板料沖壓成形的性能及沖壓材料介紹

 板料的沖壓成形性能

板料對各種沖壓成形加工的適應(yīng)能力稱為板料的沖壓成形性能。具體地說，就是指能否用簡便地工藝方法，高效率地用坯料生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)沖壓件。沖壓成形性能是個綜合性的概念，它涉及到的因素很多，其中有兩個主要方面：一方面是成形極限，希望盡可能減少成形工序；另一方面是要保證沖壓件質(zhì)量符合設(shè)計要求。下面分別討論。

(一)成形極限

在沖壓成形中，材料的最大變形極限稱為成形極限。對不同的成形工序，成形極限應(yīng)采用不同的極限變形系數(shù)來表示。例如彎曲工序的最小相對彎曲半徑、拉深工序的極限拉深系數(shù)等等。這些極限變形系數(shù)可以在各種沖壓手冊中查到，也可通過實驗求得。

依據(jù)什么來確定極限變形系數(shù)呢？這要看影響成形過程正常進(jìn)行的因素是哪些。沖壓成形時外力可以直接作用在毛坯的變形區(qū)（例如脹形），也可以通過非變形區(qū)，包括已變形區(qū)（例如拉深）和待變形區(qū)（例如縮口、擴口等），將變形力傳給變形區(qū)。因此，影響成形過程正常進(jìn)行的因素，可能發(fā)生在變形區(qū)，也可能發(fā)生在非變形區(qū)。歸納起來，大致有下述幾種情況：

1.屬于變形區(qū)的問題

伸長類變形一般是因為拉應(yīng)力過大，材料過度變薄，局部失穩(wěn)而產(chǎn)生斷裂，如 脹形、翻孔、擴口 和彎曲外區(qū)等的拉裂。壓縮類變形一般是因為壓應(yīng)力過大，超過了板材的臨界應(yīng)力，使板材喪失穩(wěn)定性而產(chǎn)生起皺，如縮口、 無壓邊圈拉深 等的起皺。

2.屬于非變形區(qū)的問題

傳力區(qū) 承載能力不夠：非變形區(qū) 作為傳力區(qū)時 ，往往由于變形力超過了該傳力區(qū)的承載能力而使變形過程無法繼續(xù)進(jìn)行。也分為兩種情況：

1)拉裂或過度變?。焕缋钍抢靡炎冃螀^(qū)作為拉力的傳力區(qū)，若變形力超過已變形區(qū)的抗拉能力，就會在該區(qū)內(nèi)發(fā)生拉裂或局部嚴(yán)重變薄而使工件報廢。

2)失穩(wěn)或 塑性鐓粗 ： 例如擴口和 縮口工序是利用待變形區(qū)作為壓力的傳力區(qū)，若變形力超過了管坯的承載能力，待變形區(qū)就會因失穩(wěn)而壓屈，或者發(fā)生塑性鐓粗變形 。

非傳力區(qū)在內(nèi)應(yīng)力作用下破壞 ：非變形區(qū)不是傳力 區(qū)時，由于變形過程中金屬流動的不均勻性，也可能產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力而使之破壞。根據(jù)發(fā)生問題的部位不同，可分為：

1)待變形區(qū)拉裂或起皺：例如在盒形件的后續(xù)拉深工序中，待變形區(qū)金屬流入變形區(qū)的速度不一致，靠直邊部分流入速度快，角部金屬流入速度慢。在這兩部分金屬的相互影響下，直邊部分容易發(fā)生拉裂，角部則容易沿高度方向壓屈起皺。

2)已變形區(qū)拉裂或起皺：如薄壁件反擠時，若金屬從變形區(qū)流到已變形區(qū)的速度不均勻， 則速度 快的 部位易因受 附加壓應(yīng)力而起皺，速度慢的部位易受附加拉應(yīng)力的作用而開裂。

綜上所述，不論是伸長類還是壓縮類變形，不論問題發(fā)生在變形區(qū)還是非變形區(qū)，其失穩(wěn)形式無非兩種類型： 受拉部位 發(fā)生縮頸斷裂，受壓部位發(fā)生壓屈起皺。為了提高沖壓成形極限，從材料方面來看，就必須提高板材的塑性指標(biāo)和增強抗拉、抗壓的能力。

(二)成形質(zhì)量

沖壓零件不但要求具有所需形狀，還必須保證產(chǎn)品質(zhì)量。沖壓件的質(zhì)量指標(biāo)主要是厚度變薄率、尺寸精度、表面質(zhì)量以及成形后材料的物理力學(xué)性能等。

金屬在塑性變形中體積不變。因此，在伸長類變形時，板厚都要變薄，它會直接影響到?jīng)_壓件的強度，故對強度有要求的沖壓件往往要限制其最大變薄率。

影響沖壓件尺寸和形狀精度的主要原因是回彈與畸變。由于在塑性變形的同時總伴隨著彈性變形，卸載后會出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，導(dǎo)致尺寸及形狀精度的降低。沖壓件的表面質(zhì)量主要是指成形過程中引起的擦傷。產(chǎn)生擦傷的原因除沖模間隙不合理或不均勻、模具表面粗糙外，往往還由于材料粘附模具所致。例如不銹鋼拉深就很容易有此問題。

1.4.2板料沖壓成形性能試驗

(一)板料沖壓成形性能試驗方法

    板料沖壓性能試驗方法通常分為三種類型：力學(xué)試驗、金屬學(xué)試驗（統(tǒng)稱間接試驗）和工藝試驗（直接試驗）。其中常用的力學(xué)試驗有簡單拉伸試驗和雙向拉伸試驗，用以測定板料的力學(xué)性能指標(biāo)；金屬學(xué)試驗用以確定金屬材料的硬度、表面粗糙度、化學(xué)成分、結(jié)晶方位與晶粒度等；工藝試驗也稱模擬試驗，它是用模擬生產(chǎn)實際中的某種沖壓成形工藝的方法測量出相應(yīng)的工藝參數(shù)。例如 Swift的拉深試驗測出極限拉深比 LDR ； T ZP試驗測出對比 拉深力的 T 值； Erichsen 試驗測出 極限脹形深度 Er 值；K.W.I擴孔試驗測出極限擴孔率λ等。下面僅對板材簡單拉伸實驗進(jìn)行介紹。

(二)板材拉伸試驗

板材的拉伸試驗也叫做單向拉伸試驗或簡單拉伸試驗。應(yīng)用拉伸試驗方法，可以得到許多評定板材沖壓性能的試驗值，所以應(yīng)用十分普遍。

    由于試驗?zāi)康牟煌宀臎_壓性能評價用的拉伸試驗方法和所得到的試驗值均與為評定材料強度性能的拉伸試驗有所不同。簡單介紹如下 ：

圖1.4.1 拉伸實驗試樣

    試驗設(shè)備：拉力試驗機（機械式或液壓式）。

    試驗時，利用測量裝置測量拉伸力P與拉伸行程（試樣伸長值）ΔL，根據(jù)這些數(shù)值作出s－d曲線。（圖1.4.2）。試驗可以得到下列力學(xué)性能指標(biāo)：

圖1.4.2 拉伸曲線

 1）屈服極限s_s或s_0.2；

2)強度極限s_b；

3）屈強比s_s/s_b；  

4）均勻伸長率d_u ；

5）總伸長率d；

6）彈性模數(shù)E；

7）硬化指數(shù)n；

8）厚向異性指數(shù)g 

1.4.3 板料力學(xué)性能與沖壓成形性能的關(guān)系

板料力學(xué)性能與板料沖壓性能有密切關(guān)系。一般來說，板料的強度指標(biāo)越高，產(chǎn)生相同變形量所需的力就越大；塑性指標(biāo)越高，成形時所能承受的極限變形量就越大；剛性指標(biāo)越高，成形時抗失穩(wěn)起皺的能力就越大。

對板料沖壓成形性能影響較大的力學(xué)性能指標(biāo)有以下幾項：

1)屈服極限ss  屈服極限ss小，材料容易屈服,則變形抗力小，產(chǎn)生相同變形所需變形力就小，并且屈服極限小，當(dāng)壓縮變形時，屈服極限小的材料因易于變形而不易出現(xiàn)起皺，對彎曲變形則回彈小。

2)屈強比ss／sb    屈強比小，說明σs值小而σb值大，即容易產(chǎn)生塑性變形而不易產(chǎn)生拉裂，也就是說，從產(chǎn)生屈服至拉裂有較大的塑性變形區(qū)間。尤其是對壓縮類變形中的拉深變形而言，具有重大影響，當(dāng)變形抗力小而強度高時，變形區(qū)的材料易于變形不易起皺，傳力區(qū)的材料又有較高強度而不易拉裂，有利于提高拉深變形的變形程度。

3)伸長率  拉伸試驗中，試樣拉斷時的伸長率稱總伸長率或簡稱伸長率d。而試樣開始產(chǎn)生局部集中變形（縮頸時）的伸長率稱均勻伸長率du。du表示板料產(chǎn)生均勻的或穩(wěn)定的塑性變形的能力，它直接決定板料在伸長類變形中的沖壓成形性能，從實驗中得到驗證，大多數(shù)材料的翻孔變形程度都與均勻伸長率成正比?？梢缘贸鼋Y(jié)論：即伸長率或均勻伸長率是影響翻孔或擴孔成形性能的最主要參數(shù)。

4)硬化指數(shù)n   單向拉伸硬化曲線可寫成s=Keⁿ，其中指數(shù)n即為硬化指數(shù)，表示在塑性變形中材的硬化程度。n大時，說明在變形中材料加工硬化嚴(yán)重，真實應(yīng)力增加大。板料拉伸時，整個變形過程是不均勻的，先是產(chǎn)生均勻變形，然后出現(xiàn)集中變形，形成縮頸，最后被拉斷。在拉伸過程中，一方面材料斷面尺寸不斷減小使承載能力降低，另一方面由于加工硬化使變形抗力提高，又提高了材料的承載能力。在變形的初始階段，硬化的作用是主要的，因此材料上某處的承載能力，在變形中得到加強。變形總是遵循阻力最小定律，既“弱區(qū)先變形”的原則，變形總是在的最弱面處進(jìn)行，這樣變形區(qū)就不斷轉(zhuǎn)移。因而，變形不是集中在某一個局部斷面上進(jìn)行，在宏觀上就表現(xiàn)為均勻變形，承載能力不斷提高。但是根據(jù)材料的特性，板料的硬化是隨變形程度的增加而逐漸減弱，當(dāng)變形進(jìn)行到一定時刻，硬化與斷面減小對承載能力的影響，兩者恰好相等，此時最弱斷面的承載能力不再得到提高，于是變形開始集中在這一局部地區(qū)地行，不能轉(zhuǎn)移出去、發(fā)展成為縮頸，直至拉斷。可以看出，當(dāng)n值大時，材料加工硬化嚴(yán)重，硬化使材料強度的提高得到加強，于是增大了均勻變形的范圍。對伸長類變形如脹形，n值大的材料使變形均勻，變薄減小，厚度分布均勻，表面質(zhì)量好，增大了極限變形程度，零件不易產(chǎn)生裂紋

5)厚向異性指數(shù)g

由于板料軋制時出現(xiàn)的纖維組織等因素，板料的塑性會因方向不同而出現(xiàn)差異，這種現(xiàn)象稱塑性各向異性。厚向異性系數(shù)是指單向拉伸試樣寬度應(yīng)變和厚度應(yīng)變之比,即：

g=e_b/e_t                                                (1.4.1)

式中  e_b、e_t——寬度方向、厚度方向的應(yīng)變。

厚向異性指數(shù)表示板料在厚度方向上的變形能力，g 值越大，表示板料越不易在厚度方向上產(chǎn)生變形，即不易出現(xiàn)變薄或增厚,g 值對壓縮類變形的拉深影響較大，當(dāng)g值增大，板料易于在寬度方向變形，可減小起皺的可能性，而板料受拉處厚度不易變薄，又使拉深不易出現(xiàn)裂紋，因此g值大時，有助于提高拉深變形程度。

6）板平面各向異性指數(shù)?g

板料在不同方位上厚向異性指數(shù)不同，造成板平面內(nèi)各向異性。用?g表示：

?g=（g₀+g₉₀+2g₄₅）/2                  （1.4.2）

式中 g₀、 g₉₀、g₄₅——縱向試樣、橫向試樣和與軋制方向成45°試樣厚向異性指數(shù)。

?g越大，表示板平面內(nèi)各向異性越嚴(yán)重，拉深時在零件端部出現(xiàn)不平整的凸耳現(xiàn)象，就是材料的各向異性造成的，它既浪費材料又要增加一道修邊工序。

1.4.4 常用沖壓材料及其力學(xué)性能

沖壓最常用的材料是金屬板料，有時也用非金屬板料，金屬板料分黑色金屬和有色金屬兩種。黑色金屬板料按性質(zhì)可分為：

1)普通碳素鋼鋼板  如Q195、Q235等。

2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼板  這類鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能都有保證。其中碳鋼以低碳鋼使用較多，常用牌號有：08、08F、10、20等，沖壓性能和焊接性能均較好，用以制造受力不大的沖壓件。

3)低合金結(jié)構(gòu)鋼板  常用的如Q345（16Mn）、Q295（09Mn2）。用以制造有強度要求的重要沖壓件。

4)電工硅鋼板  如DT1、DT2。

5)不銹鋼板  如1Crl8Ni9Ti，1Cr13等，用以制造有防腐蝕防銹要求的零件。

常用的有色金屬有銅及銅合金（如黃銅）等，牌號有T1、T2、H62、H68等，其塑性、導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性均很好。還有鋁及鋁合金，常用的牌號有L2、L3、LF21、LY12等，有較好塑性，變形抗力小且輕。

表1.4.1列出了部分常用金屬板料的力學(xué)性能。

非金屬材料有膠木板、橡膠、塑料板等。

沖壓用材料的形狀，最常用的是板料，常見規(guī)格如71031420和100032000等。對大量生產(chǎn)可采用專門規(guī)格的帶料（卷料）。特殊情況可采用塊料，它適用于單件小批生產(chǎn)和價值昂貴的有色金屬的沖壓。

板料按厚度公差可分為A、B、C  3種；按表面質(zhì)量可分為 I 、 II 、 III 3種。

用于拉深復(fù)雜零件的鋁鎮(zhèn)靜鋼板，其拉深性能可分為ZF、HF、F 3種。一般深拉深低碳薄鋼板可分為Z、S、P 3種。板料供應(yīng)狀態(tài)可為：退火狀態(tài)M、淬火狀態(tài)C、硬態(tài)Y、半硬（1／2硬）Y₂等。板料有冷軋和熱軋兩種軋制狀態(tài)。

復(fù)習(xí)思考題 1

1-1  簡述變形溫度、應(yīng)力狀態(tài)對塑性和變形抗力的影響。

1-2 塑性變形的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有什么特點？

1-3  板料的拉伸試驗所測得的力學(xué)性能指標(biāo)有哪些？這些指標(biāo)對沖壓成形性能有什么影響？

1-4 什么是伸長類變形？什么是壓縮類變形？板料成形中哪些是伸長類變形？哪些是壓縮類變形？如何劃分？

1-5  材料的哪些力學(xué)性能對伸長類變形有重大影響？哪些對壓縮類變形有重大影響？為什么？

1-6．    當(dāng)s₁>s₂>s₃時，利用全量理論和體積不變定律進(jìn)行分析：

（1）當(dāng)s₁是拉應(yīng)力時，e₁是否是拉應(yīng)變？

（2）當(dāng)s₁是壓應(yīng)力時，e₁是否是壓應(yīng)變？

          (3)每個主應(yīng)力方向與所對應(yīng)的主應(yīng)變方向是否一定一致？

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