冲压拉伸的力学分析研究

赵绍行

【摘要】通过提出金属材料变形阶段测试手段，包括解析拟合法等，以国标线性回归为参考，在10%-20%内所测出来的多组准确可靠性。借助解析拟合发法高分辨率材料拉伸试验机，详细论述载荷极值点应变硬化指数，讨论差分析处理数据，拉伸实验过程动态实时显示出来。

【关键词】变形阶段；解析拟合；硬化指数

将应变指数概念引入塑性的实验研究从观测到理论分析，随着汽车行业的发展，对金属薄板材料的拉胀成形性、类超塑性能提出了较高的要求，这些研究發现宏观拉伸试验所反映的材料形变硬化性能与其微观组织特性密切相关。为了更准确地描绘与跟踪材料拉伸成形过程的应变硬化特性，深入了解成形硬化性能的微观组织机理。

1.实验原理

板料的冲压性能指的是板料对各种冲压加工方法的适应能力，板料冲压能力可以通过直接实验和间接实验方法获得。本实验采用间接实验的方法来测定板料的冲压性能。

间接实验时通过板料的拉伸、压缩、硬度测试等方法对板料的各种冲压性能进行分析。这些实验可以在一般的力学实验设备上进行，操作简单，评价直观，但所获取的是反映板料一般冲压性能的指标参数，而不是它对某个具体冲压工艺的性能。本实验只用拉伸实验测定的参数来评定板料的冲压性能。通过拉伸实验，我们可以获得的板料冲压性能参数包括：

均匀延伸率：它是在拉伸实验中开始产生局部集中变形（产生缩颈）的延伸率。一般情况下，冲压成形都是在板料的均匀变形范围内进行的，所以可以反映板料的冲压性能。屈强比：是材料的屈服强度和强度极限的比值。较小的屈强比对所有的冲压性能都是有利的。在拉伸时，如果板材的屈服点比较低，则变形区的切向压应力较小，材料起皱的趋势也小，所以防止起皱所需要的压边力和摩擦损失都要相应的降低，结果对提高极限变形程度有利。硬化指数n：它表示在塑性变形中材料硬化的强度。n值大的材料，在同样的变形程度下，真是应力增加的要多。n值大时，在伸长类变形过程中可以使变形均匀化，具有扩展变形区，减少毛坯的局部变薄和增大极限变形参数等作用。硬化指数n的值，可以根据拉伸试验结果所得的硬化曲线，也可以利用具有不同宽度的阶梯形拉伸试样所做的拉伸试验的结果，经过一定的计算求得。板厚方向性系数r：它是板料试样拉伸试验中宽度应变会εw与厚度应变ε1的比值，即：

1.

上式中B0、B、t0、t分别是变形前后试样的宽度和厚度。

γ表明板材在受单向拉应力作用时，板平面方向和厚度方向上的变形难易程度的比较，也就是反应了在相同的受力条件下板厚方向上的变形性能和板平面方向上的差别。当r>1时，板材厚度方向上的变形比宽度方向上的变形困难。因此，r值大的材料，在复杂形状的曲面零件拉深成形时，毛坯的中间部分在拉应力的作用下，厚度方向上变形困难，即变薄量小，从而毛坯中间部分起皱的趋向性降低，有利于冲压加工的进行和产品质量的提高。

板平面方向性系数△r：当板料平面内不同方向上裁取拉伸试样时，拉伸试验中所测得的各种机械性能、物理性能等都不一样，这就说明在板材平面内的机械性能和方向有关，其程度可以用△r表示，其表达式如下：

2.

板料的塑性平面各向异性常常会使得拉深件口部出现凸耳，凸耳的大小和位置与△r有关，因此△r又称为凸耳系数。当△r>0时，说明在0°和90°方向上容易出现凸耳；当△r≤0时，说明在45°方向上易出现凸耳。

2.实验结果与思考

从理论上分析，r是材料的固有属性，与测量的方式无关。但是在实际测量中，取伸长率为15%作为计算背景的时候，试件长度的标距会影响引伸计需要测量的长度，也就是会影响测量的时机，这会使测量得到的r值不同。因此，测量时间长度和宽度变化的标距对r值有影响。 值大的材料对冲压成形最有利，特别是拉深成形。因为r表明板材在受单向拉应力作用时，板平面方向和厚度方向上的变形难易程度的比较，也就是反应了在相同的受力条件下板厚方向上的变形性能和板平面方向上的差别。当r>1时，板材厚度方向上的变形比宽度方向上的变形困难。因此，r值大的材料，在复杂形状的曲面零件拉深成形时，毛坯的中间部分在拉应力的作用下，厚度方向上变形困难，即变薄量小，从而毛坯中间部分起皱的趋向性降低，有利于冲压加工的进行和产品质量的提高。n值大的材料对伸长类变形最有利。

因为n值表示材料在塑性变形中的硬化程度。n值大的材料在同样的变形程度下，真实应力增加的多，在伸长变形时，可以使变形均匀化，具有扩展变形区，减少毛坯的局部变薄和增大极限变形程度。

3.结束语

从公式所定义的拉伸应变硬化指数n值数学本质入手，本文系统阐述了在金属材料拉伸均匀变形阶段求解n值的多种数学手段，其中包括国标推荐的对数化线性回归法、差分平均法、解析拟合法。以国标法为评判基准，探讨了另外两种方法在测定范围n值（10%～20%应变范围）的准确度和可靠性。分析表明以上3种方法所得的结果非常吻合，在所研究的材料范围内，其他两种方法所得结果其相对误差均小于1.5%。从本文的分析结果可知，差分平均法所得到的结果与国标法的结果最为吻合， 其平均相对误差仅为0～18%，解析拟合法结果居中，与国标法的平均相对误差为0～26%。本文建议试验机生产商采用差分平均法，因为采用此类方法后，对于规定应变范围n值测试，差分法计算得到的n值与国标法相一致；更为重要的是，采用差分法可以实时动态地显示n值随工程应变量变化的关系曲线，有助于试验者跟踪材料形变硬化的路径，为深入研究薄板材的塑性成形性能提供十分有用的信息。本文的研究结果表明：在所选用的5种材料范围内，载荷极值水平上的n值（nm）与最大力伸长率具有密切的线性相关性，这为许多文献所给出的n值与理论关系，提供了确凿的试验佐证。可以期望，借助精确定点的n值测试技术，我们将能在宏观上跟踪材料拉伸硬化的应变路径特征，配合深入的微观组织分析与热处理工艺的研究，可以期望，借助精确定点的n值测试技术，我们将能在宏观上跟踪材料拉伸硬化的应变路径特征，配合深入的微观组织分析与热处理工艺的研究，以期全面了解汽车用冷轧薄板材冲压成形机理及科学合理的选材方法。

参考文献

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