金屬板材的不均勻性對塑性成形的影響研究*

鄭傳現(xiàn)

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 合肥 231603)

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金屬板材的不均勻性對塑性成形的影響研究*

鄭傳現(xiàn)

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 合肥 231603)

為研究金屬板材的力學(xué)不均勻性對其塑性成形的影響，通過單向拉伸實(shí)驗(yàn)得到了常見4種汽車金屬板材的塑性應(yīng)變比r及力學(xué)不均勻參數(shù)Δr，并進(jìn)一步通過拉深實(shí)驗(yàn)探究了金屬板材的塑性應(yīng)變比r及力學(xué)不均勻參數(shù)Δr對其塑性流動(dòng)性的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：塑性應(yīng)變比r影響板材的拉深高度，拉深高度與板材的塑性應(yīng)變比呈負(fù)相關(guān)；力學(xué)不均勻參數(shù)Δr影響板材拉深過程中的制耳形成，板材拉深的修邊量與Δr成正相關(guān).

金屬板材；不均勻性；塑性應(yīng)變比；塑性成形

前言

來自汽車制造行業(yè)的資料顯示，一部汽車的金屬?zèng)_壓部件占到了汽車所有零部件的50%以上，金屬?zèng)_壓部件通常由金屬板材沖壓得到，因而板材的性能和質(zhì)量在一定程度上決定了一部汽車的可靠性[1,2].

圖1 拉深工件示意圖

在汽車金屬部件制造過程中，拉深是一道常見工序，即通過特定模具將具有塑性的金屬板材壓制成薄壁圓柱筒，如圖1所示.金屬板材在拉深過程中，薄壁圓柱筒工件常常會出現(xiàn)開口處高度不齊整，這種情況稱為制耳.工件開口處高度大的部位是“制耳”，高度小的部位是“波谷”.為消除制耳影響，需要對薄壁圓柱筒工件的開口處進(jìn)行切割，這不僅導(dǎo)致了材料的浪費(fèi)，同時(shí)增加了工藝量[3].制耳是由金屬板材的不均勻塑性流動(dòng)造成的，而金屬板材的不均勻塑性流動(dòng)性，是由工序原因和金屬板材本身的不均勻性導(dǎo)致的，其中金屬板材本身的不均性是主要原因[4].

目前為止，人們對金屬板材的力學(xué)不均勻性對不均勻塑性流動(dòng)的影響進(jìn)行了多方面研究，董湘懷通過數(shù)學(xué)方法研究了多晶體金屬板材的不均性分布規(guī)律，并通過實(shí)驗(yàn)對研究結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.邵鵬飛等基于金屬板材的各項(xiàng)異性特性，推導(dǎo)了金屬板材不均勻下的塑性成形規(guī)律，并用計(jì)算機(jī)模擬了金屬板材的成形過程[5,6].

目前為止，通過金屬板材的塑性應(yīng)變比r及力學(xué)不均勻參數(shù)Δr對金屬板材拉深成形中的不均勻塑性流動(dòng)進(jìn)行的研究較為少見.

文章以4種常見的用于汽車零部件制造的金屬板材為研究對象，首先通過單向拉伸實(shí)驗(yàn)測定4種金屬板材的塑性應(yīng)變比r及力學(xué)不均勻參數(shù)Δr，而后通過拉深實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究塑性應(yīng)變比r及力學(xué)不均勻參數(shù)Δr對塑性成形的影響規(guī)律.

1 金屬板材的r及Δr實(shí)驗(yàn)測定

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

為測定4種金屬板材的塑性應(yīng)變比r及力學(xué)不均勻參數(shù)Δr，將進(jìn)行試件單向拉伸實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)所選用的4種汽車?yán)滠埥饘侔宀呐铺柤爸饕煞忠姳?.實(shí)驗(yàn)中每種金屬板材分別切取等面積的5塊，20塊實(shí)驗(yàn)金屬試件的切取方向分別是沿著軋制方向呈0°、與軋制方向呈45°、與軋制方向呈90°.為保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，在實(shí)驗(yàn)過程中，將保證拉伸設(shè)備、測試標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)工件尺寸完全相同.實(shí)驗(yàn)板材切割工具為高壓水流切割機(jī)，實(shí)驗(yàn)工具為精度0.02mm的電子卡尺，所選用的材料試驗(yàn)機(jī)為CNT5000型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)機(jī).實(shí)驗(yàn)中切取的20塊金屬試件如圖2所示.

表1 四種金屬板材的牌號及成分

圖2 拉伸實(shí)驗(yàn)金屬試件示意圖

在實(shí)驗(yàn)中，單軸拉伸實(shí)驗(yàn)在金屬試件的均勻形范圍內(nèi)進(jìn)行，當(dāng)金屬試件被拉伸至實(shí)驗(yàn)規(guī)定的應(yīng)變量時(shí)，對金屬試件進(jìn)行測量，記錄其長寬變化.理想情況下塑性變形僅改變金屬試件的形狀而不改變金屬試件的總體積，可據(jù)此推算金屬板材塑性應(yīng)變比r及力學(xué)不均勻參數(shù)Δr.

2.2 塑性應(yīng)變比r及力學(xué)不均勻參數(shù)Δr的計(jì)算

工程實(shí)踐中的材料塑性應(yīng)變比r計(jì)算公式為[7]：

(1)

式(1)中:b0為所切取金屬板材在拉伸實(shí)驗(yàn)前的寬度；b為所切取金屬板材在拉伸實(shí)驗(yàn)后的寬度；t0為所切取金屬板材在拉伸實(shí)驗(yàn)前的厚度；t為所切取金屬板材在拉伸實(shí)驗(yàn)后的厚度.

為更加準(zhǔn)確地研究金屬的不均勻性，本實(shí)驗(yàn)在3個(gè)方向上切取了實(shí)驗(yàn)金屬板材.板材的力學(xué)不均勻參數(shù)Δr計(jì)算公式為[7]：

(2)

式(2)中：r0,r45和r90分別表示金屬板材在與軋制方向呈0°、45°和90°時(shí)的塑性應(yīng)變比.

通過單向拉伸實(shí)驗(yàn)測得的金屬板材塑性應(yīng)變比r及力學(xué)不均勻參數(shù)Δr如表2所示.由表2可看出，從單向拉伸試驗(yàn)測得的沖壓性能指標(biāo)來看，雖然金屬板材在90°下，塑性應(yīng)變比r值以及Δr值比較接近，同時(shí)，在板材拉深成形過程中，板材的晶粒取向與應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)對其塑性變形也有很大的影響，所以難以在室溫下進(jìn)行拉深成形.可見，在采用常規(guī)拉深工藝進(jìn)行成形時(shí)，金屬板材要得到理想的成形效果比較困難，除非采取一些措施來改進(jìn)提高.

表2 實(shí)驗(yàn)條件下的r及Δr計(jì)算結(jié)果

2 塑性應(yīng)變及Δr對其塑性的影響實(shí)驗(yàn)

拉深系數(shù)是標(biāo)識工件形變量的參數(shù)，用字母k表示[8].

(3)

式(3)中，d表示金屬試件的直徑，D表示金屬坯料的直徑.由式(3)可知，對于同一塊金屬坯料，需要得到的試件的直徑d越小，則拉深形變量越大.因此拉深形變量與拉深系數(shù)呈反比.

2.1 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

實(shí)驗(yàn)前，將4種金屬板材分別切割為直徑80毫米、85毫米、90毫米、95毫米和100毫米的圓形坯料，每種金屬板材的每種尺寸坯料均為3份.用記號筆分別標(biāo)記每個(gè)坯料的 0°方向、45°方向和90°方向.

圖3 金屬板材拉深實(shí)驗(yàn)示意圖

金屬板材坯料的拉深實(shí)驗(yàn)如圖3所示，實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)機(jī)用計(jì)算機(jī)控制，測試范圍50～100kN.具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)將圓形坯料裝配至實(shí)驗(yàn)機(jī)上，開啟實(shí)驗(yàn)機(jī).

2)當(dāng)實(shí)驗(yàn)機(jī)的凹模剛剛接觸圓形坯料時(shí)關(guān)閉實(shí)驗(yàn)機(jī)，將測力顯示器歸零.

3)重新開機(jī)，將圓形坯料拉入模具中，將實(shí)驗(yàn)過程中的拉深力-形變數(shù)據(jù)保存至計(jì)算機(jī).

4)將凸模歸位，取下金屬試件.

5)測量薄壁圓筒金屬試件在0°方向、45°方向和90°方向上的拉深長度.

6)重復(fù)操作1)～5)，完成剩余金屬坯料的拉深.為減小實(shí)驗(yàn)誤差，對每種金屬板材的每種尺寸試件多次拉深并選取平均值做最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4 四種金屬板材的拉深實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1號-4號材料分別為DC-01 、B180-H2、DC-05及DC-06)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

1)隨著拉深系數(shù)的減小，4種金屬試件的拉深高度均有增長.同等拉深系數(shù)下，每種金屬試件在0°方向、45°方向和90°方向上的拉深長度均不相同.這表明金屬板材的塑性應(yīng)變比會直接影響拉深高度.

2)結(jié)合表2中4種金屬板材的塑性應(yīng)變比，每種金屬試件在其塑性形變范圍內(nèi)，拉深高度與其塑性應(yīng)變比呈負(fù)相關(guān)，即在塑性應(yīng)變比較大的方向上拉深高度較小，在塑性應(yīng)變比較小的方向上拉深高度較大.

金屬工件經(jīng)過拉深后，由于制耳的存在，需要對工件進(jìn)行修邊操作，即將薄壁圓筒工件的開口切割齊整，因此修邊操作后，工件的最終拉深尺寸由其最小拉深高度決定.表3為不同拉深系數(shù)下4種金屬工件的最小拉深高度.

表3 四種金屬試件的最小拉深高度

由表3可知：在同等拉深系數(shù)條件下，不同金屬試件的最終拉深高度不同.塑性應(yīng)變比r越大的金屬試件，使其發(fā)生塑性形變的難度越大，因而越不容易發(fā)生塑性形變.當(dāng)需要將不同金屬試件拉深至相同修邊后高度時(shí)，塑性應(yīng)變比r大的金屬試件的板料耗費(fèi)量更大.

表2計(jì)算得到了4種金屬板材的力學(xué)不均勻參數(shù)，其分別是：DC-01的Δr為1.202 ，B180H2的Δr為2.558，DC-05的Δr為2.249及DC-06的Δr為3.193.力學(xué)不均勻參數(shù)反映了金屬材質(zhì)的力學(xué)性能，4種金屬板材中，DC-06板材的力學(xué)不均勻參數(shù)最大，為3.193，其次為板材DC-01、板材B180H2和板材DC-05.由表4可知，相同拉深系數(shù)下，金屬板材DC-06的修邊量是最大的，其次是板材DC-01、板材B180H2和板材DC-05.當(dāng)拉深系數(shù)為0.615時(shí)，金屬板材DC-06的修邊量為0.316 mm，金屬板材DC-01的修邊量為0.137 mm，兩者相差0.179 mm，其差值甚至超過了金屬板材DC-01的修邊量.整體來看，相同條件下不均勻參數(shù)Δr直接決定了金屬工件修邊量的大小.力學(xué)不均勻參數(shù)Δr越大的金屬板材，其不均勻塑性流動(dòng)性越差，即可塑性越差，因而修邊量越大.

表4 不同拉深系數(shù)下4種金屬板材的修邊量

金屬板材DC-05與B180-H2的力學(xué)不均勻參數(shù)較為接近，觀察表4的測量數(shù)據(jù)可知，兩者在相同拉深系數(shù)下的修邊量的最大差值為0.064 mm，最小差值為0.08 mm，且在拉深系數(shù)增大的過程中，兩者的修邊量出現(xiàn)了交叉.這表明力學(xué)不均勻參數(shù)接近的不同金屬板材具有相似的不均勻塑性流動(dòng)性.

4 結(jié)論

通過金屬板材的單向拉伸實(shí)驗(yàn)得到了4種金屬板材的塑性應(yīng)變比r和力學(xué)不均勻參數(shù)Δr.基于拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了拉深實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬板材的塑性應(yīng)變比r與金屬板材的拉深高度呈負(fù)相關(guān)，這表明r值越大，板材的塑性越差.板材的力學(xué)不均勻參數(shù)Δr決定了拉深工件的制耳程度，Δr越大，拉深工件的開口處越不齊整，工件的修邊量越大.Δr反映了金屬材料整體可塑性的不均勻性，Δr大的金屬板材，其整體塑性成形能力越不均勻.

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The Influence of Metal Sheet Material Heterogeneity on the Plastic Forming

ZHENG Chuan-xian

(Department of Mechanical Engineering, Anhui Water Conservancy Technical College, Hefei Anhui 231603, China)

In order to investigate influence of metal sheet material heterogeneity on plastic forming, the uniaxial tensile test is made and 4 common automobile sheet metal plastic strain ratio as well as inhomogeneous mechanical parameters is obtained, influence of which is studied by deep drawing test. The results show that plastic strain ratio affects the drawing height of sheet, and the plastic strain ratio of the sheet is negatively correlated; that mechanical inhomogeneous parameters affects the forming of ear during drawing process. The trimming amount of sheet metal drawing is positively correlated to Δr.

metal material; heterogeneity; plastic strain ratio; plastic forming

1673-2103(2016)05-0078-05

2016-05-05

鄭傳現(xiàn)(1974-)，男，安徽六安人，碩士，講師，研究方向：機(jī)械工程.

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