三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試裝置及方法
【專利摘要】三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試裝置及方法，涉及板材成形【技術領域】。解決了板材三維應力狀態(tài)下成形性能難于測試及法向壓力對成形性能的影響難于評估的問題。裝置主要包括缸體、左活塞、右活塞、左端蓋和右端蓋。測試方法：將裝有試樣的活塞置入缸體內(nèi)，安裝左端蓋和右端蓋，向第一腔體和第二腔體注入流體介質(zhì)，通過獨立控制的外接高壓源使第一腔體和第二腔體的壓力同步達到某一壓力值，然后逐漸降低第二腔體的壓力，壓差產(chǎn)生拉伸力使金屬板材試樣產(chǎn)生拉伸變形。通過采集壓力及拉伸位移進行數(shù)據(jù)處理，可獲得板材成形性能數(shù)據(jù)。使用本發(fā)明可建立單向拉伸時的三維應力條件，可有效評估三維應力狀態(tài)中法向應力對板材成形性能的影響。
【專利說明】三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測試板材在三維應力狀態(tài)下成形性能的裝置及方法，涉及板材成形【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近年來，以流體為傳力介質(zhì)的液壓成形技術以其工藝柔性高、制模簡單、成形質(zhì)量好等優(yōu)點，日益得到廣泛的重視，可克服普通沖壓成形方式的不足，尤其適合變形量大、復雜板材零件的一道工序成形。為改善板材零件的可成形性、克服成形缺陷以及提高壁厚均勻性，對于鋁合金等低塑性材料，經(jīng)常通過在板材上、下表面施加法向壓力進行正、反加壓的液壓成形。上述成形方式使板材處于高壓流體法向壓力的作用下，變形坯料往往處于三維應力狀態(tài)。
[0003]常規(guī)的金屬板材成形，變形板材處于二維應力狀態(tài)下。常規(guī)的金屬板材成形性能評價方法是單向拉伸試驗，在帶有引伸計的拉伸試驗機上進行，計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得試樣標距范圍內(nèi)的位移和拉伸力曲線，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲得材料性能參數(shù)。對于板材正反加壓的液壓成形，法向壓力比較大，變形板材處于三維應力狀態(tài)下，三維應力狀態(tài)下的應力-應變曲線、材料厚向異性指數(shù)、硬化指數(shù)及其與法向壓力的關系等無法通過在普通拉伸試驗機上的單向拉伸試驗獲得。目前，由于法向壓力無法施加，還沒有通過單向拉伸試驗有效評估板材三維應力狀態(tài)下成形性能的測試方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對板材三維應力狀態(tài)下成形性能難于測試及法向壓力對成形性能的影響難于評估問題，本發(fā)明提出法向壓力施加的方法，并提供一種三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試裝置及方法。通過該裝置及方法，可獲得板材在三維應力狀態(tài)下成形性能，并可考察不同法向壓力對板材成形性能的影響。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術問題采取的技術方案是:
[0006]三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試裝置，所述測試裝置包括包括缸體、左端蓋、右端蓋以及位于缸體內(nèi)的左活塞、右活塞、左夾持件、右夾持件、第一導向支撐桿和第二導向支撐桿；
[0007]右端蓋安裝在缸體的右端上，右夾持件固裝在右活塞內(nèi)且二者可一同沿缸體內(nèi)腔表面移動，左夾持件固裝在左活塞內(nèi)且左活塞安裝在缸體左端內(nèi)腔中，左夾持件由左上半錐形塊和左下半錐形塊構成，左上半錐形塊和左下半錐形塊合在一起用于夾持板材試樣的左端并將板材試樣的左端固定在左活塞上，右夾持件由右上半錐形塊和右下半錐形塊構成，右上半錐形塊和右下半錐形塊合在一起用于夾持板材試樣的右端并將板材試樣的右端固定在右活塞上；左活塞與缸體的左端面限位連接，左端蓋安裝在缸體的左端上；左活塞、右活塞之間設有第一導向支撐桿和第二導向支撐桿；缸體側(cè)壁與左活塞和左夾持件二者的內(nèi)端面、右活塞和右夾持件二者的內(nèi)端面構成第一密封腔體，缸體的側(cè)壁與右活塞的外端面、右端蓋的內(nèi)端面構成第二密封腔體；第一密封腔體和第二密封腔體之間為右活塞；在所述缸體側(cè)壁上設有與第一密封腔體相通的第一液體注入孔，第一液體注入孔用于與高壓源連接，所述右端蓋上設有與第二密封腔體相通的第二液體注入孔；頂桿穿過右端蓋，頂桿一部分位于第二密封腔體內(nèi)且其相應端與右活塞連接，頂桿另一部分位于伸出缸體外部。
[0008]所述右活塞內(nèi)部與右夾持件配合的表面為由外向內(nèi)漸擴圓錐面，右上半錐形塊和右下半錐形塊的錐角與右活塞內(nèi)部圓錐面的錐角相同；左活塞內(nèi)部與左夾持件配合的表面為由外向內(nèi)漸擴圓錐面，左上半錐形塊和左下半錐形塊的錐角與左活塞內(nèi)部圓錐面的錐角相同。
[0009]所述左活塞的外端面上設有臺肩，實現(xiàn)與缸體左端面的限位連接。
[0010]第一導向支撐桿和第二導向支撐桿與左活塞螺紋連接。[0011]所述第一導向支撐桿兩端與左活塞、右活塞連接處分別設有第一左階梯結(jié)構(限位擋臺)、第一右階梯結(jié)構；所述第二導向支撐桿兩端與左活塞、右活塞連接處分別設有第二左階梯結(jié)構(限位擋臺)、第二右階梯結(jié)構。
[0012]所述頂桿上與右活塞連接處設有頂桿階梯結(jié)構(限位擋臺)。
[0013]所述頂桿與右活塞螺紋連接，所述頂桿與位移傳感器連接。
[0014]一種利用上述測試裝置的三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試方法，所述測試方法的實現(xiàn)過程如下:
[0015]步驟一、活塞摩擦力測試:在單向拉伸過程中，右活塞與缸體之間由于密封的存在，產(chǎn)生摩擦，加載在第一密封腔體內(nèi)的壓力Pl驅(qū)動無裝夾板材試樣的活塞運動，可驅(qū)動活塞運動的最小壓力Pm與活塞橫截面積的乘積既是活塞與缸體之間的摩擦力；
[0016]步驟二、制作金屬板材試樣:將原始厚度為t0的金屬板材根據(jù)標準切割出長條形單向拉伸試樣，板材試樣中間部分的寬度小于其兩端的寬度；
[0017]步驟三、夾緊金屬板材試樣；
[0018]步驟四、高壓缸裝配；
[0019]步驟五、缸體左右腔壓力同步加載:通過第一液體注入孔和第二液體注入孔將第一密封腔體和第二密封腔體注入流體介質(zhì)，通過兩個獨立控制的高壓源在第一密封腔體施加壓力P1、第二密封腔體施加壓力P2，并使Pl與P2大小相等；
[0020]步驟六、單向拉伸試驗:保持第一密封腔體內(nèi)部壓力Pl恒定，逐漸降低第二密封腔體內(nèi)部壓力P2，第一密封腔體和第二密封腔體產(chǎn)生壓差，壓差產(chǎn)生的力推動右活塞運動，使板材試樣產(chǎn)生拉伸變形，記錄不同時刻第二密封腔體內(nèi)部壓力P2和頂桿的位移Λ L，當?shù)谝幻芊馇惑w內(nèi)部壓力Pl和第二密封腔體內(nèi)部壓力Ρ2的壓差達到驅(qū)動右活塞的最小壓力Pm時,拉伸試樣斷裂,拉伸結(jié)束；
[0021]步驟七、取出試樣:將第一密封腔體和第二密封腔體的壓力卸載，左端蓋和右端蓋拆下，取出左活塞和右活塞，將金屬板材試樣卸下；
[0022]步驟八、數(shù)據(jù)處理:根據(jù)第一密封腔體恒定壓力及連續(xù)獲得的第二密封腔體內(nèi)的壓力Ρ2和拉伸位移Λ L，考慮右活塞與缸體的摩擦力，算出不同時刻的單向拉伸力
F-P2 -PnJ及試樣橫截面積SD為右活塞的直徑；[0023]根據(jù)拉伸力及橫截面積即可獲得不同時刻的應力
【權利要求】
1.三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試裝置，其特征在于，所述測試裝置包括包括缸體(I)、左端蓋(19)、右端蓋(2)以及位于缸體(1)內(nèi)的左活塞(14)、右活塞(4)、左夾持件、右夾持件、第一導向支撐桿(13)和第二導向支撐桿(25)； 右端蓋(2)安裝在缸體(1)的右端上，右夾持件固裝在右活塞(4)內(nèi)且二者可一同沿缸體(1)內(nèi)腔表面移動，左夾持件固裝在左活塞(14 )內(nèi)且左活塞(14 )安裝在缸體(1)左端內(nèi)腔中，左夾持件由左上半錐形塊(22 )和左下半錐形塊(23 )構成，左上半錐形塊(22 )和左下半錐形塊(23 )合在一起用于夾持板材試樣(24 )的左端并將板材試樣(24 )的左端固定在左活塞(14)上，右夾持件由右上半錐形塊(12)和右下半錐形塊(11)構成，右上半錐形塊(12)和右下半錐形塊(11)合在一起用于夾持板材試樣(24 )的右端并將板材試樣(24 )的右端固定在右活塞(4)上；左活塞(14)與缸體(1)的左端面限位連接，左端蓋(19)安裝在缸體(1)的左端上； 左活塞(14)、右活塞(4)之間設有第一導向支撐桿(13)和第二導向支撐桿(25);缸體(I)側(cè)壁與左活塞(14)和左夾持件二者的內(nèi)端面、右活塞(4)和右夾持件二者的內(nèi)端面構成第一密封腔體(1-2)，缸體(1)的側(cè)壁與右活塞(4)的外端面、右端蓋(2)的內(nèi)端面構成第二密封腔體(1-3);第一密封腔體(1-2)和第二密封腔體(1-3)之間為右活塞(4);在所述缸體(1)側(cè)壁上設有與第一密封腔體(1-2)相通的第一液體注入孔(1-1 )，第一液體注入孔(1-1)用于與高壓源連接，所述右端蓋(2)上設有與第二密封腔體(1-3)相通的第二液體注入孔(2-1);頂桿(26)穿過右端蓋(2)，頂桿(26)—部分位于第二密封腔體(1-3)內(nèi)且其相應端與右活塞(4)連接，頂桿(26)另一部分位于伸出缸體(1)外部。
2.根據(jù)權利要求1所述的三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試裝置，其特征在于:所述右活塞(4)內(nèi)部與右夾持件配合的表面為由外向內(nèi)漸擴圓錐面，右上半錐形塊(12)和右下半錐形塊(11)的錐角與右活塞(4)內(nèi)部圓錐面的錐角相同；左活塞(14)內(nèi)部與左夾持件配合的表面為由外向內(nèi)漸擴圓錐面，左上半錐形塊(22)和左下半錐形塊(23)的錐角與左活塞(14)內(nèi)部圓錐面的錐角相 同。
3.根據(jù)權利要求2所述的三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試裝置，其特征在于:所述左活塞(14)的外端面上設有臺肩，實現(xiàn)與缸體(1)左端面的限位連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試裝置，其特征在于:第一導向支撐桿(13)和第二導向支撐桿(25)與左活塞(14)螺紋連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試裝置，其特征在于:所述第一導向支撐桿(13)兩端與左活塞(14)、右活塞(4)連接處分別設有第一左階梯結(jié)構(13-1)、第一右階梯結(jié)構(13-2);所述第二導向支撐桿(25)兩端與左活塞(14)、右活塞(4)連接處分別設有第二左階梯結(jié)構(25-1)、第二右階梯結(jié)構(25-2)。
6.根據(jù)權利要求5所述的三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試裝置，其特征在于:所述頂桿(26)上與右活塞(4)連接處設有頂桿階梯結(jié)構(26-1)。
7.根據(jù)權利要求7所述的三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試裝置，其特征在于:所述頂桿(26)與右活塞(4)螺紋連接，所述頂桿(26)與位移傳感器(28)連接。
8.一種利用權利要求1、2、3、4、5、6或7所述測試裝置的三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試方法，其特征在于，所述測試方法的實現(xiàn)過程如下: 步驟一、活塞摩擦力測試:在單向拉伸過程中，右活塞(4 )與缸體(1)之間由于密封(7，10)的存在，產(chǎn)生摩擦，加載在第一密封腔體(1-2)內(nèi)的壓力Pl驅(qū)動無裝夾板材試樣的活塞(4)運動，可驅(qū)動活塞運動的最小壓力Pm與活塞(4)橫截面積的乘積既是活塞(4)與缸體(I)之間的摩擦力； 步驟二、制作金屬板材試樣:將原始厚度為to的金屬板材根據(jù)標準切割出長條形單向拉伸試樣，板材試樣中間部分的寬度小于其兩端的寬度； 步驟三、夾緊金屬板材試樣； 步驟四、高壓缸裝配； 步驟五、缸體左右腔壓力同步加載:通過第一液體注入孔(1-1)和第二液體注入孔(2-1)將第一密封腔體(1-2)和第二密封腔體(1-3)注入流體介質(zhì)，通過兩個獨立控制的高壓源在第一密封腔體(1-2)施加壓力Pl、第二密封腔體(1-3)施加壓力P2，并使Pl與P2大小相等； 步驟六、單向拉伸試驗:保持第一密封腔體(1-2)內(nèi)部壓力Pl恒定，逐漸降低第二密封腔體(1-3)內(nèi)部壓力P2，第一密封腔體(1-2)和第二密封腔體(1-3)產(chǎn)生壓差，壓差產(chǎn)生的力推動右活塞(4)運動，使板材試樣(24)產(chǎn)生拉伸變形，記錄不同時刻第二密封腔體(1-3)內(nèi)部壓力P2和頂桿(26)的位移Λ L，當?shù)谝幻芊馇惑w(1-2)內(nèi)部壓力Pl和第二密封腔體(1-3)內(nèi)部壓力Ρ2的壓差達到驅(qū)動右活塞(4)的最小壓力Pm時，拉伸試樣斷裂，拉伸結(jié)束；步驟七、取出試樣:將第一密封腔體(1-2)和第二密封腔體(1-3)的壓力卸載，左端蓋(19)和右端蓋(2)拆下，取出左活塞(14)和右活塞(4)，將金屬板材試樣(24)卸下；步驟八、數(shù)據(jù)處理:根據(jù)第一密封腔體(1-2)恒定壓力及連續(xù)獲得的第二密封腔體(1-3)內(nèi)的壓力Ρ2和拉伸位移AL，考慮右活塞(4)與缸體(1)的摩擦力，算出不同時刻的單向拉伸力
9.根據(jù)權利要求8所述的三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試方法，其特征在于:在步驟二中，板材試樣中間變形部分的原始寬度HO為3mm,板材試樣變形區(qū)的長度LO為25mm ；板材試樣兩端的寬度為23mm。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的三維應力狀態(tài)下板材成形性能測試方法，其特征在于:在步驟三中，夾緊金屬板材試樣的過程為:將金屬板材試樣(24)左端通過左上半錐形塊(22)和左下半錐形塊(23)夾持到左活塞(14)上，金屬板材試樣(24)右端通過半錐形塊(11)和半錐形塊(12)夾持到右活塞(4)上，頂桿(26)安裝到右活塞(4)上； 在步驟四中，高壓缸裝配的過程為:安裝右端蓋(2)，將夾持板材試樣(24)的右活塞(4)和左活塞(14)、連同第一導向支撐桿(13)、第二導向支撐桿(25)和頂桿(26)從左側(cè)水平裝入缸體(1)內(nèi)， 頂桿(26 )穿過右端蓋(2 )之后與位移傳感器(28 )連接，安裝左端蓋(19)。
【文檔編號】G01N3/10GK103528898SQ201310533825
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權日:2013年11月1日
【發(fā)明者】徐永超, 苑世劍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學