作者：瑞格尔总工程师刘国胜
摘要：
本文针对“GB4156-1984金属杯突试验方法”对“穿透裂缝”的定义及在常规条件下实现“杯突试验机”自动求出杯突值存在的问题进行了深入的分析，提出了一个简单可行的解决方法，实现杯突试验机的自动化、程控化。
关键词：杯突试验自动裂缝判断全自动杯突试验机
冷冲压生产工艺是金属板材的非常重要的加工手段之一。在日常用品、家电行业、汽车工业等各项领域被广泛采用。要充分发挥这一工艺流程的特点，加工出高质量的产品，首先就要求被加工的金属板材具备较好的塑性变形性能力。如何能知道这种能力呢？金属杯突试验就是检验的最基本方法。
国标GB4156-84金属杯突试验方法对这一试验做了详细的规定与说明。按照通常的情况，依据标准的规定去完成试验机的设计与试验不应有什么问题，但笔者在研制新型号的该类试验机时却发现了一个问题。该标准在原理一节中是这样描述的，“试验采用端部为球形的冲头，将夹紧的试样压入压模内，直至出现穿透裂缝为止，所测量的杯突深度即为试验结果。”在这里“出现穿透裂缝”是求取杯突值的唯一条件，但何为“出现穿透裂缝”，没有明确的说明。在“试验机”一节中又做了如下的描述“试验机应能正确确定裂缝开始穿透试样厚度(透光)的瞬间。”在这里似乎已经给出了定量的规定“透光”，但这种规定常规条件下是不可能检测到的。为什么呢？从试验原理的规定，我们知道，试验需要一个球形冲头，这个冲头在试验过程中要承受非常巨大的力，并且是紧紧顶贴在被试验材料上的。要用透光来检测是否出现穿透裂缝，则必需在试样上下两面设置光源及光接收原件，这是无法简单实现的。若一定要设置，则只能将光电元件集成在冲头内，但这在一般情况下是不易做到的。首先，冲头材料需要有足够的强度，而且要非常容易加工；第二，要将光电元件安装在冲头内部，且冲头内部不能产生明显的受力变形，以免损坏光电元件；第三，绝缘度要好，以免漏电；第四，要透明以便光线通过；第五，冲头尺寸不能太小，以便集成，但这又不能完全满足试验需求。这种材料一般来说是不易得到的，或者成本太高使试验机的价格大幅度上升一般的客户无法接受。
由于这个原因，目前市面上出现的杯突试验机对试样裂缝判断基本上都采用了人工判断的方法，即人工观察法，但这种人工观察的误差是非常大的，往往会造成试验结果的不准确和数据极大的分散性。原因是，第一，不同的人读取的数据不尽一致；第二，试验过程也不一致(目前基本上为人工手动加载控制)；第三，出现裂缝的方向是随机的，裂缝形状也是随机的，对人眼的观察带来了非常大的影响；第四，试验结果需要瞬时读取，很难读准等。由于存在这些具体问题，笔者了解到目前拥有老式的杯突试验机的客户基本都不能按杯突试验方法的规定准确的求取杯突值。而是把杯突机当做了一台成品检测仪来使用。对于特定的金属板材它应有特定的杯突值。既然不能准确的求取实际的杯突值，人们就采取了一种定杯突深度的试验方法，即按照板材应达到的杯突值进行冲压，当达到杯突值的冲压深度时结束试验，然后取下试样，检测是否出现裂缝，以判断金属板材是否合格。这在金属板材的使用单位是可行的，但在板材的研发、生产单位还是不行。在这些单位，必须得到实际的杯突值。不得已在这种场合，人们只有采用定杯突深度多次试验，逐步逼近的方法，得到近似的板材杯突值。但这需要花费大量的时间与很多的试样才能完成，在时间紧、试样稀少的场合依然行不通。
能否有一种简单可行、成本低的方法来实现裂缝自动判断改变现有的状况呢？
笔者在二十多年的试验机研发工作中对各种传感器的性能有了深刻的认识，对各种试验方法也有了深入的了解。发现杯突试验与某些材料的顶破试验的试验方法有很多相似之处。在顶破试验中，当试样出现局部破坏时，所测试样的试验力值会出现明显衰减，那么杯突试验是否也有这种现象呢？另外分析杯突试验的试验方法与试验目的，知道杯突试验是用来检测金属板材各向塑性变形的能力的，而金属板材拉伸试验具有检测金属单向塑性变形的能力。在拉伸试验时，当试样即将断裂时，同样也有力值衰减的现象。那么从理论上来说，杯突试验也应有这一现象。以此为出发点，笔者与同事决定采用常用的力值检测元件进行这方面的试验。通过对多种板材的大量试验，结果发现，杯突试验具有同样的特性，完全可以用这一特点实现试验过程的裂缝自动判断，进而研制出高性能全自动杯突试验机，弥补这一领域的空白。
在这一思想的指导下，瑞格尔公司于2004年底研制出了电液伺服计算机控制全自动杯突试验机。这一新型试验机的研制成功彻底解决了多年来一直困扰人们的一个问题，即如何实现杯突试验的裂缝自动判断，实现杯突试验机的自动化、程控化，使杯突试验产生一个质的飞跃。经过近一年来多台样机的验证运行，该方案切实可行，原理简单，成本低廉，使用可靠，完全可以推广使用。
该试验机与老式手动杯突试验机相比，有下列优点：
1.改变过去手动控制加载为自动控制加载，确保加载过高的平稳性，使试验结果更加准确。
2.实现裂缝自动判断，进而自动动态求取杯突值。
3.具有定杯突深度试验功能，一机多用。
4.具有用户自编程程序控制功能，满足大批量的试验，降低工作人员劳动强度。
5.具有试验过程动态曲线显示功能，试验细节一目了然。
6.具有试验结果实时处理、显示及后处理再显示功能。
7.附加求取了试验过程的力值参数，非常有利于新材料的研究试验。
8.具有试验数据的统计处理功能。
9.可按用户的需求打印试验报告与过程曲线。
关于该机的详细技术指标，有兴趣的读者可与瑞格尔仪器有限公司联系。
主要参考资料：
GB/T4156-1984金属杯突试验方法
GB/T228-2002金属室温拉伸试验方法