钢板成形工艺

从表1－2可以看到，美日两国各年度薄板产量都占其钢产量的40％左右，德国各年度的薄板产量占其钢产量的25％左右，都大大超过了我国薄板产量的比重，他们的薄板产量所以能保持其高份额，正说明他们的薄板有用处和有销路，从我国以买主和用户的角度看，他们近30多年的商品，也都是无可挑剔的。对他们来说，产量的多少并不取决于他们的生产能力，而是取决于用途和销售情况，以销定产。如果他们想在产量上超过我国，将是一件轻而易举的事。苏联的钢材产量是举世无双的，但没有听到关于其在国外有什么销售的情况，无从置评。我国钢铁生产质量上不去，既是多年来的老问题，又是摆在眼前急待解决的新问题。少生产两吨粗钢，多生产一吨优质钢，在经济上也是划得来的，何况我们可以在不减少粗钢产量的条件下，也有余力生产优质钢呢。问题主要是如何生产优质钢。这一点的重要性，国人都知道，钢铁工业界更清楚。作者们急国人之所急，在数年中对板金性能进行科研试验和积累大量有关文献的基础上，提供了一些尚比较全面的资料和分析。由于这是国内第一部专著，可能还不够深透，但相信可以起到抛砖引玉的作用。在本章下面各节将围绕该问题谈一些一般性的问题，在以后各章节再从详讨论一些实质性专题。应当指出的是，本书所谓板金，指包括钢板在内的所有板金，大部分理论、规律与实践，是有通用性的，当然钢板是其中的主要对象。二、板金成形性能研究课题的范围和性质首先将我们所研究的范围，用金属的拉伸曲线予以说明。如图1－1所示，金属的变形性质，有两个明显不同的范畴，即弹性与塑性。人们对金属的弹性是熟知的，它主要是用虎克定律来表示和定义的，这奠定了弹性理论的基础，也是机械构造学科的基础之一。一般金属结构，在使用中都不允许超出这个范围。对于金属成形，却必须在塑性范围内进行，才可以得到永久变形，以保持由成形所得到的形状。关于塑性，其定义就不像弹性那样精确，然而也有一些解析方法和试验结果，并诞生了塑性理论。近几年来，结合试验研究，对金属塑性变形的认识愈为深入。塑性理论也取得了较大发展，并在很多成形工艺中得到了实际应用。板金成形必须超过弹性极限，但不应超过缩颈阶段，因为超过缩颈阶段，特别是出现局部缩颈后，纵然可以得到所要求的形状，但在后续成形工序及使用中很容易招致破坏。由于局部缩颈（或称集中缩颈）前的扩散缩颈，其起始点往往难以测定，故一般以局部缩颈点为最大的许可变形，并考虑给一个适当的安全系数，保证使用可靠。在成形中如果出现局部缩颈，纵然有些金属还可以有相当大的伸长率，但对有强度要求的零件即应作为废品，不允许利用。我们所研究的范围，主要限于从弹性极限到局部缩颈点之间的塑性区。对象局限于3mm以内的薄板料。如上所述，塑性理论和弹性理论一样，都是为了解决关于材料受力变形的问题。只是前者重点在于改变原来形状，后者要求保持或恢复原来形状。板金成形性能只就成形来说，当然应是传统的塑性理论问题。不过把成形性能作为重点来考虑，是由于生产实际的要求，在最近三年发展起来的一个新课题。从传统的塑性理论观点来看，它至少在目前有以下几个特点：1） 应力与应变虽然是一个统一体的两个方面，但用塑性理论解决问题时，主要是考虑受力及应力状况，即做塑性力学。成形性能主要考虑变形及应变形态，尤其是最大的极限变形状况。2） 由于以上关系，塑性理论解决问题必用的平衡方程，考虑成形性能时就不见得用到，因为成形性能主要考虑变形的过程及结果，不是某一平衡状态。3） 考虑成形性能时，塑性屈服准则也不提了，因为成形性能主要考虑极限或接近极限的应变状况，不是塑性变形的开始与持续。4） 应变协调条件也不见用了，因为成形性能考虑的都是大变形问题。体积不变条件，是这方面唯一经常用到的条件。5） 工艺参数如极限压延比，是一种工艺综合极限指标，成形性能考虑的是各个局部的（极限）变形，两者既有联系，又有区别。6） 最后，更为重要的一点是，在板金成形中，其受力后的应力状态很难测定，但变形结果则是比较容易看得出和测得到的。因而对成形性能的判断，主要是根据板金在各种成形方式中，所能得到的最大变形。对于应力状况，只要有定性的了解就够了，往往不需要进行定量计算。虽然目前看来有上述特点，但并不是说，板金成形性能是塑性理论之外的另一门学科。只是由于目前用塑性理论的一些基本方程，还不能很好的解决目前这方面存在的迫切问题，因而只能主要根据试验手段，确定出一些能够判断板金成形性能的一些客观规律和判据。也有一些学者，试图用塑性理论的基本理论与方程，来初步说明这些客观规律，这在下面对各有关问题的说明中，将会分别提及。故只能说，目前对板金成形性能的大量研究得到的成果（主要是试验结果），为塑性理论与板金工业紧密联系，开辟了一个崭新的广阔前景，并为塑性理论更加成熟和完善，提出了一个努力的方向。三、板金成形性能研究的内容和问题1．材料的加工性能和板金的成形性能决大多数的材料都要经过加工，才能制成零件或商品。因而，材料除需具备必要的使用性能（如强度、耐腐蚀能力）外，还需具有良好的加工性能（如可焊性、可切割性、可成形性）。加工性能和使用性能一样，都是对材料最基本最重要的要求。实践证明，改善材料的加工性能，常常比改进加工方法本身能收到更大的经济效益。图1－2所示，为一个板金件在整个生产过程中，希望能具备的各种加工性能。板金加工阶段所需要的加工性能，可叫做冲压性，一般包括冲剪性、成形性和定形性三个方面。冲剪性是指板材适应冲裁与剪裁加工的能力。80%~90%板金件的毛料是经冲剪提供的。板材设计图样板材板金加工几何精度 （构造工艺性）力学性能 （质量要求）-表面质量（冲压性）组合装配（连接性）阳极化喷漆电镀塑料覆层装饰表面保护（可饰性）（使用性）（经济性）产品板金加工几何精度 （构造工艺性）力学性能 （质量要求）-表面质量（冲压性）组合装配（连接性）阳极化喷漆电镀塑料覆层装饰表面保护（可饰性）（使用性）（经济性）产品图1-2钣金件所需的加工性能成形性是指板材适应各种成形加工的能力。大多数板金零件都需经成形工序，使平板毛料变成具有一定形状的零件。定型性是指在成形外力卸去后，板料保持其已得形状的能力。由于塑性变形中总包含有弹性分量，外力卸除时，已成形的板料会产生一定的回弹。由于回弹的互相牵制，还会出现残余应力，零件在贮存和使用期间，这些残余应力还可能引起零件变形和开裂。研究板材对某一类成形方法的适应能力。最常用的分类方法，是按材料在成形过程中所承受的变形方式来分类，一般可分为：（1） 弯曲成形（包括拉弯）（2） 压延成形（3） 胀形（还包括拉形、局部成形）（4） 拉深成形（包括单向拉深、翻孔、凹弧翻边等）（5） 收缩成形（包括收边、管子缩径、收口、凸翻边等）（6） 体积成形（包括旋薄、变薄压延、喷丸成形、压印等）。当前所谓板料的成形性，一般是指板料对前四类成形方法的适应能力。据统计，形状复杂，成形难度较大的板金件，绝大多数属于压延或胀形，或这两者不同比例的复合成形。成形性中最为重要的是成形极限的大小。板金在成形过程中存在两种成形极限，一是起皱，另一是破裂。成形极限可以用“发生起皱或破裂之前，材料能承受的最大变形程度”来表示。薄板金属很容易失稳起皱，对应于不起皱的允许变形程度常常很小。但实际生产中，起皱可用压边圈（或类似的机械夹持）等方法来预防，故起主导作用的极限经常是破裂。材料的破裂是在受拉的情况下，经过弹性变形－均匀塑性变形－分散性失稳－集中性失稳几个阶段才发生的。故在成形性研究中，板料抵抗拉伸失稳的能力，是个重要的内容。对于一个具体零件，有两种指数来说明其变形程度的大小。其一是整体的变形程度，一般用压延系数、翻边系数、相对弯曲半径等来表示。另一种是局部的变形程度，可用坐标网法来求得。对于变形分布均匀的零件，这两种指数是一致的。对于变形分布不均匀的零件，两者就有差别了。某一局部的变形程度已濒于破裂（达到极限），而其它部位的变形程度可能还很小，这时从整体变形量来说也不可能说很大。因此在成形性研究中，板料局部变形的能力和整体变形的能力，应摆在同一重要的地位。60年代以来，各先进工业国家对板金成形性能的研究取得了很大的进展，并在生产中有了广泛的实际应用，举例说明如下：汽车工业过去多使用冷轧沸腾钢板，其压延成形性能差，后改用冷轧铝镇静钢板，成形性能改善，使制造成本降低。近年来又拟改用高强度低合金钢板（HSLA）或硬铝合金板，由这一更换，可使汽车自重减少1/5，而抗冲击能力反有所提高。更换新板料遇到的最大困难，是板料的成形性能问题，因一辆小汽车约有（1.5〜2.5）x103个板金件，约需（2〜4）x103套冲压模具，而允许的生产准备周期往往只有几个月。对于熟悉的板料，有经验可循，作到一次试生产成功和保证流水线生产的稳定是可能的。换用新板料后，情况就不同了，老经验往往不再适用，依靠“试试看，不行再改”的老办法，在经济上和时间上，都已不能满足现代化要求。于是产业界向科技界提出要求，希望至少能在新老料之间，找到一些可以进行定量比较的成形性能指标，以缩短产业界对新板料的认识和掌握周期。类似上述情况的各种产业界的需求，造成了板金成形性能研究工作的长足进展。有关这个专题的国际学术研讨会已开过多次，发表的这方面的理论或试验研究文章已数以千计。正在形成一门新的学科，叫“工艺金属学”。以往的金属学，只侧重研究金属材料的成分、组织与其使用性能之间的关系，现在认识到：具有某些特别优良使用性能的材料，不一定具有良好的加工工艺性能，有时加工性能的好坏，决定着一种使用性能优越的材料能否得到实际应用。因此有必要“研究金属材料的成分、组织、制造工艺与其加工性能之间的关系，”这就是“工艺金属学”板金成形性能研究已为板金工业界解决的问题有：①使生产准备工作初步由经验走向科学；◎指导选用合适的板料；③保证生产稳定，避免因板料性质波动而造成大量废品；①能估计板金件的使用安全裕度（经变形后距破裂还有多远？）；①减少生产中的扯皮，为科学管理创造了条件。成形性能研究为冶金工业界解决的问题，则是刺激和指引他们不断研制出成形性能更好的板金材料。由于国外有激烈的市场争夺问题，冶金工业厂家对成形性能研究和应用的主动性和积极性是非常高的。先进工业国家对板金成形性能的研究结果，已应用于国民经济各部门之中。15项成形性能方面：（1）板厚（2） 单向拉伸试验的数据1抗拉强度bb2屈服点ss①3屈服比s/bsb①4极限伸长率ep①均匀伸长率&①应变刚指数n值①厚向异性系数Y值①平面异性系数△Y值（3） 弯曲试验的数据R/t（弯曲内半径与厚度比，弯角180°）（4） 硬度试验的数据——硬度值（5） 成形试验的数据①埃利克森值——I（A）,I（B）EE0斯威弗特压延比值一L.D.R（或0丿O福井试验值 .C.V（6） 显微组织试验的数据一一晶粒度材料的加工性能是和使用性能一样重要的性能，但目前我国还普遍存在忽视加工性能的倾向。板金的成形性能需由供应（冶金部门）和使用（板金部门）两方面，共同制定出评定其好坏的指标、标准和试验鉴定的方法。2.成型性能研究的问题一种板金，是否存在一个能表明其成形性能好坏（等级）的特性指数？这是研究成形性能时首先想到的一个问题。但是长期研究和实践的结论是：没有任何一个指数，能够说明板金在所有成形方法下的成形性能；经验证明，想找到一个能够全面评定一种板金成形性能的指数是白浪费时间。本来成形性能中最为重要的是成形极限的大小。成形极限可理解为板金在发生破裂前能够得到的变形程度，也就是普通所谓的“塑性”。似乎应该存在一个能表明某种金属其塑性大小的指数，但40年代以来的研究表明：“塑性不是金属的本性，而是金属的一种状态”。一种金属其塑性的大小，不仅与其成分、组织有关，还与下列因素有关：01变形方式一一即材料在变形过程中所受的应力应变状态；变形条件——变形温度、速度、外摩擦等条件；变形经历（变形历史）；附近材料的应变梯度。不同的成形方法，其成形方式、变形条件、变形经历、应变梯度是不同的。故同一种牌号的板材对不同的成形方法，可能有不同的适应能力，即不同的成形性能。再者，在具体的生产中一种牌号板金的塑性，还与以下具体生产条件有关：尺寸效应（因尺寸的增大或缩小而引起的成形性差别）；边缘状况；模具参数；机床工作参数；摩擦润滑情况；工人操作情况；故同一种牌号的板金，即使对同一种成形方法，因具体生产条件不同，其适应能力还是可能不同。因此评定一种板金成形性能的指数，如要求能与各种具体生产工艺参数定量地相对应，则将是非常繁多的，指数过分繁多了，就失去评定意义。但如评定的指数过少，则将有很多因素的影响不能得到反映，评定的意义也将削弱。如何用尽量少的指数，把各种主要因素的影响都能包括进去？这就是这项研究工作的主要问题。此外，板金的成形性能在成形过程中，还是随变形程度的增加而变化的，需要找到变化的规律，并统一规定用多大变形程度时的成形性能指数，来代表材料的成形性能。这就给研究工作提出了难题。板金成形性能研究的问题，可概括为“四多一变”。即零件形状多，成形方法多，材料牌号多，影响因素多，而且一种牌号的材料的成形性能，在变形过程中还是变化的。

13页）-B=13页）£LB该比值在缩颈开始时较大，由于在缩颈区的应变速度有较大的增加，增加了这部分继续变形的抵抗力；这说明为什么缩颈开始时在较大的范围内进行，即所谓扩散缩颈，最后才集中在局部进行，即所谓局部缩颈。在高温下，这种扩散性缩颈作用扩散到整个试件，范围广，时间长，出现所谓超塑性现象。以上由拉伸试验所得到的各种参数与成形性能关系，总结如表1-3所示。表1-3材料拉伸试验参数及其与成形性能关系材料特性符号与成形性能的关系弹性模量E,E/b此值越大，定形性越好屈服点现象上屈服强度和下屈服强度的差，屈服点伸长eY，P发生拉伸滑移线，影响表面质量抗拉强度bb此值越大，成形力越大，与成形性能有关的其它性能大致相冋时，抗拉强度大的成形性好极限伸长率lp 天概括地说，此值越大，胀形性能、翻边性能和弯曲性能越好屈强比b/bs b此值越小，成形性、定形性越好均匀伸长率lb此值越大，胀形性能，弯曲性能和翻边性能越好极限变形能Wf绝对值越大，翻边性能和弯曲性能越好应变强化指数n（单向）,n2（双向）此值越大，胀形性能，压延性能、翻边性能和弯曲性能越好，抗皱折性能也好强度系数K（单向）,K（双向）此值越大，成形力越大厚向异性指数r0（轧制方向）平均「=（「0+「90+2「45）/4在同类材料范围内，超级值越大，压延性能越好，坑皱折性也好△r值△r=(r0+r9O-2r45)/4此值越大，压延件的凸耳越大加工硬化各向异性指数¥— / ；、W-E宀x 拉；单拉对于许多材料，此值越大，压延性能越好，胀形性能也好胀形系数K=‘最大胀形系数、2e、凹模半径丿概括地说，此值越大，胀形性越好晶粒度A.S.T.M.N等晶粒度大，则表皮粗糙再结晶结构组织主方向和其聚集度与压延性能有关（3）硬度试验求得的硬度值一般来说，材料的硬度愈大，其成形性能愈差，其成形性能愈差，但没有什么定量的联系，而且还有很多例外。故硬度只能用来在同种类的板金之间，作成形性能相对好坏的比较。而不能用在不同种类的材料之间作比较。但由于硬度试验简便、快速、不破坏试件、能在车间现场进行。

18页）表1-4成形性能、成形性能试验及成形性能指数归类表之一

表1-5成形性能，成形性能试验及成形性能指数归类表之二成形性能试验方法成形性能指数单向拉伸试验应变刚指数n值均匀延伸率1B，极限延伸率lp液压胀形试验应变刚指数n2值拉胀性能破裂外的厚向应变£tf胀形系数ke最大胀形高度h(mm)llldX埃利克森试验埃利克森值IE(mm)纯拉胀试验极限胀出高度(mm)单向拉伸试验厚向异性指数r值宽度收缩应变屮值压延性能液压胀形试验加工硬化各向异性指数a值压延试验极限压延比L.D.R.(用平底凸模)，G值。恩格哈梯试验EngelhardtT值单向拉伸试验nXr值压延胀形复合成形性能锥杯试验n值锥杯值C.C.V.(mm)压延试验L.D.R.(用球底凸模)极限成形高度hmax(mm)单向拉伸试验极限性能3fn值lB，G扩孔性能lp液压胀形试验n2值；破裂处厚向应变£tf扩孔试验K.W.I值弯曲性能弯曲试验Rmin/t单向拉伸试验△r值板面内各向异性凸耳试验平均耳高E值锥杯试验外径的比较单向拉伸试验屈服现象，拉伸滑移，表面粗糙表面恶化性埃利克森试验表面粗糙，拉伸滑移，液压胀形试验表面粗糙度单向拉伸试验弹性模量E，zs/E定形性倔强比△zs/zb，r值实物试验成形件尺寸差等抗起皱性单向拉伸试验r值，n值二次成形性多次拉伸试验极限再压延比第128页）第八章建立成形极限曲线的试验方法建立成形极限曲线的各种方法到目前为止，实际应用的成形极限曲线，都是用试验方法建立的。用试验方法建立的FLC,主要是集中性失稳FLC和破坏FLC0由于分散性失稳难以判断，所以不是试验研究的对象。第一批FLC［127，128］，是对工业生产中冲压件。测量其破坏点的应变而作出的。其应变状态介于£2=飞］（即P=-1,纯剪状态）和£2=1（即P=1，双向等拉状态）之间。为了对FLC进行深入研究，和求得更多材料的FLC，必须在试验室中进行在。在试验室中建立材料的FLC，必须解决下述三个主要问题：①极限状态的形成一一能够以线性的或准线性的变形，使试件上的某一点达到极限状态；0应变状态的改变——能够使极限状态点的应变状态，在P=-1至S=1之间变动；©测量点的选择一一能够恰当地确定极限应变的数值。单向拉伸试验和液压用胀形试验的优点，是板料与模具之间即不存在摩擦，也不存在触压力。图8-2所示的，是用不同的简单试验方法得到的变形路线。由这些结果可以得出以下结论：01用一道工序的简单试验，变形路线基本上是一条直线，也是近似于简单加载。©对于可板条拉伸（ISO50）,试验点基本上是按下述理论直线分布的:此式是由体积不变条件81+82+83=0,和r值的定义r=£2/£3得到的。这个试验结果和Lacombe对不同的材料所得的结果相同［134］。

050的Swift压延试验和用TPE1试件的拉伸试验，变形路线接近纵轴（平面应变），即p=0。用圆形凹模的Jovignot液压胀形试验，变形路线接近直线方程e=e，即p=112这相当于双轴向等拉。以上几种简单试验方法，一种只能得一个p值下的极限点，要改变极限点的应变状态是很不方便的。故建立FLC使用最多的试验方法是Nakaaima试验［158］。其实质是刚性凸模胀形试验。凸模呈半球形（图8-3），凸缘被压边圈压紧。通过凸模胀形，使试件上的某个点达到极限状态；通过改变试件宽度和试件与凸模间的润滑，来改变极限点的P值。试件宽度W=66,77,88，99，104,112mm不等，可得到从匕=-0.2到S=+0.4的应变，相应于从压延到胀形22的应变状态。这种试验的一种改型，是试件长边不平行，中间逐渐变窄或变宽［157］；另一种改型是凸模呈圆柱形、平底、试件上有槽口［159］。这些试验都存在板料与模具之间的摩擦，但有试件与试验用模具［158］二、刚性凸模胀形试验1．极限状态的形成采用BHB22型极限曲线试验机，代号的含意是：北航板金试验仪仪器设备中第2类的第2种。图8-4是这种试验机的外形图和原理图。板料试件置于上、下边圈之间。上压边圈外周为齿形凸凹，与缸体端面孔周的齿形凸凹配合，通过手柄转动上压边圈使其凸出处与缸体上端面孔周上的凹入处对齐。上压边圈可在缸体端南上出入，这样便于放取试件。外活塞上升，即可将试件凸缘周边压紧，内活塞上升通过凸模使试件胀形。试验过程中，可直接通过缸体端面上的开孔观察试件的变形情况。胀形动力电动泵和高压手动泵各一套。电动泵的作用是使低、高压腔能快速充油，以省时省力。手动泵的作用的为了能够细微地控制凸模的行程，以便较准确的判断试件“开始失稳”的时刻。顺序阀的作用是保证先压紧周边才能开始胀形。成形完毕后，靠弹簧作用排油，使内、外活塞回到下死点。2aJOCILX : 由詰ED娃QJ由图8-4BHB22成形极限曲线试验机外形及原理示意图[163]1—手柄2—上压边圈3—试件4—下压边圈5—凸模6—高压腔7—低压腔8—缸体9—外活塞10—内活塞11—顺序阀12—弹簧主要的的试验步骤如下;①裁剪试件并清洗干净；用BHB21型装置在试件上印制坐标网格；在BHB21型试验机上把试件胀形到极限状态；④测量选定的极限点（测量点）椭圆的长短轴，算出其ei和e2；在ei，e2的直角坐标系中，标出各种应变下极限状态下极限的（ei，9。作这些试验点的逼近曲线。2.应变状态的改变为能较合理的联接各试验成为FLC,希望各试验沿e2轴的分布均匀和合理，如图8-5。改变这种分布的主要手段是：①改变这种试件与凸模的润滑条件；②改变试件的宽度。一般取八个点，在e的正半2轴（拉-拉应变区）以上取四个点，在e2的负半轴（拉-压应变区）以上取三个点，尽量靠近e2=0（平面应变）取一个点。经过大量试验取得以下经验：最常用的胀形凸模直径®=100mm、网格基圆直径d°惣.5mm的情况下，用表8-2所列的试件尺寸和润滑条件，就能得到满意的试验点分布。

表8-2试件尺寸和润滑条件的选择试件号①②③④⑤⑥⑦⑧试件形状□□□□11□□I1/\■^宽1对软钢试件尺寸/mm（长X宽）160X160160X160160X160160X160160X120160X90160X30160X20润滑条件肖氏硬度60°，厚度4mm的聚氨酯橡胶板两层，机油一层四氟乙胶带薄膜加二硫化钼一层聚四氟乙烯生胶带薄膜二硫化钼机油机油机油肖氏硬度60°，厚度4mm的聚氨酯橡胶板一层〜e2(%)+40+30+20+10-0.5-10-20-30对硬铝及超硬铝试件尺寸/mm（长X宽）160X160160X160160X160160X160160X97160X90160X40160X20润滑条件聚氨酯橡胶板两层，聚四氟乙烯薄膜一层，加机油聚氨酯橡胶板一层，不加机油聚四氟乙烯薄膜一层二硫化钼加黄油（比例是1：3）无润滑机油机油二硫化钼加黄油（比例是1：3）-e2(%)+20+15+10+5.00-3.0-7.0-10实践证明，对①〜⑥号试件采用矩形即可，不存在胀形时根部断裂问题。⑦和⑧试件必须加强根部，否则胀形时会从压边的根部断裂，极限点附近应变梯度很大，而且难于测量。加强根部的办法是：在试件中部的两侧边各锉进1〜2mm,削弱段的长度约40〜50mm。如图8-6是这样一套FLC试件的照片图。调整e2值的主要困难之一，是在e2负半轴上1*2I难以得较大的数值，FLC在拉-压应变变区就很短。要使e2有数字较大的负值，并不是使试件宽度更窄些就能达到。试验发现，试件愈窄，其应变梯度越大，坐标网基圆直径d0—定时，极限点应变值的测量误差也就愈大，甚至肉眼就能看出极点处不是椭圆状而是一头大一头小的蛋形。为了使*2能得到较大的负值的数据，还可以把半球形胀形凸模改成半球形球形凸模，这样，试件沿椭球短轴的方向要容易变形一些。调整*2值大小另一主要困难，是找准平面应变（*2=0）点。它即是拉-拉压区曲线和拉-压区曲线的共同点，一般来说，又是整条FLC的最低点。陈鹤峥等［164提出一种找准这一点的试验方法，用图8-7所示的模具和图8-8所示的试件，求得极限点应变值如表8-3。可看出，用这种方法，极限点的应变确实很接近平面应变。3模凹2模凸表8-3平2•面应变试验所彳得极限点的应变值材料长轴应变e,（%）短轴应变e2（%）材料长轴应变e,（%）短轴应变e2（%）优质深压延钢45070/30黄铜（退火）500沸腾钢400BSS.2L72硬铝（充分退火）250304不锈钢60-0.051三．极限应变的确定 测量点的选择试件胀形破裂后的典型情况如图8-9所示。选择哪一个圆网格变成的椭圆作为测量对象，也就是说，用哪一个椭圆的长短轴应变值，来代表试验材料的极限应变。这与FLC的合理性和适合性有很大的关系，而且这也是试验研究中受主观因素影响最大的环节，因此是建立试

验FLC的重点和难点。试验建立破坏还比较容易，试验建立失稳FLC要困难一些。1．破坏极限应变的确定破坏的开始是一个很明显并很明确的现象，一般破坏处是一条直线裂缝。但为了能够得到有重复性的测量数据，也须在注意以下几点（对照图8-10）。裂缝应发生于试件板面内部（不是在边缘上）；应测量裂缝始发生处的椭圆。裂缝延长扩大后，就难于确定始发点了；应测量裂缝通过圆心的那个椭圆；在全部试验中，裂缝的方向相对于板料的辗压方向应是一样的。建立破坏FLC最实用的方法，是美国SAE推荐的方法［166］.作为一个例子，图8-11所示，是一种镇静钢的破坏FLC。该图上破坏分为和板料轧制方向平行和不平行的两种。还可以看出，准工业冲压件的破坏点，也很接近该所示的试验曲线[131]。2．失稳极限应变的确定分散性失稳和起始时刻，用试验方法是极限判断的，而集中性失稳的起始时刻，用试验方法也是难以确定的。因此各国试验研究者提出了多种确定刚出现集中性的失稳时极限点应变的方法，主要的有：⑴J.Woodthorpe等的方法［135］Woodthorpe提出：把试件胀形到破坏，试件上值得考虑的椭圆有三种，如图8-12。跨越裂纹的椭圆;平行纹路的破坏不平行纹路的破坏准工业冲压件0.30.20.1-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2一0.10 0.10.20.30.40.5e2平行纹路的破坏不平行纹路的破坏准工业冲压件0.30.20.1-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2一0.10 0.10.20.30.40.5e2图8-11用铝镇静的特软深压延钢与裂纹椭圆在同一纬度上的对称点处那个椭圆。第①种是破坏极限应变。第②种是测量结果的随机性也太大。他认为第③种较好。我们M3］的工作发现，第三种测量结果的随机性也很大，而且，铝合金材料往往在同一纬度的两边，同时出现明显细颈。⑵C.Veerman等的方法［167,168,169］从试件上预估的破坏的长轴应变三个相邻的圆格VL，W和Vr（图8-13）。随着试件胀形深度的增加，把三个圆格的破坏取本个相邻应变绘在图8-14上。失稳以前，如没有摩擦，三个圆格的应变是相等的（即应变梯度为零）。如有摩擦，则失稳存在应变梯度，摩擦小时应变梯度也很小。如图8-14表示在破坏处附近测得的应变梯度情况。

如以eiw表示圆格W的长轴应变，eiv表示VL和Vr长轴应变的平均值:eee— 1lL十1riv 2则可作出图8-15所示的e和e的关系曲线。失稳以前,1W…的斜直线，如无摩擦，应有e1V=45°。分散性失稳后，e比e则可作出图8-15所示的e和e的关系曲线。失稳以前,1W…的斜直线，如无摩擦，应有e1V=45°。分散性失稳后，e比e增1V到集中性加得快，1W曲线斜率变陡。i失稳时，%的增加一0,eiw仍很快增大。、e为1B长轴方向的分散性失稳、集中性失稳、破坏极限应变。同理可确定出短轴方向的分散性失稳、集中性失稳与破坏极限应变。Veerman方法大大送减少了对分别以e>eic3破坏应是一条与e轴夹角为e2局部缩颈前1原始状态附近测得的应变梯度附近测得的应变梯度“极限”判断的随机性，但要准确地预估破坏也很难，而且要一边试验一边测量，也很不方便。Bragard等提出了对Veerman方法的改进［170］。他们一关次把试件胀形到破坏，测量出破坏椭圆、与位于破坏椭圆长轴延长线上的未破坏的椭圆的长轴应变，这样就得了破坏点附近的应变梯度（图8-16）。最小二乘法，求出这些试验点的拟合方程，从而求出失稳极限应变。对所有实例，e1Max=66%。也可以用手工绘图方法，把这些试验点用光滑曲线连接起来，其最大值即相当是失稳应变e（图1Max8-16），其值比用最小二乘法抛物线所得到的要大些。Bragard方可以通过图形从极限区的应变分布补插出失稳应变（图8-17）,比Veerman法更为实用些。Veerma的方法看起来很严格合理，但我们［163］的工作发现，这种方法不但测量困难，测量结果的随机性也很大。这主要是因为：它要考虑破坏点附近三个以上的椭圆，这相当于采用了大得多的基圆直径，从而大大扩大了试件应变梯度对测量结果的影响。而应变梯度又受到摩擦润滑条件、试件形状、材料n值、失稳程度等诸多因素的影响。⑶Hecker等的方法［130,171］他认为试件应形胀裂后，裂纹附近的椭圆可分为三类（图8-18）。破裂了椭圆（图中黑色实心的点）；受细颈区或破裂区的大椭圆（即位于细颈影响区或已变粗糙，受破裂影响区内的椭圆，图中半实心的点）

位于细颈或破裂影响区之外的椭圆（图中空心的点）。他认为选择某一个“恰当”的椭圆来进行测量，从而得出一个极限点，这样做随机性太大。应将三类椭圆各测量若干个’把这些点都标在：〜e2坐标系上’然后作一条曲线’使之在①、②类椭圆所得出的点以下，又在③类椭圆所得出的点之上。这条曲线就是失稳FLC（图8-19）。e=1L+1re1V= 、补插方法求得刚出现缩颈的应变e1max图兽厨Ifecktr方怯的拥18分类图8-17Bragard补插方法求得刚出现缩颈的应变e1max图兽厨Ifecktr方怯的拥18分类图8-17Bragard方法，求缩颈

应变的补插方法Hecker方法是一般推荐的方法，所得的曲线是有实用价值的成形极限曲线，其缺点是需要测量的椭圆太多。⑷J.Hiam等的方法[136]他们研究了三种定义极限点的方案：测量紧邻从中间裂开的椭圆的未破裂椭圆（图8-20的方法1）；测量与破裂椭圆最邻近的那个未破裂椭圆（图8-20的方法2）；精确测出试件刚破裂时的高度，把试件胀形至刚小于预定的破裂高度是停止加载测量此时应形最大的椭圆（可称为方法3）。图8-21是这三种定义的比较。用方法1得出的点落在Keerler-Goodwen的带的下限，用方法2得到的点落到Keerler-Goodwen带内，用方法3得到的点在Keerler-Goodwen带的上限。

这种差别可由图8-22得到解释。试件从压紧的边缘到破裂点应变是逐渐增大的，愈靠近裂纹应变值愈大。方法1测量的椭圆最远，方法2就近一些，方法3正在细颈处。Hiam建议采用方法2。这种方法比较简便,但选择被测椭圆的随机性仍较大。-20-1010 203040 502（%）h3030 -30-20-100-10202(%)图8-19-20-1010 203040 502（%）h3030 -30-20-100-10202(%)图8-19用Hecker方法建立失稳FLC图8-20Hiam方法被测椭圆的选择他们研究了板金表面粗糙度与应变大小的关系，发现：细颈的出现与表面粗糙度的激增图8-20Hiam方法被测椭圆的选择从图8-23可以看出粗糙随机应变值的增加而增加。粗糙度参数R来量度和表示。用一种仪器沿最大应变e的方向移动8mm的距离，仪器测出并记录下表面的显微几何轮廓，R距离图8-22试件应变梯度的影响|1|表示按

方法1选取被测椭圆时，极限点的位置值是以微米距离图8-22试件应变梯度的影响|1|表示按

方法1选取被测椭圆时，极限点的位置图8-24的曲线(1)是在应变路线p=e/e2=1(双向等拉)的条件下，试件的表面粗糙度R随较大主应变ei变化的情况，可看到有一个临界ei值，过该点后R值激剧增加，可将应变定为开始失稳的应变，即可在p=1斜在直线上定出失稳FLC上的一个点。同理求得其它p值条件下的临界点，如曲线⑵〜⑸，从而求得整条失稳FLC。3.试件加载停止时刻的确定将试件胀形到何种程度停止加载，进行测量，有两种方案。第一种是胀形到出现目视细颈即停止，第二种是胀形到出现明显裂纹才停止。在从出现目视细颈到出现明显裂纹的过程中，主要是细颈区内局部材料的变形，但细颈区附近的材料也参与一些变形。出现裂纹后，裂纹附近的材料不会再变形，故第二种方案看起来比第一种方案标准明确和容易统一的多。但实验发现，很多试件的破裂都是突然发生的，产生长而宽的裂口的试件不仅不好测量，而

且很难找准始裂点。故接近极限状态时，需对试件细察，小心加载。到试件出现出尽量小的裂纹时，及时停止加载。用BHB22型试验装置，能比较容易的保证这一要求。4.北航［163］采用的确定失稳极限应变的方法18jimJUIKl®(3)曲-D<?a«-0J43k18jimJUIKl®(3)曲-D<?a«-0J43k初糙粗1JSunt8.08.00 0.1 0.20.30.40.5 0.6el(%)fttt(4)«^<UIrj—(MS图8-24Kobayashi方法，对于不同图变变形路图8-24Kobayashi方法，对于不同图变变形路ba线aspi方法，由1不吐0。63),板料粗线度与主应变到的关系曲线板料粗糙度与主应变勺的关系曲线图8-23Kobayashi方法，板料粗糙度随应变值的变化(变形路线相当于p=e2/e1=-0.32的情况)将试件胀形到出现很小的裂纹，在始裂处选择两个靠近破裂椭圆的未破裂椭圆进行测量，取此两椭圆长轴的平均值为e1极，短轴的平均值为俄e2极。每一种宽度和润滑条件的试件

1极 2极都备五块，进行重复试验和测量，将同一组五块试件所得的五个极限点都标在e〜e坐标面12上，如分散严重，则这一组数据全部重做。这样既简化了测量工作，又保证了必要的精度。四.一些常用板料的成形极限曲线用北航［163］的方法，得到了一些国内常用板料的失稳成形极限曲线。所用试验方法的主要特点是：(a)按表8-2的形状尺寸准备试件；(第154页)三、对n、r值和形成极限曲线的综合探讨成形极限曲线在先进工业国家，已将其作为一个有效手段，用其预见和分析冲压件的成败和原因。因它可以在量的方面，了解润滑剂、模具形状、板料性能及加工条件等对变形的影响，了解加工条件的严峻程度和冲压件的安全裕度，指出改变应变状态应采取的措施，改善加工条件，提高冲压质量或经济效益的方向。但不能用一种方法作出总的评价。就板料本身性能说，是成形性能参数r和n前者对拉-压即压延有较显著的影响，后者对拉-压即胀形有较显著的影响。但对这两种加工形式的加工成败，都能说明问题的，是成形极限曲线。成形性能参数是冶金学者应考虑的问题，利用它提高板金的成形性能和质量。成形极限曲线虽受r和n值的重大影响，但在一定的r和n值，即一定的板金质量条件下，主要取决于变形条件。这是冲压技术人员在选材料、确定压边力、间隙、润滑等加工条件，可以发挥主观能动性的方面。但众所周知，零件形状本身基本上确定了加工方式和方法，所以设计时应考虑到零件的工艺性。由此可知，要想提高冲压件的经济性和产品质量，供应合格的板金是个基本条件，提高设计工艺性是个重要条件。而向冶金和产品设计两方面提出能说明问题的参数和数据，指出其与经济性和产品质量的关系，并在一定的材料供应和产品设计要求的条件下，利用这些参数和数据，定出最合理的加工规程和加工方法，则是冲压技术人员的责任。成形极限曲线表示的，是允许的局部最大应变。单纯从极限曲线位置的高低，不能完全预测压延或胀形深度很大的冲压件的成败。法国工业机械工艺研究中心（CETIM）对很多种板材作了半球凸模胀形试验。凸模直径100mm,润滑条件为两层聚乙烯膜并涂上粘度为4.3Pa・S的油。胀形到刚出现裂纹，量得此时试件的高度hmm，破坏点的长轴应变£1（极值），计算出整个变形区各点长轴应变的平均值£1（平均值）。试验了十一种板料，按应变极值£1（极值）的大小排列，所得试验数据列表明。从分析表列数据，可得以下结论：①即便是应变应变值和极限曲线都很接近的材料，其在破坏前的最在深度h差别也很大，即令局部极值相同，其应变梯度差别很大。①在应变强化指数n与胀形深度之间，没有对应关系。①考虑局部极值£1接近的两种金属时，指数n俞大，深度h亦较大。反过来，两种金属的指数n相同时或接近时，局部极值£1俞大，深度亦俞大。可见单用n值或单用极限曲线来判断金属的胀形性能都是不够的。二者都应考虑，因为它们分别代表着金属的两种基成形本性能。能够得到大的局部应变的性能，可用极限曲线或£1（极值）来表示。能够使应变扩散的性能可用以下比值来表示：£（极值）CRD=1£（平均值）1CRD的倒数£1（平均值）/£1（极值）可叫做成形效率。。当假设胀形条件是由一个球形、一个球形相切的截圆锥、和一个凹模上的圆环所组成时，£1（平均值）可用下式算得：TOC\o"1-5"\h\zL ]r（ 1丫£（平均值）=lnp1+0.0178h+h2+0.0943arctg,1 W1.124-0.02h+h2丿（ h\-arctg0.093 A 106丿表9-2中，列出了各种试验过的金属的CRD值。黄铜H64和不锈钢18-10的该比值近于1,这中间有测量误差，但说明其应变是近于均匀的。实际上，CRD只与应变强化指数n有很不显著的关系（其最小二乘方相关系数Q=0.862）。对于其他金属如软钢也是这样，都说明指数n定义的固有缺陷。上面讲的半球形零件，也可以用另外的冲压方法得到，并可使板金上任何局部的变形都低于成形极限曲线所指示的数值，这是由于使零件应变分布更均匀化的结果。由此可知，应当用改变成形工序的措施，使金属成形性能得到最大的发挥。

成形极限曲线，决定了金属理论上的最大成形性能，可以按照曲线的位置，对金属的理论最大成形性能进行分类。此外，当已给定了一种金属，一种冲压方法和一定的工作条件时，可以由其应变分布曲线和极限曲线，判定其成形效率。例如对于上述情况，可以用所得到的平均应变（£］平均值）与使应变均匀化所能得到的最大允许应变极值）的比值n。从表9-2可以看到，所用的胀形方法没有充分利用锌的成形性能，效率只有47％，而黄铜和不锈钢18-10的成形性能，则得到了充分发挥。图9-25值对扩口的影响一般判断板金压延性能的判据是r值。但黄铜〔H64〕的值虽比钢小，其压延性能并不比钢差多少，这与黄铜的极限曲线比钢高有天。图9-25值对扩口的影响以认为，作为第一次近似，£1值的增加与r值的增加成比例。n值对不均匀变形有显著影响，对这样的均匀变形，r值的影响反而更为显著。一般判断板金拉伸性能的判据是n值，但有时r值也会有显著影响。以管子扩口为例（图9-25）,管端的半径由R0,增加到R，应变£1是均匀的，］=ln（R/R0）。可以认为，这种变形形式近似拉伸。当A点的应变达到缩颈极限曲线时，即发生缩颈，直线OA的倾斜度与管子环向的r值有关，r值愈大，0A愈偏离0£1轴。当ri以认为，作为第一次近似，£1值的增加与r值的增加成比例。n值对不均匀变形有显著影响，对这样的均匀变形，r值的影响反而更为显著。四、车间成形分析方法实践以下介绍北美一些公司的车间成形性能方面的一些情况和经验，主要用于有色金属［169］,，其中很多内容对整个板金工业是有通用性的。1、 技术教育方面（1） 提高技术人员对板金成形性能的认识，使具体滴点经验上升到系统化的理论水平，除起到使现有生产合理化的目的外，还可以提高对新产品成形问题的预见性，提出既能满足质量和产量要求，又能最大限度地降低生产费用的加工方案。（2） 模具设计人员对所设计的模具，应注意其在使用中的质量变化和问题，找出变化的原因和存在的缺点，及时予以改正，并充分将所观察到的优点，在目前和今后予以利用。（3） 认识到平面应变点FLC0的重要性（参看第七章第四节）。该点是FLC上的最低点，也就是最容易引起破坏的应变状态。零件上出现接近这种应变状态的临界点时，增加（＋值时）或减小（－值时）的e2值，往往会避免破坏。（4） 将成形性能分析技术，作为模具设计方案的一种比较方法。例如，要想用另外一种材料代替现用的材（第245页）八、镁合金成形的冶金问题镁合金板成形性能较差，但由于它是特别轻的金属，有一定用途。在成形中应注意其特点和限制，不然纵然是轻度成形，也往往不会成功。镁的密度只有1.8，铝是2.8。故在宇航工业有发展前途。成形用镁合金含1.5%〜2.5%（