本發(fā)明涉及金屬板材熱成形加工領(lǐng)域，特別涉及一種金屬板材熱成形起皺極限面的建立方法，主要用途在于判斷金屬板材熱成形中的起皺現(xiàn)象，評(píng)價(jià)金屬板材的抗起皺性能。

背景技術(shù)：

高強(qiáng)鋼通常是指抗拉強(qiáng)度高于370MPa的鋼種，強(qiáng)度和韌性結(jié)合較好，比強(qiáng)度高、防撞性能好是其突出特點(diǎn)，因此在滿足同等安全性能要求的前提下，能夠一定程度上實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。但是實(shí)驗(yàn)證明，在室溫條件下高強(qiáng)鋼板成形性能差，易出現(xiàn)起皺、開裂等缺陷，嚴(yán)重影響了高強(qiáng)鋼板的推廣應(yīng)用。研究表明，熱成形工藝可以有效地改善高強(qiáng)鋼板的成形性能，有利于得到表面質(zhì)量較高的成形零件。

通常來說，不同溫度下材料的塑性變形規(guī)律有很大差別，溫度越高，材料塑性越好，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度越低。顯然，在不同溫度下，材料的抗拉裂性能和抗起皺性能均會(huì)有所變化，目前熱成形性能評(píng)價(jià)中涉及到抗拉裂性能的研究較多，然而材料的抗起皺性能方面的研究則較少，如公開日為2014年6月11日，發(fā)明名稱為“一種高強(qiáng)鋼板熱成型極限圖的建立方法”的專利，該專利公開了一種高強(qiáng)度鋼板考慮溫度條件的成形極限圖的建立方法，描述了材料在各個(gè)溫度條件下高強(qiáng)鋼板抗拉裂性能，但該專利沒有解決鋼板熱成形抗起皺性能的評(píng)價(jià)這一問題，也就不能準(zhǔn)確全面地評(píng)價(jià)在熱成形過程中高強(qiáng)度鋼的熱成形性能。

起皺是一種板料沖壓過程中壓縮失穩(wěn)的表現(xiàn)，嚴(yán)重影響沖壓件表面質(zhì)量。在仿真分析當(dāng)中，通常認(rèn)為當(dāng)板料單元的平面次應(yīng)變與平面主應(yīng)變的比值在-1和-R/(1+R)范圍內(nèi)時(shí)存在起皺缺陷，但是在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，則通常認(rèn)為當(dāng)皺高達(dá)到某臨界值時(shí)即判定為產(chǎn)生了影響沖壓件表面質(zhì)量的起皺缺陷，如公開日為2009年8月11日，發(fā)明名稱為“金屬薄板剪應(yīng)力起皺試驗(yàn)方法及試驗(yàn)裝備”的專利，該專利公開了一種金屬薄板剪應(yīng)力試驗(yàn)方法及起皺評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過測定金屬薄板的皺高，從而得到金屬薄板抗剪力起皺特性。但是測量皺高的評(píng)價(jià)方法存在著不可避免的人為誤差，且采用取均值的方式要求試驗(yàn)次數(shù)較多，存在著一定的弊端。

因此，傳統(tǒng)起皺極限評(píng)價(jià)方法雖然能夠解決部分金屬板材成形工藝中成形性能的評(píng)價(jià)問題，但仍然存在著一定的局限性，迫切需要一種新的起皺判定標(biāo)準(zhǔn)來有效的評(píng)價(jià)高強(qiáng)鋼板在熱沖壓成形過程中的抗起皺性能，為實(shí)際沖壓生產(chǎn)提供指導(dǎo)依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的問題是提供一種高強(qiáng)鋼板熱成形起皺極限面的建立方法，不僅能解決傳統(tǒng)成形起皺極限面能解決的起皺評(píng)價(jià)問題，還能提供一種可準(zhǔn)確、直觀地判斷高強(qiáng)鋼板熱成形過程中起皺的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)度金屬板材熱成形沖壓試驗(yàn)裝置，該裝置包括：支架，氣體單向閥，密封箱，電阻絲，石英玻璃，高速攝像頭，紅外感溫裝置，支架頂蓋，沖頭液壓泵，進(jìn)氣管，沖頭液壓泵連桿密封圈，沖頭，定位環(huán)，試件，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；凹模兩端設(shè)置有用于與密封箱支座進(jìn)行配合并對(duì)凹模實(shí)現(xiàn)定位的凹槽；

定位環(huán)與沖頭之間間隙配合，沖頭下行過程時(shí)，實(shí)現(xiàn)板料的定位和平衡，當(dāng)沖頭上行時(shí)，定位環(huán)也將被托起，方便更換試件并繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)；

電阻絲安裝于密封箱的內(nèi)膽上；密封箱前端設(shè)置有可開啟的帶密封裝置的門；

石英玻璃安裝于密封箱的頂部；沖頭液壓泵連桿密封圈安裝在石英玻璃中央通孔中；

沖頭液壓泵焊接于支架頂蓋上，沖頭液壓泵的活塞連桿與沖頭通過螺紋連接，實(shí)現(xiàn)沖頭的上下運(yùn)動(dòng)；

高速攝像頭和紅外感溫裝置通過各自的連桿懸置于石英玻璃上方，可以實(shí)現(xiàn)沿連桿的上下運(yùn)動(dòng)以及固定拍攝；

氣體單向閥和進(jìn)氣管安裝在密封箱的壁上，各個(gè)液壓泵連桿與密封箱之間均設(shè)置了密封裝置；

本發(fā)明還提供了一種高強(qiáng)度金屬板材熱成形沖壓試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，具體包括以下步驟：

步驟1、首先將密封箱、沖頭液壓泵按照密封箱支座的位置裝配好，將沖頭擰緊于沖頭液壓泵連桿之上；密封箱支座頂部凸出，用于支撐凹模；

步驟2、在試件上打上散斑，散斑的物質(zhì)是高溫漆，材料為耐高溫材料，能夠承受熱成形時(shí)鋼板的溫；

步驟3、根據(jù)試件的不同原始直徑將它們放置于凹模的不同位置并通過定位環(huán)確保其水平；

步驟4、將高速攝像頭、紅外感溫裝置安置于支架上，照明燈與高速攝像頭集成，高速攝像頭沿著攝像頭支架上下移動(dòng)，完成自動(dòng)對(duì)焦；

步驟5、沖壓模具處于密封箱中，經(jīng)通氣管向密封箱內(nèi)通入比空氣密度稍低的保護(hù)氣體，從而將空氣從氣體單向閥中排出，防止試件和沖頭的氧化；

步驟6、對(duì)密封箱內(nèi)壁上的電阻絲通電，加熱整個(gè)密封箱空間，在凹模上設(shè)置若干通孔保證模具迅速達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的溫度，加熱過程中，紅外感溫裝置測得密封箱內(nèi)沖壓模具和板料的實(shí)時(shí)溫度，控制通過電阻絲的電流大??；

步驟7、直接由高速攝像頭在線測量實(shí)驗(yàn)過程中任意時(shí)刻試件表面的應(yīng)變；采集出側(cè)壁起皺發(fā)生時(shí)刻的應(yīng)變值，作為計(jì)算起皺極限線的徑向和環(huán)向應(yīng)變值；

本發(fā)明還提供了一種高強(qiáng)鋼板熱成形起皺極限面的建立方法，包括以下步驟：

步驟1.在密封箱中將試件加熱到950℃，并保溫5分鐘，使其完全奧氏體化，然后分別令其冷卻到實(shí)驗(yàn)所需測量的900℃、700℃、500℃、300℃；

步驟2.將原始直徑為100mm、106mm、110mm、116mm、120mm、124mm、130mm的高強(qiáng)鋼板置于密封箱中和沖壓模具一同加熱至上述四種溫度，進(jìn)行熱沖壓實(shí)驗(yàn)；

步驟3.獲取起皺區(qū)域附近網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的徑向和環(huán)向應(yīng)變的關(guān)系，當(dāng)應(yīng)變曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，即當(dāng)徑向應(yīng)變與環(huán)向應(yīng)變之比達(dá)到臨界值時(shí)，判定該點(diǎn)徑向和環(huán)向應(yīng)變?yōu)榘l(fā)生起皺時(shí)刻的應(yīng)變；通過發(fā)生起皺時(shí)刻的徑向和環(huán)向應(yīng)變計(jì)算得到徑向應(yīng)變?cè)隽颗c環(huán)向應(yīng)變?cè)隽恐群陀行?yīng)變?cè)隽块g的關(guān)系，以繪制對(duì)應(yīng)溫度和原始直徑條件下的起皺極限線；

步驟4.熱成形的起皺極限面由多條起皺極限線連接而成，每條起皺極限線由同一溫度、不同試件厚度的沖壓試驗(yàn)獲得，每條起皺極限線由不同有效應(yīng)變?cè)隽亢蛷较驊?yīng)變?cè)隽颗c環(huán)向應(yīng)變?cè)隽恐戎g的關(guān)系共同組成，最后利用插值法將每條起皺極限線連接成面。

本發(fā)明的有益效果在于：

1)本發(fā)明所述的起皺極限面的高低可以判斷高強(qiáng)鋼板熱成形抗起皺性能，起皺極限面越高則高強(qiáng)鋼板的熱成形抗起皺性能越好。

2)本發(fā)明所述起皺極限線上所需的徑向和環(huán)向應(yīng)變數(shù)值可直接通過數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)測量獲得，即方便又快捷。

3)本發(fā)明所述密封箱中的凹模設(shè)計(jì)較為巧妙，可進(jìn)行不同原始直徑和厚度的板料的沖壓實(shí)驗(yàn)。

4)通過以上技術(shù)方案，提出了一種新的起皺預(yù)測方法并繪制得到起皺極限線，提高了在復(fù)雜邊界條件下對(duì)起皺預(yù)測的精度；還考慮了熱沖壓當(dāng)中的溫度因素，獲取了起皺極限面，更加直觀準(zhǔn)確的判斷高強(qiáng)鋼板沖壓過程中是否發(fā)生了起皺現(xiàn)象。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種高溫成形起皺極限實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖；

圖2為零件定位環(huán)的正視剖面圖及俯視圖；

圖3為300℃下，各種原始直徑的試件沖壓的環(huán)向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系圖；

圖4為300℃、500℃、700℃、900℃下有效應(yīng)變?cè)隽亢蛷较驊?yīng)變?cè)隽颗c環(huán)向應(yīng)變?cè)隽恐鹊年P(guān)系圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明提供的方法所建立的三維起皺極限面；

圖6為參數(shù)調(diào)整前，B柱在仿真中的云圖；

圖7為參數(shù)調(diào)整前，B柱在仿真中，其徑向應(yīng)變?cè)隽颗c環(huán)向應(yīng)變?cè)隽恐取⒂行?yīng)變及溫度值在起皺極限面中的位置；

圖8為參數(shù)調(diào)整后，B柱在仿真中的云圖；

圖9為參數(shù)調(diào)整后，B柱在仿真中，其徑向應(yīng)變?cè)隽颗c環(huán)向應(yīng)變?cè)隽恐?、有效?yīng)變及溫度值在起皺極限面中的位置；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1-8對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

為了得到熱成形起皺極限線，并在保溫和試驗(yàn)階段保持穩(wěn)定的溫度，防止高強(qiáng)鋼過度氧化，本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)度金屬板材熱成形沖壓試驗(yàn)裝置，該裝置包括：支架1，氣體單向閥2，密封箱3，電阻絲4，石英玻璃5，高速攝像頭6，紅外感溫裝置7，支架頂蓋8，沖頭液壓泵9，通氣管10，沖頭液壓泵連桿密封圈11，沖頭12，定位環(huán)13，試件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15兩端都有用于與密封箱支座進(jìn)行配合并對(duì)凹模15實(shí)現(xiàn)定位的凹槽。定位環(huán)13與沖頭是間隙配合，沖頭下行過程實(shí)現(xiàn)對(duì)板料的定位和平衡作用，當(dāng)沖頭上行時(shí)，定位環(huán)也將被托起，方便更換試樣繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

電阻絲4安裝于密封箱的內(nèi)膽上。密封箱3前端有可開啟的帶密封裝置的門，方便試驗(yàn)人員對(duì)密封箱內(nèi)進(jìn)行操作。石英玻璃5安裝于密封箱3的頂部，與密封箱的連接可通過高溫密封膠實(shí)現(xiàn)密封。沖頭液壓泵連桿密封圈11安裝在石英玻璃5中央通孔中。

沖頭液壓泵9焊接于支架頂蓋8上，沖頭液壓泵9的活塞連桿與沖頭12通過螺紋連接，實(shí)現(xiàn)沖頭的上下運(yùn)動(dòng)。

高速攝像頭6和紅外感溫裝置7通過各自的連桿懸置于石英玻璃上方，可以實(shí)現(xiàn)沿連桿的上下運(yùn)動(dòng)以及固定拍攝。

氣體單向閥2和通氣管10安裝在密封箱壁上，能夠?qū)崿F(xiàn)密封。各個(gè)液壓泵連桿與密封箱之間均設(shè)置了密封裝置，通過密封性測試，能夠滿足裝置的密閉性要求。

本發(fā)明還提供了利用上述試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)的方法，具體包括以下步驟：

步驟1、首先將密封箱3、沖頭液壓泵9按照密封箱支座16的位置裝配好，將沖頭12擰緊于沖頭液壓泵連桿之上。密封箱支座16頂部凸出，用于支撐凹模15，可以防止凹模直接將力作用在密封箱上避免密封箱變形過大。由于高速攝像機(jī)位于密封箱上方，因此要求密封箱頂部透明且將定位環(huán)設(shè)計(jì)成如圖所示的形式，留出的空間足夠攝像機(jī)拍攝到?jīng)_壓過程中板料的部分側(cè)壁。同時(shí)密封箱頂部還必須能夠承受密封箱內(nèi)加熱時(shí)達(dá)到的高溫，故采用石英玻璃。

步驟2、在試件14上打上散斑，散斑的物質(zhì)是高溫漆，材料是鎢等耐高溫材料，可以承受熱成形時(shí)鋼板的溫度，可以有效防止在高溫條件下散斑脫落而無法進(jìn)行測量。

步驟3、根據(jù)試件的不同原始直徑將其放置于凹模的不同位置并通過定位環(huán)確保其水平。

步驟4、將高速攝像頭6、紅外感溫裝置7安置于支架上，照明燈與高速攝像頭集成，高速攝像頭沿著攝像頭支架上下移動(dòng)，完成自動(dòng)對(duì)焦。

步驟5、沖壓模具處于密封箱3中，經(jīng)通氣管10向密封箱內(nèi)通入比空氣密度稍低的保護(hù)氣體將空氣從氣體單向閥2中排出，防止試件14和沖頭12的氧化。

步驟6、對(duì)密封箱內(nèi)壁上的電阻絲4通電，加熱整個(gè)密封箱空間，在凹模上設(shè)置若干通孔保證模具迅速達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的溫度，加熱過程中，紅外感溫裝置7測得密封箱內(nèi)沖壓模具和板料的實(shí)時(shí)溫度，控制通過電阻絲的電流大小，達(dá)到控溫的目的。

步驟7、直接由高速攝像頭6在線測量實(shí)驗(yàn)過程中任意時(shí)刻試件表面的應(yīng)變。采集出側(cè)壁起皺發(fā)生時(shí)刻的應(yīng)變值，作為計(jì)算起皺極限線的徑向和環(huán)向應(yīng)變值。

基于本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置，本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)鋼板熱成形起皺極限面的建立方法，包括以下步驟：

步驟1.在密封箱3中將試件加熱到950℃，并保溫5分鐘，使其完全奧氏體化，然后分別令其冷卻到實(shí)驗(yàn)所需測量的900℃、700℃、500℃、300℃；

步驟2.將原始直徑為100mm、106mm、110mm、116mm、120mm、124mm、130mm的高強(qiáng)鋼板置于密封箱中和沖壓模具一同加熱至上述四種溫度，進(jìn)行熱沖壓實(shí)驗(yàn)；

步驟3.獲取起皺區(qū)域附近網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的徑向和環(huán)向應(yīng)變的關(guān)系，當(dāng)應(yīng)變曲線出現(xiàn)突然轉(zhuǎn)折，即當(dāng)徑向應(yīng)變與環(huán)向應(yīng)變之比達(dá)到臨界值時(shí)，判定該點(diǎn)徑向和環(huán)向應(yīng)變?yōu)榘l(fā)生起皺時(shí)刻的應(yīng)變。通過發(fā)生起皺時(shí)刻的徑向和環(huán)向應(yīng)變計(jì)算得到徑向應(yīng)變?cè)隽颗c環(huán)向應(yīng)變?cè)隽恐群陀行?yīng)變?cè)隽块g的關(guān)系，以繪制對(duì)應(yīng)溫度和原始直徑條件下的起皺極限線；

下面介紹通過發(fā)生起皺時(shí)刻的徑向和環(huán)向應(yīng)變計(jì)算得到徑向變?cè)隽颗c環(huán)向應(yīng)變?cè)隽恐群陀行?yīng)變?cè)隽块g的關(guān)系的方法：

如圖2所示，通過試驗(yàn)獲取的徑向和環(huán)向應(yīng)變繪制于同一坐標(biāo)系當(dāng)中，其中環(huán)向應(yīng)變?nèi)嚎s方向?yàn)檎?，同一溫度下，不同原始直徑板料的沖壓實(shí)驗(yàn)可得到一組徑向和環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線，并認(rèn)為曲線拐點(diǎn)處的徑向和環(huán)向應(yīng)變即為起皺開始時(shí)刻的應(yīng)變值，并據(jù)此得到徑向應(yīng)變?cè)隽縟ε_r和環(huán)向應(yīng)變?cè)隽縟ε_θ及其比值dε_r/dε_θ，徑向應(yīng)變?cè)隽颗c環(huán)向應(yīng)變?cè)隽恐群陀行?yīng)變?cè)隽恐g的關(guān)系可用公式(1)或(2)計(jì)算：

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

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

式中，R為平均法向各向異性系數(shù)，R＝R₀+2R₄₅+R₉₀，0，45，90分別代表三個(gè)軋制方向，dε_r為徑向應(yīng)變?cè)隽?，dε_θ為環(huán)向應(yīng)變?cè)隽?，為有效?yīng)變?cè)隽俊?/p>

步驟4.采用差值方法在origin軟件中將900℃、700℃、500℃、300℃起皺極限線(如圖3所示)連接成曲面，定義為三維起皺極限面。

步驟4中所述熱成形的起皺極限面由多條起皺極限線連接而成，每條起皺極限線由同一溫度、不同試件厚度的沖壓試驗(yàn)獲得，每條起皺極限線由不同有效應(yīng)變?cè)隽亢蛷较驊?yīng)變?cè)隽颗c環(huán)向應(yīng)變?cè)隽恐戎g的關(guān)系共同組成，最后利用插值法將每條起皺極限線連接成面。

步驟4中所述成形起皺極限面存在三個(gè)坐標(biāo)軸，X坐標(biāo)軸為有效應(yīng)變?cè)隽浚琘坐標(biāo)軸為徑向應(yīng)變?cè)隽颗c環(huán)向應(yīng)變?cè)隽恐?，Z坐標(biāo)軸為溫度。

步驟4中所述熱成形起皺極限面，極限面以上區(qū)域定義為起皺區(qū)，極限面以下區(qū)域定義為安全區(qū)。由徑向應(yīng)變?cè)隽颗c環(huán)向應(yīng)變?cè)隽恐取⒂行?yīng)變?cè)隽考皽囟裙餐_定的三維坐標(biāo)點(diǎn)，若位于極限面以上則判定為起皺，位于極限面以下判定為安全。

下面介紹根據(jù)上述方法建立的金屬板材熱成形起皺極限面的應(yīng)用：

材料為BR1500HS高強(qiáng)鋼板，成形件為B柱。

為了證明根據(jù)此方法所建立的熱成形起皺極限面的有效性，采用pamstamp 2G對(duì)某汽車B柱進(jìn)行沖壓仿真，板料初始溫度850℃，應(yīng)變關(guān)系云圖如圖6所示。將每個(gè)單元的徑向和環(huán)向應(yīng)變值導(dǎo)出，通過上述計(jì)算公式得到徑向應(yīng)變?cè)隽颗c環(huán)向應(yīng)變?cè)隽恐群陀行?yīng)變?cè)隽恐g的關(guān)系，并將其與溫度相對(duì)應(yīng)置于起皺極限面的三維圖中。如圖7所示，大部分點(diǎn)位于起皺面以下，說明對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格未出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，少量的點(diǎn)位于起皺面上方，說明對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格出現(xiàn)了起皺現(xiàn)象。通過對(duì)成形結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)起皺出現(xiàn)的位置板料流入過多，適當(dāng)?shù)奶岣邏哼吜χ笃鸢櫖F(xiàn)象得到消除，成形后的應(yīng)變關(guān)系云圖中，所有位置均處于安全區(qū)內(nèi)(圖8)，所有的點(diǎn)也都位于起皺極限面以下(圖9)。

盡管已經(jīng)結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解地是，本發(fā)明并非僅限于特定實(shí)施例，相反，在沒有超出本申請(qǐng)精神和實(shí)質(zhì)的各種修正，變形和替換都落入到本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之中。