專利名稱：一種雙向加壓條件下管材脹形成形極限測試裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種管材脹形成形極限測試裝置及方法，具體涉及一種測試內外表面雙向加壓的管材在平面應力和法向應力共存條件下脹形成形極限的裝置及方法。
背景技術：
成形極限是成形領域中重要的性能指標和工藝參數，反映了材料在塑性失穩前所能取得的最大變形程度。目前，對于板材拉伸失穩的成形極限，從理論和實驗等方面提出了許多研究與評價方法。其中，Nakazima試驗法是目前常用的方法，其實質是半球剛性凸模脹形試驗。通過絲網印刷方法在試樣表面印制圓形網格，改變試樣寬度和試件與凸模間的潤滑進行半球剛性凸模脹形實驗，試樣破裂后，網格由 圓形變成橢圓形，測量靠近破裂點位置的橢圓形網格長短軸的大小，計算長短軸的應變值，獲得數據點，即可繪制出成形極限曲線FLC。這種試驗方法獲得的成形極限值接近工業生產中板材普通沖壓的實際情況，符合平面應力狀態下的成形。對于管材，目前還沒有專門針對管材從實驗方面評價脹形成形極限的方法。近年來，以流體為傳力介質的液壓成形技術以其工藝柔性高、制模簡單、成形零件質量好等優點，日益得到廣泛的重視，能夠克服普通沖壓成形方式的不足，尤其適合在一道工序內成形變形量大的復雜零件。對于管材內外加壓的雙向加壓液壓成形，坯料在高壓流體壓力作用下，坯料變形往往處于平面應力和法向應力共存狀態，目前還無法評價管材在平面應力和法向應力共存條件下的脹形成形極限。

發明內容
針對目前無法評價管材在平面應力和法向應力共存條件下脹形成形極限的實際情況，本發明提供一種雙向加壓條件下管材脹形成形極限測試裝置及方法，即提供一種測試管材在平面應力和法向應力共存條件下脹形成形極限的裝置及方法，使用該方法及裝置可獲得管材在不同法向應力狀態下的脹形成形極限，滿足實際應用。本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是本發明所述測試裝置包括上模、下模、右沖頭和左沖頭，上模和下模之間用于容納管坯；所述上模的腔體的橫截面為橢圓形，橢圓形橫截面的短軸長與管坯的直徑相同，所述上模上設有與腔體相通的模具液體注入孔；所述上模與管坯接觸的內表面為半圓柱面，且所述半圓柱面曲率半徑與管坯外徑相同；上模內表面左右端均為由內向外漸擴的錐面；所述下模與管坯接觸的內表面為圓柱面，所述圓柱面用于與管坯接觸，且所述圓柱面曲率半徑與管坯外徑相同，下模內表面左右端均為由內向外漸擴的錐面；在管坯的兩端分別設有右沖頭和左沖頭，右沖頭內設有與管坯內腔相通的沖頭液體注入孔，所述左沖頭和右沖頭端部均具有15-20°的錐度，管坯的兩端分別與左沖頭和右沖頭相配合。利用上述的測試裝置在平面應力和法向應力共存條件下進行管材脹形成形極限測試的方法，所述方法是按照以下步驟實現的
步驟一、制作上模、下模、左沖頭和右沖頭腔體內表面為橢圓柱面，橢圓截面的長短軸比值分別為I、I. 2、I. 4、I. 6、I. 8、2. O、2. 2和2. 5,短軸長2b與管還直徑0相同，長軸分別為10 、1. 2' 、1· 40,1. 60,1. 8丨:1、2· 00,2. 2C丨和2· 50;下模內表面為半圓柱面，下模內表面直徑與管坯直徑相同；步驟二、制作金屬管材試樣利用電蝕腐方式在金屬管材試樣的外表面制作呈矩陣排布的多個圓形或正方形凹痕，使金屬管材試樣的外表面為矩陣排布的圓形網格或的正方形網格狀；測量呈矩陣排布的圓形或正方形凹痕的直徑d或正方形凹痕的邊長d ；步驟三、夾緊金屬管材試樣將帶有印制網格的金屬管材試樣放置在下模上，壓力機滑塊帶動上模下行接觸管材試樣，施加合模力；左沖頭和右沖頭向管坯施加水平力，左沖頭的錐部、右沖頭的錐部使管坯的兩端發生擴口并與上模內表面及下模內表面貼靠；步驟四、雙向壓力加載向管材試樣內部的腔體內注入流體介質，以對管材試樣的內表面施加脹形壓力P1 ;在上模的腔體內注入流體介質以對管材試樣的外表面施加法向壓力P2;并使法向壓力P2與脹形壓力P1相等；步驟五脹形實驗增加管材試樣的腔體的內部壓力P1，管材試樣發生脹形變形，直至試樣發生破裂；破裂后，裂紋附近排布的圓形網格變成橢圓形網格，排布的正方形網格變成長方形網格；卸載上模的腔體、管材試樣的腔體內部的壓力及合模力，壓力機滑塊帶動上模回程，水平油缸帶動左沖頭和右沖頭恢復原位；步驟六測量金屬管材試樣上變形后的網格將金屬管材試樣卸下，測量金屬管材試樣上的破裂位置附近橢圓長軸長度Cl1和短軸長度d2，或測量金屬管材試樣上的破裂位置附近長方形長邊長度Cl1和短邊長度d2 ；步驟七根據測得的圓形網格變形前后的數據計算金屬管材試樣的破裂應變ε !=Lntdi-d/d]和ε 2 = Ln[d_d2/d],即可獲得一個應變數據點；改變上模的腔體的橢圓截面的長軸長度，重復上述步驟，即可獲得不同極限應變數據點，分別以^和ε2為橫坐標和縱坐標，繪制數據點，將所獲得的數據點進行連接或者擬合，即可獲得在某一法向壓力P2條件下的管材脹形成形極限曲線。本發明具有以下優點I、針對管材在平面應力和法向應力共存狀態下脹形成形極限難于測試及法向壓力對成形極限的影響難于評估問題，采用本發明所述裝置對管材試樣進行平面應力和法向應力共存條件下下脹形成形極限曲線測試，方法簡單，易于實現，為管材脹形成形極限的測定提供一種方法。2、對管材試樣施加內外的法向壓力，可獲得不同法向壓力條件下的脹形成形極限曲線，方便評估法向應力對管材脹形成形極限的影響。


圖I是本發明所述測試裝置的結構示意圖；圖2是圖I的A-A剖面圖(即橢圓柱面的截面圖，2a為長軸、2b為短軸，短軸2b與管材試樣直徑相同)；圖3是印有網格的管材試樣(管坯)圖，管坯直徑0與短軸2b相等；圖4印有正方形網格的管材試樣(管坯)圖。
具體實施例方式具體實施方式
一如圖I至4所示，本實施方式所述的ー種雙向加壓條件下管材脹形成形極限測試裝置包括上模I、下模4、右沖頭3和左沖頭5，上模I和下模4之間用于容納管坯2 ;所述上模I的腔體1-2的橫截面為橢圓形(即腔體1-2的內表面為橢圓柱面)，橢圓形橫截面的短軸長與管坯2的直徑相同，所述上模I上設有與腔體1-2相通的模具液體注入孔1-1 ;所述上模I與管坯2接觸的內表面為半圓柱面，且所述半圓柱面曲率半徑與管坯2外徑相同；上模I內表面左右端均為由內向外漸擴的錐面；所述下模4與管坯2接觸的內表面為圓柱面，所述圓柱面用干與管坯2接觸，且所述圓柱面曲率半徑與管坯2外徑相同，下模4內表面左右端均為由內向外漸擴的錐面；在管坯2的兩端分別設有右沖頭3和左沖頭5，右沖頭3內設有與管坯內腔2-1相通的沖頭液體注入孔3-1，所述左沖頭5和右沖頭3端部均具有15-20°的錐度，管坯2的兩端分別與左沖頭5和右沖頭3相配合。在使用時，所述上模I與壓カ機滑塊連接，所述下模4與壓カ機工作臺連接、固定，右沖頭3和左沖頭5分別與水平油缸連接。
具體實施方式
ニ 如圖I至4所示，本實施方式為利用上述測試裝置的在平面應力和法向應カ共存條件下管材脹形成形極限測試方法，所述測試方法是按照以下步驟實現的步驟一、制作上模I、下模4、左沖頭5和右沖頭3 :腔體1-2內表面為橢圓柱面，橢圓截面的長短軸比值分別為1、1. 2、I. 4、I. 6、I. 8、2. O、2. 2和2. 5，短軸長2b與管坯直徑0相同，長軸分別為10、1. 20,1. 4' 丨、1. 6C丨、I. 80、2. OO、2. 20和2. 5 ;下模4內表面為半圓柱面，下
模4內表面直徑與管坯直徑相同；在步驟一中，可準備多套權利要求I所述測試裝置，也可準備多個上模I和ー個下模4,各個上模I依次分別與ー個下模4相配合使用。步驟ニ、制作金屬管材試樣利用電蝕腐方式在金屬管材試樣的外表面制作呈矩陣排布的多個圓形或正方形凹痕，使金屬管材試樣的外表面為矩陣排布的圓形網格或的正方形網格狀；測量呈矩陣排布的圓形或正方形凹痕的直徑d或正方形凹痕的邊長d ；在步驟ニ中，可切取長度為4倍管材直徑的管材試樣(即L=40)，在金屬管材試樣的外表面涂敷ー層光致抗蝕劑，然后透過掩模對金屬管材試樣外表面的光致抗蝕劑層進行選擇性曝光，即把要印制的網格輪廓部分進行曝光，所述腐蝕的網格輪廓為以矩陣排布的圓形網格輪廓或以矩陣排布的正方形網格輪廓，用金屬腐蝕液對已曝光部分的矩陣排布的圓形網格輪廓內部或矩陣排布的正方形網格輪廓內部進行腐蝕，矩陣排布的圓形網格或矩陣排布的正方形網格即可印制到金屬管材試樣的上表面上，測量矩陣排布的圓形網格的直徑d(或者正方形網格邊長)，從而得到金屬管材試樣；步驟三、夾緊金屬管材試樣將帶有印制網格的金屬管材試樣放置在下模4上，壓力機滑塊帶動上模I下行接觸管材試樣2，施加合模カ；左沖頭5和右沖頭3向管坯施加水平力，左沖頭5的錐部、右沖頭3的錐部使管坯2的兩端發生擴ロ并與上模2內表面及下模4內表面貼靠；步驟四、雙向壓カ加載向管材試樣2內部的腔體2-1內注入流體介質，以對管材試樣2的內表面施加脹形壓力P1 ;在上模I的腔體1-2內注入流體介質以對管材試樣2的外表面施加法向壓力P2 ;并使法向壓力P2與脹形壓力P1相等；步驟五脹形實驗增加管材試樣2的腔體2-1的內部壓力P1，管材試樣發生脹形變形，直至試樣發生破裂；破裂后，裂紋附近排布的圓形網格變成橢圓形網格，排布的正方形網格變成長方形網格；卸載上模I的腔體1-2、管材試樣2的腔體2-1內部的壓力及合模力，壓力機滑塊帶動上模I回程，水平油缸帶動左沖頭5和右沖頭3恢復原位；
步驟六測量金屬管材試樣上變形后的網格將金屬管材試樣2卸下，測量金屬管材試樣上的破裂位置附近橢圓長軸長度Cl1和短軸長度d2，或測量金屬管材試樣上的破裂位置附近長方形長邊長度Cl1和短邊長度d2 ；(這時正方形網格形成長方形網格)；步驟七根據測得的圓形網格變形前后的數據計算金屬管材試樣的破裂應變ε !=Lntdi-d/d]和ε 2 = Ln[d_d2/d],即可獲得一個應變數據點；改變上模I的腔體1-2的橢圓截面的長軸長度，重復上述步驟，即可獲得不同極限應變數據點，分別以^和ε2為橫坐標和縱坐標，繪制數據點，將所獲得的數據點進行連接或者擬合，即可獲得在某一法向壓力P2條件下的管材脹形成形極限曲線。針對本發明再進行如下闡述所述測試裝置包括流體上模1，所述上模I上設有與腔體1-2相通的液體注入孔1-1，所述腔體1-2內表面為橢圓柱面，所述上模I與管坯2接觸的部分為半圓柱面，半柱面曲率半徑與管坯2外徑相同，上模I內表面左右端為錐面，所述上模I與壓力機滑塊連接；所述管坯2兩端為右沖頭3和左沖頭5，右沖頭3內設有與管坯內腔2-1相通的液體注入孔3-1，所述左沖頭5和右沖頭3端部具有15-20°的錐度，并與水平油缸連接；所述上模I下方為下模4，所述下模4內表面為圓柱面，圓柱面與管坯2接觸，圓柱面曲率半徑與管坯2外徑相同，下模4內表面左右端為錐面，所述下模4與壓力機工作臺連接、固定；所述左沖頭5和右沖頭3帶有錐度，上模I和下模4端部帶有錐面，目的在于上模I與下模4合模后，右沖頭3和左沖頭5施加力產生管坯2的端部擴口形成密封，避免向腔體2-1內注入的流體介質向外溢出。利用所述裝置進行平面應力和法向應力共存條件下成形極限測試，具體過程依次如下a、首先將上模I上的液體注入孔1-1與高壓源連接，右沖頭3上的液體注入孔3_1與高壓源連接；b、然后在下模4的內圓柱表面放置通過腐蝕法印制網格的管材試樣2(圖2)；C、將上模I與壓力機滑塊連接，在壓力機滑塊的帶動下控制上模I下行至與下模4相接觸，然后通過壓力機滑塊施加合模力(如圖I中F所示)，施加合模力的目的在于平衡管坯容腔2-1的液體介質壓力，因此在實際應用中，根據管坯尺寸及壓力的不同所述合模力的大小不定，但只要能實現避免開模即可；d、將左沖頭5與右沖頭3與水平油缸連接，通過油缸施加水平力(如圖I中的F1，使左沖頭5和右沖頭3錐面進入管坯2，使管坯2發生擴孔，貼靠上模I和下模4左右端的錐面，施加水平力的目的在于使管坯擴孔實現端部密封，避免高壓流體介質泄漏；e、通過注入孔1-1向容腔1-2、注入孔3_1向管坯容腔2_1內注入流體介質，直至注滿；f、通過高壓源增加容腔1-2和管坯內腔2-1內的壓力，同時增至P2，然后保持容腔1-2內壓力不變，增加管坯容腔2-1壓力至P1，使管材試樣在P1壓力下發生脹形破裂；
g、卸載容腔1-2和2-1內部的壓カ及合模カ和水平力，壓カ機滑塊帶動介質容腔I回程，水平油缸帶動左沖頭5和右沖頭恢復原位。h、將金屬管材試樣2卸下，測量金屬管材試樣2上的破裂位置附近橢圓長軸長度(I1和短軸長度d2 ；i、根據測得的圓形網格變形前后的數據計算金屬管材試樣的破裂應變e !=Ln[(I1-Cl/d]和e 2 = Ln[d_d2/d],即可獲得應變數據點。改變腔體1-2橢圓截面的長短軸比(圖3)，重復上述步驟，即可獲得不同極限應變數據點，分別以h和り為橫坐標和縱坐標，繪制數據點，將所獲得的數據點進行連接或者擬合，即可獲得在某一法向壓カP2條件下的管材成形極限曲線；改變法向壓カP2，重復進行不同長短軸比的脹形實驗，即可獲得不同法向壓カP2條件下的管材成形極限曲線。本實施方式中，流體介質容腔1-2內的壓カP2起到施加法向壓力、建立平面應カ和法向應カ共存的條件，容腔2-1內的壓カP1使試樣發生脹形。該方法既可測定管材脹形成形極限，也可評估法向應カ對成形極限的影響。
權利要求
1.ー種雙向加壓條件下管材脹形成形極限測試裝置，其特征在于所述測試裝置包括上模(I)、下模(4)、右沖頭(3)和左沖頭(5)，上模(I)和下模(4)之間用于容納管坯(2);所述上模(I)的腔體(1-2)的橫截面為橢圓形，橢圓形橫截面的短軸長與管坯(2)的直徑相同，所述上模(I)上設有與腔體(1-2)相通的模具液體注入孔(1-1);所述上模(I)與管坯(2)接觸的內表面為半圓柱面，且所述半圓柱面曲率半徑與管坯(2)外徑相同；上模(I)內表面左右端均為由內向外漸擴的錐面；所述下模(4)與管坯(2)接觸的內表面為圓柱面，所述圓柱面用干與管坯(2)接觸，且所述圓柱面曲率半徑與管坯(2)外徑相同，下模(4)內表面左右端均為由內向外漸擴的錐面；在管坯(2)的兩端分別設有右沖頭(3)和左沖頭(5)，右沖頭(3)內設有與管坯內腔(2-1)相通的沖頭液體注入孔(3-1)，所述左沖頭(5)和右沖頭(3)端部均具有15-20°的錐度，管坯(2)的兩端分別與左沖頭(5)和右沖頭(3)相配合。
2.利用權利要求I所述的測試裝置在平面應カ和法向應カ共存條件下進行管材脹形成形極限測試的方法，其特征在于所述方法是按照以下步驟實現的 步驟一、制作上模(I)、下模(4)、左沖頭(5)和右沖頭(3):腔體(1-2)內表面為橢圓柱面，橢圓截面的長短軸比值分別為1、1. 2、1. 4、1. 6、1. 8、2. 0、2. 2和2. 5，短軸長2b與管坯直徑0相同，長軸分別為10、1. 20,1. 40、1. 60,1. 8へ2. 00,2. 20和2. 50;下模(4)內表面為半圓柱面，下模(4)內表面直徑與管坯直徑相同； 步驟ニ、制作金屬管材試樣 利用電蝕腐方式在金屬管材試樣的外表面制作呈矩陣排布的多個圓形或正方形凹痕，使金屬管材試樣的外表面為矩陣排布的圓形網格或的正方形網格狀；測量呈矩陣排布的圓形或正方形凹痕的直徑d或正方形凹痕的邊長d ； 步驟三、夾緊金屬管材試樣將帶有印制網格的金屬管材試樣放置在下模(4)上，壓カ機滑塊帶動上模(I)下行接觸管材試樣(2)，施加合模カ；左沖頭(5)和右沖頭(3)向管坯施加水平力，左沖頭(5)的錐部、右沖頭(3)的錐部使管坯(2)的兩端發生擴ロ并與上模(2)內表面及下模(4)內表面貼靠； 步驟四、雙向壓カ加載向管材試樣⑵內部的腔體(2-1)內注入流體介質，以對管材試樣⑵的內表面施加脹形壓力P1 ;在上模⑴的腔體(1-2)內注入流體介質以對管材試樣⑵的外表面施加法向壓カP2 ;并使法向壓カP2與脹形壓力P1相等； 步驟五脹形實驗増加管材試樣(2)的腔體(2-1)的內部壓カP1，管材試樣發生脹形變形，直至試樣發生破裂；破裂后，裂紋附近排布的圓形網格變成橢圓形網格，排布的正方形網格變成長方形網格；卸載上模(I)的腔體(1-2)、管材試樣(2)的腔體(2-1)內部的壓力及合模力，壓カ機滑塊帶動上模(I)回程，水平油缸帶動左沖頭(5)和右沖頭(3)恢復原位； 步驟六測量金屬管材試樣上變形后的網格將金屬管材試樣(2)卸下，測量金屬管材試樣上的破裂位置附近橢圓長軸長度Cl1和短軸長度d2，或測量金屬管材試樣上的破裂位置附近長方形長邊長度Cl1和短邊長度d2 ； 步驟七根據測得的圓形網格變形前后的數據計算金屬管材試樣的破裂應變ε ,=Ln [(I1-Cl/d]和ε 2 = Ln[d_d2/d],即可獲得一個應變數據點； 改變上模(I)的腔體(1-2)的橢圓截面的長軸長度，重復上述步驟，即可獲得不同極限應變數據點，分別以S1和り為橫坐標和縱坐標，繪制數據點，將所獲得的數據點進行連接 或者擬合，即可獲得在某一法向壓カP2條件下的管材脹形成形極限曲線。
全文摘要
一種雙向加壓條件下管材脹形成形極限測試裝置及方法，涉及一種管材脹形成形極限測試所使用的裝置及方法。針對管材在平面應力和法向應力共存狀態下脹形成形極限難于測試及法向壓力對成形極限的影響難于評估問題而提出的。裝置包括流體介質上模(1)、下模(4)、左沖頭(5)和右沖頭(3)。方法依次包括向放置管材試樣、施加合模力、向上模(1)和管坯(2)內注入流體介質、控制上模(1)和管坯(2)內腔的壓力進行加壓變形的過程。使用本發明所述裝置及方法既可測定管材脹形成形極限，也可評估法向應力對管材脹形成形極限的影響。
文檔編號G01N3/12GK102866064SQ20121036708
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者徐永超, 苑世劍 申請人:哈爾濱工業大學