Summary
Dieses Protokoll schlägt ein neuartiges System biaxialen Tests auf einen Widerstand verwendet einachsigen Zugversuch Maschine, um Erhitzen der Grenzformänderungsdiagramm (FLD) von Blechen unter Heißprägebedingungen zu bestimmen.
Abstract
Die Heißprägung und Kaltform Abschreckvorgang wird zunehmend verwendet, komplex geformte Bauteile von Blechen zu bilden. Herkömmliche experimentelle Ansätze, wie aus der Ebene und in der Ebene liegenden Tests, sind nicht anwendbar auf die Bestimmungsgrenzen des Ausbildens beim Heizen und schnelle Abkühlen Prozesse werden vor der Bildung für die Tests durchgeführt unter Heißprägebedingungen eingeführt. Eine neue in-plane biaxialen Prüfsystems wurde für die Bestimmung von Formgebungsgrenzen von Blechen an verschiedenen Dehnungsweg, Temperaturen und Verformungsgeschwindigkeiten nach dem Erhitzen und Kühlprozess in einem Widerstandsheizelement uniaxial Prüfmaschine entworfen und verwendet. Der Kernteil des biaxialen Prüfsystems ist eine biaxiale Vorrichtung, die eine uniaxiale Kraft, die von der einachsigen Prüfmaschine bereitgestellt auf eine biaxiale Kraft. Eine Art von Kreuzprobe wurde konstruiert und für den Umformbarkeit Test der Aluminiumlegierung 6082 mit dem vorgeschlagenen biaxialen Prüfsystems verifiziert. Die digitale imAlters Korrelation (DIC) System mit einer Hochgeschwindigkeitskamera wurde für die Aufnahme Dehnungsmessungen einer Probe während einer Verformung verwendet. Das Ziel schlägt diese biaxiale Prüfsystems ist die Formgebungsgrenzen einer Legierung zu ermöglichen, bei verschiedenen Temperaturen und Verformungsgeschwindigkeiten unter Heißprägebedingungen bestimmt werden.
Introduction
Die Automobilindustrie steht vor einer große globale Herausforderung der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und die Umweltbelastung durch Emissionen von Kraftfahrzeugen zu minimieren. Gewichtsreduzierung ist von Vorteil , um die Leistung der Autos zu verbessern und kann direkt den Energieverbrauch 1 reduzieren. Aufgrund der geringen Formbarkeit von Blechen bei Raumtemperatur werden die Warmumformung und Kaltform Abschreckverfahren (bezeichnet als Heißpräge) 2 verwendet , um die Formbarkeit von Legierungen zu verbessern und somit komplex geformte Bauteile in Automobilanwendungen zu erhalten.
Ein Grenzformänderungsdiagramm (FLD) ist ein nützliches Werkzeug , um die Verformbarkeit einer Legierung 3 zu bewerten. Out-of-plane - Test, wie der Nakazima Test 4, 5 und in der Ebene liegende Tests, wie der Marciniak Test 6, 7, 8, einemre konventionelle Methoden , um die experimentellen flds von Blechen unter verschiedenen Bedingungen 9, 10, 11 zu erhalten. Eine servohydraulischen Prüfmaschine biaxialen hat auch die Formbarkeit der Legierung bei Raumtemperatur 12, 13 zu untersuchen , verwendet worden.
Jedoch ist keines der obigen Verfahren sind anwendbar auf Formbarkeit Tests unter Heißprägebedingungen, da ein Kühlvorgang vor der Bildung benötigt wird zusammen mit der Steuerung der Heiz- und Kühlraten. Die Verformungstemperatur und Verformungsgeschwindigkeit lassen sich nur schwer genau zu erhalten. Daher wird ein neuartiges Umformbarkeit Prüfsystems in dieser Studie vorgeschlagen, experimentell die Formgebungsgrenzen von Blechen unter Heißprägebedingungen zu bestimmen.
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Protocol
1. Herstellung der Proben
- Maschine flache Hundeknochen und Kreuz Proben aus handelsüblichen Material Aluminiumlegierung 6082 (AA6082) mit Hilfe eines Laser-Schneideinrichtung und eine numerische Computersteuerung (CNC) Fräsmaschine (für Umformbarkeit Tests bei unterschiedlichen Dehnungswege einschließlich uniaxial, plane strain und gleichwinklig biaxialen Spann Staaten).
- Messen Sie die Dicke jeder Kreuzprobe und jeder Hund-Knochenprobe mit einer Schieblehre dreimal im zentralen Kalibrierbereich und berechnen die Mittelwerte. Stellen Sie sicher, dass die Dicke des Kalibrierabschnitt in Kreuzprobe 0,7 ± 0,05 mm ist, und dass die Dicke der uniaxial Probe betragen 1,5 ± 0,1 mm.
- Sprühfarbe die gesamte obere Oberfläche einer Kreuzprobe durch die Verwendung einer flammbeständigen, schwarz Sprühfarbe (geeignet für Temperaturen von bis zu 1.093 ° C widerstehen). Warten, bis die Farbe trocknet, und dann schwer entflammbare, weiße Farbe von Punkten Armlänge sprüht einen stochastischen zu erstellendurch das DIC - System erkannt werden (siehe das Beispiel in 1) Sprühbild.
- Weld ein Paar Thermoelemente an der Mitte der Rückseite (entgegengesetzt zu der lackierten Oberfläche) der Probe. Das andere Ende des Thermoelementes mit dem Rückkopplungstemperatursteuersystem der uniaxialen Prüfmaschine zu überwachen und die Temperaturänderungshistorie zu steuern.
2. Zusammenbau der zweiachsigen Prüfvorrichtung
- Montieren Sie alle Teile der biaxialen Testvorrichtung, einschließlich einer Grundplatte, eine zentrale Welle, Eingangs- und Ausgang drehbarer Platten, Schlitten, eine Klammer, Führungsschienen und starre Verbindungsstangen (die zusammengebaute Vorrichtung ist in 2 gezeigt).
- Verwendung eines Pleuels, koppeln die Eingangs drehbare Platte direkt an der beweglichen Backe eines Widerstands uniaxial Zugprüfmaschine Heizung, die die uniaxiale Zugkraft zur Verfügung stellt. Koppeln die Eingangs drehbare Platte an der zentralen Antriebswelle undGepaart zentrale Antriebswelle auf den Abtrieb drehbare Platte.
- Stellen Sie sicher, dass die Drehung der drehbaren Antriebsplatte um die Drehachse der Antriebswelle dreht sich, wodurch die Ausgangsdreh drehbare Platte, an das es gekoppelt um die Drehachse.
- An einem Ende jedes Paar der starren Verbindungsstangen mit einem der Verbindungspunkte auf der Abtriebs drehbaren Platte. Paar das andere Ende an einem der Wagen.
HINWEIS: Dadurch werden die Wagen mit Probenhaltern verursachen hin und her entlang der Führungsschienen mit geringer Reibung gleiten, die eine biaxiale Kraft auf die Kreuzprobe anwenden können. - Verwendung von Schraubenbolzen klemmen jeden Arm der kreuzförmigen Probe zu einem Wagen mit einem Probenhalter und einer oberen Platte.
- Richten Sie Griffe in der Kammer der einachsigen Zugversuch - Maschine, wie in Abbildung 3 (a). Befestigen vier Schweißkabel an jedes Paar von Griffen, die aus rostfreiem Stahl und Kupfer hergestellt sind, RESPEctively und so die Schweißkabel an die Stromversorgung angeschlossen werden.
HINWEIS: Der Leiterbereich der Schweißkabel 50 mm 2 und die Stromstärke beträgt 345 A.- Setzen Sie die Griffe und die Klemme der biaxialen Testvorrichtung in die beiden Backen der einachsigen Zugprüfmaschine und ziehen diese nach innen (Figur 3 (a)).
- Stellen Sie die biaxiale Testvorrichtung in der Kammer der einachsigen Zugversuch - Maschine, wie in 3 (b) gezeigt.
- Verwenden zwei Rahmen und Schraubenbolzen an dem oberen und unteren Seiten der Basisplatte, die die Vorrichtung in der Kammer der einachsigen Zugversuchs Maschine zu fixieren.
- Setzen Sie die Probe in den Probenhalter auf der Oberseite der biaxial Testvorrichtung.
- Verbinden jeden Anschlusses der Schweißkabel an jeden Klemmbereich der Probe.
3. Aufbau der Heizung und Abschrecksystems
- dicht connect jeden Klemm Bereich der Probe auf die Edelstahldeckplatte, die für die Widerstandsheizung als Elektrode dient.
- Ziehen Sie die Schweißkabel mit Crimpring Klemmen an der oberen Platte jedes Klemmbereich.
- Connect aufgeweiteten Düsen mit Schläuchen an den hohen Strömungs Abschrecksystem mit geregelter Luftzufuhr bei 8.000 kg / m 2 Druck für die Kühlung.
- Verwenden vier Düsen Luft aus den Armen der Probe auf den zentralen Bereich der Probe zu blasen.
HINWEIS: Die Düsen sind nicht auf den Kalibrierabschnitt gerichtet zu vermeiden Kühlen die zentrale Zone aus der Sicht der Kamera blockiert.
4. Aufbau des DIC-System
- Schließen Sie die High-Speed-Kamera des DIC-Systems mit einer Mikrolinse auf einen Computer. Stellen Sie die Bildraten der Kamera 25 Bilder pro Sekunde, 50 fps, 500 fps und aus dem Menü der Frameraten (für die Tests an den Streck Dehnraten von 0,01 / s, 0,1 / s und 1 / s, jeweils). Stellen Sie die Auflösung aller iMages bis 1.280 × 1.024 Pixel.
HINWEIS: Die Bildraten sind abhängig von der Anzahl der Datenpunkte gesammelt werden; mindestens 200 Datenpunkte können unter Verwendung der oben genannten Einstellungen gesammelt werden. - Verwenden einer zusätzlichen Strahler mit einer Leistung von 300 W für die Tests bei hohen Dehnungsraten. Weist die Scheinwerfer direkt an der Kammer der einachsigen Zugversuch-Maschine.
- Justieren der Kameralinse, so dass es an der oberen Oberfläche der Probe in der Kammer und die Kamera auf dem Spurabschnitt parallel ist.
5. Experimentelle Programm
- Führen Sie den Widerstand uniaxial Zugprüfmaschine Erwärmung durch die dreieckförmigen Lauftaste in der Steuersoftware klicken.
HINWEIS: Strom läuft durch das Material AA6082 und erhitzt es auf die Lösungswärmebehandlungstemperatur von 535 ° C 14 bei einer Heizrate von 30 ° C / s. Das Material wird bei 535 ° C für 1 min eingetaucht, die für die vollständige Auflösung der Ausscheidungen ausreichend ist. Air Einblasen aus dem Abschreckungssystem wird verwendet , um das Material mit einer Abkühlrate von 100 ° C / s von 15 bis einem von 3 bezeichneten erhöhten Temperaturen im Bereich von 370 bis 510 ° C quenchen. - Strecken, um die Probe mit der biaxialen Testvorrichtung mit konstanter Dehnungsrate im Bereich von 0,01-1 / s und Aufzeichnungshistorie der Verformung durch manuell den Auslöseknopf auf die Hochgeschwindigkeitskamera verbunden drücken.
HINWEIS: Die Eingang Verschiebung von der einachsigen Prüfmaschine zur biaxialen Testvorrichtung wurde von der integrierten Software des einachsigen Prüfmaschine gesteuert. - Durchführen der Tests an unterschiedlichen Dehnungswege aus uniaxial, plane strain und biaxiales Spann Zustände 3 durch die Konfiguration der biaxialen Testvorrichtung anzupassen.
- Trennen zwei gegenüberliegenden Pleuelstangen für uniaxiale Tests. Klemme eine dog-bone Probe auf der biaxialen Testvorrichtung und verbindet es mit Schweißkabel, wie in den Schritten 3.1-3.4. Wiederholen Sie die Schritte 5,1-5,2.
- Fix zwei gegenüberliegende Schlitten an der Grundplatte mit Schraubbolzen zum Testen gegen ebene Verformung des Verformungszustand an die entsprechende Richtung zu beschränken. Klemme eine Kreuz Probe auf der biaxialen Testvorrichtung und verbindet es mit Schweißkabel, wie in den Schritten 3,1-3,4. Wiederholen Sie die Schritte 5,1-5,2.
- Wiederholen Sie die Schritte 5.3.1-5.3.2 für jede Testbedingung dreimal mit neuen Hundeknochen und Kreuzproben.
6. Datenverarbeitung
- Importieren Sie alle Bilder von der High-Speed-Kamera in die Nachbearbeitungssoftware aufgezeichnet und folgen Standardschritten für die Datenanalyse nach dem Software-Handbuch.
- Verwenden Sie die ISO - Norm 3 die Formgrenzen zu bestimmen , indem die FLC - Modus - Taste in der Software klicken.
Hinweis: Diese Methode wurde bereits in die Bildkorrelationsverarbeitungssoftware integriert. - Markiert jedes Ergebnis der Formgrenzen bei verschiedener Temperaturs, Dehnraten und Dehnungspfade in einem Diagramm.
- Zeichnen Sie die Grenzformänderungskurven bei allen Testbedingungen eine FLD aus einer Legierung unter Heißprägebedingungen zu erhalten.
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Representative Results
Da flds hochDehnungs wegabhängige sind, wurde die Linearität der Dehnungspfad für jede Testbedingung durch Analysieren der Ergebnisse DIC überprüft; die Dehnungswege sind im gesamten Verformung für jede Prüfbedingung proportional. Der Bereich des kleineren zu größeren Dehnungsverhältnis beträgt ca. -0.37 (uniaxial Zustand) bis 0,26 (bei biaxialer Bedingung). Von Daten für verschiedene Bedingungen AA6082 Verarbeitung Grenzformänderungsdaten für verschiedene Dehnungswege wurden bestimmt und somit die flds für AA6082 bei Heißprägebedingungen wurden durch Kurvenanpassung erhalten. In Abbildung 3 wurden die Grenzformänderungsdaten bei verschiedenen Temperaturen, Dehnraten und Dehnungswege nach den Heiz- und Kühlprozesse erhalten. Die Einbau gestrichelte Linien zeigen die Formbarkeit dieser Legierung AA6082. Eine Grenzformänderungskurve gibt die Grenze zwischen gleichmäßiger Verformung und dem Einsetzen des Kunststoff Instabilität oder diffuser Einschnürung, die zum Ausfall führt. Der Bereich über der Kurve stellt möglichen Ausfall und der Bereich unter der Kurve wird als Sicherheitsbereich betrachtet, wo gleichförmige Verformung an den entsprechenden Testbedingungen auftritt. Eine höhere FLC zeigt an, dass das Material eine bessere Formbarkeit aufweist, wenn die Form die gleiche bleibt.
Umformbarkeit Tests, um die neuartigen in-plane biaxialen Zugversuch System wurden an den vorgesehenen Verformungstemperaturen und Dehnraten nach den Heiz- und Kühlprozesse durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass, wenn die Verformungsgeschwindigkeit erhöht sich von der vorgesehenen Dehnungsgeschwindigkeit von 0,01 / s auf 1 / s, die Grenzformänderung von AA6082 zunimmt. Die Grenzformänderung hat einen größeren Anstieg von 0,1 / s bis 1 / s, als von 0,01 / s auf 1 / s, wie in 4 (a) gezeigt.
In Figur 4 (b), gibt es eine monotone Erhöhung der Grenzformänderung von 370 ° C bis 510 ° C. diese indicates, dass hohe Formbarkeit von AA6082 kann bei einer höheren Temperatur unter Heißprägebedingungen erhalten werden. Die drei Grenzformänderungskurven sind sehr nahe beieinander auf der linken Seite des FLD, was bedeutet, dass die Empfindlichkeit der Temperaturabhängigkeit größer ist für die spannungs Spannung biaxialen Dehnungswege als bei Zug-Druck-Dehnungswege.
Abbildung 1: Ein Beispiel für ein stochastisches Muster in einer Kreuzprobe vor biaxiale Streckung (a) und nach dem biaxialen Strecken (b). Das Muster mit weißen Punkten auf einem schwarzen Hintergrund wird durch die High-Speed-Kamera während der Tests erfaßt. Die Größe und Dichte der Sprenkel innerhalb eines Musters 15 auf die Standardanforderungen der DIC - Analyse unterzogen. Bitte klicken Sie hier eine große anzuzeigenr Version dieser Figur.
Abbildung 2: Die zusammengesetzte biaxiale Testvorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine Grundplatte, eine zentrale Welle drehbare Platten, Schlitten, Führungsschienen, und Pleuelstangen. Es wird in der Kammer des Widerstands montiert uniaxial Prüfmaschine erhitzt wird. Die wichtigsten Komponenten sind in der Figur markiert. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3: Aufbau Griffe und die biaxiale Testvorrichtung in der Kammer der uniaxialen Prüfmaschine. (A) Die Griffe und die Klemme. (B) Die biaxiale Testvorrichtung und Düsenfür Luftkühlung. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4: flds von AA6082 bei (a) unterschiedlichen Dehnraten und (b) verschiedene Temperaturen unter Heißprägebedingungen. Die Symbole sind die Ergebnisse der Formgebungsgrenzen unter verschiedenen Bedingungen. Die gestrichelten Linien wurden durch die Polynomanpassung Algorithmus erhalten. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Discussion
Herkömmliche Formbarkeit verwendete Testverfahren zur Bestimmung Grenzen bilden, sind in der Regel nur anwendbar bei Raumtemperatur. Die dargestellte Technik kann verwendet werden, um die Formbarkeit von Metallen für die Heißprägefolie Anwendungen zu bewerten, indem eine neuartige biaxialen Testvorrichtung zu einem Widerstand Einführung uniaxial Prüfmaschine erhitzt wird. Dies kann mit konventionellen Methoden nicht für Heißpräge Anwendungen durchgeführt werden. Der Aufbau der Heiz- und Kühlsysteme und der DIC-System ist kritisch, um die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in einer Probe zu steuern und damit die Verformungsgeschichte des Dehnens Proben aufzuzeichnen.
Bei dieser Technik können die Heiz- und Kühlraten präzise durch die einachsigen Zugversuch Maschine für komplexe Umformprozess Anwendungen gesteuert werden. Der biaxiale Mechanismus hat einen relativ einfachen Aufbau, was die Kosten und die Komplexität der biaxialen Zugversuch reduziert im Vergleich zu herkömmlichem biaxialen TestMechanismen. Jedoch Temperatur durch Widerstandsheizung vorgenommen Felder werden durch Proben Design in diesem Testsystem betroffen ist, und Temperaturgradienten auf eine Probe nicht vermieden werden kann. Kein vorhandenes Standard-Objektdesign ist für diese Art von zweiachsigen Tests zur Verfügung.
Zusammengefasst ist dies das erste Mal, dass ein FLD von Legierungen unter Heißprägebedingungen erhalten. Hohe Bildung Geschwindigkeiten und hohen Temperaturen innerhalb der ausgewiesenen Bereiche sind von Vorteil für die Formgebungsgrenzen von AA6082 unter Heißprägebedingungen zu verbessern. Diese neuartige Technik kann verwendet werden, um die Formgebungsgrenzen von Blechen unter komplexen Testbedingungen zu bestimmen. Die erhaltenen experimentellen Ergebnisse können verwendet werden, um ein Materialmodell zu entwickeln, das das thermomechanische Verhalten und die Formbarkeit einer Legierung prognostiziert. Der Mechanismus der Vorrichtung kann modifiziert werden, Formbarkeit Tests auf nicht-lineare Dehnungswege in der Zukunft unterzogen zu leiten.
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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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