第一章 板料机械性能与冲压性能

第一章板料机械性能与冲压性能

1.1 板料冲压成形性能及冲压材料

1.1.1 板料的冲压成形性能

板料的冲压成形性能是指板料对各种冲压加工方法的适应能力。如便于加工，容易得到高质量和高精度的冲压件，生产效率高(一次冲压工序的极限变形程度和总的极限变形程度大)，模具消耗低，不易产生废品等。板料的冲压成形性能是一个综合性的概念，冲压件能否成形和成形后的质量取决于成形极限(抗破裂性)，贴模性和形状冻结性。

成形极限是指板料成形过程中能达到的最大变形程度，在此变形程度下材料不发生破裂。可以认为，成形极限就是冲压成形时，材料的抗破裂性。板料的冲压成形性能越好，板料的抗破裂性也越好，其成形极限也就越高。

板料的贴模性指板料在冲压成形过程中取得模具形状的能力，形状冻结性指零件脱模后保持其在模内获得的形状的能力。影响贴模性的因素很多，成形过程发生的内皱、翘曲、塌陷和鼓起等几何缺陷都会使贴模性降低。形状冻结性影响的最主要因素是回弹，零件脱模后，常因回弹过大而产生较大的形状误差。

材料冲压成形性能中的贴模性和形状冻结性是决定零件形状精度的重要因素，而成形极限是材料将开始出现破裂的极限变形程度。破裂后的制件是无法修复使用。因此生产中以成形极限作为板料冲压成形性能的判定尺度，并用这种尺度的各种物理量作为评定板料冲压成形性能的指标。

1.1.2板材冲压成形试验的试验方法

板料冲压性能试验方法通常分为三种类型：力学试验、金属学试验（统称间接试验）和工艺试验（直接试验）。其中常用的力学试验有简单拉伸试验和双向拉伸试验，用以测定板料的力学性能指标，而这些性能与冲压成形性能有着密切的关系；金属学试验用以确定金属材料的硬度、表面粗糙度、化学成分、结晶方位与晶粒度等；工艺试验也称模拟试验，它是用模拟生产实际中的某种冲压成形工艺的方法测量出相应的工艺参数，试件的应力状态和变形特点与相应的冲压工艺基本一致，试验结果能反映出金属板料对该种冲压工艺的成形性能。例如Swift的拉深试验，测出极限拉深比LDR；TZP试验，测出对比拉深力的T 值；Erichsen 试验，测出极限胀形深度Er 值；K.W.I扩孔试验测出极限扩孔率λ等。有关的试验方法参见金属板料试验标准。

1.1.3金属板料的力学性能与冲压成形性能的关系

金属板料的力学性能是用板料试样作单相拉伸试验求得的，由于试验的目的不同，该方法和材料力学中评审材料强度性能的拉伸试验有所不同。具体的试验方法和步骤按国家标准(GB228—87)执行。图1.4.1 a)为标准试样图，图b）是拉伸曲线。利用该试样的单相拉伸试验可以得到与金属板材冲压成形性能密切相关的试验值。这里，仅对其中几项指标说明如下：

图1.1.1 拉伸试验用的标准试样和拉伸曲线

(1) 屈服极限ζs

许多试验已经证明，屈服极限ζs小，材料容易屈服，变形抗力小，成形后回弹小，贴模性和形状冻结性能好。但在压缩类变形时，易起皱。

(2) 屈强比ζs／ζb

屈强比ζs/ζb对板料冲压成形性能影响较大，ζs／ζb小，板料由屈服到破裂的塑性变形阶段长(变形区间大)，有利冲压成形。一般来讲，较小的屈强比对板料的各种成形工艺中的抗破裂性有利。而且成形曲面零件时，容易获得较大的拉应力使成形形状得以稳定(冻结)，减少回弹。故较小的屈强比，回弹也小，形状的冻结性较好。

(3) 总延伸率δ与均匀延伸率δu

δ是在拉伸试验中试样破坏时的延伸率，称为总延伸率，简称延伸率；δu在拉伸试验开始产生局部集中变形(刚出现细颈时)的延伸率，叫做均匀延伸率，它表示材料产生均匀的或稳定的塑性变形能力。当材料的伸长变形超过材料局部延伸率时，将引起材料的破裂，所以δu也是一种衡量伸长变形时变形极限的指标。实验证明延伸率或均匀延伸率影响翻孔，扩孔成形性能的最主要指标。

(4) 硬化指数n

大多数金属板材的硬化规律接近于幂函数ζ＝Ｃεn的关系，可用指数n表示其硬化性能。n大，材料在变形中加工硬化严重，真实应力增大。在伸长类变形中，n值大，变形抗力增长大，从而使变形均匀化，具有扩展变形区，减少毛坏局部变薄和增大极限变形参数等作用。尤其是对于复杂形状的曲面零件的深拉成形工艺，当毛坏中间部分的胀形成分较大时，n值的上述作用对冲压性能的影响更为显著。

(5) 板厚方向性系数γ

板厚方向性系数γ，也叫做γ值，它是板料试样拉伸试验中宽度应变εb与厚度应变εt 之比，表达式为：

（1.1.1） γ值的大小，表明板材在受单向拉应力作用时，板平面方向和厚度方向上的变形难易程度的比较。也就是表明在相同受力条件下，板材厚度方向上的变形性能和板平面方向上的差别。所以叫板厚方向性系数，也叫塑性应变比。γ＞1时，表明板材在厚度方向上的变形比较困难。在拉深成形工序中，加大γ值，毛坯宽度方向易于变形，切向易于收缩不易起皱，有利拉深成形。由于板料轧制时的方向性，在板平面各方向的r值是不同的，因此，采用γ值应取各方向的平均值，即

(1.1.2)

式中γ0、γ90、γ45分别为板料在纵向、横向和45°方向上的板厚方向性系数。

(6) 板平面各向异性系数△γ

板料经轧制后，在板平面内也出现各向异性，因此沿各不同方向，其力学性能和物理性能均不同，冲压成形后使其拉深件口部不齐，出现“凸耳”，△γ愈大，“凸耳”愈高，如图1.4.2所示。尤其在沿轧制45°方向与轧制方向形成的差异更为突出。

图1.1.2 △γ对拉深件质量的影响

板平面各向异性系数△γ，可用厚向异性系数γ在沿轧制纹向0°方向的γ0、45°方向的γ45和90°方向的γ90 (分别取其试样试验)之平均差别来表示，即：

△γ＝（γ0＋γ90－２γ45）/2 （1.4.3）

由于△γ会增加冲压成形工序(切边工序)和材料的消耗，影响冲件质量，因此生产中应尽应量设法降低△γ值。

1.2常用的冲压材料及其性能

1.2.1冲压常用的材料

冲压常用材料，多为各种规格的板料、带料等，它们的尺寸规格，均可在有关标准中查得。在生产中常把板料切成一定尺寸的条料或片料进行冲压加工。在大批生产中，可将带料在滚剪机上剪成所需宽度，用于自动送料的冲压加工。