金屬材料拉伸性能對鈑金成型質量的影響

路興峰，張 琪，秦 剛

（兗煤藍天清潔能源有限公司，山東濟寧 273500）

0 引言

運用冷沖壓工藝能夠加工金屬使其成型，而該工藝在機械加工中比較重要，占據現代工業(yè)生產重要位置。當前人們生活中隨處可見冷沖壓產品，如電器、儀表、拖拉機、汽車、電子、航空航天、國防以及高壓鍋、不銹鋼飯盒、汽車覆蓋件、搪瓷盆、電腦機箱等。在拖拉機和汽車行業(yè)中沖壓件占60%，在日用五金產品中占90%，電子工業(yè)中占85%，可見金屬薄板沖壓件的重要性，因此需要對沖壓件形成進行研究。加工金屬材料可使鈑金成型，而金屬的拉伸性能會對其成型質量產生影響，因此應有效控制金屬拉伸性能，積極應對加工中影響金屬拉伸性能的因素，保證其拉伸性能良好和鈑金成型質量。

1 加工對于金屬拉伸性能的影響

1.1 取樣方向的影響

選擇Q235B、Q345B 兩種板材鋼板進行金屬材料拉伸實驗，通常選擇3 個方向，分別是縱向、橫向和45°方向進行矩形拉伸取樣。其中，縱向拉伸是與壓制方向平行時取樣，橫向拉伸是與壓制方向垂直時取樣，而45°方向是和壓制方向線成45°角來縱向取樣。試樣拉伸前后效果如圖1 所示。在相應條件下將拉伸實驗完成，能夠獲得以下結果：鋼板材料在橫向取樣前后出現了延伸率差值，取樣后延長率要比結構鋼標準技術值低[1]。壓力加工中沿著主變形方向流動排列金屬晶體夾雜物、金屬材料與晶粒夾雜物，以此形成金屬纖維組織，該類組織具有方向性，將會使金屬材料力學性能出現變化。在冷加工時，金屬材料產生組織結構將參與，從而在各個方向上材料力學性能會產生差異變化，這說明與壓制方向平行實施縱向取樣時材料力學性能較好，與壓制方向垂直實施縱向取樣時力學性能較差。

圖1 試樣拉伸前后效果

1.2 取樣位置的影響

根據均值法和差異取樣法選擇Q235B 的Φ40 mm 以及Φ60 mm 材料，在材料中心及1/4 直徑處進行圓形取樣，而Q345B 鋼板在腿寬及腹板1/3 處實施矩形取樣，選擇10 個樣品來拉伸。最終結果是，圓鋼1/4 直徑可獲得高于中心位置的抗拉伸強度，然而斷后延伸率要比中心位置低；槽鋼在腹板1/3 處拉伸強度和屈服強度要比翼緣處高；而斷后延長率要比翼緣處低。兩段鋼材測試結果都要比結構鋼技術指標高。金屬材料拉伸性能會受到取樣位置的影響，因為在材料加工中，其化學成分、液晶缺陷、金相組織以及加工變形分布等存在不均勻現象。在建筑金屬材料時，模具如果處于不同位置，將會使其流速不同，在材料局部沒有均勻的化學成分，導致無法均衡分布流動金相組織，在材料力學性能數值上這些都會有所體現。擠壓成型材料在口模中通過時會受口模形狀影響，導致成分流速不同，沒有相同的材料精密度，在位置力學性能上也存在差異[2]。因而進行圓鋼拉伸實驗時，需結合不同直徑選擇取樣位置，以獲得精確的實驗效果。例如，直徑小于25 mm 的圓鋼，最佳取樣位置是1/2 直徑處；槽鋼拉伸實驗確定1/3 腿寬和1/4 腰高處為最佳取樣位置。通常這些位置是取樣過程中最薄弱和脆弱的位置，位置取樣結果合格可證明材料有著良好的拉伸性能。對于具體材料來說，還需要考慮其是否有合格的熔鑄加工過程以及是否有均勻材料局部分布等，由此合理選擇取樣位置。

1.3 式樣加工的影響

進行金屬材料加工時，需通過車、鉆、銑、刨和磨等方式開展外部加工，以獲得理想的材料技工狀態(tài)，以便后期應用。在加工材料時會破壞材料的性能，盡管使用機械加工應遵循不對樣品造成破壞這一原則，但材料在外部壓力及熱變化影響下會出現變化，導致其性能改變，因此需要對式樣加工中影響金屬材料拉伸性能的因素進行研究，以完善加工金屬材料的工藝流程[3]。

1.3.1 加工條件

結合需加工成型的零件，合理選擇時間、溫度、壓力來加工金屬材料，這一過程會影響金屬材料拉伸性能，影響最突出的是橫向拉伸強度。通常影響橫向拉伸的表現是：在溫度不斷升高的情況下，金屬材料內部熔體自由體積、分子運動能量、鍛煉活動能力將明顯增強，這會降低分子間相互作用力，縮減離子間粘合度，因此在高溫下金屬材料可以將橫向拉伸強度增加。然而金屬材料的橫向拉伸強度不會隨著溫度提升而增加，如果溫度過高，將會使金屬內部大分子鏈出現不良情況，影響金屬材料拉伸性能，從而應保證溫度合理，以提升金屬材料拉伸性能。

1.3.2 加工時間

在時間的推移下金屬材料的橫向拉伸強度會發(fā)生變化，整體趨勢為先增長后區(qū)域平緩。當加工時間過短時，技術材料內部會出現金屬粒子無法順暢流通的情況，這會降低金屬材料的橫向拉伸值，增加材料脆性。在金屬材料達到最佳橫向拉伸值時，即便應用更多時間來拉伸加工，也不會對拉伸性能造成太大影響。因此在加工金屬材料時應選擇合理的加工時間，防止浪費人力與物力。

1.3.3 加工壓力

壓力也會對金屬材料橫向拉伸性能產生影響，趨勢為先增強之后減弱。壓力在3～7 MPa 時，壓力增加，其橫向拉伸強度也會增加，如果壓力大于7 MPa，壓力增加，橫向拉伸強度將降低。針對這一情況，橫向加工金屬材料時需要有效選擇加工壓力，保證有良好的金屬材料橫向拉伸性能狀態(tài)，為提升鈑金成型質量打下堅實基礎。

1.3.4 拉伸速度

金屬材料性能受到的影響通常體現在金屬材料內部，加工金屬材料時，很容易受到拉伸速度的影響。一般金屬材料內部存在金屬夾雜物、金屬晶體和其他雜質，導致金屬材料內部出現晶體錯位及粘合不良等問題。金屬材料整體性能一般有著比較一致的整體性能表現，但是在加工中出現外部彈性形變或塑性形變時將會影響金屬材料拉伸性能[4]。圖2 為塑性材料拉伸典型曲線，通過拉伸方式能夠完成材料塑性形變，外力加工能使金屬材料相對滑動超出滑移臨界值，將會使金屬晶體出現晶向及晶面運動。該過程會有運動速度，在金屬材料拉伸時，拉伸溫度升高時強度也會增加，拉伸過程中會存在時間滯后的情況。在拉伸速度較慢時，技術材料能夠承受200 kN 的拉力，當拉伸速度提升時向金屬材料施加200 kN 拉力，將會出現位錯密集降低材料拉伸性能，使金屬材料斷裂。因此進行金屬材料拉伸加工時，需合理選擇速度與壓力，保證產生金屬晶體滑移并兼顧材料拉伸性能，避免出現金屬材料斷裂情況。

圖2 塑性材料拉伸典型曲線

2 金屬材料拉伸性能對鈑金成型質量的影響

材料塑性硬化曲線能夠決定鈑金成型質量，材料的公稱拉伸強度、屈服應力和硬化指數能夠決定其硬化曲線形狀。厚向異性系數γ 是材料拉伸性能特定指數，將影響鈑金的成型質量，γ=e2/e3。其中，γ 為單向拉伸，e2和e3分別為寬度、厚度的方向應變。

γ 反映板平面方向、厚度方向的變形難易，γ 值越大越容易出現板平面方向變形情況，厚度方向變形比較難，這有利于拉伸成型。例如，進行曲面零件拉伸時，在拉應力作用下板件中間部分難以實現厚度方向變形，指的是變薄量小，在板平面內垂直于拉應力方向會比較容易壓縮變形，這會降低板料中間起皺的趨向性，能夠有效促進拉深工作開展及提升工件質量；不僅如此，使用γ值大的板料實施筒形件拉深時，在拉應力作用下筒壁不容易變薄和被拉破，但是其凸緣區(qū)、壓延區(qū)會容易出現切向壓縮變形情況，這會降低起皺趨勢，減小壓料力，并且還會降低筒壁拉應力，增大筒形件拉深的極限變形程度[5]。γ 值越大時，鈑金的失穩(wěn)變薄抵抗能力越大，可充分發(fā)揮拉伸失穩(wěn)之前最大強度，將邊緣部分拉動可構成更深的壓延件。

應變強化指數n 也被稱為應變剛指數，在鈑金脹形性能中n 是主要參數。通過相關實踐可知大多金屬在塑性變形中的變形抵抗力，會在增加應變的條件下不斷加強，該趨勢不僅出現在冷作變形中，也會出現在熱作變形中。此外，應變強化（即應變強化指數）對于成型的作用是，在鈑金某一應力點大于其鄰近部分時，較大應變因為應變強化提升進一步變形的抵抗能力，可轉移變形至鄰近部分，使得該點縮頸到來延緩，確保板面應變更均勻，防止金屬材料拉伸性能對鈑金誠信質量造成嚴重影響。

3 結束語

鈑金制造中會使用各種類型的金屬材料，金屬材料拉伸性能會在一定程度上影響鈑金成型質量，導致制造出的產品無法獲得良好性能，因此在鈑金制造過程中應有效應對金屬材料拉伸性能。通常金屬材料拉伸性能會受到其加工工序的影響，主要體現在金屬材料加工取樣方向、取樣位置、試樣加工等方面，因此需要注重加工中各項因素的控制，保證金屬材料有良好的拉伸性能，避免對鈑金成型質量造成影響。