鈹板材深沖壓成形異形件探討

王維一，劉兆剛

（中色（寧夏）東方集團(tuán)有限公司，寧夏石嘴山 753000）

鈹板材深沖壓成形異形件探討

王維一，劉兆剛

（中色（寧夏）東方集團(tuán)有限公司，寧夏石嘴山 753000）

沖壓成形是金屬板材加工異形件的最基本方式。金屬材質(zhì)不同，沖壓成形異形件的難易程度不同，主要影響因素是沖壓成形性能和沖壓成形極限。文章結(jié)合鈹板材的沖壓成形性能和沖壓成形極限，對鈹板材沖壓成形異形件的難易性作了探討。

鈹板材；沖壓成形；異形件

金屬鈹是一種脆硬性稀有金屬，其密排六方晶體結(jié)構(gòu)決定了鈹?shù)牡退苄院蜆O差的壓力加工性能。在國內(nèi)外鈹加工民用品市場上，鈹軋制產(chǎn)品及用鈹軋制板材深沖壓成形的產(chǎn)品如異形件日益受到市場的青睞。經(jīng)過國內(nèi)幾代專業(yè)技術(shù)人員的不懈努力和細(xì)致研究，目前，國內(nèi)鈹材的軋制技術(shù)已有了很大的進(jìn)展。然國內(nèi)用鈹板材進(jìn)行深沖壓成形尤其是沖壓成形異形件的技術(shù)迄今為止還很薄弱。為明其因，筆者對鈹板材深沖壓成形異形件的難易性作了一些探討。

1 問題與討論

1.1 金屬板材加工異形件的最基本方式

眾所周知，就形狀而言，大多數(shù)異形件是部分球殼體，而效果最佳的異形件其形狀應(yīng)當(dāng)是半球殼。因此，對于金屬板材加工異形件來說，最基本、最傳統(tǒng)的加工方式不外乎沖壓成形。理由是：沖壓是利用沖模在沖壓設(shè)備上對板料施加壓力（或拉力），使其產(chǎn)生變形或分離，從而獲得一定形狀、尺寸和性能的制件的加工方法。沖壓加工的對象一般為金屬板料，板厚方向的變形一般不側(cè)重考慮，因此也稱為板料沖壓?；谕ǔＲ┘右欢ǖ膲毫Σ拍芡瓿杉庸さ墓残?，鍛造、沖壓與軋制、擠壓、拉撥等總稱為金屬壓力加工。金屬壓力加工迫使加工對象發(fā)生塑性變形，既改變了尺寸、形狀，又改善了性能，故還被稱為塑性加工。鍛造、軋制、拉撥、擠壓等方法是將金屬加工成胚料、板料、棒料、管材、線材等制品，但通常不制成零件，稱為一次塑性加工；沖壓加工則是在一次塑性加工的基礎(chǔ)上，將板料等制成具有特定用途的制件（或零件），可稱為二次塑性加工［1］。沖模、沖壓設(shè)備和板料是構(gòu)成沖壓加工的三個(gè)基本要素。所謂沖模就是加壓將金屬板料成形或接合而得到制件的工藝裝備。沒有設(shè)計(jì)和制造水平均很先進(jìn)的沖模，先進(jìn)的沖壓工藝就無法實(shí)現(xiàn)。

1.2 金屬板材沖壓成形異形件的影響因素

金屬板材沖壓成形異形件的難易程度、成功與否主要體現(xiàn)在金屬板材沖壓成形性能的好與差、成形極限的大與小上。板材的沖壓成形性能與成形極限的關(guān)系：板材的沖壓成形性能越好，則板材的成形極限越大［1］。很顯然，金屬板材的沖壓成形性能越好、成形極限越大，板材就越容易成形。反之，金屬板材的沖壓成形性能越差、成形極限越小，板材就越不容易沖壓成形，甚至無法成形。

1.2.1 沖壓成形性能

金屬板材的沖壓成形性能指金屬板材對沖壓成形工藝的適應(yīng)能力。金屬板材的沖壓成形性能主要包括抗破裂性、貼模性和定形性［1］。其主要影響因素有：材料性能、成形件和沖模的幾何形狀與尺寸、變形條件（變形速度、壓邊力、摩擦和溫度等）以及沖壓設(shè)備性能和操作水平等。

金屬板材的抗破裂性指金屬板材在沖壓過程中抵抗破裂而保持沖件完整性的能力；金屬板材的貼模性指金屬板材在沖壓過程中取得模具形狀的能力；金屬板材的定形性指成形件脫模后保持其在模內(nèi)既得形狀的能力。

影響抗破裂性的諸因素中，金屬的塑性和韌性是最主要的因素，具體來說，金屬材料的延伸率δ、屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb、屈強(qiáng)比σs／σb是影響抗破裂性的主要指標(biāo)因素。很顯然，延伸率越大、屈服強(qiáng)度越小、抗拉強(qiáng)度越大、屈強(qiáng)比越小，金屬板材的抗破裂性就越好，最終體現(xiàn)出金屬板材成形性能好，易成形；反之，延伸率越小、屈服度越大、抗拉強(qiáng)度越小、屈強(qiáng)比越大，金屬板材的抗破裂性就越差，最終體現(xiàn)出金屬板材成形性能差，難成形。對于深沖壓成形如異形件來說甚至無法成形。金屬板材的抗破裂性好壞與否，是決定板材沖壓成形難易、成功與否的重要因素。

對于金屬鈹板材來說，相比較其它常用金屬因其延伸率小、屈服強(qiáng)度大、抗拉強(qiáng)度小、屈強(qiáng)比大，所以金屬鈹板材的抗破裂性差，最終體現(xiàn)出金屬鈹板材沖壓成形性能差，難沖壓成形，對于鈹板材深沖壓成形異形件來說甚至無法成形。

影響貼模性的因素很多，成形過程中發(fā)生的內(nèi)皺、翹曲、塌陷和鼓起等幾何面缺陷會使貼模性降低；影響定形性的諸因素中，回彈是最主要的因素，沖壓時(shí)，由于彈性變形的存在，使得成形后的沖壓件的形狀和尺寸與模具的形狀和尺寸不盡相同，這種現(xiàn)象稱為回彈，是影響沖壓件精度的重要原因之一。成形件脫模后，常因回彈大而產(chǎn)生較大的形狀誤差。板料的貼模和定形性好壞與否，是決定成形件形狀及尺寸精準(zhǔn)度的重要因素［1］。

對于金屬鈹板材來說，因其成形過程中極易發(fā)生內(nèi)皺、翹曲、塌陷和鼓起等幾何面缺陷，從而使貼模性大大降低；同時(shí)，鈹板材在成形脫模后回彈大而產(chǎn)生較大的形狀誤差，所以其定形性差。因此，鈹板材在實(shí)際沖壓成形中很難實(shí)現(xiàn)成形件的預(yù)期理想形狀與精準(zhǔn)尺寸，其成形件的形狀與尺寸的精準(zhǔn)度相當(dāng)差，最終很難達(dá)到成形件的使用要求。

1.2.2 沖壓成形極限

金屬板材的沖壓成形極限是指板料在失穩(wěn)前可以達(dá)到的最大變形程度。板料在成形過程中會出現(xiàn)兩種失穩(wěn)現(xiàn)象，即拉伸失穩(wěn)和壓縮失穩(wěn)。拉伸失穩(wěn)是板料在拉應(yīng)力作用下局部出現(xiàn)緊縮或破裂；壓縮失穩(wěn)是板料在壓應(yīng)力作用下出現(xiàn)皺紋。成形極限分為總體成形極限和局部成形極限?？傮w成形極限反映板料失穩(wěn)前某些特定的總體尺寸可以達(dá)到的最大變形程度，如極限拉深系數(shù)、極限脹形高度和極限翻邊系數(shù)等均屬于總體成形極限?？傮w成形極限常用作工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。局部成形極限反映板料失穩(wěn)前局部尺寸可以達(dá)到的最大變形程度，如成形時(shí)的局部極限應(yīng)變即屬于局部成形極限［1］。

影響成形極限的材料因素主要是延伸率和應(yīng)變硬化指數(shù)。一般來說，延伸率大，板料破裂前允許的變形程度大，成形極限也大；應(yīng)變硬化指數(shù)n值大，應(yīng)變硬化能力強(qiáng)，可促使應(yīng)變分布趨于均勻化，同時(shí)還能提高材料的局部應(yīng)變能力，故成形極限也大。

對于金屬鈹板材來說，因其延伸率小、應(yīng)變硬化指數(shù)n值小，故其成形極限小，板材沖壓成形失穩(wěn)前可以達(dá)到的最大變形程度也小。最終體現(xiàn)出金屬鈹板材難沖壓成形，更難以深沖壓成形，對于鈹板材深沖壓成形異形件來說其難度之大是可想而知的。

1.3 金屬板材主要力學(xué)性能與其沖壓成形的關(guān)系

板材力學(xué)性能與板材沖壓有密切關(guān)系。一般來說，板材的強(qiáng)度指標(biāo)越高，產(chǎn)生相同變形量所需的力就越大；塑性指標(biāo)越高，成形時(shí)所能承受的極限變形量就越大；剛性指標(biāo)越高，成形時(shí)抗失穩(wěn)起皺的能力就越大［2］。

對板材沖壓成形影響較大的力學(xué)性能指標(biāo)有以下幾項(xiàng)。

1.3.1 屈服極限σs

σs小，材料容易屈服，則變形抗力小，產(chǎn)生相同變形所需變形力就小，并且屈服極限小，當(dāng)壓縮變形時(shí)，屈服極限小的材料因易于變形而不易出現(xiàn)起皺，對彎曲變形則回彈小。最終體現(xiàn)出：屈服極限σs小則板材易沖壓成形；反之屈服極限σs大則板材難沖壓成形。

1.3.2 屈強(qiáng)比σs／σb

屈強(qiáng)比σs／σb小，說明σs值小而σb值大，即容易產(chǎn)生塑性變形而不易產(chǎn)生拉裂，也就是說，從產(chǎn)生屈服至拉裂有較大的塑性變形區(qū)間。當(dāng)變形抗力小而強(qiáng)度高時(shí)，變形區(qū)的材料易于變形不易起皺，傳力區(qū)的材料又有較高強(qiáng)度而不易拉裂，有利于提高拉深變形的變形程度［3］。最終體現(xiàn)出：屈強(qiáng)比σs／σb小則板料易沖壓成形；反之屈強(qiáng)比σs／σb大則板料難沖壓成形。

1.3.3 延伸率δ

拉伸試驗(yàn)中，試樣拉斷時(shí)的伸長率稱總延伸率或簡稱延伸率。延伸率表示板材產(chǎn)生均勻的或穩(wěn)定的塑性變形的能力，它直接決定了板材的沖壓變形程度與成形難易度。從實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，大多數(shù)材料的沖壓變形程度都與延伸率成正比?？梢缘贸鼋Y(jié)論：延伸率是影響板材沖壓成形的最主要參數(shù)。

鈹板材與常用金屬板材的主要力學(xué)性能對比見表1，通過表1鈹板材與常用金屬板材的力學(xué)性能對比不難看出：延伸率、屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比等影響板材沖壓成形較大的力學(xué)性能指標(biāo)中，鈹板材的延伸率比其它常用金屬小很多，而屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比幾乎比其它常用金屬板材都要大，這就說明鈹板材沖壓成形的難度要比其它常用金屬板材都要大，甚至大很多。同時(shí)也證明了鈹板材是一種難以沖壓成形的金屬材料，尤其對于鈹板材深沖壓成形異形件來說其難度是相當(dāng)大的。

表1 鈹板材與常用金屬板材的主要力學(xué)性能對比

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)要求

首先，為了提高異形件成形時(shí)的貼模性，制備的鈹板材板面要有很好的平整度，厚度尺寸要有很好的均勻性、穩(wěn)定性；為了提高異形件成形時(shí)的抗破裂性，制備成形異形件所用鈹板材時(shí)應(yīng)最大限度改善其內(nèi)部組織機(jī)構(gòu)，優(yōu)化其變形塑性，優(yōu)化其各項(xiàng)同性；為了降低非變形因素對成形效果的影響，制備成形異形件所用鈹板材時(shí)應(yīng)最大限度消除其內(nèi)部及表面主要缺陷。其次，對于鈹材來說，將其加熱至塑性溫度區(qū)再進(jìn)行壓力加工時(shí)顯示出的塑性要比直接冷壓力加工要好許多，因此為了提高鈹?shù)乃苄?，提高其成形性能而降低其成形難度，也就是為了提高其抗破裂性，必須經(jīng)過加熱在鈹?shù)乃苄詼囟葏^(qū)進(jìn)行沖壓成形。最后，模具設(shè)計(jì)與加工必須合理、科學(xué)、精準(zhǔn)。合理而科學(xué)的模具設(shè)計(jì)有助于沖壓成形，使成形時(shí)的抗破裂性增強(qiáng)；合理而精準(zhǔn)的模具設(shè)計(jì)與加工是提高異形件定形性的重要保證；模具設(shè)計(jì)與加工不合理、不精準(zhǔn)，異形件成形時(shí)的貼模性就無從談起。

2.2 冷沖壓成形實(shí)驗(yàn)

在無加熱裝置的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了多次技術(shù)參數(shù)經(jīng)過調(diào)整的冷沖壓成形實(shí)驗(yàn)，所成形的異形件如圖1所示：全部嚴(yán)重沖裂，所沖壓的異形件均出現(xiàn)多處皺褶、多處雜亂裂紋，貼模性、定形性更無從談起。

圖1 冷沖壓異形件照片

2.3 熱沖壓成形溫度區(qū)確定

借助拉伸試驗(yàn)，測定了多個(gè)如表2所示的關(guān)鍵溫度點(diǎn)的延伸率，根據(jù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果，制作如圖2所示的溫度－延伸率關(guān)系曲線，根據(jù)所制作的溫度－延伸率關(guān)系曲線，選擇曲線上延伸率最佳曲線段所對應(yīng)的溫度區(qū)間為熱沖壓成形溫度區(qū)。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果列表

圖2 溫度－延伸率關(guān)系曲線圖

2.4 熱沖壓成形實(shí)驗(yàn)

在裝有加熱裝置的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了多次技術(shù)參數(shù)經(jīng)過調(diào)整的熱沖壓成形試驗(yàn)，所成形的異形件大多數(shù)被沖裂，雖有少數(shù)異形件未被沖裂，但成形的異形件如圖3所示：出現(xiàn)多處皺褶，貼模性、定形性較差。

2.5 進(jìn)一步冷、熱沖壓成形實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證鈹板材深沖壓成形異形件的難易程度，筆者做了大量的類似上述冷、熱沖壓成形實(shí)驗(yàn)。無論是冷沖壓還是加熱至鈹板材成形溫度區(qū)的熱沖壓，均分別做了不同徑高比的異形件的多種不同類型成形實(shí)驗(yàn)，對于每種類型，分別選擇了多組沖壓成形技術(shù)參數(shù)組合進(jìn)行了具體的實(shí)驗(yàn)。令人遺憾的是：無論冷沖壓還是熱沖壓，無論徑高比大還是小，也無論選擇哪組技術(shù)參數(shù)組合，均沒有成形出較為理想的異形件。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，熱沖壓成形比冷沖壓成形的效果稍好一些；徑高比大的異形件比徑高比小的異形件成形效果稍好一些。熱沖壓成形徑高比大的異形件，大多數(shù)異形件被沖裂，雖有少數(shù)異形件未被沖裂，如圖2所示，但貼模性、定形性均很差；冷沖壓成形徑高比小的異形件，所有異形件均被沖裂，如圖1所示，貼模性、定形性更無從談起。

總之，通過上述實(shí)驗(yàn)，從一定層面上驗(yàn)證了鈹板材深沖壓成形異形件的難度是很大的。

3 結(jié) 論

由于鈹板材的沖壓成形性能差、成形極限小、板材破裂前所允許的變形程度小、板材在失穩(wěn)前可以達(dá)到的最大變形程度小。恰好相反，成形異形件則需要的是：好的沖壓成形性能、大的成形極限、板材破裂前的大變形程度、板材失穩(wěn)前可以達(dá)到大的最大變形程度。因此，鈹板材是一種難以深沖壓成形異形件的金屬材料。

［1］ 吳詩淳.沖壓工藝學(xué)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1987.

［2］ 楊守山.有色金屬塑性加工學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1982.

［3］ 王廷溥.金屬塑性加工學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1988.

Discussion on Punching Process of Beryllium M etal Irregular Parts

WANGWei-yi，LIU Zhao-gang
（CNMC Ningxia Orient Group Co.，Ltd，Shizuishan 753000，China）

The punching process is a basic way to shape irregular parts，but the difficulty degree varieswithmetalmaterial types.The main factors influencing stamping are stamping formability and forming limit.In this paper，combining with stamping formability and forming limit，the process of punching beryllium sheet into irregular parts is discussed.

beryllium sheet；stamping forming；irregular part

TG146.24

：A

：1003－5540（2014）05－0054－03

2014－07－30

王維一（1969－），男，高級工程師，主要從事稀有金屬鈹材壓力加工方面的研究。