Summary
Detta protokoll föreslår ett nytt biaxiell testsystem används på en motståndsvärme enaxlig dragtestmaskinen för att bestämma formningsgränsen diagrammet (FLD) av plåt under varma präglingsbetingelser.
Abstract
Varmpräglings och kallformsläckningsprocessen i allt högre grad används för att bilda komplexa formade strukturella delar av plåt. Konventionella experimentella metoder, såsom out-of-planet och i planet tester, inte är tillämpliga på bestämningen av formningsgränser vid värmning och snabbnedkylningsprocesser introduceras före formning för tester som genomförs enligt varmstämplingsbetingelser. En roman i planet biaxiell testsystem konstruerades och användes för bestämning av bildande gränserna för plåtar vid olika belastningsvägar, temperaturer och töjningshastigheter efter upphettning och kylning processer i en motståndsvärme enaxlig maskin för provning. Kärnan en del av den biaxiella testsystemet är en biaxiell apparat, som överför en enaxlig kraft som tillhandahålls av den uniaxiella provningsmaskin till en biaxiell kraft. En typ av korsformiga prov utformades och verifierats för formbarheten test av aluminiumlegering 6082 med den föreslagna biaxiella testsystem. Den digitala imålder korrelation (DIC) system med en höghastighetskamera användes för att ta stammen mätningar av ett prov under en deformation. I syfte att föreslå denna biaxiella testsystem är att möjliggöra de formande gränserna för en legering som skall fastställas vid olika temperaturer och töjningshastigheter enligt varmstämplingsbetingelser.
Introduction
Fordonsindustrin står inför en enorm global utmaning att minska bränsleförbrukningen och minimera miljöföroreningar från fordonsutsläpp. Viktminskning är fördelaktigt för att förbättra prestanda hos bilar och kan direkt minska energiförbrukningen 1. Grund av den låga formbarheten plåt vid rumstemperatur, värmeprägling och kall formsläckningsprocesser (kallad varmstansning) 2 används för att förbättra formbarheten hos legeringarna och sålunda för att erhålla komplext formade komponenter i fordonstillämpningar.
En formningsgräns schema (FLD) är ett användbart verktyg för att utvärdera formbarheten hos en legering 3. Out-of-plane tester, såsom den Nakazima testet 4, 5 och i planet tester, såsom den Marciniak testet 6, 7, 8, enre konventionella experimentella metoder för att erhålla de flds av plåtar under olika betingelser 9, 10, 11. En servohydrauliska biaxiell testmaskin har också använts för att undersöka formbarheten av legeringar vid rumstemperatur 12, 13.
Emellertid inget av metoderna ovan är applicerbara på formbarhetstester under varmstämplingsbetingelser, eftersom en kylningsprocessen före formn krävs tillsammans med styrning av värmnings- och kylningshastigheter. Deformationen temperatur och töjningshastighet är svårt att erhålla exakt. Därför är ett nytt formbarhet testsystem som föreslås i denna studie för att experimentellt bestämma formnings gränserna för plåtar enligt varmstämplingsbetingelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Framställning av Prov
- Maskin platt hundbens och korsformiga prover från kommersiellt material aluminiumlegering 6082 (AA6082) med användning av en laserskärare och en dator numerisk styrning (CNC) fräsmaskin (för formbarhetstester vid olika belastningsvägar inklusive enaxlig, plant-stam, och equi-biaxiell töjning stater).
- Mäta tjockleken av varje korsformiga prov och varje hund-ben prov med ett skjutmått tre gånger i den centrala styrområde och beräkna medelvärdena. Säkerställa att tjockleken av lastprofilen sektion i en korsformig provet är 0,7 ± 0,05 mm och att tjockleken hos den uniaxiella provet är 1,5 ± 0,1 mm.
- Spray måla hela toppytan av ett korsformiga prov genom användning av ett flamhärdigt, svart sprayfärg (kan motstå temperaturer upp till 1093 ° C). Vänta tills färgen torkar och sedan spraya flamhärdiga, vit färg prickar från armslängds avstånd för att skapa en stokastisksprutning mönster som skall igenkännas av DIC-systemet (se exempel i figur 1).
- Svetsa ett par av termoelement till mitten av den bakre ytan (motsatt den målade ytan) hos provet. Anslut den andra änden av termoelementet till återkopplingstemperaturstyrsystemet enligt enaxlig maskin för provning för att övervaka och styra temperaturförändringen historia.
2. Montering av Biaxial Testing Apparat
- Montera alla delar av den biaxiella testapparaten, innefattande en basplatta, en central axel, ingångs- och utgångs roterbara plattor, vagnar, en klämma, styrskenor, och styva vevstakar (den monterade apparaten visas i figur 2).
- Med hjälp av en vevstake, par ingångs roterbara plattan direkt till den rörliga käften av en motståndsuppvärmnings enaxlig dragtestmaskin, som ger enaxlig dragkraften. Par ingångs roterbara plattan till den centrala drivaxeln ochpar detta central drivaxel till utgången vridbara plattan.
- Säkerställa att rotationen av den ingående roterbara plattan runt rotationsaxeln roterar drivaxeln, vilket därigenom roterar den utgående roterbara plattan till vilken den är kopplad kring rotationsaxeln.
- Vid en ände, par var och en av de styva vevstakar till en av anslutningspunkterna på den utgående vridbara plattan. Par den andra änden till en av vagnarna.
OBS: Detta kommer att orsaka vagnarna med provhållare att glida fram och tillbaka längs styrskenor med låg friktion, som kan använda en tvåaxlig kraft korsprovet. - Med användning av skruvbultar, klämma varje arm av de korsformiga provet till en vagn med en provhållare och en topplatta.
- Inrättat grepp i kammaren hos den enaxliga dragtestmaskin, såsom visas i fig 3 (a). Bifoga fyra svetskablar till varje par av grepp, som är tillverkade av rostfritt stål och koppar, respectively, och sålunda förbinda svetskablarna till den elektriska strömförsörjningen.
OBS: ledararea av svetskablarna är 50 mm 2 och den nuvarande Betyget är 345 A.- Sätta grepp och klämman enligt den biaxiella testapparaten in i de två käftarna i den uniaxiella dragprovningsmaskin och dra åt dem inuti (fig 3 (a)).
- Ställa in den biaxiella testapparaten i kammaren hos den enaxliga dragtestmaskin, såsom visas i fig 3 (b).
- Använda två ramar och skruva bultar på toppen och bottensidorna av basplattan för att fixera anordningen i kammaren hos den enaxliga dragtestmaskin.
- Sätta provet i provhållaren på toppen av den biaxiella testapparaten.
- Ansluta varje terminal av svetskablarna till varje kläm region av provet.
3. Inställning av Värme och Kyla System
- tätt samarbetennect varje kläm region av provet till toppen platta av rostfritt stål, som tjänar som elektrod för motståndsuppvärmning.
- Dra åt svetskablarna med crimp ring terminaler till den övre plattan av varje klämregionen.
- Connect utsvängda dysor med slangar till den höga flödessläckningssystem med reglerad lufttillförsel vid 8,000 kg / m 2 tryck för kylning.
- Använda fyra munstycken för att blåsa luft från armarna av provet till den centrala regionen av provet.
OBS: Munstyckena är inte riktas mot mätaren avsnitt för kylning för att undvika att den centrala zonen från kamerans uppfattning.
4. Inställning av DIC System
- Anslut höghastighetskamera av DIC system med en mikrolins till en dator. Justera bildhastigheter av kameran till 25 fps, 50 fps, och 500 fps från menyn av bildhastigheter (för de tester vid sträcknings töjningshastigheter av 0,01 / s, 0,1 / s och 1 / s, respektive). Ställ in upplösning av allt jagmagiker till 1,280 x 1024 pixlar.
OBS! Frame rates beror på antalet datapunkter som ska samlas in, minst 200 datapunkter kan samlas in med användning av ovanstående inställningar. - Använda ytterligare en spotlight med en effekt på 300 W för tester vid höga töjningshastigheter. Peka strålkastarljuset direkt på kammaren i den uniaxiella dragtestmaskin.
- Justera kameralinsen så att den är parallell med den övre ytan av provet i kammaren och fokusera kameran på mätaren sektion.
5. Experimentell Program
- Köra motståndet upphettning enaxlig dragprovmaskin genom att klicka den triangulära körningen knappen i kontrollmjukvaran.
OBS: Elektricitet går genom AA6082 materialet och värmer det till upplösningsbehandlingstemperatur av 535 ° C 14 vid en upphettningshastighet av 30 ° C / s. Materialet blötläggs vid 535 ° C under 1 min, vilket är tillräckligt för fullständig upplösning av fällningar. Air blåser från avkylningssystemet används för att släcka materialet vid en kylningshastighet av 100 ° C / s 15 till en av tre utsedda förhöjda temperaturer i intervallet 370-510 ° C. - Sträcka provet med den biaxiella testapparaten vid en konstant töjningshastighet i intervallet 0,01-1 / s och registrera deformationen historia genom att manuellt trycka på avtryckaren som är ansluten till höghastighetskamera.
OBS: Ingångs förskjutning från enaxlig maskin för provning till den biaxiella testapparaten reglerades genom den inbyggda mjukvaran i enaxlig provningsmaskin. - Utföra testerna vid olika belastningsvägar bestående av enaxlig, plan stam och biaxiella deformeringsverktygen tillstånden 3 genom att justera konfigurationen av den biaxiella testapparaten.
- Koppla två motsatta vevstakar för enaxliga tester. Klämma en hundbensprovstycket på den biaxiella testapparaten och ansluta den till svetskablar, såsom i stegen 3.1-3.4. Upprepa steg 5,1-5,2.
- Fixa två motstående vagnar till basplattan med skruvbultar för att begränsa deformationen på motsvarande riktning för testning under planet stam tillstånd. Klämma en korsformig prov på den biaxiella testapparaten och ansluta den till svetskablar, såsom i stegen 3.1-3.4. Upprepa steg från 5,1 till 5,2.
- Upprepa steg 5.3.1-5.3.2 för varje test skick tre gånger, med hjälp av ny hund ben och kors prover.
6. Data Processing
- Importera alla bilder som spelats in av höghastighetskamera i efterbehandlingen programvara och följa standard steg för dataanalys enligt programmet manual.
- Använd ISO standard 3 för att bestämma formningsgränserna genom att klicka på FLC lägesknappen i programvaran.
OBS: Denna metod har redan integrerats i bildkorrelationsbearbetningsprogram. - Markera varje resultat av formnings gränser vid olika temperaturs, töjningshastigheter, och belastningsvägar i ett diagram.
- Plotta formningsgränskurvor vid samtliga testbetingelser för att erhålla en FLD av en legering enligt varmstämplingsbetingelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Eftersom flds är mycket stam vägberoende, var lineariteten hos stammen banan för varje testförhållande verifieras genom att analysera de DIC resultaten; stammen banor är proportionella hela deformationen för varje testbetingelse. Området av den mindre till större spänningsförhållandet är approximativt -0,37 (enaxlig tillstånd) till 0,26 (nära biaxiell skick). Genom bearbetning av data för olika AA6082 förhållanden och bildar gränsdata för olika belastningsvägar bestämdes och följaktligen var de flds för AA6082 vid varmstämplingsbetingelser erhålls genom kurvanpassning. I figur 3, var bildande gräns uppgifter som erhållits vid olika temperaturer, töjningshastigheter och belastningsvägar efter de uppvärmnings- och nedkylningsprocesser. De monterade streckade linjerna indikerar formbarheten hos denna legering, AA6082. En formningsgränskurva identifierar gränsen mellan likformig deformation och början av instabilitet plast eller diffus midjebildning, som leda till misslyckande. Området ovanför kurvan representerar potentiella fel, och området under kurvan betraktas som en säkerhets regionen, där likformig deformation inträffar vid motsvarande testbetingelser. En högre FLC indikerar att materialet har bättre formbarhet om formen förblir densamma.
Formbarhets tester med användning av den nya i planet biaxiell dragtestsystemet utfördes vid de designe deformationsegenskaper temperaturer och töjningshastigheter efter de uppvärmnings- och nedkylningsprocesser. Det visade sig att, när töjningshastigheten ökar från den utsedda töjningshastighet av 0,01 / s till 1 / s, formnings gränsen för AA6082 ökar. Formningsgränsen har en större ökning, från 0,1 / s till 1 / s, än från 0,01 / s till 1 / s, såsom visas i fig 4 (a).
I figur 4 (b), finns det en monoton ökning i formningsgränsen från 370 ° C till 510 ° C. denna indicates att hög formbarhet av AA6082 kan erhållas vid en högre temperatur under varmstämplingsbetingelser. De tre formningsgränskurvor är ganska nära varandra på vänster sida av FLD, vilket innebär att känsligheten hos temperaturberoendet är större för spänning-spännings biaxiell töjning vägar än för spänning-kompressionsbelastningsvägar.
Figur 1: Ett exempel på en stokastisk mönster i ett korsformiga provet före biaxiell sträckning (a) och efter biaxiell sträckning (b). Mönstret med vita prickar på en svart bakgrund fångas upp av höghastighetskamera under testerna. Storleken och densiteten av fläckarna inom ett mönster utsätts för normala krav på DIC-analys 15. Klicka här för att se en storr version av denna figur.
Figur 2: Den sammansatta biaxiella testapparat. Anordningen innefattar en basplatta, en central axel, roterbara plattor, vagnar, styrskenor, och vevstakar. Den är monterad i kammaren för motståndet upphettning enaxlig maskin för provning. Viktiga komponenter har markerats i figuren. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Uppsättning av grepp och den biaxiella testapparaten i kammaren av den uniaxiella provningsmaskin. (A) De grepp och klämman. (B) Den biaxiella testapparaten och munstyckenför luftkylning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: flds av AA6082 vid (a) olika töjningshastigheter och (b) olika temperaturer under varmstämplingsbetingelser. Symbolerna är resultaten av de formande gränser under olika förhållanden. De streckade linjerna erhölls genom polynomet passande algoritm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Konventionella formbarhet testmetoder används för att bestämma formningsgränser är oftast endast tillämpas vid rumstemperatur. Den presenterade tekniken kan användas för att utvärdera formbarheten hos metaller för heta ark prägling applikationer genom att införa en ny biaxiell testapparat till en motståndsvärme enaxlig maskin för provning. Detta kan inte utföras med användning av konventionella metoder för varmstämplingstillämpningar. Installationen av värme- och kylsystem och DIC systemet är kritisk för att styra likformigheten temperaturfördelningen i ett prov och således att registrera deformationen historia av sträcknings prover.
I denna teknik, kan uppvärmnings- och kylningshastigheter styras exakt av den uniaxiella dragtestmaskin för komplexa formningsprocessapplikationer. Den biaxiella mekanismen har en relativt enkel konfiguration, vilket minskar kostnaden och komplexiteten för biaxiell dragprovning i jämförelse med traditionell biaxiell testningmekanismer. Emellertid temperaturfält gjorda av motståndsuppvärmning påverkas av prov design i detta testsystem, och temperaturgradienter på ett prov kan inte undvikas. Ingen befintlig standardpreparat design är tillgänglig för den här typen av biaxial testning.
Sammanfattningsvis är detta den första gången som en FLD av legeringar under varmstämplingsbetingelser erhölls. Höga formningshastigheter och höga temperaturer inom de utsedda intervall är fördelaktigt för att förbättra formnings gränserna för AA6082 enligt varmstämplingsbetingelser. Denna nya teknik kan användas för att bestämma formnings gränserna för plåtar enligt komplexa testförhållanden. De erhållna experimentella resultaten kan användas för att utveckla en materialmodell som förutsäger termomekaniska beteende och formbarheten hos en legering. Mekanismen hos anordningen kan modifieras för att genomföra formbarhetstester som utsatts för icke-linjära belastningsvägar i framtiden.
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).
