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板料成形极限FLC测定与新国标

ISO-FDIS 12004-2-2008和12004-1-2008
GBT 24171.1-2009 和GBT 24171.1-2009
金属材料 薄板和薄带 成形极限曲线的测定

国标和国际标准

  金属材料薄板和薄带 成形极限曲线的测定
  GBT 24171.1-2009  第1部分:冲压车间成形极限图的 测量及应用
  GBT 24171.2-2009  第2部分:实验室成形极限曲线的测定

  Metallic materials-Sheet and strip-Determinations of forming limit curves---
  ISO-FDIS 12004-1-2008  Part 1:Measurement and application of farming limit diagrams in press shop
  ISO-FDIS 12004-2-2008  Part 2:Determinations of forming limit curves in laboratory

图   板料成形极限FLC测定  杯突试验和测量原理

 
图    FLC试验时板料表面只需喷涂散乱图案（数字图像相关法DIC）

成形极限图的获取
 

成形极限图的确定方法通常有两种，即理论计算褪匝槿范ā?BR>理论计算成形极限图是采用不同的屈服准则和塑性本构关系、基于不同拉伸失稳准则作为颈缩与破裂的条件进行解析的。
目前较常用的屈服准则是Hill系列屈服准则(包Hill48，Hill79，Hill90,Hill93)，Hosford屈服准则等，实际上Hosford屈服准则是Hill79屈服准则的一个特例。还有其他许多屈服准则，例如Barlat，Taylor, Gotoh等屈服准则，但由于所涉及的参数较多，应用不是很广。
用试验确定成形极限嫉墓ぷ髁看螅枰度氪罅坎牧虾腿肆Γ撬梢曰竦媒险媸档某尚渭尥迹羌煅槔砺鄢尚渭尥嫉囊谰荨２⑶遥捎诶砺鄢尚渭尥嫉难芯炕共还煌晟坪统墒欤献既返某尚渭尥蓟剐柰ü匝榛竦谩Ｊ匝槿范ǔ尚渭薜姆椒ù笾路治娣?out-of-plane)和平板面法(in-plane)。
研究者们较常用的方法是曲面法，也就是Nakazima试验法，其实质是半球形刚性凸模胀形试验。通过改变试件的宽度，使其侧向约束改变从而得到从单拉到等双拉的成形极限。曲面法具有以下几个特点：
(1) 变形受到模具几何尺寸的限制，并且破裂通常都在试件的特定位置发生；
(2) 试件中包含有弯曲应变，其大小取决材料厚度和凸模半径；
(3) 由于摩擦和曲率的影响，试件中存在较大的应变梯度。
由于上述特点的存在，使得曲面法对模具的几何尺寸依赖较大，由于较大应变梯度的存在，使所得试验值与可接受值之间存在较大差异。同时，由于破裂总是发生在试件的某个特定位置，使得该种方法对材料缺陷不敏感。更为重要的是，该方法不能实现复杂加载。

图2  Nakajima 试验模具的横截面示意图

平面法中，可在板平面内获得较均匀变形，避免了弯曲和摩擦效应。该方法对材料缺陷敏感，而且不受模具几何尺寸的限制。同时，由于不存在弯曲和摩擦效应，板面内不存在大的应变梯度，使所得的极限应变更准确。而且，从平面法与曲面法的比较中可看到，为了得到准确的成形极限曲线.平面法所需试件比曲面法的少，同时，由于平面法变形后试件表面仍然保持平直，使得对应变的测量更加容易。
 

 
图  Marciniak试验模具的横截面示意图

国标规定

    成形极限图(Farming Lirnit Diagra时FLD)—包含主应变/次应变点的图表。
    FLD能够分辨某个应变数值对于某种材料来说是安全的还是破裂的，从安全点到破裂点的界线定义为成形极限曲线。
    有两种不同的方法可以测定材料的成形极限:
    1)对冲废的零件进行应变分析，测定与零件外形和加工工艺有关的FLCs
        在冲压车间，这些点的应变路径通常是未知的，成形极限曲线FLC依赖于材料、零件和所选择 的成形条件。此方法见本标准第1部分口
    2)完善的实验室条件下的FLCs测定:
        为了评价其成形性能，需要对给定材料绘制唯一的成形极限曲线FLCo标准规定对FLC的测定需采用不同的线性应变路径。该方法可应用于材料的性能表征，见本标准第2部分。
    对于GB/T 24171的本部分(关于实验室成形极限曲线的测定)，下面的条件也是有效的:
    成形极限曲线( FLCs)用于确定指定的材料在受到拉延、胀形或拉延胀形相结合时能够达到的变形程度。这种能力受到裂纹产生、局部缩颈的限制。存在有许多测量材料成形极限的方法，但应指出的是，采用不同的方法得到的结果不能用于比较的目的。
    FLC表征了经过一定热-机械处理后恃定厚度材料的变形极限。材料的力学性能和材料在FLC测量前的历史等附加信息对于成形性能的判断都是重要的。
    为了比较不同材料的成形能力，不仅要判断FLC，而且下面的参数也是重要的:
    a)至少主方向的力学性能;
    b)最大力塑性延伸率，参照GB/T 228 }
    c)给定变形区间的r值，参照GB/T 5027
    d)给定变形区间的，值，参照GB/T 5028

FLC测定原理

    FLC用于表示材料在设定的线性应变路径变形条件下的近似的固有极限。为了准确测定FLC，在测量区域需要保持近乎无摩擦的状态。
    首先在平直无变形的板料表面印制选定的、尺寸精确的网格或随机斑点图案，然后采用Nakajima或Marciniak方法对板料进行变形直至破裂、停止试验。
        测量变形后试样的应变，应变处理时忽略结果中缩颈或者破裂部分，然后通过播值确定材料不发生
失效所能承受的最大应变。插值曲线中的最大值被定义为成形极限。
    成形极限由几种应变路径测量得到。测量的应变路径范围从单向拉伸到双向拉伸(胀形)。不同应变状态下收集的单个成形极限数据点连接起来即可得到成形极限曲线。绘于图中的曲线表示了薄板表面两真实应变的一种函数关系，即成形极限图。x轴代表了次真实应变}， Y轴代表了主真实应变。
    标准的转换公式允许计算主真实应变和次真实应变。下文中，应变指真实应变，也称为对数应变。



 

图 六个不同应变路径的示意图
 

试样和试验设备
 

    推荐的试样几何形状如下:
哑铃型的试样在中间有超过冲头直径25%的平行部分(对于100 mm的冲头，建议平行部分的长
度为25 mm^-50 mm，过度弧半径为20 mm~30 mm)，见下图
 

1—平行部分长度;
2--平行部分宽度;
                              3—过度弧半径:R=2D mm^-Somme
                      图 带平行部分的哑铃型试样(狗骨头形状)
 

图 平行部相对于轧制方向(R})的取向
 

D—落料宽度与冲头直径相等;
1—有切口的锯齿状压边圈;
2—板料带
3—冲头。

                                  图  有切口的压边圈
注:为了与理想的线性应变路径更接近和获得更均匀的真应变数值分布，可以使用有切口的圆环状压边圈(建议切口宽度等于冲头直径).

ISO-FDIS 12004-2-2008和GBT 24171.1-2009 对用于FLC 实验的试件要求
1. 平面金属试件
2. 厚度范围：04~4mm
3. 最少5种不同结构的试件，从窄条状到圆形 
4. 每种结构的试件至少3个
5. 拍摄速度不小于10帧/s
6. 变形速率：1.0~2.0mm/s
7. 破裂位置发生试件正中间

FLC计算基本流程：
1. 对全部的试件进行散斑三维全场变形、应变计算
2. 对于每个试件，找出破裂前的一个状态
3. 在破裂前的状态上，建立3~5条间距2mm左右的平行截线，对于次应变>=0的情况，要求截线尽量垂直于裂纹方向（偏差在25&deg;以内），对于次应变<0的情况，要求截线尽量平行于试件边缘（主应变方向），截线长度尽量长，但不能到试件边缘。
 

图 横截面的位置

图   平行截线

4. 输出截线数据
5. FLC模块读入多个试件的多组截线数据
6. 每一组截线数据，都包含主应变、次应变两组数据，对每组数据分别进行二次曲线拟合，得到二次曲线的极值（对于主应变是最大值，次应变是最小值），这两个机制分别作为一个点的X,Y坐标，形成FLC图上的一个点。
7. 多组截线得到多个点，拟合这些点就可以得到FLC曲线
8. 输出FLC曲线数据

 

图   FLC 显示

图 8  自动生成的成形极限曲线FLC

图 分别在裂纹的两边用二阶导数的极大点确定两个内部边界
 

图 两个内部边界(图8)的确定，外部边界(附录B),      主应变分布的曲线拟合及极限应变的确定
 

材料成形FLC测定试验机

30吨板料成形和杯凸试验机的性能指标
板料成形和杯突试验机主要用于金属薄板的工艺性试验。本产品主机采用液压夹紧、伺服冲压，冲压速度可预先设定，杯突夹具装卸试样方便，试样送入后，按自动按钮即可完成夹紧、冲压，试样出现裂纹自动停车，并且易于观察裂纹，并有峰值记忆功能，即最大冲压力、变形高度自动记忆。变形深度、冲压力采用LCD显示屏显示，按键操作，可预先设定变形深度。用于杯突试验、FLD试验、FLC试验。
杯突试验机采用伺服电机带动减速机，夹紧时通过同步传动组件，带动伺服冲压系统同步向上，然后夹紧系统发讯，冲压系统自动冲压，测量系统同步自动测量板材变性值，当试样出现裂纹时，测量系统自动显示杯突值。杯突夹具为敞开式结构，便于观察板材是否出现裂纹。杯突夹具压模结构采用球窝自动调心结构，以保证试样夹紧时试样夹紧力受力均匀。
产品执行标准：GB4156-2007、GB/T24171.1、GB/T 24171.2、 GB15825.3标准。
 主要技术指标
1) 可试板材厚度：金属板0.2~4 mm
2) 板材最大宽度：180 mm
3) 杯突示值误差：&plusmn;0.01 mm
4) 杯突测量分辨力：0.001 mm
5) 冲压力：300 kN
6) 冲压力有效测量范围：6kN~300kN
7) 冲压力示值误差：&plusmn;1%
8) 冲头行程：120 mm
9) 冲压速度：0.01~130mm/min
10) 最大夹紧力：300kN
11) 夹紧力相对误差：&plusmn;2%
12) 夹紧活塞行程：38mm



自研的30吨板料成形和杯凸试验机与常用的6吨杯凸试验机的区别

     自研的&ldquo;30吨板料成形和杯凸试验机&rdquo;与目前市场上常用的6吨杯凸试验机区别很大：
     一是冲头直径从20mm增加为100mm，可以进行FLC检测。传统的6吨杯凸试验机无法进行FLC检测；
     二是冲压力从6吨增加为30吨。传统的6吨杯凸试验机冲头直径只有20mm，需要的冲压力较小（6吨左右）；而板料成形试验机采用直径100mm冲头，需要30吨以上的冲压力。
     三是执行的标准不同。传统的6吨杯凸试验机采用GB4156-2007、 GB15825.3标准，而新的30吨板料成形试验机在执行GB4156-2007、GB15825.3标准的基础上，重点支持2009最新的GB/T24171.1、GB/T 24171.2标准（国家标准为ISO-FDIS 12004-2-2008）