专利名称：通用多参数金属板料拉深性能楔形试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及新材料开发及相关冲压成形工艺性能测定和相关模具设计和制 造技术领域，具体地说是一种通用多参数金属板料拉深性能楔形试验装置。
背景技术：
材料成形技术的创新是汽车、飞机、船舶等载运工具轻量化和降低能源消耗的关 键所在。这主要表现在两个方面一是新型高强度和低密度轻质材料的开发以及轻质零件 的制备，用其取代传统钢铁零部件，可以大大减轻载运器自重，如高强度钢、铝、镁、钛合金 等金属材料以及高分子材料和复合材料等；二是采用新的成形工艺实现零部件结构的简化 和轻型化，以节约原材料、提高性能，如剪裁毛坯、不等厚拼接成形、液压成形、零件轧制、发 泡铝成形、激光焊接等。但是，材料成形技术研究中的一个难点问题是对金属材料成形加工 工艺性能的可靠测定和准确评判。面对载运工具零件形状日益多样化，冲压工艺日益复杂 化的需求，没有科学、简便、可靠、实用的测定方法，会影响载运工具发展的步伐。现有的金属冲压拉深成形工艺性能测定方法包括胀形试验法(杯突试验)、扩 孔试验法、冲杯拉深性能试验法(SWIFT拉深试验)、拉深潜力试验法(TZP)和锥杯试验法 (福井锥杯试验)等。这些试验方法的共同点都是采用旋转体试样进行试验，测定的都是 规则条件下均勻的成形性能。针对现代载运工具多样化流线形产品越来越复杂的变形受力 状态，这些方法都显示出一定的局限性。比如对某个覆盖件产品胀形和拉深复合界面上的 变形性能的预测，由于没有可变边界条件的模拟和测定方式，不能得到可靠的结果。另一方 面，实验室条件下类似于覆盖件冲压所需大吨位冲床的缺乏，大型实验的模具制作和试样 制作成本等限制了冲压拉深性能测定的实用性、经济性和科学性。第三，现有的测定方法在 工艺参数的监控和分析精度方面还相当有限。第四，现有的测定方法都在液压机上进行，变 形的速度很小(如GB/T 15825. 3-2008中试验速度小于1. 2mm/s)，而实际板料冲压大多是 在机械压力机上进行，变形的速度相对较高。没有考虑变形速度对成形性能的影响，所得结 果与材料的实际成形性能将会有较大差距。已有拉楔拉伸实验法(图1)是用拉伸的方法，把扇形坯料拉过楔形夹具，只考虑 扇形变形区的变形，过滤了很多影响拉深效果的因素，测试精度有限。
发明内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种通用多参数金属板料拉 深性能楔形试验装置，试样为非旋转体、变形区受力边界条件可变、试样尺寸只有旋转体 1/6、冲压所需吨位相对只有1/5、工艺参数监控分析采用现代液电技术和信息技术，在滑块 速度连续可调的伺服冲床上进行测定的。为实现上述目的，本实用新型提出一种通用多参数金属板料拉深性能楔形试验装 置，包括凸模、压边圈、拉深凹模、反顶座、反顶油缸、凸模镶块、凹模圆角镶块、楔形镶块、压 边镶块、上模板、拉深工艺参数测定系统和伺服压机的数据分析系统，其特征为所述拉深
3工艺参数测定系统采用5段压边力变化监控，所述压边力采用闭环液压和PLC监控，并带有 压电式压力传感器和信号变送器，在压边缸和压边圈之间装有压力传感器，在反顶适配器 上装有反顶压力传感器。所述拉深工艺参数测定系统包括拉深行程监测、反顶力-行程、拉深力-行程、压 边力-行程、模具状态监测、滑块速度监测、切向压力监测、液压系统内压力闭环控制。本实用新型用拉深模具(图2)代替楔形夹具，取旋转体的1/6，两边有对称扇形的 坯料(图3)放在设置了楔形滑块的凹槽中，用楔形的压边块压住扇形部分，楔形滑块上设 定一定的切向压力，两边对称用拉深凸模进行拉深，获得直壁平行的拉深件(图4)。可以直 接反映凹模圆角、筒壁部两次弯曲、鞍形变形、筒壁危险区等变形特点(图5)。还增加了切 向应力等边界条件可变的功能。可以有选择地进行复合变形的复杂边界条件下，不同板料 的拉深工艺性能测定。其非旋转体的试样形状，为复杂非旋转体曲面的成形工艺性能测定 提供了具有更高符合度和适应性的试验方法。本实用新型中，楔形试样的坯料宽度由剪板机定位装置保证，宽度可以灵活调整。 利用通用楔形试样落料模落料，利用楔形拉深试验模进行拉深性能测定。拉深实验用的金 属材料强度在20 1200MPa范围内可变，变形速度在0 700mm/s范围内可调，压边力采 用闭环液压和PLC监控，并带有压电式压力传感器和信号变送器。拉深工艺参数测定系统 和伺服压机的数据分析系统一起可以对金属材料的拉深性能进行精确地评价。本实用新型中，板料厚度在0.40 2. 50mm范围内可变，对应实验拉深系数在 0. 94 0. 49范围内可变(对应板料宽度在96 182mm范围内可变)，对应拉深楔形角度可 以通过更换交叉布置的不同楔形挡块，在16 34°范围内可变。拉深压边力在0 100KN 范围内可变，拉深的凹模圆角半径在3 25mm范围内可变，拉深凸模圆角半径在0. 5 45mm范围内可变，拉深模具间隙在板料厚度与40mm之间的范围内可变(大间隙在曲面旋转 体拉深时有效)，拉深反顶力在0 50KN范围内可变，拉深反顶力可以在滑块0 700mm/s 的速度下，迅速卸压并维持设定的压力不变。本实用新型的有益效果把高精度压力传感器技术、闭环液电组合控制技术、先进 的伺服冲床和计算机技术结合，应用到金属板料成型工艺性能的检测分析中。用楔形拉深 试样代替圆筒形拉深试样，改变了圆筒形件拉深切向受力模式单一、不可变的局限，通过在 切向施加多样化的边界条件，可以模仿汽车覆盖件等冲压产品中某个局部的实际受力和变 形。应力和应变试验参数和实际环境更为接近，更有参考意义和实用性；只有圆筒形1/6的 楔形试样拉深，使得实验室条件下较小吨位的压力机可以进行对应较大尺寸的拉深试验； 在板料厚度、材质、压边力、反顶力、拉深变形速度、拉深系数、凹模圆角、凸模圆角和凹凸模 间隙等方面多参数可控和通用。对现代交通载运工具轻量化过程中新材料开发及其性能的 测定提供了一种新的有效装置。
图1是原有拉伸楔形试验方法示意图；图2是本实用新型的楔形拉深试验示意图；图3是本实用新型的楔形坯料示意图；图4是完成楔形拉深试验后的试样示意图；图5是楔形拉深试验的中间过程示意图；[0018]图6是可控宽度剪板机剪料示意图；图7是中心定位宽度可调的楔形试样落料冲孔示意图；图8是压边力_行程设定和实测曲线示意图；图9是便捷通用多参数的金属板料拉深性能楔形试验系统框图；图10是楔形拉深试验模具结构示意图；图中，01模柄、02销钉、03凸模、04压边圈+压力传感器、05拉深试样、06拉深凹 模、07反顶板、08反顶适配器、09反顶座、10反顶油缸、11反顶力传感器、12坯料导正钉、 13凸模镶块螺钉、14凸模镶块、15凹模圆角镶块、16楔形镶块、17压边镶块、18导柱、19凸 模固定板、20凸模垫板、21凸模固定螺钉、22上模板，23楔形拉深试样、24楔形挡块、25拉 深凹模、31楔角为24°的试样、32楔角为34°的试样、51扇形变形区、52凹模圆角区、53凸 模圆角区、54鞍形变形区、55筒壁危险区、61板料、62剪刀、63宽度调整器、64坯料、65剪板 机、72挡料钉、73冲定位孔、74阴影部分是凹模和凸模可以有效冲裁的区域、75可中心定位 调整宽度的侧向导料钉。
具体实施方式
具体试验方法过程为对所试板料进行工艺性数据采集和分析——在材料和工艺 数据库中选择相近似的可分析数据——对试验模具和试样进行三维实体造型——对力学 模型进行提炼——进行网格划分——进行边界参数的设置——进行CAE工艺模拟获得初试 数据——初选试验工艺方案——剪板机剪料(图6)——中心定位宽度可调的楔形试样落 料冲孔模(图7)——楔形拉深试验模——试验过程监控(含拉深行程监控、反顶力-行 程、拉深力-行程、压边力-行程(图8)、模具状态监控、滑块速度监控、切向压力监控、液压 系统内压力闭环控制)——对所获工艺数据反馈到对比判定环节，和CAE模拟的数据进行 对比和判定——分析试验数据，出具试验分析报告——所获数据经甄选后充实到CAE数据 库。完成本实用新型试验方法体系如图9所示。拉深试验模具结构如图10所示。其工作原理为设置五段压边力一行程参数；调 整反顶缸压力在所需的范围内和其他需要调整监控的工艺参数；根据坯料的厚度和所需凸 模圆角安装所需要的凸模镶块14，以满足拉深所需凹凸模间隙的值和凸模圆角半径值；安 装所需半径的凹模圆角镶块15 ；调整压力机的闭合高度使得拉深凸模的下止点位置可以 完成全部拉深行程；楔形坯料按楔形角置放于凹模上对应的楔形镶块16的楔形槽内，坯 料上的孔套在导正钉12上；启动压边圈下行压住拉深试样5 ；压机滑块下行，当凸模镶块 14接触到拉深试样5表面后开始拉深行程，这时安装在压边缸和压边圈4之间的压力传感 器显示出压边力值，在设定的范围内有五段压力变化；同时凸模镶块14和反顶板7压紧拉 深试样5防止由于两边不对称引起的坯料侧向滑移；这时凸模迫使反顶油缸10的活塞下 行，反顶缸下腔压力增加，由于反顶缸下腔回路设定了溢流压力，油缸下腔压力被卸压并维 持在恒压，直至行程结束，反顶压力传感器11测得反顶压力至监控器；反顶缸、压边缸向上 复位；拉深过程开始后筒壁危险区可能会因压边力过大、拉深系数过小、楔形角度过大、切 向压力过大、凸模圆角过小、凹模圆角过小、滑块速度过快或过慢、压边力过小引起扇形区 起皱等因素造成破裂。这时可以维持其它因素不变，通过调整某一个参数重复实验，直到获 得无失效的拉深结果。记录所有参数，绘制所有因素对拉深性能的影响规律曲线，并对此材 料的冲压工艺性能进行一个准确地评价。更换材质、材料厚度等，再次重复前述过程，可以对不同材料和厚度的板料进行工艺性分析和对比。
权利要求一种通用多参数金属板料拉深性能楔形试验装置，包括凸模、压边圈、拉深凹模、反顶座、反顶适配器、反顶油缸、凸模镶块、凹模圆角镶块、楔形镶块、压边镶块、上模板、拉深工艺参数测定系统和伺服压机的数据分析系统，其特征为所述拉深工艺参数测定系统采用5段压边力变化监控，所述压边力采用闭环液压和PLC监控，并带有压电式压力传感器和信号变送器，在压边缸和压边圈之间装有压力传感器，在反顶适配器上装有反顶压力传感器。
2.按权利要求1所述的通用多参数金属板料拉深性能楔形试验装置，其特征为所述 板料厚度为0. 40 2. 50mm,对应实验拉深系数为0. 94 0. 49，对应拉深楔形角度通过更 换交叉布置的不同楔形挡块为16 34°，拉深压边力为0 100KN，拉深的凹模圆角半径 为3 25mm，拉深凸模圆角半径为0. 5 45mm，拉深模具间隙为0 40mm，拉深反顶力为 0 50KN。
专利摘要本实用新型涉及一种通用多参数金属板料拉深性能楔形试验装置，所述拉深工艺参数测定系统采用5段压边力变化监控，所述压边力采用闭环液压和PLC监控，并带有压电式压力传感器和信号变送器，在压边缸和压边圈之间装有压力传感器，在反顶适配器上装有反顶压力传感器；本实用新型的有益效果把高精度压力传感器技术、闭环液电组合控制技术、先进的伺服冲床和计算机技术结合，应用到金属板料成型工艺性能的检测分析中，用楔形拉深试样代替圆筒形拉深试样，改变了圆筒形件拉深切向受力模式单一、不可变的局限，通过在切向施加多样化的边界条件，可以模仿汽车覆盖件等冲压产品中某个局部的实际受力和变形。
文档编号G01N3/10GK201653809SQ201020032838
公开日2010年11月24日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者于治水, 张效迅, 张霞, 曹阳根, 苏钰, 阮勤超, 黄晨 申请人:上海工程技术大学