沖壓拉伸的力學(xué)分析研究

趙紹行

【摘要】通過(guò)提出金屬材料變形階段測(cè)試手段，包括解析擬合法等，以國(guó)標(biāo)線性回歸為參考，在10%-20%內(nèi)所測(cè)出來(lái)的多組準(zhǔn)確可靠性。借助解析擬合發(fā)法高分辨率材料拉伸試驗(yàn)機(jī)，詳細(xì)論述載荷極值點(diǎn)應(yīng)變硬化指數(shù)，討論差分析處理數(shù)據(jù)，拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

【關(guān)鍵詞】變形階段；解析擬合；硬化指數(shù)

將應(yīng)變指數(shù)概念引入塑性的實(shí)驗(yàn)研究從觀測(cè)到理論分析，隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對(duì)金屬薄板材料的拉脹成形性、類超塑性能提出了較高的要求，這些研究發(fā)現(xiàn)宏觀拉伸試驗(yàn)所反映的材料形變硬化性能與其微觀組織特性密切相關(guān)。為了更準(zhǔn)確地描繪與跟蹤材料拉伸成形過(guò)程的應(yīng)變硬化特性，深入了解成形硬化性能的微觀組織機(jī)理。

1.實(shí)驗(yàn)原理

板料的沖壓性能指的是板料對(duì)各種沖壓加工方法的適應(yīng)能力，板料沖壓能力可以通過(guò)直接實(shí)驗(yàn)和間接實(shí)驗(yàn)方法獲得。本實(shí)驗(yàn)采用間接實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)定板料的沖壓性能。

間接實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)板料的拉伸、壓縮、硬度測(cè)試等方法對(duì)板料的各種沖壓性能進(jìn)行分析。這些實(shí)驗(yàn)可以在一般的力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單，評(píng)價(jià)直觀，但所獲取的是反映板料一般沖壓性能的指標(biāo)參數(shù)，而不是它對(duì)某個(gè)具體沖壓工藝的性能。本實(shí)驗(yàn)只用拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定的參數(shù)來(lái)評(píng)定板料的沖壓性能。通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)，我們可以獲得的板料沖壓性能參數(shù)包括：

均勻延伸率：它是在拉伸實(shí)驗(yàn)中開(kāi)始產(chǎn)生局部集中變形（產(chǎn)生縮頸）的延伸率。一般情況下，沖壓成形都是在板料的均勻變形范圍內(nèi)進(jìn)行的，所以可以反映板料的沖壓性能。屈強(qiáng)比：是材料的屈服強(qiáng)度和強(qiáng)度極限的比值。較小的屈強(qiáng)比對(duì)所有的沖壓性能都是有利的。在拉伸時(shí)，如果板材的屈服點(diǎn)比較低，則變形區(qū)的切向壓應(yīng)力較小，材料起皺的趨勢(shì)也小，所以防止起皺所需要的壓邊力和摩擦損失都要相應(yīng)的降低，結(jié)果對(duì)提高極限變形程度有利。硬化指數(shù)n：它表示在塑性變形中材料硬化的強(qiáng)度。n值大的材料，在同樣的變形程度下，真是應(yīng)力增加的要多。n值大時(shí)，在伸長(zhǎng)類變形過(guò)程中可以使變形均勻化，具有擴(kuò)展變形區(qū)，減少毛坯的局部變薄和增大極限變形參數(shù)等作用。硬化指數(shù)n的值，可以根據(jù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果所得的硬化曲線，也可以利用具有不同寬度的階梯形拉伸試樣所做的拉伸試驗(yàn)的結(jié)果，經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算求得。板厚方向性系數(shù)r：它是板料試樣拉伸試驗(yàn)中寬度應(yīng)變會(huì)εw與厚度應(yīng)變?chǔ)?的比值，即：

1.

上式中B0、B、t0、t分別是變形前后試樣的寬度和厚度。

γ表明板材在受單向拉應(yīng)力作用時(shí)，板平面方向和厚度方向上的變形難易程度的比較，也就是反應(yīng)了在相同的受力條件下板厚方向上的變形性能和板平面方向上的差別。當(dāng)r>1時(shí)，板材厚度方向上的變形比寬度方向上的變形困難。因此，r值大的材料，在復(fù)雜形狀的曲面零件拉深成形時(shí)，毛坯的中間部分在拉應(yīng)力的作用下，厚度方向上變形困難，即變薄量小，從而毛坯中間部分起皺的趨向性降低，有利于沖壓加工的進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

板平面方向性系數(shù)△r：當(dāng)板料平面內(nèi)不同方向上裁取拉伸試樣時(shí)，拉伸試驗(yàn)中所測(cè)得的各種機(jī)械性能、物理性能等都不一樣，這就說(shuō)明在板材平面內(nèi)的機(jī)械性能和方向有關(guān)，其程度可以用△r表示，其表達(dá)式如下：

2.

板料的塑性平面各向異性常常會(huì)使得拉深件口部出現(xiàn)凸耳，凸耳的大小和位置與△r有關(guān)，因此△r又稱為凸耳系數(shù)。當(dāng)△r>0時(shí)，說(shuō)明在0°和90°方向上容易出現(xiàn)凸耳；當(dāng)△r≤0時(shí)，說(shuō)明在45°方向上易出現(xiàn)凸耳。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與思考

從理論上分析，r是材料的固有屬性，與測(cè)量的方式無(wú)關(guān)。但是在實(shí)際測(cè)量中，取伸長(zhǎng)率為15%作為計(jì)算背景的時(shí)候，試件長(zhǎng)度的標(biāo)距會(huì)影響引伸計(jì)需要測(cè)量的長(zhǎng)度，也就是會(huì)影響測(cè)量的時(shí)機(jī)，這會(huì)使測(cè)量得到的r值不同。因此，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度和寬度變化的標(biāo)距對(duì)r值有影響。 值大的材料對(duì)沖壓成形最有利，特別是拉深成形。因?yàn)閞表明板材在受單向拉應(yīng)力作用時(shí)，板平面方向和厚度方向上的變形難易程度的比較，也就是反應(yīng)了在相同的受力條件下板厚方向上的變形性能和板平面方向上的差別。當(dāng)r>1時(shí)，板材厚度方向上的變形比寬度方向上的變形困難。因此，r值大的材料，在復(fù)雜形狀的曲面零件拉深成形時(shí)，毛坯的中間部分在拉應(yīng)力的作用下，厚度方向上變形困難，即變薄量小，從而毛坯中間部分起皺的趨向性降低，有利于沖壓加工的進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。n值大的材料對(duì)伸長(zhǎng)類變形最有利。

因?yàn)閚值表示材料在塑性變形中的硬化程度。n值大的材料在同樣的變形程度下，真實(shí)應(yīng)力增加的多，在伸長(zhǎng)變形時(shí)，可以使變形均勻化，具有擴(kuò)展變形區(qū)，減少毛坯的局部變薄和增大極限變形程度。

3.結(jié)束語(yǔ)

從公式所定義的拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)n值數(shù)學(xué)本質(zhì)入手，本文系統(tǒng)闡述了在金屬材料拉伸均勻變形階段求解n值的多種數(shù)學(xué)手段，其中包括國(guó)標(biāo)推薦的對(duì)數(shù)化線性回歸法、差分平均法、解析擬合法。以國(guó)標(biāo)法為評(píng)判基準(zhǔn)，探討了另外兩種方法在測(cè)定范圍n值（10%～20%應(yīng)變范圍）的準(zhǔn)確度和可靠性。分析表明以上3種方法所得的結(jié)果非常吻合，在所研究的材料范圍內(nèi)，其他兩種方法所得結(jié)果其相對(duì)誤差均小于1.5%。從本文的分析結(jié)果可知，差分平均法所得到的結(jié)果與國(guó)標(biāo)法的結(jié)果最為吻合， 其平均相對(duì)誤差僅為0～18%，解析擬合法結(jié)果居中，與國(guó)標(biāo)法的平均相對(duì)誤差為0～26%。本文建議試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)商采用差分平均法，因?yàn)椴捎么祟惙椒ê?，?duì)于規(guī)定應(yīng)變范圍n值測(cè)試，差分法計(jì)算得到的n值與國(guó)標(biāo)法相一致；更為重要的是，采用差分法可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示n值隨工程應(yīng)變量變化的關(guān)系曲線，有助于試驗(yàn)者跟蹤材料形變硬化的路徑，為深入研究薄板材的塑性成形性能提供十分有用的信息。本文的研究結(jié)果表明：在所選用的5種材料范圍內(nèi)，載荷極值水平上的n值（nm）與最大力伸長(zhǎng)率具有密切的線性相關(guān)性，這為許多文獻(xiàn)所給出的n值與理論關(guān)系，提供了確鑿的試驗(yàn)佐證。可以期望，借助精確定點(diǎn)的n值測(cè)試技術(shù)，我們將能在宏觀上跟蹤材料拉伸硬化的應(yīng)變路徑特征，配合深入的微觀組織分析與熱處理工藝的研究，可以期望，借助精確定點(diǎn)的n值測(cè)試技術(shù)，我們將能在宏觀上跟蹤材料拉伸硬化的應(yīng)變路徑特征，配合深入的微觀組織分析與熱處理工藝的研究，以期全面了解汽車用冷軋薄板材沖壓成形機(jī)理及科學(xué)合理的選材方法。

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