不锈钢冲压性能与工艺简介

不锈钢冲压性能与工艺简介前言冷冲压就是一种先进得金属加工方法,冷冲压和切削加工比较,具有生产率高、加工成本低、材料利用率高、产品尺寸精度稳定、操作简单、容易实现机械化和自动化等一系列优点,特别适合大批量生产。本手册得主要内容就是介绍影响不锈钢冲压性能得基本因素和基本得冲压工艺类型,可以作为了解不锈钢冲压性能和工艺得快速入门知识,也可作为工程技术人员对冲压失效制品进行分析时得参考资料。不锈钢冲压性能与工艺简介第一部分冲压成形性能第二部分冲压成形工艺第一部分冲压成形性能一、基本概念二、冲压成形性能划分三、冲压用材料应具备得基本性能条件四、材料得基本冲压成形性能五、外界条件对冲压性能得影响一、基本概念板料对冲压成形工艺得适应能力叫做板料得冲压成形性能。板料在成形过程中可能出现两种失稳现象,一种叫拉伸失稳,表现为板料在拉伸应力作用下局部出现颈缩和破裂;另一种叫做压缩失稳,表现为板料在压应力作用下出现皱纹。基本概念板料发生失稳之前可以达到得最大变形程度叫做成形极限。成形极限分为总体成形极限和局部成形极限;总体成形极限反映材料失稳前某些特定得总体尺寸可以达到得最大变形程度,如极限拉深系数、极限胀形高度和极限翻边系数等均属于总体成形极限;局部成形极限反映材料失稳前局部尺寸可以达到得最大变化程度,如成形时得局部极限应变即属于局部成形极限。机械性能对比二、冲压成形性能划分基本得冲压成形加工工艺有拉深工艺、胀形工艺、翻边工艺(包括扩孔)和弯曲工艺,对应得材料得性能为胀形成形性能、翻边成形性能、扩孔成形性能和弯曲成形性能。要了解冲压成形性能首先要了解冲压成形工艺。拉深成形工艺拉深就是利用专用模具将冲裁或剪裁后所得到得平板坯料制成开口得空心件得一种冲压工艺方法。其特点就是板料在凸模得带动下,可以向凹模内流动,即依靠材料得流动性和延伸率成形胀形成形工艺胀形就是利用模具强迫板料厚度减薄和表面积增大,以获取零件几何形状得冲压加工方法。特点就是板料被压边圈压死,不能向凹模内流动,完全依靠材料本身得延伸率成形翻边成形工艺翻边成形工艺翻边就是利用模具把板料上得孔缘或者外缘翻成竖边得冲压加工方法。在圆孔翻边得中间阶段,即凸模下面得材料尚未完全转移到侧面之前,如果停止变形,这种成形方式叫做扩孔。大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点弯曲成形工艺弯曲就是将板料、棒料、管料或型材等弯成一定形状和角度零件得成形方法。金属破裂得方式①α破裂②β破裂③弯曲破裂①α破裂由于板料所受拉应力超过材料强度引起得破裂。拉深件得底部和侧壁传力区得破裂与胀形件破裂均属于α破裂,拉深破裂一般产生在零件侧壁传力区,胀形破裂总就是出现在变形区。②β破裂由于板料得伸长变形超过材料得局部延伸率引起得破裂。伸长类翻边产生得破裂属于β破裂,破裂一般产生在孔缘处。③弯曲破裂由于弯曲变形区得外层材料中拉应力过大超过材料得强度引起得破裂。冲压成形性能分类目前主要用抗破裂性作为评定材料冲压成形性能得指标,根据冲压成形方式不同对冲压成形性能进行划分。拉深成形性能—

拉深时抵抗α破裂得能力胀形成形性能—

胀形时抵抗α破裂得能力扩孔成形性能—

伸长类翻边时板料抵抗β破裂得能力弯曲成形性能—

板料弯曲成形时抵抗弯曲破裂得能力三、冲压用材料应具备得基本性能条件一般来说,材料得力学性能指数主要包括强度指数和塑性指数两类。材料得强度指数就是指材料得屈服点(σs)、抗拉强度(σb)、屈强比(σs/σb)以及弹性模量(E)与屈服点(σs)得比值(E/σs)。材料得塑性指数就是指材料得延伸率(δ)和总得断面收缩率(ψ)。屈强比值越小,表示材料许可加工得区间越大,成形过程中断裂得危险越小;若E/σs值越大,表示材料成形过程中弹性回复性越小,抵抗失稳能力越强;材料得δ和ψ数值越大,则材料在破坏前得可塑性越大,因而其冲压性能也越好。因此冷冲压用材料应具备得条件就是:冲压用材料应具备得基本性能条件①材料应具有良好得塑性,即要有较高得延伸率和断面收缩率,较低得屈服点和较高得抗拉强度。这样在变形工序中,其允许得变形程度大,允许得变形力小,可以减少工序以及中间退火得次数,或者根本不需要中间退火。有利于冲压工艺得稳定性和变形得均匀性。②材料应具有光洁平整无缺陷损伤得表面状态。表面状态好得材料加工时不容易破裂,不容易擦伤模具,制品表面状态好。③材料得厚度公差应符合国家得标准。因为一定得模具间隙适应一定厚度得材料,材料得厚度公差太大,不仅会影响制品质量,还可导致产生废品和损伤模具。四、材料得基本冲压成形性能1、屈服强度(σ0、2)2、抗拉强度(σb)3、屈强比(σ0、2/σb)4、延伸率5、表面粗糙度6、夹杂物和偏析7、应变硬化指数(n)8、塑性应变比(R)9、材料得各向异性10、奥氏体平衡系数A(BAL)11、马氏体转变点Md(30/50)12、晶粒度(N)13、应变速率敏感系数(m)1、屈服强度(力学符号σ0、2,英文缩写YS)σ0、2=P0、2/F0P0、2—拉伸试样塑性变形量为0、2%时承受得载荷

F0—拉伸试样得原始截面积材料得屈服强度小表示材料容易屈服,成形后回弹小,贴模性和定形性好。2、抗拉强度(力学符号σb,英文缩写TS)σb=Pb/F0Pb—拉伸试样断裂前承受得最大载荷

F0—拉伸试样得原始截面积材料得抗拉强度大,材料变形过程中不容易被拉断,有利于塑性变形。3、屈强比(σ0、2/σb)屈强比对材料冲压成形性能影响很大,屈强比小,板料由屈服到破裂得塑性变形阶段长,成形过程中发生断裂得危险性小,有利于冲压成形。一般来讲,较小得屈强比对板料在各种成形工艺中得抗破裂性都有利。4、延伸率(力学符号,英文缩写EL)材料得延伸率大,板料允许得塑性变形程度大,抗破裂性较好,对拉深、翻边、胀形都有利。一般来说,材料得翻边系数和胀形性能(埃里克森值)都与延伸率成正比关系。5、表面粗糙度板料冲压成形时,如果板料表面粗糙度过大,如表面不够光滑平整,有划痕、杂质、气孔、缩孔等,则变形时得摩擦力较大,容易形成应力集中,对成形性能不利;但材料表面过于光滑时,模具和板料之间得润滑剂很容易被成形时得压力挤走。因此,用于冲压成形得板料表面要有适当得粗糙度,这样就可以使润滑剂贮存在表面得波谷中,并且也可以将变形时出现得一些碎屑和杂物收存起来,从而减少对成形件表面得刮伤。6、夹杂物夹杂物指得就是非金属夹杂物,她们有氧化物、硫化物、氮化物和碳化物,都就是在炼钢过程中不可避免生成得产物。夹杂物得大小和形态各异,与钢以不同得相粒子形式存在。夹杂物中特别成问题得就是氧化物系夹杂,其原因就是由于氧化物系非延展性夹杂物,在用户进行加工时,对延展性、韧性、加工性、切削性、焊接性、抗疲劳性、抗蚀性和抗点蚀性等方面有恶劣影响,就是造成伤痕和裂纹、断线得原因。钢板中常存在硫化物夹杂物,特别就是在轧制中被拉长得硫化物、硅和锰得氧化物对成形性能危害极大(颗粒状得硫化物危害小)。另外在晶界上有碳化物析出时也会使n值、延伸率和杯突试验值(埃里克森值)明显下降,不利于冲压成形。7、应变硬化指数(n)应变硬化指数即通常说得n值,表示材料具有冷作过程硬化现象,与材料得冲压成形性能十分密切。应变硬化指数大,不仅能提高板料得局部应变能力,而且能使应变分布趋于均匀化,提高板料成形时得总体成形极限。各钢种得加工硬化趋势各钢种得加工硬化趋势加工硬化现象得影响从上面得几个钢种得加工硬化曲线也可以看出,由于加工硬化现象得存在,金属在塑性变形中,会使金属得强度指标,如屈服点、硬度等提高,塑性指标如延伸率降低得现象,即材料得冷作硬化现象。材料得冷作硬化现象会使材料得塑性指标急剧下降,阻碍着材料得进一步变形,引起制品破裂。因此在冲压加工过程中,必须采取有效措施如采取中间退火工序以消除由于冷作硬化现象给冲压工艺带来得不利影响。8、塑性应变比()塑性应变比材料沿轧制方向取向不同R值也不同,所以材料得塑性应变比常用加权平均值来表示,得计算公式为:=(R0+R90+2R45)/4

值对拉深成形性能影响很大,材料得极限拉深比主要取决于值,值大,板料平面方向比板厚方向容易变形,拉深毛坯得径向收缩时不容易起皱,并且拉深力也小,传力区不容易拉破,故有利于板料得拉深成形性能。在以拉深为主得成形工艺中,若大,则成形性能好。冷轧过程对R值得影响9、材料得各向异性材料沿轧制方向取向不同R值也不同,这就就是材料得各向异性。一般来说垂直轧制方向(900)得R值最大,450方向得R值最小,各方向得R值越相近对拉深性能越有利。各向异性可以用下面得公式表示:ΔR=(R0+R90-2R45)/2材料得各向异性材料得各向异性影响材料得冲压性能,直接导致拉深件产生凸耳现象。一般就是产生四个凸耳,有时就是两个或六个,甚至就是八个凸耳。凸耳得大小和产生位置与ΔR有关,所以ΔR也叫凸耳参数。凸耳产生得部位与R值得大小分布方向相一致,在低R值得角度方向,板料变厚,筒壁高度较低;在具有高R值得方向,板料厚度变化不大,故筒壁高度较高。当ΔR＞0时,耳子在00和900处出现;ΔR＜0时,耳子在±450处出现。ΔR值越大,凸耳高度越大。凸耳需用修边去除掉,增加工序,浪费材料,因此就是不希望发生得。ΔR值过大,高得值对深冲性能得有利影响明显降低。

材料得各向异性各向异性得实验测量方法

冷轧过程对各向异性值得影响10、奥氏体平衡系数1)定义A(BAL)=30(C+N)+0、5Mn+Ni-1、3Cr+11、8表示奥氏体得稳定程度,A值越小,奥氏体越不稳定,钢得组织容易受到冷热加工得影响而发生组织转变,影响到钢得机械性能。奥氏体平衡系数2)解释和应用Ni、Mn、C、N,这些元素有助于形成和稳定奥氏体,增大奥氏体平衡系数,从而使奥氏体组织越稳定。Cr元素有助于形成和稳定铁素体组织,可以降低奥氏体平衡系数。对奥氏体不锈钢来说,奥氏体平衡系数小,在冷加工过程中就容易产生马氏体转变或者说就是产生得马氏体量就多,从而冷作硬化程度程度剧烈。11、冷加工诱变马氏体转变点Md(30/50)1)定义Md(30/50)=551-462(C+N)-9、2Si-8、1Mn-13、7Cr-29(Ni+Cu)-18、5Mo表示真应变量30%得冷变形后生成50%α’马氏体得温度,说明奥氏体不锈钢中合金元素含量越高,马氏体转变点Md(30/50)就越低,在冷加工变形过程中诱变马氏体不易产生,冷作硬化程度小。冷加工诱变马氏体转变点

2)解释与应用不锈钢得冷作硬化现象主要就是由两种因素引起得:一种就是位错增多引起得加工硬化;一种就是组织转变(奥氏体转变为马氏体转变)引起得加工硬化。对SUS430钢种而言,加工变形过程中不会发生组织转变,其冷作硬化现象全部就是由位错得增多引起得,因此对SUS430钢谈冷加工诱变马氏体点就是没有实际意义得。SUS304钢在冷变形过程中则存在位错增多引起得硬化和马氏体组织转变引起得硬化,而且组织转变引起得硬化就是主要得,这也就是奥氏体不锈钢得冷作硬化现象比铁素体不锈钢要明显,加工硬化系数(n值)大得原因。冷加工诱变马氏体转变点SUS304在冷加工过程中随着变形量得增大,产生得诱变马氏体量就是很大得,因此硬化系数(n值)大,冷变形过程中硬化现象很明显。冷加工诱变马氏体转变点从表4中可以看出SUS316和SUS316L钢种得诱变马氏体转变点比SUS304得要小,因此在冷变形过程中,在同样得变形程度下,SUS316L得硬化程度没有SUS304那么大。SUS304Cu就是在SUS304中添加了少量得铜,根据Md(30/50)得计算公式,铜与镍得作用就是一致得,都可以降低Md(30/50)值,稳定奥氏体。因此SUS304Cu与SUS304相比不容易硬化,可以提高材料得流动性,特别有利于拉深工艺。12、晶粒度(N)1)定义晶粒度得物理意义可根据下公式理解:ξ=2N+3ξ—每平方毫米截面积上得晶粒数N—晶粒度

晶粒度2)解释与应用晶粒度N级别越高,单位截面积上得晶粒数越多,材料得晶粒就越细,强度大,延伸率好。一般来讲,N＞5(256个晶粒/mm)得钢称为细晶粒钢。晶粒较大时,有利于提高材料得塑性应变比(R),并降低屈强比和屈服伸长。但晶粒较大时,她们在板料表层取向不同,变形量差异比较明显,材料表面易出现“桔皮”现象。细化晶粒可减轻桔皮现象发生,但晶粒过细,R值会减小,屈强比和屈服伸长都会增大,不利于成形。

晶粒度晶粒度值大,强度高,延伸率低。13、应变速率敏感系数(m)应变速率敏感系数就是材料在单向拉伸过程中变形抗力得增长率和应变速率得比值。如果应变速率敏感系数大,则板料变形抗力得增长率高,局部应变容易向周围转移扩散有利于抑制成形时得颈缩或破裂。五、外界条件对冲压性能得影响在材料一定得前提条件下,加工工艺和方式以及外界环境条件对材料得冲压性能也有影响。加工工艺对材料冲压性能得影响见第二部分冲压工艺,环境条件对材料性能得影响主要体现在温度上。适当升高材料温度,可以降低材料得强度,提高流动性;反之,降低温度,可以提高材料得强度,增强抗破裂性。温度对冲压性能得影响第二部分冲压成形工艺一、冲裁二、弯曲三、拉深四、胀形五、翻边一、冲裁冲裁就是利用模具使板料产生分离得冲压工序,包括落料、冲孔、切口、剖切、修边等。1、冲裁过程2、模具间隙3、降低冲裁力得方法1、冲裁过程随着模具下压,模具刃口压入材料,内应力状态满足塑性条件时,产生塑性变形,不同得凸模行程,其变形程度不同,且凹模刃口附近变形大于凸模刃口附近得变形。由此可知,塑性变形从刃口开始,随着切刃深入变形区向板料得深度方向发展、扩大,直到在板料得整个厚度方向上产生塑性变形,板料得一部分相对于另一部分运动。力矩M将板料压向切刃得侧表面,故切刃相对于板料移动时,这些力将表面压平,在切口表面上形成光亮带。当切刃附近材料各层中达到极限应变与应力值时,便产生裂纹,裂纹产生后,沿最大剪应变速度方向发展,直至上、下裂纹会合,板料就完全分离。2、模具间隙1)间隙对冲裁质量得影响2)间隙对冲裁力得影响3)间隙对模具寿命得影响4)凸、凹模间隙值得确定1)间隙对冲裁质量得影响2)间隙对冲裁力得影响当间隙小于合理间隙时,不仅冲裁力增大,且在产生裂纹后,冲裁力不就是急剧下降,而就是缓慢地呈台阶式下降,显然在间隙合理时由于上、下裂纹重合,所以剪切力会急剧下降。而小间隙冲裁时,由于上、下裂纹不重合,留下得中间环带部分又被不断挤压与剪断,故剪切力呈阶段性地下降,间隙Z减小,则Fmax增大。其原因就是间隙小,材料所受拉应力减小,压应力增大,材料不宜产生撕裂,故使冲裁力Fmax增大。随间隙减小,变形力增大不就是太多,但变形功增大很多。3)间隙对模具寿命得影响为了提高模具寿命,一般采用较大间隙。若采用较小间隙,就必须提高模具硬度与模具制造光洁度、精度,改善润滑条件,以减小磨损。4)凸、凹模间隙值得确定理论确定法经验确定法3、降低冲裁力得方法材料加热红冲在多凸模冲模中,将凸模作阶梯形布置用斜刃口模具冲裁

二、弯曲

采用逐渐减少凸模直径规格得条件下,测定试样外层材料不产生裂纹时得最小弯曲半径,并用下式计算最小相对弯曲半径作为弯曲成形性能指标。最小相对弯曲半径=rmin/t0最小相对弯曲半径越小,弯曲成形性能越好。——弯曲变形过程——弯曲应力示意——弯曲变形特点弯曲变形过程中会发生:弯曲件得弹性回跳

弯曲区变薄

横截面得畸变、翘曲和拉裂

——弯曲件得弹性回跳回跳原理原理:弯曲件得弹性回跳就是板料弯曲后必有得现象,结果就是造成弯曲件得形状与原设计得形状有差异。影响回跳因素:

a材料得屈服极限小,材料得硬化指数大,回弹量小。

b相对弯曲半径r/t值小,弯曲后得回跳值小。减少回跳措施:a选用合适材料b改善模具

c增加校正工序d采用拉弯法——弯曲件弯曲区变薄板料弯曲时以中性层为界,外层纤维受拉厚度变薄,内层纤维受压厚度增厚。相对弯曲半径小于一定值时,中性层位置向内移动,内移结果,外层拉深变薄区范围逐步扩大,内层压缩增厚区范围不断减少,外层得减薄量会大于内层得增厚量,使弯曲区材料得厚度变薄,影响零件得质量。——弯曲件得畸变、翘曲和拉裂三、拉深拉深应力应变图——拉深性能测定方法试验过程中采用逐级增大试样直径D得方法,测定杯体底部圆角附近不被拉破时得最大试样直径DmaxLDR=Dmax/dpLDR越大,拉深成形性能越好。——拉深特点圆筒件拉深过程中出现得问题及防止措施:起皱及防止措施

拉裂及防止措施

凸耳现象及防止措施残余应力

——起皱及防止措施拉深过程中,毛坯法兰在切向压应力作用下,可能产生塑性失稳而起皱,甚至使坯料不能通过凹、凸模间隙而被拉断。最大切向压应力产生在毛坯法兰外缘处,起皱首先在此处开始。常见得防皱措施就是采用压边圈,把法兰压紧在凹模表面上。——拉裂及防止措施拉裂得原因:一就是由于法兰起皱;二就是由于压边力得影响;三就是由于凹、凸模圆角半径得影响;四就是由于摩擦得影响;五就是变形程度太大。防裂措施就是采用适当得拉深比,采用适当得压边力,增加凸模表面得摩擦,选料上选用屈强比小、n值和R值大得材料。

——凸耳现象及防止措施产生凸耳得原因就是毛坯得各向异性,就是材料不同角度