一种金属高温温热成形极限tfld测试装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种金属高温温热成形极限TFLD测试装置，其特征在于：包括液压试验机、模具、模具加热炉、自动送料机构、板料加热炉、板料快速冷却装置、加热控制系统和应变测量分析装置。本实用新型所提供的装置可以确保模具受热均匀，保证板料成形时温度不变，确保所测试的板料在测试温度下的等温或非等温成形极限，具有操作简单，自动化程度高，工作效率高，测试结果准确有效等优点。
【专利说明】一种金属高温温热成形极限TFLD测试装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及金属板材成形【技术领域】，具体地说是一种金属高温温热成形极限TFLD测试装置。
【背景技术】
[0002]近年来，由于能源及环境问题加剧，汽车设计制造面临的问题是如何在保证汽车被动安全性的前提下实现汽车轻量化，从而提高汽车燃油经济性，降低尾气排放。优化汽车结构设计、使用新型材料及相应的先进制造技术是解决上述问题的主要方法。高强度钢板热冲压成形技术是一项新型的专门用于成形高强度钢板的先进制造技术，可以生产更薄但强度更高的零件，且无回弹，形状精准度较高，在国外已被广泛应用于生产汽车上的结构件，如汽车的前后保险杠、A、B、C柱、车门防撞梁等。此外，镁、铝合金等轻质金属的温成形技术也被广泛用于生产汽车车身零部件。而国内对于温、热成形技术的研究才刚刚起步。
[0003]在温、热成形技术中，均需将金属板材加热至一定温度，随后采用特殊模具对高温板料进行冲压成形。特别地，在热成形技术中，需将高强度钢板加热到奥氏体温度，保温一定时间，使其充分奥氏体化，然后将板料快速冷却至最佳成形温度，并迅速转运到带有冷却系统的模具中进行冲压成形并保压淬火，得到最终的零件。
[0004]成形性是板料在成形过程中不发生破裂的能力，反映了材料在成形过程中所能取得的最大变形程度。在温、热成形过程中，若成形工艺参数选择不合适，比如压边力过大，开始成形温度不合适，无润滑等等，板料成形性变差，即出现颈缩甚至破裂，导致成形零件不满足使用要求。随着计算机及有限元技术的发展，常采用CAE软件对板料的成形过程进行数值模拟预测，并引入相应的成形极限判定准则，判断零件的成形性是否满足要求，从而指导模具设计改型及过程工艺参数优化，缩短产品开发周期。
[0005]在传统的冷冲压过程中，通常采用成形极限曲线(FLC-Forming Limit Curve)作为判定准则来描述板料的成形性。然而热成形过程是一个非等温的过程，在成形的过程中板料温度根据接触情况及变形条件不断变化，板料在该过程中的成形性主要受温度、成形速率等因素的影响，因此采用单一温度、成形速率下的成形极限曲线来评价热成形过程中板料的成形性是不准确的。
[0006]综合考虑热成形原理及成形极限受温度、成形速率影响，申请号为201110082554.7,201210238542.3的专利均提到了成形极限试验装置及如何获取成形极限图，但现有的板材高温温热成形极限的装置和测试方法很难准确获得高强度钢板在温热成形工艺下的高温温热成形极限曲面图(TFLD-Temperature Forming Limit Diagram),主要不足体现在均不能模拟热成形实际过程，即板料奥氏体化之后缺乏必要且有效的板料快速冷却装置将板料快速冷却至测试温度，导致板料发生组织转变。另外，申请号为201220130204.3的专利提出的方法是使用感应线圈对板料进行加热，虽然成形之前使用空气喷嘴对板料进行冷却，但此时板料与已预热的模具相接触，模具会间接发生降温，从而很难保证模具温度保持恒定不变，使得测定的成形极限不准确。另外，对于测定不含防氧化涂层钢板高温温热成形极限时，现有技术中缺乏必要的防氧化装置，导致成形之后网格不可见。而且现有技术中也未见提出一种适用于评价温、热成形等温或非等温成形过程中的零件成形性的有效方法。
实用新型内容
[0007]根据上述提出的技术问题，提供一种金属高温温热成形极限TFLD测试装置。
[0008]本实用新型采用的技术手段如下:
[0009]一种金属高温温热成形极限TFLD测试装置，其特征在于:包括液压试验机、模具、模具加热炉、自动送料机构、板料加热炉、板料快速冷却装置、加热控制系统和应变测量分析装置；
[0010]所述液压试验机用于控制安装在其上的所述模具运动，所述模具用于对试样进行压边及冲压成形；
[0011]所述模具加热炉置于所述液压试验机上用于对所述模具/所述模具和试样加热，是指所述模具加热炉既可用于单独加热模具，保证成形过程中模具温度保持恒定不变，也可用于研究镁、铝等轻质合金温成形极限时同时加热模具和试样，并保证成形过程中模具和试样温度恒定不变；
[0012]所述自动送料机构用于将试样转运到所述模具上，在所述自动送料机构的传送段上依次设置有用于加热并保温试样的板料加热炉和用于快速降低试样温度至测试温度的所述板料快速冷却装置；
[0013]上述的板料加热炉为平板形的加热炉，加热方式可采用辐射加热和感应加热两种方式，两端设有炉门，可上下开启，且该加热炉中可提供充足氮气，保证加热钢板时不发生氧化。上述的板料快速冷却装置用于在研究高强度钢板温热成形极限时，在传递试样过程中快速降低试样温度至测试温度，使得试样在奥氏体状态下成形而不发生或适量发生珠光体或贝氏体转变(马氏体转化率大于95%)；
[0014]所述加热控制系统用于对所述模具加热炉和所述板料加热炉进行控制；
[0015]所述应变测量分析装置用于获得试样变形的数据，并对获得的试样变形数据进行分析和计算，得到板料在高温下的温热成形极限曲面图。
[0016]本实用新型所提供的试验装置包含两套加热系统，即模具加热炉和板料加热炉，均通过加热控制系统控制其温度。在研究高强度钢板在高温下成形极限时，须模拟实际热成形工艺过程:通过板料加热炉加热试样至奥氏体温度，并保温实现完全奥氏体化，然后通过自动送料机构将高温试样送至板料快速冷却装置进行快速冷却至测试温度，再送至由模具加热炉加热的模具进行冲压成形；研究镁、铝等轻质合金在高温下的成形极限时，可将试样和模具同时在模具加热炉进行加热，到达测试温度后再进行冲压成形。
[0017]上述的液压试验机为双动压机，压边速度为0.1?50mm/s可调，冲压速度为
0.1?100mm/S可调，最大载荷为300KN。而且液压试验机与模具及模具加热炉组合成一体。
[0018]上述的应变测量分析装置包括图像采集设备及测量分析设备；图像采集设备用于采集变形后的试样的图像，获取试样上圆形栅格变形的数据；测量分析设备将测量试验上圆形栅格变形，并进行数据分析计算得到变形试样的第一主应变和第二主应变。[0019]作为优选，所述模具包括半球形的凸模、凹模和带有拉延筋的压边圈，所述凸模置于所述压边圈内，所述凸模的球头直径小于所述凹模和所述压边圈的内径；所述凸模、所述凹模和所述压边圈同轴安装在所述液压试验机上，所述凹模固定在所述液压试验机的上滑块下属的中心轴上，所述压边圈固定在所述液压试验机的底座上，所述凸模固定在所述液压试验机的底部顶缸上。
[0020]上述凸模、凹模和压边圈均由耐高温金属材料制成，球头直径小于凹模和压边圈的内径是指例如球头直径选取IOOmm为例，凹模和压边圈的内径可选取IlOmm ;拉延筋的形状可采用圆滑过渡的形式，如圆弧形或三角形(顶角为圆弧过渡)，主要是保证试样在成形过程中不发生滑动。在实际工作行程内，凸模、凹模和压边圈中心线偏差不大于0.15_。
[0021]作为优选，所述凸模、所述凹模和所述压边圈内部均设有用于实时监测模具内试样及炉膛温度并反馈给所述加热控制系统的温度传感器。
[0022]作为优选，所述模具加热炉包括上加热炉和下加热炉，所述上加热炉和下加热炉构成用于容纳所述模具的容纳空间，所述上加热炉和所述下加热炉的内壁均设有用于加热所述模具的环形式感应线圈；所述上加热炉和所述下加热炉的外侧设有用于防止加热炉外侧壁面温度过高的环形冷却水管。
[0023]上述的上加热炉对于凹模进行加热，下加热炉对于凸模和压边圈进行加热，凹模和上加热炉可随液压试验机上滑块的运动而运动，压边圈与下加热炉固定不动，下部顶缸控制凸模运动。上加热炉通过钢索连接在液压试验机上滑块上，可保证上、下加热炉闭合时，凹模仍可向下运动进行压边。
[0024]作为优选，所述上加热炉和所述下加热炉上均设有氮气管，可往炉内供应充足氮气，保证成形高温钢板时不发生氧化。
[0025]作为优选，所述自动送料机构采用双链条结构传动、直线导轨导向、变频电机无极调速，保证送样精确、快速、平稳，运动部分装有安全防护罩，防止对操作人员造成伤害；所述自动送料机构的传送段装有安全防护罩；所述传送段的前段设有气动控制的试样夹紧装置，所述自动送料机构上还设有传动距离调节装置，可分别传送尺寸不同的试样至准确位置:试样中心线与模具中心线偏差不大于0.15mm。
[0026]作为优选，所述板料快速冷却装置中设有可喷出压缩氮气的高压气体喷出装置，既可快速冷却板料至测试温度，也可防止钢板发生氧化。
[0027]应用本实用新型提供的金属高温温热成形极限TFLD测试装置获取高温温热成形极限曲面图的方法如下:
[0028]所述方法包括获取高强度钢板热成形过程高温温热成形极限曲面图和获取镁、铝等轻质合金温成形过程高温温热成形极限曲面图；
[0029]所述获取高强度钢板热成形高温温热成形极限曲面图的方法包括如下步骤:
[0030]首先，在模具的凸模上涂抹润滑剂润滑，采用模具加热炉将所述模具的凸模、凹模和压边圈加热到成形预定的温度并保持不变，成形预定温度在600?800°C之间；所述润滑剂为石墨与二硫化钥的混合物，两者按体积比为2:1进行混合，涂抹少许即可减小成形过程中试样与凸模之间的摩擦；
[0031 ] 然后，将板料加热炉升温至900?950°C后，将试样放在自动送料机构上通过自动送料机构将试样传送至板料加热炉中，试样加热至900?950°C,保温I?5min,获得均勻的奥氏体组织；
[0032]接着，自动送料机构将试样从板料加热炉中取出，将试样快速转移板料快速冷却装置中采用高压氮气对试样进行快速冷却，冷却速度大于50°C /s (根据实际需要，冷却速度大于80°C /s时效果较好)，确保试样不发生氧化，避免试样发生贝氏体或珠光体转变，同时采用红外测温仪监测试样温度并反馈控制系统，试样温度将要达到测试温度时，迅速将试样转移至模具上，使试样到达模具时的温度保持在试验测试温度±10°C范围之内；
[0033]然后，当试样到达模具时，凹模向下运动对试样进行快速压边，压边速度为25~30mm/s,随后凸模开始向上运动，运动速度为10~100mm/S可调，试样在恒温状态下发生变形，试样表面蚀刻的圆形栅格发生变形，当试样出现颈缩或者破裂时，停止试验；
[0034]最后，重复上述步骤，通过应变测量分析装置获取不同试样变形数据进行分析，计算变形试样的第一主应变和第二主应变，最后对应变结果进行拟合获取金属高温温热成形极限曲面图；
[0035]所述获取镁、铝等轻质合金温成形过程高温温热成形极限曲面图的方法包括如下步骤:
[0036]首先，在模具的凸模上涂抹润滑剂润滑，将试样放入模具加热炉中，将试样及模具的凸模、凹模和压边圈同时加热到试验预定温度并保持不变，预定温度在200~400°C之间，保温1~5min ；
[0037]然后，凹模向下运动，对试样进行压边，压边速度为25~30mm/s，随后凸模开始向上运动，运动速度为10~lOOmm/s，试样在恒温状态下发生变形，试样表面蚀刻的圆形栅格发生变形，当试样出现颈缩或者破裂时，停止试验；
[0038]最后，重复上述步骤，通过应变测量分析装置获取不同试样变形数据进行分析，计算变形试样的第一主应变和第二主应变，最后对应变结果进行拟合获取金属高温温热成形极限曲面图。
[0039]进一步地，所述应变测量分析装置通过光学及红外图像采集对试样颈缩或破裂区域进行拍摄，采用应变测量系统测量圆形栅格的长轴和短轴长度变化，圆形栅格长、短轴长度变化主要分为三种，即如图3所示，破裂的圆形栅格，颈缩的圆形栅格和紧靠颈缩的未破裂的圆形栅格，然后采用如下公式计算变化栅格的第一主应变及第二主应变，
【权利要求】
1.一种金属高温温热成形极限TFLD测试装置，其特征在于:包括液压试验机(I)、模具(2 )、模具加热炉(3 )、自动送料机构(4 )、板料加热炉(5 )、板料快速冷却装置(6 )、加热控制系统(7)和应变测量分析装置(8)； 所述液压试验机(I)用于控制安装在其上的所述模具(2 )运动，所述模具(2 )用于对试样(10)进行压边及冲压成形； 所述模具加热炉(3 )置于所述液压试验机(I)上用于对所述模具(2 ) /所述模具(2 )和试样(10)加热； 所述自动送料机构(4)用于将试样(10)转运到所述模具(2)上，在所述自动送料机构(4)的传送段上依次设置有用于加热并保温试样(10)的板料加热炉(5)和用于快速降低试样(10)温度至测试温度的所述板料快速冷却装置(6)； 所述加热控制系统(7)用于对所述模具加热炉(3)和所述板料加热炉(5)进行控制； 所述应变测量分析装置(8 )用于获得试样(10 )变形的数据，并对获得的试样(10 )变形数据进行分析和计算，得到板料在高温下的温热成形极限曲面图。
2.根据权利要求1所述的金属高温温热成形极限TFLD测试装置，其特征在于:所述模具(2)包括半球形的凸模(21)、凹模(22)和带有拉延筋的压边圈(23)，所述凸模(21)置于所述压边圈(23)内，所述凸模(21)的球头直径小于所述凹模(22)和所述压边圈(23)的内径；所述凸模(21)、所述凹模(22)和所述压边圈(23)同轴安装在所述液压试验机(I)上，所述凹模(22)固定在所述液压试验机(I)的上滑块下属的中心轴上，所述压边圈(23)固定在所述液压试验机(I)的底座上，所述凸模(21)固定在所述液压试验机(I)的底部顶缸上。
3.根据权利要求2所述的金属高温温热成形极限TFLD测试装置，其特征在于:所述凸模(21)、所述凹模(22)和所述压边圈(23)内部均设有用于实时监测模具内试样(10)及炉膛温度并反馈给所述加热控制系统(7)的温度传感器。
4.根据权利要求2所述的金属高温温热成形极限TFLD测试装置，其特征在于:所述模具加热炉(3)包括上加热炉(31)和下加热炉(32)，所述上加热炉(31)和下加热炉(32)构成用于容纳所述模具(2)的容纳空间，所述上加热炉(31)和所述下加热炉(32)的内壁均设有用于加热所述模具(2 )的环形式感应线圈(33 );所述上加热炉(31)和所述下加热炉(32 )的外侧设有用于防止加热炉外侧壁面温度过高的环形冷却水管。
5.根据权利要求4所述的金属高温温热成形极限TFLD测试装置，其特征在于:所述上加热炉(31)和所述下加热炉(32 )上均设有氮气管。
6.根据权利要求1所述的金属高温温热成形极限TFLD测试装置，其特征在于:所述自动送料机构(4)采用双链条结构传动、直线导轨导向、变频电机无极调速，所述自动送料机构(4)的传送段装有安全防护罩；所述传送段的前段设有气动控制的试样夹紧装置，所述自动送料机构(4)上还设有传动距离调节装置。
7.根据权利要求1所述的金属高温温热成形极限TFLD测试装置，其特征在于:所述板料快速冷却装置(6)中设有可喷出压缩氮气的高压气体喷出装置。
【文档编号】G01N3/28GK203502309SQ201320475508
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月5日 优先权日:2013年8月5日
【发明者】胡平, 郭威, 邵梅, 盈亮, 史栋勇, 赵坤民, 韩小强 申请人:大连理工大学