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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(gè)綜合性的概念，它涉及到的因素很多，其中有兩個(gè)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(kuò)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?yàn)槔瓚?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(kuò)口 和彎曲外區(qū)等的拉裂。壓縮類變形一般是因?yàn)閴簯?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(shí) ，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)拉裂或過度變薄；例如拉深是利用已變形區(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(huì)在該區(qū)內(nèi)發(fā)生拉裂或局部嚴(yán)重變薄而使工件報(bào)廢。 

2)失穩(wěn)或 塑性鐓粗 ： 例如擴(kuò)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(huì)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(shí)，由于變形過程中金屬流動(dòng)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(shí)，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(qiáng)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(shí)，板厚都要變薄，它會(huì)直接影響到?jīng)_壓件的強(qiáng)度，故對強(qiáng)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(shí)總伴隨著彈性變形，卸載后會(huì)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(yàn) 

(一)板料沖壓成形性能試驗(yàn)方法

板料沖壓性能試驗(yàn)方法通常分為三種類型：力學(xué)試驗(yàn)、金屬學(xué)試驗(yàn)（統(tǒng)稱間接試驗(yàn)）和工藝試驗(yàn)（直接試驗(yàn)）。其中常用的力學(xué)試驗(yàn)有簡單拉伸試驗(yàn)和雙向拉伸試驗(yàn)，用以測定板料的力學(xué)性能指標(biāo)；金屬學(xué)試驗(yàn)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(yàn)也稱模擬試驗(yàn)，它是用模擬生產(chǎn)實(shí)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(yàn)測出極限拉深比 LDR ； T ZP試驗(yàn)測出對比 拉深力的 T 值； Erichsen 試驗(yàn)測出 極限脹形深度 Er 值；K.W.I擴(kuò)孔試驗(yàn)測出極限擴(kuò)孔率λ等。下面僅對板材簡單拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行介紹。

(二)板材拉伸試驗(yàn)

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

由于試驗(yàn)?zāi)康牟煌�，板材沖壓性能評價(jià)用的拉伸試驗(yàn)方法和所得到的試驗(yàn)值均與為評定材料強(qiáng)度性能的拉伸試驗(yàn)有所不同。簡單介紹如下 ：

圖1.4.1 拉伸實(shí)驗(yàn)試樣

試驗(yàn)設(shè)備：拉力試驗(yàn)機(jī)（機(jī)械式或液壓式）。

試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)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σs或σ0.2；
2)強(qiáng)度極限σb；
3）屈強(qiáng)比σs/σb；
4）均勻伸長率δu ；
5）總伸長率δ；
6）彈性模數(shù)E；
7）硬化指數(shù)n；
8）厚向異性指數(shù)γ

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(qiáng)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(shí)所能承受的極限變形量就越大；剛性指標(biāo)越高，成形時(shí)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(xiàng)：

1)屈服極限σs 屈服極限σs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(shí)，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(qiáng)比σs／σb屈強(qiáng)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(qiáng)度高時(shí)，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(qiáng)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(yàn)中，試樣拉斷時(shí)的伸長率稱總伸長率或簡稱伸長率δ。而試樣開始產(chǎn)生局部集中變形（縮頸時(shí)）的伸長率稱均勻伸長率δu。δu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(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)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(kuò)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σ=Kεⁿ，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(shí)，說明在變形中材料加工硬化嚴(yán)重，真實(shí)應(yīng)力增加大。板料拉伸時(shí)，整個(gè)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(qiáng)。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(gè)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(shí)刻，硬化與斷面減小對承載能力的影響，兩者恰好相等，此時(shí)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�？梢钥闯觯�當(dāng)n值大時(shí)，材料加工硬化嚴(yán)重，硬化使材料強(qiáng)度的提高得到加強(qiáng)，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)γ

由于板料軋制時(shí)出現(xiàn)的纖維組織等因素，板料的塑性會(huì)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：

γ=εb/εt(1.4.1)

式中 εb、εt——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，γ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,γ值對壓縮類變形的拉深影響較大，當(dāng)γ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γ值大時(shí)，有助于提高拉深變形程度。

6）板平面各向異性指數(shù)∆γ

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∆γ表示：

∆γ=（γ0+γ90+2γ45）/2 （1.4.2）

式中 γ0、γ90、γ45——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)。

∆γ越大，表示板平面內(nèi)各向異性越嚴(yán)重，拉深時(shí)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(fèi)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(shí)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(hào)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(qiáng)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(hào)有T1、T2、H62、

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