板材高溫成形極限圖的測試系統及方法
2023-05-17 20:55:41 2
專利名稱：板材高溫成形極限圖的測試系統及方法
技術領域：
本發明涉及金屬板材成形技術領域，具體涉及一種板材高溫成形極限圖的測試系統及方法。
背景技術：
隨著日益嚴重的能源危機、環境問題與人們對汽車安全性能要求的不斷提高，節能、環保、安全已成為汽車工業發展的主題。高強度鋼板的熱成形技術是實現車身輕量化和提高車身安全性的先進技術之一，通過車身零件的減薄和高強度的合理匹配，可以有效減輕車身重量，降低油耗，同時提高車身的安全性。高強鋼的熱衝壓成形技術克服傳統冷衝壓成形技術中成形困難、回彈嚴重、形狀不良等難題，可生產高強度、高精度及複雜形狀的汽車零部件。另外，鋁、鎂合金等輕質合金的溫熱成型技術越來越廣泛的應用於車身和航空航天零部件的製造。
成形極限是指板材在塑性失穩前所能達到的最大變形程度。成形極限圖作為判斷板材成形極限的重要依據，被廣泛應用於衝壓工藝和模具設計中。目前板材成形極限圖的測試方法主要是由IS012004-2標準提出的Nakajima和Marciniak測試方法，其基本原理是利用衝頭對板材進行衝壓變形，通過改變試樣的幾何形狀尺寸獲得不同的應變狀態，採用網格法或數字圖像相關技術測量試樣斷裂周圍縮頸區域的主、次應變值，從而獲得成形極限圖。Marciniak測試方法使用平衝頭,衝頭與試樣中間增加墊板；Nakajima測試方法則使用半球形衝頭，需要一套複雜的潤滑系統。需要特別指出的是此標準提出的測試方法主要應用於獲取板材在常溫下的成形極限圖。由於熱衝壓成形過程中存在複雜的溫度場、應力場、組織轉變等多因素的耦合作用，現有成形極限圖的測試方法很難準確獲得板材在高溫下的成形極限圖，Dahan,Turetta和專利CN201110082554. 7等提出獲得板材在高溫下成形極限圖的測試方法均基於Nakajima測試方法，其缺點為(I)板料變形區域的溫度難以保持穩定。衝壓變形時，衝頭的不同位置先後與試樣接觸，造成板材的變形溫度下降且不均勻；(2)高溫下衝頭和模具難以保持足夠的剛性，對衝頭及模具材料的熱力學性能要求高；(3)難以準確的控制應變速率；( 4 )難以消除熱摩擦的影響；(5) Nakajima測試方法衝壓變形的初始階段為雙向應變狀態，造成FLC上的最低點右移。
發明內容
本發明的目的是，提供一種可準確控制試樣變形區域的溫度和應變速率，且變形區域無摩擦，操作簡單，可準確獲得板材在不同溫度及應變速率下的成形極限圖的板材高溫成形極限圖的測試系統及方法。本發明的一個方面，提供一種板材高溫成形極限圖的測試系統，包括雙軸拉伸裝置、材料熱/力模擬試驗裝置及測量分析裝置；所述雙軸拉伸裝置用於在材料熱/力模擬試驗裝置對試樣進行加熱後，對試樣進行拉伸變形；所述測量分析裝置用於獲取試樣變形的數據，並對獲取的試樣變形數據進行分析和計算，獲得板材的成形極限圖。進一步,所述雙軸拉伸裝置包括夾具、兩個「井」字形部件、連杆、陶瓷墊片及陶瓷銷；所述兩個「井」字形部件通過連杆連接； 所述夾具與所述連杆連接，所述夾具用於固定試樣，並在受到一定的載荷或位移時，同步或單軸對試樣進行拉伸運動；所述「井」字形部件通過陶瓷銷和陶瓷墊片與所述連杆固定連接。進一步，所述「井」字形部件中心設有一觀察孔；所述夾具包括兩組水平方向夾具及兩組豎直方向夾具。進一步，所述材料熱/力模擬試驗裝置為材料拉伸試驗機與加熱設備的一體化裝
置或組合裝置。進一步，所述測量分析裝置包括圖像採集設備及測量分析設備；所述圖像採集設備用於通過所述觀察孔獲取試樣變形的數據；所述測量分析設備用於通過對比獲取的試樣變形數據中不同變形時刻試樣表面隨機分布的斑點閾值，計算變形試樣的主次應變；對不同變形試樣應變的計算結果進行多項式擬合，獲得成形極限圖。進一步，所述試樣包括十字形試樣或單軸應變狀態試樣；所述試樣中間區域減薄，通過改變中間減薄區域的寬度a與長度b的比值a/b，獲得對應不同應變狀態的試樣，拉伸變形量的控制是由試樣的設計來完成的；所述對應不同應變狀態的試樣，其臂上帶有不同數量的縫隙，厚度變化的過渡部分由圓角過渡。進一步，所述十字形試樣包括雙向應變狀態點試樣、平面應變狀態點試樣、介於雙向應變和平面應變狀態點試樣及介於單向應變和平面應變狀態點試樣；所述單軸應變狀態試樣包括單向應變狀態點試樣。根據本發明的另一個方面，提供了一種板材高溫成形極限圖的測試方法，包括製備試樣，通過改變試樣中間減薄區域的長度a和寬度b的比值a/b，獲得對應不同應變狀態的試樣；在試樣中間減薄區域設置圖像識別層；將試樣安裝於雙軸拉伸裝置；將雙軸拉伸裝置安裝於材料熱/力模擬試驗機，對製備的試樣加熱後進行拉伸變形；
通過拉伸過程中圖樣識別層的變化獲取試樣變形的數據，對獲取的試樣變形數據進行分析，計算變形試樣的主次應變；對不同變形試樣應變的計算結果進行多項式擬合，獲得成形極限圖。進一步，所述試樣包括十字形試樣及單軸應變狀態試樣；所述試樣中間區域減薄，通過改變中間減薄區域的寬度a與長度b的比值a/b，獲得對應不同應變狀態的試樣，拉伸變形量的控制是由試樣的設計來完成的；所述對應不同應變狀態的試樣臂上帶有不同數量的縫隙，厚度變化的過渡部分由圓角過渡。
進一步，所述十字形試樣包括雙向應變狀態點試樣、平面應變狀態點試樣、介於雙向應變和平面應變狀態點試樣及介於單向應變和平面應變狀態點試樣；所述單軸應變狀態試樣包括單向應變狀態點試樣。本發明提供的一種板材高溫成形極限圖的測試系統及方法，通過設計雙軸拉伸裝置和對應不同應變狀態的試樣，可實現不同的應變路徑，獲得不同的應變狀態；利用材料熱/力模擬試驗裝置，可準確控制試樣變形區域的溫度和應變速率，且拉伸過程中變形區域無摩擦，操作簡單，可準確獲得板材在不同溫度和應變速率下的成形極限圖，為板材溫熱成形技術的工藝設計和模具設計提供重要依據。
圖I為使用本發明提供的一種板材高溫成形極限圖的測試系統的結構示意圖；圖2為圖I所示結構中雙軸拉伸裝置的結構示意圖；圖3為本發明提供的試樣在不同應變速率下的典型板材成形極限圖；圖4a為本發明提供的雙向應變狀態點試樣的結構示意圖；圖4b為本發明提供的平面應變狀態點試樣的結構示意圖；圖4c為本發明提供的單向應變狀態點試樣的結構示意圖；圖4d為本發明提供的介於雙向應變和平面應變狀態點試樣的結構示意圖；圖4e為本發明提供的介於單向應變和平面應變狀態點試樣的結構示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明的一種板材高溫成形極限圖的測試系統，包括材料熱/力模擬試驗裝置I、雙軸拉伸裝置2及測量分析裝置3 ;材料熱/力模擬試驗裝置I與雙軸拉伸裝置2連接；材料熱/力模擬試驗裝置I用於控制試樣變形區域的溫度和應變速率；雙軸拉伸裝置2用於實現試樣不同應變狀態的拉伸形變；測量分析裝置3用於在獲取試樣變形的整個過程後，通過對比不同變形時刻試樣表面隨機分布的斑點閾值，從而計算變形試樣的主次應變，進而獲得板材的成形極限圖。其中，材料熱/力模擬試驗裝置I可以是材料拉伸試驗機與加熱設備的一體化裝置，也可以是組合裝置。此例中本發明材料熱/力模擬試驗I裝置採用的是美國DSI公司型號為Gleeble3800的產品，最大拉伸載荷98KN,大於雙軸拉伸裝置的最大載荷；所述Gleeble3800設備採用全數字閉環控制系統,衝程速度範圍為0. 01mm/s 2000mm/s,可準確控制加載位移，因此可準確控制試樣變形所需的應變速率；所述Gleeble3800設備採用電阻加熱，可快速升溫，最大加熱溫度170(TC，最大加熱速度1000(TC /s，最大冷卻速度可達1400C /s，冷卻介質有壓縮空氣和霧化水，因此利用熱電偶可精確控制試樣變形區域的溫度。如圖2所示，雙軸拉伸裝置2包括兩組水平方向夾具6和兩組豎直方向夾具7、兩個「井」字形部件8、四根連杆9、若干個陶瓷墊片10及陶瓷銷11 ;兩個「井」字形部件上、下、左、右四個部位分別通過一根連杆9連接。連接「井」字形部件左、右兩個部位上的兩根連杆上分別設有一組水平方向夾具6，連接「井」字形部件上、下兩個部位上的兩根連杆上分別設有一組豎直方向夾具7。連接「井」字形部件左、右兩個部位上的兩根連杆分別通過一組水平方向夾具6連接，用於固定試樣，並在受到一定的載荷或位移時，同步或單軸對試樣進行拉伸運動；「井」字形部件8通過陶瓷銷11和陶瓷墊片10與連杆9固定連接，陶瓷銷11和陶瓷墊片10用於在測試時使電流沿試樣水平方向流動。「井」字形部件8中心設有一觀察孔，用於測量分析裝置3記錄試樣的變形過程。 測量分析裝置3包括圖像採集設備4及分析設備5。本發明採用的圖像採集設備4為高速攝像機，分析設備5為DIC系統。圖像採集設備4用於拍攝試樣變形的整個過程。分析設備5用於通過對比不同變形時刻試樣表面隨機分布的斑點閾值，從而計算變形試樣的主次應變，進而獲得板材的成形極限圖。拉伸變形過程中變形量的控制是由試樣的設計來完成的。所述對應不同應變狀態的試樣設計，是基於如圖3所示，el和e2分別代表不同的應變速率，根據圖3中不同應變速率飛>e2 )成形極限曲線對應的5種典型的應變狀態(雙向應變狀態點I1、平面應變狀態點i2、單向應變狀態點i3、介於雙向應變和平面應變狀態點i4、介於單向應變和平面應變狀態點i5)，設計5種不同應變狀態的試樣。本例中本發明採用的試樣包括十字形試樣及單軸應變狀態試樣。十字形試樣包括圖4a所示的雙向應變狀態點試樣(a/b=l)、圖4b所示的平面應變狀態點試樣(a/b=l/4)、圖4d所示的介於雙向應變和平面應變狀態點試樣(a/b=4/5)及圖4e所示的介於單向應變和平面應變狀態點試樣(a/b=l/2);單軸應變狀態試樣包括圖4c所示的單向應變狀態點試樣。試樣的中間區域減薄,臂上帶有不同數量的縫隙，厚度變化的過渡部分由圓角過渡，通過改變中間減薄區域的寬度a與長度b的比值a/b，獲得對應不同應變狀態的試樣。十字形試樣的臂間通過圓弧過渡。本發明提供的一種板材高溫成形極限圖的測試方法，包括以下幾個步驟步驟SI :製備試樣；試樣包括十字形試樣及單軸應變狀態試樣。對於十字形試樣，通過改變中間減薄區域的寬度a與長度b的比值a/b，獲得對應不同應變狀態的試樣。試樣的臂上帶有不同數量的縫隙，厚度變化的過渡部分由圓角過渡。十字形試樣的臂間通過圓弧過渡。步驟S2 :在試樣中間減薄區域製作圖像識別層。步驟S3 :將試樣固定在雙軸拉伸裝置2上，然後安裝於材料熱/力模擬試驗裝置I的工作平臺內，連接熱電偶至相應埠，設定相應的變形溫度和對應的應變速率等工藝參數，拉伸形變的變形量的控制是由試樣的設計完成的，本實施例使用的材料熱/力模擬試驗裝置 I 為 Gleeble3800。步驟S4 :對製備的試樣加熱後進行拉伸形變。步驟S5 :通過測量分析裝置3獲取試樣變形的數據，並對獲取的試樣變形數據進行分析，計算變形試樣的主次應變。其中，測量分析裝置3包括圖像採集設備4及分析設備5，本發明採用的圖像採集設備4為高速攝像機及照明設備，分析設備5採用是DIC系統，利用DIC技術分析變形數據。步驟S6 :根據本實施例提供的5種應變狀態試樣的計算結果進行多項式擬合，獲得板材的成形極限圖。其中，步驟SI製備試樣具體包括以下步驟步驟Sll :利用數控電火花線切割技術，改變試樣減薄區域的寬度a和長度b的比值a/b，製備對應不同應變狀態的試樣，拉伸變形量的控制是由試樣的設計來完成的。本發明實施例採用的試樣包括十字形試樣及單軸應變狀態試樣。十字形試樣包括圖4a所示的雙向應變狀態點試樣(a/b=l)、圖4b所示的平面應變狀態點試樣(a/b=l/4)、圖4d所示的介於雙向應變和平面應變狀態點試樣(a/b=4/5)及圖4e所示的介於單向應變和平面應變 狀態點試樣(a/b=l/2);單軸應變狀態試樣包括圖4c所示的單向應變狀態點試樣。試樣基本特徵為中間區域減薄，臂上帶有不同數量的縫隙，臂間通過圓弧過渡，厚度變化的過渡部分由圓角過渡。步驟S5通過測量分析裝置3獲取試樣變形的數據，並對獲取的試樣變形數據進行分析，計算變形試樣的主次應變具體包括以下步驟步驟S51 :通過高速攝像機記錄試樣拉伸過程中通過圖像識別層的圖樣的變化，獲取試樣變形的數據；步驟S52 :通過DIC分析技術對比獲取的試樣變形數據中不同變形時刻試樣表面隨機分布的斑點閾值，從而計算變形試樣的主次應變。步驟S51首先通過高速攝像機獲取試樣變形的數據具體包括以下步驟步驟S511 :將高速攝像機固定在支架上，連接相關線路，設定相機參數，調節照明系統和高速攝像機參數，使圖像具有良好的解析度。步驟S512 :運行程序，打開照明系統，用高速攝像機記錄整個變形過程。步驟S6綜合本實施例提供的如圖4a_圖4e所示的5種應變狀態試樣的計算結果，獲得板材的成形極限圖是步驟S61 :更換不同的試樣，重複試驗步驟(S2-S5)；步驟S62 :通過DIC技術計算本實施例提供的5種應變狀態試樣變形的主次應變，進行多項式擬合，獲得成形極限圖。本發明提供的一種板材高溫成形極限圖的測試系統及方法，通過設計雙軸拉伸裝置和對應不同應變狀態的試樣，可實現不同的應變路徑，獲得不同的應變狀態；利用材料熱/力模擬試驗裝置，準確控制試樣變形區域的溫度和應變速率，且拉伸過程中變形區域無摩擦，操作簡單，可準確獲得板材在不同溫度和應變速率下的成形極限圖，為板材溫熱成形技術的工藝設計和模具設計提供重要依據。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種板材高溫成形極限圖的測試系統，其特徵在於，包括 雙軸拉伸裝置、材料熱/力模擬試驗裝置及測量分析裝置； 所述雙軸拉伸裝置用於在材料熱/力模擬試驗裝置對試樣進行加熱後，對試樣進行拉伸變形； 所述測量分析裝置用於獲取試樣變形的數據，並對獲取的試樣變形數據進行分析和計算，獲得板材的成形極限圖。
2.如權利要求I所述的板材高溫成形極限圖的測試系統，其特徵在於，所述雙軸拉伸裝置包括 夾具、兩個「井」字形部件、連杆、陶瓷墊片及陶瓷銷； 所述兩個「井」字形部件通過連杆連接； 所述夾具與所述連杆連接，所述夾具用於固定試樣，並在受到一定的載荷或位移時，同步或單軸對試樣進行拉伸運動； 所述「井」字形部件通過陶瓷銷和陶瓷墊片與所述連杆固定連接。
3.如權利要求2所述的板材高溫成形極限圖的測試系統，其特徵在於 所述「井」字形部件中心設有一觀察孔； 所述夾具包括兩組水平方向夾具及兩組豎直方向夾具。
4.如權利要求I所述的板材高溫成形極限圖的測試系統，其特徵在於 所述材料熱/力模擬試驗裝置為材料拉伸試驗機與加熱設備的一體化裝置或組合裝置。
5.如權利要求3所述的板材高溫成形極限圖的測試系統，其特徵在於，所述測量分析裝置包括 圖像採集設備及測量分析設備； 所述圖像採集設備用於通過所述觀察孔獲取試樣變形的數據； 所述測量分析設備用於通過對比獲取的試樣變形數據中不同變形時刻試樣表面隨機分布的斑點閾值，計算變形試樣的主次應變； 對不同變形試樣應變的計算結果進行多項式擬合，獲得成形極限圖。
6.如權利要求1-5任一項所述的板材高溫成形極限圖的測試系統，其特徵在於，所述試樣包括 十字形試樣或單軸應變狀態試樣； 所述試樣中間區域減薄，通過改變中間減薄區域的寬度a與長度b的比值a/b，獲得對應不同應變狀態的試樣，拉伸變形量的控制是由試樣的設計來完成的； 所述對應不同應變狀態的試樣，其臂上帶有不同數量的縫隙，厚度變化的過渡部分由圓角過渡。
7.如權利要求6所述的板材高溫成形極限圖的測試系統，其特徵在於 所述十字形試樣包括雙向應變狀態點試樣、平面應變狀態點試樣、介於雙向應變和平面應變狀態點試樣及介於單向應變和平面應變狀態點試樣； 所述單軸應變狀態試樣包括單向應變狀態點試樣。
8.一種板材高溫成形極限圖的測試方法，其特徵在於，包括 製備試樣，通過改變試樣中間減薄區域的長度a和寬度b的比值a/b，獲得對應不同應變狀態的試樣； 在試樣中間減薄區域設置圖像識別層； 將試樣安裝於雙軸拉伸裝置； 將雙軸拉伸裝置安裝於材料熱/力模擬試驗機，對製備的試樣加熱後進行拉伸變形；通過拉伸過程中圖樣識別層的變化獲取試樣變形的數據，對獲取的試樣變形數據進行分析，計算變形試樣的主次應變； 對不同變形試樣應變的計算結果進行多項式擬合，獲得成形極限圖。
9.如權利要求8所述的板材高溫成形極限圖的測試方法，其特徵在於 所述試樣包括十字形試樣及單軸應變狀態試樣； 所述試樣中間區域減薄，通過改變中間減薄區域的寬度a與長度b的比值a/b，獲得對應不同應變狀態的試樣，拉伸變形量的控制是由試樣的設計來完成的； 所述對應不同應變狀態的試樣臂上帶有不同數量的縫隙，厚度變化的過渡部分由圓角過渡。
10.如權利要求9所述的板材高溫成形極限圖的測試方法，其特徵在於 所述十字形試樣包括雙向應變狀態點試樣、平面應變狀態點試樣、介於雙向應變和平面應變狀態點試樣及介於單向應變和平面應變狀態點試樣； 所述單軸應變狀態試樣包括單向應變狀態點試樣。
全文摘要
公開了一種板材高溫成形極限圖的測試系統，包括雙軸拉伸裝置、材料熱/力模擬試驗裝置及測量分析裝置；所述雙軸拉伸裝置用於在材料熱/力模擬試驗裝置對試樣進行加熱後，對試樣進行拉伸變形；所述測量分析裝置用於獲取試樣變形的數據，並對獲取的試樣變形數據進行分析和計算，獲得板材的成形極限圖。本發明提供的一種板材高溫成形極限圖的測試方法，通過設計雙軸拉伸裝置和對應不同應變狀態的試樣，利用材料熱/力模擬試驗裝置，準確控制試樣變形區域的溫度和應變速率，且拉伸過程中變形區域無摩擦，操作簡單，可準確獲得板材在不同溫度和應變速率下的成形極限圖，為板材溫熱成形技術的工藝設計和模具設計提供重要依據。
文檔編號G01N3/02GK102749253SQ20121023854
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月10日 優先權日2012年7月10日
發明者劉光明, 朱啟建, 朱國森, 李學濤, 李本海, 李楠, 林建國, 羅家明 申請人:首鋼總公司