冲压材料及其冲压成型性能 冲压模具变形理论基础

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冲压成形加工方法与其它加工方法一样，都是以自身性能作为加工依据，材料实施冲压成形加工必须有好的冲压成形性能。
: O5 S6 m2 B  T( Z: }* u     1.材料的冲压成形性能   
    材料对各种冲压加工方法的适应能力称为材料的冲压成形性能。材料的冲压性能好，就是指其便于冲压加工，一次冲压工序的极限变形程度和总的极限变形程度大，生产率高，容易得到高质量的冲压件，模具寿命长等。由此可见，冲压成形性能是一个综合性的概念，它涉及的因素很多，但就其主要内容来看，有两方面：一是成形极限，二是成形质量。
   （1）成形极限 在冲压成形过程中，材料能达到的最大变形程度称为成形极限。对于不同的成形工艺，成形极限是采用不同的极限变形系数来表示的。由于大多数冲压成形都是在板厚方向上的应力数值近似为零的平面应力状态下进行的，因此，不难分析：在变形坯料的内部，凡是受到过大拉应力作用的区域，就会使坯料局部严重变薄，甚至拉裂而使冲件报废；凡是受到过大压应力作用的区域，若超过了临界应力就会使坯料丧失稳定而起皱。因此，从材料方面来看，为了提高成形极限，就必须提高材料的塑性指标和增强抗拉、抗压能力。
# @3 D0 L: c9 h: ?& D. p8 C    冲压时，当作用于坯料变形区内的拉应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是伸长变形，故称这种冲压变形为伸长类变形（如胀形、扩口、内孔翻边等）。当作用于坯料变形区内的压应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是压缩变形，故称这种冲压变形为压缩类变形（如拉深、缩口等）。伸长类变形的极限变形系数主要决定于材料的塑性；压缩类变形的极限变形系数通常是受坯料传力区的承载能力的限制，有时则受变形区或传力区的失稳起皱的限制。
    （2）成形质量 冲压件的质量指标主要是尺寸精度、厚度变化、表面质量以及成形后材料的物理机械性能等。影响工件质量的因素很多，不同的冲压工序情况又各不相同。
  u' `, N& h$ v. p1 n/ {; n    材料在塑性变形的同时总伴随着弹性变形，当载荷卸除后，由于材料的弹性回复，造成制件的尺寸和形状偏离模具，影响制件的尺寸和形状精度。因此，掌握回弹规律，控制回弹量是非常重要的。
冲压成形后，一般板厚都要发生变化，有的是变厚，有的是变薄。厚度变薄直接影响冲压件的强度和使用，对强度有要求时，往往要限制其最大变薄量。
    材料经过塑性变形后，除产生加工硬化现象外，还由于变形不均，造成残余应力，从而引起工件尺寸及形状的变化，严重时还会引起工件的自行开裂。所有这些情况，在制定冲压工艺时都应予以考虑。
    影响工件表面质量的主要因素是原材料的表面状态、晶粒大小、冲压时材料粘模的情况以及模具对冲压件表面的擦伤等。原材料的表面状态直接影响工件的表面质量；晶粒粗大的钢板拉伸时产生所谓“桔子皮”样的缺陷（表面粗糙）；冲压易于粘模的材料则会擦伤冲压件并降低模具寿命。此外，模具间隙不均，模具表面粗糙也会擦伤冲压件。
     2．板材冲压成形性能的试验方法  
    板料的冲压成形性能是通过试验来测定的。板料的冲压性能试验方法很多，大致可分为间接试验和直接试验两类。间接试验方法有拉伸试验、剪切试验、硬度试验、金相试验等，由于试验时试件的受力情况与变形特点都与实际冲压时有一定的差别，因此这些试验所得结果只能间接反映出板料的冲压成形性能。但由于这些试验在通用试验设备上即可进行，故常常采用。直接试验方法有反复弯曲试验、胀形性能试验、拉深性能试验等，这类试验方法试样所处的应力状态和变形特点基本上与实际的冲压过程相同，所以能直接可靠地鉴定板料某类冲压成形的性能，但需要专用试验设备或工装。下面仅就最常用的间接试验——拉伸试验作介绍。
材料的拉伸试验：在待试验板料的不同部位和方向上截取试样，按标准制成如图1.3.12所示的拉伸试样，然后在万能材料试验机上进行拉伸。根据试验结果或利用自动记录装置，可得到如图1.3.13所示应力与应变之间的关系曲线，即拉伸曲线。
& {2 B. E0 R% V% V( h3 L    通过拉伸试验可测得板料的各项机械性能指标。板料的机械性能与冲压成形性能有很紧密的关系，可从不同角度反映板材的冲压成形性能。一般而言，板料的强度指标越高，产生相同变形量的力就越大；塑性指标越高，成形时所能承受的极限变形量就越大；刚度指标越高，成形时抵抗失稳起皱的能力就越大。现就其中较为重要的几项说明如下：
/ M. |6 W3 D! S: D; ]" W- ^( V( G$ E    (1）总延伸率δ与均匀延伸率δb
+ A/ ~3 J! c- z     δ是在拉伸试验中试样破坏时的延伸率，称为总延伸率，简称延伸率。δb是在拉伸试验中开始产生局部集中变形时（刚出现细颈时）的延伸率，叫做均匀延伸率。δb表示板料产生均匀变形或稳定变形的能力。一般情况下，冲压成形都在板材的均匀变形范围内进行，故δb对冲压性能有较为直接的意义。在伸长类变形工序中，例如圆孔翻边、胀形等工序中，δb愈大，则极限变形程度愈大。

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  (2）屈强比（σs／σb）
) q0 K. O6 L" O# s' @3 d% F' ~    σs/σb是材料的屈服极限与强度极限的比值，称为屈强比。屈强比小，即σb与σs之间的差值大，材料易塑性变形而不易断裂，允许的塑性变形区间大，这对所有冲压成形都是有利的。
, O) r+ x" R' t在压缩类变形工艺中，例如拉深时，当屈强比小，即材料的屈服点σs低时，则变形区的切向压应力较小，板料失稳起皱的趋势小，防止起皱所需的压料力和需要克服的摩擦力也相应减小，从而降低了总的变形力，也就减轻了传力区的载荷。而强度极限σb高，则传力区的承载能力大，所以说屈强比小有利于成形极限的提高。
3 P) s$ C+ l6 B" s    在伸长类变形工艺中，例如胀形，当屈强比小时，由于塑性成形所需拉力与坯料破坏时的拉断力之差较大，因而塑性变形过程的稳定性高，坯料拉破的可能性小，即不容易出废品。
' m! S7 c! f0 T+ X" Q    (3)弹性模量E
! S; Z! L; `- p4 K* N1 j    弹性模量是材料的刚度指标。弹性模量愈大，在成形过程中抗压失稳能力愈强，卸载后弹性恢复愈小，有利于提高零件的尺寸精度。
    (4）硬化指数n
    硬化指数n表示材料在冷塑性变形中材料硬化的强度。n值越大的材料，硬化效应就大，这对于伸长类变形来说是有利的。因此n值增大，则变形过程中材料局部变形程度的增加会使该处变形抗力增大，这样就可以补偿该处因截面积减小而引起的承载能力的减弱，从而制止了局部集中变形的进一步发展，具有扩展变形区、使变形均匀化和增大极限变形程度的作用。可以证明，材料的硬化指数n，其值为细颈点应变εj，所以硬化指数n愈高，材料均匀变形的能力愈强。
1 E0 {; Q; n2 N8 ?    (5）板厚方向性系数ｒ
     板厚方向系数ｒ是指板料试样单向拉伸时,宽向应变与厚向应变之比（又称塑性应变比），即

式中b0，ｂ，t0与ｔ分别为变形前后试样的宽度与厚度。一般规定ｒ值按延伸率为20％时试样测量的结果进行计算。
    ｒ值的大小反映平面方向和厚度方向变形难易程度的比较，ｒ值愈大，则板平面方向上愈容易变形，而厚度方向上较难变形，这对拉深成形是很有利的。例如，在曲面零件拉深成形时，板料的中间部分在拉应力作用下，厚度方向上变形比较困难，即变薄量小，而在板平面内与拉应力相垂直的方向上的压缩变形比较容易，则板料中间部分起皱的趋向低，有利于拉深的顺利进行和工件质量的提高；同样，在用ｒ值大的板料进行筒形件拉深时，筒壁在拉应力作用下不易变薄，不易拉破，而凸缘区的切向压缩变形容易，起皱趋势降低，压料力减小，反过来又使筒壁拉应力减小，使筒形件的拉深极限变形程度增大。
8 F+ k" v* b0 S  b0 d: |/ c, ?    冲压加工所用板料，都是经过轧制的材料。因纤维组织的影响，其纵向与横向上性能有明显差异，在不同方向上ｒ值也不相同，因此通常取其平均值 。
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式中r0，r90，r45分别为板料在纵向、横向和45°方向上的板厚方向性系数。
: x( U7 r6 w  C3 T8 k. v6 ?9 D" D    (6）板平面方向性
9 ]8 Z7 n  C9 ]4 i    板料经轧制后其机械、物理性能在板平面内出现各向异性，称为板平面方向性。方向性越明显，对冲压成形性能的影响就越大。例如弯曲，当弯曲件的折弯线与板料的纤维方向垂直时，允许的极限变形程度就越大，而折弯线平行于纤维方向时，允许的极限变形程度就小，方向性越明显，降低量越大。又如筒形拉深件中，由于板平面方向性使拉深件口部不齐，出现“凸耳”，方向性越明显，则“凸耳”的高度越大。
     板平面方向性主要表现为机械性能在板面内不同方向上的差别，但在表示板材机械性能的各项指标中，板厚方向性系数对冲压性能的影响比较明显，故板平面方向性的大小一般用板厚方向性系数ｒ在几个方向上的平均差值△ｒ来衡量，规定为

2 Z9 X9 ~0 q3 k6 w/ `% |% c由于板平面方向性对冲压变形和制件的质量都是不利的，所以生产中应尽量设法降低板材的△ｒ值。
& A( G$ ^& w) }! ?    表1.3.4所示为一些材料的r值和Δr值。
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( C$ H' B) e/ x/ @$ _ 3．冲压材料
（1）对冲压材料的要求
- G. E" G) ?  j# K9 n    冲压所用的材料，不仅要满足产品设计的技术要求，还应当满足冲压工艺的要求和冲压后继的加工要求（如切削加工、焊接、电镀等）。冲压工艺对材料的基本要求主要是：
    a．对冲压成形性能的要求
, p. j2 i5 }, e: o# D! `5 i为了有利于冲压变形和制件质量的提高，材料应具有良好的冲压成形性能。而冲压成形性能与材料的机械性能密切相关，通常要求材料应具有：良好的塑性，屈强比小，弹性模量高，板厚方向性系数大，板平面方向性系数小。不同冲压工序对板材性能的具体要求如表1.3.5所示。
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9 K* s# S+ w+ R. P1 ?  b．对材料厚度公差的要求
    材料的厚度公差应符合国家规定标准。因为一定的模具间隙适用于一定厚度的材料，材料厚度公差太大，不仅直接影响制件的质量，还可能导致模具和冲床的损坏。
- o9 ~" ^, k: c- M* w  P* E    c．对表面质量的要求
    材料的表面应光洁平整，无分层和机械性质的损伤，无锈斑、氧化皮及其它附着物。表面质量好的材料，冲压时不易破裂，不易擦伤模具，工件表面质量好。
    (2）常用冲压材料
6 W- v8 M( g9 H" b    冲压用材料的形状有各种规格的板料、带料和块料。板料的尺寸较大，一般用于大型零件的冲压，对于中小型零件，多数是将板料剪裁成条料后使用。带料（又称卷料）有各种规格的宽度，展开长度可达几千米，适用于大批量生产的自动送料，材料厚度很小时也是做成带料供应。块料只用于少数钢号和价钱昂贵的有色金属的冲压。
( D, |& A- R0 f* ]# |7 `  c: K    冷冲压常用材料有：
    a.黑色金属：普通碳素结构钢、优质碳素钢、合金结构钢、碳素工具钢、不锈钢、电工硅钢等。
对厚度在4mm以下的轧制薄钢板，按国家标准GB/T708-1991规定，钢板的厚度精度可分为A(高级精度)，B(较高精度)，C(普通精度)级
    对优质碳素结构钢薄钢板，根据GB/T710-1991规定，钢板的表面质量可分为Ⅰ（特别高级的精整表面），Ⅱ（高级的精整表面），Ⅲ（较高的精整表面），Ⅳ（普通的精整表面）组；每组按拉深级别又可分为ｚ（最深拉深），ｓ（深拉深），ｐ（普通拉深）级：
: p+ ?) k' Y. L$ x* y$ Q5 j$ a    b. 有色金属：铜及铜合金、铝及铝合金、镁合金、钛合金等。
/ z3 ?, w! I, _6 Y4 k8 @: u6 H' b    c.非金属材料：纸板、胶木板、塑料板、纤维板和云母等。
- h2 f, e/ m& C2 i     关于各类材料的牌号、规格和性能，可查阅有关手册和标准。表1.3.6给出了常用冷冲压材料的机械性能，从表中数据，可以近似判断材料的冲压性能。