一種厚向應力作用下的板材起皺性能試驗裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種厚向應力作用下的板材起皺性能試驗裝置及方法，裝置包括密閉箱體、拉伸裝置、流體壓力系統、加熱系統、冷卻系統、壓力測量系統、溫度測量裝置和數據采集處理裝置。本發明提出的板材起皺試驗裝置利用高壓油液對板材提供厚向應力，擴展了起皺試驗的試驗條件；該裝置的油液壓力可調，適用于各種流體壓力環境；試驗裝置能對試樣和油液進行加熱和恒溫控制，調節精度高，升溫快，效率高；并且具有冷卻系統，在高溫試驗時能對箱體進行必要的冷卻，提高試驗裝置的使用壽命；起皺試驗方法創新性的提出了兩種度量指標，一種是油腔內壓力—拱曲高度曲線，一種是起皺系數，試驗結果能夠總結出材料的起皺性能與溫度、油液壓力間的定性關系。
【專利說明】一種厚向應力作用下的板材起皺性能試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于熱介質成形技術及材料試驗【技術領域】，具體涉及一種厚向應力作用下的板材起皺性能試驗裝置及方法。
【背景技術】
[0002]熱介質成形技術是21世紀初期得到迅速發展，成為最具創新性的塑性成形技術之一。熱介質成形采用溫熱流體介質作為傳力介質，并以此代替部分模具成形零件的一種制造方法。熱介質成形具有熱成形與流體成形的雙重優點，在流體壓力誘導的厚向應力參與下，材料的塑性和延展性顯著提高，屈服強度迅速下降，破裂傾向減小，鑒于這些優點，越來越多的研究者對熱介質成形技術展開了更深入的研究工作。板材在成形過程中會出現起皺、破裂等缺陷，國內外研究者也在為解決板材在成形過程中的缺陷而努力。材料的抗皺性能是材料的一個重要成形性能，常溫狀態下已經有吉田青太試驗作為材料的評估標準，而在熱流體介質提供厚向應力作用的成形環境中對材料進行抗皺性能測試還是一個難題，也沒有進行相應測試的試驗裝置和評估標準。
[0003]常規研究材料抗皺性能的方法是吉田青太方板拉伸試驗，一般對100X 10mm的方板沿對角軸線進行拉伸，夾持寬度為40mm，拉伸后根據起皺高度、皺紋分布、拉伸點變形量、載荷等數據來分析材料的抗皺性能。這是常規的起皺試驗方法，不適用于流體壓力提供厚向應力作用下的板材的抗皺性能測試，且對高溫環境下材料的抗皺性能測試不具備通用性。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了解決常規實驗方法不適用于流體壓力提供厚向應力作用下的板材的抗皺性能測試，和高溫環境下材料的抗皺性能測試。本發明在常規實驗方法的基礎上進行改進，提出了一種高溫流體提供厚向應力的起皺試驗裝置，并配合試驗裝置提出了一套材料抗皺性能評估標準。
[0005]一種厚向應力作用下的板材起皺性能試驗裝置，包括密閉箱體、拉伸裝置、流體壓力系統、加熱系統、冷卻系統、壓力測量系統、溫度測量裝置和數據采集處理裝置；
[0006]密閉箱體包括箱體、固定模具、箱體蓋板、閉合油缸和墊塊；箱體中心具有凹腔，凹腔分為上、下兩個部分，下部凹腔側面開有凹槽，上部凹腔兩個對稱側面分別設有一個拉伸桿安裝孔，每個拉伸桿安裝孔與一個拉伸桿配合；上部凹腔另外兩個對稱側面分別設有一個固定模具，用來夾持和固定試驗板材；箱體蓋板和箱體固定連接，箱體蓋板與箱體之間設有高溫密封圈，箱體底部固定在墊塊上，墊塊安裝固定在機架上；
[0007]設有兩套拉伸裝置，對稱設置，兩個拉伸桿處于同一條直線上，拉伸裝置包括主缸、活塞、拉伸桿、支撐塊、試件夾頭和位移傳感器；拉伸桿水平穿透箱體的拉伸桿安裝孔，位于工作腔內部的拉伸桿的端頭通過固定有試件夾頭，用于連接并預緊方板試驗件，拉伸桿的另一端均位于箱體外，連接活塞，活塞設置在主缸中，支撐塊固定在箱體的外壁表面，用于支撐拉伸桿；主缸固定在底座上，底座和機架連接在一起；在拉伸桿上設置有位移傳感器，用于測量試驗時的拉伸位移；
[0008]加熱系統包括保溫層、加熱單元和防濺隔板；保溫層、加熱單元和防濺隔板依次安裝在密閉箱體的下部凹腔的凹槽中，防濺隔板與上部凹腔的內部側壁相平齊，并與凹腔的底部內壁、上部凹腔的內部側壁之間分別進行固定，使保溫層、加熱單元和防濺隔板之間形成加熱室，上部凹腔的內部側壁、防濺隔板的外壁、凹腔的底部內壁與箱體蓋板內壁之間形成工作腔；
[0009]流體壓力系統包括流體壓力產生裝置和溢流閥；流體壓力產生裝置包括低壓腔和高壓腔，高壓腔通過高壓管路與工作油腔相連，流體壓力產生裝置將高壓流體壓入工作油腔，低壓腔與溢流閥連接，通過設定溢流閥的壓力，控制工作油腔中的壓力；
[0010]壓力測量系統通過高壓管路與工作油腔相通，固定在箱體外壁上，用于測量試驗時油腔中的實際壓力；
[0011]溫度測量裝置固定在箱體外壁上，熱電偶伸入工作油腔中用于測量工作油腔中的實際溫度；
[0012]在箱體壁上開出冷卻水孔，通循環冷卻水對箱體外壁進行冷卻，形成冷卻系統；
[0013]數據采集處理裝置通過線路分別與壓力測量系統、溫度測量裝置連接，用于實時采集、處理和顯示試驗過程中的壓力和溫度數據。
[0014]應用上述裝置在厚向應力作用下的板材起皺試驗方法，具體包括以下幾個步驟:
[0015]步驟一:準備多組10XlOOmm的方板試樣，試樣分為兩個固定區和兩個夾持區，固定區在箱體內的固定模具上固定，夾持區在試件夾頭上夾持固定，夾持寬度均為40mm，在試樣的拉伸軸線上標記出長度為75mm的測量基準區，拉伸時的相對伸長記為λ 75 ；
[0016]步驟二:將箱體蓋板與箱體裝配在一起并且固定，蓋板與箱體間用高溫密封圈密封，驅動閉合油缸，使油缸產生壓力壓緊箱體蓋板，保證工作油腔處于密封狀態；
[0017]步驟三:開啟流體壓力產生裝置，將低壓油液注入工作油腔，然后關閉流體壓力產生裝置，開啟加熱系統，對油液進行加熱，通過油液的熱傳導將試樣加熱到預定溫度；
[0018]步驟四:開啟數據采集和處理裝置，再次開啟流體壓力產生裝置，調節溢流閥壓力，使高壓流體充滿工作油腔，流體壓力作用在試樣上，為板材提供厚向應力環境，同時開啟冷卻系統，對箱體進行冷卻；
[0019]步驟五:驅動兩個主缸，兩個拉伸桿對試樣進行拉伸，位移傳感器記錄拉伸長度，當相對拉伸長度λ75= I %時,停止拉伸,試驗停止；
[0020]步驟六:關閉加熱系統和流體壓力產生裝置，停止驅動主缸，通過驅動低壓腔內的活塞向后移動，對工作腔進行泄壓，驅動閉合油缸回程；
[0021]步驟七:待系統冷卻到室溫，打開箱體蓋板，取出試樣；
[0022]步驟八:更換試樣進行試驗，重復步驟二至步驟七，改變工作油腔內壓力重復試驗;
[0023]步驟九:試驗完成后工作油腔內油液回流并收集，關系冷卻系統；
[0024]步驟十:對試樣進行簡單清理，進行數據處理，取中心跨b = 25mm內的拱曲高度為h值；試驗結果用兩個指標來度量:
[0025](I)在一定的溫度下，用多組試樣分別設置不同的油腔內壓力進行試驗，繪制出油腔內壓力一拱曲高度曲線，以此曲線判斷材料的起皺趨勢；
[0026](2)提出起皺系數Z1 = —.ef作為抗皺性的評估指標，即La越大，材料的抗皺
義7 5
性越差，也就是材料越容易起皺，式中，P為油液壓力，Pm為板材不起皺時油液的臨界壓力。
[0027]本發明的優點在于:
[0028](I)本發明所述的裝置能夠測量板材在厚向應力作用下的起皺性，試驗中使用高壓油液對板材提供厚向應力，擴展了起皺試驗的試驗條件；
[0029](2)本發明所述的裝置中的流體壓力能夠調節，適用各種流體壓力環境；
[0030](3)本發明所述的裝置具有加熱系統，能夠對試樣和油液進行加熱和恒溫控制，溫度調節精度高，升溫快，效率高；
[0031](4)本發明所述的裝置需要在試驗過程中進行冷卻，其冷卻系統與箱體壁上的冷卻管道相連，防止試驗過程中箱體溫度過高而損壞箱體和試驗設備，提高裝置的使用壽命;
[0032](5)本發明所述的起皺試驗方法，創新性的提出了兩種度量指標，一種是油腔內壓力一拱曲高度曲線，一種是起皺系數；這兩種指標需要大量的基礎試驗作為數據基礎，其試驗結果能夠揭示溫度、油液壓力等因素對材料起皺性能的影響，并總結材料的起皺性能與溫度、油液壓力間的定性關系，對日后零件成形過程具有指導意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1為本發明的起皺試驗原理示意圖；
[0034]圖2為本發明的起皺試驗裝置結構示意圖；
[0035]圖3為本發明的起皺試驗裝置A-A剖視圖；
[0036]圖中:
[0037]I—墊塊2—防派隔板3—加熱單兀
[0038]4 一保溫層5—王缸6—王缸活塞
[0039]7—拉伸桿8—支撐塊9 一高溫密封圈
[0040]10—箱體蓋板11一閉合油缸12—螺栓
[0041]13—螺母14 一位移傳感器15—試件夾頭
[0042]16—冷卻水孔17—箱體18—壓力測量裝置
[0043]19 一數據采集裝置 20—溫度測量裝置21—固定模具
[0044]22—高壓腔23—流體壓力產生裝置 24—低壓腔
[0045]25一溢流閥
【具體實施方式】
[0046]下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0047]本發明是一種厚向應力作用下的板材起皺性能試驗裝置，如圖2、圖3所示，包括密閉箱體、拉伸裝置、流體壓力系統、加熱系統、冷卻系統、壓力測量系統18、溫度測量裝置20和數據采集處理裝置19。
[0048]密閉箱體包括箱體17、固定模具21、箱體蓋板10、閉合油缸11和墊塊I ;
[0049]箱體17中心具有凹腔，凹腔分為上、下兩個部分，下部凹腔側面開有凹槽，用來固定和安裝加熱系統，上部凹腔兩個對稱側面分別設有一個拉伸桿安裝孔，每個拉伸桿安裝孔與一個拉伸桿7配合；上部凹腔另外兩個對稱側面分別設有一個固定模具21，用來夾持和固定試驗板材；箱體蓋板10和箱體17通過螺栓12和螺母13固定；箱體蓋板10與箱體17之間設有高溫密封圈9，閉合油缸11施加壓力作用于箱體蓋板10上，使箱體17的凹腔處于密閉狀態；箱體17底部固定在墊塊I上，墊塊I安裝固定在機架上。
[0050]本發明設有兩套拉伸裝置，對稱設置，兩個拉伸桿7處于同一條直線上，以一個拉伸裝置進行說明:
[0051]拉伸裝置包括主缸5、活塞6、拉伸桿7、支撐塊8、試件夾頭15和位移傳感器14 ；
[0052]拉伸桿7水平穿透箱體17的拉伸桿安裝孔，并與箱體17的連接處進行密封處理，位于工作腔內部的拉伸桿7的端頭通過螺栓固定有試件夾頭15，用于連接并預緊方板試驗件，拉伸桿7的另一端均位于箱體17外，連接活塞6，活塞6設置在主缸5中，支撐塊8通過焊接固定在箱體17的外壁表面位于拉伸桿7下方處，用于支撐拉伸桿7 ;主缸5通過螺栓固定在底座上，底座和機架連接在一起；在拉伸桿7上設置有位移傳感器14，用于測量試驗時的拉伸位移。
[0053]加熱系統包括保溫層4、加熱單元3和防濺隔板2 ；
[0054]保溫層4、加熱單元3和防濺隔板2依次安裝在密閉箱體的下部凹腔的凹槽中，防濺隔板2與上部凹腔的內部側壁相平齊，并與凹腔的底部內壁、上部凹腔的內部側壁之間分別進行固定，使保溫層4、加熱單元3和防濺隔板2之間形成加熱室，上部凹腔的內部側壁、防濺隔板2的外壁、凹腔的底部內壁與箱體蓋板10內壁之間形成工作腔，防溉隔板2用于將加熱室與工作腔隔開，防止高壓流體進入加熱室。
[0055]流體壓力系統包括流體壓力產生裝置23和溢流閥25 ；
[0056]流體壓力產生裝置23包括低壓腔24和高壓腔22，高壓腔22通過高壓管路與工作油腔相連，流體壓力產生裝置23能將高壓流體壓入工作油腔；低壓腔24與溢流閥25連接，通過設定溢流閥25的壓力，間接控制工作油腔中的壓力。
[0057]壓力測量系統18通過高壓管路與工作油腔相通，用螺栓固定在箱體17外壁上，用于測量試驗時油腔中的實際壓力。
[0058]溫度測量裝置20用螺栓固定在箱體17外壁上，熱電偶伸入工作油腔中用于測量工作油腔中的實際溫度。
[0059]在箱體17壁上開出冷卻水孔16，通循環冷卻水對箱體17外壁進行冷卻，形成冷卻系統。
[0060]數據采集處理裝置19通過線路分別與壓力測量系統18、溫度測量裝置20連接，用于實時采集、處理和顯示試驗過程中的壓力和溫度數據。
[0061]所述的加熱單元采用加熱管或電阻絲。
[0062]所述的流體壓力產生裝置和溢流閥設置I?2套。
[0063]所述的流體壓力產生裝置為增壓器、倍加器、放大器、手動泵、電動泵、普通油缸、伺服油缸、普通氣缸、伺服氣缸、數字油缸或數字氣缸。
[0064]所述的主缸為伺服油缸。
[0065]所述的閉合油缸為伺服油缸或普通油缸。
[0066]應用一種厚向應力作用下的板材起皺性能試驗裝置在厚向應力作用下的板材起皺試驗方法，具體包括以下幾個步驟:
[0067]步驟一:準備多組10XlOOmm的方板試樣，如圖1(a)所示，試樣分為兩個固定區和兩個夾持區，固定區在箱體內的固定模具21上固定，夾持區在試件夾頭15上夾持固定，夾持寬度均為40mm，在試樣的拉伸軸線上標記出長度為75mm的測量基準區，拉伸時的相對伸長記為入75°
[0068]步驟二:將箱體蓋板10與箱體17裝配在一起，蓋板10與箱體17間用高溫密封圈9密封，并用螺栓12和螺母13固定，驅動閉合油缸11，使油缸產生壓力壓緊箱體蓋板10，保證工作油腔處于密封狀態。
[0069]步驟三:開啟流體壓力產生裝置23，將一定量的低壓油液注入工作油腔，然后關閉流體壓力產生裝置23 ;開啟加熱系統，對油液進行加熱，通過油液的熱傳導將試樣加熱到合適的溫度。
[0070]步驟四:開啟數據采集和處理裝置19 ;再次開啟流體壓力產生裝置23，調節溢流閥25壓力，使高壓流體充滿工作油腔，流體壓力作用在試樣上，為板材提供厚向應力環境；同時開啟冷卻系統，對箱體17進行冷卻。
[0071 ] 步驟五:驅動兩個主缸5，兩個拉伸桿7對試樣進行拉伸，位移傳感器14記錄拉伸長度，當相對拉伸長度λ75= I %時，停止拉伸，試驗停止。
[0072]步驟六:關閉加熱系統和流體壓力產生裝置23，停止驅動主缸，通過驅動低壓腔24內的活塞向下移動，對工作腔進行泄壓，驅動閉合油缸11回程。
[0073]步驟七:待系統冷卻到室溫，打開箱體蓋板10，取出試樣。
[0074]步驟八:更換試樣進行試驗，重復步驟二至步驟七，改變工作油腔內壓力重復試驗。
[0075]步驟九:試驗完成后工作油腔內油液回流并收集，關系冷卻系統。
[0076]步驟十:對試樣進行簡單清理，進行數據處理，如原理圖1(b)所示，取中心跨b =25mm內的拱曲高度為h值。試驗結果可用兩個指標來度量:
[0077](I)在一定的溫度下，用多組試樣分別設置不同的油腔內壓力進行試驗，繪制出油腔內壓力一拱曲高度曲線，以此曲線判斷材料的起皺趨勢；
I上
[0078](2)提出起皺系數4作為抗皺性的評估指標，即La越大，材料的抗皺
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性越差，也就是材料越容易起皺，式中，P為油液壓力，Pm為板材不起皺時油液的臨界壓力。
【權利要求】
1.一種厚向應力作用下的板材起皺性能試驗裝置，包括密閉箱體、拉伸裝置、流體壓力系統、加熱系統、冷卻系統、壓力測量系統、溫度測量裝置和數據采集處理裝置； 密閉箱體包括箱體、固定模具、箱體蓋板、閉合油缸和墊塊；箱體中心具有凹腔，凹腔分為上、下兩個部分，下部凹腔側面開有凹槽，上部凹腔兩個對稱側面分別設有一個拉伸桿安裝孔，每個拉伸桿安裝孔與一個拉伸桿配合；上部凹腔另外兩個對稱側面分別設有一個固定模具，用來夾持和固定試驗板材；箱體蓋板和箱體固定連接，箱體蓋板與箱體之間設有高溫密封圈，箱體底部固定在墊塊上，墊塊安裝固定在機架上； 設有兩套拉伸裝置，對稱設置，兩個拉伸桿處于同一條直線上，拉伸裝置包括主缸、活塞、拉伸桿、支撐塊、試件夾頭和位移傳感器；拉伸桿水平穿透箱體的拉伸桿安裝孔，位于工作腔內部的拉伸桿的端頭通過固定有試件夾頭，用于連接并預緊方板試驗件，拉伸桿的另一端均位于箱體外，連接活塞，活塞設置在主缸中，支撐塊固定在箱體的外壁表面，用于支撐拉伸桿；主缸固定在底座上，底座和機架連接在一起；在拉伸桿上設置有位移傳感器，用于測量試驗時的拉伸位移； 加熱系統包括保溫層、加熱單元和防濺隔板；保溫層、加熱單元和防濺隔板依次安裝在密閉箱體的下部凹腔的凹槽中，防濺隔板與上部凹腔的內部側壁相平齊，并與凹腔的底部內壁、上部凹腔的內部側壁之間分別進行固定，使保溫層、加熱單元和防濺隔板之間形成加熱室，上部凹腔的內部側壁、防濺隔板的外壁、凹腔的底部內壁與箱體蓋板內壁之間形成工作腔； 流體壓力系統包括流體壓力產生裝置和溢流閥；流體壓力產生裝置包括低壓腔和高壓腔，高壓腔通過高壓管路與工作油腔相連，流體壓力產生裝置將高壓流體壓入工作油腔，低壓腔與溢流閥連接，通過設定溢流閥的壓力，控制工作油腔中的壓力； 壓力測量系統通過高壓管路與工作油腔相通，固定在箱體外壁上，用于測量試驗時油腔中的實際壓力； 溫度測量裝置固定在箱體外壁上，熱電偶伸入工作油腔中用于測量工作油腔中的實際溫度; 在箱體壁上開出冷卻水孔，通循環冷卻水對箱體外壁進行冷卻，形成冷卻系統； 數據采集處理裝置通過線路分別與壓力測量系統、溫度測量裝置連接，用于實時采集、處理和顯示試驗過程中的壓力和溫度數據。
2.根據權力要求I所述的一種厚向應力作用下的板材起皺性能試驗裝置，所述的加熱單元采用加熱管或電阻絲。
3.根據權力要求I所述的一種厚向應力作用下的板材起皺性能試驗裝置，所述的流體壓力產生裝置和溢流閥設置I?2套。
4.根據權力要求I所述的一種厚向應力作用下的板材起皺性能試驗裝置，所述的流體壓力產生裝置為增壓器、倍加器、放大器、手動泵、電動泵、普通油缸、伺服油缸、普通氣缸、伺服氣缸、數字油缸或數字氣缸。
5.根據權力要求I所述的一種厚向應力作用下的板材起皺性能試驗裝置，所述的主缸為伺服油缸。
6.根據權力要求I所述的一種厚向應力作用下的板材起皺性能試驗裝置，所述的閉合油缸為伺服油缸或普通油缸.
7.根據權力要求I所述的一種流體壓力提供厚向應力的板材摩擦性能試驗裝置，所述的拉伸桿與箱體的連接處進行密封處理。
8.應用權利要求1所述裝置在厚向應力作用下的板材起皺試驗方法，具體包括以下幾個步驟: 步驟一:準備多組10XlOOmm的方板試樣，試樣分為兩個固定區和兩個夾持區，固定區在箱體內的固定模具上固定，夾持區在試件夾頭上夾持固定，夾持寬度均為40mm，在試樣的拉伸軸線上標記出長度為75mm的測量基準區，拉伸時的相對伸長記為λ 75 ； 步驟二:將箱體蓋板與箱體裝配在一起并且固定，蓋板與箱體間用高溫密封圈密封，驅動閉合油缸，使油缸產生壓力壓緊箱體蓋板，保證工作油腔處于密封狀態； 步驟三:開啟流體壓力產生裝置，將低壓油液注入工作油腔，然后關閉流體壓力產生裝置，開啟加熱系統，對油液進行加熱，通過油液的熱傳導將試樣加熱到預定溫度； 步驟四:開啟數據采集和處理裝置，再次開啟流體壓力產生裝置，調節溢流閥壓力，使高壓流體充滿工作油腔，流體壓力作用在試樣上，為板材提供厚向應力環境，同時開啟冷卻系統，對箱體進行冷卻； 步驟五:驅動兩個主缸，兩個拉伸桿對試樣進行拉伸，位移傳感器記錄拉伸長度，當相對拉伸長度λ 75 = I %時，停止拉伸,試驗停止； 步驟六:關閉加熱系統和流體壓力產生裝置，停止驅動主缸，通過驅動低壓腔內的活塞向后移動，對工作腔進行泄壓，驅動閉合油缸回程； 步驟七:待系統冷卻到室溫，打開箱體蓋板，取出試樣； 步驟八:更換試樣進行試驗，重復步驟二至步驟七，改變工作油腔內壓力重復試驗； 步驟九:試驗完成后工作油腔內油液回流并收集，關系冷卻系統； 步驟十:對試樣進行簡單清理，進行數據處理，取中心跨b = 25mm內的拱曲高度為h值；試驗結果用兩個指標來度量: (1)在一定的溫度下，用多組試樣分別設置不同的油腔內壓力進行試驗，繪制出油腔內壓力一拱曲高度曲線，以此曲線判斷材料的起皺趨勢； (2)提出起皺系數&=與'e作為抗皺性的評估指標，即La越大，材料的抗皺性越
^75差，也就是材料越容易起皺，式中，P為油液壓力，Pm為板材不起皺時油液的臨界壓力。
【文檔編號】G01N3/18GK104181053SQ201410448833
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】郎利輝, 蔡高參, 劉康寧, 郭禪 申請人:北京航空航天大學