第7章板料成形性能与成形极限

1、第七章棒材的成形性能和成形界限，棒材的成形性能是棒材对各种成形技术的适应能力。 板料成形性能主要包括成形性能、压模性能和定形性能。 其整体结构也称为综合成形性能，也称为广义的成形性能。 其中成形性能(耐破裂性能)可视为狭义的冲压成形性能，这是目前生产中评价板材冲压成形性能的主要指标。 贴模性能是板材通过冲压成形取得模具形状的能力。 产品有皱纹、翘曲、凹陷、膨胀等几何面缺陷的话，压模性能会下降。 定形性能是指产品脱模后在模内得到形状的能力，也称为冻结性能。 产品出现尺寸误差和形状误差，降低定形性，回弹是影响板材定形性的最主要因素。 具体地说，板压成形性能可分为弯曲成形性能、拉深成形性能、胀形成形

2、性能、扩孔成形性能、复合成形性能等。 板材弯曲前能达到的最大变形程度叫做成形极限。 板材在冲压中可能发生两种压曲现象，一种是拉伸压曲，板材表示在拉伸应力的作用下局部发生缩颈和破裂，另一种是压缩压曲，板材因压缩应力而起皱。弯曲、光圈、胀形和翻边各节中所提及的工艺参数、最小相对弯曲半径rmint、极限光圈系数mmin、最大胀形深度hmax和极限翻边系数Kfmin等，是翻边拉伸屈曲前的整体尺寸能达到的最大变形的本文介绍的被称为整体成形极限的成形极限图反映了板材弯曲前局部尺寸能达到的最大变形程度，被称为局部成形极限。 一般来说，棒的成形性能越好，成形极限也越高。 7.1板料成形性能的试验方法和指标，(

3、1)间接(力学性能)试验间接反映了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，也称为基本性能试验。 1 )材料力学性能及其主要参数通过拉伸试验，包括屈服点s、拉伸强度b、屈服强度比s/b、加工硬化指数n、延伸率、塑性应变比等，材料力学性能和材料成形性能的关系a .屈服强度比s/b越小，材料拉伸性能越好。 b .塑性应变比越大，板料拉深性能越好。 c .伸长率越大，翻边的弯曲和翻边性能越好。 d .加工硬化指数n的值越大，膨胀性能越好。 3 )间接试验中反映材料成形性能存在的缺陷的间接(力学性能)试验方法简单成熟，标准化程度高。 但是，因为试验是在单向应力状

4、态下进行的，所以不能反映应力状态对棒成形性能的影响，也不能定量地反映各条成形工序的成形性能。 (2)对直接(模拟)测试特定过程的测试。 有胀形(杯状突起)试验、光圈和光圈载荷试验、扩孔试验、弯曲试验、圆锥杯试验、凸耳试验等。 1 )光圈和光圈负荷试验a .光圈试验如图7-1所示，在模具和光圈之间压上晶片试样，用模具进行光圈成形。 需要采用不同直径的样品，按照阶段性地增大直径的操作顺序进行光圈试验，测定在光圈杯底部的圆形附近的壁部不产生裂纹的情况下允许的最大样品直径(D0)max，在试验结束后用(D0)max计算极限光圈比LDR。 图7-1光圈试验方法、b .通过光圈负荷试验对圆板状试样进行光圈

5、的情况下，试样直径D0和最大光圈力Fpmax、以及光圈试样的极限光圈力Fpf之间具有近似直线关系，利用该关系，对多种不同直径的试样进行试验测定，进行Fpmax和Fpf后，在杯底部圆角附近图72拉深负荷试验图，2 )扩孔试验如图7-3所示，在试验时，将中心具有预制圆孔的样品推压在模具和挤压轮之间，通过冲头模具将该下部样品压入模具中，扩大预制圆孔的直径，使孔缘部分裂开，使冲压模具的动作测定样品孔径的最大值和最小值，用它们将扩孔率作为金属板材料的扩孔性能指标。 图7-3扩孔试验，3 )弯曲试验如图7-4所示，使用底部圆弧面的半径不同的一系列凸模，在规定的弯曲角下成形样品后，用肉眼用5倍的放大镜观察，

6、检查其变形区域的外侧表面，确认到龟裂和凹陷后，在实际的弯曲半径上形成0.1mm的安全馀量、图7-4弯曲试验、4 )锥形杯试验如图7-5所示，将晶片样品放入锥形模孔中，用钢球将样品复合成形，即锥形杯成形，在发生裂纹的情况下停止，测定锥形杯口部的最大外径Dmax和最小外径Dmin，使用它们可以直接或模拟试验反映在图7-5锥形杯试验、5 )模拟试验中材料成形性能中存在的缺陷。 但是，没有普遍性。 另外，只能反映材料的宏观平均性能，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 )或成形界限(FLC )是评价金属板材料局部成形能力的重要工具，在分析冲压成形的裂纹问题时经常被使

7、用。 1)FLD意义冲压成形时，将金属板材料的缩颈和破裂部的表面应变量称为表面极限应变量。 如图7-6所示，在二维应变坐标系中，将在不同的应变路径下将表面的极限应变量与曲线连接、或描绘条纹状的区域称为成形极限曲线(FormingLimitCurve，简称FLC )，极限应变量和极限曲线都是成形极限图(forminglimitdia 图7-6成形极限图(FLD )、2 )成形极限图(FLD )试验中，将在一侧表面制作了网格的样品放在冲模和铆接环之间，按压拉深筋以外的材料，样品的中央因外力而产生变形(参照图7-7 )，其表面的网格圆变形，某部分缩颈测量缩颈区和破裂区附近的网格圆的长轴和短轴的尺寸，

8、计算板材允许的部分表面极限主应变量(e1，e2 )或(1，2 )。 根据图7-7的参考图，以下两种方法可以获得不同应变路径的下表面极限主应变。 a .改变试料和冲头接触面间的润滑条件，测定FLD的右半部分(双拉变形区，即e10、e20或者10、20 )。 b .使用不同宽度的样品测量成形极限图的左半部分(e10、e20或10、20 )。 网格变形后的形状如图7-8所示，设长轴为d1，短轴为d2，d1和d2与试料平面内的1点的两个主应变方向近似。 由图7-8网格圆变形、测定结果，计算样品表面的极限变形。 如图7-9所示，以表面应变e2 (或2 )为横轴，以表面应变e1 (或1 )为纵轴，建立表面

9、应变坐标系。 在e1-e2坐标系中，习惯将e1和e2的比例设为1:2，但在1-2坐标系中两者的比例通常相同。 在表面应变坐标系中绘制了试验测量表面极限应变量(e1，e2 )或(1，2 )。 根据表面极限应变量在坐标系中的分布特性，将它们连接到适当的曲线(图7-9a )或条纹区域(图7-9b )上，制成成形极限曲线(FLC )。 图7-9的成形界限图(FLD )标记注：表面界限应变量，3 )成形界限图的应用根据成形界限图，将条分为安全区、破裂区和临界区三个区域。 不同的工艺、不同的工艺参数导致板材表面应变量的不同，因此该工艺在某个成形极限图的位置可以决定板材在冲压成形过程中抵抗局部缩颈和裂纹的能

10、力。具体而言，在成形极限图中显示了： a .分析危险点的位置(参照图7-10和图7-11 .分析裂纹的原因，指导工艺和模具的改良的c .冲压部件的极限设计d .保证批量生产的稳定性的e .有条形成形计算机模拟的基准(参照图7-12和图7-13 ) . 板厚应变分布图7-10筒形材拉深材的应变状态图，a )应变分布b )应变状态图7-11膨胀形材的应变状态图，图7-12轿车的挡泥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现代压制成形的分类理论， 根据工序的不同，变形区域所在的部位根据外力的作用方式、空白和模具的形状、尺寸而不同。 应力状态不满足屈服标准的区域称为不发生塑性变形

11、的非变形区域。 根据变形状况，非变形区域还分为已变形区域(b )、变形预定区域(c )、非变形区域(d )。 变形区域和未变形区域可以用作传递力，并且被称为传递力区域(b、c )。 图7-14中显示了翻边、缩口、扩张和弯曲变形过程中空白各区的分布。 (1)冲压成形时的空白区域划分，a )光圈b )翻边c )缩颈d )火炬e )弯曲图7-14冲压成形时的空白区域划分例，(2)冲压成形的力学分类变形区域的主应力状态图和主应变状态图不仅在力学上决定冲压工序的性质，而且在成形极限、成形品质上这是制定成形工艺、设计模具、确定极限参数的主要依据。 研究冲压成形过程，必须全面、清晰地理解整个变形区域的应力应

12、变状态的特征和应力、应变场连续变化的规律。 这样，本质上明确了各成形方式间的力学特征，可以根据这些特征对各成形方法进行分类。 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材受到的应力和应变状态，分为伸长类成形和压缩类成形两种。 变形区域内的平均应力m0，即拉伸应力的绝对值最大时，该方向上的变形为伸长变形，该冲压成形称为伸长系成形。 变形区域内的平均应力m0，即压缩应力的绝对值最大时，该方向的变形为压缩变形，该冲压成形称为压缩系成形。 图7-16平面应力状态的屈服轨迹上的变形分类图，在图7-15中，FOB是伸长系成形和压缩系成形的边界线，在变形分类图7-16中，MOD是伸长系成形和压缩系成形的边界线。 伸长系成形由应变区分图的MON、NOA、AOB、BOC和COD个区分构成。 压缩系统成形包括应变区分图中的MOL、LOH、HOG、GOE和E