内外压复合作用下管材成形性能测试装置及方法
【专利摘要】内外压复合作用下管材成形性能测试装置及方法，涉及管材成形【技术领域】。解决了管材三维应力状态下成形性能难于测试及法向压力对成形性能的影响难于评估问题，装置包括缸体、活塞、活塞、端盖和端盖；测试方法为：将装有试样的活塞置入缸体内，安装左端盖和右端盖，向第一腔体、管材试样内部和第二腔体注入流体介质，通过独立控制的外接高压源使第一腔体、管材试样内部和第二腔体的压力同步达到某一压力值，然后逐渐降低第二腔体的压力，压差产生拉伸力使金属管材试样产生拉伸变形。采集压力及拉伸位移进行数据处理，可获得管材成形性能数据。本发明可建立管材单向拉伸时的三维应力条件，可有效评估三维应力状态中法向应力对管材成形性能的影响。
【专利说明】内外压复合作用下管材成形性能测试装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测试管材在内外压复合作用下成形性能的装置及方法，涉及管材成形【技术领域】。
【背景技术】
[0002]管材内高压整体成形可满足塑性成形产品轻量化、强韧化和低耗高效、精确制造等方面的要求，已成为先进塑性加工技术面向21世纪研究与发展的一个重要方向。近年来，以流体为传力介质的内高压成形技术以其工艺柔性高、制模简单、成形件质量好等优点，日益得到广泛的重视，可克服普通成形方式的不足，尤其适合变形量大、复杂管材零件的一道工序成形。为改善管材零件的可成形性、克服成形缺陷以及提高壁厚均匀性，对于铝合金等低塑性材料，可通过在管材内、外表面施加法向压力进行内外压复合作用下的内高压成形。上述成形方式使管材处于高压流体法向压力的作用下，变形坯料往往处于三维应力状态。
[0003]对管材内外压复合作用下的塑性成形特点、变形规律、制件的可成形性等深入研究需要以准确的成形性能为基础。常规的金属管材成形，变形管材处于二维应力状态下。常规的金属管材成形性能评价方法是在管材上切取单向拉伸试样，通过带有引伸计的拉伸试验机进行单向拉伸试验，计算机数据采集系统获得试样标距范围内的位移和拉伸力曲线，然后经过数据处理获得材料性能参数。对于小直径管材，无法切取单向拉伸试样，则直接做整体拉伸。对于管材内外复合作用下的内高压成形，法向压力比较大，变形管材处于三维应力状态下，三维应力状态下的应力-应变曲线、材料厚向异性指数、硬化指数及其与法向压力的关系等无法通过在普通拉伸试验机上的单向拉伸试验获得，而小直径管材则更难以实现上述性能测试。目前，由于法向压力无法施加，还没有通过单向拉伸试验有效评估管材内外压复合作用下成形性能的测试方法。
【发明内容】
[0004]针对管材三维应力状态下成形性能难于测试及法向压力对成形性能的影响难于评估问题、针对单向拉伸试验无法实现内外压复合作用下管材成形性能测试实际情况，本发明提出内外压力施加的方法，并提供一种测试管材在三维应力状态下成形性能的装置和方法。通过该装置和方法，可获得管材在内外压复合作用下的成形性能，并可考察不同法向压力对管材成形性能的影响。
[0005]本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:
[0006]一种内外压复合作用下管材成形性能测试装置，所述测试装置包括缸体、左端盖、右端盖、顶杆以及位于缸体内的左冲头、右冲头、左活塞、右活塞、第一导向支撑杆和第二导向支撑杆；右端盖安装在缸体的右端上，右冲头、右活塞相互配合连接用于夹持管材试样的右端且二者由缸体的左端依次装入缸体内，右冲头、右活塞可一同沿缸体内腔表面移动，左活塞、左冲头相互配合连接用于夹持管材试样的左端且二者由缸体的左端依次装入缸体左端内腔中，左冲头、右冲头同时还分别用于对管材试样的左右两端的扩口进行密封；左冲头与缸体的左端面限位连接，左端盖安装在缸体的左端上；左活塞、右活塞之间设有导向支撑杆和导向支撑杆；缸体侧壁与左活塞、右活塞构成第一密封腔体，缸体的侧壁与右冲头、右端盖构成第二密封腔体；在所述缸体侧壁上设有与第一密封腔体相通的第一液体注入孔，第一液体注入孔用于与高压源连接，所述左冲头上设有用于连通外部高压源与管材试样内腔的第三液体注入孔，所述右端盖上设有与第二密封腔体相通的第二液体注入孔；顶杆穿过右端盖，顶杆一部分位于第二密封腔体内且其相应端与右冲头连接，顶杆另一部分位于伸出缸体外部。
[0007]所述右活塞套装在右冲头上二者之间缝隙用于夹持管材试样的右端的锥形扩口 ；所述左活塞套装在左冲头上二者之间缝隙用于夹持管材试样的左端的锥形扩口。
[0008]所述右活塞的内腔面、左活塞的内腔面由内向外依次由渐扩的圆锥面和柱面构成，所述右冲头、左冲头的插接端外表面形状为锥面和柱面；右冲头锥面锥角和右活塞内部锥面锥角相同，左冲头锥面锥角和左活塞内部锥面锥角相同。
[0009]所述左冲头的外端面上设有台肩，实现与缸体左端面的限位连接。
[0010]所述第一导向支撑杆和第二导向支撑杆与左活塞螺纹连接。
[0011]所述第一导向支撑杆两端与左活塞、右活塞连接处分别设有第一左阶梯结构(限位挡台)、第一右阶梯结构；所述第二导向支撑杆两端与左活塞、右活塞连接处分别设有第二左阶梯结构(限位挡台)、第二右阶梯结构。
[0012]所述顶杆上与右冲头连接处 设有顶杆阶梯结构(限位挡台)。
[0013]顶杆与右冲头螺纹连接，所述顶杆与位移传感器连接。
[0014]一种利用上述测试 装置的内外压复合作用下管材成形性能测试方法，所述测试方法的实现过程如下:
[0015]步骤一、活塞摩擦力测试:单向拉伸过程中，右活塞与缸体之间存在摩擦，加载在第一密封腔体内的压力Pi驱动无装夹管材试样的右活塞运动，可驱动活塞运动的最小压力Pm与右活塞横截面积的乘积既是右活塞与缸体之间的摩擦力；
[0016]步骤二、制作金属管材试样:将外径为D。、内径为d。、原始厚度为
【权利要求】
1.一种内外压复合作用下管材成形性能测试装置，其特征在于:所述测试装置包括缸体(1)、左端盖(16)、右端盖(2)、顶杆(21)以及位于缸体(1)内的左冲头(17)、右冲头(6)、左活塞(12)、右活塞(4)、第一导向支撑杆(11)和第二导向支撑杆(20);右端盖(2)安装在缸体(1)的右端上，右冲头(6)、右活塞(4)相互配合连接用于夹持管材试样(19)的右端且二者由缸体(1)的左端依次装入缸体(1)内，右冲头(6)、右活塞(4)可一同沿缸体(1)内腔表面移动，左活塞(12)、左冲头(17)相互配合连接用于夹持管材试样(19)的左端且二者由缸体(1)的左端依次装入缸体(1)左端内腔中，左冲头(17)、右冲头(6)同时还分别用于对管材试样(19)的左右两端的扩口进行密封；左冲头(17)与缸体(1)的左端面限位连接，左端盖(16)安装在缸体(1)的左端上； 左活塞(12)、右活塞(4)之间设有导向支撑杆(11)和导向支撑杆(20);缸体(1)侧壁与左活塞(12)、右活塞(4)构成第一密封腔体(1-2)，缸体(1)的侧壁与右冲头(6)、右端盖(2)构成第二密封腔体(1-3);在所述缸体(1)侧壁上设有与第一密封腔体(1-2)相通的第一液体注入孔(1-1 )，第一液体注入孔(1-1)用于与高压源连接，所述左冲头(17)上设有用于连通外部高压源与管材试样(19)内腔的第三液体注入孔(17-1 )，所述右端盖(2)上设有与第二密封腔体(1-3)相通的第二液体注入孔(2-1); 顶杆(21)穿过右端盖(2)，顶杆(21)—部分位于第二密封腔体(1-3)内且其相应端与右冲头(6)连接，顶杆(21)另一部分位于伸出缸体(1)外部。
2.根据权利要求1所述的一种内外压复合作用下管材成形性能测试装置，其特征在于:所述右活塞(4)套装在右冲头(6)上二者之间缝隙用于夹持管材试样(19)的右端的锥形扩口 ；所述左活塞(12)套装在左冲头(17)上二者之间缝隙用于夹持管材试样(19)的左端的锥形扩口。
3.根据权利要求2所述的一种内外压复合作用下管材成形性能测试装置，其特征在于:所述右活塞(4)的内腔面、左活塞(12)的内腔面由内向外依次由渐扩的圆锥面和柱面构成，所述右冲头(6)、左冲头(17)的插接端外表面形状为锥面和柱面；右冲头(6)锥面锥角和右活塞(4)内部锥面锥角相同，左冲头(17)锥面锥角和左活塞(12)内部锥面锥角相同。
4.根据权利要求3所述的一种内外压复合作用下管材成形性能测试装置，其特征在于:所述左冲头(17)的外端面上设有台肩，实现与缸体(1)左端面的限位连接。
5.根据权利要求4所述的一种内外压复合作用下管材成形性能测试装置，其特征在于:所述第一导向支撑杆(11)和第二导向支撑杆(20)与左活塞(12)螺纹连接。
6.根据权利要求5所述的一种内外压复合作用下管材成形性能测试装置，其特征在于:所述第一导向支撑杆(11)两端与左活塞(12)、右活塞(4)连接处分别设有第一左阶梯结构(11-1)、第一右阶梯结构(11-2);所述第二导向支撑杆(20)两端与左活塞(12)、右活塞(4)连接处分别设有第二 左阶梯结构(20-1)、第二右阶梯结构(20-2)。
7.根据权利要求6所述的一种内外压复合作用下管材成形性能测试装置，其特征在于:所述顶杆(21)上与右冲头(6)连接处设有顶杆阶梯结构(21-1 )。
8.根据权利要求7所述的一种内外压复合作用下管材成形性能测试装置，其特征在于:顶杆(21)与右冲头(6)螺纹连接，所述顶杆(21)与位移传感器(23)连接。
9.一种利用权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述测试装置的内外压复合作用下管材成形性能测试方法，其特征在于，所述测试方法的实现过程如下: 步骤一、活塞摩擦力测试:单向拉伸过程中，右活塞(4)与缸体(1)之间存在摩擦，加载在第一密封腔体(1-2)内的压力Pl驱动无装夹管材试样(19)的右活塞(4)运动，可驱动活塞运动的最小压力Pm与右活塞(4)横截面积的乘积既是右活塞(4)与缸体(1)之间的摩擦力； 步骤二、制作金属管材试样:将外径为Dtl、内径为Cltl、原始厚度为
10.一种利用权利要求9所述装置的内外压复合作用下管材成形性能测试方法，其特征在于在步骤三中，夹紧金属管材试样的过程为:将金属管材试样(19)左端通过左冲头(17)夹持到左活塞(12)上，金属管材试样(19)右端通过右冲头(6)夹持到右活塞(4)上；右活塞(4)的直径为D ;在步骤四中、高压缸装配的过程为:安装右端盖(2)，将夹持管材试样(19)的右活塞(4)和左活塞(12)、连同第一导向支撑杆(11)、第二导向支撑杆(20)和顶杆(21)从缸体(1)左侧水平装入缸体内，顶杆(21)穿过右端盖(2 )之后与位移传感器(23 )连接，安装左端盖(16)。
【文档编号】G01N3/28GK103528899SQ201310533896
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年11月1日 优先权日:2013年11月1日
【发明者】徐永超, 苑世剑 申请人:哈尔滨工业大学