專利名稱：三維應力狀態(tài)下板材成形極限測試裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測試板材在三維應力狀態(tài)下成形極限的裝置及方法。
背景技術：
成形極限是板材成形領域中重要的性能指標和工藝參數(shù)，反映了板材在塑性失穩(wěn)前所能取得的最大變形程度。為確定板材拉伸失穩(wěn)的成形極限，目前從理論和實驗等方面提出了許多研究與評價方法。其中，Nakazima試驗法是目前常用的方法，其實質是半球剛性凸模脹形試驗。通過絲網(wǎng)印刷方法在試樣表面印制圓形網(wǎng)格，改變試樣寬度和試件與凸模間的潤滑進行半球剛性凸模脹形實驗，試樣破裂后，網(wǎng)格由圓形變成橢圓形，測量靠近破裂點位置的橢圓形網(wǎng)格長短軸的大小，計算長短軸的應變值，獲得數(shù)據(jù)點，即可繪制出成形極限曲線FLC。這種試驗方法獲得的成形極限值接近工業(yè)生產中板材普通沖壓的實際情況， 符合二維應力條件下的成形。近年來，以流體為傳力介質的液壓成形技術以其工藝柔性高、制模簡單、成形零件質量好等優(yōu)點，日益得到廣泛的重視，能夠克服普通沖壓成形方式的不足，尤其適合在一道工序內成形變形量大的復雜板材零件。對于板材正反加壓液壓成形及管材內外加壓液壓成形，坯料在高壓流體壓力作用下，坯料變形往往處于三維應力狀態(tài)下，Nakazima試驗法已經(jīng)不能符合三維應力狀態(tài)下坯料變形的實際情況。

發(fā)明內容
針對目前測量成形極限的Nakazima試驗法不能符合三維應力狀態(tài)下坯料變形的實際情況，本發(fā)明提供一種三維應力狀態(tài)下板材成形極限測試裝置及方法，使用該方法及裝置可獲得板材在不同三維應力狀態(tài)下的成形極限，滿足實際應用。本發(fā)明為解決上述技術問題采取的技術方案是本發(fā)明所述的三維應力狀態(tài)下板材成形極限測試裝置包括上模和下模，所述上模的型腔的內表面為橢圓柱面，所述上模的頂端上設有與型腔相通的上模液體注入孔；下模上設有貫通下模的下模液體注入孔，上模液體注入孔的軸線、下模液體注入孔的軸線、型腔沿長度方向的中心線三者同軸設置，上模和下模合模后通過密封圈進行密封。利用上述測試裝置的三維應力狀態(tài)下板材成形極限測試方法，所述測試方法是按照以下步驟實現(xiàn)的步驟一、準備多套上述測試裝置，各個測試裝置中型腔的橢圓形截面的長短軸比值各不相同，各個橢圓形截面的長短軸比值在I 2. 5范圍內均勻選??；步驟二、制作金屬板材試樣利用電蝕腐方式在圓形金屬板材試樣的上表面制作呈矩陣排布的多個圓形或正方形凹痕，使圓形金屬板材試樣的上表面為矩陣排布的圓形網(wǎng)格或的正方形網(wǎng)格狀；測量呈矩陣排布的圓形或正方形凹痕的直徑d或正方形凹痕的邊長 d ；步驟三、夾緊金屬板材試樣將帶有印制上述網(wǎng)格的金屬板材試樣放置在下模的上表面上且使網(wǎng)格表面朝上，壓力機滑塊帶動上模下行接觸所述金屬板材試樣，施加合模力、壓緊金屬板材試樣；步驟四、雙向壓力加載在位于金屬板材試樣上方的上模液體注入孔內注入流體介質，在位于金屬板材試樣下方的下模液體注入孔內注入流體介質；在金屬板材試樣上表面施加法向壓力P2 ;在金屬板材試樣下表面施加脹形壓力P1;并使法向壓力P2與脹形壓力 P1相等；步驟五脹形實驗增加下模液體注入孔內部壓力P1，板材試樣發(fā)生脹形變形，直至試樣發(fā)生破裂；破裂后，裂紋附近排布的圓形網(wǎng)格變成橢圓形網(wǎng)格，排布的正方形網(wǎng)格變成長方形網(wǎng)格；卸載型腔和下模液體注入孔內部的壓力及合模力，壓力機滑塊帶動上?；夭襟E六測量金屬板材試樣上變形后的網(wǎng)格將金屬板材試樣卸下，測量金屬板材試樣上的破裂位置附近橢圓長軸長度Cl1和短軸長度d2，或測量金屬板材試樣上的破裂位置附近長方形長邊長度Cl1和短邊長度d2 ；步驟七根據(jù)測得的圓形或正方形網(wǎng)格變形前后的數(shù)據(jù)計算金屬板材試樣的破裂應變ε I = Lntdi-d/d]和ε 2 = Ln[d_d2/d],即可獲得一組應變數(shù)據(jù)點；改變型腔橢圓截面的長短軸比，重復上述步驟，即可獲得多組不同極限應變數(shù)據(jù)點，分別以^和ε2為橫坐標和縱坐標，繪制數(shù)據(jù)點，將所獲得的數(shù)據(jù)點進行連接或者擬合，即可獲得在某一法向壓力P2條件下的三維應力狀態(tài)下的板材成形極限曲線；法向壓力P2取不同的值可得一組具有一定上下平移量的板材成形極限曲線束。本發(fā)明具有以下優(yōu)點I、采用本發(fā)明所述裝置對板材試樣進行成形極限曲線測試，方法簡單，易于實現(xiàn)， 可替代Nakazima試驗法,為成形極限測定提供一種新方法。2、對板材試樣施加雙面的法向壓力，使板材處于法向Z方向和脹形引起的平面X、 Y方向的三維應力狀態(tài)，可獲得不同法向壓力條件下的成形極限曲線，方便評估三維應力狀態(tài)中法向應力對成形極限的影響。使用本發(fā)明所述裝置及方法既可替代Nakazima試驗法測定板材脹形成形極限，也可評估三維應力狀態(tài)中法向應力對成形極限的影響。


圖I是本發(fā)明所述的三維應力狀態(tài)下板材成形極限測試裝置的結構示意圖；圖2 是圖I的A-A剖面圖(橢圓柱面的截面圖，2a為短軸、2b為長軸)，圖3印有圓形網(wǎng)格的板材試樣圖，圖4印有正方形網(wǎng)格的板材試樣圖；圖5利用本發(fā)明方法可得到的板材成形極限曲線圖。
具體實施例方式具體實施方式
一如圖I 5所示，本實施方式所述的三維應力狀態(tài)下板材成形極限測試裝置包括上模I和下模4，所述上模I的型腔1-2的內表面為橢圓柱面，所述上模I 的頂端上設有與型腔1-2相通的上模液體注入孔1-1 ;下模4上設有貫通下模4的下模液體注入孔4-1，上模液體注入孔1-1的軸線、下模液體注入孔4-1的軸線、型腔1-2沿長度方向的中心線三者同軸設置，上模I和下模4合模后通過密封圈3進行密封。上模I和下模4合模后，下模液體注入孔4-1與型腔1-2的開口部相通，所述上模I與壓力機滑塊連接；所述下模4與壓力機工作臺連接、固定；上模I和下模4內均設置密封圈3。
具體實施方式
二 如圖I 5所示，本實施方式所述的利用具體實施方式
一所述測試裝置的三維應力狀態(tài)下板材成形極限測試方法是按照以下步驟實現(xiàn)的步驟一、準備多套權利要求I所述測試裝置，各個測試裝置中型腔1-2的橢圓形截面的長短軸比值各不相同，各個橢圓形截面的長短軸比值在I 2. 5范圍內均勻選??；步驟二、制作金屬板材試樣利用電蝕腐方式在圓形金屬板材試樣的上表面制作呈矩陣排布的多個圓形或正方形凹痕，使圓形金屬板材試樣的上表面為矩陣排布的圓形網(wǎng)格或的正方形網(wǎng)格狀；測量呈矩陣排布的圓形或正方形凹痕的直徑d或正方形凹痕的邊長 d ；在本步驟中，在金屬板材試樣的上表面涂敷一層光致抗蝕劑，然后透過掩模對金屬板材試樣上表面的光致抗蝕劑層進行選擇性曝光，即把要印制的網(wǎng)格輪廓部分進行曝光，所述腐蝕的網(wǎng)格輪廓為以矩陣排布的圓形網(wǎng)格輪廓或以矩陣排布的正方形網(wǎng)格輪廓， 用金屬腐蝕液對已曝光部分的矩陣排布的圓形網(wǎng)格輪廓內部或矩陣排布的正方形網(wǎng)格輪廓內部進行腐蝕，矩陣排布的圓形網(wǎng)格或矩陣排布的正方形網(wǎng)格即可印制到金屬板材試樣的上表面上，測量矩陣排布的圓形網(wǎng)格的直徑d(或者正方形網(wǎng)格邊長)，從而得到金屬板材試樣；步驟三、夾緊金屬板材試樣將帶有印制上述網(wǎng)格的金屬板材試樣2放置在下模4 的上表面上且使網(wǎng)格表面朝上，壓力機滑塊帶動上模I下行接觸所述金屬板材試樣2，施加合模力、壓緊金屬板材試樣2 ；步驟四、雙向壓力加載在位于金屬板材試樣2上方的上模液體注入孔1-1內注入流體介質，在位于金屬板材試樣2下方的下模液體注入孔4-1內注入流體介質；在金屬板材試樣2上表面施加法向壓力P2 ;在金屬板材試樣2下表面施加脹形壓力P1 ;并使法向壓力 P2與脹形壓力P1相等；步驟五脹形實驗增加下模液體注入孔4-1內部壓力P1 (脹形壓力P1),板材試樣發(fā)生脹形變形，直至試樣發(fā)生破裂；破裂后，裂紋附近排布的圓形網(wǎng)格變成橢圓形網(wǎng)格，排布的正方形網(wǎng)格變成長方形網(wǎng)格；卸載型腔1-2和下模液體注入孔4-1內部的壓力及合模力，壓力機滑塊帶動上模I回程；步驟六測量金屬板材試樣上變形后的網(wǎng)格將金屬板材試樣2卸下，測量金屬板材試樣上的破裂位置附近橢圓長軸長度Cl1和短軸長度d2，或測量金屬板材試樣上的破裂位置附近長方形長邊長度Cl1和短邊長度d2 ；步驟七根據(jù)測得的圓形或正方形網(wǎng)格變形前后的數(shù)據(jù)計算金屬板材試樣的破裂應變ε I = Lntdi-d/d]和ε 2 = Ln[d_d2/d],即可獲得一組應變數(shù)據(jù)點；改變型腔1-2橢圓截面的長短軸比，重復上述步驟，即可獲得多組不同極限應變數(shù)據(jù)點，分別以^和ε2為橫坐標和縱坐標，繪制數(shù)據(jù)點，將所獲得的數(shù)據(jù)點進行連接或者擬合，即可獲得在某一法向壓力P2條件下的三維應力狀態(tài)下的板材成形極限曲線；法向壓力P2取不同的值可得一組具有一定上下平移量的板材成形極限曲線束。如圖5所示,每條曲線上的點的坐標為(ε 17 ε 2)。
具體實施方式
三本實施方式在步驟一中準備七套權利要求I所述測試裝置，各個測試裝置中型腔1-2的橢圓形截面的長短軸比值分別為I、I. 2、I. 4、I. 6、I. 8、2. O和2. 5， 短軸長為50mm,長軸分別為50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、IOOmm和125mm ;在步驟二中，制作
的圓形金屬板材試樣的直徑為200mm。其它步驟與具體實施方式
二相同。流體介質容腔1-2 (型腔1-2)內的壓力P2起到施加法向壓力、建立三維應力狀態(tài)的作用，流體介質容腔(下模液體注入孔4-1)內的壓力P1使試樣發(fā)生脹形。該方法既可替代Nakazima試驗法測定脹形極限，也可評估三維應力狀態(tài)中法向應力對成形極限的影響。
權利要求
1.一種三維應力狀態(tài)下板材成形極限測試裝置，其特征在于所述測試裝置包括上模(I)和下模(4)，所述上模(I)的型腔(1-2)的內表面為橢圓柱面，所述上模(I)的頂端上設有與型腔(1-2)相通的上模液體注入孔(1-1);下模(4)上設有貫通下模(4)的下模液體注入孔(4-1)，上模液體注入孔(1-1)的軸線、下模液體注入孔(4-1)的軸線、型腔(1-2) 沿長度方向的中心線三者同軸設置，上模(I)和下模(4)合模后通過密封圈(3)進行密封。
2.利用權利要求I所述測試裝置的三維應力狀態(tài)下板材成形極限測試方法，其特征在于所述測試方法是按照以下步驟實現(xiàn)的步驟一、準備多套權利要求I所述測試裝置，各個測試裝置中型腔(1-2)的橢圓形截面的長短軸比值各不相同，各個橢圓形截面的長短軸比值在I 2. 5范圍內均勻選取；步驟二、制作金屬板材試樣利用電蝕腐方式在圓形金屬板材試樣的上表面制作呈矩陣排布的多個圓形或正方形凹痕，使圓形金屬板材試樣的上表面為矩陣排布的圓形網(wǎng)格或的正方形網(wǎng)格狀；測量呈矩陣排布的圓形或正方形凹痕的直徑d或正方形凹痕的邊長d ； 步驟三、夾緊金屬板材試樣將帶有印制上述網(wǎng)格的金屬板材試樣(2)放置在下模(4) 的上表面上且使網(wǎng)格表面朝上，壓力機滑塊帶動上模(I)下行接觸所述金屬板材試樣(2)， 施加合模力、壓緊金屬板材試樣(2);步驟四、雙向壓力加載在位于金屬板材試樣(2)上方的上模液體注入孔(1-1)內注入流體介質，在位于金屬板材試樣(2)下方的下模液體注入孔(4-1)內注入流體介質；在金屬板材試樣(2)上表面施加法向壓力P2 ;在金屬板材試樣(2)下表面施加脹形壓力P1 ;并使法向壓力P2與脹形壓力P1相等；步驟五脹形實驗增加下模液體注入孔(4-1)內部壓力P1，板材試樣發(fā)生脹形變形， 直至試樣發(fā)生破裂；破裂后，裂紋附近排布的圓形網(wǎng)格變成橢圓形網(wǎng)格，排布的正方形網(wǎng)格變成長方形網(wǎng)格；卸載型腔(1-2)和下模液體注入孔(4-1)內部的壓力及合模力，壓力機滑塊帶動上模(I)回程；步驟六測量金屬板材試樣上變形后的網(wǎng)格將金屬板材試樣(2)卸下，測量金屬板材試樣上的破裂位置附近橢圓長軸長度Cl1和短軸長度d2，或測量金屬板材試樣上的破裂位置附近長方形長邊長度Cl1和短邊長度d2 ；步驟七根據(jù)測得的圓形或正方形網(wǎng)格變形前后的數(shù)據(jù)計算金屬板材試樣的破裂應變 ε I = Lntdi-d/d]和ε 2 = Ln[d_d2/d],即可獲得一組應變數(shù)據(jù)點；改變型腔(1-2)橢圓截面的長短軸比，重復上述步驟，即可獲得多組不同極限應變數(shù)據(jù)點，分別以^和ε2為橫坐標和縱坐標，繪制數(shù)據(jù)點，將所獲得的數(shù)據(jù)點進行連接或者擬合，即可獲得在某一法向壓力P2條件下的三維應力狀態(tài)下的板材成形極限曲線。
3.根據(jù)權利要求2所述的三維應力狀態(tài)下板材成形極限測試方法，其特征在于在步驟一中準備七套權利要求I所述測試裝置，各個測試裝置中型腔(1-2)的橢圓形截面的長短軸比值分別為1、1· 2,1. 4,1. 6,1. 8,2. O和2. 5，短軸長為50mm，長軸分別為50mm、60mm、 70mm>80mm>90mm> IOOmm和125_ ;在步驟二中，制作的圓形金屬板材試樣的直徑為200_。
全文摘要
三維應力狀態(tài)下板材成形極限測試裝置及方法，涉及一種板材成形極限測試所使用的裝置及方法。針對板材三維應力狀態(tài)下成形極限難于測試及法向壓力對成形極限的影響難于評估問題，裝置包括上模和下模。測試時依次向下模內注入流體介質、放置板材試樣、施加合模力、向上模內注入流體介質、控制上模和下模內的壓力進行加壓變形的過程。根據(jù)測得的圓形或正方形網(wǎng)格變形前后的數(shù)據(jù)計算金屬板材試樣的破裂應變ε1＝Ln[d1-d/d]和ε2＝Ln[d-d2/d]；改變型腔橢圓截面的長短軸比，獲得多組不同極限應變數(shù)據(jù)點，分別以ε1和ε2為橫坐標和縱坐標，將所獲得的數(shù)據(jù)點進行連接或者擬合，獲得在某一法向壓力條件下的三維應力狀態(tài)下的板材成形極限曲線；用于評估三維應力狀態(tài)中法向應力對成形極限的影響。
文檔編號G01N3/28GK102607969SQ201210074388
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權日2012年3月20日
發(fā)明者徐永超, 苑世劍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學