一种测量复杂应变路径下薄板成形极限的试验装置及方法与流程

本发明涉及一种金属薄板的成形性能的试验装置及测试方法，具体涉及一种复杂应变路径下金属板料成形极限曲线的测量装置及测试方法。

背景技术：

在当今的制造业中，冲压件由于生产效率高、质量稳定、生产方便的原因而获得大量的应用。以汽车为例，现在汽车上冲压件所消耗的钢材占到整车钢材消耗量的60％以上，而且随着新的冲压工艺的应用，未来这个比例可能回进一步提高，由此可见冲压件对于制造业的重要性。用于冲压工艺的材料一般为厚度6mm以下的金属薄板，金属薄板在模具里面经过拉深、弯曲和胀形几种变形或是几种变形的组合，获得所需形状的冲压件。

然而由于工艺设计的不合理或是金属薄板的成形性较差，板料在冲压的过程中可能会出现起皱或是破裂等缺陷。因此，在实际生产中，为了获得合格的冲压件，了解金属材料的成形性能是很重要的。现在工程中对于金属薄板的成形性能，一般采用成形极限曲线(FLC)来表征。试验时通过改变试件的尺寸，可以获得板料在不同线性应变路径下发生破裂或缩颈时失效区域附近的主次应变。将这些失效点处的应变在主次应变轴上绘制，便形成了成形极限图。

然而，在实际生产中发现，在复杂的应变路径条件下，有些冲压件局部的应变即使没越过成形极限曲线，其仍然发生了破裂和起皱等缺陷。由于成形极限图对应变路径依赖性，而无论是M-K方法或是Nakazima方法都只是在线性加载路径下测定板料的成形极限曲线。目前研究板料在复杂应变路径下的成形极限主要是两阶段进行，例如Graf和Hosford等先对板料进行预应变，然后进行胀形实验，但是预应变之后卸载的过程改变了板料的应力和应变状态。专利“复合应变路径成形实验装置”(申请号：201110194526.4)提出了一种复合应变路径成形装置，能够实现板料胀形+拉延的复合变形模式，但是该装置结构较复杂，而且破裂点的位置出现在圆角或侧壁部分，不便于观测。

因此，需要一种能够实现复杂应变路径变化，结构简单，且易于观测的复杂应变路径实验装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够实现板料复杂应变路径，并能够实时测量破裂点处应变的实验装置及测试方法，尤其涉及一种实现破裂点在破裂前的二重线性应变路径的实验装置及测量方法。通过调节试样和凸模的相对大小关系及位置关系，可以实现不同线性应变路径的组合。根据具体的冲压过程选择合适的凸模及试样，可以获得更加接近于真实情况的基于复杂应变路径的成形极限曲线(FLC)，从而使得获得的成形极限图(FLD)能够更好的指导实际生产。

本发明的技术方是提供一种测量复杂应变路径下薄板成形极限的试验装置，其包括：模柄，上模座螺栓，上模座，照相机，设备固定支架、第一导套，凸模固定板，凸模固定螺栓，凸模，第一导柱，压边圈螺栓，压边圈，凹模，凹模固定螺栓，下模座，第二导套，第二导柱，反胀形凸模，推杆，反胀形凸模垫板，反胀形凸模固定板，光源和卡销；其特征在于：

模柄通过螺纹与上模座连接；上模座和凸模固定板之间通过螺栓连接；凸模固定板中部为中空结构，光源和照相机通过设备固定支架固定在上模座上；设备固定支架通过卡销固定在凸模固定板上；

凸模为带法兰的中空结构，通过凸模固定螺栓和凸模固定板连接；

上模座通过第一导套和第一导柱进行定位；

第一导柱通过过盈配合固定于下模座上；

试样位于压边圈和凹模之间，通过压边圈施加的向下的压边力将试样固定于凹模上；

压边圈和凹模通过压边圈螺栓固定于凹模上，凹模通过凹模固定螺栓固定于下模座上；

反胀形凸模垫板和反胀形凸模固定板通过第二导套和第二导柱定位；凸模固定板中间开有小孔，反胀形凸模通过该孔定位和固定；

反胀形凸模垫板下表面开有向内的沉台，并与双动压机的下推杆刚性接触。

本发明还提供了一种利用测量复杂应变路径下薄板成形极限的试验装置进行测量的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、制备试样，其中试样能够做成矩形或者做成两头大中间小的哑铃状；

步骤2、在试样表面喷涂哑光白，然后在底漆为白漆的试样表面喷涂哑光黑漆；

步骤3、完成DIC设备的对标，包括调整相机的拍摄角度和光源的光线强度；

步骤4、装夹试样；

步骤5、试样表面的润滑，在试样的上下表面涂润滑油以减少摩擦；

步骤6、设置凸模及反胀形凸模的行程，开启DIC设备的数据采集系统并开始胀形试验，先进行凸模向下的胀形试验，后进行反胀形凸模的向上的胀形试验，直至试样表面发生颈缩或破裂；

步骤7、处理DIC设备获取的照片，运用DIC设备的后处理软件获取试样颈缩点或破裂点的应变路径，并绘制基于应变路径的成形极限图。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明所提供的复杂应变路径实验装置的模具结构简单，可以自由安装在压力机上，拆装简单方便。

(2)本发明所提供的复杂应变路径实验装置所适用的试样结构简单，运用线切割制作即可，试样制取简单方便。

(3)本发明所提供的复杂应变路径实验装置通过调节试样和凸模的相对大小关系及位置关系，可以实现不同线性应变路径的组合。运用它可以最大程度上获取同实际生产相吻合的成形极限曲线，从而更好的指导实际生产。

(4)本发明所提供的复杂应变路径实验装置通过安装在上端的DIC(Digital Image Correlation)设备来实时测量试样表面的全场应变，从而可以更方便的获取破裂点在实验过程中的应变路径及板料的成形极限曲线(FLC)。

附图说明

图1所示为本发明所述复杂应变路径实验装置的整体示意图

图2所示为本发明所述复杂应变路径实验装置凸模的主视图

图3所示为本发明所述复杂应变路径实验装置凸模俯视图

图4所示为本发明所述复杂应变路径实验装置反胀形凸模的三视图

图5所示为本发明所述复杂应变路径实验装置采用系列试样示意图；

图6所示为反胀形凸模与试样的第一种排布方式；

图7所示为反胀形凸模与试样的第二种排布方式；

图8所示为一步胀形后得到的试样；

图9(a)(b)所示为二步胀形后得到的试样；

图10为第一种排布方式下改变试样宽度得到的破裂点应变路径；

图11为第二种排布方式下改变试样宽度得到的破裂点应变路径；

图12为第二种排布方式下改变反胀形凸模尺寸得到的破裂点应变路径。

其中：1-模柄，2-上模座螺栓，3-上模座，4-照相机，5-设备固定支架，6-第一导套，7-凸模固定板，8-凸模固定螺栓，9-凸模，10-第一导柱，11-压边圈螺栓，12-压边圈，13-试样，14-凹模，15-凹模固定螺栓，16-下模座，17-第二导套，18-第二导柱，19-反胀形凸模，20-推杆，21-反胀形凸模垫板，22-反胀形凸模固定板，23-光源，24-卡销

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行进一步说明和描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护范围。

本发明所提供的复杂应变路径实验装置不仅可以用于常温下金属材料的成形极限曲线的测定，通过添加高温加热装置，也可用于测定材料在高温下的成形极限。下面仅以常温条件为例，结合附图来对本实施例进行详尽的说明。

如图1所示，本发明实施例所提供的测量复杂应变路径下薄板成形极限的试验装置包括：模柄1，上模座螺栓2，上模座3，照相机4，设备固定支架5、第一导套6，凸模固定板7，凸模固定凸模固定螺栓8，凸模9，第一导柱10，压边圈螺栓11，压边圈12，凹模14，凹模固定螺栓15，下模座16，第二导套17，第二导柱18，反胀形凸模19，推杆20，反胀形凸模垫板21，反胀形凸模固定板22，光源23和卡销24。

具体的，模柄1通过螺纹与上模座3连接。上模座3和凸模固定板7之间通过螺栓2连接。凸模固定板7中部为中空结构，光源23和照相机4通过设备固定支架5固定在上模座3上。设备固定支架5通过卡销24固定在凸模固定板7上。

凸模9为带法兰的中空结构，如图2和图3所示，通过凸模固定螺栓8和凸模固定板7连接。上模座3通过导套6和第一导柱10进行定位。第一导柱10通过过盈配合固定于下模座16上。

试样13位于压边圈12和凹模14之间，通过压边圈施加的向下的压边力将试样13固定于凹模14上。压边圈12和凹模14通过压边圈螺栓11固定于凹模14上，凹模14通过凹模固定螺栓15固定于下模座16上。

反胀形凸模垫板21和反胀形凸模固定板22通过导套17和导柱18定位。凸模固定板22中间开有小孔，反胀形凸模19通过该孔定位和固定。反胀形凸模19的结构示意图如图4所示，其模具型面呈现橄榄球形。反胀形凸模垫板21下表面开有向内的沉台，并与双动压机的下推杆20刚性接触。

试验中采用的试样为一系列长度相同而宽度不同的矩形试样，如图5所示，试样由开始的窄条状的矩形试样逐渐变为正方形试样。为了防止破裂或颈缩发生在圆角或侧壁部位，可将试样设计成两头大中间小的哑铃状。

针对试样与反胀形凸模的相对位置关系，本实验测试方法采取两种排布方式，如图6和图7所示。图6所示二者的相对位置关系为反胀形凸模的长轴与试样长边垂直，图7所示为反胀形凸模的长轴与试样长边平行。

本装置安装于双动液压机上，有两个动力源。为了获取二重线性应变路径，本试验采取两步胀形法来进行。当试样13装夹好后，模柄1通过液压机的液压缸的推动，由于上模座3、凸模固定板7和凸模9之间通过螺栓连接，模柄1向下运动带动凸模9向下运动一定的行程，通过环形压边圈12后，凸模9继续向下运动与试样13接触，试样13发生一定程度的塑性变形，当凸模9运动了一定的行程后保持不动，这个阶段为初步胀形。然后双动液压机液下端液压缸输出一个推动力，推动与之相连的推杆20向上运动，并带动反胀形凸模19向上运动，凸模19开始与试样接触并直至试样表面开始发生颈缩或破裂时为止，这个阶段为二次胀形。在试样发生塑性变形的整个过程中，都由处于凸模固定板7空腔中的照相机拍照记录试样表面的变形情况，后提交给计算机处理获取试样表面在实验过程中与时间相关的全场应变。

图8为经过初步胀形所获得的成形后的试样，图9(a)为反胀形凸模的长轴与试样长边垂直的排布方式下，经过二次胀形后的成形件。以图9(a)为例，由于试样的尺寸较窄，初步胀形时试样的中间部位表现为单向拉伸的塑性应变状态，二次胀形时，由于反胀形凸模的长轴与试样长边垂直，导致试样中间与反胀形凸模接触的部位沿与试样窄边平行的方向的材料流动比较困难，导致试样在二次胀形阶段表现为介于单向拉伸和平面应变的塑性应变状态。图9(b)反胀形凸模的长轴与试样长边平行的排布方式下，经过二次胀形后的成形件。以图9(b)为例，由于试样的尺寸较窄，初步胀形时试样的中间部位表现为单向拉伸的塑性应变状态，二次胀形时，由于反胀形凸模的长轴与试样长边平行，导致试样中间与反胀形凸模接触的部位沿与试样窄边平行的方向的材料流动比较容易，导致试样在二次胀形阶段表现为介于平面应变和双等拉的的塑性应变状态。

通过改变试样和模具的尺寸及试样与模具的排布方式，可以得到不同的线性应变路径的组合。图10为反胀形凸模的尺寸一定，且反胀形凸模的长轴与试样长边垂直的排布方式下，改变试样的宽度所的得到的破裂点的应变路径变化情况，横、纵坐标分别表示破裂点的主、次应变。由于反胀形凸模与试样的相对位置的变化，导致了破裂点在第二阶段的应变路径发生了改变，整个变形过程表现为单向拉伸到平面应变的状态。图11为反胀形凸模的尺寸一定，且反胀形凸模的长轴与试样长边平行的排布方式下，改变试样的宽度所的得到的破裂点的应变路径变化情况。整个变形过程表现为单向拉伸到双向拉伸的状态。图12为试样的尺寸一定，且反胀形凸模的长轴与试样长边平行的排布方式下，改变反胀形凸模19的尺寸得到的破裂点的应变路径在主、次应变图中的变化情况。可以看到由于试样的尺寸不变，初步胀形相同，都表现为单向拉伸，而二次胀形阶段随着试样的宽度的增加，试样的塑性应变更加趋近与双等拉的应变状态。需要说明的是，图8、9(a)、9(b)、10、11、12均为经过冲压仿真软件Dynaform分析所得到的结果。

运用本实验装置及测试方法获取复杂应变下材料的成形性时，其具体的实施过程包含以下步骤：

步骤1、试样13的制备，通过线切割制备试样。试样可以做成矩形状，也可以做成两头大中间小的哑铃状。

步骤2、表面散斑的获取，对于金属，为了获得更更好的表面散斑，可以先在试样表面喷涂哑光白，以防止金属试样表面反光影响照片质量，然后在底漆为白漆的试样表面喷涂哑光黑漆。

步骤3、DIC设备的对标，包括调整相机4的拍摄角度和光源23的光线强度，以获取较好质量的照片用于后续数据处理。

步骤4、装夹试样13，可以采用图6和图7的方式来装夹。

步骤5、试样表面的润滑，为减少摩擦对试验的干扰，可以在试样的上下表面涂润滑油以减少摩擦。

步骤6、设置凸模9及反胀形凸模19的行程，开启DIC数据采集系统并开始胀形试验，先进行凸模9向下的胀形试验，后进行反胀形凸模19的向上的胀形试验，直至试样表面发生颈缩或破裂。注意，在开始阶段凸模9胀形的过程中，不允许试样表面发生颈缩或破裂。

步骤7、处理DIC获取的照片，运用DIC设备自带的后处理软件获取试样13颈缩点或破裂点的应变路径，并绘制基于应变路径的成形极限图(FLD)。

运用本发明所述复杂应变路径实验装置，通过调节试样和模具的尺寸以及试样13和反胀形凸模19的相对排布方式，可以获得破裂点或颈缩点的不同的二重线性应变路径，对于拉深到平面应变，拉深到胀形都能取得较好的效果，且结构较为简单。由于反胀形凸模型面不同部位曲率的改变，可以获得板料不同方向上不同的应变变化情况。因此，反胀形凸模的型面不限于椭圆形，任何具有不同曲率的型面均有此特性，可以根据需要设计需要的反胀形凸模。此外，还可以在本发明所述复杂应变路径实验装置的基础上改进，例如压边圈可以采用变压边力，给装置加装加热和密封装置，用于测量材料在高温下的基于应变路径的成形极限曲线等等。

尽管已经结合实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解地是，本发明并非仅限于特定实施例，相反，在没有超出本申请精神和实质的各种修正，变形和替换都落入到本申请的保护范围之中。