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。已經成為金屬板材成形加工領域不可或缺的得力工具。在利用有限元仿真方法進行沖壓工藝優化、汽車鈑金零件選材等方面有著重要的應用。現在普遍認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等將主應變跟次應變描繪在坐標系中，更加直觀的表示了不同應變路徑下的材料極限應變狀態。后來Goodwin發現，板材在沖壓成型過程中還存在明顯的拉壓狀態，在此基礎上提出了拉壓狀態下材料的成形極限，也就是成形極限圖的左半部分，并與Keeler的研究成果結合，得到了完整的成形極限圖。由于當時實驗條件的限制，描繪在成形極限圖上的應變對比較離散，提出用具有一定寬度的帶狀區域來表示[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等提出的平沖頭鋼模脹形法。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變路徑下的極限應變，該方法的缺點也十分明顯，采用Nakajima法進行試驗時試樣會發生彎曲，產生一定的厚向應力，而且會造成平面應變狀態點位置與理論值發生偏離，這是因為在試驗剛開始半球形凸模與試樣接觸時，應變路徑為雙向等拉伸狀態。由于沖頭與試樣直接接觸，試驗結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期的結果。Marciniak等通過改進提出了利用圓柱形平沖頭進行試驗的方法[5]，變形集中的位置不存在摩擦力和厚向應力的影響，得到的結果更接近理論值，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果往往相差很大，這是由于對能夠明顯影響試驗結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果的影響比較明顯，試樣的中心偏離沖頭的中心時，應變路徑會偏離預先設定的位置，得到的結果不能代表材料的真實性能，甚至會因應力集中導致試樣在壓邊圈處撕裂造成數據缺失，增加了實驗的成本。

1 測試方法

1.1 測試設備

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 三維應變分析系統，該系統可以通過攝像頭更直觀地記錄成形過程，以應變云圖的形式體現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）試樣應變云圖（右）

1.2 樣品準備

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、表面質量等進行檢查，去除可能的污染物。如果樣品不符合標準或客戶的要求，應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，并在自然狀態下充分晾干。

1.2.2 噴漆處理

為保證應變分析的準確性，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試樣噴涂，應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合力進行檢查。

1.3 測試過程

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

（2）將試樣放置在壓邊圈上，確保其對中度。如果客戶和相關技術標準不做具體要求，應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域內，測試完畢后不會在壓邊處開裂且不會產生褶皺。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，可根據不同的試樣尺寸進行更換。矩形試樣對中塊上設有標尺，移動調整滑動擋塊的位置進行對中，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，即可放置試樣進行試驗。

圖2 板材成形試樣對中裝置示意圖

3 應用場景

板材成形對中裝置與板材成形試驗機配合使用，在試驗開始前調試好對中塊位置，即可反復使用。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，根據試樣的寬度，調節滑動擋塊使基準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構簡單，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致試樣提前開裂和得到的結果出現偏差的問題，為優化試驗方法提供了重要的參考依據，同時極大地提高了檢測的效率和準確性，節約了試驗成本，具有很高的實用意義。