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变压边力冲压机压边力测试系统研究 摘要 板料成形技术是当前汽车模具工业研究的热门话题之一，特别是 随着中国加入w t o 以后，汽车行业获得了前所未有的发展良机，与 其相关的各业界竞争也日益激烈。汽车的轻量化问题也已成为人们关 注的焦点。从高强度汽车用钢板的选用，到车身零件使用拼焊板，再 到板料成形新技术、新设备的开发，都是汽车轻量化的重要研究课题。 本文针对上海交通大学车身制造技术中心研制开发的多点变压 边力单动拉深液压试验机的压边力测试系统开发进行了研究，该变压 边力压机主要由下面的1 0 个压边缸对冲压过程中压边力在时间上和 空间上的大小分布进行调节，最终实现根据需要控制压边力，达到理 想的压边效果，改善材料冲压成形性。 研究中首先对应变片测量技术和压电式石英力传感器的测试技 、 术进行全面回顾和分析，设计并实现了变压边力压机的压边力测试系 统，其中包括测试平台的构建、测试元器件和测试仪器的选型以及特 殊测试辅助装置的设计加工，成功开发出测试系统的数据采集、记录 和处理的微机辅助系统，并编制了相应的应用程序。在对冲压过程编 压边力的测试研究中，合理设计了实验测试方案，并通过采集大量的 实验数据对压边圈受力的传递规律进行了分析，初步研究了各压边缸 对压边圈的压边力影响区域及其大小。 本文所开展的研究及其实验结果首次确定了冲压过程中作用在 压边圈与板料之间的应力大致作用范围、压边圈表面作用力传递规律 以及压边圈上重要部位的受力大小。所开发的压边力测试技术为进一 步开展变压边力压机的理论研究、有效地利用变压边力技术提高板料 的冲压成形性能提供了可靠的实验方法。卜一， 关键词压边圈，传感器，数据采集 _ 一一_ _ 一一 _ ，十一“ r e s e a r c ho nb l a n kh o l d e rf o r c em e a s u r e m e n t s y s t e mo fv a r i a b l eb l a n k h o l d e rs t ：a m p i n gp r e s s m e t a lf o r m i n gt e c h n o l o g yi st h eh o t s p o tr e s e a r c hf i e l di nt h ec u r r e n ta u t o m o b i l e a n dd i e & m o u l di n d u s t r y e s p e c i a l l y , w i t hc h i n a se n t r yi n t ot h ew t o ，a u t o m o b i l e i n d u s t r yh a sg a i n e du n h e a r do fg o o dc h a n c e t od e v e l o pa n dt h ec o m p e t i t i o na m o n g t h e s ei n d u s t r i e sr e l e v a n tt oa u t o m o b i l eb e c o m e sm o r ea n dm o r ed r a s t i c t h el i g h t w e i g h t i n go f a u t o m o b i l e i sa l s ot h ef o c u sd r a w i n go u ra t t e n t i o ni n0 1 1 1 d a i l yl i f e f r o m t h es e l e c t i o no f h i g hs t r e n g t hs t e e lu s e df o ra u t o m o b i l e ，t ot h eu s eo f t a i l o r e db l a n k s , t h e nt ot h ed e v e l o p m e n to fn e wt e c h n o l o g yo fm e t a lf o r m i n g , a l lo ft h e ma r et h e p r i n c i p a lr e s e a r c hq u e s t i o n so f s t u d y i n g o nt h et i # tw d g l 砸皑o f a u t o m o b i l e t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rf o c u s e so nt h eh y d r a u l i cd e e p - d r a w i n gp r e s so f m u l t i p o i n t v a r i a b l eb l a n k - h o l d e rf o r c ew i t hs i n g l ea c t i o nw h i o hi sd e v e l o p e db y a u t o b o d ym a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yc e n t e ro fs h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y i n t h i sr e s e a r c hi t sb l a n kh o l d e rf o r c e rm e a s u r e m e n ts y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d t h e r e a r e10h y d r a u l i cc y l i n d e r sb e l o wt h ew o r k b e n c hi nt h i sm a c h i n e t h em a g n i t u d ea n d d i s t r i b u t i o no fb l a n k - h e i d e rf o r c eo n p r e s sc o u l db er e g u l a t e db yt h e s e1 0h y d r a u l i c c y l i n d e r sb o t hi nt i m ea n di ns p a c ed o m a i n i nt h i sw a y , b l a n kh o l d e rf o r c ec a nb e s d j u s t e dt oe n h a n c et h ee f f e c to fh o l d i n gb l a n ki nad e e pd r a w i n gp r o c e s sa n dt h e f o r m a b i l i t yo f m e t a lm a t e r i a li nd e e pd r a w i n g c a l lb e i m p r o v e d i nt h i sr e s e 捆x c h , f i r s t l y , t h em e a s u r e m e n to fs t r e s sa n dg r a i nw i t ht r a d i t i o n a l s t r a i n g a u g et e c h n o l o g y a n d t e s t i n gt e c h n o l o g y o f p i e z o e l e c t r i cq u a r t z f o r c e t r a n s d u c e rh a sb e e ns u m m a r i z e da n da n a l y z e dc o m p l e t e l yt h eb l a n kh o l d e rf o r c e m e a s u r e m e n t s y s t e mo f t h ep r e s sh a sb e e nd e s i g n e da n dp u ti n t oo p e r a t i o n i tc o n s i s t s o ft h ec o n s t r u c to ft e s t i n gp l a t f o r m ，t h es e l e c t i o no ft e s t i n gc o m p o n e n ta n dt e s t i n g i n s t r u m e n t ，t h ed e s i g na n dm a c h i n i n g o f t h ea i d e de q u i p m e n tf o re x p e r i m e n tt e s t t h e m e a s u r e m e ms y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dt oa c q u i r e ，r e c o r da n dp r o c e s s d a t aa n dac o r r e s p o n d i n gs o f t w a r eo ft h em e a s u r i n gs y s t e mh a sb e e np r o g r a m m e d i nt h ep r o c e s so ft h i sr e s e a r c ho nt h em e a s u r e m e n to fv a r i a b l eb l a n kh o l d e rf o r c e ， e x p e r i m e n t a lt e s t i n gp r o j e e th a sb e e nd e s i g n e dr e a s o n a b l y t h el a wo ft r a n s f e ro f f o r c ea p p l i e dt ob l a n k - h o i d e rh a sb e e n a n a l y z e db ya c q u i r i n gal o to f t e s t i n gd a t aa n d t h ei n f l u e n c e o f p r e s s u r eo f 1 0h y d r a u l i cc y l i n d e r so nb l a n kh o l d e rf o r c eh a sa l s ob e e n a n a l y z e d i nv i e wo f t h ea c t i o nz o n ea n di t sm a g n i t u d e t h i sr e s e a r c ha n dt h er e s u l to fi t se x p e r i m e n tc o n f i r mt h ea p p r o x i m a t er a n g eo f t h es t r e s sb e t w e e nb l a n kh o l d e ra n dm e t a lm a t e r i a l t h e1 a wo ft r a n s f e ro ff o r c e a p p l i e dt ob l a n k h o l d e ra n dt h em a g n i t u d eo f f o r c ea p p l i e dt ot h ei m p o r t a n tp o s i t i o n o ft h eb l a n kh o l d e ri nt h ef k s tt i m e t h et e s t i n gt e c h n o l o g yo fb l a n kh o l d e rf o r c e d e v e l o p e di nt h i sp a p e rh a sp r o v i d e dt h er e l i a b l ee x p e r i m e n tm e t h o df o rt h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o no f v a r i a b l eb l a n kh o l d e rf o r c eo ft h ep r e s s a n dt h e nt h ef o r m a b i l i t yo f m e t a lm a t e r i a lc a nb e i m p r o v e d w i t hv a r i a b l eb l a n kh o l d e rf o r c e t e c h n o l o g y k e yw o r d sb l a n k h o m e r , t r a n s d u c e r , d a t aa c q u i s i t i o n i v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：毋矽 日期：2 加多年2 月2 2 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ， 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以_ 匕方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：谱寸矽 指删雠：劣卅 日期：2 嘭年2 月2 2 日 日期：洳；年2 月己- f i 上海交通大学硕士学位论文 变压边力冲压机压边力测试系统研究 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 现代冲压工艺和设备的发展在汽车工业中显得越来越重要，二十世纪八十年 代以来，汽车覆盖件的拉深工艺和压力机已经取得了突破性进展。以工作台内的 液压拉深垫代替压边滑块( 外滑块) ，从而单动压力机代替了双动压力机，大大 简化了压力机结构，降低了设备投资，提高了劳动生产率和拉深件质量，这对汽 车覆盖件及其它拉深件的生产具有重大意义。“1 3 由于传统压力机在冲压过程中一般不能随模具行程和压边位置变化压边力， 而车身覆盖件的形状比较复杂，冲压成形过程中同一零件的不同部位有时需要不 同的压边力才能确保冲压件的成形质量，同时随着汽车轻量化的步伐不断加大， 新材料( 如高强度钢板、铝合金板等) 、新工艺( 如拼焊钢板冲压工艺) 等在车 身制造上的使用量逐年增加，由于这些材料的成形性较普通钢板要差，采用传统 的恒压边力( c b l 4 f ) 控制难以获得理想的冲压件质量，因而利用变压边力 ( 瑚甲) 控制技术改善这些材料的成形性能，提高其成形精度的新工艺、新设 备备受注目。多点变压边力单动拉深液压机的开发是现代汽车覆盖件冲压工艺和 设备的重大发展，在这方面，日本的日立、小松公司，美国m i c h i g a n 大学、德 国的s c h u l e r 公司，s t u t t g a r t 大学等先后开发了工作台内带液压垫的液压压力 机。1 ，我国目前在这一方面尚属空白。 l - 1 1 板料成形压力机的研究状况 传统压力机包括双动压力机( 图1 1 ) 和单动压力机( 图1 2 ) ，双动压力机 的压边力是由独立驱动的滑块施加，单动压力机的压边力的施加主要有如下几种 形式： ( 1 ) 弹簧或橡皮压边 这种压边形式，压边力是随冲头行程变化的。随着冲头下降，压边力逐渐增 加，压边力的变化正好与压边工艺要求相反。因为压边初始状态时压边面积最大， 所需压边力也最大，但此时弹性压边装置能给出的力则较小。随着冲头向下，毛 坯逐渐被拉入凹模，压边面积减小，但弹性压边装置此时给出的力却增加了，所 以压边效果不好。弹簧或橡皮压边只适用于形状简单的浅拉深件。 ( 2 ) 气垫和液压垫压边 气垫、液压垫通过托杆作用在压边圈上施加压边力，其大小与压力机的吨位 有关，其最大压边力一般等于压力机压力的2 0 3 0 。例如j 3 6 - 8 0 0 单动压力 机，其气垫压边力为1 6 0 0 k n ，行程为3 0 0 a 。当使用压缩空气的气压、液压的压 力较稳定时，这种压边形式的压边力的大小基本上保持不变。因此，可以拉伸形 状简单、深度较浅的覆盖件。“3 上海交通大学硕士学位论文 变压边力冲压机压边力测试系统研究 图1 1 双动压力机 f i g1 1d o u b l ea c t i o np r e s s 图1 2 单动压力机 f i 9 1 2s i n g l ea c t i o np r e s s ( 3 ) 新型液压压力机 ( a ) 四点调压液压压力机 9 0 年代中期德国压力机制造商舒勒( s c h u l e r ) 公司开发研制了一种如图1 3 所示的液压压边装器，四个液压缸的压力可以根据工作需要自动进行调整，极大 地改进了拉深压边装置的压边功能。该新型液压拉深压边装置与双动压力机外滑 块压边的原理相似。当液压拉深垫向下行程时，液压缸通过4 个压边秆向模具压 边圈的四角施加压边力。达至8 下死点后，拉深垫可以不受控制地随滑块一起回程， 也可以按预定值保持一定时间，再通过作用在拉深垫的滑块上的提升缸，使拉深 垫重新返回上部位置“1 。这种带4 个单独调节缸的新型液压拉深压边装置的主要 优点为： ( 1 ) 可以避免振动。因为在凸模运动开始时才 建立压力，所以当冲压速度最高时，压边圈才产 生一个相当小的力的峰值。 ( 2 ) 在拉深行程期间，经微机控制装景可以 对拉深垫上的力进行任意调节。4 个缸的压力可 以根据拉深过程的实际需要在2 5 1 0 0 之间 进行单独调节，因此在整个拉深过程中可以对模 具4 个角的压边力进行单独控制。 2 图1 3 四点调压液压压力机 f i g l3h y d r a u l i cp l l sw i l hf o u r - p o i n tv a r i a b l e l 叫- e s s u r e 上海交通大学硕士学位论文 变压边力冲压机压边力测试系统研究 ( 3 ) 有利于材料的流动。通过调节工艺参数的可编程逻辑控制器( p l c ) 来 调节压边缸的压力。 以上特点可以在复杂零件冲压成形过程中，针对不同位置的需要，施加不同 的压边力。如矩形零件成形时，在较易流动的部位( 如边部) 要增加压边力，而 在不易流动处( 如矩形的角点) 就要减小压边力。这样就可以满足压边力与拉深 过程的最佳配合，从而在拉深过程中有利于金属材料的合理流动。这种新型的液 压拉深压边装置特别适合于行程次数高、拉深深度大的单动压力机。 ( b ) 带c n c 多点液压拉深垫的液压压力机 由于上述的液压压力机受到工作台面尺寸大小的限制，往往不能拉深尺寸较 大的拉深件( 如汽车车身覆盖件) ，为了解决这个问题，德国s t u t t g a r t 大学s i e g e r t 等人研制了如图14 所示的有多个液压缸支撑的液压拉深垫系统，在该系统中， 各液压缸分别由独立的液压阀进行控制 5 1 ，可以对各压边缸施加不同的压边力。 在此基础上，s i e g e r t 等人又开发了如图1 5 所示的c n c 多点液压拉深垫系统【6 j ， 在每一个压边缸上安装高度自动调节装置和压力传感器，根据各压边缸的应力， 计算机自动调整顶杆的高度，实现随位置或者时间改变的变压边力。由于c n c 多点液压拉深垫系统的液压单动压力机具有生产效率高，易实现对不同位置旅加 不同的压边力，对提高冲压件的成形性能和成形质量十分有利，这种压力机将会 取代双动压力机。 图1 4 液压拉深垫系统 f i 9 1 4h y d r a u l i cd e e p - d r a wm a t 剐s 胁 图1 5c n c 液压拉深垫系统 f i 9 1 5c n ch y d r a u f i cd e c p - d f a wm a ts y s t e m 1 1 2 多点变压边力压力机的研制 为了提高国内现有冲压技术水平，上海交通大学车身制造技术中心开发了一 台多点变压边力单动拉深液压试验机( 可简称为：变压边力冲压机) ，如图1 6 所示。实现了在冲压成形过程中，不仅能随位置和冲头行程任意改变压边力，而 且实现了在拉深过程中根据拉深工艺要求和材料性能的不同进行拉深速度的调 节。计算机控制多点变压边力单动液压拉深压力机具有如下功能： 上海交通大学硕士学位论文 变压边力冲压机压边力测试系统研究 ( 1 ) 拉深过程中能发挥足够大的压边力并且很快趋于稳定，从而有利于拉 深工艺和提高劳动生产率。 ( 2 ) 在拉深过程中，可以利用计算机对压边力进行任意平稳地控制和调节， 实现拉深过程的优化。 ( 3 ) 采用多个压边缸，方便地调节压边板各部分的压边力，以满足拉深工 艺要求，保证工件的质量。 ( 4 ) 通过压力传感器、位移传感器，可以显示、记录和打印冲压过程中的 工艺参数。 ( 5 ) 采用液压机构实现液压机工作时滑块速度的调节。 液压机冲压过程的操作流程为：进行板料冲压成形时，先在工作台上放置、 调整和固定模具，然后放置待冲压的板料，设定工艺参数，开启压力机，此时顶 升缸带动拉深垫和其上端接杆、压力杆和压边圈上升，升高到一定程度时，主缸 启动，凹模向下运动，当压边圈上升到比凸模高出一段距离时，压边缸上升与接 杆接触，主缸带动凹模下降和板料及压边圈接触，主缸带动压边圈和板料一起向 下运动，并在此过程中建立稳定的压边力，这样，保证1 0 个压边缸的压边力建 立过程的同步性，压边力建立后，主缸继续迫使压边圈向下运动，当板料和凸模 接触时，拉深过程开始，这时，压边缸按计算机发出的信号进行压边力调整，当 达到确定的拉深深度时，计算机控制主缸和压边缸卸压，主缸回退，压边缸以一 定的压力带动压边圈上升，使包裹在凸模上的冲压件脱模，如冲压件留在凹模内 时，还可由打料缸将冲压件打落。 该压力机的主要特点包括； 机械部分： ( 1 ) 液压机上部由工作台、滑块、上梁和四根立柱组成一个坚周的机架，压 机下部是带多缸的液压垫，它由l o 个压边缸、拉杆、接杆、顶升缸、顶出杆， 底板组成，使得试验机结构紧凑，占地面积小。( 2 ) 压机上下均采用大直径拉杆， 保证足够的剐度，提高压力机的精度。( 3 ) 在拉深过程中，为实现液压垫1 0 个 压边缸的同步压边，设计了一段小的空行程。 液压部分： ( 1 ) 主缸，压边缸、顶升缸的压力可以在5 m p a - - 2 5 m p a 之间调节，其中压边 缸、顶升缸的压力由比例溢流阀控制，可随行程而调节，从而实现压边力随行程 变化。( 2 ) 采用电动比例复合泵和比例溢流阀相结合来实现压力机工作时滑块速 度的调节。( 3 ) 设有安全阀，支承阀，锁紧装置以保证液压系统的安全可靠性。 电气部分： ( 1 ) 液压机设置固定的电气控制按钮柜，采用p l c 控制器；( 2 ) 液压垫控制采 用工控机，使得冲压过程更加准确，高效。( 3 ) 液压垫和顶升缸均配有比例阀和 4 上海交通大学硕士学位论文变压边力冲压机压边力测试系统研究 压力传感器，主缸有压力传感器和位移传感器，调速的比例流量阀，使主缸、压 边缸、顶升缸的力、位移、速度参数均可在计算机上显示和打印。根据工艺设定 曲线利用计算机对压边缸进行闭环控制。 表1 1 主要工艺参数 图1 6 多点变压边力液压压力机 f i 9 1 6 m u l t i - p o i n t v a r i a b l e p r e s s u r e h y d r a u l i c p m s s 最大拉深力 1 2 0 0 k n 顶升力 3 0 0k n 液压垫压力 6 0 0 k n 液体最大工作压力 2 5 m p a 滑块下平面距工作台最 6 6 0 m 大距离 滑块最大行程 4 1 0 m m 液压垫最大行程 1 8 0 n 顶升缸最大行程 1 8 0 r a m 滑块速度： 空下8 0 m m s 工作2 4 ( ) m s 回程1 2 0 u s 液压垫回程速度1 0 n s 工作台有效尺寸：左右 1 0 0 0 r a m 前后 9 0 0 r a m 11 3 课题研究的意义 众所周知，冲压的本质是利用模具和冲压设备使金属板坯料产生塑性流动， 从而使其发生所需要的形状改变。弯曲、拉深、翻边、翻孔、胀形、扩口、缩口 和旋压等是冲压所涵盖的几种基本工艺形式。其中拉深是将板料毛坯在具有一定 圆角半径的凸、凹模作用下加工成各类零件的工艺手段，它在汽车、仪表、航天 等领域均有广泛应用。在拉深成形过程中，通常需要安装压边装置产生摩擦力， 以增加板料中的拉应力，控制材料的流动，避免起皱。压边力( b l a n k h o l d e r f o r c e ， 简称b 球) 的大小是板材拉深成形中的重要工艺参数和控制手段。前面已经提 到传统的板材拉深成形方式是通过单动压力机的弹性压边圈和双动压力机的固 定压边圈来产生拉深成形所需的压边力，由于实际生产( 如汽车车身覆盖件) 的 复杂性，在成形过程中金属材料的流动情况在各个位置及成形的各个阶段是不一 致的，因此，压边力在挺个拉深过程中是一个变量。国外从2 0 世纪8 0 年代开始， 在变压边力调控技术研究领域取得了一定成果，但在国内，这方面的研究极少， 上海交通大学硕士学位论文 变压边力冲压机压边力测试系统研究 生产实践中更是未见有应用的报道。 本文就是针对我们新型研制开发的液压机，对冲压时的板料成形过程中的压 边力的变化和分布进行具体的测试和研究。为有效地采用变压边力控制技术，使 恒定压边力控制时拉深破裂的工件能够成功拉深成形，这对充分利用板材、节约 原材料都有实际的重要意义。 本课题的开展，不仅也将为我校车身制造技术中心的其它相关课题研究的开 展奠定了基础，推进课题组的发展，同时也为国内冲压机压边应力测试提供了一 种实用手段。 1 2 传统的测量方法与现状 目前随着科学技术的不断提高，测试的方法也越来越多，其中传感器的测量 方法应用最为广泛，为了获得这些应力的边界值，采用压力传感器进行实验是最 为可行的方法。 在金属板料成形中，压边板周围的应力分布还很少有人进行研究或实验。这 可能是由以下几个方面的原因导致，第一，一般的压力传感器尺寸都比较大，很 难用于板料成形过程中。第二，材料的变形是一个很复杂的过程，通过控制液压 缸来实现压边，传统的单动液压驱动很难实现各个部分的调节。第三，实验成本 很高。 l ，2 1 国外表面应力测试的几种方法 近年来，很多新的测试方法逐步在国外应用于测试模具的表面应力。 _ 寿法一： 如图17 所示，采用一个压力传输杆，将压力( 应力) 先转化为力，再传递 到一个( 压) 力传感器上，从而测试力的大小。这个系统由一个针一样的，或者 直径非常小的顶杆，穿过模具的表面，到达工作平面而成为工作平面的微小部分， 通过它传递力 7 1 。 该方法存在的缺点是：( 1 ) 杆和孔之间存在摩擦力，这个力会影响最后的测 量精度。( 2 ) 由于杆和孔之间肯定存在着间隙，因而工作平面可能不是很平，这 对板材成形带来一定的影响。 方法二： 丹麦技术大学研制出了一种压电式压力传感器，可以将冲压过程中模具表面 的应力与摩擦力测量出来，这种传感器的外形图如图1 8 所示。这种压电晶体主 要是利用压电效应的原理来测量。但是它只能用来测量高速动态的应力测试，对 于静态的应力或者很小的变形则很难测量，原因就是压电晶体的电荷很容易丢失 泄漏。测量的原理是利用压电陶瓷的压电效应，受力传感器转化为电荷，经过电 荷放大器再转化为电压。其转换过程如图1 9 。该传感器由于能同时测量其压力 上海交通大学硕士学位论文变压边力冲压机压望垄型堕墨竺里至 和摩擦力，因而其标定过程特别复杂。8 l 23 1 工作表面2 传力杆 3 压力传感器及其连接装置 么鼢 烬测一 图1 7 传力杆传感器安装设计 图1 8 三引脚多组件传感器 f i 9 1 7a s s e m b l yd e s i g n o fs e n s o rf o r f i g l8t h r e el e g s 蛐l l 虹- c 掣m e mt r a n s d u c e r p r e s s u r et r a n s m i t t i n gp i n 图1 9 传感器的转换电路 f i 9 1 9c 0 v e b i o l ic i l m u i tf o ri r a n s d u c c r 方法三；虚变片的涌量法。 将电阻应变片粘结在变形的部分，施加压力使与应变片粘结成一体的工件发 生变形，从而引起应变片的电阻变化，通过电桥及相关的电阻应变仪可以方便地 测出应变量，从而根据材料的应力应变关系得出表面的应力分布。德国的斯图加 特大学已经利用电阻应变片及相关设备测试压边圈上的压力或应力分布1 9 】，他们 在测试过程中采用的就是前面叙述的四点调压液压压力机( 见图1 3 ) 。 1 2 2 本文采用的方法 本文根据上海交通大学车身制造技术中心研制开发的多点变压边力单动拉 深液压试验机研究需要，对压边圈的应力( 力) 传递规律进行了研究，主要是对 影响冲压过程的压边板的应力分布进行测试。测试方法主要分为两种，一种是传 统的应变片方法测试；另一种是采用国外技术生产的压电式石英传感器进行测 7 盆 上海交通大学硕士学位论文变压边力冲压机压边力测试系统研究 试。这两种方法将在后面的章节中详细讨论。 1 3 本文研究的主要内容 本文采用的方法就是利用传统的电阻应变片测量方法和压电式石英传感器 新技术相结合，对冲压压边过程中压边圈重要部位的力的传递规律进行了研究。 同时，设计了传感器的安装装置，在不影响压边圈正常工作的情况下，能够较为 方便地进行测量。本文主要涉及到的部分有：在应交片测量方法中，主要是应变 片的贴片、安装位置的确定，桥路的连接及实验信号处理，最后分析了影响应变 片测试误差的主要因素。而在传感器测试方法部分中，主要是设计传感器的安装 装置和传感器的标定装置，分析各类相关仪器的合理连接使用，以及对传感器输 出信号进行分析处理。论文在第四章主要讨论了数据采集系统的开发，其中采用 凌华公司的多功能数据采集卡p c i 9 1 1 2 ，并用v b 语言编写程序实现数据的采集。 该程序根据需要可以选择通道，采集相关通道的数据，然后保存为a c c e s s 数据 库文件。根据数据处理上的需要将a c c e s s 数据库转换为t x t 或者e x c e l 数据，进 行数据的处理分析。在本文的第五章，设计了测试实验的方案，采集后的数据处 理和合理分析这些数据并给出了本文的结论；在全文总结时，分析了实验误差产 生的原因，并展望了将来的工作计划。 上海交通大学硕士学位论文变压边力冲压机压边力测试系统研究 第二章电阻应变片测量法 21 电阻应变片的原理m 1 1 】 电阻应变片( 丝) 是应变式传感器和应变测量的敏感转换元件。由于电阻应 变式传感器具有可测变量多，测量范围广，精度高，线性好，结构简单，性能稳 定，使用寿命长，动态特性好等一系列优点，因此电阻应变片是目前国内外应用 最为广泛的一种转换元件。 2 1 1 电阻应变片的组成 电阻应变片的种类很多，但是基本组成是一样的，都是由电阻丝( 或箔、条) 、 基底、覆盖物和引出线构成，见图2 1 。 3l 画2 喇 1 基底2 _ 电阻丝3 覆盖层4 一引出线 图2 1 电阻应变片的基本构成 f i 9 2 1b a s i cc o m p o s i t i o no f s u a i ng a u g e 电阻丝( 或箔、条) 是用来感受应变的，它可由金属或半导体材料制成。基 底和覆盖层是用来保护电阻丝、传递应变并使电阻丝和被测试件之间具有极好的 绝缘性能，它通常根据应用范围的不同而采用不同的材料，常见的有纸基和胶基。 引出线是将电阻丝接到测量电路中去，它由镀银铜丝或镍铬铝丝制成。 2 1 2 电阻应变片的工作原理 用应变计测试时，将应变片用粘接剂牢固地粘贴在试件表面，当试件受力变 形时，应变片的电阻丝( 或箔、条) 也随之变形，从而引起其电阻变化。 从原理上看，电阻应变片之所以能够实现上述工作过程是基于导体材料和半 导体材料的“应变效应”和“压阻效应”。应变效应是指电阻丝的电阻值随其机 械变形而变化的物理现象。压阻效应是指电阻材料受有载荷作用而产生应力时， 其电阻率发生变化的物理现象。 现以单根电阻丝为例说明电阻应变片的工作原理。设电阻丝的原始长度为 ，截面半径为，电阻率为p ，受拉伸作用后，其变化量分别为，p ( 见 ， 图22 ) 。电阻丝的初始电阻为r = p 与，拉伸变形后电阻值变化量为： 上海交通大学硕士学位论文变压边力冲压机压边力测试系统形弊 图2 2 电阻丝的拉伸变形 f i 9 2 2s t r e t c hd i s t o r t i o no f s t r a i ng a u g e a r 圭a 。r ，a l + 罢，+ i a r 和 o lo ro o 电阻变化率为： 竺：掣2 竺+ 堑 rird ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 从材料力学可知，掣：为电阻丝的纵向应变，竺为电阻丝的横向应变， 且兰= 一版，为电阻丝材料的泊松系数，于是( 2 2 ) 式可写为 百a r = ( 1 + 2 p h + 等 ( 2 _ 3 ) 由( 2 3 ) 可见，电阻丝电阻的变化是由两部分引起的：( 1 + 2 ) 是由电阻 丝几何变形引起的电阻变化，即应变效应；兰坚是电阻丝受应力作用而引起的电 p 阳察的变化，即压阻效应。 - 衄t m ( 1 + 2 p ) q ( 2 4 ) 对于半导体材料，压阻效应是主要的，有 垒苎。竺( 2 - 5 ) r p 且有 等= 妒= 以磁 ( 2 _ 6 ) 式中，以为压阻系数，它与半导体材料种类及应力盯的方向与晶轴方向之间的 夹角有关。定3 k o = 等乞为电阻丝的灵敏系数，其物理意义为单位应交所引 l o 上海交通大学硕士学位论文变压边力冲压机压边力型! 墨蚕! ! ! ! 壅 起的电阻相对变化。显然，对金属材料，k 圭( 1 + 2 t ) ，通常为1 8 3 6 ；对于 半导体材料，x 0 圭n e e 通常在1 0 0 以上。 单根电阻丝的灵敏度系数k 与相同材料做成的应变片的灵敏系数世是不同 的，这是因为影响应变片灵敏系数的因素更为复杂，因此对应变片来说，当它随 试件变形时，其电阻变化率竿与试件应变s 的关系为 竺：髓( 2 7 ) 月 式中，足为应变片的灵敏系数。 2 1 3 电阻应变片的工作特性 1 应变片的灵敏系数 由( 2 7 ) 式可知，应变片的灵敏系数置定义应变片的电阻变化率等与试 件应变s 之比，即 a r k ：王-( 2 8 ) 占 由于影响应变片灵敏系数的因素较为复杂，无法从理论上计算得出，只能由 实验测定，而这种实验必须按统一的标准进行，因此对应变片的灵敏系数又具体 定义为：泊松系数= o 2 8 5 的钢材试件受一维应力作用，应变片的纵轴方向与 主应力方向一致时，应变片电阻的变化率与试件主应力方向的应变之比。 因应变片贴到试件上后不能取下再用，所以应变片制造厂是在每批产品中抽 取5 的应变片按上述具体定义条件测定，取其平均值作为这一批产品的灵敏系 数，这就是产品包装盒上注明的灵敏系数，或称“标称灵敏系数”。 当应变片的实际使用条件与上述定义条件不同时，应变片的实际灵敏系数与 “标称灵敏系数”是不同的，应在实际条件下重新标定或对“标称值”进行修正。 2 应变片的线性 应变片的线性表明应变片电阻变化率和应变变化之间的关系。在大应变时， 二者的关系出现非线性，非线性误差为： 铲圭( 置- 1 ) 6 ( 2 - 9 ) 式中，k 为应变片的灵敏系数。 3 应变片的温度特性 应变片的电阻丝是由金属或半导体材料制成的，它们既能感受变形，又是温 度的敏感元件。当使用应变片进行应变测试时，若环境温度发生变化，其电阻变 4 l 戡r、a r r ) 。( 由变形引起) 和( 等) ，( 由温度引起) 两部分组成 上海交通大学硕士学位论文变压边力冲压坦里望塑型堕壅堑旦塑 百a r = ( 箐 。+ ( 等) ，( 2 - 1 0 ) 而将其折合成应变量时，有 衄 s 一：l ：s + ( 2 1 1 ) k 其中e 是由温度变化引起的，称应变片的温度误差，又称热输出。 ( 1 ) 温度误差产生的原因 应变片温度误差产生的原因主要有： 电阻丝的电阻本身随温度的变化而变化，其值为 ( 匍ta x 啦( 2 - 1 2 ) 式中电阻丝电阻温度系数； f 温度的变化值； 将折合为应变为 r r 、 = 半= 竿 协 电阻丝和试件的线膨胀系数不同，使电阻丝产生附加变形。 如图2 3 所示。设电阻丝和试件的线膨胀系数分别为尼和所，当温度变化f 时，其自由状态( 即应变片未粘贴时) 下长度的变化量分别为( 原始长度，为应 变片基长) 出。= 8 ；i a t 出产9r i a t ：一 二二 l l 】 一z 一 归，z 血咔 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 图2 3 试件和电阻丝因温度变化而伸长情况 f i g 2 3s t r e t c ho f t e s tp i e c ea n d m s i s t a n c ew i r ew i t ht e m p e r a t u r ev a r i a t i o n 由于实际上应变片是牢固地粘贴在试件表面，并且电阻丝的刚度比试件 小得多，因而电阻丝受到试件的制约而产生的附加变化量为 a p = 坼一m = ( 辟一p , ) l a t ( 2 1 6 ) 上海交通大学硕士学位论文 变压边力冲压机压边力测试系统研究 相当的附加应变为 = 兰笋= ( 所一o a t ( 2 1 7 ) 将( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 式合在起，得到温度引起得变形为 b 。+ = 警+ ( 乃一尼) a f = 1 警+ ( 房一屈) | f 心- 1 8 ) ( 2 ) 应变片的温度补偿 常用的温度补偿方法有以下三种： 自补偿法。其原理是用两种温度系数 不同( 一个为正，一个为负) 的电阻材料串 日 联而制成应变片的电阻丝( 见图2 4 ) ，其补 偿条件是墨和r 随温度变化而产生的电阻 足 变化率满足 图2 4 自补偿应变片的电阻丝 a 焉，2 一心 ( 2 - 1 9 ) f i g 24s a mg a u g ew i t hs e l f - c o m p e n s a t i o n 选择补偿法。其原理基于( 2 1 8 ) 式， 从该式子可以看出，要实现温度自补偿，条件是 + 足( 厉一尼) = 0 ( 2 - 2 0 ) 因此如果选择某种应变片电阻丝材料，其电阻温度系数和线膨胀系数屈， 使在某一具有线膨胀系数为所的试件上使用时，能满足( 2 - 2 0 ) 式，即可达到 补偿的目的。 桥路补偿法。其原理基于电桥的加减特性。这种方法简单易行，是最常用 的方法。本文实验时也采用了此方法来实现环境温度的补偿。 4 应变片的其它特性 ( 1 ) 滞后 机械滞后。当贴有应变片的试件在恒定温度下循环加载和卸载( 即循环增 加和减小试件的机械应变) 时，加载和卸载时的m 矿 t 一占特性曲线( 或一曲 线) 的不重合程度称为机械滞后，以其加、卸载特性曲线的最大差异值表示。 为了减小新安装的应变片的机械滞后和非线性，可在正式测量前对试件进行 三次以上的加卸载循环。 热滞后。在试件应变恒定的情况下，温度从室温增至应变片工作的极限温 度，又从极限温度降至室温的热循环过程中，升温和降温特性曲线不重合的程度 称为热滞后，以其两条曲线的最大指示应变差值表示。热滞后只对中、高温应变 片而言。 ( 2 ) 零漂 零漂是指试件不受力且温度恒定情况下，应变指示值随时间变化的特性，一 般以指示应变的最大值( 3 小时内) 与时间之比表示。 上海交通大学硕士学位论文变压边力冲压机压边力测试系统研究 ( 3 ) 蠕变 蠕变是指试件承受恒定的机械应变作用且温度恒定情况下，应变指示值随时 间变化的特性，一般加载1 0 0 0 j s ，观察- - d 时求得其大小。 ( 4 ) 应变值 应变片能够用来测量的最大应变值称极限应变值。一般在室温条件下，对试 件施加均匀且较慢增大的拉伸载荷，当指示应变值只能达到真实应变的9 0 时， 试件的真实应变值即为应变片的极限应变值。 ( 5 ) 疲劳寿命 疲劳寿命指粘贴在试件上的应变片，在一定幅值( 一般为1 5 0 0 p 6 ) 的交互 应变作用下( 频率为2 0 h z - 5 0 h z ) ，可连续工作不会产生疲劳破坏的循环次数( 破 坏标准一般指应变片不能继续工作或测出的应变值比开始试验时减小5 ) ，一般 为1 0 6 1 07 次。 ( 6 ) 横向效应 将直的电阻丝绕成栅状以后( 见图2 1 ) ，即使总长度相同，应变状态亦相同， 但由于栅状电阻丝的横向绕制部分( 对图2 1 的应变片来说，就是圆弧部分) 感 受的变形不同于纵向直线部分，因此电阻丝总的电阻变化将小于纯直线形的电阻 丝的电阻变化，即其灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。考虑 横向效应以后，应变片的电阻变化可以写为 百a r ：丘毛- 4 - 巧勺 ( 2 2 1 )