一种非接触式成形极限图的构建方法

摘要

本发明涉及一种非接触式成形极限图的构建方法，属于金属材料成形方法技术领域。本发明的技术方案是：采用拉伸试验的方法，利用DIC技术准确地获得了材料断裂前一帧的主应变和次应变，精准构建金属材料的成形极限图。本发明的有益效果是：整个试验过程中主要变形部位不需与任何模具相接触，从而有效地解决了传统成形极限试验中无法采集断裂位置处应变和凸模与板料接触时摩擦力对试验结果造成影响的问题；由该方法得到的成形极限图更精准地描述了金属材料的综合成形能力，为板料的冲压成形仿真计算提供了可靠的判断依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触式成形极限图的构建方法，属于金属材料成形方法技术领域。

背景技术

成形极限图是由板料在不同应变路径下的局部开裂时的极限主应变ε

发明内容

本发明目的是提供一种非接触式成形极限图的构建方法，采用拉伸试验的方法，利用DIC技术准确地获得了材料断裂前一帧的主应变和次应变，精准构建金属材料的成形极限图，整个试验过程中主要变形部位不需与任何模具相接触，从而有效地解决了传统成形极限试验中无法采集断裂位置处应变和凸模与板料接触时摩擦力对试验结果造成影响的问题；由该方法得到的成形极限图更精准地描述了金属材料的综合成形能力，为板料的冲压成形仿真计算提供了可靠的判断依据，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案是：一种非接触式成形极限图的构建方法，包含以下步骤：

（1）利用线切割对试样进行加工，获得符合零件尺寸的试样，并对试样边缘进行精细打磨，保证试样边缘光滑，避免由于表面微裂纹影响试验数据的准确性；

（2）在试样的主要变形部位喷散均匀的散斑，利用高速相机采集主要变形区域内散斑的运动和分布情况照片；

（3）利用DIC技术对步骤（2）采集的照片进行处理，得到试样主要变形区域内主应变与次应变随时间的分布图，找到开裂前一帧裂纹位置处的最大应变点，提取该点的主应变与次应变随时间的变化规律；

（4）将每种试验重复三次，保证实验结果重复性较好，取三次试验断裂主应变的中间值和其对于的次应变作为该应变路径下材料发生开裂时的应变点；

（5）将不同应变路径下材料断裂时的主应变与次应变关系绘制成一张图，即为该材料的成形断裂极限图；

（6）将材料的成型断裂极限曲线向下平移10%，则得到材料在冲压成形时发生失稳或缩颈时的成形极限图。

所述步骤（1）中，试样有七种形状，包含剪切试样、拉剪试样、中间孔试样、单轴拉伸试样、R5缺口试样、R20缺口试样和双向拉伸试样，剪切试样、拉剪试样、中间孔试样、单轴拉伸试样、R5缺口试样和R20缺口试样在单向拉伸试验机上进行，双向拉伸试样在双向拉伸试验机上进行。

所述所有拉伸试验均为静态拉伸速率，不考虑材料的动态性能对成形极限的影响。

所述利用双向拉伸试验机进行成形极限图右侧材料胀形应变路径下断裂前一帧的最大主应变和相应次应变的获取。

本发明的有益效果是：采用拉伸试验的方法，利用DIC技术准确地获得了材料断裂前一帧的主应变和次应变，精准构建金属材料的成形极限图，整个试验过程中主要变形部位不需与任何模具相接触，从而有效地解决了传统成形极限试验中无法采集断裂位置处应变和凸模与板料接触时摩擦力对试验结果造成影响的问题；由该方法得到的成形极限图更精准地描述了金属材料的综合成形能力，为板料的冲压成形仿真计算提供了可靠的判断依据。

附图说明

图1是缺口R20应变路径；

图2是拉伸与剪切复合应变路径；

图3是中间孔应变路径

图4是单轴拉伸应变路径；

图5是剪切应变路径；

图6是缺口R5应变路径；

图7是双向拉伸应变路径；

图8是R20应变路径断裂前一帧主应变分布图；

图9是R20应变路径断裂前一帧次应变分布图；

图10是QP980-1.2mm材料的断裂极限图；

图11是QP980-1.2mm材料的成形极限图。

具体实施方式

为了使发明实施案例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施案例中的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清晰的、完整的描述，显然，所表述的实施案例是本发明一小部分实施案例，而不是全部的实施案例，基于本发明中的实施案例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护范围。

一种非接触式成形极限图的构建方法，包含以下步骤：

（1）利用线切割对试样进行加工，获得符合零件尺寸的试样，并对试样边缘进行精细打磨，保证试样边缘光滑，避免由于表面微裂纹影响试验数据的准确性；

（2）在试样的主要变形部位喷散均匀的散斑，利用高速相机采集主要变形区域内散斑的运动和分布情况照片；

（3）利用DIC技术对步骤（2）采集的照片进行处理，得到试样主要变形区域内主应变与次应变随时间的分布图，找到开裂前一帧裂纹位置处的最大应变点，提取该点的主应变与次应变随时间的变化规律；

（4）将每种试验重复三次，保证实验结果重复性较好，取三次试验断裂主应变的中间值和其对于的次应变作为该应变路径下材料发生开裂时的应变点；

（5）将不同应变路径下材料断裂时的主应变与次应变关系绘制成一张图，即为该材料的成形断裂极限图；

（6）将材料的成型断裂极限曲线向下平移10%，则得到材料在冲压成形时发生失稳或缩颈时的成形极限图。

所述步骤（1）中，试样有七种形状，包含剪切试样、拉剪试样、中间孔试样、单轴拉伸试样、R5缺口试样、R20缺口试样和双向拉伸试样，剪切试样、拉剪试样、中间孔试样、单轴拉伸试样、R5缺口试样和R20缺口试样在单向拉伸试验机上进行，双向拉伸试样在双向拉伸试验机上进行。

所述所有拉伸试验均为静态拉伸速率，不考虑材料的动态性能对成形极限的影响。

所述利用双向拉伸试验机进行成形极限图右侧材料胀形应变路径下断裂前一帧的最大主应变和相应次应变的获取。

实施例：

具体介绍采用非接触式试验方法构建材质为QP980-1.2mm成形极限图的方法。

a、按照试样的CAD图，利用线切割加工材质为QP980-1.2mm七种形状的试样，并对试样的边缘进行精细打磨，保证试样边缘无毛刺、硌伤等，以免对实验结果造成影响；

b、在每个试样的主要变形区域喷涂均匀的散斑，待散斑干燥后进行试验；

c、将R20试样（如图1）放入拉伸试验机的夹持端，保证试样长度方向与受力方向在一条轴线上，拉伸试验机以4mm/min的速度进行拉伸试验；

d、用高速相机以10Hz的频率采集R20试样主要变形区域的散斑运动和分布情况，利用DIC技术分析散斑图像，得到不同时刻主要变形位置的主应变和次应变分布图；

e、筛选每帧的主应变分布图，确定R20试样的开裂时刻为49s，断裂前一帧为48.9s，在该帧的主应变分布图上，找到裂纹附近最大主应变点的位置，提取该点的主应变和次应变，以及该点从开始到48.9s之间的主应变随次应变的变化关系曲线；

f、将该试验重复三次，三次试验得到断裂位置点的主应变-次应变曲线重合性较好，三次断裂位置点的主应变分别为0.375、0.366、0.358，则将三次试验的断裂主应变的中间值（0.366）和对应的次应变（-0.072）作为该材料断裂应变点，若三次试验重合性不好，则需再次进行试验；

g、以相同的方法将重复（除双向拉伸试验以外）其他单向拉伸试验，得到金属材料在该应变路径下断裂主应变和次应变；

h、将双向拉伸试样（如图7）安装在双向拉伸试验机上，试验机上横梁和左横梁同时以4mm/min的速度运动，保证试样在长度、宽度方向同时发生相同的变形量，由高速相机拍摄的散斑图像，后续图像及数据处理方式与R20缺口试验相同。

i、将不同应变路径的主应变与次应变关系曲线绘制在一张关系图上，即为材料QP980-1.2mm的断裂极限曲线（如图10）；

j将QP980-1.2mm的断裂极限图向下平移10%，则得到该材料在冲压时出现缩颈或失稳的极限曲线，断裂极限曲线和失稳极限曲线够成了QP980-1.2mm材料的成形极限图（如图11）。

本发明采用拉伸试验的方法，利用DIC技术精准地获得了金属材料的成形极限图，有效地避免了常见FLC试验难以准确捕捉断裂位置的应变分布和模具与试样接触时摩擦力对试验结果的影响。