成形極限圖試驗(yàn)

1、成形極限圖試驗(yàn)成形極限 圖（ FLD）或成形極限 曲線（ FLC）是板料沖壓成形性能發(fā)展過(guò)程中的較新成果 .成形極限 圖的試驗(yàn)方法如下所述：1 ）在試驗(yàn)用坯料上制備好坐標(biāo)網(wǎng)格；2 ）以一定的加載方式使坯料產(chǎn)生脹形變形，測(cè)出試件破裂或失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)變 1、 2（長(zhǎng)、短軸方向）；3 ）改變坯料尺寸或加載條件，重復(fù) 2）項(xiàng)試驗(yàn)，測(cè)得另一狀態(tài)下的 1、 2；4 ）取得一定量的數(shù)值后，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.成形極限 曲線將整個(gè)圖形分成如 1 所示的三部分：安全區(qū)、破裂區(qū)及臨界區(qū) .圖 1成形極限 圖及其用法于大型復(fù)雜薄板沖壓件成形時(shí),凹模內(nèi)毛坯產(chǎn)生破裂的情況較多.這一部分

2、毛坯一般是在拉應(yīng)力作用下成形的，變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的斷裂是延性斷裂 .掌握板材拉伸失穩(wěn)理論，利用 成形極限 圖，可以對(duì)這種破壞問(wèn)題較快地作出判斷，找出原因，提出相應(yīng)的解決辦法 .拉伸失穩(wěn)理論是計(jì)算建立 成形極限 圖的基礎(chǔ) .拉伸失穩(wěn)是指在拉應(yīng)力作用下， 材料在板平面方向內(nèi)失去了塑性變形穩(wěn)定性而產(chǎn)生縮頸， 并隨這發(fā)生破裂 .拉伸失穩(wěn)可分為分散失穩(wěn)和集中失穩(wěn)兩種 .分散性失穩(wěn)是指板料的塑性變形達(dá)到一定程度后， 變形開(kāi)始出現(xiàn)在材料內(nèi)某些性能不均勻或厚度不均勻的部位，載荷開(kāi)始隨變形程度增大而減小， 由于應(yīng)變硬化， 這些縮頸能在一定的尺寸范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移，使材料在這個(gè)范圍內(nèi)產(chǎn)生一種亞穩(wěn)定的塑性流動(dòng)， 故載荷下降比較

3、緩慢 .但由于材料的硬化增強(qiáng)，變形抗力又有所提高，最后，最薄弱的環(huán)節(jié)逐漸顯示出來(lái)，縮頸就逐步集中到某一狹窄區(qū)段，這樣就逐漸形成了集中失穩(wěn).產(chǎn)生1 / 8集中失穩(wěn)時(shí)， 縮頸點(diǎn)也不能再轉(zhuǎn)移出去，此時(shí)金屬產(chǎn)生不穩(wěn)定流動(dòng)， 由于這時(shí)承載面急劇減小，變形；力也就急劇下降，很快就異致破壞.成形極限 是指材料不發(fā)生塑性失穩(wěn)破壞時(shí)的極限應(yīng)變值 .但由于目前失穩(wěn)理論的計(jì)算值還不能準(zhǔn)確反映實(shí)際沖壓成形中毛坯的變形極限， 在實(shí)際生產(chǎn)中普遍應(yīng)用由實(shí)驗(yàn)得到的 成形極限圖.成形極限 圖（ FLD ），也稱成形極限 線（ FLC ）是對(duì)板材成形性能的一種定量描述，同時(shí)也是對(duì)沖壓工藝成敗性的一種判斷曲線 .它比用總體 成形極

4、限 參數(shù)，如脹形系數(shù)、 翻邊系數(shù)等來(lái)判斷是否能成形更為方便而準(zhǔn)確 . 成形極限 圖（ FLD）是板材在不同應(yīng)變路徑下的局部失穩(wěn)極限應(yīng)變和 （相對(duì)應(yīng)變） 或 和 （真實(shí)應(yīng)變）構(gòu)成的條帶形區(qū)域或曲線（圖1-14）.它全面反映了板材在單向和雙向拉應(yīng)力作用下的局部 成形極限 .在板材成形中，板平面內(nèi)的兩主應(yīng)變的任意組合，只要落在成形極限 圖中的成形極限 曲線上，板材變形時(shí)就會(huì)產(chǎn)生破裂； 反之則是安全 .圖 1-14 中的條帶形區(qū)域稱為界區(qū)，變形如位于臨界區(qū)，表明此處板材有瀕臨于破裂的危險(xiǎn) .由此可見(jiàn)， FLD 是判斷和評(píng)定板材成形性能的最為簡(jiǎn)便和直觀的方法，是解決板材沖壓成形問(wèn)題的一個(gè)非常有效的工具.

5、圖 1-14成形極限圖(FLD) 一、成形極限圖（ FLD ）的制作目前，試驗(yàn)確定板材 成形極限 圖的方法是：在毛坯（試樣）表面預(yù)先作出一定形狀的風(fēng)格.沖壓成形后，觀察、測(cè)定網(wǎng)格尺寸的變化量，經(jīng)過(guò)計(jì)算，即可得到網(wǎng)格所在位置的應(yīng)變.對(duì)變形區(qū)內(nèi)各點(diǎn)網(wǎng)格尺寸的變化進(jìn)行測(cè)量與計(jì)算，可得到應(yīng)變的分布.網(wǎng)格圖形如圖1-15 所示 .圖 1-16 是采用圓形網(wǎng)格，在變形網(wǎng)格變成橢圓形狀，橢圓的長(zhǎng)、短軸方向就是主軸方向，主應(yīng)變數(shù)值為相應(yīng)應(yīng)變： 長(zhǎng)軸應(yīng)變：短軸應(yīng)變：真實(shí)應(yīng)變：長(zhǎng)軸應(yīng)變：短軸應(yīng)變： 圖 1-15常用網(wǎng)絡(luò)形式 a) 圓形網(wǎng)絡(luò) b) 組合網(wǎng)絡(luò) c) 疊加網(wǎng)絡(luò) 圖 1-16 網(wǎng)絡(luò)的變形二、 FLD 在生

6、產(chǎn)中的應(yīng)用成形極限圖與應(yīng)變分析網(wǎng)格法結(jié)合在一起 .可以分析解決許多生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題 .這種方法用于分析解決問(wèn)題的原理是： 首先通過(guò)試驗(yàn)方法獲得研究零件所用板材的 成形極限 圖 . 再將網(wǎng)格系統(tǒng)制作在研究零件的毛坯表面劃變形危險(xiǎn)區(qū)， 坯料成形為零件后， 測(cè)定其網(wǎng)格的變化量，計(jì)算出應(yīng)變值 .將應(yīng)變值標(biāo)注在所用材料的 成形極限 圖上 .這時(shí)零件的變形危險(xiǎn)區(qū)域便可準(zhǔn)確加以判斷 .成形極限 圖的應(yīng)用大致有以下幾方面： 1） 解決沖模調(diào)試中的破裂問(wèn)題： 2） 判斷所設(shè)計(jì)工藝過(guò)程的安全裕度，選用合適的沖壓材料； 3） 可用于沖壓成形過(guò)程的監(jiān)視和尋找故障 .FLD 應(yīng)用舉2 / 8例：為消除破裂指出應(yīng)采取的工藝措

7、施.將汽車覆蓋件上某一危險(xiǎn)部位的應(yīng)變值標(biāo)注到所用材料的 成形極限 圖上（圖1-17） .如果覆蓋件上危險(xiǎn)部位的應(yīng)變位于B 處，要增加其安全，由圖中看出：應(yīng)減小或增大 ，最好兼而有之 .減小 需降低橢圓長(zhǎng)軸方向的流動(dòng)阻力， 還可以采用在方向減小坯料尺寸，增大模具圓角半徑，改善其潤(rùn)滑條件等方法來(lái)實(shí)現(xiàn).如要增加，需增加橢圓短軸方向的流動(dòng)阻力，實(shí)現(xiàn)的方法是在這一方向上增加坯料尺寸，減小模具圓角， 在垂直于短軸方向設(shè)置拉深肋等 .若覆蓋件危險(xiǎn)部位的應(yīng)變位于D 處，要增加其安全性， 可以減小或減小 的代數(shù)著手，應(yīng)注意的是，減小的代數(shù)值應(yīng)減小短軸方向的流動(dòng)阻力.通過(guò)上述分析可見(jiàn)， 汽車覆蓋件成形中， 對(duì)其成

8、形質(zhì)量影響較大的工藝參數(shù)是：模具圓角半徑、坯料形狀和尺寸、壓邊力、潤(rùn)滑狀態(tài)等，成形工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，在很大程度上取決于合理選擇這些工藝參數(shù)，成形極限 圖提供了合理選擇和優(yōu)化工藝參數(shù)的途徑 .圖 1-17用 FLD 預(yù)見(jiàn)危險(xiǎn)性圖各種常見(jiàn)彎曲件3.1彎曲變形過(guò)程及變形特點(diǎn)< 彎曲變形過(guò)程 >在壓力機(jī)上采用壓彎模具對(duì)板料進(jìn)行壓彎是彎曲工藝中運(yùn)用最多的方法 . 彎曲變形的過(guò)程一般經(jīng)歷彈性彎曲變形、彈 - 塑性彎曲變形、塑性彎曲變形三個(gè)階段 . 現(xiàn)以常見(jiàn)的 V 形件彎曲為例，如圖所示 . 板料從平面彎曲成一定角度和形狀，其變形過(guò)程是圍繞著彎曲圓角區(qū)域展開(kāi)的， 彎曲圓角區(qū)域?yàn)橹饕冃螀^(qū) .彎曲開(kāi)

9、始時(shí)，模具的 凸 、凹模分別與板料在 A 、B 處相接觸 . 設(shè) 凸模在 A 處施加的彎曲力為 2F （見(jiàn)圖）. 這時(shí)在 B 處（凹模與板料的接觸支點(diǎn)則產(chǎn)生反作用力并與彎曲力構(gòu)成彎曲力矩 M = F·（ L 1 /2 ） ，使板料產(chǎn)生彎曲 . 在彎曲的開(kāi)始階段， 彎曲圓角半徑 r 很大，彎曲力矩很小 , 僅引起材料的彈性彎曲變形 .3 / 8圖彎曲過(guò)程隨著凸模進(jìn)入 凹模深度的增大， 凹模與板料的接觸處位置發(fā)生變化，支點(diǎn) B 沿凹模斜面不斷下移，彎曲力臂 L 逐漸減小，即 L n < L 3 < L 2 < L1 .同時(shí)彎曲圓角半徑r亦逐漸減小，即r n < r

10、 3 < r 2 < r 1，板料的彎曲變形程度進(jìn)一步加大 .彎曲變形程度可以用相對(duì)彎曲半徑r/t表示， t 為 板 料的厚度 . r/t越小，表明彎曲變形程度越大. 一般認(rèn)為當(dāng)相對(duì)彎曲半徑r/t>200時(shí)，彎曲區(qū)材料 即開(kāi)始進(jìn)入彈 - 塑性彎曲階段， 毛坯變形區(qū)內(nèi) （彎曲半徑發(fā)生變化的部分） 料厚的內(nèi)外表面首先開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形， 隨后塑性變形向毛坯內(nèi)部擴(kuò)展 . 在彈 - 塑性彎曲變形過(guò)程中， 促使材料變形的彎曲力矩逐漸增大， 彎曲力臂 L 繼續(xù)減小，彎曲力則不斷加大 .凸模繼續(xù)下行，當(dāng)相對(duì)彎曲半徑 r/t<200 時(shí)， 變形由彈 - 塑性彎曲逐漸過(guò)渡到塑性變形 . 這

11、時(shí)彎曲圓角變形區(qū)內(nèi)彈性變形部分所占比例已經(jīng)很小，可以忽略不計(jì)，視板料截面都已進(jìn)入塑性變形狀態(tài) . 最終， B 點(diǎn)以上部分在與凸模的 V 形斜面接觸后被反向彎曲，再與凹模斜面逐漸靠緊，直至板料與凸 、凹模完全貼緊 .4 / 8若彎曲終了時(shí)， 凸模與板料、 凹模三者貼合后凸模不再下壓， 稱為自由彎曲 . 若凸模再下壓，對(duì)板料再增加一定的壓力， 則稱為校正彎曲 , 這時(shí)彎曲力將急劇上升 . 校正彎曲與自由彎曲的 凸模下止點(diǎn)位置是不同的，校正彎曲使彎曲件在下止點(diǎn)受到剛性鐓壓 ，減小了工件的回彈 （進(jìn)一步論述見(jiàn)本章第節(jié)） .< 板料彎曲的塑性變形特點(diǎn) >為了觀察板料彎曲時(shí)的金屬流動(dòng)情況，便于

12、分析材料的變形特點(diǎn)，可以采用在彎曲前的板料側(cè)表面設(shè)置正方形網(wǎng)格的方法 . 通常用機(jī)械刻線或照相腐蝕制作網(wǎng)格，然后用工具顯微鏡觀察測(cè)量彎曲前后網(wǎng)格的尺寸和形狀變化情況， 如圖 所示 .彎曲前，材料側(cè)面線條均為直線 , 組成大小一致的正方形小格， 縱向網(wǎng)格線長(zhǎng)度 aa =bb. 彎曲后，通過(guò)觀察網(wǎng)格形狀的變化，（如圖所示）可以看出彎曲變形具有以下特點(diǎn)：圖彎曲變形分析一 彎曲圓角部分是彎曲變形的主要區(qū)域可以觀察到位于彎曲圓角部分的網(wǎng)格發(fā)生了顯著的變化，原來(lái)的正方形網(wǎng)格變成了扇形 . 靠近圓角部分的直邊有少量變形，而其余直邊部分的網(wǎng)格仍保持原狀，沒(méi)有變形 . 說(shuō)明彎曲變形的區(qū)域主要發(fā)生在彎曲圓角部分

13、.二 彎曲變形區(qū)內(nèi)的中性層在彎曲圓角變形區(qū)內(nèi)，板料內(nèi)側(cè)（靠近 凸 模一側(cè)）的縱向網(wǎng)格線長(zhǎng)度縮短，愈靠近內(nèi)側(cè)愈短 . 比較彎曲前后相應(yīng)位置的網(wǎng)格線長(zhǎng)度， 可以看出圓弧 為最短， 遠(yuǎn)小于彎曲前的直線長(zhǎng)度 ，說(shuō)明 內(nèi)側(cè)材料受壓縮 . 而板料外側(cè)（靠近凹模一側(cè)）的縱向網(wǎng)格線長(zhǎng)度伸長(zhǎng)，愈靠近外側(cè)愈長(zhǎng) . 最外側(cè)的圓弧長(zhǎng)度為最長(zhǎng)，明顯大于彎曲前的直線長(zhǎng)度 ，說(shuō)明外側(cè)材料受到拉伸 .從板料彎曲外側(cè)縱向網(wǎng)格線長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)過(guò)渡到內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度的縮短，長(zhǎng)度是逐漸改變的 . 由于材料的連續(xù)性，在伸長(zhǎng)和縮短兩個(gè)變形區(qū)域之間，其中必定有5 / 8一層金屬纖維材料的長(zhǎng)度在彎曲前后保持不變，這一金屬層稱為應(yīng)變中性層 （見(jiàn)圖 3-3

14、 中的 O-O 層）. 應(yīng)變中性層長(zhǎng)度的確定是今后進(jìn)行彎曲件毛坯展開(kāi)尺寸計(jì)算的重要依據(jù) . 當(dāng)彎曲變形程度很小時(shí)，應(yīng)變中性層的位置基本上處于材料厚度的中心，但當(dāng)彎曲變形程度較大時(shí)， 可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)變中性 層向材料內(nèi)側(cè)移動(dòng)， 變形量愈大 ，內(nèi)移量愈大 .三 變形 區(qū)材料 厚度變薄的現(xiàn)象彎曲變形程度較大時(shí)，變形區(qū)外側(cè)材料受拉伸長(zhǎng)，使得厚度方向的材料減薄；變形區(qū)內(nèi)側(cè)材料受壓，使得厚度方向的材料增厚 . 由于應(yīng)變中性層位置的內(nèi)移，外側(cè)的減薄區(qū)域隨之?dāng)U大， 內(nèi)側(cè)的增厚區(qū)域逐漸縮小， 外側(cè)的減薄量大于內(nèi)側(cè)的增厚量， 因此使彎曲變形區(qū)的材料厚度變薄 . 變形程度愈大， 變薄現(xiàn)象愈嚴(yán)重 . 變薄后的厚度 t =

15、t, （ 是 變薄系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定， 值總是小于1 ）.四 變形區(qū)橫斷面的變形板料的相對(duì)寬度b/t（ b是板料的寬度， t是板料的厚度） 對(duì)彎曲變形區(qū)的材料變形有很大影響. 一般將相對(duì)寬度b/t >3的板料稱為寬板，相對(duì)寬度 b/t 3 的稱為窄板 .窄板彎曲時(shí)，寬度方向的變形不受約束 . 由于彎曲變形區(qū)外側(cè)材料 受拉引起 板料寬度方向收縮，內(nèi)側(cè)材料受壓引起板料寬度方向增厚，其橫斷面形狀變成了 外窄內(nèi) 寬的扇形（見(jiàn)圖 3-4a ）. 變形區(qū)橫斷面形狀尺寸發(fā)生改變稱為畸變 .寬板彎曲時(shí)，在寬度方向的變形會(huì)受到相鄰部分材料的制約，材料不易流動(dòng)，因此其橫斷面形狀變化較小，僅在兩端會(huì)出現(xiàn)少量變

16、形（見(jiàn)圖3-4b），由于相對(duì)于寬度尺寸而言數(shù)值較小，橫斷面形狀基本保持為矩形.雖然寬板彎曲僅存在少量畸變，但是在某些彎曲件生產(chǎn)場(chǎng)合，如鉸鏈加工制造，需要 兩個(gè)寬板彎曲 件的配合時(shí)，這種畸變可能會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量 . 當(dāng)彎曲 件質(zhì)量 要求高時(shí)， 上述畸變可以采取在變形部位預(yù)做圓弧切口的方法加以防止 .<>板料塑性彎曲時(shí)，變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)取決于彎曲變形程度以及彎曲毛坯的相對(duì)寬度b/t.如圖 3-5 所示，取材料的微小立方單元體表述彎曲變形區(qū)的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài) , 、 表示切向 ( 縱向、長(zhǎng)度方向 ) 應(yīng)力、應(yīng)變， r、 r表示徑向（厚度方向）的應(yīng)力、應(yīng)變， b 、 b表示寬度方向的

17、應(yīng)力、應(yīng)變. 從圖中可以看出，對(duì)于寬板彎曲或窄板彎曲，變形區(qū)的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)在切向和徑向是完全相同的，僅在寬度方向有所不同.6 / 8圖自由彎曲時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)一 .應(yīng)力狀態(tài)在切向：外側(cè) 材料受拉 ，切向應(yīng)力 為正；內(nèi)側(cè)材料受壓，切向應(yīng)力 為負(fù) . 切向應(yīng)力為絕對(duì)值最大的主應(yīng)力 . 外側(cè)拉應(yīng)力與內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力間的分界層稱為應(yīng)力中性層，當(dāng)彎曲變形程度很大時(shí)也有向內(nèi)側(cè)移動(dòng)的特性 .應(yīng)變中性層的內(nèi) 移總是 滯后于應(yīng)力中性層，這是由于應(yīng)力中性層的內(nèi)移，使外側(cè)拉應(yīng)力區(qū)域不斷向內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)展， 原中性層內(nèi)側(cè)附近的材料層由壓縮變形轉(zhuǎn)變?yōu)槔熳冃危瑥亩斐闪藨?yīng)變中性層的內(nèi)移 .在徑向：由于變形區(qū)各層金屬間的相

18、互擠壓作用， 內(nèi)側(cè)、外側(cè)同為受壓，徑向應(yīng)力 r 均為負(fù)值 . 在 徑向壓 應(yīng)力 r 的作用下，切向應(yīng)力 的分布性質(zhì)產(chǎn)生了顯著的變化，外側(cè)拉應(yīng)力的數(shù)值小于內(nèi)側(cè)區(qū)域的壓應(yīng)力 . 只有使拉應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)大， 壓應(yīng)力區(qū)域減小， 才能重新保持彎曲時(shí)的靜力平衡條件， 因此應(yīng)力中性層必將內(nèi)移 相對(duì)彎曲半徑 r/t 越小，徑向壓 應(yīng)力 r 對(duì)應(yīng)力中性層內(nèi)移的作用越顯著 .在寬度方向：窄板彎曲時(shí)，由于材料在寬度方向的變形不受約束，因此內(nèi)、外側(cè)的應(yīng)力均接近于零 . 寬板彎曲 時(shí)，在寬度方向材料流動(dòng)受阻、變形困難，結(jié)果在彎曲變形區(qū)外側(cè)產(chǎn)生阻止材料沿寬度方向收縮的拉應(yīng)力， b 為正，而在變形區(qū)內(nèi)側(cè)產(chǎn)生阻止材料沿寬度方向增寬的壓應(yīng)力， b 為負(fù) .由于窄板彎曲 和寬板彎曲 在 板寬方向 變形的不同，所以窄板彎曲的應(yīng)力狀態(tài)是平面的， 寬板彎曲