一種管材充液脹形試驗方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料性能測試技術領域，特別是涉及一種基于軸向自由脹形的管材充 液成形性能測試試驗方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 管材充液成形技術（Tube Hydroforming)是指管材在內部液壓力和軸向推力作用 下充滿模具型腔并貼模，進而成形具有一定復雜型面的空心薄壁零件高壓柔性成形工藝， 也被稱為內高壓成形或液壓成形工藝，鑒于其特別適用于成形整體、復雜、薄壁的空心零 件，成形精度高、材料利用率高、生產(chǎn)成本低的特點，該技術在本世紀初得到了快速發(fā)展，并 開始廣泛應用于航空航天、汽車制造等產(chǎn)業(yè)。隨著工藝應用的發(fā)展，研宄人員發(fā)現(xiàn)由于高壓 均勻面力等因素的作用原始板材單向拉伸試驗獲得的材料性能參數(shù)不能很好地適用于管 材充液成形工藝分析，實際生產(chǎn)對材料性能的要求也越來越高，目前針對管材充液成形性 能的測試方法和裝置尚不夠完善和統(tǒng)一。根據(jù)大量工程經(jīng)驗和對現(xiàn)有管材脹形性能試驗方 法存在的不足之處，本發(fā)明提出了一種基于軸向自由脹形的管材充液成形性能測試試驗方 法及裝置。通過實驗驗證，該方法能夠穩(wěn)定獲得更大應變范圍內的管材充液脹形實時應力 應變數(shù)據(jù)，進而獲得應力應變曲線和材料性能參數(shù)，管材徑向應力（主應力）遠大于軸向應 力和厚向應力，接近于單向拉伸試驗的應力應變狀態(tài)，受力邊界簡單、清晰，摩擦、竄動等干 擾誤差小，易于檢測、采集和處理數(shù)據(jù)。另外，可以按照設定曲線在管材兩端施加拉力或推 力，完成簡單加載路徑下的管材成形極限試驗，繪制FLD-成形極限圖或FLSD-應力成形極 限圖，也可以實現(xiàn)復雜加載路徑下的材料變形過程模擬。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于軸向自由脹形的管材充液成形性能測試試驗方 法及裝置，準確可靠地獲取管材脹形應力應變曲線、材料性能參數(shù)和成形極限圖等，為材料 測試、檢驗和結構、工藝設計提供參考依據(jù)和標準。
[0004] 本發(fā)明提供的基于軸向自由脹形的管材充液成形性能測試試驗方法如圖1所示， 利用本發(fā)明提供的試驗裝置將11-試驗管材的兩端完全剛性約束，僅放開其軸向移動的自 由度，在管材內部施加均勻液壓力P，同時在管材左右兩端分別通過1-伺服側推油缸（管材 兩端各1個）施加推力Fp F2，并滿足公式（I)，Ain為11-試驗管材的內腔截面積，k i、1^2為 加載系數(shù)。
[0005] Ii1F1=Ii2F2=AinP (1)
[0006] 管材在脹形過程中直徑逐漸增大、長度逐漸縮短，因而伺服側推油缸在加載推力 的同時要跟隨管材的收縮而發(fā)生位移，才能保證側推力的施加是持續(xù)而穩(wěn)定、有效的，在精 確控制左右伺服側推油缸加載推力的同時，讓其隨管材的自由收縮而運動，但不控制其位 移的大小，僅保證其左右位移相等，即兩側伺服油缸上安裝的A-左側位移傳感器和I-右側 位移傳感器的位移反饋值S 1= S 2。液壓力p均勻上升直至管材破裂過程中保持前述關系 不變，同時通過D-超聲測厚儀及探頭、E-脹形高度位傳感器實時監(jiān)控管材脹形中間最高點 的實時壁厚t和脹形高度h。當Ii1= k2= 1時，側推力F p F2E好抵消內壓力p對管材內 腔端面Ain的作用力，通過獲得的脹形過程數(shù)據(jù)p、t、h即可按照塑性理論推導出11-試驗 管材的軸向自由脹形應力應變曲線及材料參數(shù)。此種工況下，試驗管材僅受到內壓力P對 管腔內壁的法向作用和管端節(jié)點的徑向約束，同時保持脹形最高點軸向不竄動，而不受任 何其它外力、約束或摩擦的影響。改變h、k 2即可在管材兩端施加不同的拉力或推力，完成 簡單加載路徑下的管材成形極限試驗。
[0007] 如圖2-5所示，本發(fā)明提供的基于軸向自由脹形的管材充液成形性能測試試驗裝 置的一種較佳實施例結構組成如下。
[0008] 組件1 :左右伺服側推油缸組件由1-伺服側推油缸、2-油缸防轉導向部件、3-側 推固定加強筋板、4-側推油缸固定板四部分組成。1-伺服側推油缸法蘭通過螺栓連接在 4-側推油缸固定板中心，3-側推固定加強筋板焊接在4-側推油缸固定板下部，與油缸同 偵牝2-油缸防轉導向部件通過螺栓連接安裝在油缸活塞桿前端，并穿過4-側推油缸固定板 上預留的通孔內，防止油缸活塞桿沿自身軸線旋轉。
[0009] 組件2 :上拉桿下工作臺組件由6-預緊拉桿套管部件、17-工作臺、18-預緊防松 螺母部件三部分組成。4-側推油缸固定板和3-側推固定加強筋板通過螺栓連接在17-工 作臺兩側，6-預緊拉桿套管部件穿過4-側推油缸固定板上部預留的通孔與17-工作臺一起 通過18-預緊防松螺母部件實現(xiàn)定位預緊。左右伺服側推油缸組件關于工作臺中心左右對 稱。
[0010] 組件3 :導向工裝組件由7-底板、8-上壓半圓形導套、9-下支撐半圓形導套、 10-軸向定位鍵四部分組成。導向工裝組件位于17-工作臺的中心位置，左右對稱。7-底 板通過銷釘和螺栓定位連接在17-工作臺上，9-下支撐半圓形導套與7-底板通過10-軸向 定位鍵和螺栓實現(xiàn)定位和壓緊，9-下支撐半圓形導套和左右伺服側推油缸組件同軸。8-上 壓半圓形導套與9-下支撐半圓形導套上下扣合，通過螺栓連接為圓形導向結構。
[0011] 組件4 :試驗管材及高壓密封推桿組件由5-左推桿、11-試驗管材、14-對開螺母 卡套部件、15-右推桿、16-超高壓水管、26-高壓密封圈六部分組成。14-對開螺母卡套部 件包括20-卡套、21-內螺紋圓柱銷、22-對開螺母。22-對開螺母上下瓣和20-卡套通過 21-內螺紋圓柱銷連接為一整體，并可反復拆裝。左、右推桿法蘭通過螺栓分別連接在左、右 伺服側推油缸的活塞桿端面上。左、右推桿與對開螺母卡套部件采用螺紋連接，并可反復拆 卸，11-試驗管材被左、右推桿和對開螺母卡套部件夾緊在中間，通過螺紋實現(xiàn)預緊。16-超 高壓水管通過螺紋連接在右推桿上，并可通過右推桿上的27-高壓水通道向試驗管材內注 入高壓液體。20-卡套可以在8-上壓半圓形導套和9-下支撐半圓形導套組成的圓形導向 結構內沿軸向自由竄動，配合界面采用大間隙配合，并涂油潤滑，因而形成整體的組件4可 以在組件3的導向結構內沿軸向自由竄動。
[0012] 組件5 :擴口模具包含19-左擴口沖頭、23-右擴口沖頭、24-限位塊下瓣和25-限 位塊上瓣，以及14-對開螺母卡套部件。左、右擴口沖頭法蘭通過螺栓分別連接在左、右伺 服側推油缸的活塞桿端面上。限位塊上、下瓣扣合在11-試驗管材中間并通過螺栓連接，兩 側端面與14-對開螺母卡套部件貼合，實現(xiàn)擴口限位作用，限位塊長度L tl即為11-試驗管 材的材料測試變形區(qū)長度，試驗管材外徑為Cltl。
[0013] 組件6 :傳感器系統(tǒng)由A-左側位移傳感器、B-左側油缸無桿腔壓力傳感器、C-左 側油缸有桿腔壓力傳感器、D-超聲測厚儀及探頭、E-脹形高度位傳感器、F-超高壓壓力傳 感器、G-右側油缸有桿腔壓力傳感器、H-右側油缸無桿腔壓力傳感器、I-右側位移傳感器 九個傳感器和12-超聲測頭固定塊、13-脹形高度位傳感器支架兩個傳感器的固定輔助結 構組成。
[0014] 試驗裝置總體：分為J-工控機總控系統(tǒng)、K-液壓系統(tǒng)、L-水系統(tǒng)、M-增壓器和 N-試驗工裝五部分，其中，N-試驗工裝包含組件1-5, J-工控機總控系統(tǒng)包含組件6。K-液 壓系統(tǒng)工作介質為液壓油，L-水系統(tǒng)工作介質為乳化液，M-增壓器為液壓力轉換和放大裝 置，通過1:10的高壓腔和低壓腔面積比可以將〇-25MPa的液壓泵站出口液壓油壓力轉換為 水壓力，并放大到0-250MPa。
[0015] 為了達到試驗目的，本發(fā)明提供的管材軸向自由脹形性能測試試驗方法包括按順 序進行的下列步驟：準備坯料一擴口一排氣密封一脹形與數(shù)據(jù)采集處理。
【附圖說明】
[0016] 圖1為管材軸向自由脹形性能測試試驗原理圖。
[0017] 圖2為擴口模具圖。
[0018] 圖3為試驗工裝結構圖。
[0019] 圖4為高壓密封結構圖。
[0020] 圖5為試驗裝置系統(tǒng)原理圖。
[0021] 圖6為實施例材料測試的應力應變曲線。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的管材充液脹形試驗方法及裝置進行 詳細說明。
[0023] 如圖2-圖5所示，本發(fā)明提供的管材充液脹形試驗方法包括按順序進行的下列 步驟：
[0024] 1)準備坯料根據(jù)試驗設計的Vdtl確定管材下料長度L，通常取L Vdtl= 1~5, L =U+0. Sdtl，下料完成后進行管端倒角和打磨等輔助操作，準備出11-試驗管材，便于進一 步試驗操作。
[0025] 2)擴口啟動設備，將左右伺服側推油缸退至最后，設為位移零點。將組件3安裝 在組件1、2中間，再把11-試驗管材、組件5-擴口模具與伺服側推油缸安裝好，確保24-限 位塊下瓣和25-限位塊上瓣夾緊11-試驗管材，限位塊兩側端面與14-對開螺母卡套部件 端面貼合。左右伺服側推油缸同步進給至11-試驗管材擴口部位與14-對開螺母卡套部件 內壁貼合，完成對11-試驗管材的擴口。左右伺服側推油缸后退至零點，拆卸19-左擴口沖 頭、23-右擴口沖頭、24-限位塊下瓣和25-限位塊上瓣。
[0026] 3)排氣密封參照圖3,將26-高壓密封圈安裝在5-左推桿、15-右推桿上并與 11-試驗管材、14-對開螺母卡套部件連接，首先將15-右推桿與右側對開螺母卡套部件通 過螺紋連接擰緊，同時夾緊11-試驗管材右端的擴口特征，然后將5-左推桿與左側對開螺 母卡套部件通過螺紋連接，旋入但不擰緊，保證管腔內氣體可以從左側排出。連接6-超高 壓水管和15-右推桿，啟動L-水系統(tǒng)，向管腔內補水，待水系統(tǒng)的工作介質乳化液從5-左 推桿與左側對開螺母卡套部件未旋緊的螺紋牙中大量溢出后即實現(xiàn)排氣。迅速將5-左推 桿與左側對開螺母卡套部件旋緊，完成密封。左右伺服側推油缸同步點動進給，至兩側油缸 活塞端面與左右推桿法蘭端面剛剛接觸，擰緊螺栓。至此試驗工裝已經(jīng)按照圖3組裝完畢。 此時如果11-試驗管材為有縱向焊縫的焊接管材，要注意確保焊縫朝下，防止管材破裂時 高壓水對試驗儀表和人員形成沖擊。安裝好傳