Summary
Dit protocol stelt een nieuw biaxiaal testsysteem gebruikt op een weerstandsverwarming uniaxiale trekproef machine om de vormingsgrens diagram (FLD) van plaatmateriaal onder hot stamping omstandigheden te bepalen.
Abstract
De hot stamping en koude matrijs afschrikproces wordt steeds meer gebruikt om complexe vorm structurele componenten van plaatmetaal te vormen. Conventionele experimentele benaderingen, zoals buiten het vlak en in-vlak proeven, zijn niet van toepassing op de bepaling van het vormen beperkingen bij het verwarmen en snel afkoelen processen voorafgaand aan het vormen van proeven uitgevoerd onder hot stamping omstandigheden geïntroduceerd. Een nieuwe in-plane biaxiale testsysteem ontworpen en gebruikt voor het bepalen van het vormen grenzen van plaatmateriaal op verschillende vervormingspaden temperaturen en vervormingssnelheden na verwarming en koeling processen in een weerstandsverwarming uniaxiale testmachine. Het kerndeel van de biaxiale testsysteem is een biaxiale inrichting die een uniaxiale kracht die de uniaxiale testmachine met een biaxiale kracht overdraagt. Eén type kruisvormig monster werd ontworpen en gecontroleerd voor de vervormbaarheid test van aluminium 6082 met de voorgestelde biaxiale testsysteem. De digitale imleeftijd correlatie (DIC) systeem met een hoge-snelheidscamera werd gebruikt voor het maken rekmetingen van een monster bij een vervorming. Het doel van dit voorstel biaxiaal testsysteem is de vorming van een legering grenzen te bepalen bij verschillende temperaturen en spanningssnelheden onder hot stamping omstandigheden mogelijk.
Introduction
De auto-industrie wordt geconfronteerd met een enorme mondiale uitdaging van de vermindering van het brandstofverbruik en het minimaliseren van milieuvervuiling door de emissies van voertuigen. Gewichtsreductie is gunstig voor het verbeteren van de prestaties van de auto's en kan direct het energieverbruik 1 te verminderen. Vanwege de lage vormbaarheid van plaatmateriaal bij kamertemperatuur, warm stampen koude matrijs doofprocessen (hierna warmdruk) 2 worden gebruikt om de vervormbaarheid van de legeringen te verbeteren en daarmee complex gevormde componenten in automobieltoepassingen te verkrijgen.
Een vormingsgrens diagram (FLD) is een nuttig hulpmiddel om de vormbaarheid van een legering 3 evalueren. Out-of-plane testen, zoals de Nakazima proef 4, 5, en in het vlak proeven, zoals de Marciniak proef 6, 7, 8, eenre gebruikelijke experimentele methoden om de FLD's van plaatmetaal onder verschillende omstandigheden 9, 10, 11 te verkrijgen. Een servo-hydraulische biaxiale testmachine werd ook gebruikt om de vervormbaarheid van de legeringen bij kamertemperatuur 12, 13 te onderzoeken.
Geen van de bovenstaande methoden zijn geschikt voor de vormbaarheid proeven onder hot stamping omstandigheden, omdat een koelproces voorafgaand aan het vormen is vereist, samen met regeling van de verwarmings- en afkoelsnelheden. De vervormingstemperatuur en reksnelheid zijn moeilijk nauwkeurig te verkrijgen. Derhalve is een nieuw vervormbaarheid testsysteem in deze studie voorgesteld experimenteel bepalen de grenzen vormen van plaatmateriaal onder hot stamping omstandigheden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bereiding van Specimens
- Machine platte dog-bone en kruisvormige monsters van commercieel materiaal aluminiumlegering 6082 (AA6082) met een lasersnijmachine en Computer Numerical Control (CNC) freesmachine (voor vervormbaarheid tests op verschillende vervormingspaden zoals eenassige, vlakvervorming en equi-biaxiaal persen staten).
- Meet de dikte van elk monster en elke kruisvormige dog-bone monster met een schuifmaat driemaal het centrale maatgebied en bereken de gemiddelden. Waarborgen dat de dikte van de maatsectie in een kruisvormig monster 0,7 ± 0,05 mm en de dikte van de uniaxiale specimen 1,5 ± 0,1 mm.
- Spray-verf de gehele bovenoppervlak van een kruisvormige preparaat met gebruik van een vuurbestendig, zwarte verf (bestand tegen temperaturen tot 1093 ° C). Wacht tot de verf droogt en dan spuit vlamwerend, witte verf dots armlengte een stochastische creërensproeibeeld door DIC systeem te herkennen (zie het voorbeeld in figuur 1).
- Las een paar thermokoppels naar het midden van het achteroppervlak (tegengesteld aan het geverfde oppervlak) van het monster. Sluit het andere uiteinde van het thermokoppel om de feedback temperatuurregeling van het uniaxiale testen machine voor het bewaken en beheersen van de temperatuur verandering geschiedenis.
2. Montage van de Biaxial testapparatuur
- Verzamel alle delen van de biaxiale testinrichting, omvattende een basisplaat, een centrale as, input en output draaibare platen, rijtuigen, een klem, geleiderails en stijve verbindingsstangen (de samengestelde inrichting getoond in figuur 2).
- Via een verbindingsstang, het koppelen van de ingang roteerbare plaat direct op de beweegbare kaak van een weerstandsverwarming uniaxiale trekproef machine, waarbij de uniaxiale treksterkte verschaft. Stel de ingang roteerbare plaat om de centrale aandrijfasdit combineert centrale aandrijfas met de uitgang roteerbare plaat.
- Verzekeren dat de rotatie van de ingaande roteerbare plaat rondom de rotatieas roteert de aandrijfas, waardoor de uitgang roteerbare plaat roteert, waaraan deze gekoppeld rond de rotatieas.
- Aan één einde, elk paar van de stijve verbindingsstangen met één van de aansluitpunten aan de uitgang roteerbare plaat. Paar het andere uiteinde op een van de sleden.
Opmerking: Dit zal de wagens veroorzaken met preparaathouders heen en weer langs de geleidingsrails met lage wrijving, die een biaxiale kracht kunnen toepassen op de kruisvormige objectglaasje. - Via schroefbouten, klem elke tak van de kruisvormige monster tot een wagen met een monsterhouder en een bovenplaat.
- Opgericht grijpt in de kamer van de uniaxiale trekproef machine, zoals getoond in figuur 3 (a). Attach vier laskabels elk paar handgrepen, die zijn gemaakt van roestvrij staal en koper, respectively, en dus sluit het lassen kabels naar de elektrische voeding.
OPMERKING: De geleider gebied van het lassen kabels 50 mm2 en de stroom is 345 A.- Zet de handgrepen en de klem van de biaxiale testapparaat in de twee kaken van de uniaxiale trekproef machine en vastschroeven binnen (figuur 3 (a)).
- Stel de biaxiale testapparaat in de kamer van de uniaxiale trekproef machine, zoals getoond in figuur 3 (b).
- Gebruik twee frames middels bouten aan de boven- en de onderkant van de grondplaat van de inrichting in de kamer van de uniaxiale trekproef machine vast.
- Zet het monster in de monsterhouder bovenop de biaxiale testapparaat.
- Sluit iedere aansluiting van de laskabels elk inklemgebied van het monster.
3. Instellen van de verwarmings- en koelsysteem
- Nauw connect elk inklemgebied van het monster aan de roestvrij stalen bovenplaat, die dient als elektrode voor weerstandsverwarming.
- Draai de lassen kabels krimpring aansluitingen met de bovenplaat van elke inklemgebied.
- Connect uitlopende nozzles slangen aan de hoge stroomsnelheid afschriksysteem met geregelde luchttoevoer bij 8000 kg / m 2 druk koelen.
- Met vier spuitmonden lucht blaast uit de armen van het monster tot het centrale gebied van het monster.
OPMERKING: De mondstukken zijn niet gericht op de maatsectie voor koeling zonder dat daardoor de centrale zone aan het zicht van de camera.
4. Instelling van het DIC System
- Sluit de hoge-snelheidscamera van DIC systeem met een microlens op een computer. Pas de framesnelheden van de camera 25 bps, 50 bps, 500 bps en het menu framesnelheden (voor de testen strekken vervormingssnelheden van 0,01 / s, 0,1 / s en 1 / s, respectievelijk). Stel de resoluties van alle images 1280 x 1024 pixels.
LET OP: Het frame tarieven zijn afhankelijk van het aantal data punten te verzamelen; ten minste 200 datapunten kunnen worden verzameld met behulp van de bovenstaande instellingen. - Gebruik een extra schijnwerpers met een vermogen van 300 W voor tests bij hoge belasting tarieven. Richt de kijker direct bij de Kamer van de uniaxiale trekproef machine.
- Stel de cameralens zodat deze evenwijdig aan het bovenoppervlak van het monster in de kamer is en de focus van de camera op de maatsectie.
5. Experimentele Program
- Voer de weerstandsverwarming uniaxiale trekproef machine door te klikken op de driehoekige run knop in de besturingssoftware.
OPMERKING: Stroom loopt door de AA6082 materiaal heet wordt het oplosgloeien temperatuur van 535 ° C 14 met een verhittingssnelheid van 30 ° C / s. Het materiaal wordt geïmpregneerd bij 535 ° C gedurende 1 minuut, wat voldoende is voor het volledig oplossen van neerslagen. Air waait uit het quench-systeem wordt gebruikt om het materiaal te blussen met een koelsnelheid van 100 ° C / s 15 een 3 aangeduide verhoogde temperaturen in het traject van 370-510 ° C. - Rek het monster met biaxiale testinrichting met een constante reksnelheid in het traject van 0,01-1 / s en noteer vervormingsgeschiedenis door met de hand op de triggerknop verbonden met de hoge-snelheidscamera.
OPMERKING: De ingangsverplaatsing van de uniaxiale testmachine de biaxiale testinrichting werd gecontroleerd door de ingebouwde software van de uniaxiale testmachine. - Voer de tests op verschillende vervormingspaden uit uniaxiale, vlakke vervormingstoestand en biaxiale toestanden overbelasting 3 door het aanpassen van de configuratie van de biaxiale testapparaat.
- Koppel twee tegenoverliggende drijfstangen voor uniaxiale proeven. Clamp a dog-bone monster op de biaxiale testinrichting en sluit deze aan lassen kabels, zoals in stappen 3.1-3.4. Herhaal stap 5,1-5,2.
- Fix twee tegenoverliggende wagens met de basisplaat met schroefbouten op de vervorming van de overeenkomstige richting voor testen onder vlakke uitzettingstoestand beperken. Klem kruisvormig monster op de biaxiale testinrichting en sluit deze aan lassen kabels, zoals in de stappen 3,1-3,4. Herhaal stap 5,1-5,2.
- Herhaal de stappen 5.3.1-5.3.2 voor elke test conditie drie keer, met behulp van nieuwe dog-bone en kruisvormige exemplaren.
6. Data Processing
- Importeer alle beelden die zijn opgenomen door de high-speed camera in de post-processing software en volg de standaard stappen voor data-analyse op basis van de software handleiding.
- Gebruik de ISO-norm 3 tot en met de vorming van grenzen door te klikken op de knop FLC-modus in de software te bepalen.
LET OP: Deze methode is al geïntegreerd in de beeldcorrelatie processing software. - Merk elk resultaat van de vormende maxima bij verschillende temperaturens, vervormingssnelheden en vervormingspaden in een diagram.
- Plot de vormende grenskrommen helemaal testomstandigheden een FLD uit een legering onder hot stamping voorwaarden is voldaan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Aangezien FLD zeer stam wegafhankelijke werd de lineariteit van de stam pad voor elke testomstandigheid gecontroleerd door het analyseren van de resultaten DIC; de vervormingspaden evenredig gedurende deformatie per testconditie. Het bereik van de kleine tot grote rek verhouding ongeveer -0,37 (uniaxiale toestand) 0,26 (bij biaxiale toestand). Door het verwerken van gegevens voor verschillende AA6082 omstandigheden vormingsgrens gegevens voor verschillende vervormingspaden bepaald en daarmee de voor FLD AA6082 bij hot stamping omstandigheden werden verkregen door middel van curve fitting. In figuur 3 zijn vormingsgrens verkregen bij verschillende temperaturen, vervormingssnelheden en vervormingspaden na het verwarmen en koelen processen. Het voorzien stippellijnen geven de vervormbaarheid van de legering AA6082. Een vormingsgrens curve geeft de grens tussen gelijkmatige vervorming en het begin van plastische instabiliteit of diffuse insnoering, die leiden tot falen. Het gebied boven de kromme mogelijke mislukking en onder de curve gebied wordt beschouwd als een beveiligingsgebied, waarbij uniforme vervorming optreedt aan de overeenkomstige testcondities. Een hogere FLC geeft aan dat het materiaal een betere vervormbaarheid wanneer de vorm gelijk blijft.
Vormbaarheid proeven met het nieuwe in-plane biaxiale treksterkte testsysteem werden uitgevoerd bij de aangegeven temperaturen en vervorming spanningssnelheden na het verwarmen en koelen processen. Er werd gevonden dat wanneer de spanning toeneemt van de aangewezen vervormingssnelheid van 0,01 / s tot 1 / s, de vormingsgrens van AA6082 toeneemt. De vormingsgrens een grotere toename van 0,1 / s tot 1 / s, dan 0,01 / s tot 1 / s, zoals getoond in figuur 4 (a).
In figuur 4 (b) is er een monotone toename van het vormingsgrens van 370 ° C tot 510 ° C. dit indicates dat hoge vormbaarheid van AA6082 kan worden verkregen bij een hogere temperatuur onder hot stamping omstandigheden. De drie vormen grenskrommen vrij dicht bij elkaar op de linkerzijde van het FLD, waardoor de gevoeligheid van temperatuursafhankelijkheid groter voor trek-spanning biaxiale vervormingspaden dan trek-druk vervormingspaden.
Figuur 1: Een voorbeeld van een stochastisch patroon in een kruisvormig monster vóór biaxiaal verstrekken (a) en na biaxiaal strekken (b). Het patroon met witte stippen op een zwarte achtergrond wordt gevangen genomen door de high-speed camera tijdens de tests. De grootte en dichtheid van de spikkels in een patroon worden onderworpen aan de standaard eisen DIC analyse 15. Klik hier om een groot te bekijkenr versie van deze figuur.
Figuur 2: De samengestelde biaxiaal testapparaat. De inrichting omvat een basisplaat, een centrale as draaibare platen, vervoer, geleiderails en drijfstangen. Het is gemonteerd in de kamer van de weerstandsverhitting uniaxiale testmachine. Belangrijke onderdelen zijn gemarkeerd in de figuur. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3: Instellen van handgrepen en het biaxiaal testapparaat in de kamer van de uniaxiale testmachine. (A) De grepen en de klem. (B) De biaxiale testapparaat en mondstukkenvoor luchtkoeling. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4: FLD's van AA6082 bij (a) andere stam prijzen en (b) verschillende temperaturen onder hot stamping omstandigheden. De symbolen zijn de resultaten van de vormende grenzen onder verschillende omstandigheden. De stippellijnen werden verkregen door het polynoom fitting algoritme. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Gebruikelijke vormbaarheid gebruikte testmethoden om te bepalen grenzen vormen gewoonlijk alleen van toepassing bij kamertemperatuur. De gepresenteerde techniek kan worden gebruikt om de vervormbaarheid van metalen voor warm stempelen aanvragen geëvalueerd door invoeging van een nieuwe biaxiaal testinrichting een weerstandsverwarming uniaxiale testmachine. Dit kan niet worden uitgevoerd met behulp van conventionele methoden voor het hete stempelen toepassingen. De opzet van verwarmings- en koelsystemen en DIC systeem is kritisch voor het regelen van de gelijkmatigheid van de temperatuurverdeling in een monster en aldus registreren van de vervormingsgeschiedenis rekken specimens.
In deze techniek kan de verwarmings- en afkoelsnelheden nauwkeurig worden geregeld door de uniaxiale trekproef machine voor complexvormende procestoepassingen. De biaxiale mechanisme heeft een relatief eenvoudige configuratie, waarbij de kosten en complexiteit van biaxiale trekproeven vermindert in vergelijking met traditionele biaxiale testenmechanismen. Echter, temperatuurvelden door weerstandsverhitting worden beïnvloed door specimen design bij dit testsysteem en temperatuurgradiënten op een monster kan niet worden vermeden. Geen bestaande standaard exemplaar ontwerp is beschikbaar voor dit type twee-assige testen.
Kortom, dit is de eerste keer dat een FLD legeringen onder hot stamping omstandigheden werd verkregen. Hoge vormende snelheden en hoge temperaturen in de aangegeven trajecten zijn gunstig voor het verbeteren van de vorming grenzen van AA6082 onder hot stamping omstandigheden. Deze nieuwe techniek kan worden gebruikt om de vorming grenzen van plaatmateriaal onder complexe testomstandigheden te bepalen. De verkregen proefresultaten kunnen worden gebruikt om een materiaal model dat het thermomechanische gedrag en de vormbaarheid van een legering voorspelt ontwikkelen. Het mechanisme van de inrichting kan worden gemodificeerd om de vervormbaarheid proeven onderworpen aan niet-lineaire vervormingspaden in de toekomst te voeren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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
- Karbasian, H., Tekkaya, A. E. A review on hot stamping. J. of Mater. Process. Tech. 210 (15), 2103-2118 (2010).
- Miller, W. S., et al. Recent development in aluminium alloys for the automotive industry. Mater. Sci. and Eng. 280 (1), 37-49 (2000).
- Shao, Z., Li, N., Lin, J., Dean, T. A. Development of a New Biaxial Testing System for Generating Forming Limit Diagrams for Sheet Metals Under Hot Stamping Conditions. Exp. Mech. 56 (9), 1-12 (2016).
- Ayres, R. A., Wenner, M. L. Strain and strain-rate hardening effects in punch stretching of 5182-0 aluminum at elevated temperatures. Metall. Trans. A. 10 (1), 41-46 (1979).
- Shao, Z., et al. Experimental investigation of forming limit curves and deformation features in warm forming of an aluminium alloy. P. I. Mech. Eng. B-J. Eng. , (2016).
- Marciniak, Z., Kuczynski, K. Limit strains in the processes of stretch-forming sheet metal. Int. J. Mech. Sci. 9 (9), 609-620 (1967).
- Li, D., Ghosh, A. K., et al. Biaxial warm forming behavior of aluminum sheet alloys. J. of Mater. Process. Tech. 145 (3), 281-293 (2004).
- Palumbo, G., Sorgente, D., Tricarico, L. The design of a formability test in warm conditions for an AZ31 magnesium alloy avoiding friction and strain rate effects. Int. J. Mach. Tool. Manu. 48 (14), 1535-1545 (2008).
- Raghavan, K. S. A simple technique to generate in-plane forming limit curves and selected applications. Metall. Mater. Trans. A. 26 (8), 2075-2084 (1995).
- Ragab, A. R., Baudelet, B. Forming limit curves: out-of-plane and in-plane stretching. J. Mech. Work. Technol. 6 (4), 267-276 (1982).
- Fan, X. -b, He, Z. -b, Zhou, W. -x, Yuan, S. -j Formability and strengthening mechanism of solution treated Al-Mg-Si alloy sheet under hot stamping conditions. J. of Mater. Process. Tech. 228, 179-185 (2016).
- Zidane, I., Guines, D., Léotoing, L., Ragneau, E. Development of an in-plane biaxial test for forming limit curve (FLC) characterization of metallic sheets. Meas. Sci. Technol. 21 (5), 055701 (2010).
- Hannon, A., Tiernan, P. A review of planar biaxial tensile test systems for sheet metal. J. of Mater. Process. Tech. 198 (1-3), 1-13 (2008).
- Garrett, R., Lin, J., Dean, T. An investigation of the effects of solution heat treatment on mechanical properties for AA 6xxx alloys: experimentation and modelling. Int. J. Plasticity. 21 (8), 1640-1657 (2005).
- Milkereit, B., Wanderka, N., Schick, C., Kessler, O. Continuous cooling precipitation diagrams of Al-Mg-Si alloys. Mater. Sci. Eng. A. 550, 87-96 (2012).
- Crammond, G., Boyd, S. W., Dulieu-Barton, J. M. Speckle pattern quality assessment for digital image correlation. Opt. Laser. Eng. 51 (12), 1368-1378 (2013).
