第7章板料成形性能以及成形极限

图7-7 试验简图
下述两种方法可获得不同应变路径下表面
极限主应变。
a. 改变试样与凸模接触面间润滑条件 测定
FLD右半部分（双拉变形区，即e1＞0、e2≥0 或ε1＞0、ε2≥0）。
b.采用不同宽度的试样 用来测定成形极限图
的左半部分（拉-压变形区，即e1＞0、e2≤0或 ε1＞0、ε2≤0）。
a.分析危险点的位置(见图7-10和图7-11) b.分析破裂产生的原因,指导工艺或模具的改 进 c.进行冲压(结构)件的极限设计 d.保证大批量生产的稳定性 e.板料成形计算机模拟的判据(见图7-12和图 7-13)
a）应变状态图 b）板厚应变分布 图7-10 筒形件拉深件的应变状态图
a）应变分布 b）应变状态图 图7-11 胀形件的应变状态图
图7-15 平面应力状态屈服轨迹上的应力分类图
根据变形区板料所受应力和应变状态，可分
为两大类：伸长类成形和压缩类成形。
当作用于变形区内平均应力σm >0,即拉应
力的绝对值最大时，在这个方向上的变形属伸
长变形，称这种冲压成形为伸长类成形。
当作用于变形区内平均应力σm <0,即压应
力的绝对值最大时，在这个方向上的变形属压
网格变形后形状如图7-8所示，长轴为d1、 短轴为d2,将d1和d2近似视为试样平面内一点上
的两个主应变方向。
图7-8 网格圆畸变
根据测量结果，计算试样表面极限应变。
e1 e2

d1 d0 d0
d2 d0 d0
100%


100%
1 2
ln d1 d0
ln d 2 d0
著凹陷时的最小相对弯曲半径rmin /t作为金属
薄板的弯曲性能指标。
图7-4 弯曲试验
4)锥杯试验 如图7-5, 圆片试样放在锥形 凹模孔内，通过钢球对试样进行复合成形， 即锥杯成形，发生破裂时停机,测量锥杯口
部最大外径Dmax和最小外径Dmin，用它们 计算锥杯值CCV作为金属薄板的“拉深+
胀形”复合成形性能指标。
缩变形，称这种冲压成形为压缩类成形。
图7-16 平面应力状态屈服轨迹上的应变分类图
在图7-15中，FOB是伸长类成形和压缩类成 形的分界线；在应变分区图7-16中，MOD是伸 长类成形和压缩类成形的分界线。
伸长类成形包括应变分区图中MON、NOA、 AOB、BOC及COD五个区。压缩类成形包括应 变分区图中MOL、LOH、HOG、GOE及EOD 五个区。
3）变形区受异号应力作用且拉应力绝对值大
于压应力绝对值 分为两种情况：σθ>0>σr 和 σr>0>σθ 。这两种情况在应力分区图中 处于GOF和AOB范围，在应变分区图中处于
MON和COD范围，相对应的工序有扩口等。
4）变形区受异号应力作用且压应力绝对值大
于拉应力绝对值，分两种情况： σθ>0>σr 和 σr>0>σθ 。这两种情况在应力分布区图 中处于EOF和BOC范围，在应变分区图中处于
（2）直接（模拟）试验 针对特定工艺的试验。有：胀形（杯突）试
验、拉深与拉深载荷试验、扩孔试验、弯曲试 验、锥杯试验、凸耳试验等。
1)拉深与拉深载荷试验 a. 拉深试验 如图7-1,将圆片试样压置于用不同直径的试样，并按照逐级增大直径 的操作程序进行拉深试验，以测定拉深杯体底 部圆角附近的壁部不产生破裂时允许使用的最 大试样直径(D0)max ，试验结束后用(D0)max计算
γ=εb /εt =ln（b0/b）/ln（t0/t）
2）材料力学性能与板料成形性能的关系
a.屈强比 σs /σb 越小，板料拉深性能越好。 b.塑性应变比 γ值越大，板料拉深性能好。 c.伸长率 δ越大，板料的弯曲与内孔翻边性能
越好。
d.加工硬化指数 n值越大，胀形性能越好。
3）用间接试验反映材料成形性能存在的缺陷 间接（力学性能）试验方法简单成熟，标准化 程度高。但是，由于试验是在单向应力状态下 进行的，故其不能反映应力状态对板料成形性 能的影响，也不能定量反映板料对不同成形工 序的成形性能。
(1)冲压成形时毛坯的区域划分
a)拉深 b)内缘翻边 c)缩口 d)扩口 e)弯曲
图7-14 冲压成形时毛坯各区划分举例
(2)冲压成形的力学分类 变形区的主应力状态图和主应变状态图不仅
从力学方面决定了冲压工序的性质，而且与成 形极限、成形质量以及所需的变形力与变形功 有密切的关系。它是制定成形工艺、设计模具 和确定极限参数的主要依据。研究冲压成形过 程，必须全面、清晰地了解整个变形区内的应 力应变状态特征以及在应力、应变场中连续变 化的规律。这样才能从本质上揭示各成形方式 之间的力学特点，并根据这些特点对各种成形 方法分类。
根据表面极限应变量在坐标系中的分布特 征，将它们连成适当的曲线（图7-9a）或构成 条带形区域（图7-9b），即为成形极限曲线 （FLC）。
图7-9 成形极限图（FLD）标绘 注：• —表面极限应变量
3) 成形极限图的应用 根据成形极限图，将板料 划分为三个区域：安全区、破裂区和临界区。 不同工艺，不同工艺参数都会导致板料表面应 变量的不同，从而可以根据该工艺所处成形极 限图的位置，确定板材在冲压成形过程中抵抗 局部缩颈或破裂的能力。具体而言,成形极限图 有如下用途:
形极限图(Forming Limit Diagram，缩写FLD) 。
图7-6 成形极限图（FLD）
2)成形极限图（FLD）试验 将一侧表面制有网 格的试样置于凹模与压边圈之间，压紧拉深筋 以外的材料，试样中部在外力作用下产生变形 （见图7-7），其表面上的网格圆发生变形，当 某个局部产生缩颈或破裂时，停止试验，测量 缩颈区或破裂区附近的网格圆长轴和短轴尺寸， 计算板料允许的局部表面极限主应变量（e1、 e2）或（ε1、ε2）。
弯曲、拉深、胀形和翻边各节中提到的 工艺参数，最小相对弯曲半径r min ∕t、极限 拉深系数mmin、最大胀形深度hmax和极限翻边
系数Kfmin等反映板料拉伸失稳前总体尺寸可
以达到的最大变形程度，称为总体成形极限； 而在本章介绍的成形极限图，则是反映板料 失稳前局部尺寸可达到的最大变形程度，称 为局部成形极限。一般而言，板料的成形性 能越好，成形极限也就越高。
1
D D CCV (

2
max
)
m in
图7-5 锥杯试验
5)用模拟试验反映材料成形性能存在的缺陷 直接或模拟试验能反映板料对某特定工艺的 成形性能。但是,它不具有一般性 。此外,它只 能反映材料宏观平均性能,不能反映材料的局 部性能。
(3)板料成形极限图及其应用 成形极限图（FLD）或成形极限线（FLC）是评定金
所有冲压变形方式按毛坯变形区的应力状态 和变形特点，从塑性变形力学理论的角度又可 归纳为以下四种情况。
1）变形区受双向拉应力作用 可有以下两种 情况：σθ>σr>0和σr>σθ>0。在平面应 力状态屈服轨迹上的应力分区图（图7-15） 中处于AOH和HOG范围内，在应变分区图 （图7-16）中处于AOC和AON范围内，与此 相对应的工序是翻边和胀形等。 2）变形区受双向压应力作用 可有以下两种 情况： σθ<σr<0和σr<σθ<0。在应力 分区图中处于DOE和COD范围内，在应变分 区图中处于GOE和GOL范围内，与此相对应 的工序有缩口等。
df

1 (d 2
f
max

d
f
min )
d f d0 100%
d0
图7-3 扩孔试验
3）弯曲试验 如图7-4,采用一系列具有不同底 部弧面半径的凸模，将试样按照规定的弯曲角 成形后，采用肉眼使用5倍放大镜观察，检查 其变形区外侧表面，观察到裂纹或显著凹陷后， 在实际弯曲半径上增加0.1mm安全裕度作为试 样的最小弯曲半径，以该表面不产生裂纹或显

ln(1

e1
)



ln(1

e2
)
如图7-9,以表面应变e2(或ε2)为横坐标、表 面应变e1（或ε1）为纵坐标，建立表面应变坐 标系。在e1-e2坐标系中，习惯将e1和e2分度比 例为1：2，而在ε1-ε2坐标系中两者分度一般 相同。将试验测定表面极限应变量（e1、e2） 或（ε1、ε2）标绘在表面应变坐标系中。
极限拉深比LDR。
LDR (D0 )max dp
图7-1 拉深试验方法
b. 拉深载荷试验 对圆片状试样进行拉深
时，试样直径D0与最大拉深力Fpmax,以及
与拉破试样的极限拉深力Fpf之间均具有近 似线性关系，利用这种关系，对多种不同
直径的试样进行试验测定Fpmax和Fpf以后， 可以求出杯体底部圆角附近壁部不产生破
MOL和DOE范围，相对应的工序有拉深等。
（3）冲压成形力学分类的意义及作用 从变形力学特点将成形工序进行科学的分
类，研究其变形规律和本质差别，有利于找 出其共性问题和解决问题的途径和方法。提 高伸长类成形和压缩类成形方法的成形极限 的途径与方法是不一样的，以下分别加以讨 论。
1)提高伸长类成形极限的措施 a．提高材料的塑性 成形前退火、多次成形 的中间退火，都是为了消除材料硬化，提高 材料塑性，从而提高极限变形程度。
裂时允许使用的最大试样直径和相应的载
荷极限拉深比。
图7—2 拉深载荷试验图
2）扩孔试验 如图7-3,试验时，将中心带有预制 圆孔试样置于凹模与压边圈之间压紧，通过凸 模将其下部试样压入凹模，使预制圆孔直径不 断扩大，直至孔缘局部发生开裂停止凸模运动。 测量试样孔径的最大值和最小值，用它们计算 扩孔率λ作为金属板料的扩孔性能指标。
第7章 板料成形性能与成形极限
板料成形性能是指板料对各种成形工艺的 适应能力。