[发明专利]三维应力状态下板材成形极限测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试板材在三维应力状态下成形极限的装置及方法。

背景技术

成形极限是板材成形领域中重要的性能指标和工艺参数，反映了板材在塑性失稳前所能取得的最大变形程度。为确定板材拉伸失稳的成形极限，目前从理论和实验等方面提出了许多研究与评价方法。其中，Nakazima试验法是目前常用的方法，其实质是半球刚性凸模胀形试验。通过丝网印刷方法在试样表面印制圆形网格，改变试样宽度和试件与凸模间的润滑进行半球刚性凸模胀形实验，试样破裂后，网格由圆形变成椭圆形，测量靠近破裂点位置的椭圆形网格长短轴的大小，计算长短轴的应变值，获得数据点，即可绘制出成形极限曲线FLC。这种试验方法获得的成形极限值接近工业生产中板材普通冲压的实际情况，符合二维应力条件下的成形。

近年来，以流体为传力介质的液压成形技术以其工艺柔性高、制模简单、成形零件质量好等优点，日益得到广泛的重视，能够克服普通冲压成形方式的不足，尤其适合在一道工序内成形变形量大的复杂板材零件。对于板材正反加压液压成形及管材内外加压液压成形，坯料在高压流体压力作用下，坯料变形往往处于三维应力状态下，Nakazima试验法已经不能符合三维应力状态下坯料变形的实际情况。

发明内容

针对目前测量成形极限的Nakazima试验法不能符合三维应力状态下坯料变形的实际情况，本发明提供一种三维应力状态下板材成形极限测试装置及方法，使用该方法及装置可获得板材在不同三维应力状态下的成形极限，满足实际应用。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述的三维应力状态下板材成形极限测试装置包括上模和下模，所述上模的型腔的内表面为椭圆柱面，所述上模的顶端上设有与型腔相通的上模液体注入孔；下模上设有贯通下模的下模液体注入孔，上模液体注入孔的轴线、下模液体注入孔的轴线、型腔沿长度方向的中心线三者同轴设置，上模和下模合模后通过密封圈进行密封。

利用上述测试装置的三维应力状态下板材成形极限测试方法，所述测试方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、准备多套上述测试装置，各个测试装置中型腔的椭圆形截面的长短轴比值各不相同，各个椭圆形截面的长短轴比值在1～2.5范围内均匀选取；

步骤二、制作金属板材试样：利用电蚀腐方式在圆形金属板材试样的上表面制作呈矩阵排布的多个圆形或正方形凹痕，使圆形金属板材试样的上表面为矩阵排布的圆形网格或的正方形网格状；测量呈矩阵排布的圆形或正方形凹痕的直径d或正方形凹痕的边长d；

步骤三、夹紧金属板材试样：将带有印制上述网格的金属板材试样放置在下模的上表面上且使网格表面朝上，压力机滑块带动上模下行接触所述金属板材试样，施加合模力、压紧金属板材试样；

步骤四、双向压力加载：在位于金属板材试样上方的上模液体注入孔内注入流体介质，在位于金属板材试样下方的下模液体注入孔内注入流体介质；在金属板材试样上表面施加法向压力P₂；在金属板材试样下表面施加胀形压力P₁；并使法向压力P₂与胀形压力P₁相等；

步骤五：胀形实验：增加下模液体注入孔内部压力P₁，板材试样发生胀形变形，直至试样发生破裂；破裂后，裂纹附近排布的圆形网格变成椭圆形网格，排布的正方形网格变成长方形网格；卸载型腔和下模液体注入孔内部的压力及合模力，压力机滑块带动上模回程；

步骤六：测量金属板材试样上变形后的网格：将金属板材试样卸下，测量金属板材试样上的破裂位置附近椭圆长轴长度d₁和短轴长度d₂，或测量金属板材试样上的破裂位置附近长方形长边长度d₁和短边长度d₂；

步骤七：根据测得的圆形或正方形网格变形前后的数据计算金属板材试样的破裂应变ε₁＝Ln[d₁-d/d]和ε₂＝Ln[d-d₂/d]，即可获得一组应变数据点；

改变型腔椭圆截面的长短轴比，重复上述步骤，即可获得多组不同极限应变数据点，分别以ε₁和ε₂为横坐标和纵坐标，绘制数据点，将所获得的数据点进行连接或者拟合，即可获得在某一法向压力P₂条件下的三维应力状态下的板材成形极限曲线；

法向压力P₂取不同的值可得一组具有一定上下平移量的板材成形极限曲线束。