Summary
このプロトコルは、ホットスタンピング条件下で金属薄板の成形限界線図（FLD）を決定するために、一軸引張試験機を抵抗加熱に使用される新規な二軸試験システムを提案しています。
Abstract
ホットスタンプとコールドダイ急冷プロセスはますます板金の複雑な形状の構造要素を形成するために使用されます。このようなの面アウト面内テストなどの従来の実験的アプローチは、加熱及び急冷プロセスはホットスタンプ条件下で実施された試験のために形成する前に導入されたときに制限を形成する決意には適用できません。新規な面内二軸試験システムを設計し、一軸試験機を抵抗加熱の処理を加熱及び冷却後の様々なひずみ経路、温度、及び歪み速度でシート金属の限界を形成する決意のために使用しました。二軸試験システムのコア部分は、軸力を一軸試験機によって提供される一軸力を伝達する二軸装置、です。十字形試験片の1つのタイプは、提案された二軸試験システムを用いて、アルミニウム合金6082の成形性試験のために設計され、検証されました。デジタルイム高速度カメラと年齢相関（DIC）システムは、変形時に試験片のひずみ測定を行うために使用しました。この二軸試験システムを提案の目的は、ホットスタンピング条件下で、種々の温度及び歪み速度で決定される合金の成形限界を可能にすることです。
Introduction
自動車業界は燃料消費量を削減し、自動車排出ガスによる環境汚染を最小限に抑えるの巨大なグローバルな課題に直面しています。軽量化は、自動車の性能向上に有益であると直接エネルギー消費量1を削減することができます。室温、ホットスタンプやコールドダイ急冷プロセス（ホットスタンピングと呼ばれる）2で金属薄板の低い成形性に合金の成形性を改善し、従って、自動車用途で複雑な形状の部品を得るために使用されます。
成形限界線図（FLD）が合金3の成形性を評価するための有用なツールです。面外ようNakazima試験4としてテスト、5、及びそのようなMarciniak試験6、7、8、Aと面内試験、様々な条件の下で9枚の金属のFLDを得るための従来の実験方法、10、11再。サーボ油圧式二軸試験機はまた、室温12、13における合金の成形性を調査するために使用されてきました。
成形前に、冷却工程は、加熱及び冷却速度の制御に伴って必要とされるので、上記の方法のいずれも、ホットスタンピング条件下で成形性の試験に適用されません。変形温度及び歪み速度を正確に得ることは困難です。したがって、新規な成形性試験システムは、実験的にホットスタンピング条件下で金属薄板の成形限界を決定するために、本研究で提案されています。
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Protocol
試料の調製
- 機械平坦ドッグボーン及びレーザーカッターや一軸、平面ひずみを含む異なるひずみ経路における成形性試験のためのコンピュータ数値制御（CNC）フライス盤を（使用して商業的材料のアルミニウム合金6082（AA6082）から十字形試験片、及び、等二軸ひずみ状態）。
- 中央ゲージ領域にノギスで三回それぞれ十字試料と各ドッグボーン試験片の厚さを測定し平均値を計算します。十字形試料におけるゲージ部の厚さが0.7±0.05mmで一軸試験片の厚さが1.5±0.1mmであることをことを確認してください。
- （1,093°Cまでの温度に耐えることができる）、難燃性、黒色スプレー塗料を使用して十字形試験片の上面全体をスプレーペイント。ペイントが乾燥するまで待ち、その後、確率的に作成するために、アームの長さから、難燃性、白色塗料の点をスプレー（ 図1の例を参照）、DICシステムによって認識されるパターンを噴霧します。
- 溶接試験片の（反対側の塗装面に）裏面の中央に熱電対の一対。温度変化の履歴を監視し、制御するための一軸試験機のフィードバック温度制御システムに熱電対のもう一方の端を接続します。
二軸試験装置の2組立
- ベースプレート、中心軸、入出力回転可能なプレート、キャリッジ、クランプ、ガイドレール、及び剛性連接棒（組み立てられた装置は、 図2に示されている）を含む、二軸試験装置のすべての部品を組み立てます。
- 一軸引張力を与える一軸引張試験機を、抵抗加熱の可動ジョーに直接接続ロッド、カップル入力回転板を用いました。中央駆動シャフトに結合入力回転板と夫婦出力回転板に、この中央ドライブシャフト。
- それによってそれは回転軸の周りに結合される出力回転板を回転させ、回転軸の周りの入力回転板の回転が駆動軸を回転させることを確認してください。
- 出力回転板上の接続点のいずれかに剛性連結ロッドの一端に、夫婦それぞれ。カップルキャリッジのいずれかにもう一方の端。
注：これは、試料ホルダーとキャリッジが十字型試験片に軸力を適用することができ、低摩擦でガイドレールに沿って前後にスライドするようになります。 - スクリューボルトを用いて、試料ホルダと天板とキャリッジに十字形の片の各アームをクランプ。
- 図3（A）に示すように、一軸引張試験機のチャンバー内でグリップを設定します。ステンレス鋼及び銅から作られているグリップ、各対の4本の溶接用ケーブルを取り付け、respectively、従って電力供給に溶接ケーブルを接続します。
注：溶接ケーブルの導体面積を50mm 2であり、電流定格は345 Aです。- 一軸引張試験機の2つのジョーに把持し、二軸試験装置のクランプを入れて（ 図3（A））の内部に締め。
- 図3（B）に示すように、一軸引張試験機のチャンバー内で二軸試験装置を設定します。
- 2つのフレームを使用して、上部にボルトねじとベースプレートの下側には、一軸引張試験機のチャンバ内に装置を固定します。
- 二軸試験装置の上部に試料ホルダーに試料を入れました。
- 検体の各クランプ領域に溶接用ケーブルの各端子を接続します。
暖房および焼入れシステムの3.セットアップ
- 密コ抵抗加熱のための電極として機能ステンレス天板に被検体のnnect各クランプ領域。
- 各クランピング領域の上部プレートにクリンプリング端末との溶接ケーブルを締め。
- Connectは、8000キロ/冷却用m 2の圧力で調整された空気供給源と高流量急冷システムへのホースとノズルをフレア。
- 試料の中央領域に検体の腕から空気を吹き出すように4個のノズルを使用します。
注：ノズルは、カメラの視野から中央ゾーンを阻止避けるために、冷却用ゲージセクション上に向けていません。
DICシステムの4.セットアップ
- コンピュータにマイクロレンズをDIC系の高速カメラを接続します。 25のFPS、50のFPS、及び（0.01 /秒、0.1 /秒及び1 / sで、それぞれの延伸歪み速度でのテストのために）フレームレートのメニューから500 fpsにカメラのフレームレートを調整します。すべてのIの解像度を設定します。1280×1024ピクセルの魔術師。
注：フレームレートが収集するデータポイントの数によって異なります。少なくとも200個のデータポイントは、上記の設定を使用して収集することができます。 - 高歪速度でのテストのための300 Wのパワーで追加のスポットライトを使用してください。一軸引張試験機の室に直接スポットを指します。
- それは、チャンバ内の試料の上面と平行になるようにカメラのレンズを調整し、ゲージ部にカメラの焦点を合わせます。
5.実験プログラム
- 制御ソフトウェアの三角形の実行]ボタンをクリックして、一軸引張試験機を抵抗加熱を実行します。
注：電気はAA6082材料を通して実行され、30℃/秒の加熱速度で535°C 14の溶体化処理温度までそれを加熱します。材料は、析出物の完全な解像度のために十分で1分間、535℃で浸漬されます。人工知能R急冷システムから吹いは370から510℃の範囲の100℃/秒15 3のいずれかに指定された高温の冷却速度で材料を急冷するために使用されます。 - 0.01 / sの範囲内の一定の歪み速度で二軸試験装置で試料を延伸し、手動で高速カメラに接続されたトリガボタンを押して変形履歴を記録します。
注：二軸試験装置に一軸試験機からの入力変位が一軸試験機の内蔵ソフトウェアによって制御しました。 - 二軸試験装置の構成を調整することにより、異なる一軸からなる歪み経路、平面ひずみ、二軸ひずみ状態3で試験を行います。
- 一軸試験のための2つの対向する連結ロッドを外し。二軸試験装置上のドッグボーン試料をクランプし、ステップ3.1-3のように、溶接ケーブルに接続します。4.繰り返して、5.1から5.2を繰り返します。
- 平面ひずみ状態で試験するための対応する方向に変形を制限するスクリューボルトとベースプレートに対向する二つのキャリッジを固定します。二軸試験装置上の十字片をクランプし、ステップ3.1から3.4のように、溶接ケーブルに接続します。繰り返しは、5.1から5.2を繰り返します。
- 繰り返しますが、新しい犬の骨と十字型の試験片を使用して、各試験条件について3回5.3.1-5.3.2を繰り返します。
6.データ処理
- 後処理ソフトウェアに高速度カメラによって記録されたすべての画像をインポートし、ソフトウェアのマニュアルに従って、データ分析のための標準手順に従います。
- ソフトウェアにおけるFLCモードボタンをクリックすることで形成限界を決定するためにISO標準3を使用してください。
注：このメソッドは、既に画像相関処理ソフトウェアに統合されています。 - 種々の温度で形成限界の各結果をマーク図中のS、歪み率、および歪みのパス。
- ホットスタンピング条件下合金のFLDを得るために、全ての試験条件で成形限界曲線をプロットします。
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Representative Results
FLDが高いひずみ経路に依存しているので、各試験条件についてひずみ経路の直線性はDICの結果を分析することによって確認しました。ひずみ経路は各試験条件の変形を通して比例します。マイナー・ツー・主要なひずみ比の範囲は約-0.37（一軸条件）0.26（二軸延伸条件に近い）です。 、異なるAA6082条件のためのデータを処理する異なる歪みパスの制限データを形成することによって決定し、従って、ホットプレス条件でAA6082ためのFLDは、カーブフィッティングにより得られました。 図3では、成形限界データは、加熱及び冷却工程後、種々の温度、ひずみ速度、及び歪み経路で得られました。嵌合破線はこの合金、AA6082の成形性を示します。成形限界曲線は、故障につながる均一変形と塑性不安定又は拡散ネッキングの発症との間の境界を識別する。曲線上の領域は、潜在的な障害を示し、そして曲線下の領域は、均一な変形は、対応する試験条件で起こる安全領域、とみなされます。高いFLC材料は形状が同じであれば、より良い成形性を有していることを示しています。
面内の新規な二軸引張試験装置を用いて成形性試験は、加熱及び冷却プロセス後に指定変形温度および歪み速度で行いました。これは、1 / sの0.01 /秒の指定された歪み速度、AA6082増加の成形限界の場合ひずみ速度が増加することがわかりました。 （a）は、図4に示すように、成形限界は、0.01 / Sから1 /秒よりも0.1 /秒から1 / sに大きな増加を有しています。
図4（b）において、510℃〜370°Cの成形限界における単調増加があります。このindicatES AA6082の高い成形性は、ホットスタンピング条件下で、より高い温度で得ることができます。 3つの成形限界曲線は、温度依存性の感度は引張圧縮ひずみ経路よりも張力張力軸ひずみ経路に対する大きいことを意味し、FLDの左側に互いに非常に近接しています。
図1：二軸前十字検体における確率的パターンの例延伸（a）および二軸延伸後（B）。黒地に白のドットのパターンは、テスト中に高速度カメラによって捕捉されます。パターン内のスペックルのサイズ及び密度はDIC解析15の標準的な要件に付されます。 大型を見るためにはここをクリックしてください。この図のRバージョン。
図2：組み立てられた二軸試験装置。装置は、ベース板と、中心軸、回転可能なプレート、キャリッジガイドレール、及び連結ロッドを含みます。これは、一軸試験機を抵抗加熱のチャンバー内に装着されています。主要なコンポーネントは、図にマークされています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図3：グリップのセットアップ及び一軸試験機のチャンバー内の二軸試験装置。 （a）は、グリップクランプ。 （B）二軸試験装置及びノズル空冷のため。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図4（a）は異なる歪み速度及びホットスタンピング条件下で（b）は、異なる温度でのAA6082ののFLD。シンボルは、異なる条件下で形成限界の結果です。破線は、多項式フィッティングアルゴリズムにより得られました。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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Discussion
限界を形成するかを決定するために使用される従来の成形性の試験方法は、通常は室温で適用可能です。提示された技術は、一軸試験機を抵抗加熱するための新規な二軸試験装置を導入することにより、ホットシートスタンピングアプリケーションのための金属の成形性を評価するために使用することができます。これは、ホットスタンピングアプリケーションのための従来の方法を用いて行うことができません。加熱および冷却システムのセットアップ及びDICシステムは、試料の温度分布の均一性を制御し、したがって試料の延伸変形履歴を記録するために重要です。
この技術では、加熱および冷却速度を正確に錯体形成プロセスアプリケーション用一軸引張試験機によって制御することができます。二軸機構は、従来の二軸試験と比較して二軸引張試験のコストと複雑さを低減し、比較的簡単な構成を有していますメカニズム。しかしながら、抵抗加熱によって行わ温度フィールドは、この試験システムにおける検体の設計によって影響され、試料の温度勾配を避けることができません。既存の標準試料のデザインは、二軸テストのこのタイプのために利用可能ではありません。
要約すると、これはホットスタンピング条件下合金のFLDが得られたのは初めて。指定された範囲内の高い形成速度および高い温度がホットスタンピング条件下AA6082の形成限界を向上させるために有益です。この新規な技術は、複雑な試験条件下で金属薄板の成形限界を決定するために使用することができます。得られた実験結果は、熱機械的挙動及び合金の成形性を予測する材料モデルを開発するために使用することができます。装置の機構は、将来における非線形ひずみ経路を施し成形性試験を実施するように修正することができます。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aluminium Alloy | Smiths Metal | 6082 | Specimens machining |
| Laser cutter | LVD Ltd | HELIUS 25/13 | Laser cutting specimens |
| CNC machine | HAAS Automation | TM-2CE | Machine specimens by milling |
| Vernier caliper | Mitutoyo | 575-481 | Thickness measurement |
| Resistance heating uniaxial testing machine | Dynamic System Inc | Gleeble 3800 | Thermo-mechanical materials simulator |
| High flow quench system | Dynamic System Inc | 38510 | For air cooling |
| Thermocouples | Dynamic System Inc | K type | |
| Nozzles | Indexa | Nozzle flared 1/4 inch bore | |
| Welding cables | LAPP Group | H01N2-D | |
| High-speed camera | Photron | UX50 | For DIC testing |
| Camera lens | Nikon | Micro 200mm | |
| Lamp | Liliput | 150ce | 300 W |
| Laptop | HP | Campaq 2530p | For images recording |
| Biaxial testing apparatus | Manufactured independently | All parts were designed and machinced by authors for biaxial testing | |
| Steel | West Yorkshire Steel | H13 | Mateials of the biaxial testing apparatus |
| Image correlation processing software | GOM | ARAMIS | Non-contact measuring system and data post-pocessing |
References
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