专利名称：一种和变形速度关联的金属板料杯突试验方法
一种和变形速度关联的金属板料杯突试验方法本发明涉及汽车、轨道、航空、船舶等交通载运工具、仪电、家电中所有金属板料冲压成形技术及新材料开发领域，具体地说是一种和变形速度关联的金属板料胀形性能试验方法。在全球节能减排的大背景下，新型、高强度、轻质、复合板材的开发层出不穷。伴随新材料使用性能的不断提升，其成形工艺性能始终受到关注。除了改善材质之外，板材成形性能的提高还可以从精确测定和监控成形工艺参数着手。成形工艺性能的测定需要规定成形过程中相关的工艺条件，比如温度、润滑、表面性质、织构状态、压边力状态、变形速度等等。随着冲压生产领域信息技术的大量应用人们对众多因素相互影响的认识进一步深入，在众多细节参数中，变形速度对成形性能的影响引起了更多的关注。Y.W.KwonQOll)研究了 aluminum alloy的成形性能和应变速率的关系，证明了它们之间的关联性，并提出希望通过更新实验装备来进行更为精确试验的愿望。Hadianfard(2008)研究了 Al-Mg Alloys的成形性受应变速率影响的规律。Pei. Lum. Tso (2010)在可变滑块速度的伺服压机上所做的实验表明极限拉深高度和变形速度有关。 Serhat (2008)对铝镁合金的温加工深拉深实验表明其极限拉深比(LDR)除了和温度有关之外和滑块速度也有很大关系。说明变形速度是关系成形工艺性能的一个重要工艺因素。 另一方面，板料和模具表面摩擦对成形过程也具有十分显著的影响，H. Y. Gong(2004)研究表明采用各种润滑措施可以使得变形的均勻性提高，从而改善板料的成形性能，而润滑的效果也在很大程度上和变形速度相关。目前大多数金属板料的冲压成形加工都是在曲柄压力机上进行的，其变形速度基本遵循正弦规律。可是这些金属板料成形性能的测定都在液压系统上以恒速进行，所获成形性能指标和实际情况有一定的差别，降低了成形工艺的宽容度。如果能模拟冲压件在曲柄冲床的速度规律下进行成形性能指标的测定，则可以获得符合度较高的工艺方案，成形工艺性能将可以获得更大的改善，产品合格率将随之提高。金属板料杯突试验方法是冲压胀形性能测试的方法之一。迄今为止，国标规定的杯突试验都是在低速且恒定的速度条件下进行的，和生产的实际速度情况有差别，能够反映的性能精确程度有限。杯突试验的基本原理是通过一个球头凸模压迫圆形金属板料进入凹模，由于金属板料的外边缘用压边板压住，而且因为板料的外边缘直径值较大，凹模平面上的金属材料不能进入凹模孔内补充，凸模下面的金属材料以两向受拉的形式发生变薄，最后拉破。从凸模下行接触到板料开始，到坯料被拉破的一瞬间，凸模的位置差值，即为杯突试验值。在材料厚度、摩擦状态、凹模圆角、表面粗糙度、速度条件都一致的情况下，该种金属板料的杯突试验值越大的，其胀形成形性能越好。表征该值的方法有很多。中国GB/T4156-2007和日本 JISZ2M7-1970规定的方法是“试件开始产生穿透裂纹，即停止行程，测得已下降的距离，即
3为杯突试验值”，国际标准IS0-R149 (1960)和德国标准DIN50102 (1963)，“在试件裂开透光时，测得已下降的距离，即为杯突试验值IE”。这些方法因为判断裂纹产生的时机不够敏感或直观，在低速测试(<20mm/min)的场合尚可以达到一定的精度，在冲床较高的变形速度下，反映的误差较大。本发明的目的就是解决上述的不足，在伺服压机的基础上进行金属板料的杯突试验，把杯突试验值和试验发生穿透裂纹时的变形速度相关联，提出在一定变形速度下对应杯突试验值的概念，创造了一种测定金属板料在各种不同运动速度和规律条件下的胀形性能的方法，用以指导精确预测板料塑性成形的过程。以石英压电式力传感器作为检测信息源，其快捷敏感的特点可以适应于曲柄压力机较快的工作速度，以发生裂纹时冲压力曲线的突变，作为判别杯突试验值的依据。本发明采用如下技术方案一种和变形速度关联的金属板料杯突试验方法，所测杯突试验值和测试时的变形速度相关，其采用试验模具安装在伺服压机上，利用伺服压机的速度在正弦规律的基础上可变，并符合大多数冲压机床速度特性的特点，进行变形速度可变的杯突试验，所述试验模具装有的压力传感器和线性位置传感器由一个监控系统接受和计算处理压力和位置信号，在显示器上可以直接显示该试样的杯突试验值和相应的速度规律曲线，以压力传感器和凸模行程位置传感器采集的数据曲线为依据，读取突变点的凸模位置之差值和对应穿透破裂点的凸模速度共同作为杯突试验值；其值用IE(V)表示，ν是试样破裂瞬间，凸模运动速度的实测值，不同ν值情况下的IE(V)值可以判别变形速度对该试样的影响规律。一种和变形速度关联的金属板料杯突试验模具，该模具包括正向安装的球头凸模 09、上模板23、胀形凹模座08及压边装置，所述球头凸模09上装有传感器座02，所述传感器座02内设有压力传感器19，可测压力范围在O-IOkN和0-20kN之间切换，根据所测金属板料材质和厚度、强度的不同，选择合适的测试范围，可以提高测试精度；所述传感器座02 连接上模板23，所述上模板23安装在伺服压机的滑块上，所述上模板23上装有位置坐标尺05，所述凹模座08上设有位置感应器06，可以记录冲床的行程，并可以由此计算出每个冲程的实时变形速度。线性位置传感器的检测精度在士0.01mm，所述传感器座02、位置感应器06由控制线路连接监控系统。所述压边装置包括压边支架03、压边板07、压边镶块13及凹模镶块11，所述压边支架03安装在上模板23上，所述压边支架03连接压边板07，所述压边板07上设有压边镶块13，所述凹模镶块11安装在凹模座08上。通过更换凹模镶块可以变换不同的凹模内径和圆角以适应同的胀形实验要求，通过更换压边圈镶块除了可以适应不同的凸模尺寸要求夕卜，还可以变换不同功能的镶块，比如带有辐射加热功能的、带有冷却或加热介质通道的压边圈镶块等等，用于胀形区温度的控制。所述传感器座02和伺服压机的滑块之间留有间隙。所述压力传感器采用石英压电式压力传感器，其采样频率比一般电阻应变片式传感器高，可以用于曲柄压力机较高的滑块运行速度条件下的压力测试。所述球头凸模采用凸模固定螺环04连接传感器座02，所述传感器座02内的压力传感器19通过定扭矩螺钉18固定，并装有止转垫片17和弹簧垫圈16防松，以保证恒定的预紧力，IOkN量程时测试精度在士0. IkN范围之内。所述球头凸模采用快速可更换球头凸模，可以根据不同需要快速更换球头凸模的规格尺寸，但其中的传感器部分是通用的。本发明的有益效果本发明基于伺服电机驱动的曲柄压力机设计的一套把变形速度关联的金属冲压板料杯突性能测试概念和方法，经过多种材料的实验表明，能够用于测定变速条件下金属板料的胀形性能指标。能模拟冲压件在曲柄冲床的速度规律下进行成形性能指标的测定，可以获得符合度较高的工艺方案，成形工艺性能将可以获得更大的改善， 产品合格率将随之提高。
图1是本发明的变形速度可变的金属板料杯突试验模具结构示意图；图2是本发明的变形速度为10%时金属板料杯突试验计算示意图；图3是本发明的变形速度为80%时金属板料杯突试验计算示意图；图中，01上模固定螺钉、02传感器座、03压边板支架、04凸模固定螺环、05位置坐标尺、06位置感应器、07压边板、08凹模座、09球头凸模、10液压顶块、11凹模镶块、12坯料、13压边圈镶块、14传感器垫圈、15销钉、16弹簧垫圈、17止转垫片、18定扭矩螺钉、19压力传感器、20定位圈、21固定螺钉、22传感器引出线、23上模板。下面结合附图对本发明作以下进一步说明本发明所述变形速度关联的胀形试验模具如图1所示，所采用的伺服压力机滑块的运行速度可以设置五段变化区间，以最大速度的百分比进行数值设定，变化基于正弦曲线规律，最大速度可达786mm/s。本发明的球头凸模09用凸模固定螺环04通过传感器座02连接上模板23，并安装到伺服压机的滑块上，传感器座02和滑块之间留有间隙，以保证压力传感器19两端能承受到球头凸模传过来的冲压力，三个定扭矩螺钉18用以调整压力传感器19具有正确的预紧力，能准确地反映冲压力值，销钉15保持传感器座02和上模板23之间的定位，弹簧垫圈 16、止转垫片17用以防止螺钉松动。球头凸模09上产生的冲压力由压力传感器19感知后， 通过传感器引出线22传送到监控系统实时显示。压边板支架03、压边板07、压边圈镶块13 固定在一起由独立的液压机构驱动，压边力可以在0. lkN-200kN之间变动。伺服压机的滑块运动速度在正弦曲线的基础上可调，从而可以控制球头凸模09的运动速度，胀形成形的变形速度随之改变。位置坐标尺05安装在上模板23上，随冲床滑块一起运动，滑块速度和球头凸模的行程位置均可由位置坐标尺05、位置感应器06检测后，由监控系统记录并计算显不。试验时，先将平板坯料12放在凹模镶块11平面上，用压边圈镶块13以设定的压力压住坯料12的外圈，然后，用球头凸模09以设定的速度规律将试件压入凹模。由于本例中凹模孔径为27mm和坯料外径之比为0. 27，即使不施加压边力其外环也不发生径向收缩， 而与冲头接触的试件中间部分坯料受到双向拉应力作用而实现胀形变形。如果坯料尺寸较小时，可以通过控制压边力的大小来约束坯料外圈径向收缩的趋势。在球头凸模接触到坯料时，载荷突然上升；胀形发生后，当试件出现穿透裂缝时， 球形冲头上作用的载荷会出现向下突变(图2、图幻，从显示曲线中读取载荷突变点所对应的行程位置，换算出实际压入深度，即为国标规定的Erichsen试验深度，简计为IE值。IE 值作为评定板材胀形成形能力的一个材料特性值。IE值越大，胀形成形性能越好。不同材质金属板料的胀形成形性能对变形速度的敏感程度是不同的，在不同的变形速度下相同试样的IE值也有差异。本发明把变形速度IE值相关联，提出了 IE(V)的概念和测定方法。所述方法可以通过改变滑块运动速度，对金属板料在不同变形速度条件下进行胀形试验，以获得特定变形速度条件下的IE值，使得测定的胀形性能参数能够更为精确地用于指导不同冲床运行曲线规律下的实际冲压工艺制定。实例1 调整伺服压机闭合高度到300mm ；设置伺服压机的滑块速度为两段，第一段为100% (目标位置在距下止点IOmm)，第二段为10% ；试样为1. 0mm、直径为98. 2mm的黄铜板；实验环境温度20°C，试样上表面涂少许机油，重复做四个试样，记录试验数据，取平均值，计算获得“速度10%，黄铜板，时间-载荷-行程-速度关系曲线”如图2所示；在图2中通过起始载荷突变点A和穿透载荷突变点B各作一条平行于纵坐标的直线，截取载荷线获得C和D点，测量并计算获得C，D纵坐标的差值h = 7. 14mm,为球头凸模接触到试样坯料开始到试样发生穿透破裂，凸模的实际位置变化；再截取和速度曲线的交点E，测得 E点的纵坐标值为ν = 5mm/s，为发生穿透破裂时凸模的实时运动速度值。记录该试样的 IE(v) = 7. 14 (5) mm。实例2 调整伺服压机闭合高度到300mm ；设置伺服压机的滑块速度为两段，第一段为100% (目标位置在距下止点IOmm)，第二段为80% ；试样为1. 0mm、直径为98. 2mm的黄铜板；实验环境温度20°C，试样上表面涂少许机油，重复做四个试样，记录试验数据，取平均值，获得“速度80%，黄铜板，时间-载荷-行程-速度关系曲线”如图3所示；同样测量并计算获得C，D纵坐标的差值h = 6. 94mm，测得E点的纵坐标值为ν = 35mm/s。记录该试样的 IE(v) = 6. 94 (35) mm。
权利要求
1.一种和变形速度关联的金属板料杯突试验方法，其特征在于所测杯突试验值和测试时的变形速度相关，其采用试验模具安装在伺服压机上，利用伺服压机的速度在正弦规律的基础上可变，并符合大多数冲压机床速度特性的特点，进行变形速度可变的杯突试验， 所述试验模具装有的压力传感器和线性位置传感器由一个监控系统接受和计算处理压力和位置信号，在显示器上可以直接显示该试样的杯突试验值和相应的速度规律曲线，以压力传感器和凸模行程位置传感器采集的数据曲线为依据，读取突变点的凸模位置之差值和对应穿透破裂点的凸模速度共同作为杯突试验值，其值用IE(V)表示，ν是试样破裂瞬间， 凸模运动速度的实测值，不同ν值情况下的IE(V)值可以判别变形速度对该试样的影响规律。
2.一种和变形速度关联的金属板料杯突试验模具，该模具包括正向安装的球头凸模 (09)、上模板(23)、胀形凹模座(08)及压边装置，其特征在于所述球头凸模(09)上装有传感器座(02)，所述传感器座(0 内设有压力传感器(19)，所述传感器座(0 连接上模板(23)，所述上模板安装在伺服压机的滑块上，所述上模板上装有位置坐标尺 (05)，所述凹模座(08)上设有位置感应器(06)，所述传感器座(02)、位置感应器(06)由控制线路连接监控系统。
3.根据权利要求2所述的金属板料杯突试验模具，其特征在于所述压边装置包括压边支架(0 、压边板(07)、压边镶块(1 及凹模镶块(11)，所述压边支架(0 安装在上模板上，所述压边支架(0 连接压边板(07)，所述压边板(07)上设有压边镶块(13)， 所述凹模镶块(11)安装在凹模座(0 上。
4.根据权利要求2或3所述的金属板料杯突试验模具，其特征在于所述传感器座 (02)和伺服压机的滑块之间留有间隙。
5.根据权利要求4所述的金属板料杯突试验模具，其特征在于所述压力传感器采用石英压电式压力传感器。
6.根据权利要求5所述的金属板料杯突试验模具，其特征在于所述球头凸模采用凸模固定螺环(04)连接传感器座(02)，所述传感器座(0 内的压力传感器(19)通过定扭矩螺钉(18)固定，并装有止转垫片(17)和弹簧垫圈(16)。
7.根据权利要求6所述的金属板料杯突试验模具，其特征在于所述球头凸模采用快速可更换球头凸模。
全文摘要
本发明涉及一种和变形速度关联的金属板料杯突试验方法，所测杯突试验值和测试时的变形速度相关，其采用试验模具安装在伺服压机上，利用伺服压机的速度在正弦规律的基础上可变，进行变形速度可变的杯突试验，所述试验模具装有的压力传感器和线性位置传感器由一个监控系统接受和计算处理压力和位置信号，在显示器上可以直接显示该试样的杯突试验值和相应的速度规律曲线，读取突变点的凸模位置之差值和对应穿透破裂点的凸模速度共同作为杯突试验值；本发明基于伺服电机驱动的曲柄压力机设计的一套把变形速度关联的金属冲压板料杯突性能测试概念和方法，经过多种材料的实验表明，能够用于测定变速条件下金属板料的胀形性能指标。
文档编号G01N3/28GK102507344SQ20111031151
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月14日 优先权日2011年10月14日
发明者曹阳根, 曹雨楠, 牛景弘, 王一伟, 程光, 苏钰, 阮勤超, 黄晨 申请人:上海工程技术大学