試驗方法及基于該方法的熱成形起皺極限面的建立方法與流程

本發明涉及金屬板材熱成形加工領域，特別涉及一種金屬板材熱成形起皺極限面的建立方法，主要用途在于判斷金屬板材熱成形中的起皺現象，評價金屬板材的抗起皺性能。

背景技術：

高強鋼通常是指抗拉強度高于370MPa的鋼種，強度和韌性結合較好，比強度高、防撞性能好是其突出特點，因此在滿足同等安全性能要求的前提下，能夠一定程度上實現汽車輕量化，具有廣闊的市場應用前景。但是實驗證明，在室溫條件下高強鋼板成形性能差，易出現起皺、開裂等缺陷，嚴重影響了高強鋼板的推廣應用。研究表明，熱成形工藝可以有效地改善高強鋼板的成形性能，有利于得到表面質量較高的成形零件。

通常來說，不同溫度下材料的塑性變形規律有很大差別，溫度越高，材料塑性越好，屈服強度和抗拉強度越低。顯然，在不同溫度下，材料的抗拉裂性能和抗起皺性能均會有所變化，目前熱成形性能評價中涉及到抗拉裂性能的研究較多，然而材料的抗起皺性能方面的研究則較少，如公開日為2014年6月11日，發明名稱為“一種高強鋼板熱成型極限圖的建立方法”的專利，該專利公開了一種高強度鋼板考慮溫度條件的成形極限圖的建立方法，描述了材料在各個溫度條件下高強鋼板抗拉裂性能，但該專利沒有解決鋼板熱成形抗起皺性能的評價這一問題，也就不能準確全面地評價在熱成形過程中高強度鋼的熱成形性能。

起皺是一種板料沖壓過程中壓縮失穩的表現，嚴重影響沖壓件表面質量。在仿真分析當中，通常認為當板料單元的平面次應變與平面主應變的比值在-1和-R/(1+R)范圍內時存在起皺缺陷，但是在實際生產當中，則通常認為當皺高達到某臨界值時即判定為產生了影響沖壓件表面質量的起皺缺陷，如公開日為2009年8月11日，發明名稱為“金屬薄板剪應力起皺試驗方法及試驗裝備”的專利，該專利公開了一種金屬薄板剪應力試驗方法及起皺評價指標，通過測定金屬薄板的皺高，從而得到金屬薄板抗剪力起皺特性。但是測量皺高的評價方法存在著不可避免的人為誤差，且采用取均值的方式要求試驗次數較多，存在著一定的弊端。

因此，傳統起皺極限評價方法雖然能夠解決部分金屬板材成形工藝中成形性能的評價問題，但仍然存在著一定的局限性，迫切需要一種新的起皺判定標準來有效的評價高強鋼板在熱沖壓成形過程中的抗起皺性能，為實際沖壓生產提供指導依據。

技術實現要素：

本發明所要解決的問題是提供一種高強鋼板熱成形起皺極限面的建立方法，不僅能解決傳統成形起皺極限面能解決的起皺評價問題，還能提供一種可準確、直觀地判斷高強鋼板熱成形過程中起皺的評價標準。

本發明提供了一種高強度金屬板材熱成形沖壓試驗裝置，該裝置包括：支架，氣體單向閥，密封箱，電阻絲，石英玻璃，高速攝像頭，紅外感溫裝置，支架頂蓋，沖頭液壓泵，進氣管，沖頭液壓泵連桿密封圈，沖頭，定位環，試件，凹模，密封箱支座，其特征在于：

其中，密封箱支座和支架焊接于底座上；凹模兩端設置有用于與密封箱支座進行配合并對凹模實現定位的凹槽；

定位環與沖頭之間間隙配合，沖頭下行過程時，實現板料的定位和平衡，當沖頭上行時，定位環也將被托起，方便更換試件并繼續進行試驗；

電阻絲安裝于密封箱的內膽上；密封箱前端設置有可開啟的帶密封裝置的門；

石英玻璃安裝于密封箱的頂部；沖頭液壓泵連桿密封圈安裝在石英玻璃中央通孔中；

沖頭液壓泵焊接于支架頂蓋上，沖頭液壓泵的活塞連桿與沖頭通過螺紋連接，實現沖頭的上下運動；

高速攝像頭和紅外感溫裝置通過各自的連桿懸置于石英玻璃上方，可以實現沿連桿的上下運動以及固定拍攝；

氣體單向閥和進氣管安裝在密封箱的壁上，各個液壓泵連桿與密封箱之間均設置了密封裝置；

本發明還提供了一種高強度金屬板材熱成形沖壓試驗裝置的試驗方法，具體包括以下步驟：

步驟1、首先將密封箱、沖頭液壓泵按照密封箱支座的位置裝配好，將沖頭擰緊于沖頭液壓泵連桿之上；密封箱支座頂部凸出，用于支撐凹模；

步驟2、在試件上打上散斑，散斑的物質是高溫漆，材料為耐高溫材料，能夠承受熱成形時鋼板的溫；

步驟3、根據試件的不同原始直徑將它們放置于凹模的不同位置并通過定位環確保其水平；

步驟4、將高速攝像頭、紅外感溫裝置安置于支架上，照明燈與高速攝像頭集成，高速攝像頭沿著攝像頭支架上下移動，完成自動對焦；

步驟5、沖壓模具處于密封箱中，經通氣管向密封箱內通入比空氣密度稍低的保護氣體，從而將空氣從氣體單向閥中排出，防止試件和沖頭的氧化；

步驟6、對密封箱內壁上的電阻絲通電，加熱整個密封箱空間，在凹模上設置若干通孔保證模具迅速達到實驗要求的溫度，加熱過程中，紅外感溫裝置測得密封箱內沖壓模具和板料的實時溫度，控制通過電阻絲的電流大小；

步驟7、直接由高速攝像頭在線測量實驗過程中任意時刻試件表面的應變；采集出側壁起皺發生時刻的應變值，作為計算起皺極限線的徑向和環向應變值；

本發明還提供了一種高強鋼板熱成形起皺極限面的建立方法，包括以下步驟：

步驟1.在密封箱中將試件加熱到950℃，并保溫5分鐘，使其完全奧氏體化，然后分別令其冷卻到實驗所需測量的900℃、700℃、500℃、300℃；

步驟2.將原始直徑為100mm、106mm、110mm、116mm、120mm、124mm、130mm的高強鋼板置于密封箱中和沖壓模具一同加熱至上述四種溫度，進行熱沖壓實驗；

步驟3.獲取起皺區域附近網格對應的徑向和環向應變的關系，當應變曲線出現轉折，即當徑向應變與環向應變之比達到臨界值時，判定該點徑向和環向應變為發生起皺時刻的應變；通過發生起皺時刻的徑向和環向應變計算得到徑向應變增量與環向應變增量之比和有效應變增量間的關系，以繪制對應溫度和原始直徑條件下的起皺極限線；

步驟4.熱成形的起皺極限面由多條起皺極限線連接而成，每條起皺極限線由同一溫度、不同試件厚度的沖壓試驗獲得，每條起皺極限線由不同有效應變增量和徑向應變增量與環向應變增量之比之間的關系共同組成，最后利用插值法將每條起皺極限線連接成面。

本發明的有益效果在于：

1)本發明所述的起皺極限面的高低可以判斷高強鋼板熱成形抗起皺性能，起皺極限面越高則高強鋼板的熱成形抗起皺性能越好。

2)本發明所述起皺極限線上所需的徑向和環向應變數值可直接通過數字圖像相關(DIC)技術測量獲得，即方便又快捷。

3)本發明所述密封箱中的凹模設計較為巧妙，可進行不同原始直徑和厚度的板料的沖壓實驗。

4)通過以上技術方案，提出了一種新的起皺預測方法并繪制得到起皺極限線，提高了在復雜邊界條件下對起皺預測的精度；還考慮了熱沖壓當中的溫度因素，獲取了起皺極限面，更加直觀準確的判斷高強鋼板沖壓過程中是否發生了起皺現象。

附圖說明

圖1為本發明的一種高溫成形起皺極限實驗裝置的示意圖；

圖2為零件定位環的正視剖面圖及俯視圖；

圖3為300℃下，各種原始直徑的試件沖壓的環向應變和徑向應變的關系圖；

圖4為300℃、500℃、700℃、900℃下有效應變增量和徑向應變增量與環向應變增量之比的關系圖；

圖5為根據本發明提供的方法所建立的三維起皺極限面；

圖6為參數調整前，B柱在仿真中的云圖；

圖7為參數調整前，B柱在仿真中，其徑向應變增量與環向應變增量之比、有效應變及溫度值在起皺極限面中的位置；

圖8為參數調整后，B柱在仿真中的云圖；

圖9為參數調整后，B柱在仿真中，其徑向應變增量與環向應變增量之比、有效應變及溫度值在起皺極限面中的位置；

具體實施方式

下面結合附圖1-8對本發明的技術方案進行詳細說明。

為了得到熱成形起皺極限線，并在保溫和試驗階段保持穩定的溫度，防止高強鋼過度氧化，本發明提供了一種高強度金屬板材熱成形沖壓試驗裝置，該裝置包括：支架1，氣體單向閥2，密封箱3，電阻絲4，石英玻璃5，高速攝像頭6，紅外感溫裝置7，支架頂蓋8，沖頭液壓泵9，通氣管10，沖頭液壓泵連桿密封圈11，沖頭12，定位環13，試件14，凹模15，密封箱支座16。

其中，密封箱支座16和支架1焊接于底座上。凹模15兩端都有用于與密封箱支座進行配合并對凹模15實現定位的凹槽。定位環13與沖頭是間隙配合，沖頭下行過程實現對板料的定位和平衡作用，當沖頭上行時，定位環也將被托起，方便更換試樣繼續進行試驗。

電阻絲4安裝于密封箱的內膽上。密封箱3前端有可開啟的帶密封裝置的門，方便試驗人員對密封箱內進行操作。石英玻璃5安裝于密封箱3的頂部，與密封箱的連接可通過高溫密封膠實現密封。沖頭液壓泵連桿密封圈11安裝在石英玻璃5中央通孔中。

沖頭液壓泵9焊接于支架頂蓋8上，沖頭液壓泵9的活塞連桿與沖頭12通過螺紋連接，實現沖頭的上下運動。

高速攝像頭6和紅外感溫裝置7通過各自的連桿懸置于石英玻璃上方，可以實現沿連桿的上下運動以及固定拍攝。

氣體單向閥2和通氣管10安裝在密封箱壁上，能夠實現密封。各個液壓泵連桿與密封箱之間均設置了密封裝置，通過密封性測試，能夠滿足裝置的密閉性要求。

本發明還提供了利用上述試驗裝置進行試驗的方法，具體包括以下步驟：

步驟1、首先將密封箱3、沖頭液壓泵9按照密封箱支座16的位置裝配好，將沖頭12擰緊于沖頭液壓泵連桿之上。密封箱支座16頂部凸出，用于支撐凹模15，可以防止凹模直接將力作用在密封箱上避免密封箱變形過大。由于高速攝像機位于密封箱上方，因此要求密封箱頂部透明且將定位環設計成如圖所示的形式，留出的空間足夠攝像機拍攝到沖壓過程中板料的部分側壁。同時密封箱頂部還必須能夠承受密封箱內加熱時達到的高溫，故采用石英玻璃。

步驟2、在試件14上打上散斑，散斑的物質是高溫漆，材料是鎢等耐高溫材料，可以承受熱成形時鋼板的溫度，可以有效防止在高溫條件下散斑脫落而無法進行測量。

步驟3、根據試件的不同原始直徑將其放置于凹模的不同位置并通過定位環確保其水平。

步驟4、將高速攝像頭6、紅外感溫裝置7安置于支架上，照明燈與高速攝像頭集成，高速攝像頭沿著攝像頭支架上下移動，完成自動對焦。

步驟5、沖壓模具處于密封箱3中，經通氣管10向密封箱內通入比空氣密度稍低的保護氣體將空氣從氣體單向閥2中排出，防止試件14和沖頭12的氧化。

步驟6、對密封箱內壁上的電阻絲4通電，加熱整個密封箱空間，在凹模上設置若干通孔保證模具迅速達到實驗要求的溫度，加熱過程中，紅外感溫裝置7測得密封箱內沖壓模具和板料的實時溫度，控制通過電阻絲的電流大小，達到控溫的目的。

步驟7、直接由高速攝像頭6在線測量實驗過程中任意時刻試件表面的應變。采集出側壁起皺發生時刻的應變值，作為計算起皺極限線的徑向和環向應變值。

基于本發明的實驗裝置，本發明提供了一種高強鋼板熱成形起皺極限面的建立方法，包括以下步驟：

步驟1.在密封箱3中將試件加熱到950℃，并保溫5分鐘，使其完全奧氏體化，然后分別令其冷卻到實驗所需測量的900℃、700℃、500℃、300℃；

步驟2.將原始直徑為100mm、106mm、110mm、116mm、120mm、124mm、130mm的高強鋼板置于密封箱中和沖壓模具一同加熱至上述四種溫度，進行熱沖壓實驗；

步驟3.獲取起皺區域附近網格對應的徑向和環向應變的關系，當應變曲線出現突然轉折，即當徑向應變與環向應變之比達到臨界值時，判定該點徑向和環向應變為發生起皺時刻的應變。通過發生起皺時刻的徑向和環向應變計算得到徑向應變增量與環向應變增量之比和有效應變增量間的關系，以繪制對應溫度和原始直徑條件下的起皺極限線；

下面介紹通過發生起皺時刻的徑向和環向應變計算得到徑向變增量與環向應變增量之比和有效應變增量間的關系的方法：

如圖2所示，通過試驗獲取的徑向和環向應變繪制于同一坐標系當中，其中環向應變取壓縮方向為正，同一溫度下，不同原始直徑板料的沖壓實驗可得到一組徑向和環向應變關系曲線，并認為曲線拐點處的徑向和環向應變即為起皺開始時刻的應變值，并據此得到徑向應變增量dε_r和環向應變增量dε_θ及其比值dε_r/dε_θ，徑向應變增量與環向應變增量之比和有效應變增量之間的關系可用公式(1)或(2)計算：

$d\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=\sqrt{2/3}{\[\frac{(2+R)(1+R)}{(1+2R)}\{{{\mathrm{d\ϵ}}_r}^2+{{\mathrm{d\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}}^2+\left(\frac{2R}{(1+R)}\right){\mathrm{d\ϵ}}_r{\mathrm{d\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}\}\]}^2---\left(1\right)$

$\frac{d\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}{{\mathrm{d\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}}=\sqrt{2/3}{\[\frac{(2+R)(1+R)}{(1+2R)}\{1+{\left(\frac{{\mathrm{d\ϵ}}_r}{{\mathrm{d\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}}\right)}^2+\left(\frac{2R}{(1+R)}\right)\frac{{\mathrm{d\ϵ}}_r}{{\mathrm{d\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}}\}\]}^2---\left(2\right)$

式中，R為平均法向各向異性系數，R＝R₀+2R₄₅+R₉₀，0，45，90分別代表三個軋制方向，dε_r為徑向應變增量，dε_θ為環向應變增量，為有效應變增量。

步驟4.采用差值方法在origin軟件中將900℃、700℃、500℃、300℃起皺極限線(如圖3所示)連接成曲面，定義為三維起皺極限面。

步驟4中所述熱成形的起皺極限面由多條起皺極限線連接而成，每條起皺極限線由同一溫度、不同試件厚度的沖壓試驗獲得，每條起皺極限線由不同有效應變增量和徑向應變增量與環向應變增量之比之間的關系共同組成，最后利用插值法將每條起皺極限線連接成面。

步驟4中所述成形起皺極限面存在三個坐標軸，X坐標軸為有效應變增量，Y坐標軸為徑向應變增量與環向應變增量之比，Z坐標軸為溫度。

步驟4中所述熱成形起皺極限面，極限面以上區域定義為起皺區，極限面以下區域定義為安全區。由徑向應變增量與環向應變增量之比、有效應變增量及溫度共同確定的三維坐標點，若位于極限面以上則判定為起皺，位于極限面以下判定為安全。

下面介紹根據上述方法建立的金屬板材熱成形起皺極限面的應用：

材料為BR1500HS高強鋼板，成形件為B柱。

為了證明根據此方法所建立的熱成形起皺極限面的有效性，采用pamstamp 2G對某汽車B柱進行沖壓仿真，板料初始溫度850℃，應變關系云圖如圖6所示。將每個單元的徑向和環向應變值導出，通過上述計算公式得到徑向應變增量與環向應變增量之比和有效應變增量之間的關系，并將其與溫度相對應置于起皺極限面的三維圖中。如圖7所示，大部分點位于起皺面以下，說明對應的網格未出現起皺現象，少量的點位于起皺面上方，說明對應的網格出現了起皺現象。通過對成形結果的分析，發現起皺出現的位置板料流入過多，適當的提高壓邊力之后起皺現象得到消除，成形后的應變關系云圖中，所有位置均處于安全區內(圖8)，所有的點也都位于起皺極限面以下(圖9)。

盡管已經結合實施例對本發明進行了詳細地描述，但是本領域技術人員應當理解地是，本發明并非僅限于特定實施例，相反，在沒有超出本申請精神和實質的各種修正，變形和替換都落入到本申請的保護范圍之中。