（材料加工工程专业论文）超塑自由胀形曲面分析及超塑胀形实验研究.pdf

j ? i 渊螋 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i 够o f1 e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r s u p e r p l a s t i cf r e eb u l g i n gs u r f a c ea n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fs u p e r p l a s t i c b u l g i n g c a n d i d a t e ：x uw e n ju n a d v i s o r ：s o n gy u q u a n c o l l e g eo f m e c h a n i c a ie n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 锣o f1 e c h n o l o g y a p r i l 2 0 1 0 s u ! n u3 m 3 m a i i i 狮s b 3 m3 鼬i i i ! 3 3 1 a 3 pi 它w 3 m h a d x 3 暑u 1 8 i n q 。! 鸵l 山3 d n s ：s p i o 岛x 。3 j n 3 暑u ! 弭um ! ms ! s 天i 硼3 3 珂m s g u ! s i n qa mp a 3 n p o 皿u ! p u 它暑u ! u u3 a m 3m o w 0 3 暑u ! 暑i n q3 h s 芑i ( 工1 3 d n s3 印a s 天i b u 它左i ! m 3 q s 。暑u ! s s 3 3 0 j d3 孰u i ! p 珊u o ! 瑚q i i 3 & i ! m o w 0 3 s w s i n q3 1 1 s 它i 山3 d n sa 印3 s 天i 黜陀左i ! m 3 q 珥a i i i a m s b 3 m3 m ! j os 3 i d l 3 u u d3 1 s 它qa mp u bu 0 1 1 1 s o d m 0 3 孤b 他p 州暑u 呻! s a ps 。a 3 1 pw 3 m 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液压机控制系统设计一15 2 3 氩气净化系统2 6 2 4 加热系统设计2 6 2 4 1 高温气体加热装置2 7 2 4 2 上下加热板和施压腔背压腔加热装置2 8 2 5 温度测控系统2 8 2 5 1 温控仪工作原理2 9 2 5 2 温控系统硬件设计2 9 2 5 3 温控系统通信协议设计3 0 2 5 4 温度p i d 控制的原理和特点。3 1 2 6 加载系统的设计3 1 2 6 1 上下迸气系统3 2 2 6 - 2 气体压力调节系统设计3 2 2 7 压力测控系统：3 4 2 7 1 单片机压力控制系统硬件设计3 4 2 7 2 单片机压力控制系统软件设计3 7 2 7 3 单片机压力实时控制的实现3 9 2 8 人机界面设计4 l 2 9 通讯系统设计4 2 2 1 0 d 、结4 5 第3 章 超塑非球面自由胀形图像测量。4 6 目录 3 1 图像测量概述4 6 3 1 1 图像测量技术4 6 3 1 2 图像测量的目的、方法及应用领域4 6 3 1 3 图像测量的主要内容4 7 3 2 图像测量基本原理4 8 3 3 图像测量硬件系统4 9 3 3 1 摄像机选型5 0 3 3 2 镜头选择5l 3 3 3 光源选择51 3 4 图像标定与测量分析5 l 3 4 1 摄像机标定。5l 3 4 2 成像测量分析5 2 3 5 图像处理的基本过程5 4 3 5 1 边缘检测5 4 3 5 2 边缘精确定位( 弧像素技术) 一5 9 3 6 胀形件极点高度测量6 0 3 7 胀形件边缘轮廓测量6 l 3 8 影响图像检测精度的主要因素6 5 3 8 1 成像系统分辨率6 5 3 8 2 成像系统的几何畸变6 5 3 8 3 成像系统的噪声。6 5 3 8 4 视频图像采集的像素抖动6 5 3 8 5 图像处理算法的影响6 5 3 8 6 标定误差的影响一6 6 3 8 7 拼接误差的影响6 6 3 8 8 特征量测量的误差6 6 3 9 本章小结6 6 第4 章超塑自由胀形曲面分析。6 7 4 1 非球面超塑自由胀形的基本概念6 7 4 2 曲线拟合6 8 4 2 1 o r i g i np 8 o 软件6 8 4 2 2 曲线拟合( 回归) 概述6 9 4 2 3 曲线拟合方法介绍7 0 4 3 非球面边缘轮廓曲线拟合7 2 4 3 1 绘制边缘轮廓曲线7 2 4 - 3 2 边缘轮廓曲线方程的回归( 拟合) 7 3 4 4 非球面边缘轮廓曲线相关参数的计算7 6 4 4 1 几何参数p 一、户。及 7 的计算7 6 4 4 2 变形参数毛、占，、占口的计算7 7 4 5 本章小结：7 8 第5 章总结与展望7 9 5 1 总l ；7 9 5 2 展望7 9 参考文献8 0 ( 企一 l ， 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 金属的超塑性是指材料在一定的内部条件( 如晶粒形状、尺寸和相变等) 和外部条件( 如 温度、应变速率等) 下，呈现出异常低的流变抗力及异常高的流变性能( 例如百分之几百以 上的伸长率) 的现象。材料展现超塑性的判据为：延伸率 1 0 0 ，应变速率敏感性指数 m o 3 。 超塑性现象最早的报告是在1 9 2 0 年，w r o s e w h a i l l 等发现z n 4 c u - 7 a l 合金在低速弯 曲时，可以弯曲近1 8 0 度。1 9 3 4 年，英国人c e p e a r s o n 【l 】发现p b s n 共晶合金在室温低 速拉伸时可以得到2 0 0 0 的延伸率，但是由于第二次世界大战，这方面的研究没有进行 下去。1 9 4 5 年前苏联的a a b o c h v a r 【2 1 等发现z n 砧共析合金具有异常高的延伸率并提 出“超塑性，这一名词。1 9 6 4 年，美国的w a - b a c k o f e n f 3 1 对z n a l 合金进行了系统的研究， 并提出了应变速率敏感性指数小值这个新概念。8 0 年代，超塑性研究遍及材料加工、力学、 机械等许多学科。 金属的超塑性可以分为两类： ( 1 ) 结构超塑性( 晶粒超塑性或静态超塑性) 坯料需经超细晶处理，并在一定的变形温 度和较低变形速度下，即可得到超塑性。 ( 2 ) 相变超塑性( 动态超塑性) 不要求材料有超细的晶粒尺寸，主要条件是在材料在一 定的温度和载荷下反复循环相变或同素异形转变获得超塑性。 目前研究较多并己达到应用阶段的是结构超塑性4 1 ，超塑性成形以良好的加工质量和 加工能力受到人们的广泛关注，它的优点有： ( 1 ) 金属塑性显著提高 对难变形的金属，如高温合金和钛合金，经超塑性处理后，也可以进行超塑性成形， 对形状复杂的零件可以一次成形。 ( 2 ) 变形抗力明显降低 超塑性变形进入稳定阶段后，几乎不存在应变硬化，材料的流动应力很小，一般超塑 性模锻的总压力只相当于普通模锻的几分之一到几十分之一。 ( 3 ) 金属流动应力对应变速率的变化非常敏感 超塑性材料拉伸时，随着应变速率的增加，流动应力急剧上升。 1 第1 章绪论 ( 4 ) 晶粒细小均匀，性能好，尺寸稳定 超塑成形工艺设备简单、吨位小、成本低、节能，可生产形状极为复杂的构件，尤其 适用于形状复杂的小批构件，成形的零件不存在硬化引起的弹性残余应力，尺寸稳定，抗 腐蚀能力强，是制造质量轻、形状复杂壳体零件的一种重要的成形工艺。超塑胀形在超塑 性力学的理论研究和应用中都具有重要地位，而超塑胀形实验对研究超塑成形理论及成形 工艺具有重要的指导作用，因此研究超塑胀形实验装置及超塑胀形图像测量技术具有重要 的理论意义和实践意义。 1 2 超塑胀形实验研究的意义 超塑胀形是一种以气体为工作介质，低能量、低压力的成形工艺，同时，由于超塑性 材料的流动应力低，只需要很低的气压就能成形，因此超塑胀形对模具材料的性能要求大 大降低且能一次性成形复杂零件，是一种先进制造技术。此外用实时图像测量的方法能够 拍摄并保存胀形件在胀形过程中的外形图，对外形图进行图像处理、计算可以提取得到胀 形件边缘轮廓及边缘轮廓坐标，利用边缘轮廓坐标可以拟合得到胀形件边缘轮廓的数学解 析式，从而计算胀形件的扁度、胀形件材料的受力状况等。超塑性气压胀形类似于塑料的 吹塑成形和真空吸塑成形，是超塑性在板材成形加工中的典型应用，前景广阔，研制先进 的实验装置和测控系统对于进一步的理论研究和生产应用都具有重要意义。综上所述，本 实验研究具有重要意义。 1 3 超塑胀形的国内外研究现状 1 3 1国外超塑胀形装置研究状况 1 9 6 8 年国外学者f j o v 孤e 在关于超塑胀形的文章中【5 】给出了实验装置的实验示意图， 如图1 1 所示，该装置的气体压力由压力表控制，采用倒置的位移传感器将h 信号送入放 大器进行信号放大，进而输入到x y 记录仪显示输出。该装置虽能测量h - t 关系，但由于 高度( h ) 实时测量传感器的附加压力对胀形高度的影响不可忽略，因此该超塑胀形测量装 置的测量精度不高，但为后来的超塑胀形装置的设计、研究提供了思路。 。随后1 9 7 6 年s t a n g l 引，在超塑胀形的文章中设计了相应的的超塑胀形装置。1 9 8 3 年 英国伯明翰大学的研究人员研制成功了一种专门用于铝合金的超塑胀形装置【7 1 ，其气压控 制通过一系列的比例控制阀等调节气体的流量来实现。1 9 9 2 年日本的k s o e d a 等人发表的 论文f 8 】中研制了用于超塑材料成形的计算机控制拉深成形设备，它能够在成形过程中灵 2 厶 一 - 浙江工业大学硕士学位论文 压 图1 1f j o v 加e 胀形装置 活控制压边力及凸模速度。同时它可将变压边力与局部加热、局部冷却法相结合，得 到壁厚较均匀的拉深杯形件。1 9 9 5 年俄罗斯的f u e n i k e e v 、a a k r i l g l o v 发表论文【9 】关于 超塑成形的研究中，在文献【5 】f j o v a n c e 的基础上开发出了超塑胀形装置，该装置由加热炉， 自动供气系统，成形装置和模具组成。把接触的位移传感器改为电信号探测，测量结果误 差很大，不能满足更加深入的超塑胀形研究。 1 3 2 国内超塑胀形装置研究状况 1 9 8 4 年，宋玉泉教授指导硕士研究生赵军采用非接触测量法进行超塑胀形h ( t ) 关系的 测量【l o 】，1 9 8 5 年发表论文1 1 1 】，首次提出了采用非接触光电测量的方法来测量超塑胀形实验 过程中试件高度的变化，如图1 2 。该装置克服了以往用接触测量法测量在接触区造成的 附加应力和温度不均匀的恶劣影响。 警 测量系统采用光电测量系统，测量h t 关系的原理是：传感器把光信号传换成光电 池的电信号，平行光源产生的平行光两次经过炉壁上的玻璃窗和压边模上的狭长窗口，再 3 第1 章绪论 由透镜将透射光聚焦于光电池上，光电池将光信号传换成电信号传给放大器，由x y 记 录仪实时记录。随着胀形高度的不断变化，透过窗口的光量也连续变化，这样胀形高度的 实时变化就被记录仪记录了下来。该装置首次采用光电测试系统实现了胀形高度随时间变 化过程的不接触测量，并具有装卸方便和节能等特点。 1 9 8 9 年，我的导师宋玉泉教授在文献 1 1 】开发的超塑胀形光电测量实验装置的基础上 增设了自动加压控制仪【1 2 】。该装置采用非接触光电测量克服了以往用接触测量法测量在接 触区造成的附加应力和温度不均匀的恶劣影响，同时由于采用了压力自动控制装置，因此 能够实现恒压胀形、恒速胀形形和恒应变速率胀形的加压过程，并可记录胀形过程中试件 极点高度随时间的变化曲线，能实现按预定规律加压。 1 9 9 3 年我的导师等在发表的论文【l3 j 中，在超塑胀形光电测量装置的基础上，改进增设 了施加反向压力( 背压) 的压力系统，如图1 3 所示。由于背压的存在，把超塑胀形由双拉 应力状态变为双拉一压应力状态，因此改善了应力状态，实验结果表明增加背压可以显著 提高胀形速度。 图1 3 能进行背压的胀形试验装置 1 光源2 石英玻璃窗口3 压边筒窗口4 试件5 透镜6 光电池7 放大器 8 记录仪9 电偶1 0 瑜出电源l1 温控仪1 2 ，1 8 排气阀1 3 ，1 9 压力传感器 1 4 ，2 0 进气阀1 5 ，2 1 压力自动控制仪1 6 ，2 2 氩气瓶 1 9 9 8 年高柏恩在宋玉泉教授的指导下完成博士论文【1 4 】，该论文根据超塑胀形实验的要 求，在文献 1 1 】的基础上，对超塑胀形实验装置进行了改进设计，如图1 - 4 所示：( 1 ) 设计 了以1 6 位单片机m c s 8 0 9 8 为核心的控制系统，实现对胀形高度信号及压力信号的实时处 理与控制，并在设定的超塑胀形典型加载方式下( 恒压、恒速度、恒应变速率) 对胀形进 4 浙江工业大学硕士学位论文 行控制：( 2 ) 对实验装置的加热装置进行了重新设计，加热装置的加热效率及保温效果较 以前有了较大的改进；( 3 ) 对原有的光电转换系统进行了改造，有效的提高了光电转换测 量系统的转换精度。 图1 4 改进的胀形试验装置 1 气源2 单片机控制系统3 压力调节装置4 压力传感器 5 平行光源6 压边桶7 加热电炉8 试件9 聚光透镜1 0 光电池 l1 放大器12 控温装置1 3 函数记录仪1 4 压力调节装置 2 0 0 6 年，宋玉泉、马品奎等设计了高温超塑胀形实验装置，并针对实验装置进行了 程序设计。该实验装置具有氩气净化、炉外加热、温度和压力闭环控制，能同时施加正压、 背压，并按设定的恒压、恒极点胀形速度和应变速率进行实验，同时可以无接触地记录胀 形件极点高度与时间的关系，并观察其形貌变化过程。 1 3 3国内其他研究人员对装置的研究状况 国内的一些研究人员也对超塑胀形装置进行研究，他们中的大多数是在参考我的导师 在1 9 8 4 年的开发胀形实验装置基础上进行的。1 9 8 9 年陶树学等人【1 6 】用t p 8 0 1 b 单板机及 其他硬件组成的控制系统，实现了板材自由胀形，贴模胀形和充填三个阶段的全自动控制 和平滑过渡，他的控制是在预定的条件下进行的，主要是根据自己设定的p t 曲线进行压 力的自动控制。 1 9 9 2 年林有义等人发表的论文【j 7 】在f j o v a i l c e 【5 】和宋玉泉 1 l 】的基础上开发出了超塑 胀形装置，该装置利用c c d 光电检测系统测量超塑胀形h ( t ) 的关系。他对光学系统进 行改进，利用c c d 把光信号转换成电信号，关键在于c c d 光电转换精确度高，从而实现 对超塑胀形h ( t ) 关系的精确测量，但该装置没有涉及胀形压力控制。 1 9 9 2 年常守威等发表论文【1 8 】开发了可施加背压的超塑胀形实验装置，单片机将采集的 第1 章绪论 数据与预定的公式计算理论值相比较，从而控制步进电机调节压力，实现了背压的加载， 但是对胀形时的h ( t ) 关系测量欠缺。 1 9 9 4 年南京航空航天大学的陈明和【19 】对超塑性拉深胀形工艺进行研究，开发了拉深胀 形实验装置，实验装置由气源、型腔、加压装置、控制用计算机系统和加热用电炉几个部 分组成。计算机通过控制接口实现对预定工艺规程的控制，控制步进电机的转动状态。步 进电机带动减压阀完成胀形压力和胀形速率控制。周边压紧力由加压油缸来控制。其中还 采用了高温涂料防工件氧化。 2 0 0 0 年高霖，童国权等【2 0 】开发的开关量非接触测量的恒应变速率胀形实验系统，他们 把胀形的位移量通过光电转换成开关量，由开关量和步进电机的脉冲量测得胀形位移。 2 0 0 3 年西北工业大学王永军等人1 2 l 】对最佳加压规律解析表达式进行处理，使其适合微 型计算机控制，开发出了超塑胀形控制系统，在此系统中，计算机根据超塑胀形的最佳加 压规律数学模型，对有关的输入参数进行计算，得到一组控制数据，通过执行机构控制超 塑胀形过程的压力大小，以达到按最佳加压规律控制成形过程的目的。胀形压力通过压力 传感器等输入计算机和计算机预先设定值比较，以其偏差来控制执行机构的动作，并且还 采用模块化设计及面向对象的可视化编程在v c + + 开发平台上开发出了用户界面。 2 0 0 6 年南京航空航天大学唐黎明、童国权1 2 2 】设计了超塑性气压胀形测控系统，该方案 研制了一种超塑性气压胀形测控系统，该系统以计算机为上位机，完成数据处理和过程监 控，p l c 为下位机，完成气压胀形的数据采集和过程控制，两者之间通过r s 2 3 2 串行通信 实现数据交互，共同组成一个比较完善的测控系统。该系统充分发挥了计算机和p l c 的优 点，可以适应不同材料不同工艺参数的超塑性气压胀形过程。 1 4 选题的目的和意义 目的：依据专利【2 3 1 ，对原来的超塑胀形实验装置进行改进设计，使得超塑胀形测量实 验装置更加完善，为超塑胀形理论的研究和超塑胀形工艺的开发提供实验基础。改进后的 装置应具有如下功能：按照设定的加载路径进行加载，同时可进行材料参数测试实验；单 片机完成压力的实时控制，温控仪完成温度的控制。能应用图像实时测量方法得到胀形件 在胀形过程中的外形图，对超塑自由胀形曲面进行数学分析，推导出曲面上任意一点的两 个主曲率半径成、肪，从而判断胀形件的几何形状，材料的受力状况等重要参数。 意义：超塑胀形是一种以气体为工作介质，低能量、低压力的成形工艺，只需要很低 的气压就能成形，对模具材料的性能要求较低，可以一次成形复杂零件，是一种先进成形 6 浙江工业大学硕士学位论文 工艺。此外，用图像测量处理方法能提取胀形件在任意时刻的边缘轮廓，对边缘轮廓进行 曲线拟合、曲面分析等计算可以得出胀形件在任意时刻的相关几何参数，利用所得参数可 以计算胀形件的扁度、胀形件材料的受力状况等重要参数。综上所述，本实验研究具有重 要意义。 1 5 主要研究内容 1 实验装置具有多种加载方式：包括总体布局、液压机选型及改造、氩气净化系统、 氩气加热系统、温度控制系统、加载系统等，包括恒压胀形、恒速胀形、恒应变速率胀形 等。 2 实验装置能进行肌值的测量：根据不同的加压路径，结合所测得的当前压力等其 他参数计算材料参数m 值等。 3 控制系统设计：单片机作为下位机主要实现压力的检测和控制；p l c 作为下位机 主要实现液压机的自动控制；温控仪则控制胀形所需温度；p c 机作为上位机，进行相关实 验参数的设定( 如压力、温度等) ，控制下位机的运行，完成数据的采集、处理、存储与 显示等任务。 4 图像测量系统设计：数码摄像机记录整个胀形过程胀形件的外形变化，通过对所 采集的图像的处理，获得胀形件在胀形过程中的边缘轮廓。图像测量包括图像测量装置总 体设计、图像测量系统硬件组成、图像测量与处理基本原理、图像测量基本过程、图像测 量的标定、胀形件极点高度测量、胀形件边缘轮廓测量、图像测量误差分析等内容。 5 胀形件曲面的数学解析：包括非球面超塑自由胀形基本概念的介绍，胀形件边缘轮 廓曲线的拟合，胀形件相关参数p 。、p p 、占，、占，、岛等的计算。 7 第2 章超塑胀形实验装置及控制系统 第2 章超塑胀形实验装置及控制系统 作为超塑性力学理论及胀形变薄规律的验证手段，国内外许多研究人员都将超塑性胀 形实验装置作为重要的课题进行研究。超塑性胀形实验装置的研究主要集中在以下几个方 面：1 胀形加载方式的控制，2 胀形极点高度的实时测量，3 胀形件几何形状的实时测量。 超塑性胀形是超塑性成形的重要工艺之一，在进行超塑性力学的理论研究和应用中都 占有重要的地位。由于超塑性胀形是二维应力状态，无摩擦影响，压边的边界条件严格并 可控制外加压力，因此，在理论上，它是一维变形向三维复杂变形的必然过渡，在应用上， 超塑胀形成形( s p f ) 、胀形与扩散连接( s p f 他b ) 的联合成形工艺能把许多零件进行组合成 形，已经显示出极大的优越性。为此早在1 9 8 5 年我的导师宋玉泉院士在文献【1 1 对1 9 6 8 年国外学者f j o v 孤e 关于超塑胀形的文章中接触式测量法文献【5 】进行了重大改进，设计了 光电非接触式测量法，这个改进无疑是一次巨大的进步，为后来的进一步研究奠定了实验 基础。1 9 9 8 年我的导师宋玉泉院士指导博士生高柏恩对以前的装置又进行了一系列的改 进，采用单片机作为控制系统，进一步提高了控制精度。 超塑性在理论研究和应用领域中占有极其重要的地位，随着对超塑胀形力学研究的不 断深入，对测量装置的测量精度及其控制精度的要求越来越高，本文在专利【2 3 的基础上 对原来的超塑胀形实验装置进行改进设计，使得超塑胀形测量实验装置更加完善，为超塑 胀形理论的研究和超塑胀形工艺的开发提供实验基础。改进后的装置应具有如下功能：液 压机在p l c 的控制下自动压边，并具有自动保压功能；氩气气压压力由单片机实时控制， 并可按照设定的加载路径进行加载，同时可进行材料参数测试实验；温度由温控仪直接控 制；采用图像实时测量方法实时拍摄胀形实验过程中试件外形变化情况，并传送到p c 机 保存以备图像处理用。 研究超塑胀形实验装置及控制系统，目的是提供一种可控气体温度、气体压力的保护 性胀形气体，同时能实时记录胀形件图像变化的光电测量记录实验装置。其由液压机自动 控制系统、上进气系统、下进气系统、压力控制装置、温度控制装置、光电记录系统和单 片机压力控制系统组成，其中氩气净化装置与温度、压力调节系统相连通，电磁阀和压力 传感器都置于冷却室中。其有益效果是：净化了施压的氩气、解决了电磁阀和压力传感器 不能在高温情况下工作的难题，增加了隔热能力，减少了热能的损耗，改进了实验人员的 工作环境，既能按预先设定的加压路径，精确地控制随时间变化的压力大小，又能记录胀 8 浙江工业大学硕士学位论文 形过程中试件随时间变化的图像。 超塑性胀形实验需要测量的参数： ( 1 ) 胀形高度随时间变化的关系h ( t ) 。这是一个最基本和最重要的关系，反映了胀形 件极点高度的动态变化过程。 ( 2 ) 胀形轮廓。胀形件轮廓的提取、拟合，胀形件相关参数的计算等都基于胀形轮 廓。 ( 3 ) 胀形件破裂失稳时的极限胀形时间t r 。 ( 4 ) 胀形极限高度h m 戤。 ( 5 ) 胀形件瞬时厚度分布规律。 上述参数中，( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 可作静态测量，比较容易实现。问题的关键是如何测量反 映动态变形过程的h ( t ) 关系，以及实时测量并得到胀形件的外形轮廓。因此本章的内容主 要就是设计解决这个动态变形过程h ( t ) 关系以及实时测量胀形件的外形轮廓的超塑胀形实 验装置及控制系统。 2 1 装置总体设计和装置控制系统 2 1 1 装置总体设计 利用金属薄板超塑胀形工艺一次成形状复杂的薄壳零件，在国内外都受到了很大的重 视，并已进入实用阶段。因此，为了选择合适的工艺参数，确定材料的成形极限，超塑胀 形实验的重要性不容忽视。超塑胀形在应用领域和理论研究中的地位，明确了超塑胀形实 验的意义。 现阶段人们对超塑性的研究主要集中在结构超塑性方面，典型结构超塑性材料实现超 塑性的环境条件包括高温( 大于0 5 t 熔) 、低速( 超塑性试件的初始应变速率为= 1 0 一1 0 屯s 叫) 加力。具体到对实验装置的要求是具有精确的加温保温功能和较好的低速加力性能。 根据超塑胀形光电记录实验装置研究目标的要求，本文设计的实验装置要实现的基本功 能：液压机能为胀形工件提供足够大压边力，液压机行程能满足一定的要求，以便试件的 装卸( 结合2 0 0 t 四柱液压机自行设计开发完成) ：实现少无氧化高温炉外加热工件；提供 胀形所需的压力，包括背压；胀形形貌记录，准确测量胀形极点h ( t ) 关系的图像测量系统。 其中，氩气被净化加热作为动力源和提供胀形温度，加热保温炉和控温装置为试件提供胀 形试件所需要的恒温环境。在设定的温度压力环境下，光电记录系统拍摄胀形件的图像并 传给p c 机，p c 机通过图像处理和计算获得胀形高度、胀形件件边缘轮廓，用o r i g i n 软件 q 第2 章超塑胀形实验装置及控制系统 对轮廓拟合得到轮廓数学表达式，最后根据相关公式计算胀形件重要参数，如主曲率半径 岛、风、扁度、经向应变( 占，) 、周向应变( 岛) 、厚向应变( ) 等。胀形过程中p c 机与 单片机为核心的下位机通信生成控制信号，单片微机控制系统对加载管路中的压力信号进 行实时处理，并通过加载系统中的压力调节装置对加载压力进行控制，胀形温度则由温控 仪控制。实验人员可通过人机接口界面对加载方式进行设定，( 温度、压力等参数可以在 人机接口界面设定) 。 根据上述要求，设计超塑胀形实验装置总图如图2 1 ，由以下部分组成： ( 1 ) 上模固定板4 、上加热板7 、石英玻璃( 9 、1 0 ) 、玻璃1 1 、下压边筒支撑块1 8 、 下压边模支撑块1 9 组成封闭的背压腔，并通过上模固定板4 、上真空绝热挚板5 和上水冷 板6 隔热后固定到液压机的活动横梁3 上。为了提高隔热效果，石英玻璃9 与1 0 之间抽 成真空，热电偶1 3 检测背压腔的温度。 ( 2 ) 下加热板2 3 经下真空绝热垫板2 4 隔热保温后固定到液压机工作台2 5 上，组成 施压腔，热电偶2 0 检测施压腔温度。 ( 3 ) 上进气系统1 和下进气系统2 6 分别产生胀形时所需的背压和正压压力。 图2 1高温超塑胀形实验装置总图 1 上进气系统2 平行光源3 液压机活动横梁4 上模| 司定板5 上真空隔热垫板 6 上水冷板7 上加热板8 硅碳棒9 、1 0 石英玻璃l1 玻璃1 2 数码摄像机1 3 热电耦 1 4 液压机水冷板进出水管1 5 、1 7 温控仪1 6 p c 机1 8 下压边筒支撑块 1 9 下压边模支撑块2 0 热电偶2 1 试件2 2 硅碳棒2 3 下加热板2 4 下真空隔热垫板 2 5 液压机工作台2 6 下进气系统 ( 4 ) 氩气净化系统a 1 和a 2 。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 加热系统b 1 和b 2 。 ( 6 ) 温度压力的检测和调节系统c 1 和c 2 。 ( 7 ) 平行光源2 和数码摄像机1 2 组成非接触式光电测量系统。 ( 8 ) 控制系统以微控制器为核心，检测控制实验过程中的模拟量，并与上位p c 机1 6 实现数据通信。 ( 9 ) 水管1 4 通冷却水对液压机活动横梁进行冷却以防止液压机受热漏油降低压力。 2 1 2 装置控制系统 图2 2 控制系统关系图 由于胀形实验要完成包括恒压胀形、恒速胀形、恒应变速率胀形等过程，实验条件苛 刻，手动加载方式几乎不可能完成实验。本实验装置采用p c 机为上位机，单片机、p l c 为下位机进行控制。控制系统对加热温度的控制可直接通过温控仪实现，温控仪与上位机 p c 机之间可通过串口通信实现对温控仪温度设定。以单片机微控制器为核心的下位机负责 对压力信号的采集和控制工作，并通过控制步进电机来控制流量阀，实现对压力的闭环调 控。p c 机还控制液压机的自动运行，p l c 在上位机p c 机的控制下自动对胀形件压边装置 第2 章超塑胀形实验装置及控制系统 加压、卸压，自动化程度高。在胀形实验过程中，p c 机除了发送指令和数据至单片机并控 制其运行或停止外，其另外一个主要功能是通过数码摄像机记录整个过程试件图像与时间 的瞬时关系，胀形结束后对所采集图像进行图像处理、曲线拟合等，获取胀形过程中的相 关几何参数，同时，在相关文献基础上进行胀形变形力学规律的定量解析研究，并结合本 文式4 1 - 4 2 3 进行胀形相关重要参数的计算。控制系统关系如图2 2 所示： 2 2 液压机的选型及改造 y 3 2 2 0 0 四柱式万能液压机电气控制系统采用的是继电器接触器逻辑控制，由于继电 器触点磨损大，寿命短，因此系统存在工作可靠性差