專利名稱：板材液壓成形中摩擦影響的測試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種板材液壓成形的測試裝置及方法，具體涉及一種板材液壓成形中摩擦影響的測試裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著航空航天及汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，大量冷成形性能差的輕質(zhì)材料及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁零件得到了廣泛應(yīng)用，這就為液壓成形技術(shù)的推廣提供了前所未有的契機。液壓成形獲得零件的表面質(zhì)量好、尺寸精度高，尤其適于形狀復(fù)雜、質(zhì)量要求高、小批量零件的生產(chǎn)，使復(fù)雜形狀構(gòu)件的生產(chǎn)簡單化、柔性化，實現(xiàn)零件的快速制造、模具成本也大幅度降低。生產(chǎn)出的零件整體性能好、回彈小，進而成為加工低塑性難成形材料構(gòu)件的首選途徑之一，特別是在汽車制造領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。按材料差異可分為板材液壓成形、管材液壓成形兩大類。其中，板材液壓成形主要是靠液室壓力所建立起來的板材與凸模(或凹模)間的有益摩擦和法蘭區(qū)與凹模(或凸模)之間的流體潤滑，來減小凸模(或凹模)圓角處坯料所受的徑向拉應(yīng)力從而提高其成形極限的。但板材液壓成形中液室壓力是隨著成形過程而逐漸發(fā)生變化的，板材與模具之間摩擦情況的變化也較為復(fù)雜，極易引起尺寸精度、壁厚分布及受力狀態(tài)發(fā)生改變。管材液壓成形是指通過內(nèi)部加壓和軸向補料把管坯壓入到模具型腔使其成形的工藝方法。進入十九世紀(jì)九十年代，隨著超高壓技術(shù)與液壓伺服技術(shù)的發(fā)展，管材液壓成形(內(nèi)高壓成形)開始在美國和歐洲應(yīng)用于生產(chǎn)汽車輕體結(jié)構(gòu)件。變徑管成形時在內(nèi)壓與軸向載荷合理匹配的情況下，理論上可以得到壁厚無減薄、膨脹量無限大的成形件，但由于摩擦條件的限制，管材內(nèi)高壓成形所獲得工件送料區(qū)壁厚增厚、膨脹區(qū)壁厚減薄是在所難免的；同時，如矩形、梯形或多邊形等截面的外凸部位成形時僅靠增大內(nèi)壓脹形獲得外凸圓角則易引起圓角與直邊過渡部位壁厚的減薄，使管件產(chǎn)生壁厚分布不均、尺寸超差等。液壓成形中傳力介質(zhì)雖可消除傳統(tǒng)沖壓成形過程中凸模(或凹模)對坯料產(chǎn)生的徑向摩擦，使成形零件一側(cè)的表面精度得到提高，然而坯料另一側(cè)在流體高壓作用下與凹模(或凸模)進行貼合成形，在成形過程中隨著坯料的徑向流動所產(chǎn)生的反向摩擦力對坯料在厚度方向上的減薄及分布有著顯著影響，掌握其變化規(guī)律并加以控制十分重要。傳統(tǒng)板(管)材液壓成形過程是在密閉模腔內(nèi)進行，摩擦、內(nèi)壓等對板(管)材壁厚分布耦合交互影響作用關(guān)系復(fù)雜，存在難以直接測試和實時評價的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決傳統(tǒng)板(管)材液壓成形中工藝因素影響多且存在著幾何非線性以及無法進行液壓成形情況下摩擦條件對板材壁厚分布影響的定量分析的問題，而提供一種板材液壓成形中摩擦影響的測試裝置及方法。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:裝置:所述裝置包括凸模、凹模、液壓控制系統(tǒng)、管路和兩個密封條，凹模的上端面由內(nèi)向外設(shè)有凹模介質(zhì)槽和凹模環(huán)形密封槽，凸模位于凹模的上面，凸模的下端面設(shè)有與凹模環(huán)形密封槽正對的凸模環(huán)形密封槽，兩個密封條分別設(shè)置在凸模環(huán)形密封槽和凹模環(huán)形密封槽中，管路的一端與液壓控制系統(tǒng)連接，管路的另一端與凹模介質(zhì)槽相通。方法:所述方法是通過以下步驟實現(xiàn)的:步驟一、按圖紙分別加工制作板材試樣若干個，板材試樣與凸模接觸的端面精度等級為IT8 IT7 ；步驟二、將凹模通過裝夾機構(gòu)固定于試驗臺上，保證凹模的壓邊區(qū)域處于水平狀態(tài)；步驟三、液壓控制系統(tǒng)通過管路向凹模介質(zhì)槽充入液壓油，充至液面高度為凹模介質(zhì)槽深度的4/5為止；步驟四、將板材試樣置于凹模的上端面處，將板材試樣的垂直幾何中心與凹模上端面的垂直幾何中心重合，對板材試樣左端進行標(biāo)記，并保證標(biāo)記不影響測量精度，對板材試樣標(biāo)記的一端施加固定約束；步驟五、將凸模安裝于試驗臺上方的行程機構(gòu)中，調(diào)整凸模的水平位置，使凸模下端面的垂直幾何中心與板材試樣的垂直幾何中心重合，將潤滑物質(zhì)均勻涂抹于凸模的下表面上，在板材試樣與凸模的下表面對應(yīng)區(qū)域內(nèi)也均勻涂抹潤滑物質(zhì)；步驟六、通過行程機構(gòu)使凸模平穩(wěn)下移直至與板材試樣接觸，同時預(yù)施加一定的合模力，并保證潤滑物質(zhì)與凸模及板材試樣發(fā)生充分接觸；步驟七、通過液壓控制系統(tǒng)對凹模介質(zhì)槽內(nèi)液壓油進行適時調(diào)控，保證凹模介質(zhì)槽內(nèi)液室壓力為20MPa IOOMPa區(qū)間內(nèi)的設(shè)定值，與此同時，對板材試樣另一端施加恒定的位移載荷，保證其應(yīng)變速率為0.0liT1 ；步驟八、在測試過程中對凹模介質(zhì)槽內(nèi)液壓油的壓力與拉伸載荷數(shù)值的變化進行適時記錄；步驟九、持續(xù)施加恒定位移載荷直至板材試樣發(fā)生斷裂，即實驗結(jié)束，分別卸去凹模介質(zhì)槽內(nèi)的壓力和拉伸載荷，并移除凸模；步驟十、取出板材試樣，對斷裂后的板材試樣進行壁厚減薄、斷裂后伸長尺寸測量，至此，完成板材液壓成形中摩擦影響的測試。本發(fā)明方法具體優(yōu)點如下:一、利用本發(fā)明的裝置可直接對板材液壓成形過程中的摩擦性能進行測試。測試過程中可排除板材液壓成形過程中非摩擦因素對板材壁厚變化及成形性能的干擾影響，針對由內(nèi)壓引起的摩擦對壁厚變化及成形性能影響進行獨立并有針對性地測試。利用本發(fā)明方法解決了傳統(tǒng)板(管)材液壓成形中工藝因素影響多且存在著幾何非線性以及無法進行液壓成形情況下摩擦條件對板材壁厚分布影響的定量分析的問題。二、通過更換不同材質(zhì)及表面粗糙度的凸模，同時在凸模與試樣接觸面之間添加不同潤滑劑，均可獲得不同屬性的摩擦表面與板材試樣發(fā)生接觸，從而產(chǎn)生不同效果的摩擦力。三、板材試樣的加載與變形方向保持一致，使受力與變形保持了線性度且拉伸載荷和液室壓力均可分別獨立加載及精確控制，測試裝置簡單但精度較高；四、采用本發(fā)明方法可測試低碳鋼、不銹鋼、鋁合金及鎂合金等多種金屬材質(zhì)，通過改變試樣的幾何形狀及尺寸可分別測量不同接觸條件下摩擦對壁厚變化的影響。五、本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠，制造技術(shù)成熟，易于在生產(chǎn)中實施、推廣和應(yīng)用。


圖1是具體實施方式
一的結(jié)構(gòu)主剖視圖(板材試樣2為一個)，圖2是具體實施方式
一的整體結(jié)構(gòu)主剖視圖(板材試樣2為兩個)，圖3是具體實施方式
二的主剖視圖，圖4是具體實施方式
三的主剖視圖，圖5是試樣A的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是試樣B的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式包括凸模4、凹模7、液壓控制系統(tǒng)8、管路9和兩個密封條6，凹模7的上端面由內(nèi)向外設(shè)有凹模介質(zhì)槽7-1和凹模環(huán)形密封槽7-2，凸模4位于凹模7的上面，凸模4的下端面設(shè)有與凹模環(huán)形密封槽7-2正對的凸模環(huán)形密封槽4-1，兩個密封條6分別設(shè)置在凸模環(huán)形密封槽4-1和凹模環(huán)形密封槽7-2中，管路9的一端與液壓控制系統(tǒng)8連接，管路9的另一端與凹模介質(zhì)槽7-1相通。凹模7固定于試驗臺上，將板材試樣2放置于凹模7的中部，并對板材試樣2的一端施加固定約束1，板材試樣2的上端面涂敷潤滑物質(zhì)3，由管路9向凹模介質(zhì)槽7-1內(nèi)充滿液壓油5，并通過液壓控制系統(tǒng)8對液室壓力進行調(diào)控。凸模4 (壓塊)下移至凹模7上端，同時對板材試樣2的另一端施加拉伸載荷。當(dāng)對兩個板材試樣2同時進行測試時，可將兩個板材試樣2上下疊放(見圖2)。板材試樣2有兩種:試樣A和試樣B，試樣A的兩夾持端A-1的寬度T大于標(biāo)距(測試區(qū)域)寬度t、且夾持端A-1與標(biāo)距間通過半圓過渡的試樣；試樣B為等寬的條狀矩形試樣。
具體實施方式
二:結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式的所述凸模4的下端面設(shè)有角形四邊環(huán)槽4-2，角形四邊環(huán)槽4-2的外邊緣與凹模介質(zhì)槽7-1的外邊緣正對。其它連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三:結(jié)合圖4說明本實施方式，本實施方式的凸模4的下端面設(shè)有梯形四邊環(huán)槽4-3，梯形四邊環(huán)槽4-3的外邊緣與凹模介質(zhì)槽7-1的外邊緣正對。其它連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式是通過以下步驟實現(xiàn)的:步驟一、按圖紙分別加工制作板材試樣2若干個，板材試樣2與凸模4接觸的端面精度等級為IT8 IT7 ；步驟二、將凹模7通過裝夾機構(gòu)固定于試驗臺上，保證凹模7的壓邊區(qū)域處于水平狀態(tài)，避免此處不可控摩擦量的引入；步驟三、液壓控制系統(tǒng)8通過管路9向凹模介質(zhì)槽7-1充入液壓油5，充至液面高度為凹模介質(zhì)槽7-1深度的4/5為止；步驟四、將板材試樣2置于凹模7的上端面處，將板材試樣2的垂直幾何中心與凹模7上端面的垂直幾何中心重合，對板材試樣2左端進行標(biāo)記，并保證標(biāo)記不影響測量精度，對板材試樣2標(biāo)記的一端施加固定約束I ;步驟五、將凸模4安裝于試驗臺上方的行程機構(gòu)中，調(diào)整凸模4的水平位置，使凸模4下端面的垂直幾何中心與板材試樣2的垂直幾何中心重合，將潤滑物質(zhì)3均勻涂抹于凸模4的下表面(即工作表面)上，在板材試樣2與凸模4的下表面對應(yīng)區(qū)域內(nèi)也均勻涂抹潤滑物質(zhì)3 ；步驟六、通過行程機構(gòu)使凸模4平穩(wěn)下移直至與板材試樣2接觸，同時預(yù)施加一定的合模力，并保證潤滑物質(zhì)3與凸模4及板材試樣2發(fā)生充分接觸；步驟七、通過液壓控制系統(tǒng)8對凹模介質(zhì)槽7-1內(nèi)液壓油5進行適時調(diào)控，保證凹模介質(zhì)槽7-1內(nèi)液室壓力為20MPa IOOMPa區(qū)間內(nèi)的設(shè)定值，與此同時，對板材試樣2另一端(右端)施加恒定的位移載荷，保證其應(yīng)變速率為0.0liT1 ；步驟八、在測試過程中對凹模介質(zhì)槽7-1內(nèi)液壓油5的壓力與拉伸載荷數(shù)值的變化進行適時記錄；步驟九、持續(xù)施加恒定位移載荷直至板材試樣2發(fā)生斷裂，即實驗結(jié)束，分別卸去凹模介質(zhì)槽7-1內(nèi)的壓力和拉伸載荷，并移除凸模4 ；步驟十、取出板材試樣2，對斷裂后的板材試樣進行壁厚減薄、斷裂后伸長尺寸測量，至此，完成板材液壓成形中摩擦影響的測試。
具體實施方式
五:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式為步驟五中的潤滑物質(zhì)3選用甘油或PE聚乙烯薄膜。其他步驟與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式為步驟七中的凹模介質(zhì)槽7-1內(nèi)液室壓力為30MPa。其他步驟與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
七:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式為步驟七中的凹模介質(zhì)槽7-1內(nèi)液室壓力為40MPa。其他步驟與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
八:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式為步驟七中的凹模介質(zhì)槽7-1內(nèi)液室壓力為55MPa。其他步驟與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
九:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式為步驟七中的凹模介質(zhì)槽7-1內(nèi)液室壓力為70MPa。其他步驟與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
十:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式為步驟七中的凹模介質(zhì)槽7-1內(nèi)液室壓力為85MPa。其他步驟與具體實施方式
四相同。
權(quán)利要求
1.一種板材液壓成形中摩擦影響的測試裝置，其特征在于:所述裝置包括凸模(4)、凹模(7)、液壓控制系統(tǒng)(8)、管路(9)和兩個密封條￠)，凹模(7)的上端面由內(nèi)向外設(shè)有凹模介質(zhì)槽(7-1)和凹模環(huán)形密封槽(7-2)，凸模(4)位于凹模(7)的上面，凸模(4)的下端面設(shè)有與凹模環(huán)形密封槽(7-2)正對的凸模環(huán)形密封槽(4-1)，兩個密封條(6)分別設(shè)置在凸模環(huán)形密封槽(4-1)和凹模環(huán)形密封槽(7-2)中，管路(9)的一端與液壓控制系統(tǒng)(8)連接，管路(9)的另一端與凹模介質(zhì)槽(7-1)相通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述板材液壓成形中摩擦影響的測試裝置，其特征在于:所述凸模(4)的下端面設(shè)有角形四邊環(huán)槽(4-2)，角形四邊環(huán)槽(4-2)的外邊緣與凹模介質(zhì)槽(7-1)的外邊緣正對。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述板材液壓成形中摩擦影響的測試裝置，其特征在于，所述凸模(4)的下端面設(shè)有梯形四邊環(huán)槽(4-3)，梯形四邊環(huán)槽(4-3)的外邊緣與凹模介質(zhì)槽(7-1)的外邊緣正對。
4.一種利用權(quán)利要求1所述裝置實現(xiàn)板材液壓成形中摩擦影響的測試方法，其特征在于，所述方法是通過以下步驟實現(xiàn)的: 步驟一、按圖紙分別加工制作板材試樣⑵若干個，板材試樣(2)與凸模(4)接觸的端面精度等級為IT8 IT7 ； 步驟二、將凹模(7)通過裝夾機構(gòu)固定于試驗臺上，保證凹模(7)的壓邊區(qū)域處于水平狀態(tài)； 步驟三、液壓控制系統(tǒng)(8)通過管路(9)向凹模介質(zhì)槽(7-1)充入液壓油(5)，充至液面高度為凹模介質(zhì)槽(7-1)深度的4/5為止； 步驟四、將板材 試樣(2)置于凹模(7)的上端面處，將板材試樣(2)的垂直幾何中心與凹模(7)上端面的垂直幾何中心重合，對板材試樣(2)左端進行標(biāo)記，并保證標(biāo)記不影響測量精度，對板材試樣(2)標(biāo)記的一端施加固定約束(I)； 步驟五、將凸模(4)安裝于試驗臺上方的行程機構(gòu)中，調(diào)整凸模(4)的水平位置，使凸模(4)下端面的垂直幾何中心與板材試樣(2)的垂直幾何中心重合，將潤滑物質(zhì)(3)均勻涂抹于凸模(4)的下表面上,在板材試樣(2)與凸模(4)的下表面對應(yīng)區(qū)域內(nèi)也均勻涂抹潤滑物質(zhì)⑶； 步驟六、通過行程機構(gòu)使凸模(4)平穩(wěn)下移直至與板材試樣(2)接觸，同時預(yù)施加一定的合模力，并保證潤滑物質(zhì)⑶與凸模⑷及板材試樣⑵發(fā)生充分接觸； 步驟七、通過液壓控制系統(tǒng)(8)對凹模介質(zhì)槽(7-1)內(nèi)液壓油(5)進行適時調(diào)控，保證凹模介質(zhì)槽(7-1)內(nèi)液室壓力為20MPa IOOMPa區(qū)間內(nèi)的設(shè)定值，與此同時，對板材試樣(2)另一端施加恒定的位移載荷，保證其應(yīng)變速率為0.0liT1 ； 步驟八、在測試過程中對凹模介質(zhì)槽(7-1)內(nèi)液壓油(5)的壓力與拉伸載荷數(shù)值的變化進行適時記錄； 步驟九、持續(xù)施加恒定位移載荷直至板材試樣(2)發(fā)生斷裂，即實驗結(jié)束，分別卸去凹模介質(zhì)槽(7-1)內(nèi)的壓力和拉伸載荷，并移除凸模⑷； 步驟十、取出板材試樣(2)，對斷裂后的板材試樣進行壁厚減薄、斷裂后伸長尺寸測量，至此，完成板材液壓成形中摩擦影響的測試。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述板材液壓成形中摩擦影響的測試方法，其特征在于，步驟五中的潤滑物質(zhì)(3)選用甘油或PE聚乙烯薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述板材液壓成形中摩擦影響的測試方法，其特征在于，步驟七中的凹模介質(zhì)槽(7-1)內(nèi)液室壓力為30MPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述板材液壓成形中摩擦影響的測試方法，其特征在于，步驟七中的凹模介質(zhì)槽(7-1)內(nèi)液室壓力為40MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述板材液壓成形中摩擦影響的測試方法，其特征在于，步驟七中的凹模介質(zhì)槽(7-1)內(nèi)液室壓力為55MPa。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述板材液壓成形中摩擦影響的測試方法，其特征在于，步驟七中的凹模介質(zhì)槽(7-1)內(nèi)液室壓力為70MPa。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述 板材液壓成形中摩擦影響的測試方法，其特征在于，步驟七中的凹模介質(zhì)槽(7-1)內(nèi)液室壓力為85MPa。
全文摘要
板材液壓成形中摩擦影響的測試裝置及方法，它涉及一種板材液壓成形的測試裝置及方法，以解決傳統(tǒng)板材液壓成形中，無法進行摩擦對板材壁厚分布影響的定量分析的問題。裝置凸模位于凹模上面，管路一端與液壓控制系統(tǒng)連接、另一端與凹模介質(zhì)槽相通。方法一、制作板材試樣；二、凹模處于水平；三、充入液壓油；四、對板材試樣左端進行標(biāo)記；五、涂抹潤滑物質(zhì)；六、凸模與板材試樣接觸；七、對凹模介質(zhì)槽內(nèi)液壓油進行適時調(diào)控；八、對壓力與拉伸載荷數(shù)值變化進行適時記錄；九、持續(xù)施加恒定載荷至板材試樣斷裂；十、對斷裂后的板材試樣進行壁厚減薄、斷裂后伸長尺寸測量。本發(fā)明用于板材液壓成形過程中摩擦、內(nèi)壓對壁厚分布及成形性能影響的測試。
文檔編號B21D26/029GK103143611SQ201310097449
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者李峰, 林俊峰, 劉鋼, 苑世劍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)