板料冲压成形性能与成形极限 一、概述一、概述 板料的冲压成形性能：板料对冲压成形工艺的适应能力。 板料成形的两种失稳现象：拉伸失稳、压缩失稳 板料成形极限：板料发生失稳之前可以达到的最大变形程 度。 总体成形极限：反映板料失稳前某些特定的总体尺寸可以 达到的最大限度。 局部成形极限：反映板料失稳前局部尺寸可以达到的最大 变形程度。 总结：板料的冲压成形性能包括抗破裂性、贴膜性和定形 性，故影响因素很多，如材料性能、零件和冲模的 几何形状与尺寸、变形条件以及冲压设备性能和操 作水平等。 贴膜性：指板料在冲压过程中取得模具形状的能力。 影响因素：内皱、翘曲、塌陷、鼓起 定形性：指零件脱模后保持其在模内既得形状的能力。 影响因素：回弹 一般来讲，冲压成形性能是介于材料科学和冲压成 形技术之间的一个边缘问题。冲压成形性能除与板料 的材质、组织结构和性能有关外，冲压技术的改善也 常常会使成形性能得到提高。 二、冲压成形区域与成形性能的划分 1 1、冲压成形区域划分、冲压成形区域划分 图图1 1 典型冲压成形方式典型冲压成形方式 图图2 2“ “拉深拉深+胀形胀形” ”复合成形复合成形 2、冲压成形性能划分 破裂 由于板料所受拉应力超过材料强 度极限引起的破裂 破裂 由于板料的伸长变形超过材料的 局部延伸率引起的破裂 弯曲破裂 由于弯曲变形区的外层材料中 拉应力过大引起的破裂 拉伸成形性能 拉伸时抵抗破裂 的能力 胀形成形性能 胀形时抵抗破裂 的能力 两者区别 胀形成形性能只与变形区的材料 变形程度有关，而拉伸成形性能不仅与变形区 的材料变形程度有关，同时还受传力区变形程 度影响。 扩孔成形性能 伸长类翻边产生的破裂属于 破裂，习惯上把伸长类翻边时板料抵抗破裂 的能叫做扩孔成形性能。 弯曲成形性能 板料弯曲成形时抵抗弯曲破 裂的能力。 板料对各种冲压成形加工的适应能力称 为板料的冲压成形性能。具体地说，就是指 能否用简便地工艺方法，高效率地用坯料生 产出优质冲压件。冲压成形性能是个综合性 的概念，它涉及到的因素很多，其中有两个 主要方面：一方面是成形极限，希望尽可能 减少成形工序；另一方面是要保证冲压件质 量符合设计要求。下面分别讨论。 1、成形极限 在冲压成形中，材料的最大变形极限 称为成形极限。对不同的成形工序，成形 极限应采用不同的极限变形系数来表示。 例如弯曲工序的最小相对弯曲半径、拉深 工序的极限拉深系数等等。这些极限变形 系数可以在各种冲压手册中查到，也可通 过实验求得。 依据什么来确定极限变形系数呢？这要 看影响成形过程正常进行的因素是哪些。冲 压成形时外力可以直接作用在毛坯的变形区 （例如胀形），也可以通过非变形区，包括 已变形区（例如拉深）和待变形区（例如缩 口、扩口等），将变形力传给变形区。因此 ，影响成形过程正常进行的因素，可能发生 在变形区，也可能发生在非变形区。归纳起 来，大致有下述几种情况： 1）.属于变形区的问题 伸长类变形一般是因为拉应力过大，材料 过度变薄，局部失稳而产生断裂，如 胀形 、翻孔、扩口 和弯曲外区等的拉裂。 压缩类变形一般是因为压应力过大，超过 了板材的临界应力，使板材丧失稳定性而 产生起皱，如缩口、 无压边圈拉深 等的起 皱。 、拉裂或过度变薄；例如拉深是利用已变 形区作为拉力的传力区，若变形力超过已 变形区的抗拉能力，就会在该区内发生拉 裂或局部严重变薄而使工件报废。 2）.属于非变形区的问题 传力区 承载能力不够：非变形区 作为传 力区时 ，往往由于变形力超过了该传力区的 承载能力而使变形过程无法继续进行。也分 为两种情况： 、失稳或 塑性镦粗 ： 例如扩口和 缩口工 序是利用待变形区作为压力的传力区，若 变形力超过了管坯的承载能力，待变形区 就会因失稳而压屈，或者发生塑性镦粗变 形。 、待变形区拉裂或起皱：例如在盒形件的 后续拉深工序中，待变形区金属流入变形 区的速度不一致，靠直边部分流入速度快 ，角部金属流入速度慢。在这两部分金属 的相互影响下，直边部分容易发生拉裂， 角部则容易沿高度方向压屈起皱。 非传力区在内应力作用下破坏 ：非变形 区不是传力 区时，由于变形过程中金属流动 的不均匀性，也可能产生过大的内应力而使 之破坏。根据发生问题的部位不同，可分为 ： 、已变形区拉裂或起皱：如薄壁件反挤时 ，若金属从变形区流到已变形区的速度不 均匀， 则速度 快的 部位易因受 附加压应 力而起皱，速度慢的部位易受附加拉应力 的作用而开裂。 综上所述，不论是伸长类还是压缩类 变形，不论问题发生在变形区还是非变形 区，其失稳形式无非两种类型： 受拉部位 发生缩颈断裂，受压部位发生压屈起皱。 为了提高冲压成形极限，从材料方面来看 ，就必须提高板材的塑性指标和增强抗拉 、抗压的能力。 2、成形质量 冲压零件不但要求具有所需形状，还 必须保证产品质量。冲压件的质量指标主 要是厚度变薄率、尺寸精度、表面质量以 及成形后材料的物理力学性能等。 金属在塑性变形中体积不变。因此，在伸 长类变形时，板厚都要变薄，它会直接影 响到冲压件的强度，故对强度有要求的冲 压件往往要限制其最大变薄率。 影响冲压件尺寸和形状精度的主要原 因是回弹与畸变。由于在塑性变形的同时 总伴随着弹性变形，卸载后会出现回弹现 象，导致尺寸及形状精度的降低。冲压件 的表面质量主要是指成形过程中引起的擦 伤。产生擦伤的原因除冲模间隙不合理或 不均匀、模具表面粗糙外，往往还由于材 料粘附模具所致。例如不锈钢拉深就很容 易有此问题。 表表1 1 变形区的应变方式、破裂形式和冲压成形方式及成形性能的关系变形区的应变方式、破裂形式和冲压成形方式及成形性能的关系 变变形区的应应 变变方式 伸长类应长类应 变变 压缩类应压缩类应 变变 弯曲 破裂形式 胀胀形和胀胀形 成形性能 拉深和拉深 成形性能 扩扩孔（或伸长长 类类翻边边）和 扩扩孔成形性能 弯曲破裂 弯曲和弯曲 成形性能 三、冲压成形性能试验方法与指标 1、胀形成形性能试验 测定或评价板料胀形成形性能时，广泛应 用杯突实验。如图3所示。实验时，试样反 正凹模与压边圈之间压死，凸模向上运动， 把试样在凹模内胀成凸包，至凸包破裂时停 止试验，并将此时的凸包高度记作杯突试验 值IE，作为胀形成形性能指标。IE越大，胀 形成形性能越好。 2 2、扩孔成形性能试验、扩孔成形性能试验 =(d=(d f f -d-d 0 0 )/d)/d 0 0 x100%x100% 式中式中 d d0 0 试样中心孔的 试样中心孔的 初始直径初始直径 d d f f 孔缘破裂时孔径平孔缘破裂时孔径平 均值均值 d d f f =0.5(d=0.5(dfmax fmax+d +dfmin fmin ) ) 图3 图图4 4 扩孔试验扩孔试验（JB4409.4-88） 板料基 本厚度 t0 凸模凹模 中心孔 初始直 径d0 导导料销销 直径d 圆试样圆试样 直径或 方试样试样 边长边长 直径dp圆圆角半 径rp 内径Dd圆圆角半 径rd 0.201. 00 25 0-0.0530.127+0.05010.17.5+0.0507.5 0-0.0545 70 1.00 2.00 400-0.0550.144+0.05010.1 12.0+0.05012.0 0-0.05 70 1.00 4.00 550-0.0580.163+0.05010.1 16.5+0.05016.5 0-0.05 100 表表2 2 扩孔实验参数扩孔实验参数/mm(JB4409.4-88)/mm(JB4409.4-88) 3 3 拉深成形性能试验拉深成形性能试验 （1 1）圆柱形平底凸模冲杯试验）圆柱形平底凸模冲杯试验 图图5 5 冲杯试验冲杯试验（JB4409.3-88） 极限拉深比极限拉深比 LDR=DLDR=Dmax max/d /d p p 式中式中d d p p 凸模直径凸模直径 （2 2）TZPTZP试验试验 图6 TZP试验（JB4409.2-88） 拉深潜力拉深潜力 T=(Ff- Fmax)/FfX100% 4 弯曲成形性能试验 图7 弯曲试验（JB4409.5-88） a) 压弯法b)折叠弯曲 最小相对弯曲半径最小相对弯曲半径 =r=rmin min/t /t 0 0 t t 0 0 试样基本厚度试样基本厚度 5 5 拉深拉深- -胀形复合成形性能试验胀形复合成形性能试验 图8 锥杯试验（JB4409.6-88） CCV= 0.5(Dcmax +Dcmin) 模具类类型 名称和单单位 板料基本厚 度t0/mm 0.50t00.800.80t01.001.00t01.301.30t0 1.60 凹模孔锥锥度 /度 60606060 凹模孔直径 Dd/mm 14.6019.9524.4032.00 凹模孔圆圆角 半径rd/mm 3.04.06.08.0 凸模杆直径 dp/mm 12.7017.4620.6426.99 钢钢球直径 Dp/mm dpdpdpdp 试样试样 直径 D/mm 36506078 表表3 3 锥杯实验参数锥杯实验参数（JB4409.6-88JB4409.6-88） 四、板料的力学性能与冲压成形性能的关系 (1) 屈服极限 屈服极限 小，材料容易屈服，变形抗力 小，成形后回弹小，贴模性和形状冻结性能好。 但在压缩类变形时，易起皱。 (2) 屈强比 屈强比 对板料冲压成形性能影响较 大， 小，板料由屈服到破裂的塑性变形阶 段长(变形区间大)，有利冲压成形。一般来讲， 较小的屈强比对板料的各种成形工艺中的抗破裂 性有利。而且成形曲面零件时，容易获得较大的 拉应力使成形形状得以稳定(冻结)，减少回弹。 故较小的屈强比，回弹也小，形状的冻结性较好 。 (3) 总延伸率 与均匀延伸率 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； 在 拉伸试验开始产生局部集中变形(刚出现细 颈时)的延伸率，叫做均匀延伸率，它表示 材料产生均匀的或稳定的塑性变形能力。当 材料的伸长变形超过材料局部延伸率时，将 引起材料的破裂，所以 也是一种衡量伸 长变形时变形极限的指标。实验证明延伸率 或均匀延伸率影响翻孔，扩孔成形性能的最 主要指标。 n(4) 硬化指数n 大多数金属板材的硬化规律接近于幂函数 的关系，可用指数n表示其硬化性能。n大，材料在 变形中加工硬化严重，真实应力增大。在伸长类变 形中，n值大，变形抗力增长大，从而使变形均匀 化，具有扩展变形区，减少毛坏局部变薄和增大极 限变形参数等作用。尤其是对于复杂形状的曲面零 件的深拉成形工艺，当毛坏中间部分的胀形成分较 大时，n值的上述作用对冲压性能的影响更为显著 。 n(5) 板厚方向性系数 板厚方向性系数，也叫做值，它是板料试 样拉伸试验中宽度应变 与厚度应变 之比, 其表达式为： 值的大小，表明板材在受单向拉应力作用时，板 平面方向和厚度方向上的变形难易程度的比较。也 就是表明在相同受力条件下，板材厚度方向上的变 形性能和板平面方向上的差别。所以叫板厚方向性 系数，也叫塑性应变比。1时，表明板材在厚度 方向上的变形比较困难。在拉深成形工序中，加大 值，毛坯宽度方向易于变形，切向易于收缩不易 起皱，有利拉深成形。 n(6) 板平面各向异性系数 n 板料经轧制后，在板平面内也出现各向异 性，因此沿各不同方向，其力学性能和物理性能 均不同，冲压成形后使其拉深件口部不齐，出现“ 凸耳”， 愈大，“凸耳”愈高，如图1.4.3所示。 尤其在沿轧制45方向与轧制方向形成的差异更为 突出