浅谈板材机械性能参数对锥形件拉深成型的影响

孙文程

摘 要：拉深成型是通过模具对板料施加复杂的外力，引发板内出现复杂的应力状态，促使板料产生理想方向的流动。在拉深成型过程中，需要安装压边装置产生摩擦抗力，以增加板料中的拉应力，控制材料的流动，避免起皱。压边力的大小是板材拉深成型中的重要工艺参数和控制手段。传统的板材拉深成型方式往往通过单动压力机的弹性压边圈和双动压力机的固定压边圈来产生拉深成型所需的压边力。在圆锥形工件的拉深成型模拟过程中，在模具的几何形状和大小、形变限制（像压边力大小，冲头速度快慢、摩擦因数大小）确定的时候，坯料成型性能和材料的参数有很大的关系，通常，坯料的主要模拟参数有，弹性模量、泊松比、硬化系数、强度系数、厚向异性系数、以及材料的厚度等。坯料模拟的参数不同，圆锥形件拉深成型时所出现缺陷的位置和类型就不一样。所以，为了研究这些模拟参数对成型结果的影响，本文选取其中一些主要参数进行了研究。

关键词：锥形件；拉深成型；材料力學

我们通过在实际生产加工过程中的实例分析，在圆锥形工件的拉深成型模拟过程中，在模具的几何形状和大小、形变限制（像压边力大小，冲头速度快慢、摩擦因数大小）确定的时候，坯料成型性能和材料的参数有很大的关系，通常，坯料的主要模拟参数有，弹性模量、泊松比、硬化系数、强度系数、厚向异性系数、以及材料的厚度等。坯料模拟的参数不同，圆锥形件拉深成型时所出现缺陷的位置和类型就不一样。其中起重要影响作用的因素主要有以下四点：

一、应变硬化指数n

硬化系数就是真实应力-应变曲线中的n值，其物理意义是材料均匀形变的能力。n值大的材料不容易产生分散失稳，材料应变强化的能力强，n的另一个物理意义是整个形变区域上的应变分布均匀性。

当取r=0.28，且其他参数不变的情况下，依次取n=0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35共7个值进行分析，根据模拟计算得到的工件最后最小和最大壁厚值。如图所示曲线

经分析得：随着n值的增大在0.25之前时，工件的最小壁厚减薄量和最大壁厚增厚量一起减小，但是它的壁厚的减薄量和增厚量的增长速度比较慢，可以说在坯料在拉深成型的过程中，n值的影响比较小，所以在实际生产的过程中，n值的影响很小。一般来说，材料的n值大，成型工件厚度分布更均匀，表面质量更好，应变均匀性越强，危险的承载能力变的更强。n值增大的时候，应变强化更加显著，所以在冲压的过程中就更有利于增大形变区，更能使缩颈进入的慢一些，使材料的成型性能更好。

二、厚向异性指数r

厚向异性系数反映出应变与厚度方向应变的比值，各向异性系数越大，表明板料越不易在厚度方向发生形变，也就是说更加不容易变薄或者变厚。

当取n= 0.23，并且其他参数不变的情况下，依次取1、1.175、1.35、1.4、1.475、1.587、1.645、1.675共8个值进行分析，根据模拟得到的工件最终最小壁厚和最大壁厚值做出曲线，如图所示。

通过曲线图可以看得出来，r值变大，工件最小壁厚的减薄量和最大壁厚的增厚量都减小。当r从1.0继续增加时，工件的最小和最大壁厚的变化变得平缓。由此可以知道：当材料r=1时，为厚向同性的材料；当r>1时，板材的宽度方向比厚度方向形变更容易。r值继续增大，板材更加不容易在板材的厚度方向发生形变，也就是说越不容易变薄或增厚；相反，r值变小时，更容易在板材的厚度方向发生变薄或者增厚。所以，如果增大r值，就使板材更容易在板材的宽度方向发生形变，就可以减少起皱，有利于拉深的进行和产品质量的提高。同样，材料r值越大，材料受拉深时，厚度不易减薄，所以也不容易产生拉裂。

三、屈服强度σs

屈服强度：是金属材料发生屈服行为的屈服极限，也就是说，抗微塑性变形的金属材料没有明显屈服应力的，提供0.2%的残余变形的屈服极限应力值，称为条件屈服极限或屈服强度。屈服强度σs越小时，材料更加易屈服，抵抗变形的能力变小，成型后回弹少，并且不容易拉裂与起皱，贴膜性和定形性能比较好。

屈服强度对工件的表面质量有所波及，如果材料拉深曲线不是连续的，那么在屈服阶段就会出现台阶，台阶长度叫做屈服伸长δy，

如果板材的屈服伸长δy相对较大，产生伸长变形之后，工件的表面会出现滑移线的痕迹，它会导致工件出现表面不光滑。就会给后续的工序带来难度。

屈强比 σs /σb

屈强比σs /σb较小的时候，由于板材从屈服阶段到拉裂的塑性形变阶段增长，则更有利于冲压变形。如果钢板的屈服强度σs很小的时候拉深，切向应力的变形很小，相应的材料起皱的倾向也慢了下来。因此为了预防起皱，对应的的压边力大小和摩擦力大小都应该降低，这对于提高拉深极限形变程度和抗破裂性都有好处。在很多标准中，都对冲压所用材料的屈强比有要求。

四、延伸率δ

在进行单向拉深试验时，试样在出现颈缩之前的延伸率叫做均匀延伸率δu；在试样拉断之前（包括δu）的延伸率叫做总延伸率δt。一般来说，δu和δt大，板材允许塑性形变程度也越大，抗破裂性能也更好。

综上所述，通过调整以上参数，可以有效的防止锥形件在拉深过程中产生的一系列缺陷及质量问题。更好的使工件成型的同时大大提高了生产效率，节约了生产成本。参考文献

参考文献

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