CN112547838B - 一种金属板材边部成形极限的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属板材边部成形极限的测试方法，建立包含压边圈、凸凹模及板材中心定位机构的球形凸模胀型试验装置；制备一侧中部包含圆弧缺口的薄板试样，试样边部根据需要加工不同的边部质量；将试样放置于球形凸模胀型模具一侧，使试样圆弧中心与球形凸模中心对齐，凸模上升过程中，边部在拉胀和侧向力的作用下在圆弧中心位置引发开裂。对具有较好边部质量的试样及较差边部质量或同等边部质量不同组织的材料进行试验，并通过数字化图像测量***测量开裂位置的位移变化与主应变变化；通过对比位移或主应变，确定材料在特定边部状态下的边部成形极限，及材料对边部质量的敏感性。本发明能够准确评价边部成形极限及边部质量敏感性的方法。

Description

一种金属板材边部成形极限的测试方法

技术领域

本发明涉及金属板材冷成形性能技术领域，更具体地说，涉及一种金属板材边部成形极限的测试方法。

背景技术

汽车轻量化的要求使得先进高强钢在车身中用材比例逐步增高，由于先进高强钢多采用组织强化或相变强化，相组织复杂且变形过程涉及相变，因此成形性能与一般软钢具有较大的差异。由于增加了强度，塑性降低，各组织强度差异较大，零件容易在边部发生局部成形开裂，以前用软钢能够成形的零件，使用高强钢时会发生开裂，因此需要建立高强钢在局部成形过程中的边部成形极限，作为冲压失效评价指标。

目前评价金属板材成形性广泛采用成形极限曲线(FLC)进行评价，基于成形极限试验测量的试样断裂位置始于试样内部，裂口出现在试样中心，边部不发生开裂。因此，对于板料在单拉和双拉应力状态下发生缩颈或破裂预测较好，但对于零件边部成形过程中材料未达到FLC而发生破裂的状况难以评价，具有一定的局限性。

边部成形性的评价通常采用标准扩孔试验(GBT 15825.4-2008)，通过测试扩孔前后孔径的变化，得到扩孔率作为评价指标。当采用60度锥形扩孔时，如测量边部失效应变，采用喷涂散斑方式，当试样边缘发生翻边后，相比原板材平面，翻边角度发生剧烈变化，数字化图像测量***(DIC，Digital Image Correlation System)设备无法有效获得断裂时的边部应变值；而使用圆柱形模具扩孔时，有时扩孔未发生在孔的边缘，而是在距离边部有一定距离的内部产生开裂，开裂位置不确定。

在现有的专利申请中，如申请号201680025732.3专利提出了一种剪切边缘能否成型的评价方法，描述一种在预成型后进行剪切的材料边缘能否成型的评价技术，评价的方法采用对预成型后的板料进行圆锥扩孔试验和圆柱冲头的扩孔试验，以扩孔率作为评价指标，并未反映局部成形极限。同时预成型改变了材料的初始应力应变状态，并对材料组织产生明显的影响。

又如申请号201410468843.4专利提出一种高强度薄钢板边缘裂纹敏感性的评价方法，采用钢球模进行胀型试验对不同切边模间隙进行试验，试样为单向拉伸应变状态试样，试样受力状态为单向拉伸状态，与传统的拉伸试验类似，冲裁后边部不同位置冲裁质量有差异，开裂位置不固定；试样拉伸时无侧向力，无法真实反映实际冲压过程中零件边部局部成形时的开裂情况。

目前对于拉胀成形时同时受侧向力情况下的实际边部开裂，常规的试验方法及专利试验方法，均无法准确测试或准确反馈真实受力情况下的成形极限。该边部成形极限不但与材料本身组织有关，同时与边部剪切质量等相关，本专利目的在于对零件边部局部成形提供一种更加适用和精度更高的边部成形极限测试和评价技术。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种金属板材边部成形极限的测试方法，能够准确评价边部成形极限及边部质量敏感性的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种金属板材边部成形极限的测试方法，包括以下步骤：

1)建立一套球形凸模试验模具，冲头(凸模)为一定直径的球头形状，凹模直径大于冲头直径并保证具备2mm左右的单边间隙，同时与板料(试样)接触的凹模圆角半径需平滑过渡，保证圆角直径大于5mm，避免圆角处应力集中导致开裂，此外，压边圈周向布置拉延筋，拉延筋形状可以是圆筋、三角筋、双圆筋或其它能够阻止板料自由流入，且不导致板料在拉延筋处发生开裂。

2)试样准备，在试样一侧直边的中间位置开一弧形开口，弧形可以是圆形、椭圆等其他弧形段组成的形状，保证试样开裂位置位于弧形中央。试样宽度需大于球头直径的一半以上，并保证压边圈能够将板料压紧，试样过程中材料在拉延筋位置不发生流动，试样长度应至少大于拉延筋所在直径20mm，同时保证压边圈压紧板料，整个试验过程中材料在拉延筋位置不发生流动，压边圈两侧具备定位销或其它定位装置，保证弧形中心与球形凸模中心最高点对应。试验过程中，弧形中心与球形凸模中心对齐，即板料占据球头凸模的一半。依据试验情况，试样边部状态可采用冲裁、铣边、线切割等方式不同，获得不同的边部质量，包括改变毛刺朝向。

3)试验开始前，对试样喷涂散斑后，试验过程中将板料根据上述方法放置于球头凸模的一侧，并施加压边力将试样压紧，同时采用数字化图像设备对试验过程进行观察并记录数据，直至观察到试样出现断裂时，停止试验。

4)试验完成后，对试样进行测量并进行数据处理，可以通过数字化图像设备记录整个试样变形过程进行测量，通过测量试样开裂位置从底部变形至边部发生开裂时的高度最大偏移量dH，以及测量断裂前的主应变，其值由断裂处小区域内至少3个点的应变平均而成。此外高度最大偏移量dH也可通过游标卡尺或直尺测量。

5)试验数据处理，记录试样最大偏移量dH值的大小，如试样1的dH1值大于试样2的dH2值，或试样1断裂前的主应变大于试样2断裂前的主应变，则说明试样1边部成形极限高于试样2。同一试样不同边部状态时，当边部状态1的dH1值明显大于边部状态2的dH2值，则说明该试样受边部质量影响较大。

以边部完全去除毛刺影响的试样为边部质量最佳试样，测得该试样开裂前最大的主应变为ε₀，同时测量该材料在其它边部质量试样开裂前最大的主应变ε_s，其中，s为试样编号，两者ε₀与ε_s值均大于0小于1。

定义

为边部质量敏感系数，其中φ值大于0小于等于1，越接近1，说明该试样材料边部极限对边部质量越不明显，反之越明显。

试样在完成试验时，在试样弧形开口区域若不发生开裂或开裂频次少，则该试样材料成形极限好，受边部质量影响较小。

本发明所提供的一种金属板材边部成形极限的测试方法，采用试样放置球形凸模一侧进行测试，边部模拟了现实生产过程中零件边部具有拉胀成形同时有侧向力的局部成形状态，即未发生明显的边部减薄即发生开裂，具有实际意义。同时还具备较好的可操作性和准确性，能够方便的确定板材的边部成形极限，解决了现有板材冲压边部成形性无准确失效判据的问题。

附图说明

图1是本发明测试方法所用球形凸模试验模具的示意图；

图2是本发明测试方法所用试样的示意图；

图3是本发明测试方法实施例中两种材料不同边部状态的偏移量示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请结合图1至图3所示，本发明所提供的一种金属板材边部成形极限的测试方法，包括以下步骤：

1)在成形试验机上安装一套球形凸模试验模具，选择的凸模100球头直径为100mm，凹模200直径105mm，凹模圆角R8，压边圈300的拉延筋为圆形。

2)试样400的材料A和材料B为两种先进高强钢，厚度分别为1.4mm和2.2mm。为方便起见，试样400选择为矩形，宽度100mm，长度200mm，中间开直径为10mm的半孔(如图2所示)，保证试样400整个试验过程能够压紧。

3)边部状态分为冲裁和线切割边，切割边部沿轧向，毛刺侧背离凸模100上表面放置并喷涂散斑，便于数字化图像设备进行数据记录。

4)将试样400放置于球形凸模100的一侧，使试样400上10mm半孔中心与球形凸模100中心对齐，然后开始成形。通过数字化图像设备记录并分析开裂位置时的高度最大偏移量dH，同时测量断裂位置前的最大主应变，以线切割边部作为较好的边部质量，冲裁边部作为较差边部质量，测得线切割对应的ε₀与冲裁边部对应的ε_s，并计算边部质量敏感系数

具体结果如下：

根据图3和表1、表2可以看出，材料A边部质量为线切割时，dH值较高，且明显高于冲裁边样品。而材料B边部质量为线切割和冲裁时的dH值相差不大。同时两种材料的边部质量敏感系数有较大的差别，材料A为0.617，材料B为0.894，材料B边部极限对边部质量不明显。

表1两种材料不同边部状态的偏移量对比(mm)

表2两种材料不同边部状态的断裂主应变

材料A：ε₀＝0.413，ε_s＝0.255，

材料B：ε₀＝0.406，ε_s＝0.363，

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (4)

1.一种金属板材边部成形极限的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)建立一套球形凸模试验模具；

2)试样准备，在试样一侧直边的中间位置开一弧形开口；

3)试验开始前，对试样喷涂散斑后，将试样放置于球形凸模试验模具上，并施加压边力将试样压紧，同时利用数字化图像设备对试验过程进行观察并记录数据，直至观察到试样出现断裂时，停止试验；

4)对取得的数据进行处理，记录比较不同试样高度最大偏移量dH值的大小，以边部完全去除毛刺影响的试样为边部质量最佳试样，测得该试样开裂前最大的主应变数值为ε₀，同时测量该试样材料在其它不同边部质量试样开裂前最大的主应变数值ε_s，其中，s为试样编号，两者ε₀与ε_s值均大于0小于1；

定义

为边部质量敏感系数，其中φ值大于0小于等于1，越接近1，说明该试样材料边部极限对边部质量越不明显，反之越明显，

所述球形凸模试验模具，包括球头状凸模，与之相配的球头状凹模，凹模上还配有压边圈，

所述试样上弧形开口中心与凸模中心对齐，

所述步骤4)中，试样在完成试验时，在试样弧形开口区域若不发生开裂或开裂频次少，则该试样材料成形极限好，受边部质量影响较小。

2.如权利要求1所述一种金属板材边部成形极限的测试方法，其特征在于：所述压边圈上布置拉延筋，拉延筋形状设置呈圆筋或三角筋。

3.如权利要求1所述一种金属板材边部成形极限的测试方法，其特征在于：所述试样宽度大于凸模上球头直径的一半以上，试样长度大于拉延筋所在直径。

4.如权利要求1所述一种金属板材边部成形极限的测试方法，其特征在于：所述压边圈两侧设有定位装置。

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