金属薄板成形性能试验

金属薄板成形性能试验
1. 简介
成形性能是指薄板对各种冲压成形的适应能力，即薄板在指定加工过程中产生塑性变形而不失效的能力。

成形性能研究的重点是成形极限的大小，也就是薄板发生破裂前能够获得的最大变形程度。

1.1 模拟成形性能指标
选择或评定金属薄板冲压成形品级时，可对模拟成形性能指标提出要求。

设计或分析冲压成形工艺过程，以及设计冲压成形模具时，经常需要参考模拟成形性能指标的数据。

薄板常用模拟成形性能指标有：
1、胀形性能指标：杯突值IE；
2、拉深性能指标：极限拉深比LDR或载荷极限拉深比LDR（T）；
3、扩孔（内孔外翻）性能指标：极限扩孔率（平均极限扩孔率）λ（λ）；
4、弯曲性能指标：最小相对弯曲半径R min/t；
5、“拉深+胀形”复合成形性能指标：锥杯值CCV；
6、面内变形均匀性指标：凸耳率Z e；
7、贴模（抗皱）性指标：方板对角拉伸试验皱高；
8、定形性指标：张拉弯曲回弹值。

1.2 特定成形性能指标
选择或评定金属薄板冲压成形品级、协议金属薄板的订货供货、设计或分析冲压成形工艺过程时，可对金属薄板的材料特性指标或工艺性能指标提出要求，或参考它们的数据，它们统称为特定成形性能指标：
1、塑性应变比（r值）或平均塑性应变比（r）；
2、应变硬化指数（n值）；
3、塑性应变比平面各向异性度（r∆）。

1.3 局部成形极限
评定、估测金属薄板的局部成形性能，或分析解决冲压成形破裂问题时，可使用金属薄板的成形极限图或成形极限曲线。

1.4 其他
以上所列举的各种成型性能试验方法均为我国冲压生产和冶金制造行业已经使用或比较熟悉的模拟成型性能试验方法，而且也属于国际上的主流成形性能
试验范畴。

除这些方法外，国际上还流行其他一些模拟成形性能试验，见图1。

图1 模拟成形性能试验方法
注：整体成形极限指金属薄板在冲压过程中发生颈缩、破裂、皱曲等成形缺陷之前，某种特定的整体几何尺寸或某种几何特征的整体尺寸可以达到的极限变形程度。

局部成形极限指金属薄板在冲压过程中发生颈缩、破裂、皱曲等成形缺陷之前，局部点位或局部变形区域可以达到的极限变形程度。

2.成形极限图（FLD）的测定
采用刚性凸模对金属薄板进行胀形的方法测定成形极限图，Zwick/Roell BUP600试验机进行试验，Auto-Grid网络应变分析系统对结果进行分析。

2.1 试样
测定一定厚度薄板的FLD需要边长180mm，宽度分别为160mm、140mm、120mm、100mm、80mm、60mm、40mm和20mm的9个试样。

由于模具需要，试样制成中部窄两端宽的类似哑铃形状，如图2所示。

图2 试样准备
2.2 应变分析网络
为了测定试样的极限应变，需要在每个试样上制取应变分析网络。

根据软件Auto-Grid网络应变分析系统的要求，网络图案制成边长为2mm的方格。

图3 试样上的应变分析网络
2.3 润滑和接触条件
液体润滑剂使用全消耗系统用油L-AN100，根据试样厚度选择不同厚度的聚乙烯（或氯乙烯、聚四氟乙烯）等薄膜作为固态润滑剂。

2.4 压边力
无特殊要求，压边力要求压牢试样材料，以保证试样不发生变形流动为准。

2.5 试验速度
对试验速度（即凸模运动速度）不作具体规定，但不允许试验机停车时对试样产生较大的惯性远动，同时亦避免惯性力破坏试样上的颈缩或破裂状态。

2.6 试验原理
刚性凸模胀形试验时，将一侧板面制有网络圆的试样置于凹模与压边圈之间，利用压边力压牢试样材料，试样中部在凸模力作用下产生胀形变形并形成凸包，板面上的网格同时发生畸变，当凸包上某个局部产生颈缩或破裂时，停止试验，测量颈缩部位或破裂部位（或这些部位附近）畸变网格的尺寸，由此计算金属薄板板面上的极限应变，这种极限应变可称为面内极限应变。

图4 胀形试验后的试样
2.7 FLD图生成
将胀形后的试样用与Auto-Grid网络应变分析系统配套的照相装置拍摄三维立体图片，用分析系统对每个试样的变形极限进行分析，最后得到FLD图。

图5 FLD图
3. 埃里克森杯突试验
采用Zwick/Roell BUP600试验机进行试验。

3.1 试验原理
将一个端部为球形的凸模对着一个被夹紧的试样进行冲压成形为一个凹痕，直到出现一条穿透裂纹，穿透裂纹是指穿透整个试样厚度的裂纹，并且裂纹的宽度为刚好能使光线在裂纹部分透过。

依据凸模位移测得的凹痕深度即为埃里克森杯突值IE。

图6 埃里克森杯突试验示意图
3.2 试样
试样应平整，其宽度或直径大于等于90mm，压痕中心到试样任何边缘的距离不小于45mm，相邻压痕中心间距不小于90mm。

对于窄试样，压痕中心应在试样宽度的中心，相邻压痕中心间断至少为一个试样宽度。

试样边缘不应产生妨碍其进入试验设备或影响试验结果的毛刺或变形。

试验前，不能对试样进行任何捶打或冷、热加工。

3.3 试验条件
通常，试验在10℃～35℃的温度范围内进行。

在需要控制温度条件下进行的试验，温度应控制在（23±5）℃以内。

3.4 注意事项
1、试样的厚度测量应精确到0.01mm；
2、设备操作以前，在试样会接触到凸模和压模的部位涂上少量石墨脂；
3、压边力约为10kN；
4、对于标准试验，速度控制在5mm/min～20mm/min之间。

对于宽度小于90mm 的试样，速度控制在5mm/min～10mm/min之间。

5、除非产品标准另有规定，应至少进行三次试验，埃里克森杯突值IE为所有测量值的平均值，单位mm。

图7 埃里克森杯突试验后的试样
4. 拉深试验
采用Zwick/Roell BUP600试验机进行试验。

4.1 试验原理
试验时，将圆片试样压置到凹模与压边圈之间，通过凸模对其进行拉深成形。

本试验需要采用不同直径的试样，按照逐级改变直径的操作程序进行拉深成形，以测定拉深杯体底部圆角附近的壁部不产生破裂时允许使用的最大试样直径(D0)max，用其计算极限拉深比LDR。

图8 拉深试验示意图
4.2 试样
本试验采用圆片状试样，按规定的直径级差分组，组数不少于2，每组内有效试样数量为6。

规定相邻两级试样的直径级差为1.25mm，各级试样的外径偏差不大于0.05mm。

4.3 润滑
推荐使用1号、3号或4号润滑剂对试样进行润滑，参照附录A规定。

4.4 压边力
压边力应满足以下两个要求：不允许压边圈下面的试样材料起皱，但应保证它们能够在凸模的拉深力作用下发生流动和拉深变形。

试验过程中，压边力应保持恒定，重复试验时的压边力偏差保持在±5%以内。

4.5 试验速度
凸模运动速度即试验速度控制在（1.6～12）×10-4m/s 。

4.6 试验温度
通常可在10～35℃温度环境下进行试验，如有必要亦可把温度环境设置为23℃±5℃。

4.7 注意事项
出现以下任一种情况，试验无效：
1、破裂位置不在杯体底部圆角附近的壁部；
2、杯体出现纵向褶皱；
3、杯体形状明显不对称，两个对向凸耳的峰高之差大于2mm 。

在下列任一种情况下结束试验：
a 、一组试样中，3个试样破裂、3个试样未破裂（试样直径记录为D ’0）；
b 、当某一级试样的破裂个数小于3，而直径增大一级后，试样破裂的个数等于或大于4（试样直径记录为D ′′0）。

图9 拉深后的试样
上图左边的为正常破裂的试样，右边为完好试样。

4.8 试验结果和计算
最大试样直径(D 0)max 分下述两种情况确定：
1、当出现3.6项中a 的情况时，(D 0)max =(D ′0)；
2、其他情况按下式计算，计算结果保留两位小数。

式中，D 0——试样的直径；
]})(D [])(D {[21)(D 01i ''00i ''0max 0Z X
Y D X X Y D •-∆++•-∆-=+
(D′′0)i——在相同直径的一组试样中，破裂的试样个数小于3时，该组的试样直径，角标i表示试样直径序号，此时的破裂试样数用X表示；
(D′′0)i+1——在相同直径的一组试样中，破裂的试样个数等于或大于4时，该组的试样直径，角标i表示试样直径序号，此时的破裂试样个数用Y表示，未破裂的试样个数用Z表示；
ΔD0——相邻两级试样直径的尺寸级差。

极限拉深比LDR=(D0)max/d p，式中d p为凸模直径。

5. 锥杯试验
采用Zwick/Roell BUP600试验机进行试验。

5.1 试验原理
试验时，把圆片试样平放到锥形凹模孔内，通过钢球对试样加压进行锥杯成形，直到杯底侧壁发生破裂时停机，然后测量锥杯口部的最大外径D max和最小外径D min，用来计算锥杯值CCV，即作为金属薄板“拉深+胀形”复合成形性能指标。

图10 锥杯试验后的试样
5.2 试样
试样厚度/mm 0.50～＜0.80 0.80～＜1.00 1.00～＜1.30 1.30～＜1.60 试样直径/mm 36±0.02 50±0.02 60±0.02 78±0.02
表1 试样尺寸要求
本试验采用圆片状试样。

5.3 试验条件
凸模运动速度不作具体规定。

压边力无特殊要求，确保压牢试样材料，以保证试样不发生变形流动为准。

通常可在10～35℃温度环境下进行试验，如有必要亦可把温度环境设置为23℃±5℃。

推荐使用1号、2号或3号润滑剂对试样进行润滑，参照附录A规定。

5.4 注意事项
对同种材料进行6次有效重复试验。

出现以下任一种情况，试验无效：
1、锥杯形状明显不对称；
2、锥杯口部起皱；
3、锥杯底部进入凹模直端部分后发生破裂或仍未发生破裂。

5.5 试验结果和计算
以锥杯口处相对的两个凸耳峰点位基准测量锥杯口在此处的最大外径D max ；以锥杯口处相对的两个凸耳谷底为基准测量锥杯口在此处的最小外径D min ，测量工具的精度不低于0.05mm 。

图11 锥杯口直径测量
按每个试样的实测点数分别计算锥杯口最大外径和最小外径的算术平均值
m ax D 和min D ，计算结果保留一位小数。

每个试样的锥杯值)(2
1
max mim D D CCV +=
，计算结果保留一位小数。

按上式重复试验得到的平均锥杯值∑==n
i i CCV n CCV 1
1，结果保留一位小数。

6. 凸耳试验
采用Zwick/Roell BUP600试验机进行试验。

6.1 试验原理
凸耳试验的目的是为了评定金属薄板塑性平面各向异性的程度。

试验时，将试样压置于凹模与压边圈之间，通过凸模对试样进行拉深，将其成形为一个空心直壁圆形杯体。

图12 凸耳试验后的试样
6.2 试样
本试验采用板状试样，在确保试验过程中拉深杯体底部圆角处不发生破裂的条件下，拉深比尽量取较大值。

对于系列试验或对比试验，每次试验的拉深比应相同，推荐取值1.8。

试样周缘去除毛刺，试验前不应对试样锤击或进行冷、热加工，在试样上标记轧制方向。

试样厚度的测量精度应精确到0.01mm。

6.3 试验条件
通常可在10～35℃温度环境下进行试验，如有必要亦可把温度环境设置为23℃±5℃。

试验前在试样上下板面均匀涂敷少量润滑剂。

凸模运动速度不作具体规定。

施加合理的压边力防止试验过程中试样在拉深凸缘部位起皱，预防拉深起皱所需的压边力应尽量取较小数值。

合理的压边力依据经验或经反复调试确定，初
100⨯-=v
v
t e h h h Z 始调试压边力可参考表2。

凸模直径d p /mm
铝合金薄板/N
钢薄板/N 33 1000 2000 50
2000
4000
表2 压边力初始调试参考值
6.4 注意事项
对同种材料进行3次有效重复试验。

出现以下任一情况试验无效： 1、凸耳部位出现厚度减薄现象；
2、拉深杯体出现非圆形状或杯体形状明显不对称；
3、试样发生破裂、杯体口部或外表具有影响测量凸耳特性指标的褶皱，或出现其他成形缺陷。

按图12所示测量凸耳峰高和谷高，测量精度应达到±0.05mm 。

测定杯体壁高度的凸耳峰值h t 和凸耳谷值h v ，用其计算凸耳率作为参数来衡量各向异性的程度。

图13 凸耳测量
6.5 试验结果和计算
平均凸耳峰高 凸耳峰的数量......
321+++=
t t t t h h h h
平均凸耳谷高凸耳谷的数量
......
321+++=v v v v h h h h
凸耳率
附录A：
A.1 1号液体润滑剂为全损耗系统用油L-AN100。

A.2 2号液体润滑剂按表3配制。

表3 2号润滑剂
A.3 3号液体润滑剂按表4配制。

表4 3号润滑剂
A.4 4号固体润滑剂采用0.04mm聚乙烯薄膜。

注：采用1号～3号液体润滑剂时，应将它们均匀涂覆在干燥后的试样两表面。

采用聚乙烯薄膜作为固体润滑剂时，应将它们用润滑油粘敷在干燥后的试样一侧表面。