板料冲压成形性能及冲压材料

板料冲压成形性能及冲压材料

板料的冲压成形性能

板料对各种冲压成形加工的适应能力称为板料的冲压成形性能。具体地说，就是指能否用简便地工艺方法，高效率地用坯料生产出优质冲压件。冲压成形性能是个综合性的概念，它涉及到的因素很多，其中有两个主要方面：一方面是成形极限，希望尽可能减少成形工序；另一方面是要保证冲压件质量符合设计要求。下面分别讨论。

(一)成形极限

在冲压成形中，材料的最大变形极限称为成形极限。对不同的成形工序，成形极限应采用不同的极限变形系数来表示。例如弯曲工序的最小相对弯曲半径、拉深工序的极限拉深系数等等。这些极限变形系数可以在各种冲压手册中查到，也可通过实验求得。

依据什么来确定极限变形系数呢？这要看影响成形过程正常进行的因素是哪些。冲压成形时外力可以直接作用在毛坯的变形区（例如胀形），也可以通过非变形区，包括已变形区（例如拉深）和待变形区（例如缩口、扩口等），将变形力传给变形区。因此，影响成形过程正常进行的因素，可能发生在变形区，也可能发生在非变形区。归纳起来，大致有下述几种情况：

1.属于变形区的问题

伸长类变形一般是因为拉应力过大，材料过度变薄，局部失稳而产生断裂，如胀形、翻孔、扩口和弯曲外区等的拉裂。压缩类变形一般是因为压应力过大，超过了板材的临界应力，使板材丧失稳定性而产生起皱，如缩口、无压边圈拉深等的起皱。

2.属于非变形区的问题

传力区承载能力不够：非变形区作为传力区时，往往由于变形力超过了该传力区的承载能力而使变形过程无法继续进行。也分为两种情况：

1)拉裂或过度变薄；例如拉深是利用已变形区作为拉力的传力区，若变形力超过已变形区的抗拉能力，就会在该区内发生拉裂或局部严重变薄而使工件报废。

2)失稳或塑性镦粗：例如扩口和缩口工序是利用待变形区作为压力的传力区，若变形力超过了管坯的承载能力，待变形区就会因失稳而压屈，或者发生塑性镦粗变形。

非传力区在内应力作用下破坏：非变形区不是传力区时，由于变形过程中金属流动的不均匀性，也可能产生过大的内应力而使之破坏。根据发生问题的部位不同，可分为：

1)待变形区拉裂或起皱：例如在盒形件的后续拉深工序中，待变形区金属流入变形区的速度不一致，靠直边部分流入速度快，角部金属流入速度慢。在这两部分金属的相互影响下，直边部分容易发生拉裂，角部则容易沿高度方向压屈起皱。

2)已变形区拉裂或起皱：如薄壁件反挤时，若金属从变形区流到已变形区的速度不均匀，则速度快的部位易因受附加压应力而起皱，速度慢的部位易受附加拉应力的作用而开裂。

综上所述，不论是伸长类还是压缩类变形，不论问题发生在变形区还是非变形区，其失稳形式无非两种类型：受拉部位发生缩颈断裂，受压部位发生压屈起皱。为了提高冲压成形极限，从材料方面来看，就必须提高板材的塑性指标和增强抗拉、抗压的能力。

(二)成形质量

冲压零件不但要求具有所需形状，还必须保证产品质量。冲压件的质量指标主要是厚度变薄率、尺寸精度、表面质量以及成形后材料的物理力学性能等。

金属在塑性变形中体积不变。因此，在伸长类变形时，板厚都要变薄，它会直接影响到冲压件的强度，故对强度有要求的冲压件往往要限制其最大变薄率。

影响冲压件尺寸和形状精度的主要原因是回弹与畸变。由于在塑性变形的同时总伴随着弹性变形，卸载后会出现回弹现象，导致尺寸及形状精度的降低。冲压件的表面质量主要是指成形过程中引起的擦伤。产生擦伤的原因除冲模间隙不合理或不均匀、模具表面粗糙外，往往还由于材料粘附模具所致。例如不锈钢拉深就很容易有此问题。

1.4.2板料冲压成形性能试验

(一)板料冲压成形性能试验方法

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；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。例如 Swift的拉深试验测出极限拉深比LDR ；T ZP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。下面仅对板材简单拉伸实验进行介绍。

(二)板材拉伸试验

板材的拉伸试验也叫做单向拉伸试验或简单拉伸试验。应用拉伸试验方法，可以得到许多评定板材冲压性能的试验值，所以应用十分普遍。

由于试验目的不同，板材冲压性能评价用的拉伸试验方法和所得到的试验值均与为评定材料强度性能的拉伸试验有所不同。简单介绍如下：

图1.4.1 拉伸实验试样

试验设备：拉力试验机（机械式或液压式）。

试验时，利用测量装置测量拉伸力P与拉伸行程（试样伸长值）ΔL，根据这些数值作出s－d曲线。（图1.4.2）。试验可以得到下列力学性能指标：

图1.4.2 拉伸曲线

1）屈服极限σs或σ0.2；

2)强度极限σb；

3）屈强比σs/σb；

4）均匀伸长率δu；

5）总伸长率δ；

6）弹性模数E；

7）硬化指数n；

8）厚向异性指数

1.4.3 板料力学性能与冲压成形性能的关系

板料力学性能与板料冲压性能有密切关系。一般来说，板料的强度指标越高，产生相同变形量所需的力就越大；塑性指标越高，成形时所能承受的极限变形量就越大；刚性指标越高，成形时抗失稳起皱的能力就越大。

对板料冲压成形性能影响较大的力学性能指标有以下几项：

1)屈服极限σs 屈服极限σs小，材料容易屈服,则变形抗力小，产生相同变形所需变形力就小，并且屈服极限小，当压缩变形时，屈服极限小的材料因易于变形而不易出现起皱，对弯曲变形则回弹小。

2)屈强比σs／σb 屈强比小，说明σs值小而σb值大，即容易产生塑性变形而不易产生拉裂，也就是说，从产生屈服至拉裂有较大的塑性变形区间。尤其是对压缩类变形中的拉深变形而言，具有重大影响，当变形抗力小而强度高时，变形区的材料易于变形不易起皱，传力区的材料又有较高强度而不易拉裂，有利于提高拉深变形的变形程度。

3)伸长率拉伸试验中，试样拉断时的伸长率称总伸长率或简称伸长率δ。而试样开始产生局部集中变形（缩颈时）的伸长率称均匀伸长率δu。δu表示板料产生均匀的或稳定的塑性变形的能力，它直接决定板料在伸长类变形中的冲压成形性能，从实验中得到验证，大多数材料的翻孔变形程度都与均匀伸长率成正比。可以得出结论：即伸长率或均匀伸长率是影响翻孔或扩孔成形性能的最主要参数。