一种金属板材高速成形极限图的建立方法技术

本发明专利技术涉及一种金属板材高速成形极限图的建立方法，包括以下步骤：利用金属板材高速成形实验装置，首先使用较轻质的冲头，得到高应变速率、不同应变路径下的成形极限点；换装质量较重的冲头，得到中应变速率、不同应变路径下的成形极限点；普通成形试验机的基础上，调节到合适的采集系统的采集频率，调节冲头速度，得到准静态或低应变速率、不同应变路径下的成形极限点；采用拟合方法在Matlab软件中所有应变速率、应变路径下的高速成形极限点连接成曲面，定义为三维成形极限面。本发明专利技术所述的成形极限面的高低可以判断金属板材不同应变速率下的成形性能，成形极限面越高则金属板材在该应变速率下的成形性能越好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属板材高速成形加工领域，特别涉及一种金属板材高速成形极限图的建立方法，主要用途在于判断金属板材高速成形中的破裂，评价金属板材的成形性能。
技术介绍
高速高能成形包括多种工艺方法，主要包括爆炸成形、电磁成形、电液成形，也就是利用电气、化学、机械贮存的高能量在瞬间放出而进行加工。电磁成形和爆炸成形都能达到15～300米/秒的加工速度，能极大的提高加工效率。同时，很多金属材料的高应变速率下，其成形极限较室温低速过程有很大的提高。爆炸成形、电磁成形、电液成形国外早在上个世纪中叶就开始了研究，现在已经进入实用阶段。常温低速成形过程中，板材的成形性评价有多种办法，其中成形极限图(FLD)是判断和评定板材成形性能的最为简便和直观的方法，是解决板材冲压成形问题的一个非常有效的工具。FLD是由板材在不同应变路径下的局部失稳极限真实应变ε1和ε2构成的条带形区域，全面反映了板材在单向拉应力、双向拉应力、平面应变及中间状态作用下的成形极限。在板材成形中，板平面内的两主应变的任意组合，只要落在成形极限图中的成形极限曲线上，板材变形时就会产生破裂，反之则是安全。然而，高速成形过程中涉及应变速率因素，而不同应变速率下材料的塑性变形规律有很大差别，且不同材料的塑性随应变速率变化情况也大不相同。通常来说，板料在超高应变速率下通常塑性较好，但在中速应变速率下塑性较差。而且，板料成形时板料不同位置处的应变速率存在很大差别，这将显著影响板料失效点的预测。因此，高速高能成形的成形极限不能单纯的建立主应变和次应变的关系，而应考虑应变速率效应，常规的成形极限测试方法也不再适用。目前，测量材料的高应变速率下的应变值通常采用霍普金森拉杆或压杆来获得材料的高速拉伸或压缩应力应变曲线；中应变速率则可使用高速拉伸机来进行实验。除普通的高速拉伸机外，还有如专利CN102944474A中所述的一套利用电磁力驱动的超高速率单向拉伸试验装置及方法。但无论采用霍普金森杆抑或高速拉伸机，都只能获得单向拉伸或单向压缩的成形极限，这对于评价板材的成形极限来说是远远不够的。因此，尽管传统成形极限图能解决大部分金属板材成形工艺中成形性能的评价问
题，其在高速成形是存在很大局限性，目前现存的高速成形极限评价方法也远远不够，迫切需要一种新的成形极限图来有效的评价板材在高速成形过程中的成形性能，为实际爆炸成形、电磁成形、电液成形等生产过程提供指导依据。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是提供一种金属板材高速成形极限图的建立方法，不仅能解决传统成形极限图能解决的成形性能评价问题，还能提供一种可准确、方便评价金属板材高速成形过程中的破裂问题。本专利技术的技术方案是提供种金属板材高速成形极限图的建立方法，其特征在于：步骤1、利用金属板材高速成形实验装置，首先使用轻质复合材料的冲头，将印刷好网格的各种尺寸的板料分别进行成形极限实验，由于冲头质量较轻，在相同的电磁能量下，冲头获得的速度更高；通过调节电容组耐压值和电容量，得到高应变速率下，不同应变路径的成形极限点；步骤2、利用金属板材高速成形实验装置，换装硬铝材料的冲头，将印刷好网格的各种尺寸的板料分别进行成形极限实验，由于冲头质量较重，在相同的电磁能量下，冲头获得的速度较低；通过调节电容组耐压值和电容量，得到中应变速率下、不同应变路径的成形极限点；步骤3、在普通成形试验机的基础上，加装金属板材高速成形实验装置的数据采集系统，根据冲压速度的不同，调节数据采集系统采集频率在0.5HZ-50HZ范围内变化，将各种尺寸的板料分别进行成形极限实验，通过调节冲头速度，得到准静态或低应变速率、不同应变路径下的成形极限点；步骤4、采用拟合方法在Matlab软件中将步骤1～步骤3中的不同应变速率、应变路径下的高速成形极限点拟合成曲面，定义为三维成形极限面，得到曲面的表达式z＝f(x,y)，并在Matlab中绘制出来，其中，极限面以上区域定义为破裂区，极限面以下区域定义为安全区。本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术所述的成形极限面的高低可以判断金属板材不同应变速率下的成形性能，成形极限面越高则金属板材在该应变速率下的成形性能越好。2)本专利技术所述高速及中速成形极限点上所需的主次应变数值可直接通过金属板材高速成形实验装置及其附带的数据采集系统测量获得，实验符合国标推荐，数据直
接由实验获得，可靠、方便、快捷。3)本专利技术所提及的金属板材高速成形实验装置中的模具可以进行更换，可在不同的拉延筋高度下进行试验。探究拉延筋高度对成形极限的影响。4)本专利技术所提及的金属板材高速成形实验装置具有通过一次试验就可以完成寻找破裂的优势，并且本专利技术的金属板材高速成形极限图的建立方法，其在传统的成形极限图上增加了应变速率变量，可应用于数值仿真领域，通过云图可直观的判断成形是否成功，以及材料的成形裕度，超过三维成形极限面的点将发生失效，在三维成形极限面以下，离三维成形极限面越远，该点越安全。附图说明图1为本专利技术的一种涉及高速成形极限实验装置的示意图和电路原理图；图2为凹模座2的截面图和俯视图；图3为凹模3的截面图和俯视图；图4为压边圈6的截面图和俯视图；图5为升降支架9的截面图和A-A剖面图；图6为橡胶缓冲块支座19的截面图和俯视图；图7为根据本专利技术提供的方法所建立的金属拟合高速成形极限图；图8为利用本专利技术判定盒形件高速成形失效模拟图。图9为图8(a)中失效的板料成形失效判定图；图10为增大圆角，但保持成形速度不变，板料成形失效判定图；图11为修改圆角与冲压速度等成形参数后板料高速成形失效判定图；图中：1-导轨支架，2-凹模座，3-凹模，4-试验板料，5-垫圈，6-压边圈，7-紧固螺钉，8-充头，9-升降支架，10-电动导轨，11-平板线圈，12-驱动块，13-连接棒，14-可调缓冲橡胶垫，15-限位槽，16-电磁铁，17-衔铁，18-冲头橡胶缓冲块，19-橡胶缓冲块支座，20-高速照相机，21-高速照相机支座,22-激光测距仪，23-电路总开关，24-变压器，25-电容充电开关，26-保护电容，27-高压整流桥，28-高压电容组，29-冲头发射开关，30-保护电阻，31-整流桥。具体实施方式下面结合附图1-11和实施例对本专利技术作详细说明。为了得到金属板材高速成形极限图，获得板料高速成形极限点，并采集可靠的实
验数据，本专利技术提供的一种金属板材高速成形实验装置，该装置包括：导轨支架1，凹模座2，凹模3，试验板料4，垫圈5，压边圈6，紧固螺钉7，冲头8，升降支架9，电动导轨10，平板线圈11，驱动块12，连接棒13，可调缓冲橡胶垫14，限位槽15，电磁铁16，衔铁17，冲头橡胶缓冲块18，橡胶缓冲块支座19，高速照相机20，高速照相机支座21，激光测距仪22，电路总开关23，变压器24，电容充电开关25，保护电容26，高压整流桥27，高压电容组28，冲头发射开关29，保护电阻30，整流桥31。其中，装置采用的冲头8向下冲压板材4的模式，使得重力势能能为冲头8补充一部分迫使板材4变形所消耗的能量。所用冲头8为国标推荐的直径为100mm的半圆形冲头，为减轻冲头8质量，冲头8采用高强度复合材料制成，内部中空，分为半圆头和盖板两部分，两部分的连接采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属板材高速成形极限图的建立方法，其特征在于：步骤1、利用金属板材高速成形实验装置，首先使用轻质复合材料的冲头(8)，将印刷好网格的各种尺寸的板料(4)分别进行成形极限实验，由于冲头质量较轻，在相同的电磁能量下，冲头(8)获得的速度更高；通过调节电容组(28)耐压值和电容量，得到高应变速率下，不同应变路径的成形极限点；步骤2、利用金属板材高速成形实验装置，换装硬铝材料的冲头(8)，将印刷好网格的各种尺寸的板料(4)分别进行成形极限实验，由于冲头质量较重，在相同的电磁能量下，冲头(8)获得的速度较低；通过调节电容组(28)耐压值和电容量，得到中应变速率下、不同应变路径的成形极限点；步骤3、在普通成形试验机的基础上，加装金属板材高速成形实验装置的数据采集系统，根据冲压速度的不同，调节数据采集系统采集频率在0.5HZ‑50HZ范围内变化，将各种尺寸的板料分别进行成形极限实验，通过调节冲头速度，得到准静态或低应变速率、不同应变路径下的成形极限点；步骤4、采用拟合方法在Matlab软件中将步骤1～步骤3中的不同应变速率、应变路径下的高速成形极限点拟合成曲面，定义为三维成形极限面，得到曲面的表达式z＝f(x,y)，并在Matlab中绘制出来，其中，极限面以上区域定义为破裂区，极限面以下区域定义为安全区。...

【技术特征摘要】
1.一种金属板材高速成形极限图的建立方法，其特征在于：步骤1、利用金属板材高速成形实验装置，首先使用轻质复合材料的冲头(8)，将印刷好网格的各种尺寸的板料(4)分别进行成形极限实验，由于冲头质量较轻，在相同的电磁能量下，冲头(8)获得的速度更高；通过调节电容组(28)耐压值和电容量，得到高应变速率下，不同应变路径的成形极限点；步骤2、利用金属板材高速成形实验装置，换装硬铝材料的冲头(8)，将印刷好网格的各种尺寸的板料(4)分别进行成形极限实验，由于冲头质量较重，在相同的电磁能量下，冲头(8)获得的速度较低；通过调节电容组(28)耐压值和电容量，得到中应变速率下、不同应变路径的成形极限点；步骤3、在普...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔俊佳，李光耀，孙光永，邓桦坤，胡明，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43