试验方法及基于该方法的热成形起皱极限面的建立方法

摘要

本发明提高了一种高强度金属板材热成形冲压试验装置，该装置包括：支架(1)，气体单向阀(2)，密封箱(3)，电阻丝(4)，石英玻璃(5)，高速摄像头(6)，红外感温装置(7)，支架顶盖(8)，冲头液压泵(9)，进气管(10)，冲头液压泵连杆密封圈(11)，冲头(12)，定位环(13)，试件(14)，凹模(15)，密封箱支座(16)；本发明还提供了一种高强度金属板材热成形冲压试验装置的试验方法以及基于该方法的高强钢板热成形起皱极限面的建立方法，本发明所述的起皱极限面的高低可以判断高强钢板热成形抗起皱性能，起皱极限面越高则高强钢板的热成形抗起皱性能越好。

说明书

技术领域

本发明涉及金属板材热成形加工领域，特别涉及一种金属板材热成形起皱极限面的建立方法，主要用途在于判断金属板材热成形中的起皱现象，评价金属板材的抗起皱性能。

背景技术

高强钢通常是指抗拉强度高于370MPa的钢种，强度和韧性结合较好，比强度高、防撞性能好是其突出特点，因此在满足同等安全性能要求的前提下，能够一定程度上实现汽车轻量化，具有广阔的市场应用前景。但是实验证明，在室温条件下高强钢板成形性能差，易出现起皱、开裂等缺陷，严重影响了高强钢板的推广应用。研究表明，热成形工艺可以有效地改善高强钢板的成形性能，有利于得到表面质量较高的成形零件。

通常来说，不同温度下材料的塑性变形规律有很大差别，温度越高，材料塑性越好，屈服强度和抗拉强度越低。显然，在不同温度下，材料的抗拉裂性能和抗起皱性能均会有所变化，目前热成形性能评价中涉及到抗拉裂性能的研究较多，然而材料的抗起皱性能方面的研究则较少，如公开日为2014年6月11日，发明名称为“一种高强钢板热成型极限图的建立方法”的专利，该专利公开了一种高强度钢板考虑温度条件的成形极限图的建立方法，描述了材料在各个温度条件下高强钢板抗拉裂性能，但该专利没有解决钢板热成形抗起皱性能的评价这一问题，也就不能准确全面地评价在热成形过程中高强度钢的热成形性能。

起皱是一种板料冲压过程中压缩失稳的表现，严重影响冲压件表面质量。在仿真分析当中，通常认为当板料单元的平面次应变与平面主应变的比值在-1和-R/(1+R)范围内时存在起皱缺陷，但是在实际生产当中，则通常认为当皱高达到某临界值时即判定为产生了影响冲压件表面质量的起皱缺陷，如公开日为2009年8月11日，发明名称为“金属薄板剪应力起皱试验方法及试验装备”的专利，该专利公开了一种金属薄板剪应力试验方法及起皱评价指标，通过测定金属薄板的皱高，从而得到金属薄板抗剪力起皱特性。但是测量皱高的评价方法存在着不可避免的人为误差，且采用取均值的方式要求试验次数较多，存在着一定的弊端。

因此，传统起皱极限评价方法虽然能够解决部分金属板材成形工艺中成形性能的评价问题，但仍然存在着一定的局限性，迫切需要一种新的起皱判定标准来有效的评价高强钢板在热冲压成形过程中的抗起皱性能，为实际冲压生产提供指导依据。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种高强钢板热成形起皱极限面的建立方法，不仅能解决传统成形起皱极限面能解决的起皱评价问题，还能提供一种可准确、直观地判断高强钢板热成形过程中起皱的评价标准。

本发明提供了一种高强度金属板材热成形冲压试验装置，该装置包括：支架，气体单向阀，密封箱，电阻丝，石英玻璃，高速摄像头，红外感温装置，支架顶盖，冲头液压泵，进气管，冲头液压泵连杆密封圈，冲头，定位环，试件，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；凹模两端设置有用于与密封箱支座进行配合并对凹模实现定位的凹槽；

定位环与冲头之间间隙配合，冲头下行过程时，实现板料的定位和平衡，当冲头上行时，定位环也将被托起，方便更换试件并继续进行试验；

电阻丝安装于密封箱的内胆上；密封箱前端设置有可开启的带密封装置的门；

石英玻璃安装于密封箱的顶部；冲头液压泵连杆密封圈安装在石英玻璃中央通孔中；

冲头液压泵焊接于支架顶盖上，冲头液压泵的活塞连杆与冲头通过螺纹连接，实现冲头的上下运动；

高速摄像头和红外感温装置通过各自的连杆悬置于石英玻璃上方，可以实现沿连杆的上下运动以及固定拍摄；

气体单向阀和进气管安装在密封箱的壁上，各个液压泵连杆与密封箱之间均设置了密封装置；

本发明还提供了一种高强度金属板材热成形冲压试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：

步骤1、首先将密封箱、冲头液压泵按照密封箱支座的位置装配好，将冲头拧紧于冲头液压泵连杆之上；密封箱支座顶部凸出，用于支撑凹模；

步骤2、在试件上打上散斑，散斑的物质是高温漆，材料为耐高温材料，能够承受热成形时钢板的温；

步骤3、根据试件的不同原始直径将它们放置于凹模的不同位置并通过定位环确保其水平；

步骤4、将高速摄像头、红外感温装置安置于支架上，照明灯与高速摄像头集成，高速摄像头沿着摄像头支架上下移动，完成自动对焦；

步骤5、冲压模具处于密封箱中，经通气管向密封箱内通入比空气密度稍低的保护气体，从而将空气从气体单向阀中排出，防止试件和冲头的氧化；

步骤6、对密封箱内壁上的电阻丝通电，加热整个密封箱空间，在凹模上设置若干通孔保证模具迅速达到实验要求的温度，加热过程中，红外感温装置测得密封箱内冲压模具和板料的实时温度，控制通过电阻丝的电流大小；

步骤7、直接由高速摄像头在线测量实验过程中任意时刻试件表面的应变；采集出侧壁起皱发生时刻的应变值，作为计算起皱极限线的径向和环向应变值；

本发明还提供了一种高强钢板热成形起皱极限面的建立方法，包括以下步骤：

步骤1.在密封箱中将试件加热到950℃，并保温5分钟，使其完全奥氏体化，然后分别令其冷却到实验所需测量的900℃、700℃、500℃、300℃；

步骤2.将原始直径为100mm、106mm、110mm、116mm、120mm、124mm、130mm的高强钢板置于密封箱中和冲压模具一同加热至上述四种温度，进行热冲压实验；

步骤3.获取起皱区域附近网格对应的径向和环向应变的关系，当应变曲线出现转折，即当径向应变与环向应变之比达到临界值时，判定该点径向和环向应变为发生起皱时刻的应变；通过发生起皱时刻的径向和环向应变计算得到径向应变增量与环向应变增量之比和有效应变增量间的关系，以绘制对应温度和原始直径条件下的起皱极限线；

步骤4.热成形的起皱极限面由多条起皱极限线连接而成，每条起皱极限线由同一温度、不同试件厚度的冲压试验获得，每条起皱极限线由不同有效应变增量和径向应变增量与环向应变增量之比之间的关系共同组成，最后利用插值法将每条起皱极限线连接成面。

本发明的有益效果在于：

1)本发明所述的起皱极限面的高低可以判断高强钢板热成形抗起皱性能，起皱极限面越高则高强钢板的热成形抗起皱性能越好。

2)本发明所述起皱极限线上所需的径向和环向应变数值可直接通过数字图像相关(DIC)技术测量获得，即方便又快捷。

3)本发明所述密封箱中的凹模设计较为巧妙，可进行不同原始直径和厚度的板料的冲压实验。

4)通过以上技术方案，提出了一种新的起皱预测方法并绘制得到起皱极限线，提高了在复杂边界条件下对起皱预测的精度；还考虑了热冲压当中的温度因素，获取了起皱极限面，更加直观准确的判断高强钢板冲压过程中是否发生了起皱现象。

附图说明

图1为本发明的一种高温成形起皱极限实验装置的示意图；

图2为零件定位环的正视剖面图及俯视图；

图3为300℃下，各种原始直径的试件冲压的环向应变和径向应变的关系图；

图4为300℃、500℃、700℃、900℃下有效应变增量和径向应变增量与环向应变增量之比的关系图；

图5为根据本发明提供的方法所建立的三维起皱极限面；

图6为参数调整前，B柱在仿真中的云图；

图7为参数调整前，B柱在仿真中，其径向应变增量与环向应变增量之比、有效应变及温度值在起皱极限面中的位置；

图8为参数调整后，B柱在仿真中的云图；

图9为参数调整后，B柱在仿真中，其径向应变增量与环向应变增量之比、有效应变及温度值在起皱极限面中的位置；

具体实施方式

下面结合附图1-8对本发明的技术方案进行详细说明。

为了得到热成形起皱极限线，并在保温和试验阶段保持稳定的温度，防止高强钢过度氧化，本发明提供了一种高强度金属板材热成形冲压试验装置，该装置包括：支架1，气体单向阀2，密封箱3，电阻丝4，石英玻璃5，高速摄像头6，红外感温装置7，支架顶盖8，冲头液压泵9，通气管10，冲头液压泵连杆密封圈11，冲头12，定位环13，试件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15两端都有用于与密封箱支座进行配合并对凹模15实现定位的凹槽。定位环13与冲头是间隙配合，冲头下行过程实现对板料的定位和平衡作用，当冲头上行时，定位环也将被托起，方便更换试样继续进行试验。

电阻丝4安装于密封箱的内胆上。密封箱3前端有可开启的带密封装置的门，方便试验人员对密封箱内进行操作。石英玻璃5安装于密封箱3的顶部，与密封箱的连接可通过高温密封胶实现密封。冲头液压泵连杆密封圈11安装在石英玻璃5中央通孔中。

冲头液压泵9焊接于支架顶盖8上，冲头液压泵9的活塞连杆与冲头12通过螺纹连接，实现冲头的上下运动。

高速摄像头6和红外感温装置7通过各自的连杆悬置于石英玻璃上方，可以实现沿连杆的上下运动以及固定拍摄。

气体单向阀2和通气管10安装在密封箱壁上，能够实现密封。各个液压泵连杆与密封箱之间均设置了密封装置，通过密封性测试，能够满足装置的密闭性要求。

本发明还提供了利用上述试验装置进行试验的方法，具体包括以下步骤：

步骤1、首先将密封箱3、冲头液压泵9按照密封箱支座16的位置装配好，将冲头12拧紧于冲头液压泵连杆之上。密封箱支座16顶部凸出，用于支撑凹模15，可以防止凹模直接将力作用在密封箱上避免密封箱变形过大。由于高速摄像机位于密封箱上方，因此要求密封箱顶部透明且将定位环设计成如图所示的形式，留出的空间足够摄像机拍摄到冲压过程中板料的部分侧壁。同时密封箱顶部还必须能够承受密封箱内加热时达到的高温，故采用石英玻璃。

步骤2、在试件14上打上散斑，散斑的物质是高温漆，材料是钨等耐高温材料，可以承受热成形时钢板的温度，可以有效防止在高温条件下散斑脱落而无法进行测量。

步骤3、根据试件的不同原始直径将其放置于凹模的不同位置并通过定位环确保其水平。

步骤4、将高速摄像头6、红外感温装置7安置于支架上，照明灯与高速摄像头集成，高速摄像头沿着摄像头支架上下移动，完成自动对焦。

步骤5、冲压模具处于密封箱3中，经通气管10向密封箱内通入比空气密度稍低的保护气体将空气从气体单向阀2中排出，防止试件14和冲头12的氧化。

步骤6、对密封箱内壁上的电阻丝4通电，加热整个密封箱空间，在凹模上设置若干通孔保证模具迅速达到实验要求的温度，加热过程中，红外感温装置7测得密封箱内冲压模具和板料的实时温度，控制通过电阻丝的电流大小，达到控温的目的。

步骤7、直接由高速摄像头6在线测量实验过程中任意时刻试件表面的应变。采集出侧壁起皱发生时刻的应变值，作为计算起皱极限线的径向和环向应变值。

基于本发明的实验装置，本发明提供了一种高强钢板热成形起皱极限面的建立方法，包括以下步骤：

步骤1.在密封箱3中将试件加热到950℃，并保温5分钟，使其完全奥氏体化，然后分别令其冷却到实验所需测量的900℃、700℃、500℃、300℃；

步骤2.将原始直径为100mm、106mm、110mm、116mm、120mm、124mm、130mm的高强钢板置于密封箱中和冲压模具一同加热至上述四种温度，进行热冲压实验；

步骤3.获取起皱区域附近网格对应的径向和环向应变的关系，当应变曲线出现突然转折，即当径向应变与环向应变之比达到临界值时，判定该点径向和环向应变为发生起皱时刻的应变。通过发生起皱时刻的径向和环向应变计算得到径向应变增量与环向应变增量之比和有效应变增量间的关系，以绘制对应温度和原始直径条件下的起皱极限线；

下面介绍通过发生起皱时刻的径向和环向应变计算得到径向变增量与环向应变增量之比和有效应变增量间的关系的方法：

如图2所示，通过试验获取的径向和环向应变绘制于同一坐标系当中，其中环向应变取压缩方向为正，同一温度下，不同原始直径板料的冲压实验可得到一组径向和环向应变关系曲线，并认为曲线拐点处的径向和环向应变即为起皱开始时刻的应变值，并据此得到径向应变增量dε_r和环向应变增量dε_θ及其比值dε_r/dε_θ，径向应变增量与环向应变增量之比和有效应变增量之间的关系可用公式(1)或(2)计算：

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

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

式中，R为平均法向各向异性系数，R＝R₀+2R₄₅+R₉₀，0，45，90分别代表三个轧制方向，dε_r为径向应变增量，dε_θ为环向应变增量，为有效应变增量。

步骤4.采用差值方法在origin软件中将900℃、700℃、500℃、300℃起皱极限线(如图3所示)连接成曲面，定义为三维起皱极限面。

步骤4中所述热成形的起皱极限面由多条起皱极限线连接而成，每条起皱极限线由同一温度、不同试件厚度的冲压试验获得，每条起皱极限线由不同有效应变增量和径向应变增量与环向应变增量之比之间的关系共同组成，最后利用插值法将每条起皱极限线连接成面。

步骤4中所述成形起皱极限面存在三个坐标轴，X坐标轴为有效应变增量，Y坐标轴为径向应变增量与环向应变增量之比，Z坐标轴为温度。

步骤4中所述热成形起皱极限面，极限面以上区域定义为起皱区，极限面以下区域定义为安全区。由径向应变增量与环向应变增量之比、有效应变增量及温度共同确定的三维坐标点，若位于极限面以上则判定为起皱，位于极限面以下判定为安全。

下面介绍根据上述方法建立的金属板材热成形起皱极限面的应用：

材料为BR1500HS高强钢板，成形件为B柱。

为了证明根据此方法所建立的热成形起皱极限面的有效性，采用pamstamp 2G对某汽车B柱进行冲压仿真，板料初始温度850℃，应变关系云图如图6所示。将每个单元的径向和环向应变值导出，通过上述计算公式得到径向应变增量与环向应变增量之比和有效应变增量之间的关系，并将其与温度相对应置于起皱极限面的三维图中。如图7所示，大部分点位于起皱面以下，说明对应的网格未出现起皱现象，少量的点位于起皱面上方，说明对应的网格出现了起皱现象。通过对成形结果的分析，发现起皱出现的位置板料流入过多，适当的提高压边力之后起皱现象得到消除，成形后的应变关系云图中，所有位置均处于安全区内(图8)，所有的点也都位于起皱极限面以下(图9)。

尽管已经结合实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解地是，本发明并非仅限于特定实施例，相反，在没有超出本申请精神和实质的各种修正，变形和替换都落入到本申请的保护范围之中。