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钣金成形性能
一概论

金属变形的两个明显不同的范畴,弹性与塑性。
金属成形,必须在塑性范围内进行,才可以得到
永久变形,其定义不像弹性那样精确,然而也有
一些解析方法和试验结果,并诞生了塑性理论。
钣金成形必须超过弹性极限,但不应超过缩颈阶
段,因为超过缩颈阶段,特别是出现局部缩颈后
纵然可以得到所要求的形状,但在后续成型工序
及使用中横容易招致破坏。
所以研究的范围主要是限于弹性极限到局部缩
颈点之间的塑性区。对象限与3mm以内的薄板料
1)应力与应变虽然是一个统一体的两面,但
用塑性理论解决问题时,主要是考虑受力及应力状
态,故叫塑性力学。成形性能主要考虑变形及应变
形态,尤其是最大的极限变形状态。
2)由于以上关系,塑性理论解决问题必用的平
衡方程,考虑成形性能时就不见得用到,因为成形
性能主要考虑变形的过程及结果,不是某一个平衡
状态。体积不变条件,是这方面唯一经常用到的条
件
3)工艺参数如极限压延比,是一种工艺的综合
极限指标,成形性能考虑的是各个局部的(极限)变形,两者既有联系,又有区别。

1)材料加工性能和钣金的成形性能
实践证明,改善材料的加工性能,常常比改进加工方法本身能收到更大的经济效
益。图1-2所以,为一个钣金在整个生产过程中,希望能具备的各种加工性能。
钣金加工阶段所需要的加工性能,可叫做冲压性,一般包括冲剪性,成形性和定
性性三个方面。
冲剪性是指板材适应冲裁与剪裁加工的能力。80%~90%钣金件的毛料是经冲剪提
供的
成形性是指板材适应各种成形加工的能力。大多数钣金零件都需要成形工序,使
平板毛料变成具有一定形状的零件。
定形性是指在成形外力卸去后,板料保持其已得形状的能力。由于塑性变形中总
包含有弹性分量,外力卸除时,已成形的板料会产生一定的回弹。由于回弹的互相牵
制,还会出现残余应力,零件在储存和使用期间,这些残余应力还可能引起零件变形
和开裂。
在上述三个方面中,成形性国外研究得最早,最多,也最有实际效果,故我们也
首先抓成形性的研究。:.
按材料在成形过程中所承受的变形方式来分类,一般可分为:
(1)弯曲成形(包括拉弯)
(2)压延成形
(3)胀形(还包括拉形、局部成形)
(4)拉深成形(包括单向拉深、翻孔、凹弧翻边等)
(5)收缩成形(包括收边、管子缩颈、收口、凸翻边等)。
(6)体积成形(包括旋薄、变薄压延、喷丸成形、压印等)
当前所谓板料的成形性,一般是指板料对前四类成形方法的适应能力。剧统
计,形状复杂,成形难度较大的钣金件,绝大多数属于压延或胀形,或这两者不同的
复合成形。
成形性中最为重要的是成形极限的大小。钣金在成形过程中存在两种成形极限,
一是起皱,另一是破裂。成形极限可以用“发生起皱或破裂之前,材料能承受的最大
变形程度”来表示。薄钣金很容易起皱,对应不起皱的允许变形程度常常很小。在实
际生产中,起皱可用压边圈(或类似的机械夹持)等方法来预防,故起主导作用的的
极限经常是破裂。材料的破裂是在受拉的情况下,经过弹性变形—均匀塑性变形—分
散性失稳—集中性失稳几个阶段才发生的。故在成形性研究中,板料抵抗拉伸失稳的
能力,是个重要的内容。
对汽车钣金来讲,更换材料遇到最大的困难就是成形性的问题。下面是日本冶金
公司对他们的几百中钢、铝、铜等薄板提供六个方面15项成形性能方面的数据,供:.
订货者选择。
A板厚
B单向拉深试验的数据
①抗拉强度бb
②屈服点бs
③屈服比бs/бb
④极限伸长率еp
⑤均匀伸长率δ
⑥应变刚指数n值
⑦厚向异性系数γ值
⑧平面异性系数△γ值
C弯曲试验的数据
R/t(弯曲内半径与厚度比,弯角180°)
D硬度试验的数据——硬度值
E成形试验的数据
①埃利克森值——IE(A),IE(B)
②斯威弗特压延比值——(或βk)
③福井试验值——
F显微组织试验的数据——晶粒度
2)成形性能研究的问题
成形性能中最为重要的是成形极限的大小。成形极限可理解成为钣金在发生破裂
前能够得到的变形程度,也就是我们说的“塑性”。塑性不是金属的本性,而是金属
的一种状态。一种金属的塑性大小,不仅与其成分、组织有关,还与下列因素有关:
①变形方式——材料在变形过程中所受的应力应变状态
②变形条件——变形温度、速度、外摩擦等条件
③变形经历——(变形历史)
④附近材料的应变剃度
再者,在具体生产中,一种牌号钣金的塑性,还与以下具体生产条件有关
①尺寸效应(因尺寸的增大或缩小而引起的成形性差别)
②边缘状况
③模具参数
④机床工作参数
⑤摩擦润滑情况
⑥工人操作情况
故同一种牌号的钣金,即使对同一种成形方式,因具体生产条件不同,其适
应能力还可能不同,因此评定一重钣金成形性能的指数,如要求能与各种具体生产工
艺参数定量地相对应,则非常的繁琐,指数过分繁多了,就失去评定的意义。但如评
定的指数过少,则将有很多因素的影响不能得到反映。用尽量少的指数,把各种主要
因素的影响都包括进去。此外,钣金的成形性能在成形过程中,还是随变形程度的增
加而变化的,需要找到变化的规律,并统一规定用多大变形程度的成形性能指数,来
代表材料的成形性能。所以,钣金成形性能研究的问题可概括为“四多一变”。即零
件形状多,成形方法多,材料牌号多,影响因素多,而且一种牌号材料成形性能,在
成形过程中还是变化的。
:.
1)概述
①基本成形性能指数及试验
②模拟成形性能指数及试验
③成形性能曲线及试验
④特定成形性能指数及试验
⑤金属学的成形性能指数及试验
A基本成形性能指数及其试验
ⅰ.单拉试验求得的成形性能相关指数
从单拉试验求得的使用性能数据,可找到下述与成形性相关的定性关系:
①屈服点бs和抗拉强度бb高,所需要的成形力大:.
②屈强比бs/бb小或屈强差бb-бs大,成形性好
③均匀伸长率εB大,极限伸长率еp大,强度与伸长率乘积бb·еp大,屈强差与
均匀伸长率乘积(бb-бs)·εB大,成形性好;
④бs/E小,回弹小;
⑤,零件的表面目视质量差。材料按假象应力应变关系曲线的
形状分有两种类型。第一类材料没有明显的屈服点,%永久伸长时应力
。第二类材料有不连
续的屈服现象,当屈服时有一段应力上
下波动的应变区,这个应变区的长度叫
。第二类材料成形经过
屈服时,材料表面会产生目视可见的滑
移线(Luder’slines)滑移线十分明
显时,零件表面将会不平滑,即使不太
明显,零件的外观亦会受到严重损害。
这种不连续屈服现象最易在退火状态的
冷扎钢板中产生。
几,其机理是钢中的固溶碳和氮与位错
的相互作用。对退火钢板施以轻度调质
扎制,可增加材料中的动位错,从而消除不连续屈服现象。但固溶氮和碳随时间
延长而发生的扩散聚集,会使增加的这些动位错又重新被固定下来,这种现象叫
应变时效。
ⅱ.单向拉伸求得的成形性能特定指数
60年代以来,研究工作的重大成就之一,是证明了:通过单拉试验求得的下述指
数,能够令人满意的表明钣金成形性能的好坏。
①厚向异性指数r值
②应变强化指数n值,又叫应变刚指数
③应变速率敏感指数m值,又叫应变速率强化指数
如变形不是在室温条件下进行,变形温度对材料的塑性变形有重要影响。更
全面的看,材料单拉实际应力曲线应采用如下形式表示:
m
f(K,n,,T)

其中=d/dt,叫实际应变的应变速率,T为绝对温度(oK)。在室温常速条件下,
m=0,则实际应力曲线可表示为:
Kn
,将没有应变强化,即n=0,则实际应力曲线可表示为:
熔
m
C

m1mdd
dmCdmCm


可知:.

m(d/)/(d/)
因而m值可定义为:单拉试验中,变形抗力增长率对应变速度增长率的比值。
有两种测量m值方法。第一种方法(图a)是用两个不同的试件以不同的应变速

率进行拉伸(),由实际应力—应变曲线计算m值:
21
log(/)
m21

log(/)
21
用这个方法的缺点是,由于两个试件的热效应不同,
试验条件是不同的。比较好的用图b所示的方法;这是在
拉伸试验中,试验机的活动头原以速度V运动,然后跳到
1
另一个速度V。在每个速度都有其相应的载荷P和P,而
212
后可以用下式计算m值:
log(P/P)
m21
log(V/V)
21
当试件某局部有出现细颈的趋势时,该处的应变速率
将急剧增大,如果材料的m值大,则该处的变形抗力也将急剧增大,从而将变形转移
到抗力尚低的区域去,阻止拉伸失稳(局部缩颈)的发生,故提高了材料的延伸性能。
我们把m值大的材料,叫超塑性材料,对于有面心立方晶格的金属,m≈0;对于体心
立方晶格,m≈;对于超塑性金属,m≈;对于聚已烯,m≈1。故m值在热成
形中具有重要的意义,但对于常温常速成形,m值没有什么重要意义。m除用在高温成
形外,由于m是应变速率强化指数,也是确定动力屈服强度的指数,在高速变形中,
也有实际意义;例如对于汽车车身壁板,用指数m高的钣金,可以提高抗冲击强度和
不容易发生冲击凹坑的缺陷。
拉伸试件,变形速度的变化及其效应,可作如下的理解:
拉伸试件在开始(即扩散)缩颈中,只在缩颈区变形。设L为缩颈前的试件总长

度,L是缩颈部分的长度,d/d是试验机所加的延伸速度,则应变速度为:
Blt
在缩颈前:
dl1

dtL
在缩颈后:
dl1

B
dtL
B
得

1
B
L
B
该比值在缩颈开始时较大,由于缩颈区的应变速度有较大的增加,增加了这部分:.
继续变形的抵抗力,这说明为什么缩颈开始时在较大的范围内进行,即所谓扩散缩颈,
最后才集中在局部进行,即所谓局部缩颈。在高温下,这种扩散性缩颈作用扩散到整
个试件,范围广,时间长,出现所谓超塑性现象。以上拉伸试验得到的各种参数与成
形性能的关系,如下表
ⅲ.硬度试验求得的硬度值
一般来说,材料的硬度越大,其成形性越差,但没有什么定量的联系,而且还有
很多例外。故硬度只能用来在同种钣金之间,作成形性能相对好坏的比较。而不能用
在不同种类的材料之间作比较。
硬度一般是用压痕试验来确定的。常用的有
①维氏硬度HV
P
HV
d
2
式中P——所加载荷(N)
d——永久压痕对角线长度(mm):.
②布氏硬度HB
2P
HB
D(DD2d2)
式中P——所加载荷(N)
D——钢球直径(mm)
d——压痕直径(mm)
③洛氏硬度HR
它是通过测定小载荷下时的压小深度和大载荷压下深度之差,来表示硬度。较软
的材料用B标度HRB,较硬的材料用C标度HRC

它是在相似的条件下,以小尺寸的典型零件来模拟某一类成形方法的变形方式
(材料在变形过程中所承受的应力应变状态),由实验求得的某种钣金在这类成形方
法下的极限变形程度,以次作为评定该种钣金对这类成形方法适应能力的指数。由于
考虑了变形方式这一重要因素,因此模拟成形性能比基本成形性能指数更能直接而较
准确的说明某种钣金对某类成形方法的成形性能。但模拟实验与实际生产之间,在变
形条件,变形历史,应变剃度,尺寸效应和边缘状况等方面未能全都保证相似,故所
求得的极限成形参数,用作材料成形性能好坏的相对比较是可以的,但要作为指导实
际生产的具体数据需要仔细修正。

模拟试验只能模拟几种典型的变形方式,实际生产中变形方式的种类很多,尤其
是复杂形状的钣金件上,每一点的变形方式都可能不同,是不可能一一模拟的,但是
在任何“拉-拉”的应力状态的变形方式下,都是以拉裂来表示钣金的成形极限,把
各种“拉-拉”应力状态下的成形极限点联成线,就是材料的成形极限曲线(FLC或
FLD)。FLC位置的高低,反映了材料在各种拉-拉应力状态下局部极限变形能力的大小。
虽然在实际生产中很多成形方式不都是拉-拉应力状态,但是真正对成形起限制作用
的危险区内,材料所处的变形方式仍是拉-拉应力状态。故FLC位置的高低,可作为
材料成形性能好坏的重要指标。

板料的成形性能,虽然受到宏观的变形方式和变形条件的重大影响,但材料本身
的微观组织在变形过程中的变化,则能更本质的决定板料的成形性能。目前评判钣金
成形性能好坏的金属学方面的指数有:
①晶粒大小
晶粒大小可用ASTM的晶粒度级别N表示,如1mm2截面积上的晶粒数为n,则
n2N3
即N值愈大,表示晶粒愈细。N>5的钢(即1mm2内有256个以上的晶粒)就叫细
晶粒钢。
对于冷扎钢板,晶粒度N应适当小(晶粒适当粗大),成形性能才好。
②表面粗糙度
常用的KobayashiR值。沿着板内较大主应变e的方向连续测8mm宽,最高和
1:.
最底线间的最大距离叫R值,以μm计。实践表明,过分粗糙的表面,摩擦力大,并
易于生产应力集中,对成形不利。但是过分光滑的表面,使润滑剂容易被模具挤走,
也使摩擦力增大,并易于发生金属间的粘贴,对成形性不利。适当粗糙的表面可使润
滑剂储存在表面的微谷中;这些微谷还可把断屑或杂物收存起来,从而减少对零件表
面的刮伤。板料的其它表面质量,如划伤,擦伤、分层、气泡等,都会使板料在成形
时提前发生破裂,因而都会降低板料的成形性能。

①凸耳试验(EaringTest)及其指数
凸耳反映板面内材料的各向异性(即△r值)。用圆形毛料压延平底杯形件时,由
于板面内材料有各向异性,杯口会带有几个吐耳。
凸耳试验的指数有凸耳的方位,个数和平均耳高E。Siebel建议用下式定义E:
(hh)
E峰谷100%
1
(hh)
2峰谷
h——从杯底到凸耳顶峰的平均高度
峰
h——从杯底到凸耳谷底的平均高度
谷
由于凸耳值能灵敏反映材料平面各向异性的大小,而板材的平面各向异性值(△
r值)又能集中而灵敏的反映板料成分、熔炼、扎制和热处理规范等变化的影响,故
凸耳值可以作为一个评判板材成形性能是否稳定的重要参数。如凸耳值是稳定的,说
明其它各种成形性能指数也大致是稳定的。
厚向异性系数r高时,常会有高的△r值,对于低碳钢,这就增加了凸耳高度,
减小了压延件的有效高度。下图是三种材料凸耳高度和△r/r比值的关系曲线,凸耳
高度还随压延比β(毛料直径与圆杯直径之比)的增加而增加。变薄压延由于能改变
沿环向的厚度变化剃度,故有减小凸耳高度的作用。右图是模具间隙与凸耳高度的关
系。组织无填隙(interstitial-free)的钢,磷化沸腾钢和铜含量高的钢,与纹路
成45°的方向有高的厚向异性系数(r45),因而提高了r值,降低了△r值和凸耳高
度。
:.
③下陷成形试验(JoggleTest)及指数
将角材或薄壁挤压型材,在某局部突然下折一定距
离,谓之下陷成形,这种成形
在飞机制造中经常遇到。以不出现破裂和起皱的(h/l)
max值作为成形性能指数。h和l是下陷的深度和长度。
成形性能试验方法成形性能指数
单向拉伸试验应变刚指数n
均匀延伸率l
B
极限延伸率l
P
液压胀形试验应变刚指数n
2
拉胀性能破裂处的厚向应变ε
tf
胀形系数ke
最大胀形高度h(mm)
max
埃利克森试验埃利克森值I(mm)
E
纯拉胀试验极限胀出高度(mm)
单向拉伸试验厚向异性指数r值
宽度收缩应变ψ
压延性能液压胀形试验加工硬化各向异性指数α值
.(用平底凸模)G值
恩格哈梯试验EngelhardtT值
单向拉伸试验n×r值
压延胀形复n值
.(mm)
.(用球底凸模)
极限成形高度h(mm)
max
单向拉伸试验极限变形能ω
f
n值
l;G
b
扩孔性能l
P
液压胀形试验n值
2
破裂处厚向应变ε
tf

弯曲性能弯曲试验R/t值
min
单向拉伸试验△r值
板面内各向异性凸耳试验平均凸耳高E值
锥杯试验外径的比较
单向拉伸试验屈服现象,拉伸滑移,表面粗糙
表面恶化性埃利克森试验表面粗糙,拉伸滑移
液压胀形试验表面粗糙
定形性单向拉伸试验弹性模量E,б/E
S
屈服比б/б,r值
Sb
实物试验成形件尺寸差等
抗起皱性单向拉伸试验r值,n值
二次成形性多次压延试验极限再压延比:.

工程应变(假象应变),其主应变为
ll
e10
1l
0
ll
e20
2l
0
tt
e0
3t
0
这里l,t分别为原来长度和厚度,l,l,和t为变形后的长度和厚度。工程应变在
0012
弹性范围内仍近似于实际应变,但在塑性变形中,误差很大,在塑性变形中,一般用
对数表示(实际应变),即
ldll
ln()
lll
00
板内最大的实际应变为
ldll
1ln(1)
1ll
l0
0
板内最小的实际应变为
ldll
2ln(2)
2lll
00
厚度方向的应变为
tdtt
ln()
3tt
t0
0
这里
21
实际应变与工程应变有以下关系:
ln(1e)
11
ln(1e)
22
ln(1e)
33
工程应变不能迭加,而实际应变可以。如由原长l,经历l,l变为l,即最后的总应
0abc
llll
变为:ln(a)ln(b)ln(c)ln(c)
llll
0ab0
体积不变的条件为:0
123:.
1)变形板中一点,其主应变或应力状态
的几何表示方法,变形板料内一点A的应变状
态,可用一点A来表示,连线OA与轴的夹角
1

tgφ2,故φtg1

1
/为A点的应变状态参数,表示为β,即
2

2。在简单加载的情况下(实际生产中,

1
一次冲压成形,一般近似为简单加载),β为常
数。
2)钣金冲压中
的应力应变状态
:.
二厚向异性系数r
目前研究的板料成形性能范围限于压延和胀形两种变形方式,对这两种变形方式
有影响的参数,分别为厚向异性系数r与应变强化指数n。

厚向异性系数是以单拉中,宽度方向应变e和厚度方向应变e之比表示,即
23
e
r2
e
3
w
log0
w
rf
t
log0
t
f
这里w和t分别是原始宽度和厚度,w和t是最后的宽度和厚度
00ff
由于板件的厚度不均匀及拉伸后粗糙度增加,影响测量精度,可根据体积不变条
件,即:wltwlt
000fff
wwl
rlog0logff
wwl
f00
所以可以看出,当r>1时,钣金在宽度方向收缩比厚度变薄更容易些,当r<1时,
钣金在厚度方向变薄比宽度方向收缩更容易些。
在压延成形中,我们把拉压兼有的凸缘部分也就是压延性质的区域,当作主要变
形区,但真正确定变形区能有多大的变形程度,关键在于有宽板拉伸性质的侧壁危险
剖面的强度。,凸缘所压失稳的有害性质可以用有效的压边措施予以制止,但危险剖:.
面的强度只取决与钣金本身的性质,即钣金固有的成型性能,在这里起决定性作用的
是r值。r值愈大,钣金抗失稳变薄的能力愈大,能发挥拉伸失稳前的最大强度,拉
动凸缘部分,形成更深的压延件。
222
1212S
当存在厚向异性r时,上式应写成:
2r
222
11r122S
如图,在压延中的危险剖面,其变
形属于胀形性质,由于r值的增加而提
高了屈服强度,也就是说,其变形抗力
增加了。在凸缘部分,即拉压结合的压
延变形区,其屈服应力反而由于r值
s
的增加而减小了,这两种效果都有利于
压延过程的顺利进行。
对于厚向异性材料(r≠1),在单向
拉伸中,根据体积不变条件,有以下关
系:
r
eree
23r11
如下图为上面我们所讲应力应变图有了r的情况:
:.

b
ln
eeb
r220
eeelb
312lnln
lb
00
1
r(rr2r)
409045
、试验的线图
这里介绍一个为确定软钢板r值用的试件、试验规程及根据变形后的宽度b与变
形l/l0,直接由图线查出r值的方法。:.
:.

12
rr(a)da
20
rrr2r
09045
凸耳还受变形程度和模具的影响,即①变形程度越大,即压延系数m值愈小时,
凸耳愈显著;②间隙小于板料厚度的部分,会提高该部分成形后的凸耳高度;③凸模
圆角半径不均匀时,圆角半径大的部分凸耳增高;④压边力与润滑也有一定的影响,
即变形受到阻碍的部分,将来由该部分形成的凸耳也高。合理利用这些几何关系,利
用毛料纤维相对于模具的方位,来减小凸耳高度。平面各向异性只影响压延件上边的
平整度,不影响成形性能。凸耳是不希望在生产中出现的缺陷,但愈是压延性能好的
材料,往往有较为显著的凸耳。
:.
三应变强化指数

作为钣金成形性能主要判据,应变强化指数n是一个比r更重要的指数,它除作
为一个成形性能的主要判据外,还可用以应力应变关系。作为一个重要的物理参数,
在塑性理论中,得到广泛的应用。
几乎全部金属,在塑性变形中,其变形抵抗力都是随应变的增加而强化的趋势,
所谓的理想塑性,只不过是为了达到简化计算的一种合理设想而已。这是金属不改变
组织,只是由于应变所引起的强化,与渗碳,渗氮及淬火因组织变化而引起的硬化,
性质完全不同。。不仅冷作变形有这样强化性质,热作变形也有这种性质。应力应变
曲线高的金属,不管其曲线斜率如何,硬度总是大雨曲线低的金属。
Kn
loglogKnlog
应变强化,一般指应变强化指数而言,在成形中的作用是:当钣金某点应力较其
邻近部分大时,其较大的应变由于强化,增加了抵抗进一步变形的能力,故有将变形
转移到邻近部分的作用,延缓了该点缩颈的到来,使较大的板面有更为均布的应变。

:.