材料加工工藝15

1、金屬塑性加工Metal Forming Processes(6)清華大學(xué)機械工程系材料加工課程工藝部分主要內(nèi)容6.16.26.36.46.56.66.7板料成形性能的重要意義板料成形性能的主要參數(shù)加工硬化指數(shù)n板厚方向性指數(shù)r平面方向性指數(shù)r板料成形極限圖FLD板料沖壓性能試驗6.1 板料成形性能的重要意義1996年，中國鋼材產(chǎn)量躍居世界第一位（1億噸）2003年，中國鋼材產(chǎn)量連續(xù)7年保持在世界第一位（2億噸）2006年，中國鋼材產(chǎn)量將達到3億噸鋼鐵大國 鋼鐵強國中國鋼材： $300/噸消耗能源2A/噸外國鋼材： $500/噸消耗能源 A/噸產(chǎn)品質(zhì)成形用鋼板的質(zhì)量力學(xué)性能：達到要求成形性能：很

2、難滿足成形要求板料成形件對材料的要求：強度不是主要的，看重的是成形性能。1996年 薄板鋼材產(chǎn)量 1229.77萬噸 比1995年增長 12.33%進口同類產(chǎn)品 840萬噸比1995年增長47%出口同類產(chǎn)品60萬噸比1995年減少65%板料成形性能的主要內(nèi)容板料加工階段所需要的加工性能，稱為沖壓性，其中包括沖剪性、成形性和定形性。沖剪性：板材適應(yīng)剪裁加工的能力成形性：板材適應(yīng)各種成形加工的能力，平板毛坯變成具有一定形狀零件定形性：成形模具（力）卸去后，板料保持其已得形狀的能力板料的成形性能板料的成形性能分為廣義和狹義兩個內(nèi)容，它們的關(guān)系是6.2 板料成形性能的主要參數(shù)nr8)平面異性指數(shù) r5

3、)均勻延伸率6)應(yīng)變硬化指數(shù)7)厚向異性指數(shù)4)極限(總)延伸率3)屈強比1)抗拉強度2)屈服點 u s b b s板料成形性能的主要參數(shù)在材料的力學(xué)性能參數(shù)中，屈服強度s、屈服比s/b、伸長率等強度指標(biāo)與塑性指標(biāo)，可用來表示材料的基本成形性能。金屬材料的力學(xué)性能包括強度、硬度、塑性、韌性、耐磨性和缺口敏感性等。他們主要取決于材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量、殘余應(yīng)力及表面和內(nèi)部缺陷等內(nèi)在因素，但在外在因素如載荷類型、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、環(huán)境介質(zhì)等對材料的力學(xué)性能影響也很大。在生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的、最基本的常規(guī)力學(xué)性能試驗有拉伸、硬度、壓縮、彎曲、剪切、沖擊、扭轉(zhuǎn)及高溫持久強度、蠕變、松弛試驗等6.

4、3 應(yīng)變（加工）硬化指數(shù)硬化指數(shù)n（n值）是評定板料伸長類成形性能的一個重要參數(shù)。n值大的材料，在同樣的變形程度下，真實應(yīng)力增加的要多。在伸長類變形過程中可以使變形均勻化，具有擴展變形區(qū)，減少毛坯的局部變薄和增大極限變形參數(shù)等作用。硬化指數(shù)n的數(shù)值，可以根據(jù)拉伸試驗結(jié)果所得的硬化曲線，也可以利用具有不同寬度的階梯形拉伸試樣所做的拉伸試驗結(jié)果，經(jīng)過一定的計算求得。6.4 厚向異性系數(shù)厚向異性系數(shù)r（也叫塑性應(yīng)變比r，簡稱r值）是評定板料壓縮類成形性能的一個重要參數(shù)。r值是板料試件單向拉伸試驗中寬度應(yīng)變w與厚度應(yīng)變t之比，即:r=w/tw0ln( 0 )R值的計算w ftt fw，t 代表寬度和厚

5、度尺寸下標(biāo)0 代表初始尺寸下標(biāo)f 代表變形后的尺寸ln( )=R90 = w t假設(shè)軋制方向就是板材的長度方向厚向異性系數(shù)的表達板平面中最主要的三個方向是與軋制方向呈0、45和90，相應(yīng)地用r0、r45和r90表示。由于不同方向上測得的數(shù)值是變化的，板料的厚向異性系數(shù)常用平均值r表示R值對成形的影響板料r值的大小，反映板平面方向與厚度方向應(yīng)變能力的差異。r=1時，為各向同性；r1時，為各向異性。當(dāng)r1，說明板平面方向較厚度方向更容易變形。r值與板料中晶粒的擇優(yōu)取向有關(guān)，本質(zhì)上是屬于板料各向異性的一個量度。r值與沖壓成形性能有密切的關(guān)系，尤其是與拉深成形性能直接相關(guān)。板料的r值大，拉深成形時，有

6、利于凸緣的切向收縮變形和提高拉深件底部的承載能力。大型覆蓋件成形，基本上是一種拉深與脹形相結(jié)合的復(fù)合成形，當(dāng)拉深變形的成分占主導(dǎo)地位時，板材r值大，成形性能好。6.5 平面異性系數(shù)（凸耳參數(shù)）板平面內(nèi)各向異性的差別用r表示。r 對成形的影響用圓形坯料拉深筒形件，當(dāng)r0時，凸耳出現(xiàn)在0和90方向；當(dāng)r0時，凸耳出現(xiàn)在45方向；r=0時，不產(chǎn)生凸耳。由于凸耳的位置與大小和r有關(guān)，所以r也叫凸耳參數(shù)。r值在板平面內(nèi)的變化圓筒件拉深的制耳常見金屬材料的平均R值鋅合金（Zinc Alloys）熱軋鋼板（Hot-rolled steel）冷軋沸騰鋼板（Cold-rolled rimmed steel）0.

7、4-0.60.8-1.01.0-1.4冷軋鋁鎮(zhèn)靜鋼板（Cold-rolled aluminum-killed steel）1.4-1.8鋁合金（Aluminum alloys）銅（Copper and brass）鈦合金（）（Titanium alloys）不銹鋼（Stainless steels）高強低合金鋼（High-strength low-alloy steels）0.6-0.80.6-0.93.0-5.00.9-1.20.9-1.2平面各向異性的由來織構(gòu)的概念： 1）晶體學(xué)織構(gòu)2）變形織構(gòu)單晶體在不同的晶體學(xué)方向上，其力學(xué)、電磁、光學(xué)、耐腐蝕、磁學(xué)甚至核物理等方面的性能會表現(xiàn)出顯著差

8、異，這種現(xiàn)象稱為各向異性。多晶體是許多單晶體的集合，如果晶粒數(shù)目大且各晶粒的排列是完全無規(guī)則的統(tǒng)計均勻分布，即在不同方向上取向幾率相同，則這多晶集合體在不同方向上就會宏觀地表現(xiàn)出各種性能相同的現(xiàn)象，這叫各向同性。然而多晶體在其形成過程中，由于受到外界的力、熱、電、磁等各種不同條件的影響，或在形成后受到不同的加工工藝的影響，多晶集合體中的各晶粒就會沿著某些方向排列，呈現(xiàn)出或多或少的統(tǒng)計不均勻分布，即出現(xiàn)在某些方向上聚集排列，因而在這些方向上取向幾率增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做擇優(yōu)取向。這種組織結(jié)構(gòu)及規(guī)則聚集排列狀態(tài)類似于天然纖維或織物的結(jié)構(gòu)和紋理，故稱之為織構(gòu)。織構(gòu)測定在材料研究中有重要作用。晶體學(xué)

9、織構(gòu)變形織構(gòu)6.6 成形極限曲線(圖) FLC or FLD變形板料中的一點應(yīng)變狀態(tài)，可以通過一點的兩個主應(yīng)變（1， 2 ）來確定，通過實驗，求得一種材料在各種應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下的成形極限點，把這些點標(biāo)注到以主應(yīng)變（工程應(yīng)變或?qū)?shù)應(yīng)變）為坐標(biāo)軸的直角坐標(biāo)系中并聯(lián)成線，就是該材料的成形極限曲線（FormingLimit Curve）或成形極限圖（Forming Limit Diagram）破壞AOEFH21板料成形中的主要缺陷出現(xiàn)在FLD的不同位置方盒拉深成形中主要缺陷出現(xiàn)在FLD的不同位置6.7 沖壓工藝性能試驗杯突試驗（Erichsen試驗）沖杯試驗（Swift拉深試驗）錐杯試驗（福井試驗）方板

10、對角拉伸試驗（吉田試驗，拉皺試驗）1）杯突試驗杯突試驗（Erichsen試驗）如圖1所示。試驗時，90mm90mm的試樣或?qū)挾?0mm的條料試樣放在凹模與壓邊圈之間壓死（壓邊力取10kN），測出試件剛好破裂時的凸模壓入深度IE。杯突試驗是模擬脹形工藝，所以試驗值IE可作為材料的脹形成形性能指標(biāo)。IE值大，脹形成形性能好。圖1 杯突試驗1-凸模 2-凹模 3-壓邊圈 4-試樣杯突試驗的試件（OSU）杯突試驗的試件（清華）2）沖杯試驗沖杯試驗（也叫Swift拉深試驗、LDR試驗），是采用50mm的平底凸模將試樣拉深成形（圖2）。試驗過程中，采用逐級增大試件直徑Do的辦法，測定杯體底部不被拉破而又能

11、將凸緣全部拉入凹模的最大直徑Domax，并用下式計算極限拉深比（LDR）作為拉深成形性能指標(biāo)。LDR=Domax/dLDR越大，材料的拉深性能越好。圖2 沖杯試驗1-凸模 2-壓邊圈 3-凹模 4-試樣3）錐杯試驗錐杯試驗（福井試驗）是通過鋼球把試樣沖成錐杯圖3，當(dāng)發(fā)現(xiàn)材料破裂時停止試驗，測量杯口的最大直徑Dcmax和最小直徑Dcmin，并用下式計算錐杯試驗值C.C.V=(D0-Dm)/D0。試驗值ccv可作為材料的拉深和脹形復(fù)合成形性能指標(biāo)。圖3 錐杯試驗1-凹模 2-試樣 3-鋼球 4-凸模4）方板對角拉伸試驗方板對角拉伸試驗（吉田試驗，或YBT）分為單向?qū)抢旌碗p向?qū)抢靸煞N。兩種方法的試