板材成形測試對中方法

王彥東，趙志國，鐘 娟，史丹丹

（航鑫材料科技有公司，山東 龍口 265706）

板材成形性能是指金屬板材在沖壓成形工藝中的多種適應(yīng)能力，如抗破裂性、貼模性和定形性等，其中，抗破裂性是左右板料成形能否成功的最重要因素。成形極限圖（Forming limit diagram-FLD）是在金屬板料塑性成形中判斷板料成形成功與失敗的一個重要判據(jù)。已經(jīng)成為金屬板材成形加工領(lǐng)域不可或缺的得力工具。在利用有限元仿真方法進(jìn)行沖壓工藝優(yōu)化、汽車鈑金零件選材等方面有著重要的應(yīng)用?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為材料成形極限圖是在1965年Keeler在同年五月份的SAE報告中提出來的[1]，在1968年由Goodwin做了補充和完善[2]。Keeler等將主應(yīng)變跟次應(yīng)變描繪在坐標(biāo)系中，更加直觀的表示了不同應(yīng)變路徑下的材料極限應(yīng)變狀態(tài)。后來Goodwin發(fā)現(xiàn)，板材在沖壓成型過程中還存在明顯的拉壓狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上提出了拉壓狀態(tài)下材料的成形極限，也就是成形極限圖的左半部分，并與Keeler的研究成果結(jié)合，得到了完整的成形極限圖。由于當(dāng)時實驗條件的限制，描繪在成形極限圖上的應(yīng)變對比較離散，提出用具有一定寬度的帶狀區(qū)域來表示[3]。

目前，實驗室普遍采用Nakajima等提出的半球形鋼模脹形法和Marciniak等提出的平?jīng)_頭鋼模脹形法。Nakajima法沖頭前端為光滑的鋼制半圓球[4]，通過不同寬度的試樣得到不同應(yīng)變路徑下的極限應(yīng)變，該方法的缺點也十分明顯，采用Nakajima法進(jìn)行試驗時試樣會發(fā)生彎曲，產(chǎn)生一定的厚向應(yīng)力，而且會造成平面應(yīng)變狀態(tài)點位置與理論值發(fā)生偏離，這是因為在試驗剛開始半球形凸模與試樣接觸時，應(yīng)變路徑為雙向等拉伸狀態(tài)。由于沖頭與試樣直接接觸，試驗結(jié)果受摩擦力影響較大，潤滑方式不理想的情況下很難得到預(yù)期的結(jié)果。Marciniak等通過改進(jìn)提出了利用圓柱形平?jīng)_頭進(jìn)行試驗的方法[5]，變形集中的位置不存在摩擦力和厚向應(yīng)力的影響，得到的結(jié)果更接近理論值，存在的問題是試樣容易從邊緣開裂，試驗成功率較低。在板材成形測試中，不同檢測室采用不同的方法做出來的結(jié)果往往相差很大，這是由于對能夠明顯影響試驗結(jié)果的因素各個實驗室采取的方法不盡相同，其中試樣的對中度對試驗結(jié)果的影響比較明顯，試樣的中心偏離沖頭的中心時，應(yīng)變路徑會偏離預(yù)先設(shè)定的位置，得到的結(jié)果不能代表材料的真實性能，甚至?xí)驊?yīng)力集中導(dǎo)致試樣在壓邊圈處撕裂造成數(shù)據(jù)缺失，增加了實驗的成本。

1 測試方法

1.1 測試設(shè)備

本文采用Zwick BUP600板材成形試驗機用于對板材成形性能的測試和評估，配備Gom ARAMIS 3D 5M 三維應(yīng)變分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過攝像頭更直觀地記錄成形過程，以應(yīng)變云圖的形式體現(xiàn)試樣在三維空間中的變形情況。

圖1 Zwick BUP600板材成形試驗機（左）試樣應(yīng)變云圖（右）

1.2 樣品準(zhǔn)備

檢查所有樣品測試中用于計算的所有尺寸。試驗前對試樣的類型、表面質(zhì)量等進(jìn)行檢查，去除可能的污染物。如果樣品不符合標(biāo)準(zhǔn)或客戶的要求，應(yīng)拒絕接收或重新加工試樣。

1.2.1 試樣清潔清理

試樣制備完成后，使用無水乙醇或丙酮清潔試樣，并在自然狀態(tài)下充分晾干。

1.2.2 噴漆處理

為保證應(yīng)變分析的準(zhǔn)確性，需將隨機圖案（黑色散斑）以噴漆的形式噴涂至試樣一面：

選擇試樣上光滑平整的一面，使用自噴漆噴涂一層薄的啞光色白漆（啞光的白色基底可以減少來自試樣表面的反光），自然晾干后可以噴涂云霧狀隨機分布的黑色斑點（例如黑色的噴漆或者墨粉）。

注意：噴漆時，不可將自噴漆噴嘴對準(zhǔn)試樣噴涂，應(yīng)豎直瓶身使漆料自然降落于試樣表面。試樣噴涂完畢后，如有要求，需對噴漆與試樣的結(jié)合力進(jìn)行檢查。

1.3 測試過程

（1）開機前檢查線路、油路連接狀態(tài)，無破損、滲漏。對設(shè)備初始化，觀察軟件上的顯示圖標(biāo)，檢查軟硬件連接狀況是否正常，檢查上合模開關(guān)狀態(tài)，確保開關(guān)正常，操作液壓系統(tǒng)松緊按鈕檢查油缸是否正常工作，檢查ARAMIS系統(tǒng)的軟硬件連接狀況是否正常，試驗開始前30分鐘內(nèi)對試驗的溫度及濕度進(jìn)行記錄。

（2）將試樣放置在壓邊圈上，確保其對中度。如果客戶和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不做具體要求，應(yīng)針對材料屬性和試樣尺寸選擇合適的壓邊力，要求試樣在測試過程中盡可能少地流入測試區(qū)域內(nèi)，測試完畢后不會在壓邊處開裂且不會產(chǎn)生褶皺。測試時，需在試樣及凸模之間涂抹潤滑劑（此處推薦使用白凡士林），并且在潤滑劑與試樣之間墊一層隔層，當(dāng)樣品比較薄且強度比較低時，推薦使用PE或者PTFE薄膜，其他情況使用硅膠墊作為隔層。

2 板材成形對中方法

本文提出一種板材成形檢測用試樣對中方法，適用于成形極限曲線等測試，包括有對中塊、連接桿、定位擋片等部件（見圖1），其對中塊有兩種類型：圓形試樣對中塊和矩形試樣對中塊，分別用于圓形試樣和矩形試樣的對中過程。所述的圓形試樣對中塊前端為圓弧，其直徑與試樣尺寸一致，可根據(jù)不同的試樣尺寸進(jìn)行更換。矩形試樣對中塊上設(shè)有標(biāo)尺，移動調(diào)整滑動擋塊的位置進(jìn)行對中，可用于不同寬度試樣的對中過程。對中塊通過螺釘固定在連接桿上，推動連接桿可確定對中塊的位置，用定位擋片將其固定，即可放置試樣進(jìn)行試驗。

圖2 板材成形試樣對中裝置示意圖

3 應(yīng)用場景

板材成形對中裝置與板材成形試驗機配合使用，在試驗開始前調(diào)試好對中塊位置，即可反復(fù)使用。圖2為試樣為圓形帶弧試樣，試樣外徑與對中塊外徑一致，在放置試樣前，推動連接桿并壓縮彈簧，根據(jù)試樣尺寸與連接桿上的刻度來確定對中塊的位置，將定位擋片的下端貼在底座邊緣，擰緊定位擋片上的緊固螺釘將其固定。放置試樣時，將試樣邊緣與對中塊弧形外緣貼合，試樣中心與凸模中心重合，此時試樣位置為對中位置。圖3中試樣為矩形試樣，在放置試樣前，根據(jù)矩形試樣的長度確定對中塊的位置，將定位擋片的下端貼在底座邊緣，擰緊定位擋片上的緊固螺釘將其固定，根據(jù)試樣的寬度，調(diào)節(jié)滑動擋塊使基準(zhǔn)線對與試樣寬度的一半所在的刻度線對齊，這樣就可以保證試樣中心與凸模中心重合，試樣放置時就可以做到對中。

圖3 圓形試樣對中裝置使用示意圖

圖4 矩形試樣對中裝置使用示意圖

4 意義

本文提出的板材成形對中方法結(jié)構(gòu)簡單，可更換前端對中塊以適用于不同尺寸和類型的試樣，使用起來方便靈活，可有效解決薄板類材料在成形極限曲線測試、拉深性能檢測等試驗中試樣無法對中導(dǎo)致試樣提前開裂和得到的結(jié)果出現(xiàn)偏差的問題，為優(yōu)化試驗方法提供了重要的參考依據(jù)，同時極大地提高了檢測的效率和準(zhǔn)確性，節(jié)約了試驗成本，具有很高的實用意義。