Summary
Этот протокол предлагает новую двухосную систему тестирования, используемую на резистивном нагреве одноосного растяжения испытательной машины для того, чтобы определить предельное деформирование диаграммы (FLD) из листового металла при горячих условиях штамповки.
Abstract
Горячее тиснение и процесс закалки холодные умирают чаще используются для формирования сложной формы структурных компонент листового металла. Обычные экспериментальные подходы, такие как вне-плоскости и в плоскости испытаний, не применимы к определению формирования пределов при нагревании и быстрые процессы охлаждения вводят перед формованием для испытаний, проведенных в жарких условиях тиснения. Система двухосного испытания нового в плоскости была разработана и использована для определения формирования пределов листового металла на различные траекториях деформации, температурах и скоростях деформации после нагрева и охлаждения процессов в резистивном нагреве одноосной испытательной машины. Основная часть двухосной системы тестирования является двухосным устройством, которое передает одноосное усилие, создаваемое одноосной испытательной машиной с двухосной силой. Один типа крестообразных образца был разработан и проверен для испытания формования алюминиевого сплава 6082 с использованием предлагаемого двухосной системы тестирования. Цифровые имвозраст корреляционная система (ДВС-синдром) с камерой высокоскоростной была использована для проведения измерений деформации образца во время деформации. Цель предлагает эту двухосной систему тестирования, чтобы позволить образующие границы сплава, которые будут определены при различных температурах и скоростях деформации при горячих условиях штамповки.
Introduction
Автомобильная промышленность сталкивается с огромной глобальной проблемой сокращения потребления топлива и минимизацией загрязнения окружающей среды от выбросов транспортных средств. Снижение веса является полезным для повышения производительности автомобилей и может непосредственно сократить потребление энергии 1. Из - за низкой формуемости листовых металлов при комнатной температуре, горячей штамповки и процессов закалки холодной матрицы (называемые горячего тиснения) 2 используются для улучшения формуемости сплавов и , таким образом , чтобы получить сложные компоненты формируются в автомобильной промышленности.
Являющаяся диаграммой предельного деформирования (ДПД) является полезным инструментом для оценки формуемость сплава 3. Вне плоскости тесты, такие как тест Nakazima 4, 5, а в плоскости тесты, такие как тест Марчиняк 6, 7, 8, Aповторно обычных экспериментальных методов для получения FLDS листовых металлов в различных условиях 9, 10, 11. Двухосная испытательная машина сервогидравлической также была использована для исследования формуемости сплавов при комнатной температуре 12, 13.
Тем не менее, ни один из вышеуказанных способов не применимы к испытаниям формуемости при горячих условиях штамповки, так как процесс до формирования требуется наряду с контролем скорости нагрева и охлаждения охлаждения. Температура деформации и скорости деформации трудно получить точно. Таким образом, новая система тестирования формуемости предлагаются в данном исследовании экспериментально определить, образующие границы листовых металлов при нагревании штамповки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Подготовка образцов
- Машина плоская собачья кость и крестообразные образцы из коммерческого материала алюминиевого сплава 6082 (AA6082), используя резак лазера и компьютерное числовое программное управление (ЧПУ) фрезерный станок (для формуемости испытаний при различных траекториях деформации, включая одноосные, плоскую деформацию, и оборы-двухосное деформирование состояния).
- Измерение толщины каждого образца крестообразных и каждая собака костей образца с штангенциркулем три раза в центральной области калибровочной и рассчитать средние значения. Убедитесь, что толщина секции датчика в крестообразном образце составляет 0,7 ± 0,05 мм, а толщина одноосного образца составляет 1,5 ± 0,1 мм.
- Спрей-краской всю верхнюю поверхность крестообразного образца, используя огнестойкий, черный аэрозольной краской (способной выдерживать температуры до 1,093 ° C). Подождите, пока краска высохнет, а затем распылить огнестойкий, белые краски точки от длины руки, чтобы создать стохастическийраспыления шаблон , чтобы быть распознан системой DIC (см пример на рисунке 1).
- Сварной шов пара термоэлементов к центру задней поверхности (в отличие от окрашенной поверхности) образца. Подключите другой конец термопары к системе регулирования температуры обратной одноосной испытательной машины для мониторинга и контроля истории изменений температуры.
2. Сборка аппарата двухосных Тестирование
- Собрать все части двухосной испытательной аппаратуры, в том числе в опорной плите, центральный вал, входных и выходных вращающихся пластин, вагонов, зажим, направляющих и жестких соединительных стержней (собранного устройства показан на фиг.2).
- Используя соединительный стержень, пару входной пластины с возможностью поворота непосредственно к подвижной челюсти резистивного нагрева одноосного растяжения тест-машине, которая обеспечивает одноосное усилие на разрыв. Пара вход с возможностью поворота пластины с центральным приводным валом ипара этот центральный приводной вал к выходному поворотной пластине.
- Убедитесь, что вращение входной вращающейся пластины вокруг оси вращения вращает приводной вал, таким образом, вращая вращающуюся выходную пластину, к которой он соединен вокруг оси вращения.
- На одном конце, пара каждый из жестких соединительных стержней к одной из точек соединения на выходе поворотной пластине. Пара другой конец к одному из вагонов.
Примечание: Это приведет вагоны с держателями образцов, чтобы скользить назад и вперед по направляющей с низким коэффициентом трением, которые могут применять двухосную силу к крестообразному образцу. - С помощью винтов болтов, зажим каждого рычага крестообразного образца к каретке с держателем образца и верхней пластиной.
- Установка ручки в камере одноосного испытания на растяжение машины, как показано на фиг.3 (а). Приложить четыре сварочных кабелей к каждой паре ручек, которые изготовлены из нержавеющей стали и меди, respectively, и, таким образом подключить сварочные кабели к сети электропитания.
Примечание: Область проводника сварочных кабелей 50 мм 2 и номинальный ток 345 А.- Поместите захваты и зажим двухосной испытательной установки в двух челюсти одноосного испытания на растяжение машины и затянуть их внутрь (Рисунок 3 (а)).
- Настройка устройства двухосного тестирования в камере одноосного испытания на растяжение машины, как показано на рисунке 3 (б).
- Используйте два кадра и винт болты на верхней и нижней стороны опорной плиты, чтобы закрепить устройство в камере одноосной испытания на растяжение машины.
- Поместите образец в держатель образца на верхней части двухосной испытательной аппаратуры.
- Подключите каждый терминал сварочных кабелей для каждого зажима области образца.
3. Настройка системы отопления и Тушение
- Плотно сотрудничествоnnect каждого зажимного участка образца к верхней пластине из нержавеющей стали, которая служит в качестве электрода для нагрева сопротивления.
- Затянуть сварочные кабели с обжимными кольцевыми клеммами к верхней пластине каждой зажимной области.
- Подключение расширяющегося форсунок с шлангами с системой резкого охлаждения высокого потока с регулируемой подачей воздуха в 8000 кг / м 2 давления для охлаждения.
- Используйте четыре сопла, чтобы продувать воздух из рук образца в центральную область образца.
Примечание: Форсунки не направлены на секцию датчика для охлаждения, чтобы избежать блокировок центральной зоны от зрения камеры.
4. Настройка системы DIC
- Подключите камеру высокоскоростной системы DIC с микро объектив к компьютеру. Регулировка частоты кадров камеры до 25 кадров в секунду, 50 кадров в секунду и 500 кадров в секунду из меню частоты кадров (для испытаний на валентным скоростях деформирования 0,01 / с, 0,1 / с и 1 / с, соответственно). Установите разрешения всех Iмаги до 1280 × 1024 пикселей.
Примечание: Частота кадров зависит от числа точек данных, которые должны быть собраны; по крайней мере 200 точек данных могут быть собраны с использованием вышеуказанных параметров. - Используйте дополнительный прожектор с мощностью 300 Вт для испытаний при высоких скоростях деформации. Направьте внимания непосредственно на камере одноосного испытания на растяжение машины.
- Отрегулируйте объектив камеры так, чтобы она была параллельна верхней поверхности образца в камере и фокус камеры на участке калибровочного.
5. Программа Experimental
- Выполнить сопротивление нагревательного одноосный тест на растяжение машину, нажав на треугольную кнопку запуска в программном обеспечении управления.
Примечание: Электричество проходит через материал AA6082 и нагревает его до температуры раствора термообработки 535 ° C 14 со скоростью нагрева 30 ° С / сек. Материал замачивают при 535 ° С в течение 1 мин, что является достаточным для полного разрешения преципитатов. искусственный интеллектг дует из системы резкого охлаждения используются для гашения материала при скорости охлаждения от 15 до один из 3 назначенных повышенных температур 100 ° С / с в диапазоне 370-510 ° С. - Stretch образца с двухосной испытательной установки при постоянной скорости деформации в интервале 0,01-1 / с и записывать историю деформации вручную нажатием на кнопку триггера подключен к камере с высокой скоростью.
Примечание: Входное смещение от одноосной испытательной машины для двухосной испытательной установки контролировались при помощи встроенного программного обеспечением в одноосной испытательной машине. - Выполнение тестов на различные траекториях деформации , состоящие из одноосных, плоской деформации и двухосных напрягаясь состояниями 3, регулируя конфигурацию двухосной испытательной аппаратуры.
- Отсоедините два противоположных шатун для одноосных испытаний. Зажим собачьей кости образца на двухосной испытательной установке и подключить его к сварочным кабелям, как на этапах 3.1-3.4. Повторите шаги 5.1-5.2.
- Закрепить две противоположные каретки на опорную пластину с резьбовыми болтами, чтобы ограничить деформацию на соответствующем направлении для испытаний в состоянии плоской деформации. Зажим крестообразного образца на двухосной испытательной установке и подключить его к сварочным кабелям, как на этапах 3.1-3.4. Повторите шаги 5.1-5.2.
- Повторите шаги 5.3.1-5.3.2 для каждого условия испытания три раза, используя новую собачью кость и крестообразные образцы.
6. Обработка данных
- Импорт всех изображений, записанные с помощью камеры на высокой скорости в программное обеспечение постобработки и следовать стандартным шагам для анализа данных в соответствии с инструкцией программного обеспечения.
- Использование стандарта ISO 3 , чтобы определить , образующие границы, нажав кнопку ФЛК Mode в программном обеспечении.
Примечание: Этот метод уже интегрирован в программное обеспечение изображения корреляционной обработки. - Отметьте каждый результат предельных штамповочных размеров при различных температурахс, скорости деформации и деформации пути в виде диаграммы.
- Участок формных предельные кривые при всех условиях испытаний, чтобы получить ДПД сплава при нагревании штамповки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Так как ЛПР сильно Штамм путь-зависимой, линейность траектории деформации для каждого условия испытаний была подтверждена путем анализа результатов DIC; пути деформации пропорциональны по всей деформации для каждого условия испытаний. Диапазон коэффициента деформации минорного до-мажора примерно -0,37 (одноосное состояние) до 0,26 (вблизи двухосного состояния). Путем обработки данных для различных условий AA6082, образуя предельные данные для различных траекторий деформации были определены и, следовательно, для ЛПР AA6082 в горячих условиях штамповки были получены путем аппроксимации кривой. На рисунке 3, образующие предельные данные были получены при различных температурах, скоростях деформации и траекториях деформации после процессов нагрева и охлаждения. В оборудованных пунктирные линии указывают на деформируемость этого сплава, AA6082. Формовочный предельные кривой определяет границу между равномерной деформацией и началом пластической неустойчивости или диффузного утонением, которые приводят к отказу, Область выше кривой представляет собой потенциальный отказ, и область ниже кривой, рассматриваются как область безопасности, где однородная деформация происходит при соответствующих условиях тестирования. Чем выше ФЛК указывает на то, что материал имеет лучшую формуемость, если форма остается тем же самым.
Тесты формуемости с использованием нового в плоскости двухосной системы испытания на растяжение проводились при указанных температурах деформации и скорости деформации после процессов нагрева и охлаждения. Было установлено, что, при увеличении скорости деформации от назначенной скорости деформации 0,01 / с до 1 / с, образуя предел AA6082 увеличивается. Формирования предел имеет больший рост, от 0,1 / с до 1 / с, чем от 0,01 / с до 1 / с, как показано на рисунке 4 (а).
На рисунке 4 (б), происходит монотонное увеличение формующего предела от 370 ° C до 510 ° C. Это indicatх годов, что высокая формуемость AA6082 могут быть получены при более высокой температуре в горячих условиях штамповки. Три кривые, образующие предельных достаточно близко друг к другу на левой стороне FLD, что означает, что чувствительность температурной зависимости больше для натяжения натяжных путей двухосной деформации, чем для натяжения сжатия траекторий деформации.
Рисунок 1: Пример стохастического рисунка в крестообразном образце перед двухосным растяжением (а) и после двухосного растяжения (б). Узор с белыми точками на черном фоне захватывается камерой высокоскоростного во время испытаний. Размер и плотность крапинками внутри шаблона подвергаются стандартным требованиям анализа DIC 15. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть большоег версии этой фигуры.
Рисунок 2: В собранном виде двухосного испытательная аппаратура. Устройство включает в себя опорную плиту, центральный вал, вращающиеся пластины, каретки, направляющие рельсы, и соединительные стержни. Он установлен в камере резистивного нагрева одноосной испытательной машины. Основные компоненты были отмечены на рисунке. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3: Настройка захватов и устройство двухосного испытания в камере одноосной испытательной машины. (А) захваты и зажим. (Б) Двуосное Устройство для испытаний и соплодля охлаждения воздуха. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4: ЛПР из AA6082 в (а) различных скоростях деформации и (б) при различных температурах в жарких условиях тиснения. Символы являются результатом предельных штамповочных размеров в различных условиях. Пунктирные линии были получены с помощью полиномиального алгоритма фитинга. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Обычные методы испытаний формуемости, используемые для определения пределов формирования, как правило, применимы только при комнатной температуре. Представленная методика может быть использована для оценки формуемости металлов для горячего тиснения приложений листа путем введения нового двухосного устройства тестирования на резистивный нагреве одноосной испытательной машины. Это не может быть осуществлено с использованием обычных методов для горячего тиснения приложений. Установка систем отопления и охлаждения и система ДВС имеет решающее значение для контроля однородности распределения температуры в образце и, таким образом, чтобы запись истории деформации растяжения образцов.
В этой технике, нагревательные и охлаждающие скорости можно точно регулировать с помощью одноосного испытания на растяжение машины для сложных технологических процессов, образующих. Двухосный механизм имеет относительно простой конструкции, что снижает стоимость и сложность двухосного испытания на растяжение по сравнению с традиционным двухосным тестированиеммеханизмы. Тем не менее, температурные поля, сделанные резистивный нагрев зависят от образца конструкции в этой испытательной системе, и температурные градиенты на образце не могут быть предотвращены. Нет существующий стандартный дизайн образца не доступен для данного типа двухосной тестировании.
Таким образом, это первый раз, был получен ДПД сплавов при горячих условиях штамповки. Высокие скорости и образующие высокие температуры в пределах указанных диапазонов являются полезными для усиления, образующие границ AA6082 в жарких условиях тиснения. Этот метод романа может быть использован для определения, образующих границ листовых металлов в сложных условиях тестирования. Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы для разработки модели материала, которая предсказывает термо-механическое поведение и формуемость сплава. Механизм устройства может быть модифицирован для проведения испытаний формуемости, подвергнутых нелинейные траектории деформации в будущем.
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).
