金属板材的冲压成形性能

1、金属板材的冲压成形性能作者：旭日笑 出自：旭日笑 浏览/评论：845/0 日期：2007年7月18日16:28金属板材的成形性能是指板材对冲压成形工艺的适应能力。板材成形性能的好坏 会直接影响到冲压工艺过程，生产率，产品质量和生产成本。板料的冲压成形性 能好，对冲压成形方法的适应性就强，就可以采用简便工艺，高生产率设备，生 产出优质低成本的冲压零件。对冲压成形件来说，不产生破裂是基本前提，同时 对它的表面质量和形状尺寸精度也有一定要求，故板料冲压成形性应包括： 抗破裂性，贴模性和形状冻结性能等几个方面。所谓冲压成形就是板材可成形能 力的总 称，或者叫做广义的冲压成形性能。广义成形性能中的抗破裂

2、性能，可 视为狭义的冲压成形性能。板料在成形过程中，一是由于起皱，塌陷和鼓包等缺 陷而不能与模 具完全贴合；另一方面因为回弹，造成零件脱模后较大的形状和 尺寸误差。通常将板材冲压成形中取得与模具形状一致的能力，称为贴模性；而把零件脱模后保持其既得形状和尺寸的能力，称为形状冻结性。通常把材料开 始出现破裂时的极限变形程度作为板料冲压成形性能的判定尺度。目前对抗破裂性的研究已取得了不少成 果。根据把冲压成形基本工序依其变形区应力应变的 特点分为伸长类（拉伸类）与压缩类两个基本类别的理论，可以把这种冲压成形 的分类与冲压成形性能的分类建 立如表1-3所示的对应关系。板料冲压成形的 试验方法有多种，概

3、括起来分为直接试验和间接试验两类。直接试验中板材的应 力和变形情况与真实冲压基相同，所 得的结果也比较准确；而间接试验时板材 的受力情况与变形特点却与实际冲压时有一定的差别。所以，所得的结果也只能间接地反映板材的冲压性能，有时还要借助 于一定的分析方法才能做到。常用 的方法为：直接试验中的模拟试验和间接试验中的拉伸试验。表1-3 冲压成形性能的分类冲压成形类别成形性能类别提高极限变形程度的措施伸长类冲压成形（翻边、胀形等）伸长类成形性能（翻边性能、胀形性能等）1） 提高材料的塑性 2）减少变形不均匀程度 3）消除变形区局部硬化层和应力集中压缩类冲压成形（拉深、缩口等）压缩类成形性能（拉深性能、

4、缩口性能等）1）降低变形区的变形抗力、摩擦阻力2）防止变形区的压缩失稳（起皱）3）提高传力区的承载能力复合类冲压成形（弯曲、曲面零件拉深成形等）复合类成形性能（弯曲性能等）根据所述成形类别的主次，分别采取相应措施一、板材拉伸试验拉伸试验是评价板材的基本力学性能用成形性能的主要试验方法。由于简单可行，所以是目前普遍采用的一种方法。 由单向拉伸试验所能 获得的 材料特性值如图1-3所示。图1-3单向拉深实验所得到的材料特性值 示意图拉伸试验与冲压成形性能有密切关系的几项主要性能参数如 下：1）称屈强比 较小的屈强比几乎对所有的冲压成形都是有利的。屈强比小，对压缩类成形工艺有利。拉深时，如果板材的屈

5、服点低，材料起皱的趋势小，防止起皱所必需的压边力和摩擦损失也会降低，对提高极限变形程度有利。例如，低碳钢的 时，极限拉深系数m=0.48 0.5 65Mn的时，极限拉深系数则为 m=0.68 0.7在伸长类成形工艺中，如胀形，拉型， 拉弯，曲面形状的成形 等，当 低时，为消除零件的松弛等弊病和为使零件的形状和尺寸得到固定所需的拉力也小， 所以成形工艺的稳定性高， 不易出废品。 弯 曲件所用板材的 低时， 卸 载时的回弹变形也小， 有利于提高零件精度。 可见屈 服比对板材的冲压成形性能的影响是多方面的， 而且也是很重要的。（2）与叫均匀伸长率，板材在拉 力作用下开始产生局部集中变形 （缩颈时）的

6、伸长率。 称 为总伸长率， 是在拉伸中试样破坏时的伸长率。 一般情况下， 冲压成形性都在板 材均匀变形范围内进行。 所以 表示板材产生均匀的或稳定增长的塑性变形的能 力，它直接决定板材在伸长类变形中的成形性能。可以用 间接表示伸长类变形 的极限变形程度，如翻边系 数，扩口系数，最小弯曲半径，胀形系数等。实验 结果表明，大多数材料的翻边变形程度都与 成正比例关系，具有很大胀形成分 的复杂曲面拉深件用的钢板，要求 具有很高的 值。（ 3）硬化指数 n 硬化指 数 n 也称 n 值，它表示在塑性变形中材料硬化的强度。 n 值大时，在伸长类变形 过程中可以使变形均匀化，具有扩 展变形区，减少毛坯的局部

7、变薄和增大极限 变形参数等作用。 n 值是评定板材成形性能的重要指标，可用幂次式近似表示 为： 。式中指数 n 称为应变强化指数， 它 在数量上就等于单向拉伸时材料厂刚 要出现颈缩时的实际应变。表1-4 部分板材的n值及c值材料n值c /MPa材料n值c /MPa08F 0.185 708.76 T2 0.455 538.37 08Al（ZF） 0.252 553.47 H62 0.513 773.38 08Al（HF） 0.247 521.27 H68 0.435 759.12 08Al（Z） 0.233 507.73 QSn6.5-0.1 0.492 864.49 08Al（P） 0.25

8、 613.13 Q235 0.236 630.27 10 0.215 583.84 SPCC（ 日本） 0.212 569.76 20 0.166 709.06 SPCD（ 日本） 0.249 497.63 LF2 0.164 165.64 1Cr18Ni9Ti 0.347 1093.61 2Al2M 0.192 366.29 1035M 0.286 112.43 （4） 厚向异性系数 r 值 r 值是评价板材拉深成形性能的一个重要材料参数。 r 值反映了板材在板平面方向和板厚方向由于各向异性而引起应变能力不一致的 情况，它 反映了板材在板平面内承受拉力或压力时抵抗变薄或变厚的能力，它 是板拉

9、伸试验中宽度应变 与厚度应变 之比，即 式中 、 与 、 分别是变形 前后试 样的宽度与厚度。 当 r=1 时，板宽与板厚间属各向同性。 而 时，则为各 向异性。r1说明该板材的宽度方向比厚度方向更易变形。即r值大时，能使筒形件的 拉极限变形程度增大。用软钢、不锈钢、铝、黄铜等所做的试验也证 明了拉深比与 r 值之间的关系（表 1-5）。表 1-5 拉深比与 r 值的关系r 值 0.5 1 1.5 2拉深比 2.12 2.18 2.25 2.5由 于板材轧制时的方向性， 所以板材平面内各方向上的 r 值是不同的。 因此，采用 r 值应取各个方向上平均值。 即 式中 、 、 分别表示板材纵向 （

10、轧 制方 向）、横向和 45方向上的厚向异性系数（见图 1-4）。 表 1-4 板材轧 制方向 （5）板平面各向异性系数板材平面的力学性能与方向有关， 称为板平面方向性。 圆筒形件拉伸时， 板平面方向性明显地表现在零件口部形成突耳 现象。 板平面方向性越大， 突耳的高度也越大， 这时增大切边余量， 增加了材料 的消耗。板平面方向性大时，在拉深、翻边、胀形等冲压过程中，能够引起毛坯 变形的不均匀分布。 其结果不但可能因为局部变形程度的加大而使总体的极限变 形程 度减小，而且还可能形成冲压件的不等壁厚，降低冲压件的质量。在板平 面内不同方向上力学性能的各项指标中， 板方向性系数对冲压成形性能的影响

11、较 明显，所以 在生产中都用 表示板平面方向性的大小， 是板材平面内不同方向 上板厚方向性系数r的平均差别，其值为：=0时，不产生突耳；0时，在0、 90方向产生凸耳；v 0时，在45方向产生凸耳。由于板平面方向性对冲压变形式冲压件质量均 为不利，所以生产中尽量设法降低 值，表 1-6 给出了常用板材的 r 用 值。表 1-6 一些板材的 r 值及 值材料沸腾钢 1.23 0.91 1.58 1.16 0.51 脱碳沸腾钢 1.88 1.63 2.52 1.92 0.57 钛镇静钢 1.85 1.92 2.61 2.08 0.31 铝镇静钢 1.68 1.19 1.90 1.49 0.60 钛

12、 4.00 5.49 7.05 5.51铜 O材 0.90 0.94 0.77 0.89 -0.01 铜 1/2H 材 0.76 0.87 0.90 0.85 -0.04 铝 O材 0.62 1.58 0.52 1.08 -1.01 铝 1/2 材 0.41 1.12 0.81 0.87 -0.51 不锈钢 1.02 1.19 0.98 1.10 -0.19 黄铜 2 种 O材 0.94 1.12 1.01 1.05 -0.14 黄铜 3种 1/4H 材 0.94 1.00 1.00 0.99 -0.03O意思是软质，钢O材指软质钢材。 H意思是硬质，铜H材指半硬质的 铜材。（6） 值 x 值

13、为双向等拉与单向拉伸的抗拉强度之比， 即 设双向等拉伸状态下的抗拉强度为 ，单向拉伸状态下的抗拉强度为 ，平面应变状 态下的抗拉强度为 ， 为应力比值， 即 ，上式可写成下式： x 值可用图 1-5 所示的方法求出。 x 值与拉深深度的关系如图 1-6 所示。由图可知， x 值能很好 反映各种板材的拉深性能。用式（1-1 ）求x值实际比较困难， 所以用 代替x 值，即 具体求 的方法是： 用常规拉伸试样进行拉伸试验， 求出单向拉伸时的抗 拉强度 ，再用带圆弧切口试样进行拉伸试验求出平面应变下的抗 拉强度 。然 后取二者比值，即可得到 值。 图 1-5 x 值的求法图 1-6 成形深度与 x 值

14、的关系值是与材料力学性能有关的参数。 x 值表达式中 对应的应力状态（双等拉）与 圆筒形件拉深的凸模圆角处毛坯的应力状态相似， 而 表达式中 对应的应力状态 （平面应变）与圆角形拉深件侧壁部 分的应力状态相似。因此， 值大的材料， 表明拉深变形毛坯侧壁传力区具有更高的强度，即有更高的承载能力。另外， 对 高的材料， 当应力单向拉伸转为双向拉 伸时，表现出更强的性质。 所以圆筒 形拉深件做侧壁所经历的变形，材料可以得到强化。因此， 高的材料拉深极限 也高。（ 7）应变速率敏感性指数 m m 值原 为超塑性成形材料的一个重要性能 参数。经研究表明，即使在非超塑性状态下，甚至很小的m值，也将影响胀形

15、成 形极限。m值的增大，使成形极限线水平提高。一般认为，m值对提高伸长类变 形的成形极限的贡献主要在拉伸失稳以后，使过缩颈伸长率行到了提高。 二、 模拟实验 试验中，试件的应力状态用变形特点与 相应的冲压工艺基本一致，因此试验结果可直接反映该种工艺的成形性能。 对伸长类成形常用的模拟试验方 法有艾利克辛试验（杯突试验）、液压胀形试验、扩孔试 验等。对压缩类成形 常用杯形件拉深成形 （又称 Swift 试验）、最大拉伸力对比试验用锥形杯复合成 形性能试验等。对于复合成形（大型覆盖件的成形多为复合 成形）常用锥形杯 复合成形性能试验、杯突试验及方板对角试验等。1利克辛试验（杯突试验） 艾利克辛试验

16、采用材料胀形深度胀形深度 h 值作为衡量胀形 工艺的性能 指标。在试验， 材料向凹模孔中有一定的流入， 并非纯胀形， 略带一点拉深工艺 的特点，比较接近于实际生产的胀形工艺，因此，其试验数据比较反映实 际， 由于操作简单， 所以应用较广。 试验装置见图 1-7，标准的杯突值如图 1-8 所示。 我国标准见国标GB4156-1984金属杯突试验。图1-7 艾利克辛实验 图1-8 标准杯突值 2. 液压胀形试验用液压胀形法评定材料的纯胀形性是比较好 的，试验装置简图如图 1-9 所示。试验参数用 极限胀形系数表示， 即 （1-3） 式中 开始产生裂纹时的高 度；一模口半 径。极限胀形系数K值越大，

17、材料的胀形性能越好。 图 1-9 液压胀形实验 3.KWI 扩孔试 验作为评价材料翻边性能的试验方法，是采用带有内孔直径 为 的圆形毛坯。在图 1-10 所示的模具中进行 扩孔，直径内孔边缘出现裂纹为止。测定此时的内孔直径 ，并用下式计算极限 扩孔系数入%式中入值越大，材料扩孔性能越好。4.Swift杯形件拉深试验Swift 试验是以求极限拉深比LDR作为评定板材拉深性能的试验方 法，我国采用 JB4409.3-1988 称为冲杯试验。试验用模具如图 1-11 所示。 图 1-10 KWI扩孔试验简图图1-11 求LDR的试验方法1-凸模2-压力圈 3- 凹模 4- 试样 试验时，用不同直径的

18、平板毛坯置于模具中， 按规 定的条件进行试验。 确定出不 发生破裂所能拉深成形件的最大毛坯直径 与凸模 直径 之比，此比值称极限拉深比。通常用 LDR表示，即LDR值越大，板材的 拉深性能就越好，这种方 法简单易行，缺点是压边力不能准确地给定，影响试 验值的准确性。5.拉深力对比试验（TZP试验）图1-12所示为JB4409.2-1988 薄钢板TZP试验方法的示意图。试验模具的凸模直径d与试片直径 的比例可采 用 。试验时，当拉深力越过最大拉深力 后，加大压边力， 使试片外圈完全压死， 然后 再往下拉深， 这时拉深力急剧上升， 直至拉裂， 测得破裂点的拉深力 ，采 用指标TZP来评定材料的拉深工艺性 能,即TZP值越大时，说明最大拉深力与 拉 断力之差越大， 工艺稳定性越好， 板材拉深性能越好。 图 1-12 TZP 拉深力 对比试验 a） 试验方法 b） 拉深力 -行程的关系 c）TZP 试 验图 1-13 锥形件拉深试验方