板料冲压性能与成形极限

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板料冲压性能与成形极限

• 1. 概述
  • 1.1. 冲压变形的板料(板坯)分区
    • 1.1.1. 已变形区
    • 1.1.2. 变形区
    • 1.1.3. 待变形区
    • 1.1.4. 传力区
    • 1.1.5. 非变形区
  • 1.2. 冲压工序
    • 1.2.1. 伸长类工序
      • 定义
        • 变形区内绝对值最大的主应力为正值（拉应力）
      • 特征
        • 板料厚度减薄，破坏形式是拉裂
      • 典型工序
        • 胀形
        • 翻边
        • 管材扩口
        • 弯曲变形的外区
    • 1.2.2. 压缩类工序
      • 定义
        • 变形区内绝对值最大的主应力为负值（压应力）
      • 特征
        • 板料厚度增厚，破坏形式为起皱
      • 典型工序
        • 拉深
        • 管材缩口
        • 弯曲变形区的内区
  • 1.3. 板料冲压性能概念
    • 1.3.1. 板料对各种冲压工序的适应能力
• 2. 板料冲压性能试验
  • 2.1. 单向拉伸试验
    • 2.1.1. 特点
      • 确定材料机械性能的常用方法
      • 给出的机械性能指标，用于评估板料的冲压性能
    • 2.1.2. 试样形状尺寸(GB3076)
      • 带头
        • 长试样
        • 短试样
      • 不带头
    • 2.1.3. 记录数据
      • 宽度b
      • 厚度t
      • 屈服载荷Ps或P0.2
      • 最大载荷Pmax
      • 细颈宽度bj
      • 细颈厚度tj
      • 拉断时长度lp
      • 拉断时宽度bp
      • 拉断时厚度tp
    • 2.1.4. 机械性能指标
      • 屈服极限
      • 强度极限
      • 细颈点应力
      • 屈强比
      • 细颈点应变
      • 总延伸率
      • 均匀延伸率
      • 断面收缩率
      • 弹性模量
      • 硬化指数
      • 厚向异形指数
      • 板平面各向异性指数
      • 对其定义要清晰
  • 2.2. 双向拉伸(胀形)试验
    • 2.2.1. 原理
    • 2.2.2. 杯突深度
      • 开始产生裂缝时的模具压入深度
        • 值越大，板料延伸性能越好
      • 作用：评估伸长为主的冲压工序板料性能
        • 胀形
        • 局部成形
        • 复杂曲面拉深
    • 2.2.3. 杯突试验影响因素
      • 破裂点确定
      • 工具尺寸
      • 表面粗糙度
      • 压边力
      • 润滑
        • 对杯突深度影响显著
          • 预测工件是否出现表面粗糙和表面状态变化
        • 液压胀形代替钢球凸模，消除润滑的影响
      • 凸模速度
  • 2.3. 物理模拟试验
    • 2.3.1. 定义
      • 突出模拟实际冲压工序(弯曲、拉深等)变形特点，表征板料某种冲压性能
    • 2.3.2. 典型试验方法
      • 反复弯曲试验
        • 原理
        • 作用：评估5mm一下板料弯曲性能
          • 折弯半径越小
          • 反复弯曲次数越多
          • 弯曲性能越好
      • 球形冲头锥杯拉深试验
        • 原理
        • 评估指标：测量锥杯底部发生破裂时的上口直径CCV(Conical Cup Value)值
          • CCV越小，成形性能越好
        • 试验优点
          • 不用压边装置，排出压边力的影响
          • 操作简单，无需仔细观察破裂的出现，CCV值对冲压速度不敏感
          • 可综合反映成形时“拉”和“压”成形特点
          • 适用于0.5~1.6mm的薄板
          • 拉深凸耳可评估板料各向异性率
  • 2.4. 相似试验
    • 2.4.1. 定义：类似实际生产条件下进行的试验，目前冲压设计资料中板料冲压性能参数获取的主要方法
    • 2.4.2. 优点
      • 结果具体
      • 数据可靠
      • 直接应用
    • 2.4.3. 相似条件(相比于实际生产)
      • 物理相似
        • 材料相似
          • 化学成分
          • 金相组织
          • 热处理状态
          • 机械性能
        • 变形温度相同
        • 速度相同
        • 摩擦条件相同
      • 几何相似
        • 试样、模具形状尺寸相似比例
        • 困难：板料厚度很难按比例缩小(没有现成的板料)
      • 力学相似
        • 相同的加载条件
        • 相同应力分布
    • 2.4.4. 典型试验方法
      • 筒形件拉深试验(Swift试验)
        • 原理 
        • 评估指标：极限拉伸比LDR：冲头直径不变，坯料外径变化，取不破裂条件下最大坯料外径对应的拉深比LDR=D0max/dp
        • 特点
          • 与拉深变形条件完全相同，能合理反应拉深变形区和传力区不同受力条件下的冲压性能
          • 缺点
            • 需要大量不同外径的板坯试样，要多次反复试验
            • 受操作各种因素(压边力、润滑等)影响，影响试验可靠性
      • 翻边扩孔试验
        • 原理 
        • 评估指标：孔边缘出现裂纹时的扩孔率λ=(df-d0)∕d0
          • 扩孔率λ越大，翻边性能越好
• 3. 板料机械性能指标与冲压性能之间的关系
  • 3.1. 机械性能指标
    • 3.1.1. 强度指标
      • 越高，产生相同变形量所需的力就越大
    • 3.1.2. 塑性指标
      • 越高，成形时所能承受的极限变形量就越大
    • 3.1.3. 刚度指标
      • 越大，成形时抵抗失稳起皱的能力就越大
  • 3.2. 强度极限和屈服极限
    • 3.2.1. 板料变形抗力的基本指标，其值越大，变形抗力越大，板料经受的应力越大
    • 3.2.2. 对伸长类变形(胀形、拉弯等)，屈服应力低，成形所需的拉力与板料破坏时的拉断力之差大，则成形工艺的稳定性高，不易出废品
    • 3.2.3. 弯曲件所用板料的屈服应力低时，卸载后回弹小，有利益提高弯曲件的精度
  • 3.3. 屈强比
    • 3.3.1. 小的屈强比几乎对所有冲压成形都有利
    • 3.3.2. 对压缩类的变形，如拉深，屈服强度越小，变形区中切向压应力小，材料起皱的趋势就小，防止起皱的压边力和摩擦损失就相应降低，对提高极限变形程度有利
  • 3.4. 均匀延伸率
    • 3.4.1. 表征板料产生均匀的或稳定的塑性变形的能力，拉伸试验中开始产生局部集中变形(细颈时)的延伸率
    • 3.4.2. 直接影响伸长类变形的冲压性能，如翻边因素、扩口因素、最小弯曲半径、胀形因素等
    • 3.4.3. 可间接表示板料的极限变形程度
  • 3.5. 硬化指数
    • 3.5.1. 表征塑性变形过程中材料硬化的程度，其值越大，同样的变形程度下，真实应力增加要大，均匀塑性变形越大
    • 3.5.2. 拉伸试验细颈形成机理
      • 材料硬化效应
      • 截面缩减效应
      • 一阴一阳的博弈
        • 硬化效应强于截面缩减效应，产生均匀塑性变形，塑性变形转移
        • 硬化效应弱于截面缩减效应，产生集中塑性变形，细颈点的形成
        • 细颈点的产生，一种失稳现象，也即所谓的拉伸失稳
    • 3.5.3. 对伸长为主的变形：其值越大，胀形深度越大、屈强比越小、均匀延伸率越大、变形均匀性越好，冲压性能好
    • 3.5.4. 对压缩为主的变形(如拉深)：其值越大，降低传力区变薄以至拉断的危险程度，拉深性能越好，但因硬化的影响也不宜进行再拉深等成形
  • 3.6. 厚向异性指数
    • 3.6.1. 定义：板宽变形与板厚变形之比
      • 其值>1：宽度方向比厚度方向变形更容易
      • 其值=1：宽度方向与厚度方向的变形一致
      • 其值<1：宽度方向比厚度方向的变形更难
      • 其绝对值
        • 越大，越不易在厚度方向变形，即越不易变薄或增厚
        • 越小，板料厚度方向变形越易，即越易变薄或增厚
    • 3.6.2. 对于压缩为主的变形，如拉深，厚向异形指数越大，越有利于宽度变形，可减小起皱，同时越不利于厚度变形，可减小拉深变薄区的拉裂危险，故总体有利于拉深成形
  • 3.7. 板平面各向异性指数
    • 3.7.1. 其值越大，板料面内各向异性越严重，拉深件边缘不齐，形成凸耳，影响工件质量和材料利用率
    • 3.7.2. 厚向异形指数越大、板平面各向异性指数越小，拉深性能越好
    • 3.7.3. 硬化指数与厚向异形指数：影响冲压性能的两项重要指标
      • 硬化指数主要影响以伸长为主的变形方式
      • 厚向异形指数主要影响以压缩为主的变形方式
• 4. 板料的成形极限
  • 4.1. 冲压成形极限
    • 4.1.1. 定义
      • 板料冲压成形中所能达到的最大变形程度
    • 4.1.2. 两方面因素
      • 变形区的变形极限
      • 传力区的承载能力
    • 4.1.3. 研究范围
      • 伸长为主的变形
        • 当前的主要研究
      • 压缩为主的变形
        • 还没有充分研究
    • 冲压成形力学特点与分类
      • 冲压应力图
      • 冲压变形图
  • 4.2. 塑性拉伸失稳
    • 4.2.1. 板料抗失稳能力影响因素
      • 板料方面
        • 硬化性能
        • 表面状态
        • 边界状态
        • 厚度偏差等
      • 工艺方面
        • 应力状态
        • 应变梯度等
    • 4.2.2. 单向拉伸失稳
      • 板料拉伸过程
        • 均匀变形阶段
        • 不均匀变形阶段
          • 分散性失稳
          • 集中性失稳
      • 成形极限
        • 细颈点应变=硬化指数
    • 4.2.3. 双向拉伸失稳
      • 分散性失稳为标准
      • 集中性失稳为标准
  • 4.3. 失稳理论
    • 4.3.1. Swift分散性失稳理论
    • 4.3.2. Hill集中性失稳理论
  • 4.4. 成形极限图
    • 4.4.1. 建立方法
      • 试验方法(一般胀形法)建立
    • 4.4.2. 建立步骤
      • Step1：在板料表面做出直径为1.5~2.5的小圆圈坐标网格
      • Step2：试验时将球形凸模压入板料，当试件出现裂纹时即停止
      • Step3：取出试件，在离裂纹最近的完整网格上测量小圆圈变成椭圆的尺寸
      • Step4：计算出椭圆的长、短轴应变，即可得出在此应变状态下的临界点
      • Step5：改变板料的形状和尺寸以及润滑方式等方法来改变应力值的比例，再测得不同的应变状态
      • Step6：取得足够多的试验数据后，以椭圆长轴和短轴应变为坐标，即可绘制出成形极限图
      • 
    • 4.4.3. 成形极限图的应用
      • 在成形工件上取诸点，按圆圈坐标网格法，测长、短轴应变，和成形极限图比较，若落在破裂区，则可采取相应措施，增加短轴方向应变量，具体措施如下：
        • 在双向受拉的应变状态下，可加大短轴方向的毛坯尺寸，或者减小模具圆角半径，或者在模具上设置凸梗，以增加短轴方向材料流入模腔的阻力
        • 在压拉应变状态下，可适当减小短轴方向的毛坯尺寸、或增大模具圆角半径，或改进润滑条件，以使短轴方向的材料容易流入模腔
• 5. 常用材料的冲压性能
  • 5.1. 冲压用材料规格
    • 5.1.1. 板料
      • 冲压车间应用最广的材料，适用于批量生产
      • 生产中常将板料裁剪成各种尺寸的条料再进行冲压
      • 常用规格
        • 710mm*1420mm
        • 1000mm*2000mm等
    • 5.1.2. 带料(卷料)
      • 用于大量生产
      • 有不同的宽度尺寸
      • 长度几米到几十米，有的薄带金属上百米
      • 卷料一般装有自动送料机构
    • 5.1.3. 块料
      • 小量或单件生产时用
      • 对价格昂贵的特种金属，可定制为圆形或方形的块料
    • 5.1.4. 冲压材料规定
      • 尺寸标准
      • 公差
        • 厚度
        • 宽度
      • 状态
        • 退火
        • 淬火
        • 半冷作硬化
        • 冷作硬化等
      • 成形方式
        • 冷轧
        • 热轧
  • 5.2. 常用材料及其冲压性能
    • 5.2.1. 碳钢
      • 低碳钢较多
      • 良好的冲压性能
      • 良好的焊接性能
    • 5.2.2. 合金钢
      • 良好的塑性和焊接性
      • 制造重要的冲压件
    • 5.2.3. 铝合金
      • 可以热处理强化
      • 不可以热处理强化
    • 5.2.4. 镁合金
      • 密排六方结构，塑性差
      • 加热到320~359℃
    • 5.2.5. 铜和铜合金
    • 5.2.6. 钛合金
      • 密排六方结构，塑性差
      • 屈强比高，对切口、表面划伤的影响敏感
      • 屈弹比大，回弹量大
      • 各向异性大，机械性能波动范围大
      • 工艺措施
        • 加热成形
        • 蠕变校形
        • 在各道成形工序前安排酸洗工序，改善表面质量
        • 成形过程中增加中间热处理次数
        • 成形后安排消除内应力的热处理等
    • 5.2.7. 不锈钢和高温合金
      • 多用于航空发动机工件
        • 高温条件下工作
        • 承受机械负载或起着汇聚和引导高压冷气流
      • 塑性好
      • 屈强比低
      • 冷作硬化效应强，变形抗力高
      • 粘附性强，易粘附在模具表面，使得模具磨损并擦伤工件表面
        • 措施：采用特殊润滑措施和特种模具材料