料衝壓成形性能及衝壓材料

 

料衝壓成形性能及衝壓材料

板料的衝壓成形性能

板料對各種衝壓成形加工的適應能力稱為板料的衝壓成形性能。具體地說，就是指能否用簡便地工藝方法，高效率地用坯料生產出優質衝壓件。衝壓成形性能是個綜合性的概念，它涉及到的因素很多，其中有兩個主要方面：一方面是成形極限，希望盡可能減少成形工序；另一方面是要保證衝壓件品質符合設計要求。下面分別討論。

(一)成形極限

在衝壓成形中，材料的最大變形極限稱為成形極限。對不同的成形工序，成形極限應採用不同的極限變形係數來表示。例如彎曲工序的最小相對彎曲半徑、拉深工序的極限拉深係數等等。這些極限變形係數可以在各種衝壓手冊中查到，也可通過實驗求得。

依據什麼來確定極限變形係數呢？這要看影響成形過程正常進行的因素是哪些。衝壓成形時外力可以直接作用在毛坯的變形區（例如脹形），也可以通過非變形區，包括已變形區（例如拉深）和待變形區（例如縮口、擴口等），將變形力傳給變形區。因此，影響成形過程正常進行的因素，可能發生在變形區，也可能發生在非變形區。歸納起來，大致有下述幾種情況：

1.屬於變形區的問題

伸長類變形一般是因為拉應力過大，材料過度變薄，局部失穩而產生斷裂，如 脹形、翻孔、擴口 和彎曲外區等的拉裂。壓縮類變形一般是因為壓應力過大，超過了板材的臨界應力，使板材喪失穩定性而產生起皺，如縮口、 無壓邊圈拉深 等的起皺。

2.屬於非變形區的問題

傳力區 承載能力不夠：非變形區 作為傳力區時 ，往往由於變形力超過了該傳力區的承載能力而使變形過程無法繼續進行。也分為兩種情況：

1)拉裂或過度變薄；例如拉深是利用已變形區作為拉力的傳力區，若變形力超過已變形區的抗拉能力，就會在該區內發生拉裂或局部嚴重變薄而使工件報廢。

2)失穩或 塑性鐓粗 ： 例如擴口和 縮口工序是利用待變形區作為壓力的傳力區，若變形力超過了管坯的承載能力，待變形區就會因失穩而壓屈，或者發生塑性鐓粗變形 。

非傳力區在內應力作用下破壞 ：非變形區不是傳力 區時，由於變形過程中金屬流動的不均勻性，也可能產生過大的內應力而使之破壞。根據發生問題的部位不同，可分為：

1)待變形區拉裂或起皺：例如在盒形件的後續拉深工序中，待變形區金屬流入變形區的速度不一致，靠直邊部分流入速度快，角部金屬流入速度慢。在這兩部分金屬的相互影響下，直邊部分容易發生拉裂，角部則容易沿高度方向壓屈起皺。

2)已變形區拉裂或起皺：如薄壁件反擠時，若金屬從變形區流到已變形區的速度不均勻， 則速度 快的 部位易因受 附加壓應力而起皺，速度慢的部位易受附加拉應力的作用而開裂。

綜上所述，不論是伸長類還是壓縮類變形，不論問題發生在變形區還是非變形區，其失穩形式無非兩種類型： 受拉部位 發生縮頸斷裂，受壓部位發生壓屈起皺。為了提高衝壓成形極限，從材料方面來看，就必須提高板材的塑性指標和增強抗拉、抗壓的能力。

(二)成形品質

衝壓零件不但要求具有所需形狀，還必須保證產品品質。衝壓件的品質指標主要是厚度變薄率、尺寸精度、表面品質以及成形後材料的物理力學性能等。

金屬在塑性變形中體積不變。因此，在伸長類變形時，板厚都要變薄，它會直接影響到衝壓件的強度，故對強度有要求的衝壓件往往要限制其最大變薄率。

影響衝壓件尺寸和形狀精度的主要原因是回彈與畸變。由於在塑性變形的同時總伴隨著彈性變形，卸載後會出現回彈現象，導致尺寸及形狀精度的降低。衝壓件的表面品質主要是指成形過程中引起的擦傷。產生擦傷的原因除沖模間隙不合理或不均勻、模具表面粗糙外，往往還由於材料粘附模具所致。例如不銹鋼拉深就很容易有此問題。

1.4.2板料衝壓成形性能試驗

(一)板料衝壓成形性能試驗方法

    板料衝壓性能試驗方法通常分為三種類型：力學試驗、金屬學試驗（統稱間接試驗）和工藝試驗（直接試驗）。其中常用的力學試驗有簡單拉伸試驗和雙向拉伸試驗，用以測定板料的力學性能指標；金屬學試驗用以確定金屬材料的硬度、表面粗糙度、化學成分、結晶方位與晶粒度等；工藝試驗也稱模擬試驗，它是用模擬生產實際中的某種衝壓成形工藝的方法測量出相應的工藝參數。例如 Swift的拉深試驗測出極限拉深比 LDR ； T ZP試驗測出對比 拉深力的 T 值； Erichsen 試驗測出 極限脹形深度 Er 值；K.W.I擴孔試驗測出極限擴孔率λ等。下面僅對板材簡單拉伸實驗進行介紹。

(二)板材拉伸試驗

板材的拉伸試驗也叫做單向拉伸試驗或簡單拉伸試驗。應用拉伸試驗方法，可以得到許多評定板材衝壓性能的試驗值，所以應用十分普遍。

    由於試驗目的不同，板材衝壓性能評價用的拉伸試驗方法和所得到的試驗值均與為評定材料強度性能的拉伸試驗有所不同。簡單介紹如下 ：

圖1.4.1 拉伸實驗試樣

    試驗設備：拉力試驗機（機械式或液壓式）。

    試驗時，利用測量裝置測量拉伸力P與拉伸行程（試樣伸長值）ΔL，根據這些數值作出s－d曲線。（圖1.4.2）。試驗可以得到下列力學性能指標：

圖1.4.2 拉伸曲線

 1）屈服極限s_s或s_0.2；

2)強度極限s_b；

3）屈強比s_s/s_b；  

4）均勻伸長率d_u ；

5）總伸長率d；

6）彈性模數E；

7）硬化指數n；

8）厚向異性指數g 

1.4.3 板料力學性能與衝壓成形性能的關係

板料力學性能與板料衝壓性能有密切關係。一般來說，板料的強度指標越高，產生相同變形量所需的力就越大；塑性指標越高，成形時所能承受的極限變形量就越大；剛性指標越高，成形時抗失穩起皺的能力就越大。

對板料衝壓成形性能影響較大的力學性能指標有以下幾項：

1)屈服極限ss  屈服極限ss小，材料容易屈服,則變形抗力小，產生相同變形所需變形力就小，並且屈服極限小，當壓縮變形時，屈服極限小的材料因易於變形而不易出現起皺，對彎曲變形則回彈小。

2)屈強比ss／sb    屈強比小，說明σs值小而σb值大，即容易產生塑性變形而不易產生拉裂，也就是說，從產生屈服至拉裂有較大的塑性變形區間。尤其是對壓縮類變形中的拉深變形而言，具有重大影響，當變形抗力小而強度高時，變形區的材料易於變形不易起皺，傳力區的材料又有較高強度而不易拉裂，有利於提高拉深變形的變形程度。

3)伸長率  拉伸試驗中，試樣拉斷時的伸長率稱總伸長率或簡稱伸長率d。而試樣開始產生局部集中變形（縮頸時）的伸長率稱均勻伸長率du。du表示板料產生均勻的或穩定的塑性變形的能力，它直接決定板料在伸長類變形中的衝壓成形性能，從實驗中得到驗證，大多數材料的翻孔變形程度都與均勻伸長率成正比。可以得出結論：即伸長率或均勻伸長率是影響翻孔或擴孔成形性能的最主要參數。

4)硬化指數n   單向拉伸硬化曲線可寫成s=Keⁿ，其中指數n即為硬化指數，表示在塑性變形中材的硬化程度。n大時，說明在變形中材料加工硬化嚴重，真實應力增加大。板料拉伸時，整個變形過程是不均勻的，先是產生均勻變形，然後出現集中變形，形成縮頸，最後被拉斷。在拉伸過程中，一方面材料斷面尺寸不斷減小使承載能力降低，另一方面由於加工硬化使變形抗力提高，又提高了材料的承載能力。在變形的初始階段，硬化的作用是主要的，因此材料上某處的承載能力，在變形中得到加強。變形總是遵循阻力最小定律，既“弱區先變形”的原則，變形總是在的最弱面處進行，這樣變形區就不斷轉移。因而，變形不是集中在某一個局部斷面上進行，在宏觀上就表現為均勻變形，承載能力不斷提高。但是根據材料的特性，板料的硬化是隨變形程度的增加而逐漸減弱，當變形進行到一定時刻，硬化與斷面減小對承載能力的影響，兩者恰好相等，此時最弱斷面的承載能力不再得到提高，於是變形開始集中在這一局部地區地行，不能轉移出去、發展成為縮頸，直至拉斷。可以看出，當n值大時，材料加工硬化嚴重，硬化使材料強度的提高得到加強，於是增大了均勻變形的範圍。對伸長類變形如脹形，n值大的材料使變形均勻，變薄減小，厚度分佈均勻，表面品質好，增大了極限變形程度，零件不易產生裂紋

5)厚向異性指數g

由於板料軋製時出現的纖維組織等因素，板料的塑性會因方向不同而出現差異，這種現象稱塑性各向異性。厚向異性係數是指單向拉伸試樣寬度應變和厚度應變之比,即：

g=e_b/e_t                                                (1.4.1)

式中  e_b、e_t——寬度方向、厚度方向的應變。

厚向異性指數表示板料在厚度方向上的變形能力，g 值越大，表示板料越不易在厚度方向上產生變形，即不易出現變薄或增厚,g 值對壓縮類變形的拉深影響較大，當g值增大，板料易於在寬度方向變形，可減小起皺的可能性，而板料受拉處厚度不易變薄，又使拉深不易出現裂紋，因此g值大時，有助於提高拉深變形程度。

6）板平面各向異性指數∆g

板料在不同方位上厚向異性指數不同，造成板平面內各向異性。用∆g表示：

∆g=（g₀+g₉₀+2g₄₅）/2                  （1.4.2）

式中 g₀、 g₉₀、g₄₅——縱向試樣、橫向試樣和與軋製方向成45°試樣厚向異性指數。

∆g越大，表示板平面內各向異性越嚴重，拉深時在零件端部出現不平整的凸耳現象，就是材料的各向異性造成的，它既浪費材料又要增加一道修邊工序。

1.4.4 常用衝壓材料及其力學性能

衝壓最常用的材料是金屬板料，有時也用非金屬板料，金屬板料分黑色金屬和有色金屬兩種。黑色金屬板料按性質可分為：

1)普通碳素鋼鋼板  如Q195、Q235等。

2)優質碳素結構鋼鋼板  這類鋼板的化學成分和力學性能都有保證。其中碳鋼以低碳鋼使用較多，常用牌號有：08、08F、10、20等，衝壓性能和焊接性能均較好，用以製造受力不大的衝壓件。

3)低合金結構鋼板  常用的如Q345（16Mn）、Q295（09Mn2）。用以製造有強度要求的重要衝壓件。

4)電工矽鋼板  如DT1、DT2。

5)不銹鋼板  如1Crl8Ni9Ti，1Cr13等，用以製造有防腐蝕防銹要求的零件。

常用的有色金屬有銅及銅合金（如黃銅）等，牌號有T1、T2、H62、H68等，其塑性、導電性與導熱性均很好。還有鋁及鋁合金，常用的牌號有L2、L3、LF21、LY12等，有較好塑性，變形抗力小且輕。

表1.4.1列出了部分常用金屬板料的力學性能。

非金屬材料有膠木板、橡膠、塑膠板等。

衝壓用材料的形狀，最常用的是板料，常見規格如71031420和100032000等。對大量生產可採用專門規格的帶料（卷料）。特殊情況可採用塊料，它適用于單件小批生產和價值昂貴的有色金屬的衝壓。

板料按厚度公差可分為A、B、C  3種；按表面品質可分為 I 、 II 、 III 3種。

用於拉深複雜零件的鋁鎮靜鋼板，其拉深性能可分為ZF、HF、F 3種。一般深拉深低碳薄鋼板可分為Z、S、P 3種。板料供應狀態可為：退火狀態M、淬火狀態C、硬態Y、半硬（1／2硬）Y₂等。板料有冷軋和熱軋兩種軋製狀態。

 

 

表 1.4.1 部分常用衝壓材料的力學性能
材料名稱	牌號	材料狀態	抗剪強度 t / Mpa	抗拉強度 s b / MPa	伸長率 d 10 /%	屈服強度 s s / MPa
電工用純鐵 C<0.025	DT1、DT2、DT3	已退火	180	230	26	—
普通碳素鋼	Q195	未退火	260～320	320～400	28～33	200
	Q235		310～380	380～470	21～25	240
	Q275		400～500	500～620	15～19	280
優質碳素結構鋼	08F	已退火	220～310	280～390	32	180
	08		260～360	330～450	32	200
	10		260～340	300～440	29	210
	20		280～400	360～510	25	250
	45		440～560	550～700	16	360
	65Mn	已退火	600	750	12	400
不銹鋼	1Cr13	已退火	320～380	400～470	21	—
	1Cr18Ni9Ti	熱處理退軟	430～550	540～700	40	200
鋁	L2、L3、L5	已退火	80	75～110	25	50～80
		冷作硬化	100	120～150	4	—
鋁錳合金	LF21	已退火	70～110	110～145	19	50
硬鋁	LY12	已退火	105～150	150～215	12	—
		淬硬後冷作 硬化	280～320	400～600	10	340
純銅	T1、T2、T3	軟態	160	200	30	7
		硬態	240	300	3
黃銅	H62	軟態	260	300	35	—
		半硬態	300	380	20	200
	H68	軟態	240	300	40	100
		半硬態	280	350	25	—