CN102866064A - 一种双向加压条件下管材胀形成形极限测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种双向加压条件下管材胀形成形极限测试装置及方法，涉及一种管材胀形成形极限测试所使用的装置及方法。针对管材在平面应力和法向应力共存状态下胀形成形极限难于测试及法向压力对成形极限的影响难于评估问题而提出的。装置包括流体介质上模(1)、下模(4)、左冲头(5)和右冲头(3)。方法依次包括向放置管材试样、施加合模力、向上模(1)和管坯(2)内注入流体介质、控制上模(1)和管坯(2)内腔的压力进行加压变形的过程。使用本发明所述装置及方法既可测定管材胀形成形极限，也可评估法向应力对管材胀形成形极限的影响。

Description

一种双向加压条件下管材胀形成形极限测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种管材胀形成形极限测试装置及方法，具体涉及一种测试内外表面双向加压的管材在平面应力和法向应力共存条件下胀形成形极限的装置及方法。

背景技术

成形极限是成形领域中重要的性能指标和工艺参数，反映了材料在塑性失稳前所能取得的最大变形程度。目前，对于板材拉伸失稳的成形极限，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，符合平面应力状态下的成形。对于管材，目前还没有专门针对管材从实验方面评价胀形成形极限的方法。

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零件。对于管材内外加压的双向加压液压成形，坯料在高压流体压力作用下，坯料变形往往处于平面应力和法向应力共存状态，目前还无法评价管材在平面应力和法向应力共存条件下的胀形成形极限。

发明内容

针对目前无法评价管材在平面应力和法向应力共存条件下胀形成形极限的实际情况，本发明提供一种双向加压条件下管材胀形成形极限测试装置及方法，即提供一种测试管材在平面应力和法向应力共存条件下胀形成形极限的装置及方法，使用该方法及装置可获得管材在不同法向应力状态下的胀形成形极限，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：

本发明所述测试装置包括上模、下模、右冲头和左冲头，上模和下模之间用于容纳管坯；所述上模的腔体的横截面为椭圆形，椭圆形横截面的短轴长与管坯的直径相同，所述上模上设有与腔体相通的模具液体注入孔；所述上模与管坯接触的内表面为半圆柱面，且所述半圆柱面曲率半径与管坯外径相同；上模内表面左右端均为由内向外渐扩的锥面；所述下模与管坯接触的内表面为圆柱面，所述圆柱面用于与管坯接触，且所述圆柱面曲率半径与管坯外径相同，下模内表面左右端均为由内向外渐扩的锥面；在管坯的两端分别设有右冲头和左冲头，右冲头内设有与管坯内腔相通的冲头液体注入孔，所述左冲头和右冲头端部均具有15-20°的锥度，管坯的两端分别与左冲头和右冲头相配合。

利用上述的测试装置在平面应力和法向应力共存条件下进行管材胀形成形极限测试的方法，所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、制作上模、下模、左冲头和右冲头：腔体内表面为椭圆柱面，椭圆截面的长短轴比值分别为1、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2和2.5，短轴长2b与管坯直径

相同，长轴分别为

和

下模内表面为半圆柱面，下模内表面直径与管坯直径相同；

步骤二、制作金属管材试样：

利用电蚀腐方式在金属管材试样的外表面制作呈矩阵排布的多个圆形或正方形凹痕，使金属管材试样的外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、夹紧金属管材试样：将带有印制网格的金属管材试样放置在下模上，压力机滑块带动上模下行接触管材试样，施加合模力；左冲头和右冲头向管坯施加水平力，左冲头的锥部、右冲头的锥部使管坯的两端发生扩口并与上模内表面及下模内表面贴靠；

步骤四、双向压力加载：向管材试样内部的腔体内注入流体介质，以对管材试样的内表面施加胀形压力P₁；在上模的腔体内注入流体介质以对管材试样的外表面施加法向压力P₂；并使法向压力P₂与胀形压力P₁相等；

步骤五：胀形实验：增加管材试样的腔体的内部压力P1，管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；卸载上模的腔体、管材试样的腔体内部的压力及合模力，压力机滑块带动上模回程，水平油缸带动左冲头和右冲头恢复原位；

步骤六：测量金属管材试样上变形后的网格：将金属管材试样卸下，测量金属管材试样上的破裂位置附近椭圆长轴长度d₁和短轴长度d₂，或测量金属管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：根据测得的圆形网格变形前后的数据计算金属管材试样的破裂应变ε₁＝Ln[d₁-d/d]和ε₂＝Ln[d-d₂/d]，即可获得一个应变数据点；

改变上模的腔体的椭圆截面的长轴长度，重复上述步骤，即可获得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条件下的管材胀形成形极限曲线。

本发明具有以下优点：

1、针对管材在平面应力和法向应力共存状态下胀形成形极限难于测试及法向压力对成形极限的影响难于评估问题，采用本发明所述装置对管材试样进行平面应力和法向应力共存条件下下胀形成形极限曲线测试，方法简单，易于实现，为管材胀形成形极限的测定提供一种方法。

2、对管材试样施加内外的法向压力，可获得不同法向压力条件下的胀形成形极限曲线，方便评估法向应力对管材胀形成形极限的影响。

附图说明

图1是本发明所述测试装置的结构示意图；图2是图1的A-A剖面图(即椭圆柱面的截面图，2a为长轴、2b为短轴，短轴2b与管材试样直径相同)；图3是印有网格的管材试样(管坯)图，管坯直径

与短轴2b相等；图4印有正方形网格的管材试样(管坯)图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1至4所示，本实施方式所述的一种双向加压条件下管材胀形成形极限测试装置包括上模1、下模4、右冲头3和左冲头5，上模1和下模4之间用于容纳管坯2；所述上模1的腔体1-2的横截面为椭圆形(即腔体1-2的内表面为椭圆柱面)，椭圆形横截面的短轴长与管坯2的直径相同，所述上模1上设有与腔体1-2相通的模具液体注入孔1-1；所述上模1与管坯2接触的内表面为半圆柱面，且所述半圆柱面曲率半径与管坯2外径相同；上模1内表面左右端均为由内向外渐扩的锥面；所述下模4与管坯2接触的内表面为圆柱面，所述圆柱面用于与管坯2接触，且所述圆柱面曲率半径与管坯2外径相同，下模4内表面左右端均为由内向外渐扩的锥面；在管坯2的两端分别设有右冲头3和左冲头5，右冲头3内设有与管坯内腔2-1相通的冲头液体注入孔3-1，所述左冲头5和右冲头3端部均具有15-20°的锥度，管坯2的两端分别与左冲头5和右冲头3相配合。

在使用时，所述上模1与压力机滑块连接，所述下模4与压力机工作台连接、固定，右冲头3和左冲头5分别与水平油缸连接。

具体实施方式二：如图1至4所示，本实施方式为利用上述测试装置的在平面应力和法向应力共存条件下管材胀形成形极限测试方法，所述测试方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、制作上模1、下模4、左冲头5和右冲头3：腔体1-2内表面为椭圆柱面，椭圆截面的长短轴比值分别为1、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2和2.5，短轴长2b与管坯直径

相同，长轴分别为

和下模4内表面为半圆柱面，下模4内表面直径与管坯直径相同；

在步骤一中，可准备多套权利要求1所述测试装置，也可准备多个上模1和一个下模4，各个上模1依次分别与一个下模4相配合使用。

步骤二、制作金属管材试样：

利用电蚀腐方式在金属管材试样的外表面制作呈矩阵排布的多个圆形或正方形凹痕，使金属管材试样的外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；

在步骤二中，可切取长度为4倍管材直径的管材试样(即

)，在金属管材试样的外表面涂敷一层光致抗蚀剂，然后透过掩模对金属管材试样外表面的光致抗蚀剂层进行选择性曝光，即把要印制的网格轮廓部分进行曝光，所述腐蚀的网格轮廓为以矩阵排布的圆形网格轮廓或以矩阵排布的正方形网格轮廓，用金属腐蚀液对已曝光部分的矩阵排布的圆形网格轮廓内部或矩阵排布的正方形网格轮廓内部进行腐蚀，矩阵排布的圆形网格或矩阵排布的正方形网格即可印制到金属管材试样的上表面上，测量矩阵排布的圆形网格的直径d(或者正方形网格边长)，从而得到金属管材试样；

步骤三、夹紧金属管材试样：将带有印制网格的金属管材试样放置在下模4上，压力机滑块带动上模1下行接触管材试样2，施加合模力；左冲头5和右冲头3向管坯施加水平力，左冲头5的锥部、右冲头3的锥部使管坯2的两端发生扩口并与上模2内表面及下模4内表面贴靠；

步骤四、双向压力加载：向管材试样2内部的腔体2-1内注入流体介质，以对管材试样2的内表面施加胀形压力P₁；在上模1的腔体1-2内注入流体介质以对管材试样2的外表面施加法向压力P₂；并使法向压力P₂与胀形压力P₁相等；

步骤五：胀形实验：增加管材试样2的腔体2-1的内部压力P1，管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；卸载上模1的腔体1-2、管材试样2的腔体2-1内部的压力及合模力，压力机滑块带动上模1回程，水平油缸带动左冲头5和右冲头3恢复原位；

步骤六：测量金属管材试样上变形后的网格：将金属管材试样2卸下，测量金属管材试样上的破裂位置附近椭圆长轴长度d₁和短轴长度d₂，或测量金属管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；(这时正方形网格形成长方形网格)；

步骤七：根据测得的圆形网格变形前后的数据计算金属管材试样的破裂应变ε₁＝Ln[d₁-d/d]和ε₂＝Ln[d-d₂/d]，即可获得一个应变数据点；

改变上模1的腔体1-2的椭圆截面的长轴长度，重复上述步骤，即可获得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条件下的管材胀形成形极限曲线。

针对本发明再进行如下阐述：

所述测试装置包括流体上模1，所述上模1上设有与腔体1-2相通的液体注入孔1-1，所述腔体1-2内表面为椭圆柱面，所述上模1与管坯2接触的部分为半圆柱面，半柱面曲率半径与管坯2外径相同，上模1内表面左右端为锥面，所述上模1与压力机滑块连接；所述管坯2两端为右冲头3和左冲头5，右冲头3内设有与管坯内腔2-1相通的液体注入孔3-1，所述左冲头5和右冲头3端部具有15-20°的锥度，并与水平油缸连接；所述上模1下方为下模4，所述下模4内表面为圆柱面，圆柱面与管坯2接触，圆柱面曲率半径与管坯2外径相同，下模4内表面左右端为锥面，所述下模4与压力机工作台连接、固定；所述左冲头5和右冲头3带有锥度，上模1和下模4端部带有锥面，目的在于上模1与下模4合模后，右冲头3和左冲头5施加力产生管坯2的端部扩口形成密封，避免向腔体2-1内注入的流体介质向外溢出。利用所述装置进行平面应力和法向应力共存条件下成形极限测试，具体过程依次如下：

a、首先将上模1上的液体注入孔1-1与高压源连接，右冲头3上的液体注入孔3-1与高压源连接；

b、然后在下模4的内圆柱表面放置通过腐蚀法印制网格的管材试样2(图2)；

c、将上模1与压力机滑块连接，在压力机滑块的带动下控制上模1下行至与下模4相接触，然后通过压力机滑块施加合模力(如图1中F所示)，施加合模力的目的在于平衡管坯容腔2-1的液体介质压力，因此在实际应用中，根据管坯尺寸及压力的不同所述合模力的大小不定，但只要能实现避免开模即可；

d、将左冲头5与右冲头3与水平油缸连接，通过油缸施加水平力(如图1中的F1，使左冲头5和右冲头3锥面进入管坯2，使管坯2发生扩孔，贴靠上模1和下模4左右端的锥面，施加水平力的目的在于使管坯扩孔实现端部密封，避免高压流体介质泄漏；

e、通过注入孔1-1向容腔1-2、注入孔3-1向管坯容腔2-1内注入流体介质，直至注满；

f、通过高压源增加容腔1-2和管坯内腔2-1内的压力，同时增至P₂，然后保持容腔1-2内压力不变，增加管坯容腔2-1压力至P₁，使管材试样在P₁压力下发生胀形破裂；

g、卸载容腔1-2和2-1内部的压力及合模力和水平力，压力机滑块带动介质容腔1回程，水平油缸带动左冲头5和右冲头恢复原位。

h、将金属管材试样2卸下，测量金属管材试样2上的破裂位置附近椭圆长轴长度d₁和短轴长度d₂；

i、根据测得的圆形网格变形前后的数据计算金属管材试样的破裂应变ε₁＝Ln[d₁-d/d]和ε₂＝Ln[d-d₂/d]，即可获得应变数据点。

改变腔体1-2椭圆截面的长短轴比(图3)，重复上述步骤，即可获得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条件下的管材成形极限曲线；改变法向压力P₂，重复进行不同长短轴比的胀形实验，即可获得不同法向压力P₂条件下的管材成形极限曲线。

本实施方式中，流体介质容腔1-2内的压力P₂起到施加法向压力、建立平面应力和法向应力共存的条件，容腔2-1内的压力P₁使试样发生胀形。该方法既可测定管材胀形成形极限，也可评估法向应力对成形极限的影响。

Claims (2)

1.一种双向加压条件下管材胀形成形极限测试装置，其特征在于：所述测试装置包括上模(1)、下模(4)、右冲头(3)和左冲头(5)，上模(1)和下模(4)之间用于容纳管坯(2)；所述上模(1)的腔体(1-2)的横截面为椭圆形，椭圆形横截面的短轴长与管坯(2)的直径相同，所述上模(1)上设有与腔体(1-2)相通的模具液体注入孔(1-1)；所述上模(1)与管坯(2)接触的内表面为半圆柱面，且所述半圆柱面曲率半径与管坯(2)外径相同；上模(1)内表面左右端均为由内向外渐扩的锥面；所述下模(4)与管坯(2)接触的内表面为圆柱面，所述圆柱面用于与管坯(2)接触，且所述圆柱面曲率半径与管坯(2)外径相同，下模(4)内表面左右端均为由内向外渐扩的锥面；在管坯(2)的两端分别设有右冲头(3)和左冲头(5)，右冲头(3)内设有与管坯内腔(2-1)相通的冲头液体注入孔(3-1)，所述左冲头(5)和右冲头(3)端部均具有15-20°的锥度，管坯(2)的两端分别与左冲头(5)和右冲头(3)相配合。

2.利用权利要求1所述的测试装置在平面应力和法向应力共存条件下进行管材胀形成形极限测试的方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、制作上模(1)、下模(4)、左冲头(5)和右冲头(3)：腔体(1-2)内表面为椭圆柱面，椭圆截面的长短轴比值分别为1、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2和2.5，短轴长2b与管坯直径

相同，长轴分别为

和

下模(4)内表面为半圆柱面，下模(4)内表面直径与管坯直径相同；

步骤二、制作金属管材试样：

利用电蚀腐方式在金属管材试样的外表面制作呈矩阵排布的多个圆形或正方形凹痕，使金属管材试样的外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、夹紧金属管材试样：将带有印制网格的金属管材试样放置在下模(4)上，压力机滑块带动上模(1)下行接触管材试样(2)，施加合模力；左冲头(5)和右冲头(3)向管坯施加水平力，左冲头(5)的锥部、右冲头(3)的锥部使管坯(2)的两端发生扩口并与上模(2)内表面及下模(4)内表面贴靠；

步骤四、双向压力加载：向管材试样(2)内部的腔体(2-1)内注入流体介质，以对管材试样(2)的内表面施加胀形压力P₁；在上模(1)的腔体(1-2)内注入流体介质以对管材试样(2)的外表面施加法向压力P₂；并使法向压力P₂与胀形压力P₁相等；

步骤五：胀形实验：增加管材试样(2)的腔体(2-1)的内部压力P1，管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；卸载上模(1)的腔体(1-2)、管材试样(2)的腔体(2-1)内部的压力及合模力，压力机滑块带动上模(1)回程，水平油缸带动左冲头(5)和右冲头(3)恢复原位；

步骤六：测量金属管材试样上变形后的网格：将金属管材试样(2)卸下，测量金属管材试样上的破裂位置附近椭圆长轴长度d₁和短轴长度d₂，或测量金属管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：根据测得的圆形网格变形前后的数据计算金属管材试样的破裂应变ε₁＝Ln[d₁-d/d]和ε₂＝Ln[d-d₂/d]，即可获得一个应变数据点；

改变上模(1)的腔体(1-2)的椭圆截面的长轴长度，重复上述步骤，即可获得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条件下的管材胀形成形极限曲线。

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