钣金成形性能

钣金成形性能
一概论
1 .钣金成形性能研究课题的范围和性质
金属变形的两个明显不同的范畴，弹性与塑性。

金属成形，必须在塑性范围内进行，才可以得到
永久变形，其定义不像弹性那样精确，然而也有
一些解析方法和试验结果，并诞生了塑性理论。

钣金成形必须超过弹性极限，但不应超过缩颈阶
段，因为超过缩颈阶段，特别是出现局部缩颈后
纵然可以得到所要求的形状，但在后续成型工序
及使用中横容易招致破坏。

所以研究的范围主要是限于弹性极限到局部缩
颈点之间的塑性区。

对象限与3mm以内的薄板料
1）应力与应变虽然是一个统一体的两面，但
用塑性理论解决问题时，主要是考虑受力及应力状
态，故叫塑性力学。

成形性能主要考虑变形及应变
形态，尤其是最大的极限变形状态。

2）由于以上关系，塑性理论解决问题必用的平
衡方程，考虑成形性能时就不见得用到，因为成形
性能主要考虑变形的过程及结果，不是某一个平衡
状态。

体积不变条件，是这方面唯一经常用到的条
件
3）工艺参数如极限压延比，是一种工艺的综合
极限指标，成形性能考虑的是各个局部的（极限）变形，两者既有联系，又有区别。

2 .钣金成形性能研究的内容和问题
1）材料加工性能和钣金的成形性能
实践证明，改善材料的加工性能，常常比改进加工方法本身能收到更大的经济效益。

图1-2所以，为一个钣金在整个生产过程中，希望能具备的各种加工性能。

钣金加工阶段所需要的加工性能，可叫做冲压性，一般包括冲剪性，成形性和定性性三个方面。

冲剪性是指板材适应冲裁与剪裁加工的能力。

80% ~ 90%钣金件的毛料是经冲剪提供的
成形性是指板材适应各种成形加工的能力。

大多数钣金零件都需要成形工序，使平板毛料变成具有一定形状的零件。

定形性是指在成形外力卸去后，板料保持其已得形状的能力。

由于塑性变形中总包含有弹性分量，外力卸除时，已成形的板料会产生一定的回弹。

由于回弹的互相牵制，还会出现残余应力，零件在储存和使用期间，这些残余应力还可能引起零件变形和开裂。

在上述三个方面中，成形性国外研究得最早，最多，也最有实际效果，故我们也首先抓成形性的研究。

按材料在成形过程中所承受的变形方式来分类，一般可分为：
（1）弯曲成形（包括拉弯）
（2）压延成形
（3）胀形（还包括拉形、局部成形）
（4）拉深成形（包括单向拉深、翻孔、凹弧翻边等）
（5）收缩成形（包括收边、管子缩颈、收口、凸翻边等）。

（6）体积成形（包括旋薄、变薄压延、喷丸成形、压印等）
当前所谓板料的成形性，一般是指板料对前四类成形方法的适应能力。

剧统计，形状复杂，成形难度较大的钣金件，绝大多数属于压延或胀形，或这两者不同的复合成形。

成形性中最为重要的是成形极限的大小。

钣金在成形过程中存在两种成形极限，一是起皱，另一是破裂。

成形极限可以用“发生起皱或破裂之前，材料能承受的最大变形程度”来表示。

薄钣金很容易起皱，对应不起皱的允许变形程度常常很小。

在实际生产中，起皱可用压边圈（或类似的机械夹持）等方法来预防，故起主导作用的的极限经常是破裂。

材料的破裂是在受拉的情况下，经过弹性变形—均匀塑性变形—分散性失稳—集中性失稳几个阶段才发生的。

故在成形性研究中，板料抵抗拉伸失稳的能力，是个重要的内容。

对汽车钣金来讲，更换材料遇到最大的困难就是成形性的问题。

下面是日本冶金公司对他们的几百中钢、铝、铜等薄板提供六个方面15项成形性能方面的数据，供
订货者选择。

A 板厚
B 单向拉深试验的数据
①抗拉强度бb
②屈服点бs
③屈服比бs / бb
④极限伸长率еp
⑤均匀伸长率δ
⑥应变刚指数n值
⑦厚向异性系数γ值
⑧平面异性系数△γ值
C 弯曲试验的数据
R/t（弯曲内半径与厚度比，弯角180°）
D 硬度试验的数据——硬度值
E 成形试验的数据
①埃利克森值——IE（A），IE（B）
②斯威弗特压延比值——L.D.R（或βk）
③福井试验值——C.C.V
F 显微组织试验的数据——晶粒度
2）成形性能研究的问题
成形性能中最为重要的是成形极限的大小。

成形极限可理解成为钣金在发生破裂前能够得到的变形程度，也就是我们说的“塑性”。

塑性不是金属的本性，而是金属的一种状态。

一种金属的塑性大小，不仅与其成分、组织有关，还与下列因素有关：
①变形方式——材料在变形过程中所受的应力应变状态
②变形条件——变形温度、速度、外摩擦等条件
③变形经历——（变形历史）
④附近材料的应变剃度
再者，在具体生产中，一种牌号钣金的塑性，还与以下具体生产条件有关
①尺寸效应（因尺寸的增大或缩小而引起的成形性差别）
②边缘状况
③模具参数
④机床工作参数
⑤摩擦润滑情况
⑥工人操作情况
故同一种牌号的钣金，即使对同一种成形方式，因具体生产条件不同，其适
应能力还可能不同，因此评定一重钣金成形性能的指数，如要求能与各种具体生产工艺参数定量地相对应，则非常的繁琐，指数过分繁多了，就失去评定的意义。

但如评定的指数过少，则将有很多因素的影响不能得到反映。

用尽量少的指数，把各种主要因素的影响都包括进去。

此外，钣金的成形性能在成形过程中，还是随变形程度的增加而变化的，需要找到变化的规律，并统一规定用多大变形程度的成形性能指数，来代表材料的成形性能。

所以，钣金成形性能研究的问题可概括为“四多一变”。

即零件形状多，成形方法多，材料牌号多，影响因素多，而且一种牌号材料成形性能，在成形过程中还是变化的。

3.鉴定钣金成形性能的指数与试验
1）概述
①基本成形性能指数及试验
②模拟成形性能指数及试验
③成形性能曲线及试验
④特定成形性能指数及试验
⑤金属学的成形性能指数及试验
A 基本成形性能指数及其试验
ⅰ. 单拉试验求得的成形性能相关指数
从单拉试验求得的使用性能数据，可找到下述与成形性相关的定性关系：①屈服点бs和抗拉强度бb高，所需要的成形力大
② 屈强比бs/бb 小或屈强差бb-бs 大，成形性好
③ 均匀伸长率εB 大，极限伸长率еp 大，强度与伸长率乘积бb ·еp 大，屈强差与
均匀伸长率乘积（бb-бs ）·εB 大，成形性好； ④ бs/E 小，回弹小；
⑤ 屈服点伸长率еY.P 大，零件的表面目视质量差。

材料按假象应力应变关系曲线的
形状分有两种类型。

第一类材料没有明显的屈服点，一般用0.2%永久伸长时应力б0.2作为屈服强度。

第二类材料有不连续的屈服现象，当屈服时有一段应力上下波动的应变区，这个应变区的长度叫屈服点伸长еY.P 。

第二类材料成形经过屈服时，材料表面会产生目视可见的滑移线（Luder ’s lines ）滑移线十分明显时，零件表面将会不平滑，即使不太明显，零件的外观亦会受到严重损害。

这种不连续屈服现象最易在退火状态的冷扎钢板中产生。

еY.P 值往往达百分之几，其机理是钢中的固溶碳和氮与位错的相互作用。

对退火钢板施以轻度调质
扎制，可增加材料中的动位错，从而消除不连续屈服现象。

但固溶氮和碳随时间延长而发生的扩散聚集，会使增加的这些动位错又重新被固定下来，这种现象叫应变时效。

ⅱ. 单向拉伸求得的成形性能特定指数
60年代以来，研究工作的重大成就之一，是证明了：通过单拉试验求得的下述指数，能够令人满意的表明钣金成形性能的好坏。

① 厚向异性指数r 值
② 应变强化指数n 值，又叫应变刚指数
③ 应变速率敏感指数m 值，又叫应变速率强化指数
如变形不是在室温条件下进行，变形温度对材料的塑性变形有重要影响。

更 全面的看，材料单拉实际应力曲线应采用如下形式表示：
),,,(T K f m
n
∙=εεσ
其中∙
ε=dt d /ε，叫实际应变的应变速率，T 为绝对温度（K o ）。

在室温常速条件下，m=0，则实际应力曲线可表示为： n K εσ=
在变形温度高于0.5熔T 时，将没有应变强化，即n=0，则实际应力曲线可表示为：
m
C *=εσ
∙
∙
∙
∙∙∙
-∙===ε
ε
σ
εε
ε
εε
σd m d mC d mC d m
m 1
可知
)//()/(∙
∙=εεσσd d m
因而m 值可定义为：单拉试验中，变形抗力增长率对应变速度增长率的比值。

有两种测量m 值方法。

第一种方法（图a ）是用两个不同的试件以不同的应变速率进行拉伸（12∙
∙
>εε），由实际应力—应变曲线计算m 值：
)
/log()
/log(1212∙
∙
=
εεσσm
用这个方法的缺点是，由于两个试件的热效应不同，试验条件是不同的。

比较好的用图b 所示的方法；这是在拉伸试验中，试验机的活动头原以速度1V 运动，然后跳到另一个速度2V 。

在每个速度都有其相应的载荷1P 和2P ，而后可以用下式计算m 值：
)
/log()/log(1212V V P P m =
当试件某局部有出现细颈的趋势时，该处的应变速率
将急剧增大，如果材料的m 值大，则该处的变形抗力也将急剧增大，从而将变形转移到抗力尚低的区域去，阻止拉伸失稳（局部缩颈）的发生，故提高了材料的延伸性能。

我们把m 值大的材料，叫超塑性材料，对于有面心立方晶格的金属，m ≈0；对于体心立方晶格，m ≈0.005；对于超塑性金属，m ≈0.6；对于聚已烯，m ≈1。

故m 值在热成形中具有重要的意义,但对于常温常速成形，m 值没有什么重要意义。

m 除用在高温成形外，由于m 是应变速率强化指数，也是确定动力屈服强度的指数，在高速变形中，也有实际意义；例如对于汽车车身壁板，用指数m 高的钣金，可以提高抗冲击强度和不容易发生冲击凹坑的缺陷。

拉伸试件，变形速度的变化及其效应，可作如下的理解：
拉伸试件在开始（即扩散）缩颈中，只在缩颈区变形。

设L 为缩颈前的试件总长度，B L 是缩颈部分的长度，t l d d /是试验机所加的延伸速度，则应变速度∙
ε为：
在缩颈前：
L
dt
dl 1⨯
=∙
ε
在缩颈后：
B
B L dt
dl 1⨯
=∙ε
得
B
B
L 1=
∙
∙ε
ε
该比值在缩颈开始时较大，由于缩颈区的应变速度有较大的增加，增加了这部分
继续变形的抵抗力，这说明为什么缩颈开始时在较大的范围内进行，即所谓扩散缩颈，最后才集中在局部进行，即所谓局部缩颈。

在高温下，这种扩散性缩颈作用扩散到整个试件，范围广，时间长，出现所谓超塑性现象。

以上拉伸试验得到的各种参数与成形性能的关系，如下表
ⅲ. 硬度试验求得的硬度值
一般来说，材料的硬度越大，其成形性越差，但没有什么定量的联系，而且还有很多例外。

故硬度只能用来在同种钣金之间，作成形性能相对好坏的比较。

而不能用在不同种类的材料之间作比较。

硬度一般是用压痕试验来确定的。

常用的有 ① 维氏硬度HV
2
1891
.0d P HV
式中 P ——所加载荷（N ）
d ——永久压痕对角线长度（mm ）
② 布氏硬度 HB
102.0)
(22
2
⨯--
=
d D D D P HB π
式中 P ——所加载荷（N ） D ——钢球直径（mm ） d ——压痕直径（mm ） ③ 洛氏硬度 HR
它是通过测定小载荷下时的压小深度和大载荷压下深度之差，来表示硬度。

较软的材料用B 标度HRB ，较硬的材料用C 标度HRC B. 模拟成形性能指数及其试验
它是在相似的条件下，以小尺寸的典型零件来模拟某一类成形方法的变形方式（材料在变形过程中所承受的应力应变状态），由实验求得的某种钣金在这类成形方法下的极限变形程度，以次作为评定该种钣金对这类成形方法适应能力的指数。

由于考虑了变形方式这一重要因素，因此模拟成形性能比基本成形性能指数更能直接而较准确的说明某种钣金对某类成形方法的成形性能。

但模拟实验与实际生产之间，在变形条件，变形历史，应变剃度，尺寸效应和边缘状况等方面未能全都保证相似，故所求得的极限成形参数，用作材料成形性能好坏的相对比较是可以的，但要作为指导实际生产的具体数据需要仔细修正。

C. 成形极限曲线及其试验
模拟试验只能模拟几种典型的变形方式，实际生产中变形方式的种类很多，尤其是复杂形状的钣金件上，每一点的变形方式都可能不同，是不可能一一模拟的，但是在任何“拉-拉”的应力状态的变形方式下，都是以拉裂来表示钣金的成形极限，把各种“拉-拉”应力状态下的成形极限点联成线，就是材料的成形极限曲线（FLC 或FLD ）。

FLC 位置的高低，反映了材料在各种拉-拉应力状态下局部极限变形能力的大小。

虽然在实际生产中很多成形方式不都是拉-拉应力状态，但是真正对成形起限制作用的危险区内，材料所处的变形方式仍是拉-拉应力状态。

故FLC 位置的高低，可作为材料成形性能好坏的重要指标。

D. 金属学的成形性能指数及其试验
板料的成形性能，虽然受到宏观的变形方式和变形条件的重大影响，但材料本身的微观组织在变形过程中的变化，则能更本质的决定板料的成形性能。

目前评判钣金成形性能好坏的金属学方面的指数有：
① 晶粒大小
晶粒大小可用ASTM 的晶粒度级别N 表示，如21mm 截面积上的晶粒数为n ，则 32+=N n
即N 值愈大，表示晶粒愈细。

N ＞5的钢（即21mm 内有256个以上的晶粒）就叫细 晶粒钢。

对于冷扎钢板，晶粒度N 应适当小（晶粒适当粗大），成形性能才好。

② 表面粗糙度
常用的Kobayashi R 值 。

沿着板内较大主应变1e 的方向连续测8mm 宽，最高和
最底线间的最大距离叫R 值，以μm 计。

实践表明，过分粗糙的表面，摩擦力大，并易于生产应力集中，对成形不利。

但是过分光滑的表面，使润滑剂容易被模具挤走，也使摩擦力增大，并易于发生金属间的粘贴，对成形性不利。

适当粗糙的表面可使润滑剂储存在表面的微谷中；这些微谷还可把断屑或杂物收存起来，从而减少对零件表面的刮伤。

板料的其它表面质量，如划伤，擦伤、分层、气泡等，都会使板料在成形时提前发生破裂，因而都会降低板料的成形性能。

E. 特定成形性能指数及其试验
① 凸耳试验（Earing Test ）及其指数
凸耳反映板面内材料的各向异性（即△r 值）。

用圆形毛料压延平底杯形件时，由于板面内材料有各向异性，杯口会带有几个吐耳。

凸耳试验的指数有凸耳的方位，个数和平均耳高E 。

Siebel 建议用下式定义E ：
%1002
1
⨯+-=）
（）（谷峰谷峰h h h h E 峰h ——从杯底到凸耳顶峰的平均高度 谷
h ——从杯底到凸耳谷底的平均高度
由于凸耳值能灵敏反映材料平面各向异性的大小，而板材的平面各向异性值（△r 值）又能集中而灵敏的反映板料成分、熔炼、扎制和热处理规范等变化的影响，故凸耳值可以作为一个评判板材成形性能是否稳定的重要参数。

如凸耳值是稳定的，说明其它各种成形性能指数也大致是稳定的。

厚向异性系数r 高时，常会有高的△r 值，对于低碳钢，这就增加了凸耳高度，减小了压延件的有效高度。

下图是三种材料凸耳高度和△r/r 比值的关系曲线，凸耳高度还随压延比β（毛料直径与圆杯直径之比）的增加而增加。

变薄压延由于能改变沿环向的厚度变化剃度，故有减小凸耳高度的作用。

右图是模具间隙与凸耳高度的关系。

组织无填隙（interstitial-free ）的钢，磷化沸腾钢和铜含量高的钢，与纹路成45°的方向有高的厚向异性系数（r45），因而提高了r 值，降低了△r 值和凸耳高度。

③下陷成形试验（Joggle Test）及指数
将角材或薄壁挤压型材，在某局部突然下折一定距
离，谓之下陷成形，这种成形
在飞机制造中经常遇到。

以不出现破裂和起皱的（h/l）max值作为成形性能指数。

h和l是下陷的深度和长度。

4. 钣金成形中的应力应变状态及其几何表示方法
工程应变（假象应变），其主应变为 00
11l l l e -=
00
22l l l e -=
03t t t e -=
这里00,t l 分别为原来长度和厚度，t l l 和,,21为变形后的长度和厚度。

工程应变在弹性范围内仍近似于实际应变，但在塑性变形中，误差很大，在塑性变形中，一般用对数表示（实际应变），即
⎰
==l
l l l l
dl 0
)ln(
ε
板内最大的实际应变为 )ln(
111
l l l
dl l l ==⎰
ε
板内最小的实际应变为 )ln(
222
l l l
dl l l ==⎰
ε
厚度方向的应变为
)ln(
30
t t t
dt t
t ==
⎰
ε
这里 12εε<
实际应变与工程应变有以下关系：
)
1ln()1ln()
1ln(332211e e e +=+=+=εεε
工程应变不能迭加，而实际应变可以。

如由原长，变为，经历c b a l l l l ,0即最后的总应变为： )ln(
)ln(
)ln(
)ln(
l l l l l l l l c b
c a
b a =++=ε
体积不变的条件为： 0321=++εεε
1） 变形板中一点，其主应变或应力状态
的几何表示方法，变形板料内一点A 的应变状态，可用一点A 来表示，连线OA 与1ε轴的夹角 βεε1
1
2-==
tg
tg ，故φ
φ
2/εε为A 点的应变状态参数，表示为β，即
1
2
εεβ=。

在简单加载的情况下（实际生产中，
一次冲压成形，一般近似为简单加载），β为常数。

2） 钣金冲压中
的应力应变状态
二 厚向异性系数r
目前研究的板料成形性能范围限于压延和胀形两种变形方式，对这两种变形方式有影响的参数，分别为厚向异性系数r 与应变强化指数n 。

1. 厚向异性系数r 的定义与意义
厚向异性系数是以单拉中，宽度方向应变2e 和厚度方向应变3e 之比表示，即
3
2e e r =
f
f
t t w w r 00log
log =
这里0w 和0t 分别是原始宽度和厚度，f w 和f t 是最后的宽度和厚度
由于板件的厚度不均匀及拉伸后粗糙度增加，影响测量精度，可根据体积不变条 件，即： f f f t l w t l w =000 0
00log
log
l w l w w w r f f f
=
所以可以看出，当r>1时，钣金在宽度方向收缩比厚度变薄更容易些，当r<1时，钣金在厚度方向变薄比宽度方向收缩更容易些。

在压延成形中，我们把拉压兼有的凸缘部分也就是压延性质的区域，当作主要变形区，但真正确定变形区能有多大的变形程度，关键在于有宽板拉伸性质的侧壁危险剖面的强度。

，凸缘所压失稳的有害性质可以用有效的压边措施予以制止，但危险剖
面的强度只取决与钣金本身的性质，即钣金固有的成型性能，在这里起决定性作用的是r 值。

r 值愈大，钣金抗失稳变薄的能力愈大，能发挥拉伸失稳前的最大强度，拉动凸缘部分，形成更深的压延件。

2212221S σσσσσ=-+ 当存在厚向异性r 时，上式应写成： 2
2
2212112S r
r σσσσσ=++-
如图，在压延中的危险剖面，其变
形属于胀形性质，由于r 值的增加而提高了屈服强度，也就是说，其变形抗力增加了。

在凸缘部分，即拉压结合的压延变形区，其屈服应力s σ反而由于r 值的增加而减小了，这两种效果都有利于压延过程的顺利进行。

对于厚向异性材料（r ≠1），在单向拉伸中，根据体积不变条件，有以下关系：
1321
e r r re e +-
==
如下图为上面我们所讲应力应变图有了r 的情况：
2. r 值的测定与作为判据的验证
2
123
2ln
ln ln
b b l l b b e e e e e r +-
=+-
==
)2(4
145900r r r r ++=
3. 确定r 值的试件、试验的线图
这里介绍一个为确定软钢板r 值用的试件、试验规程及根据变形后的宽度b 与变形l/l 0，直接由图线查出r 值的方法。

4. 平面各向异性与压延凸耳
⎰
=π
π
20
)(21da
a r r
459002r r r r -+=∆
凸耳还受变形程度和模具的影响，即①变形程度越大，即压延系数m 值愈小时， 凸耳愈显著；②间隙小于板料厚度的部分，会提高该部分成形后的凸耳高度；③凸模圆角半径不均匀时，圆角半径大的部分凸耳增高；④压边力与润滑也有一定的影响，即变形受到阻碍的部分，将来由该部分形成的凸耳也高。

合理利用这些几何关系，利用毛料纤维相对于模具的方位，来减小凸耳高度。

平面各向异性只影响压延件上边的平整度，不影响成形性能。

凸耳是不希望在生产中出现的缺陷，但愈是压延性能好的材料，往往有较为显著的凸耳。

三应变强化指数
1. 定义
作为钣金成形性能主要判据，应变强化指数n是一个比r更重要的指数，它除作为一个成形性能的主要判据外，还可用以应力应变关系。

作为一个重要的物理参数，在塑性理论中，得到广泛的应用。

几乎全部金属，在塑性变形中，其变形抵抗力都是随应变的增加而强化的趋势，所谓的理想塑性，只不过是为了达到简化计算的一种合理设想而已。

这是金属不改变组织，只是由于应变所引起的强化，与渗碳，渗氮及淬火因组织变化而引起的硬化，性质完全不同。

不仅冷作变形有这样强化性质，热作变形也有这种性质。

应力应变曲线高的金属，不管其曲线斜率如何，硬度总是大雨曲线低的金属。

n
σ=
Kε
σlog
ε
K+
=
log n
log
应变强化，一般指应变强化指数而言，在成形中的作用是：当钣金某点应力较其邻近部分大时，其较大的应变由于强化，增加了抵抗进一步变形的能力，故有将变形转移到邻近部分的作用，延缓了该点缩颈的到来，使较大的板面有更为均布的应变。

2. n值随应变的变化。