西交第7章板料成形性能与成形极限

第7章板料成形性能与成形极限板料成形性能是指板料对各种成形工艺的适应能力。板料成形性能主要包括成形性能、贴模性能和定形性能。其总体构成所谓综合成形性能，也叫做广义成形性能。其中成形性能（抗破裂性能）可视为狭义的冲压成形性能，它是目前生产中作为评定板料冲压成形性能的主要指标。贴模性能是指板料在冲压成形中取得模具形状的能力。制件出现折皱、翘曲、塌陷和鼓起等几何面缺陷均会使贴模性能降低。定形性能是指制件脱模后保持其在模内既得形状的能力，故亦称冻结性能。制件出现尺寸误差与形状误差使定形性降低，回弹是影响板料定形性的最主要因素。具体来说，板料冲压成形性能又可分为弯曲成形性能、拉深成形性能、胀形成形性能、扩孔成形性能和复合成形性能等。板料发生失稳之前可以达到的最大变形程度叫做成形极限。板料在冲压过程中可能出现两种失稳现象，一种是拉伸失稳，表现为板料在拉应力作用下局部产生缩颈和破裂；另一种是压缩失稳，表现为板料在压应力作用下起皱。弯曲、拉深、胀形和翻边各节中提到的工艺参数，最小相对弯曲半径rmin∕t、极限拉深系数mmin、最大胀形深度hmax和极限翻边系数Kfmin等反映板料拉伸失稳前总体尺寸可以达到的最大变形程度，称为总体成形极限；而在本章介绍的成形极限图，则是反映板料失稳前局部尺寸可达到的最大变形程度，称为局部成形极限。一般而言，板料的成形性能越好，成形极限也就越高。7.1板料成形性能的试验方法与指标(1)间接（力学性能）试验间接反映板料成形性能的试验。主要有:拉伸试验、剪切试验、扭转试验、硬度试验、金相试验等，也称基本性能试验。1）材料的力学性能及其主要参数通过拉伸试验，可得到如下与板料成形性能有关的力学性能指标：屈服点σs、抗拉强度σb、屈强比σs/σb、加工硬化指数n、伸长率δ、塑性应变比γ等，其中：γ=εb/εt=ln（b0/b）/ln（t0/t）2）材料力学性能与板料成形性能的关系a.屈强比σs/σb越小，板料拉深性能越好。b.塑性应变比γ值越大，板料拉深性能好。c.伸长率δ越大，板料的弯曲与内孔翻边性能越好。d.加工硬化指数n值越大，胀形性能越好。3）用间接试验反映材料成形性能存在的缺陷间接（力学性能）试验方法简单成熟，标准化程度高。但是，由于试验是在单向应力状态下进行的，故其不能反映应力状态对板料成形性能的影响，也不能定量反映板料对不同成形工序的成形性能。（2）直接（模拟）试验针对特定工艺的试验。有：胀形（杯突）试验、拉深与拉深载荷试验、扩孔试验、弯曲试验、锥杯试验、凸耳试验等。1)拉深与拉深载荷试验a.拉深试验如图7-1,将圆片试样压置于凹模与压边圈之间，通过凸模对其进行拉深成形。需要采用不同直径的试样，并按照逐级增大直径的操作程序进行拉深试验，以测定拉深杯体底部圆角附近的壁部不产生破裂时允许使用的最大试样直径(D0)max，试验结束后用(D0)max计算极限拉深比LDR。pdDLDRmax0)(图7-1拉深试验方法b.拉深载荷试验对圆片状试样进行拉深时，试样直径D0与最大拉深力Fpmax,以及与拉破试样的极限拉深力Fpf之间均具有近似线性关系，利用这种关系，对多种不同直径的试样进行试验测定Fpmax和Fpf以后，可以求出杯体底部圆角附近壁部不产生破裂时允许使用的最大试样直径和相应的载荷极限拉深比。图7—2拉深载荷试验图2）扩孔试验如图7-3,试验时，将中心带有预制圆孔试样置于凹模与压边圈之间压紧，通过凸模将其下部试样压入凹模，使预制圆孔直径不断扩大，直至孔缘局部发生开裂停止凸模运动。测量试样孔径的最大值和最小值，用它们计算扩孔率λ作为金属板料的扩孔性能指标。)(21minmaxfffddd%10000dddf图7-3扩孔试验3）弯曲试验如图7-4,采用一系列具有不同底部弧面半径的凸模，将试样按照规定的弯曲角成形后，采用肉眼使用5倍放大镜观察，检查其变形区外侧表面，观察到裂纹或显著凹陷后，在实际弯曲半径上增加0.1mm安全裕度作为试样的最小弯曲半径，以该表面不产生裂纹或显著凹陷时的最小相对弯曲半径rmin/t作为金属薄板的弯曲性能指标。图7-4弯曲试验4)锥杯试验如图7-5,圆片试样放在锥形凹模孔内，通过钢球对试样进行复合成形，即锥杯成形，发生破裂时停机,测量锥杯口部最大外径Dmax和最小外径Dmin，用它们计算锥杯值CCV作为金属薄板的“拉深+胀形”复合成形性能指标。)(21minmaxDDCCV图7-5锥杯试验5)用模拟试验反映材料成形性能存在的缺陷直接或模拟试验能反映板料对某特定工艺的成形性能。但是,它不具有一般性。此外,它只能反映材料宏观平均性能,不能反映材料的局部性能。(3)板料成形极限图及其应用成形极限图（FLD）或成形极限线（FLC）是评定金属板料局部成形能力重要工具，在分析冲压成形的破裂问题时经常使用。1)FLD的涵义冲压成形时，金属板料上缩颈或破裂区表面应变量称为表面极限应变量。如图7-6,二维应变坐标系中，用不同应变路径下表面极限应变量连成曲线或勾画出条带形区域称为成形极限曲线(FormingLimitCurve，缩写FLC)，极限应变量与极限曲线共同构成成形极限图(FormingLimitDiagram，缩写FLD)。图7-6成形极限图（FLD）2)成形极限图（FLD）试验将一侧表面制有网格的试样置于凹模与压边圈之间，压紧拉深筋以外的材料，试样中部在外力作用下产生变形（见图7-7），其表面上的网格圆发生变形，当某个局部产生缩颈或破裂时，停止试验，测量缩颈区或破裂区附近的网格圆长轴和短轴尺寸，计算板料允许的局部表面极限主应变量（e1、e2）或（ε1、ε2）。图7-7试验简图下述两种方法可获得不同应变路径下表面极限主应变。a.改变试样与凸模接触面间润滑条件测定FLD右半部分（双拉变形区，即e1＞0、e2≥0或ε1＞0、ε2≥0）。b.采用不同宽度的试样用来测定成形极限图的左半部分（拉-压变形区，即e1＞0、e2≤0或ε1＞0、ε2≤0）。网格变形后形状如图7-8所示，长轴为d1、短轴为d2,将d1和d2近似视为试样平面内一点上的两个主应变方向。图7-8网格圆畸变根据测量结果，计算试样表面极限应变。%100%10000220011dddeddde)1ln(ln)1ln(ln20221011eddedd如图7-9,以表面应变e2(或ε2)为横坐标、表面应变e1（或ε1）为纵坐标，建立表面应变坐标系。在e1-e2坐标系中，习惯将e1和e2分度比例为1：2，而在ε1-ε2坐标系中两者分度一般相同。将试验测定表面极限应变量（e1、e2）或（ε1、ε2）标绘在表面应变坐标系中。根据表面极限应变量在坐标系中的分布特征，将它们连成适当的曲线（图7-9a）或构成条带形区域（图7-9b），即为成形极限曲线（FLC）。图7-9成形极限图（FLD）标绘注：•—表面极限应变量3)成形极限图的应用根据成形极限图，将板料划分为三个区域：安全区、破裂区和临界区。不同工艺，不同工艺参数都会导致板料表面应变量的不同，从而可以根据该工艺所处成形极限图的位置，确定板材在冲压成形过程中抵抗局部缩颈或破裂的能力。具体而言,成形极限图有如下用途:a.分析危险点的位置(见图7-10和图7-11)b.分析破裂产生的原因,指导工艺或模具的改进c.进行冲压(结构)件的极限设计d.保证大批量生产的稳定性e.板料成形计算机模拟的判据(见图7-12和图7-13)a）应变状态图b）板厚应变分布图7-10筒形件拉深件的应变状态图a）应变分布b）应变状态图图7-11胀形件的应变状态图图7-12轿车翼子板成形过程数值模拟图7-13散热器片成形过程数值模拟7.2现代冲压成形的分类理论冲压成形时，在应力状态满足屈服准则的区域将产生塑性变形，称为塑性变形区（A区）。不同工序，随着外力作用方式和毛坯及模具的形状、尺寸的不同，变形区所处的部位也不相同。应力状态不满足屈服准则的区域，不会产生塑性变形，称为非变形区。根据变形情况，非变形区又可进一步分为已变形区(B)、待变形区(C)和不变形区(D)。有时已变形区和不变形区还起传力的作用，可称其为传力区(B、C)。图7-14所示为拉深、翻边、缩口、扩口和弯曲变形过程中毛坯各区的分布。(1)冲压成形时毛坯的区域划分a)拉深b)内缘翻边c)缩口d)扩口e)弯曲图7-14冲压成形时毛坯各区划分举例(2)冲压成形的力学分类变形区的主应力状态图和主应变状态图不仅从力学方面决定了冲压工序的性质，而且与成形极限、成形质量以及所需的变形力与变形功有密切的关系。它是制定成形工艺、设计模具和确定极限参数的主要依据。研究冲压成形过程，必须全面、清晰地了解整个变形区内的应力应变状态特征以及在应力、应变场中连续变化的规律。这样才能从本质上揭示各成形方式之间的力学特点，并根据这些特点对各种成形方法分类。图7-15平面应力状态屈服轨迹上的应力分类图根据变形区板料所受应力和应变状态，可分为两大类：伸长类成形和压缩类成形。当作用于变形区内平均应力σm0,即拉应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形属伸长变形，称这种冲压成形为伸长类成形。当作用于变形区内平均应力σm0,即压应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形属压缩变形，称这种冲压成形为压缩类成形。图7-16平面应力状态屈服轨迹上的应变分类图在图7-15中，FOB是伸长类成形和压缩类成形的分界线；在应变分区图7-16中，MOD是伸长类成形和压缩类成形的分界线。伸长类成形包括应变分区图中MON、NOA、AOB、BOC及COD五个区。压缩类成形包括应变分区图中MOL、LOH、HOG、GOE及EOD五个区。所有冲压变形方式按毛坯变形区的应力状态和变形特点，从塑性变形力学理论的角度又可归纳为以下四种情况。1）变形区受双向拉应力作用可有以下两种情况：σθσr0和σrσθ0。在平面应力状态屈服轨迹上的应力分区图（图7-15）中处于AOH和HOG范围内，在应变分区图（图7-16）中处于AOC和AON范围内，与此相对应的工序是翻边和胀形等。2）变形区受双向压应力作用可有以下两种情况：σθσr0和σrσθ0。在应力分区图中处于DOE和COD范围内，在应变分区图中处于GOE和GOL范围内，与此相对应的工序有缩口等。3）变形区受异号应力作用且拉应力绝对值大于压应力绝对值分为两种情况：σθ0σr和σr0σθ。这两种情况在应力分区图中处于GOF和AOB范围，在应变分区图中处于MON和COD范围，相对应的工序有扩口等。4）变形区受异号应力作用且压应力绝对值大于拉应力绝对值，分两种情况：σθ0σr和σr0σθ。这两种情况在应力分布区图中处于EOF和BOC范围，在应变分区图中处于MOL和DOE范围，相对应的工序有拉深等。（3）冲压成形力学分类的意义及作用从变形力学特点将成形工序进行科学的分类，研究其变形规律和本质差别，有利于找出其共性问题和解决问题的途径和方法。提高伸长类成形和压缩类成形方法的成形极限的途径与方法是不一样的，以下分别加以讨论。1)提高伸长类成形极限的措施a．提高材料的塑性成形前退火、多次成形的中间退火，都是为了消除材料硬化，提高材料塑性，从而提高极限变形程度。b．减小变形不均匀的程度使变形趋向均匀，减小局部的集中变形，可以使总的变形程度加大。例如，胀形时均匀而有效的润滑可使变形更均匀，有利于提高总的变形程度。另外，与硬化指数n关系密切，原材料n值大，能够防止产生过分集中的局部变形，使胀形、翻边、扩口等的极限变形程度得到提高。c．消除局部硬化层或引起应力集中的因素用整修或切屑方法去除冲裁断面的硬化层、粗糙的断裂面及毛刺，或者将毛刺侧贴靠弯曲凸模、翻边凸模一边，可防止伸长类成形的开裂，提高成形极限2）提高压缩类成形极限的措施a．降低变形区变形抗力、摩擦阻力和提高传力区承载能力如减小压边力、加大凹模圆角半径、改善润滑条件或采用降低变形区变形抗力的特种拉深方法：例如差温拉深、径向加压液压拉深等。b．防止毛坯变形区的失稳