一种超声场助超薄板成形极限测试装置及测试方法
阅读说明：本技术 一种超声场助超薄板成形极限测试装置及测试方法 (Ultrasonic field-assisted ultrathin plate forming limit testing device and testing method ) 是由 王春举 程利冬 贺海东 孙立宁 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：一种超声场助超薄板成形极限测试装置及测试方法,属于超薄板成形极限测试技术领域。本发明解决了现有的在超声场作用下超薄板成形极限的数据可靠性差的问题。上固定件与下固定件上下正对布置,所述超声振子通过上固定件与外部设备固接,凸模固装在超声振子底端,所述凹模通过下固定件与外部设备固接,超薄板通过压边圈固定在凹模的上表面,CCD相机固装在凹模下方,且凸模、凹槽及CCD相机上下正对布置。将凸模安装在超声振子上,把超声场直接作用于超薄板上表面,能够更直接、准确的测量超声场作用下薄板的成形极限。将超声振子与凸模进行了一体化结构设计,避免超声场能量传递时的损失,将超声场能量更高效的作用到超薄板表面。(An ultrasonic field-assisted ultrathin plate forming limit testing device and a testing method belong to the technical field of ultrathin plate forming limit testing. The invention solves the problem of poor data reliability of the ultra-thin plate forming limit under the action of the ultrasonic field. The upper fixing piece and the lower fixing piece are arranged in an up-and-down opposite mode, the ultrasonic vibrator is fixedly connected with external equipment through the upper fixing piece, the male die is fixedly installed at the bottom end of the ultrasonic vibrator, the female die is fixedly connected with the external equipment through the lower fixing piece, the ultrathin plate is fixed on the upper surface of the female die through the blank holder, the CCD camera is fixedly installed below the female die, and the male die, the groove and the CCD camera are arranged in an up-and-down opposite mode. The male die is arranged on the ultrasonic vibrator, the ultrasonic field is directly acted on the upper surface of the ultrathin plate, and the forming limit of the ultrathin plate under the action of the ultrasonic field can be measured more directly and accurately. The ultrasonic vibrator and the male die are integrally designed, so that the loss of the ultrasonic field energy during transmission is avoided, and the ultrasonic field energy is more efficiently applied to the surface of the ultrathin plate.)
技术领域
本发明涉及一种超声场助超薄板成形极限测试装置及测试方法，属于超薄板成形极限测试技术领域。
背景技术
超薄板(板厚50-150μm)微型结构件在燃料电池双极板、微电子器件等领域有着广泛的应用。该类型构件尺寸比较小，特征尺寸约0.5-1.5mm，通常采用胀形、拉深等工艺制备，其能否成形以及成形件质量均与薄板的成形极限密切相关。微结构尺寸范围内，尤其是板厚接近了材料的晶粒尺寸范围，产生了严重的非均匀塑性变形，成形极限与传统厚板相比，产生了显著的尺寸效应现象。这方面还没有相应的国家标准或行业标准等，传统的成形极限测试结果，不能应用于指导超薄板微结构设计。超薄板的成形极限需要根据微结构尺寸范围进行特殊的测试与标定，以满足产品和工艺设计的需要。
近年来，为了提高超薄板成形极限，引入了特种能场，如超声场，利用其特殊的物理效应-“Blaha”效应，提升超薄板的均匀塑性变形能力、抑制微裂纹的萌生与扩展，在提高超薄板微结构成形质量等方面，取得了显著效果。然而，当前超声场助超薄板微结构胀形工艺设计均以经验为主，严重缺少理论指导，限制了该工艺在工业上的推广应用。
发明内容
本发明是为了解决现有的在超声场作用下超薄板成形极限的数据可靠性差的问题，进而提供了一种超声场助超薄板成形极限测试装置及测试方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种超声场助超薄板成形极限测试装置，它包括上固定件、下固定件、超声振子、凸模、凹模、压边圈及CCD相机，其中上固定件与下固定件上下正对布置，所述超声振子通过上固定件与外部设备固接，凸模固装在超声振子底端，所述凹模上开设有通孔且通过下固定件与外部设备固接，超薄板通过压边圈固定在凹模的上表面，CCD相机固装在凹模下方，且凸模、通孔及CCD相机上下正对布置。
进一步地，所述上固定件包括第一固定板、第二固定板以及至少两个第一支柱，其中第一固定板与第二固定板上下平行布置且通过至少两个第一支柱固定连接，第一固定板与外部设备固接，超声振子固装在第二固定板上。
进一步地，第一固定板顶部固装有上固定轴，第一固定板通过所述上固定轴与外部设备固接。
进一步地，所述下固定件包括第三固定板、第四固定板以及至少两个第二支柱，其中第三固定板与第四固定板上下平行布置且通过至少两个第二支柱固定连接，第四固定板与外部设备连接，凹模固装在第三固定板上。
进一步地，第四固定板底部固装有下固定轴，第四固定板通过所述下固定轴与外部设备固接。
进一步地，第二固定板上固装有至少两个导向柱，第三固定板上开设有至少两个导向孔，至少两个导向柱沿竖直方向配合滑动穿设在至少两个导向孔内。
进一步地，凹模的上表面固设有若干销钉，且若干所述销钉围设在通孔的外部，压边圈的下表面加工有若干与所述销钉配合的销孔。
进一步地，凹模的上表面加工有V形环槽，超薄板压设在所述V形环槽内。
进一步地，凸模的底部横截面为圆形，超薄板为圆形板，且凸模与超薄板同轴布置。
一种采用上述超声场助超薄板成形极限测试装置的测试方法，它包括如下步骤：
首先，将超声场助超薄板成形极限测试装置安装在通用材料试验机上，再将超薄板水平放置到凹模的上表面，然后安装压边圈，并采用螺栓进行固定和施加压边力，将超薄板压紧；
启动材料试验机，设定横梁向下运动的速度，带动超声振子和凸模向下运动，当凸模靠近超薄板上表面时，开启超声振子驱动电源，超声振子开始工作，同时，开启CCD相机，并设置抓拍时间间隔；
当凸模下表面与超薄板上表面接触后，继续向下运动，凸模给超薄板作用力，发生塑性变形；随着凸模的向下运动，超薄板胀形应变逐渐变大，直至达到超薄板的成形极限，发生破裂，凸模停止运动，然后返程，此时，CCD相机停止抓拍图像；
采用图像处理软件GOM Correlate 2017对抓拍的图像进行识别和应变测量，依据国标对测量结果进行数据处理，获得超薄板的成形极限数据，实验结束。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本申请主要用于超声场作用下超薄板成形极限测量。将凸模安装在超声振子上，把超声场直接作用于超薄板上表面，能够更直接、准确的测量超声场作用下薄板的成形极限。
将超声振子与凸模进行了一体化结构设计，以使超声振子达到最佳的工作状态，避免超声场能量传递时的损失，将超声场能量更高效的作用到超薄板表面。
通过本申请的测试装置，能够更加准确的获得超声场作用下超薄板成形极限这一关键数据。对后续超薄板微结构件设计以及其成形工艺设计、工艺路线制定等提供必不可少的真实、可靠数据。
附图说明
图1为本申请的主视示意图；
图2为图1的P处放大示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1及图2说明本实施方式，一种超声场助超薄板成形极限测试装置，它包括上固定件、下固定件、超声振子1、凸模2、凹模3、压边圈4及CCD相机5，其中上固定件与下固定件上下正对布置，所述超声振子1通过上固定件与外部设备固接，凸模2固装在超声振子1底端，所述凹模3上开设有通孔且通过下固定件与外部设备固接，超薄板通过压边圈4固定在凹模3的上表面，CCD相机5固装在凹模3下方，且凸模2、通孔及CCD相机5上下正对布置。
所述外部设备即为通用材料试验机。上固定件是通过外部设备实现上下移动，下固定件是固定不动。
待测量的超薄板水平放置于凹模3上方，并采用压边圈4压紧，压边圈4通过螺栓固装在凹模3上。
通过上固定件与下固定件实现本申请的测试装置与外部设备的连接和固定。上固定件与材料试验机移动横梁连接固定。
超声振子1通过上固定件与外部设备固接，可以在外部设备作用下做上、下运动。
凸模2、通孔及CCD相机5上下正对布置，便于实时记录和测量凸模2下方的超薄板变形量。凹模3上开设的通孔呈喇叭状，即该通孔包括圆孔段及锥孔段，且圆孔段与锥孔段的小端上下连通，通过锥孔段可以便于CCD相机获取图像。
通孔顶端与凹模3的上表面之间的转角处加工有圆角，圆角根据国标进行相应的设计，如可选择1.1-2.0t，t为超薄板厚度。
凸模2的外表面与凹模3的内表面之间的间隙选择为1.1-3.0t。
本申请主要用于超声场作用下超薄板成形极限测量。将凸模2安装在超声振子1上，把超声场直接作用于超薄板上表面，能够更直接、准确的测量超声场作用下薄板的成形极限。
由于超声振子1输出的超声场能量与振子形状、尺寸等密切相关。为了保证超声场能量更高效的作用到超薄板上，振子设计时考虑了凸模2形状和尺寸等影响因素，即振子-凸模2进行了一体化结构设计，以使振子达到最佳的工作状态，避免超声场能量传递时的损失，将超声场能量更高效的作用到超薄板表面。
通过本申请的测试装置，能够更加准确的获得超声场作用下超薄板成形极限这一关键数据。对后续超薄板微结构件设计以及其成形工艺设计、工艺路线制定等提供必不可少的真实、可靠数据。
所述上固定件包括第一固定板6、第二固定板7以及至少两个第一支柱8，其中第一固定板6与第二固定板7上下平行布置且通过至少两个第一支柱8固定连接，第一固定板6与外部设备固接，超声振子1固装在第二固定板7上。第一支柱8与第一固定板6及第二固定板7之间均通过螺栓固接，便于拆装。
第一固定板6顶部固装有上固定轴9，第一固定板6通过所述上固定轴9与外部设备固接。第一固定板6与上固定轴9之间通过螺栓固接，便于拆装。
所述下固定件包括第三固定板10、第四固定板11以及至少两个第二支柱12，其中第三固定板10与第四固定板11上下平行布置且通过至少两个第二支柱12固定连接，第四固定板11与外部设备连接，凹模3固装在第三固定板10上。第二支柱12与第三固定板10及第四固定板11之间均通过螺栓固接，便于拆装。
第四固定板11底部固装有下固定轴13，第四固定板11通过所述下固定轴13与外部设备固接。第四固定板11与下固定轴13之间通过螺栓固接，便于拆装。
第二固定板7上固装有至少两个导向柱14，第三固定板10上开设有至少两个导向孔，至少两个导向柱14沿竖直方向配合滑动穿设在至少两个导向孔内。如此设计，通过导向柱14及其配合的导向孔，实现对超声振子1及凸模2的导向作用。
凹模3的上表面固设有若干销钉15，且若干所述销钉15围设在通孔的外部，压边圈4的下表面加工有若干与所述销钉15配合的销孔。如此设计，便于待测超薄板定位。
凹模3的上表面加工有V形环槽16，超薄板压设在所述V形环槽16内。如此设计，进一步防止超薄板在胀形中发生滑动。
凸模2的底部横截面为圆形，超薄板为圆形板，且凸模2与超薄板同轴布置。凸模2下端形状可以为平面结构，也可为半球形结构，当为半球形结构时，球形半径优选为2-10mm，超薄板的直径优选为球冠直径的2-5倍。
一种采用上述超声场助超薄板成形极限测试装置的测试方法，它包括如下步骤：
首先，将超声场助超薄板成形极限测试装置安装在通用材料试验机上(本实施例选用的材料试验机型号为UTM6104)，再将超薄板水平放置到凹模3的上表面，然后安装压边圈4，并采用螺栓进行固定和施加压边力，将超薄板压紧；超薄板材质：有色金属、不锈钢、纯钛及其合金等均可，超薄板的下表面喷白色底漆、石墨粉颗粒等，便于CCD相机5采用灰度应用测量。
启动材料试验机，设定横梁向下运动的速度(如0.1-5min/min)，带动超声振子1和凸模2向下运动，当凸模2靠近超薄板上表面时，开启超声振子1驱动电源，超声振子1开始工作(超声振子1HR2012A，振动频率10-30kHz，振幅0.1-5μm)，同时，开启CCD相机5，并设置抓拍时间间隔(如0.1-0.5s，具体根据横梁运动速度和材料的成形极限设定)；
当凸模2下表面与超薄板上表面接触后，继续向下运动，凸模2给超薄板作用力，发生塑性变形(由于超薄板周边已经被压边圈4牢牢压紧，因而超薄板发生胀形)；随着凸模2的向下运动，超薄板胀形应变逐渐变大，直至达到超薄板的成形极限，发生破裂，凸模2停止运动，然后返程，此时，CCD相机5停止抓拍图像；凸模力产生突变，可自动或手动停止运动。
采用图像处理软件GOM Correlate 2017对抓拍的图像进行识别和应变测量，依据国标(GB/T 24171.2-2009)对测量结果进行数据处理，获得超薄板的成形极限数据，实验结束。
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