一种用于板材拉延及胀形性能实验的模具结构的制作方法

本发明适用于金属板材成形技术领域，具体涉及一种用于板材拉延及胀形性能实验的模具结构。

背景技术：

在节能、环保、安全、舒适以及智能化成为当今汽车技术发展的大趋势下，对高强度材料、复合材料、轻质金属材料的开发层出不穷，随着新材料的使用性能不断提升，对其成形性能也不容忽视。

在金属板材冲压成形技术及新材料开发领域，除了需要通过基本力学试验如单向拉伸试验、硬度试验等得到一些基本的使用性能指数如弹性模量、屈服强度、硬度等，还需要进行模拟试验来测试板料的成形性能如拉延、胀形、翻边等极限成形性能。板材的拉延、胀形试验是研究板材成形性能的重要手段，能够测量不同型号材料的成形极限，从而全面了解板材的成形性能。

swift试验是测试板料的拉延极限性能最常用的方法之一，也是中国gb/t15825.3-2008中推荐的方法，swift试验的基本原理是将圆片试样压置到凹模和压边圈之间，在保证压边圈上面的料不起皱的前提下，通过凸模对其进行拉深成形。拉延极限性能需要采用不同直径的试样，并逐级改变试样直径进行拉深，以测定拉深杯体底部圆角附近的壁部不产生破裂时允许使用的最大试样直径，从而求出极限拉延比ldr来评价板料的拉延极限性能。

埃里克森杯突试验则是测量板料胀形极限性能的常用方法之一，中国gb/t4156-2007对该试验有规定。杯突试验的基本原理是通过一个球头凸模压迫圆形金属板料进入凹模，由于金属板料的外边缘用压边圈压住，且压边圈与凹模之间布有拉延筋，使压边圈上的金属材料无法流动，不能进入凹模孔内补充，导致凸模上面的金属材料以两向受拉的形式发生变薄，最后拉裂。从凸模下行接触到板料开始，到坯料被拉破的一瞬间，凸模的位置差值，即为杯突试验值，并以该指标评价板料的胀形极限性能。

对于上述两种传统试验方法，是在两套不同的模具上分别进行，试验时需要更换不同的模具，过程繁琐，试验效率低。同时判别实验的终点需通过人的主观感知来决定，即通过肉眼观察试样的开裂情况或者根据观察板料开裂时发出的声响来判断试验停止的时刻。

因此，传统的板材成形性能测试实验，如swift试验和杯突试验，首先不能同时将拉延与胀形实验在一套模具中完成，这不仅增加了模具设计与制造成本，而且造成了一定的资源浪费；其次，多套模具的使用，导致实验效率低下，同时对实验结果造成一定的误差；最后，现有模具结构一般通过肉眼识别板材是否开裂，不能得到准确的实验数据。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于板材拉延及胀形性能实验的模具结构，该模具结构能够在一套模具中实现拉延与胀形实验，并能有效、直观的反应出板材拉延及胀形时不发生开裂的最大高度，提高了实验效率和实验精度。

本发明的具体技术方案如下：

一种用于板材拉延及胀形性能实验的模具结构，其特征在于，所述模具结构包括上模结构、下模结构、力传感器ⅰ、力传感器ⅱ和位移传感器；所述上模结构和所述下模结构通过上下相对运动实现板材的胀形及拉延实验；

所述上模结构包括上模座和凹模镶块；所述凹模镶块固定在所述上模座底部中心，所述凹模镶块中心为空心圆；在胀形实验时，在所述凹模镶块空心圆上方还设有固定在所述上模座底部的胀形凹模；

所述下模结构包括压边圈、底板、拉延凸模、下模镶块；所述压边圈与所述上模座能够上下相对运动；所述拉延凸模设置所述压边圈中心，所述拉延凸模底部穿过所述压边圈固定在所述压边圈下方的所述底板上；所述下模镶块固定在所述压边圈上，拉延实验时，所述下模镶块与所述凹模镶块配合压紧所述板材；进行胀形实验时，所述下模结构还包括胀形凸模，所述胀形凸模安装在所述拉延凸模中心内部，伸出所述拉延凸模对所述板材胀形；

所述力传感器ⅰ固定在所述压边圈的底部，用于实时输出板材胀形时的胀形力；所述力传感器ⅱ在所述底板底部中心与所述拉延凸模相接触，实时输出拉延实验时所述板材对所述拉延凸模的反作用力；所述位移传感器与所述压边圈相接，输出对应时间的所述压边圈的位移；根据时间、力与位移曲线，获得所述板材进行拉延及胀形实验时不发生开裂的最大高度。

进一步地，所述拉延凸模包括拉延凸模圆柱和拉延凸模扇形柱；所述胀形凸模在拉延凸模圆柱中心内部上下运动；所述拉延凸模圆柱安装在所述拉延凸模扇形柱上；所述压边圈具有型腔，所述拉延凸模扇形柱穿过所述型腔固定在所述底板上。

进一步地，所述胀形凹模底部具有凸起结构，所述拉延凸模圆柱顶部具有内凹结构；胀形实验时，所述胀形凹模的凸起结构与所述拉延凸模圆柱的内凹结构配合形成拉延坎结构，共同阻止两端所述板材流入所述胀形凹模内。

进一步地，所述模具结构还包括导板，多个所述导板分别对称固定在所述上模座的相对侧部，对所述上模座相对所述压边圈的上下运动进行导向。

进一步地，所述压边圈侧部设有挡板，所述位移传感器具有能够伸缩的导杆，所述导杆顶端与所述挡板接触，所述挡板带动所述导杆伸长或收缩。

进一步地，所述压边圈上设有行程限位块，所述行程限位块根据所述板材的料厚进行相应的更换。

进一步地，多个所述行程限位块均布在所述压边圈上。

进一步地，在所述下模镶块的前后、左右侧端部分别设有板材定位器。

进一步地，所述压边圈通过导柱组件固定在所述底板上；所述导柱组件高度能够随所述压边圈与所述底板的相对运动而改变。

进一步地，所述上模结构还包括顶盖安装块，所述胀形凹模顶部通过所述顶盖安装块固定在所述上模座底部中心。

本发明的有益效果：

本发明通用性强，以拆卸胀形凹模13与胀形凸模15的方式，通过上下机台的相对运动实现各模块工作位置或工作状态的快速切换，利用一套模具结构实现不同板料板材的拉延及胀形实验，充分利用了资源并大大提高实验效率，避免了制作多套模具而造成的资源浪费，降低了制造成本；同时本发明的各凸模和凹模在模具结构中心安装，具有对中性，且精度高，通过行程限位块可在一套模具结构内实现板材不同料厚的拉延及胀形实验，保证了整个实验结果的精准性，避免了因不同的模具加工精度而造成实验误差；通过本发明获得的力与位移的曲线，能直观的反应板材在拉延及胀形实验下的开裂情况及成形性能。

附图说明

图1为本发明用于板材拉延及胀形性能实验的模具结构的轴测图；

图2为本发明用于板材拉延及胀形性能实验的模具结构的剖视图；

图3为本发明中上模结构图；

图4为本发明中上模结构正向剖视图；

图5为本发明中上模结构俯视图；

图6为本发明中胀形凹模与顶盖安装板结构示意图；

图7为本发明中下模结构图；

图8为本发明中下模结构正向剖视图；

图9为本发明中压边圈结构图；

图10为本发明中拉延凸模结构图；

图11为本发明中胀形凸模结构图；

图12为本发明中导柱组件结构图；

图13为本发明中模具底板以下结构示意图；

图14为本发明模具仰视图；

图15为本发明胀形初始状态示意图；

图16为本发明胀形闭合状态示意图；

图17为本发明拉延初始状态示意图；

图18为本发明拉延闭合状态示意图。

其中：1–上模座、2–顶盖安装块、3–导板、4–压边圈、5–力传感器ⅰ、6–力传感器ⅰ垫块、7–力传感器ⅱ、8–底板、9–位移传感器固定装置、10–位移传感器、11–挡板、12–底板垫块、13–胀形凹模、14–凹模镶块、15–胀形凸模、16–拉延凸模圆柱、17–拉延凸模扇形柱、18–下模镶块、19–行程限位块、20–板材定位器、21–导柱组件。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

本发明中，术语“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信，也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元器件内部的联通，也可以是两个元器件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例记载了一种用于板材拉延及胀形性能实验的模具结构，通过本实施例中的模具结构可采用一套模具实现多种材质不同料厚的胀形及拉延实验，该模具结构为一套左右对称模具，同时该套模具结构可直接在一个机台上实现，减少了模具操作难度，提高了实验效率。

以下将结合附图1-18对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1和图2所示，该模具结构包括上模结构、下模结构、力传感器ⅰ5、力传感器ⅱ7和位移传感器10。上模结构和下模结构通过上下相对运动实现板材的胀形及拉延实验，力传感器ⅰ5用于实时输出板材胀形时的胀形力，力传感器ⅱ7用于实时输出拉延实验时板材对下模结构中拉延凸模的反作用力，位移传感器10用于输出对应时间的胀形及拉延行程，通过采集仪获取并拟合同一时间对应的力与位移的大小，输出力与位移曲线，查找曲线上的突变点从而确定板材进行胀形或拉延实验时某一开裂点的力与开裂高度，能有效并直观的反应出板材进行拉延及胀形实验时不发生开裂的最大高度，解决模具结构局限性问题。

如图3至图6所示，上模结构包括上模座1、顶盖安装块2、导板3、胀形凹模13和凹模镶块14。上模座1固定在机台的上机台上，可与固定在机台的下机台上的下模结构上下相对运动。在上模座1的相对两侧上分别通过螺栓固定两块导板3，对上模座1相对下模结构上下运动时进行导向。胀形凹模13底部具有凸起结构，在进行胀形实验时，胀形凹模13顶部通过顶盖安装块2固定在上模座1底部中心，胀形凹模13底部对板材起到一个拉延筋的作用，阻止两边板材的流入。凹模镶块14由四块带有圆弧缺口的镶块组成，四个圆弧缺口围成空心圆形，通过螺栓固定在上模座1底部，位于胀形凹模13下方，用于实现圆形板材的拉延。在进行拉延实验时，拆掉胀形凹模13，此时顶盖安装块2起到防护作用，防止凹模镶块14的镶块松动后飞出。

如图7和图8所示，下模结构包括压边圈4、底板8、挡板11、胀形凸模15、拉延凸模、下模镶块18、行程限位块19、板材定位器20和导柱组件21。

压边圈4固定在下机台上，如图9所示，压边圈4中心部分呈x形状，头部成球形的胀形凸模15(见图11)固定在x形状结构的中心，压边圈4将受到的机台顶杆力直接传递给胀形凸模15用于板材的胀形。压边圈4的x形状结构与压边圈4其余部分相互适配形成四个型腔。

如图10所示，拉延凸模由拉延凸模圆柱16和拉延凸模扇形柱17构成。拉延凸模圆柱16安装在拉延凸模扇形柱17上，位于压边圈4上方，与凹模镶块14共同作用实现对板材的拉延。胀形凸模15在拉延凸模圆柱16中心内部上下运动，当进行胀形实验时，胀形凸模15伸出拉延凸模圆柱16对板材进行胀形。拉延凸模扇形柱17由四块相同的扇形柱体组成，四个扇形柱体分别穿过压边圈4的四个型腔(本实施例中型腔与扇形柱体相匹配)固定在压边圈4下方的底板8上。拉延凸模扇形柱17延伸了拉延凸模的整体高度，使底板8对拉延凸模起到支撑作用，保证实验时拉延凸模始终不运动，同时在胀形过程中，拉延凸模圆柱16作为胀形压边圈与胀形凹模13共同作用压紧板材边缘，使胀形凸模15与拉延凸模不发生干涉。另外，拉延凸模圆柱16顶部具有内凹结构，与胀形凹模13底部的凸起结构相匹配，可在胀形实验时，与胀形凹模13共同对板材起到拉延坎的作用，阻止两端板材流入胀形凹模13内，从而实现板材胀形。

如图7和图8所示，下模镶块18由四块有圆弧缺口的镶块组成，四个镶块围绕拉延凸模圆柱16安装在压边圈4上，受到来自压边圈4的压边力，并将放置于拉延凸模圆柱16上的板材与上模座1的凹模镶块14一起压紧。

八个行程限位块19均布在压边圈4上四周，用于控制冲压行程，以保证模具结构闭合时各镶块间隙能满足板材厚度，本实施例中行程限位块19需根据不同料厚的板材进行相应的更换，板材厚度减小或增大时，行程限位块19就需在原来的基础上减小或增大原板材料厚与现板材料厚之差的绝对值。

在压边圈4上四个板材定位器20分别设置在下模镶块18的前后、左右侧端部，可对板材实现前后及左右方向限位，利于板材的固定。

本实施例中，压边圈4通过均匀分布的四个导柱组件21固定在底板8上，如图12所示，导柱组件21由导柱、导套及垫片组成，导套底部通过垫片与底板8固定，导套通过导柱与压边圈4相连，导柱可在导套内自动伸缩，使导柱可随压边圈4一起上下运动，以确保压边圈4与底板8能发生相对运动。

如图7和图14所示，四个力传感器ⅰ5分别固定在压边圈4的四角底部，实时感应模具胀形时机台顶杆对压边圈4的力，即胀形力，并由采集仪接收输出力与时间曲线。同时力传感器ⅰ5下方通过力传感器ⅰ垫块6实现模具结构在实验机台上的平衡，以确保力传感器ⅰ5输出胀形力的精准。

如图13和图14所示，力传感器ⅱ7固定于底板8中心下方，在底板8上具有与拉延凸模扇形柱17对应的四个扇形孔，力传感器ⅱ7通过底板8上的四个扇形孔与拉延凸模扇形柱17直接接触，从而实时感应拉延实验时板材对拉延凸模的反作用力。为保证力传感器ⅱ7不被压坏及确保整体模具结构的受力平衡，在底板8下方左右两侧及力传感器ⅱ7四周安装有底板垫块12。为节省材料，底板8下方左右两侧的底板垫块12分别又由四小块垫块组成，提高了资源利用率。

如图7和图13所示，位移传感器10通过位移传感器固定装置9安装在底板8下方右侧的底板垫块12上，位移传感器10具有能够伸缩的导杆，导杆顶端始终与固定在压边圈4上的挡板11接触，模具结构工作时，挡板11随压边圈4一起移动，从而挡板11带动导杆伸长或收缩，位移传感器10通过记录导杆的位移，从而实时监测压边圈4产生的位移，即为拉延及胀形的行程。

由于拉延工艺是均匀壁厚的变形，而胀形工艺是迫使板材厚度变薄的变形，即在板材拉延过程中，法兰面的材料会随着变形发生流动，而胀形过程中法兰面的材料不会发生流动，因此拉延工艺一般不采用拉延筋而胀形工艺需要采用。因此，本发明通过拆卸模块的方式将两种实验集成在一套模具中，实现一模两用。

本实施例的模具结构进行胀形及拉延实验前，需先根据板材确定合适的拉延和胀形凸模尺寸及对应实验的圆形板材大小。

在进行胀形实验时，下机台通过对压边圈4提供顶杆力带动胀形凸模15上移，压迫圆形板材进入胀形凹模13实现板材的胀形，如图15和图16所示，具体步骤如下：

1、将圆形板材通过板材定位器20精准的放置在拉延凸模圆柱16上，上机台带动上模座1向下运动，通过胀形凹模13将板材紧压在拉延凸模圆柱16上；此时拉延凸模圆柱16作为胀形压边圈，为板材提供压边力；

2、将力传感器ⅰ5和位移传感器10清零，完成模具结构胀形的初始状态后，开始板材胀形；

3、下机台顶杆不断向压边圈4提供恒定升力，压边圈4带动胀形凸模15往上模座1方向运动，压迫圆形板材进入胀形凹模13实现板材的胀形；力传感器ⅰ5实时输出该机台顶杆力；位移传感器10输出胀形凸模15的位移(即板材胀形深度)；

在胀形过程中，胀形凹模13与拉延凸模圆柱16始终将板材边缘压紧，同时胀形凹模13与拉延凸模圆柱16上的拉延坎结构保证边缘板材在胀形凸模15顶料过程中无法流动，不能进入胀形凹模13孔内补充，使胀形凸模15上面的金属材料以两向受拉的形式发生变薄，直至板材被拉破；

4、信息采集仪实时记录力传感器ⅰ5和位移传感器10输出的力与位移大小，通过力与时间曲线和位移与时间曲线找准某一时间开裂点对应的胀形力大小。

在进行拉延实验时，先拆掉本模具结构中的胀形凹模13和胀形凸模15，压边圈4提供压边力实现板材的压紧，然后上模座1带动凹模镶块14通过拉延凸模圆柱16实现板材的拉延，如图17和图18所示，具体步骤如下：

1、机台顶杆将压边圈4顶起，使安装在压边圈4上的下模镶块18与拉延凸模圆柱16平齐，将板材通过板材定位器20精准放置在拉延凸模圆柱16上；上机台带动上模座1下行，使凹模镶块14压住板材；

2、将力传感器ⅱ7和位移传感器10清零，模具结构由此状态对板材进行拉延；

3、上机台带动上模座1继续下行，使凹模镶块14对板材进行下行拉延，压边圈4随之下行，下模镶块18对边缘板材提供恒定向上的压边力，使凹模镶块14将板材紧压在下模镶块18上，拉延凸模圆柱16保持不动，实现拉延凸模圆柱16对板材的拉延，直至板材被拉破；力传感器ⅱ7输出板材对拉延凸模圆柱16的反作用力；位移传感器10输出压边圈4的下行位移(即为板材拉延深度)；

4、实验过程中，信息采集仪实时记录力传感器ⅱ7和位移传感器10输出的力与位移大小，通过力与时间曲线和位移与时间曲线找准某一时间开裂点对应的拉延力大小。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。