板材成形性實(shí)驗(yàn)

1、板料成形性能測試實(shí)驗(yàn)西 北 工 業(yè) 大 學(xué)i. 基本知識(shí)概述一、 成形極限圖沖壓成形性能：板料對沖壓成形工藝的適應(yīng)能力。全面地講，板料的沖壓成形性能包括抗破裂性、貼模性和定形性，故影響因素很多，如材料性能、零件和沖模的幾何形狀與尺寸，變形條件（變形速度、壓邊力、摩擦和溫度等）以及沖壓設(shè)備性能和操作水平等。板料的貼模性指板料在沖壓過程中取得模具形狀的能力，定形性指零件脫模后保持其在模內(nèi)既得形狀的能力。影響貼模性的因素很多，成形過程中發(fā)生的內(nèi)皺、翹曲、塌陷和鼓起等幾何面缺陷會(huì)使貼模性降低。影響定形性的諸因素中，回彈是最主要的因素，零件脫模后，常因回彈大而產(chǎn)生較大的形狀誤差。板料的貼模和定形性好壞與

2、否，是決定零件形狀尺寸精確度的重要因素。目前的沖壓生產(chǎn)和板料生產(chǎn)中，仍主要用抗破裂性作為評定板料沖壓成形性能的指標(biāo)。失穩(wěn)：板料在成形過程中會(huì)出現(xiàn)兩種失穩(wěn)現(xiàn)象，即拉伸失穩(wěn)和壓縮失穩(wěn)。拉伸失穩(wěn)是板料在拉應(yīng)力作用下局部出現(xiàn)頸縮或破裂；壓縮失穩(wěn)是板料在壓應(yīng)力作用下出現(xiàn)皺紋。成形極限：板料在失穩(wěn)前可以達(dá)到的最大變形程度。成形極限分為總體成形極限和局部成形極限?？傮w成形極限反映板料失穩(wěn)前某些特定的總體尺寸可以達(dá)到的最大變形程度，如極限拉深系數(shù)、極限脹形高度和極限翻邊系數(shù)等均屬于總體成形極限?？傮w成形極限常用作工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。局部成形極限反映板料失穩(wěn)前局部尺寸可以達(dá)到的最大變形程度，如成形時(shí)的局部極限應(yīng)變即屬

3、于局部成形極限。成形極限圖（forming limit diagrams,縮寫fld）是60年代中期由keeler和goodwin等人提出的。成形極限圖（fld）是板料在不同應(yīng)變路徑下的局部失穩(wěn)極限和（工程應(yīng)變）或和（真實(shí)應(yīng)變）構(gòu)成的條帶形區(qū)域或曲線，它全面反映了板料在單向和雙向拉應(yīng)力作用下的局部成形極限。成形極限圖（fld）的提出，為定性和定量研究板料的局部成形性能奠定了基礎(chǔ)。在此之前，板料的各種成形性能指標(biāo)或成形極限大多以試樣的某些總體尺寸變化到某種程度（如發(fā)生破裂）而確定。這些總體成形性能指標(biāo)或成形極限不能反映板料上某一局部危險(xiǎn)區(qū)的變形情況。成形極限曲線將整個(gè)圖形分成如1所示的三部分：安

4、全區(qū)、破裂區(qū)及臨界區(qū)。圖1 成形極限圖成形極限圖既可在實(shí)際沖壓生產(chǎn)中積累數(shù)據(jù)確定，也可通過實(shí)驗(yàn)方法確定。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先在試件表面復(fù)制網(wǎng)格圓圖案 （圖2），然后沖壓試件直到破裂，測量破裂部位或其附近的網(wǎng)格圓變形后的長、短軸尺寸（圖3），計(jì)算失穩(wěn)極限應(yīng)變。圖2 網(wǎng)格圓圖案網(wǎng)格圓畸變出現(xiàn)的三種情況：圖3 網(wǎng)格圓畸變失穩(wěn)極限應(yīng)變的計(jì)算方法：工程應(yīng)變： 真實(shí)應(yīng)變：式中： 網(wǎng)格圓初始直徑； 網(wǎng)格圓畸變后的長軸尺寸； 網(wǎng)格圓畸變后的短軸尺寸；從成形極限圖所在主應(yīng)變平面的原點(diǎn)引一條直線與其相交，交點(diǎn)坐標(biāo)就是板料在該直線代表的應(yīng)變路徑下（=某一常數(shù)）所能達(dá)到的失穩(wěn)極限應(yīng)變。板料的沖壓成形性能與成形極限的關(guān)系：在不

5、同的成形方式下，需要用不同的參數(shù)表示與該成形方式對應(yīng)的成形極限；板料的沖壓成形性能越好，成形極限越高。成形極限圖的應(yīng)用成形極限圖可以用來評價(jià)板料的局部成形性能，成形極限圖的應(yīng)變水平越高，板料的局部成形性能越好。將成形極限圖與應(yīng)變分析的網(wǎng)格法結(jié)合起來，可用來分析解決許多現(xiàn)場生產(chǎn)問題。成形極限圖可以在沖壓成形工藝的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中應(yīng)用，利用它判別工藝制定是否合理，使沖壓技術(shù)向更高水平發(fā)展。二、 脹形試驗(yàn)簡介實(shí)際應(yīng)用的成形極限圖是通過實(shí)驗(yàn)方法確定的，試驗(yàn)常采用脹形法進(jìn)行。脹形：利用模具強(qiáng)迫板料厚度減薄和表面積增大，以獲取零件幾何形狀的沖壓加工方法。脹形可以用不同的方法實(shí)現(xiàn)，如剛模脹形、橡皮脹形和液壓

6、脹形。純脹形時(shí)，毛坯被帶有拉深筋的壓邊圈壓死，變形區(qū)限制在拉深筋以內(nèi)的毛坯中部。在凸模力的作用下，變形區(qū)大部分材料受雙向拉應(yīng)力作用（忽略板厚方向的應(yīng)力），沿切向和徑向產(chǎn)生拉伸變形，是板料的厚度減薄，表面積增大，并在凸模內(nèi)形成一個(gè)凸包。圖4 脹形成形 圖5 脹形時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變脹形成形極限：脹形成形極限以零件是否發(fā)生破裂來判斷。由于脹形方法不同，成形極限的表示方法也不同。純脹形時(shí)，常用成形高度表示成形極限。一般來說，脹形破裂總是發(fā)生在材料厚度減薄最大的部位，所以變形區(qū)的應(yīng)變分布式影響脹形成形極限的重要因素。影響脹形成形極限的材料因素主要是延伸率和應(yīng)變硬化指數(shù)。一般來說，延伸率大，板料破裂前允許的變

7、形程度大，成形極限也大。應(yīng)變硬化指數(shù)n值大，應(yīng)變硬化能力強(qiáng)，可促使應(yīng)變分布趨于均勻化，同時(shí)還能提高材料的局部應(yīng)變能力，故成形極限也大。另外，潤滑條件和變形速度以及材料厚度對脹形成形極限也有影響。ii. 實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 通過與單向拉伸試驗(yàn)比較，對復(fù)雜應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)有一定的認(rèn)識(shí)。2. 通過印制網(wǎng)格，運(yùn)用液壓脹形工藝，利用工程顯微鏡或數(shù)碼照相進(jìn)行應(yīng)變測試，尋找該材料成形極限，并且繪制成形極限圖，驗(yàn)證該材料的成形范圍。3. 對液壓機(jī)有一定的認(rèn)識(shí)。二、 實(shí)驗(yàn)材料、使用工具及儀器設(shè)備1. 材料：厚度為1mm的低碳鋼板及鋁板。2. 工具：球頭模具、工程顯微鏡。3. 設(shè)備：動(dòng)液壓脹形實(shí)驗(yàn)臺(tái)。三、 實(shí)

8、驗(yàn)內(nèi)容及步驟本實(shí)驗(yàn)在不同寬度試件上印制圓形網(wǎng)格的基礎(chǔ)上,分別進(jìn)行剛性凸模脹形試驗(yàn),直至試件出現(xiàn)頸縮線為止,然后用工具顯微鏡或數(shù)碼照相法測量與頸縮線最臨近處網(wǎng)格的變形量,計(jì)算出對應(yīng)的兩個(gè)應(yīng)變值，從而確定成形極限圖。試驗(yàn)時(shí),剛性凸模與試件之間用多層聚乙烯薄膜加機(jī)油潤滑。具體的試驗(yàn)方法如下所述：1) 在實(shí)驗(yàn)用坯料上制備好坐標(biāo)網(wǎng)格，然后在工程顯微鏡上測出試件表面網(wǎng)格圓的原始直徑，讀數(shù)準(zhǔn)確到0.01mm。為了減小誤差，分別測出3個(gè)網(wǎng)格圓的互相垂直方向（可取板材軋制方向的縱向和橫向）上的直徑，并記入表1。2) 在脹形裝置上以一定的加載方式使坯料產(chǎn)生脹形變形，至試件剛剛出現(xiàn)裂紋為止，測出試件破裂或靠近裂紋的橢圓網(wǎng)格長軸和短軸直徑，讀數(shù)準(zhǔn)確到0.01mm，并記入表2。3) 改變坯料尺寸或加載條件，重復(fù)2）項(xiàng)試驗(yàn)，將得到的數(shù)據(jù)填入表2；4) 取得一定量的數(shù)值后，計(jì)算出應(yīng)變1、2（長、短軸方向），然后在平面坐標(biāo)圖上描繪出各試驗(yàn)點(diǎn)，然后圓滑連線，作出fld。表 1圓1圓2圓3平均原始