胀形试验技术内容

1. 检测项目分类及技术要点

胀形试验主要分为杯突试验（Erichesen Test）和液压/气压胀形试验两大类，用于评估金属薄板与管材的成形性能。

1.1 杯突试验

• 检测项目：主要测定板材的塑性变形能力，核心指标为杯突值（IE值），即试样出现裂纹时凸模的压入深度（单位：mm）。

• 技术要点：

  • 试样制备：通常为方形或圆形板坯，尺寸标准如ISO 20482规定为90 mm × 90 mm或宽度≥90 mm的带材。边缘需打磨光滑，无毛刺。

  • 试验过程：试样被压边圈固定于凹模与压边圈之间，球形凸模恒速压入，使板材胀形成鼓包直至破裂。压边力需恒定且足以防止边缘起皱但不过度约束材料流动。

  • 结果判定：杯突值（IE）直接从仪器刻度读取或通过传感器测量。试验需重复至少3次，取平均值。需记录破裂模式（如径向裂纹、十字裂纹）。

1.2 液压/气压胀形试验

• 检测项目：主要用于管材和板料，测定胀形极限曲线（FLC）、胀形高度、破裂压力及应变分布。

• 技术要点：

  • 试样制备：管材试样长度需满足端部夹持要求，通常长度≥3倍管径。板料多为圆形，直径根据模具而定。

  • 试验过程：

    • 管材胀形：将管材置于密封模具内，内部充入液压油或高压气体，使管壁均匀胀形直至破裂。需控制内压与轴向进给（如有）的加载路径。

    • 板料液压胀形：采用“模腔充液”法，板料覆盖在充满液体的凹模上，凸模压下使板料在液压反作用下贴模成形。

  • 关键参数：极限胀形系数（K=胀形后最大直径/原始直径）、最大减薄率、应变硬化指数（n值）和厚向异性系数（r值）常作为关联分析参数。

2. 各行业检测范围的具体要求

2.1 汽车制造业

• 范围：车身覆盖件用钢板（如低碳钢、高强度钢、铝合金板）、排气系统用不锈钢或镀层钢管。

• 具体要求：

  • 板材：杯突值IE是必检项目。对于齐全高强钢（AHSS），除IE值外，常结合液压胀形试验获取FLC，用于计算机模拟（CAE）碰撞和成形分析。典型要求：低碳钢冷轧板IE值≥10mm；双相钢（DP590）IE值≥7mm（因强度上升塑性下降）。

  • 管材：对液压成形构件（如副车架、仪表盘支架），需进行管材胀形试验，测定其极限膨胀率，要求通常≥30%（视材料与工艺而定）。

2.2 航空航天工业

• 范围：钛合金、铝合金、高温合金薄板及管材，用于蒙皮、导管等。

• 具体要求：

  • 侧重高温胀形试验，模拟热成形过程。例如，钛合金板在700-900°C下进行超塑性胀形试验，要求获得最佳应变速率敏感指数（m值），通常m>0.3视为具备超塑性。

  • 管材要求进行高精度内压与轴向压缩复合加载试验，以精确测定复杂载荷下的成形极限。

2.3 金属包装与日用五金行业

• 范围：镀锡薄板（马口铁）、铝箔、不锈钢薄板等，用于易拉罐、金属容器、锅具。

• 具体要求：

  • 杯突试验是核心质量控制手段。例如，制罐用铝材要求IE值≥8.5mm以确保冲压拉深不开裂。

  • 对焊接管（如保温杯体），需进行锥杯试验（结合胀形与拉深），评估焊缝区域与母材的成形一致性。

3. 检测仪器的原理和应用

3.1 杯突试验机

• 原理：采用机械或液压传动，驱动球形凸模（通常直径20mm）向被夹紧的试样匀速运动，使其产生双向拉应力状态下的鼓胀变形。测量系统记录位移-力曲线，并在破裂瞬间锁定位移值（杯突值）。

• 应用：用于快速、相对评价板材的冷成形性能，广泛应用于钢铁及有色金属板带生产企业的在线质检和用户入厂检验。

3.2 板材液压胀形试验机

• 原理：核心为“主动式”液压控制系统。通过伺服液压泵向密闭于凹模与板料间的液体施压，使板料向凸模方向胀形。集成数字图像相关（DIC）系统，通过追踪试样表面散斑，实时全场测量应变分布，自动绘制FLC。

• 应用：是获取精确材料成形极限图（FLD）的标准设备，用于新材料研发（如镁合金、复合材料）和冲压工艺仿真参数校准。

3.3 管材胀形试验机

• 原理：集成内压伺服控制系统与轴向位移伺服作动器。通过闭环控制，实现内压与轴向进给按预设路径（线性或曲线）同步加载，模拟实际液压成形工况。配备内径激光扫描仪或外径接触式传感器，实时测量胀形区域直径变化。

• 应用：专门用于测定管材的液压成形性能，为汽车、航空航天领域轻量化构件（如空心曲轴、异形梁）的工艺开发提供关键数据（如最大膨胀率、壁厚分布）。

3.4 通用材料试验机附加胀形模具

• 原理：在万能材料试验机上安装专用的杯突或胀形模具工装，利用试验机本身的位移与力控功能进行试验。

• 应用：多见于研发实验室，用于小批量、多品种材料的初步成形性能筛选和对比研究，灵活性高但专业化与自动化程度低于专用设备。

（注：文中具体数据为常见材料的典型范围，实际标准需依据GB/T 4156-2020《金属材料 薄板和薄带 埃里克森杯突试验》、ISO 16808:2014《金属材料 薄板和薄带 成形极限曲线的测定》等现行标准执行。）