淺談板材機械性能參數對錐形件拉深成型的影響

孫文程

摘 要：拉深成型是通過模具對板料施加復雜的外力，引發板內出現復雜的應力狀態，促使板料產生理想方向的流動。在拉深成型過程中，需要安裝壓邊裝置產生摩擦抗力，以增加板料中的拉應力，控制材料的流動，避免起皺。壓邊力的大小是板材拉深成型中的重要工藝參數和控制手段。傳統的板材拉深成型方式往往通過單動壓力機的彈性壓邊圈和雙動壓力機的固定壓邊圈來產生拉深成型所需的壓邊力。在圓錐形工件的拉深成型模擬過程中，在模具的幾何形狀和大小、形變限制（像壓邊力大小，沖頭速度快慢、摩擦因數大小）確定的時候，坯料成型性能和材料的參數有很大的關系，通常，坯料的主要模擬參數有，彈性模量、泊松比、硬化系數、強度系數、厚向異性系數、以及材料的厚度等。坯料模擬的參數不同，圓錐形件拉深成型時所出現缺陷的位置和類型就不一樣。所以，為了研究這些模擬參數對成型結果的影響，本文選取其中一些主要參數進行了研究。

關鍵詞：錐形件；拉深成型；材料力學

我們通過在實際生產加工過程中的實例分析，在圓錐形工件的拉深成型模擬過程中，在模具的幾何形狀和大小、形變限制（像壓邊力大小，沖頭速度快慢、摩擦因數大小）確定的時候，坯料成型性能和材料的參數有很大的關系，通常，坯料的主要模擬參數有，彈性模量、泊松比、硬化系數、強度系數、厚向異性系數、以及材料的厚度等。坯料模擬的參數不同，圓錐形件拉深成型時所出現缺陷的位置和類型就不一樣。其中起重要影響作用的因素主要有以下四點：

一、應變硬化指數n

硬化系數就是真實應力-應變曲線中的n值，其物理意義是材料均勻形變的能力。n值大的材料不容易產生分散失穩，材料應變強化的能力強，n的另一個物理意義是整個形變區域上的應變分布均勻性。

當取r=0.28，且其他參數不變的情況下，依次取n=0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35共7個值進行分析，根據模擬計算得到的工件最后最小和最大壁厚值。如圖所示曲線

經分析得：隨著n值的增大在0.25之前時，工件的最小壁厚減薄量和最大壁厚增厚量一起減小，但是它的壁厚的減薄量和增厚量的增長速度比較慢，可以說在坯料在拉深成型的過程中，n值的影響比較小，所以在實際生產的過程中，n值的影響很小。一般來說，材料的n值大，成型工件厚度分布更均勻，表面質量更好，應變均勻性越強，危險的承載能力變的更強。n值增大的時候，應變強化更加顯著，所以在沖壓的過程中就更有利于增大形變區，更能使縮頸進入的慢一些，使材料的成型性能更好。

二、厚向異性指數r

厚向異性系數反映出應變與厚度方向應變的比值，各向異性系數越大，表明板料越不易在厚度方向發生形變，也就是說更加不容易變薄或者變厚。

當取n= 0.23，并且其他參數不變的情況下，依次取1、1.175、1.35、1.4、1.475、1.587、1.645、1.675共8個值進行分析，根據模擬得到的工件最終最小壁厚和最大壁厚值做出曲線，如圖所示。

通過曲線圖可以看得出來，r值變大，工件最小壁厚的減薄量和最大壁厚的增厚量都減小。當r從1.0繼續增加時，工件的最小和最大壁厚的變化變得平緩。由此可以知道：當材料r=1時，為厚向同性的材料；當r>1時，板材的寬度方向比厚度方向形變更容易。r值繼續增大，板材更加不容易在板材的厚度方向發生形變，也就是說越不容易變薄或增厚；相反，r值變小時，更容易在板材的厚度方向發生變薄或者增厚。所以，如果增大r值，就使板材更容易在板材的寬度方向發生形變，就可以減少起皺，有利于拉深的進行和產品質量的提高。同樣，材料r值越大，材料受拉深時，厚度不易減薄，所以也不容易產生拉裂。

三、屈服強度σs

屈服強度：是金屬材料發生屈服行為的屈服極限，也就是說，抗微塑性變形的金屬材料沒有明顯屈服應力的，提供0.2%的殘余變形的屈服極限應力值，稱為條件屈服極限或屈服強度。屈服強度σs越小時，材料更加易屈服，抵抗變形的能力變小，成型后回彈少，并且不容易拉裂與起皺，貼膜性和定形性能比較好。

屈服強度對工件的表面質量有所波及，如果材料拉深曲線不是連續的，那么在屈服階段就會出現臺階，臺階長度叫做屈服伸長δy，

如果板材的屈服伸長δy相對較大，產生伸長變形之后，工件的表面會出現滑移線的痕跡，它會導致工件出現表面不光滑。就會給后續的工序帶來難度。

屈強比 σs /σb

屈強比σs /σb較小的時候，由于板材從屈服階段到拉裂的塑性形變階段增長，則更有利于沖壓變形。如果鋼板的屈服強度σs很小的時候拉深，切向應力的變形很小，相應的材料起皺的傾向也慢了下來。因此為了預防起皺，對應的的壓邊力大小和摩擦力大小都應該降低，這對于提高拉深極限形變程度和抗破裂性都有好處。在很多標準中，都對沖壓所用材料的屈強比有要求。

四、延伸率δ

在進行單向拉深試驗時，試樣在出現頸縮之前的延伸率叫做均勻延伸率δu；在試樣拉斷之前（包括δu）的延伸率叫做總延伸率δt。一般來說，δu和δt大，板材允許塑性形變程度也越大，抗破裂性能也更好。

綜上所述，通過調整以上參數，可以有效的防止錐形件在拉深過程中產生的一系列缺陷及質量問題。更好的使工件成型的同時大大提高了生產效率，節約了生產成本。參考文獻

參考文獻

[1]蔡軍，李付國.一種基于等溫多塑性變形機制耦合的數值模擬方法[J].稀有金屬材料與工程，2011年05期

[2]朱磊，張麥倉，董建新，龐克昌.TC11合金本構關系的建立及其在盤件等溫鍛造工藝設計中的應用[J].稀有金屬材料與工程；2006年02期

[3]李偉樂，李承鼎，蘭箭.42CrMo大型鑄錠扭轉鐓粗工藝探討[A].第十二屆全國塑性工程學術年會第四屆全球華人塑性加工技術研討會論文集[C].2011

[4]李青，韓雅芳，肖程波，宋盡霞.等溫鍛造用模具材料的國內外研究發展狀況[J].材料導報，2004年04期