高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置及试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属板材成形性能测试装置，具体涉及一种高温恒应变速率条件下成 形极限图的测试装置及试验方法。
【背景技术】
[0002] 目前全球面临能源紧张和环境污染的压力，轻量化是汽车发展的主要趋势，正逐 渐由传统钢板转向高强钢、轻合金等轻量化材料汽车车身和底盘的构件用材，用来减轻汽 车重量。由此催生了一些新兴的板材成形工艺，例如铝合金、镁合金板材的超塑成形（SPF)、 快速塑性成形（QPF)、温冲压成形（WSF)，以及近几年发展起来的高强钢板的热冲压成形 (HSF)等等。这些工艺的共同特点就是板材在温热状态下成形，研宄温热态板材的成形性能 对于这些新兴成形工艺的发展至关重要。
[0003] 成形极限图（FLD, Forming Limit Diagram)是评价板材成形性能的重要依据和 指标，并在实际板材成形工艺中广泛应用。成形极限曲线不仅是实际板材成形工艺中评估 成形性和选用板材的重要依据，而且是有限元模拟板材成形中判断板材失效和破裂的重要 标准。针对常温下韧性板材成形极限的研宄已相对成熟，其中最常用的FLC试验方法是 Nakazima法（半球头刚性凸模胀形试验）和Marciniak法（平头刚性凸模胀形试验），ASTM E2218 (2002)和ISO 12004(1997)以及我国GB/T15825. 8(2008)均针对韧性板材规定了成 形极限标准试验规范。
[0004] 常温韧性板材成形一般不受应变速率因素影响，而在温热状态下板材呈现应变 速率敏感性，因此板材温热成形性能的试验研宄应该考虑应变速率。针对韧性板材成形 极限的常规测试装置及试验方法未必适合于温热态板材。申请号为201110082554. 7、 201210238542. 3和201310337979. 7的专利均涉及了高温成形极限试验装置及如何获取高 温成形极限图，但现有的板材高温成形极限装置及试验方法均采用恒定的凸模（或凹模） 冲压速率，这样获得的成形极限图不同程度地包含应变速率变化对成形性的影响。
[0005] 随着高温板材成形技术领域对板材成形极限图精度要求的提高，亟需发明一种能 够实现试样中心点处应变速率恒定的成形极限测试装置，这样就可消除成形过程中的应 变速率因素，通过获得不同应变速率条件下的成形极限曲线，就能掌握应变速率对板材温 热成形性能的影响规律，并建立板材温热成形极限曲面图（6FLD，Strain Rate Forming Limit Diagram)〇
【发明内容】
[0006] 本发明的目的，为了解决上述目前对建立板材成形极限图的技术存在的技术问 题，提出一种高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置及试验方法。
[0007] 本发明高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置，包括试样形变压力装置、 实时应变测量装置和控制器；
[0008] 所述的试样形变压力装置，包括底座、通过立柱固设在底座上的工作台、固设在底 座下端面的主液压缸和固设在底座上端面的副液压缸、穿置在底座和工作台上并与其呈滑 动配合的拉杆、固连在拉杆上端的凹模，拉杆下端与所述主液压缸的主活塞杆相连接；设置 在凹模下端的设有拉延筋的压边圈通过呈滑动配合的穿过工作台的顶杆与所述副液压缸 的副活塞杆相连接；在工作台上与凹模和压边圈同轴固设的凸模；试样放置于凹模和压边 圈之间；在工作台上还固设有下加热炉和上加热炉，上、下加热炉之间的高温密封圈，构成 容纳所述凹、凸模具的工作空间；
[0009] 所述的应变测量装置，包括通过支架固设在所述上加热炉上端面上方的具有配套 高速图像分析处理系统的摄像机和以下的目镜、物镜、滤光片，摄像机、目镜、物镜和滤光片 的光轴通过上加热炉上端面设置的装有石英玻璃的中心孔与所述的凹、凸模同轴（即摄像 机、所述目镜、所述物镜和所述滤光片与试样中心保证在同一轴线上）；与摄像机的图像分 析处理系统通讯连接的数据分析处理器；
[0010] 所述的数据分析处理器与所述的控制器通讯连接，传输应变信号至控制器；控制 器分别通过伺服驱动器和限压阀与所述的主液压缸和所述的副液压缸控制连接，以驱动所 述的凹模和压边圈作直线往复运动。
[0011] 在所述的上加热炉上端面上通过装有石英玻璃的斜孔设有照明光源。
[0012] 在所述的上加热炉上端面内侧设置有与所述拉杆上端面接触配合的支杆，凭借拉 杆的上下移动以及上加热炉的自身重力，实现上、下加热炉的开合。
[0013] 在所述的下加热炉的下端面设有柔性波纹管，波纹管与上加热炉和下加热炉围成 密闭空间；下加热炉上设有与抽真空装置相连接的出口管，用于实现加热装置内部的真空 环境，还设有与氩气瓶相连接的入口管，用于通入氩气为冲压后所述模具和试样提供防氧 化保护并冷却。
[0014] 一种基于本发明的测试装置建立高温恒应变速率条件下成形极限图的试验方法， 包括以下步骤：
[0015] a.将中心点处标记有十字形图案的试样置于测试装置中所述的压边圈上，使其十 字形图案的交叉点与模具轴线重合、十字形图案线段分别与第一主应力和第二主应力的方 向一致，启动加热至测试温度并保温；
[0016] b.在保证试样中心处应变速率恒定的条件下，对试样进行冲压成形，当试样出现 颈缩或破裂时，停止试验；
[0017] c.对冲压后的试样变形数据进行分析和测量，获得颈缩或破裂区域的第一主应变 和第二主应变；
[0018] d.更换不同规格尺寸的试样，重复步骤a_c，获得对应此应变速率条件下的板材 温热成形极限曲线；
[0019] e.按照设定间隔改变试样中心处应变速率值，重复步骤a-d，获得对应不同应变 速率的高温成形极限曲线，通过拟合获得对应此测试温度下的板材温热成形极限曲面。
[0020] 所述的试样选自GB/T15825. 8 (2008)，试样长度为180mm，宽度分别为20、40、60、 80、100、120、140、160和180mm的9种规格，涵盖成形极限图中从单向拉伸到双向等拉的应 力状态范围，采用激光标刻机对试样进行圆形栅格绘制，圆形栅格直径为2. 5mm，圆形栅格 相切排列，圆形栅格阵列与初始主应力方向一致，并且其中一圆形栅格的圆心须与试样中 心重合，试样中心处圆形栅格中绘制所述的十字形图案，相互垂直的线段交叉点为试样中 心，线段方向分别沿第一主应力和第二主应力方向。
[0021] 步骤c所述颈缩或破裂区域的第一主应变和第二主应变的获得，是对试样颈缩或 破裂区域的圆形栅格的长轴和短轴的变化进行测量，然后采用如下公式计算变化栅格的第 一主应变和第二主应变：
【主权项】
1. 一种高温恒应变速率条件下成形极限图的测试装置，包括试样形变压力装置、实时 应变测量装置和控制器（32)，其特征在于： 所述的试样形变压力装置，包括底座（11)、通过立柱（10)固设在底座（11)上的工作台 (8)、固设在底座（11)下端面的主液压缸（13)和固设在底座（11)上端面的副液压缸（17)、 穿置在底座（11)和工作台（8)上并与其呈滑动配合的拉