金属层状复合材料冲压成形问题分析

文/刘嘉庚，韩静涛，张永军·北京科技大学材料科学与工程学院

金属层状复合材料冲压成形问题分析

文/刘嘉庚，韩静涛，张永军·北京科技大学材料科学与工程学院

刘嘉庚，北京科技大学在读博士，从事层状金属复合材料的制备和性能研究以及晶体塑性有限元模拟。

金属层状复合材料由于具有优异的比强度，耐蚀耐磨性及导热导电导磁等多功能性而越来越受到企业和科研工作者的关注。而作为半成品的金属层状复合材料需要经过复杂的深加工工艺才能生产出最终产品，像一些工程结构零件和大型压力容器等需要经过冲压加工得到。因此，研究冲压工艺对金属层状复合材料的成形性能显得尤为重要，而由于金属层状复合材料的冲压成形比单一金属要复杂的多，不仅要考虑冲压加工的相关工艺参数，还要考虑金属板各层的力学性能和变形协调能力。

金属层状复合材料整体力学性能

将两种或多种材料经过某种工艺结合后，新形成的复合材料的整体力学性能相较于各层金属的力学性能会有相应的改变，这主要体现在抗拉强度、抗剪强度、弯曲半径和杯突试验值。

⑴抗拉强度Rm，抗剪强度τb。例如，依据国标GB/T 13238-1991《铜-钢复合板牌号、力学性能及应用》中的规定，最小抗拉强度Rm可以通过下式计算：

其中，Rm1、Rm2分别为基、复材抗拉强度下限值；δ1、δ2分别为基、复材厚度。可以看出，Rm为两种材料的平均值。

⑵复合板弯曲能力。根据GB/T 17102 -1997《不锈复合钢板冷轧薄带和钢带性能》的规定，08Al和1Cr18Ni9复合后，弯曲半径增大为单层的几倍，抗弯能力显著减小。

⑶复合板杯突试验值。相同厚度的08Al和以08Al为基材的不锈钢板对比，后者的杯突值要比前者小10%～11.5%，说明复合板在冲压过程中更容易出现裂纹，冲压性能较差。

金属层状复合材料冲压加工中的主要问题

金属层状复合材料在冲裁加工过程中会出现单金属材料相同的问题，其中冲裁间隙的选择显得很困难。对于单金属来说，冲裁间隙直接与板料质量相关，像尺寸精度、断面质量、毛刺、翘曲和斜角等。并且，不同的冲裁间隙会产生不同的冲裁力，对冲模寿命也有相当的影响。而对于多层金属复合材料来说，由于基复层力学性能差异较大，复层厚度可根据服役要求设定，此时，复层厚度会发生变化，且一般较薄，此时，若选择较大的冲裁间隙，当材料处于断裂阶段时，由于基复层强度的差异会导致分层的出现。

张旭起等在研究双/多层复合带材冲压成形性方面给出了一些看法和建议：像冲压过程中出现的起伏、打凸、压筋、压花和打标记等都与基材钢的加工性能相当，但在缩口、扩口加工中推荐采用有芯加工，质量将更高一些。翻边和扳边成形时，容易出现分层剥离问题，尤其是在无预冲孔穿刺翻边和穿孔翻边，更容易在翻边凸缘口部出现问题，当采用预冲孔翻边时，孔口经过毛刺，情况明显好转。外缘翻边即扳边，只要变形程度不超过基材允许范围就没有问题。

金属层状复合材料弯曲分析

板料冲压过程中还有一个重要的问题是回弹，下面以K. Yilamu对Al/SS复合板的V型弯曲研究为例来分析复合材料的回弹行为，厚度和弯曲角变化。

V型实验装置如图1所示，凸模行程为8mm，在发生弯曲前复合板直线段的弯曲角测定为θ0，回弹后弯曲角为θ，所以，由于回弹所造成的弯曲角的改变（回弹角）为Δθ=θ0-θ。研究两种弯曲形式：SS在内（SS与凸模接触，记作SSin/Alout），Al在内（Al与凸模接触，记作Alin/SSout）。

从图2、图3及表1可以看出，由于SSin/Alout和Alin/SSout在弯曲过程中厚度改变不同导致了SSin/Alout的弯曲角要小于Alin/SSout的弯曲角。SSin/Alout的弯曲角从1.56mm降低到1.37mm，而Alin/SSout的弯曲角则增加到1.66mm。通常来说，当包含强度较高和较弱的金属层的复合材料受弯时，中性面一般出现在强度较高的金属层。所以，对于SSin/Alout，拉应力主要由较厚的Al层承担，因此，Al层的厚度是降低的，所以复合板整体的厚度也是降低的。而因为厚度降低，弯曲半径就变得很小，因此弯曲角θ0就小。另一方面，对于Alin/SSout，较厚的Al层完全受压，厚度增加，导致复合板整体厚度增加，因此弯曲半径较大，弯曲角θ0较大。图4所示为 Al/SS复合板厚度、弯曲半径和弯曲角改变机理示意图。

图1 V型弯曲实验装置和实验步骤

图2 在给定8mm行程时发生回弹前的V型弯曲样

表1 V型复合板厚度、弯曲角、凸模载荷及弯曲刚度

图3 回弹后V型弯曲样的中心部位

图4 Al/SS复合板厚度、弯曲半径和弯曲角改变机理示意图

厚度改变会强烈影响凸模载荷。在同一板厚下，Alin/SSout所承受的弯矩要大于SSin/Alout所承受的弯矩，从而弯曲载荷也大。复合板各层布置形式对回弹角没有太大的影响，但对弯曲角θ0有较大影响。弯矩是回弹的驱动力，而SSin/Alout的弯矩要小于Alin/SSout所受的弯矩，另一方面，弯矩刚度是回弹的抗力，SSin/Alout的弯矩刚度要小于Alin/SSout的弯矩刚度，正因为如此，弯矩的效应被弯曲刚度所抵消，因此，回弹角对复合板各层布置不敏感。

结论

金属层状复合材料冲压的复杂性来源于各层力学性能的不同，以及在冲压成形过程中各层的相互协调作用。成形缺陷，回弹是金属层状复合材料冲压成形需要重点关注的。