高速成形极限测试；
冲压结构，包括半球形冲头(4)、嵌套设置在所述半球形冲头(4)外侧的压边圈(5)和与所述压边圈(5)相匹配的用于压合成形所述高强度钢板样件(2)的凹模(6)，所述半球形冲头(4)内部设有冲头高功率加热棒(21)和冲头温度传感器(22)；所述压边圈(5)和所述凹模(6)的***分别设有用于快速加热到测试温度的高频感应线圈，所述压边圈(5)和所述凹模(6)内部分别设有用于实现保温功能的高功率加热棒和温度传感器；
支撑结构，包括上模架(15)和下模架(16)，通过导柱(19)连接以保证装置整体的稳定性；冲头液压缸(14)和压边圈液压缸(13)安装于所述上模架(15)上；所述半球形冲头(4)通过连杆与所述冲头液压缸(14)相连接；所述压边圈(5)通过螺栓与所述压边圈液压缸(13)相连接；所述凹模(6)安装于所述下模架(16)并固定不动；
光学应变测量装置(17)和红外测温仪(18)，均安装于所述下模架(16)的底部，用于测量所述高强度钢板样件(2)在胀形过程中的应变场和温度场；
控制装置(20)，用于协调上述各部件间的运行并分析数据；
所述的测试装置进行高温高速金属板材热冲压成形极限测试的方法，包括如下步骤：
S1、制备不同尺寸喷有黑白耐高温散斑的哑铃型高强度钢板样件(2)；
S2、利用高功率加热棒、高频感应线圈相结合的方式把模具加热至成形极限测试温度并保温，其中，半球形冲头(4)的表面在加热前须均匀涂抹高温润滑剂，根据实际热冲压工艺，高强度钢板样件(2)的测试温度范围选为500～800℃；
S3、采用高频感应加热箱(1)加热高强度钢板样件(2)至奥氏体温度并保温一段时间；
S4、利用集成急冷装置的机器手臂(3)抓取高强度钢板样件(2)并快速冷却至测试温度，随后快速转运至胀形模具上；
S5、压边并胀形成形，胀形速度范围50～300mm/s，在胀形的同时，采用光学应变测量装置(17)和红外测温仪(18)对高强度钢板样件(2)的应变场和温度场进行实时监控采集；
S6、采用基于位置或时间相关的成形极限计算方法获取样件的成形极限数据；
S7、重复步骤S1-S6，获取不同尺寸样件的成形极限数据并建立成形极限图；
S8、重复步骤S1-S7，开展覆盖热成形工艺范围的不同温度、不同成形速度的成形极限测试，建立高强度钢板在不同温度、不同应变率下的高温高速成形极限图。
2.根据权利要求1所述的高温高速金属板材热冲压成形极限测试装置，其特征在于，所述压边圈(5)的下表面设有圆环形拉延筋，所述凹模(6)的上表面对应所述压边圈(5)拉延筋的位置设有圆环形凹槽，用于避免样件压边后在胀形过程中出现滑移。
3.根据权利要求1所述的高温高速金属板材热冲压成形极限测试装置，其特征在于，所述半球形冲头(4)设有自平衡装置，用于保证胀形过程中的对中性。
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