冷轧薄板冲压件成型影响因素浅析

刘云艳

摘要：概述了冷轧薄板冲压件成型性能的评价指标及其对冲压性能的影响，从材料的化学成分、厚度及表面质量、晶体的形态及加工工艺三个方面简述了其对冲压性能各个指标的影响机理。

关键词：薄板冲压件成型

1、前言

冲压件由于其加工效率高，材料利用率高，成型精度高等优点而广泛应用于家电、汽车等行业，特别是冷轧薄板类的零件。冲压加工是板料在模具的作用下，在其内部产生使之变形的内力，当内力的作用达到一定程度时，板料毛坯或者某个部位便会产生与之相对应的变形，从而获得所需形状、尺寸和性能的零件，典型的冷轧薄板冲压件如图1。1所示。冲压成型过程是一个集板材弹塑性大变形、工具和模具的接触、摩擦等因素为一体的复杂过程。因此，研究影响冲压成型性能的因素对于提升零件一次合格率，降低成本，改善零件的工艺性等尤为重要。

2、冷轧薄板冲压性能的评价

板材冲压成型是一个大变形、大转动、大位移的变形过程，过程中的主要问题是起皱、破裂和回弹。因此其板材的拉伸性能和加工硬化指数是其主要的评价指标。

拉强度σb、屈服强度σs、屈强比σs/σb、均匀伸长率δu、塑性应变比r值（表示板材各向异性的参数）是拉伸性能的主要评价指标。

抗拉强度σb表征材料在拉力作用下抵抗变形的最大能力；屈服强度σs表示金属材料在发生屈服变形时的最小作用力，当屈服极限较小时，薄板回弹值就会相应减小，容易屈服，具有较好的定形性以及贴模性。

屈强比σs/σb是材料的屈服强度和抗拉强度的比值，表示材料的抗变形能力，在保证材料强度满足使用需求的情况下，其屈强比越小，其冲压性能越好。当屈强比不断减小时，薄板的定形性以及成形性就会得到有效改善，从而保证冲压性能。

均匀伸长率δu对冲压性能也有重要影响，当延伸率不断增加时，薄板塑性变形能力也得到提升，颈缩变形出现的时间得以延迟从而得到综合性能较好的冷轧薄板。

塑性应变比r值主要影响拉伸性能，理论与冲压生产实践都证实，板材的r值大，它的拉伸性能也好。

金属板材在冲压时，其塑性变形处伴随这强化，使变形转移到其周围未加工硬化的部分。晶粒发生滑移，出现位错的缠结，破碎和纤维化，在其内部产生了残余应力。通常用加工硬化指数或硬化系数简称n值表示板材在冷变形过程中材料的变形抗力随变形程度增大而增加的性质。它是评定板材成形性能的重要指标，n值可用幂函数近似表示为：σ=Cεn。冷轧薄板的n值一般为0.18～0.25。在薄板冲压成形中，硬化指数n是一个极为重要的参数，冲压成形零件的最终强度、均匀伸长量、成形极限图的高低、应变分布和其他许多成形变量也都与n值直接相关。

3、冷轧薄板冲压性能的影响因素

冲压性能是材料的力学性能之一，它与材料的化学成分、厚度及表面质量、晶体的形态及加工工艺等因素有关。

3．1材料的化学成分

冷轧板主要由碳、硅、锰、硫、磷等元素组成，它们的含量对冷轧板的性能有显著的影响。碳含量提升，能显著提高板料的硬度，同时也增加Fe3C的含量，从而降低材料的塑性及冲压性能，所以冷轧板中要严格控制碳含量，一般在C含量小于0.2%，对于冲压要求高的板料，其C含量小于0.08%。硅可强化铁素体，对改善板料的屈服强度，同时降低了板料的塑性，其含量小于0.03%。硫在板料中易形成硫化物的夹杂，影响板料的冲压性能，其含量应小于0.001%，锰对抑制边部龟裂有改善作用，但是其可以和硫形成MnS，降低冲压性能，其含量也应在合理的范围内。

3．2厚度及表面质量

厚度的尺寸公差及其均匀性会对冲压性能造成直接的影响，只有标准的厚度才能保证凹凸模之间的间隙在设计的范围内。若厚度未达到标准值，在成型过程中容易起皱；若厚度超过标准值，则凹凸模之间的间隙减小，容易造成拉裂。同时，若板料的厚度不均匀，在薄壁出容易拉裂。同时板料的表面质量对冲压性能也有重要影响，表面粗糙度和其摩擦系数有很大关系，它不仅影响成型力的大小，还直接影响零件的成形极限、回弹和表面质量，粗糙度进行有效控制，使之保持在0.6um至1.6um的范围内[1]；如薄板表面存在缺陷，则冲压时，应力就集中于缺陷部位，导致工件破裂；当表面平整度较差时，则会对定位精度以及剪切精度造成影响，导致制出的成品不合格，甚至于导致冲头被损坏。为改善冲压性能，在宏观上要保证表面光洁平整，避免出现断裂、起皱以及颈缩现象、锈斑等现象，在微观上应保证材料表面应变力分布均匀。

3．3晶体的形态及加工工艺

研究结果表明：当钢板中铁素体内形成{111}<110>织构，特别是{111}<110>+{111}<112>混合织构时，其r值较大且Δr趋近于零，这将有利于拉伸性能的提高[2]。

薄板的晶粒大小对塑性影响很大。晶粒过大，则塑性降低，在冲压成形时，不仅容易产生破裂，而且制件表面还容易产生桔皮，对后续的涂漆工序带来不利的影响；晶粒过细，则钢板强度高，塑性降低，回弹现象增加。因此，薄板的晶粒大小应适中。复杂拉深用的冷轧薄钢板，共晶粒度为6～8级[3]。

热处理是冷轧板最重要的工艺步骤，它是获得优良成形性能的重要工序。最终热处理一般为罩式退火、连续退火和正火。较长的加热时间和较高的加热温度可造成更强烈的软化和更好的延伸性。急剧加热会使薄板的r值显著下降。国内生产的大多数无间隙原子钢都采用罩式退火工艺来处理，均获得了较好的冲压性能[4]。平整工序对薄板的冲压成形性能有利。变形速度对薄板的成形性能有影响，低速变形可使材料组织的回复和再结晶过程更充分，减弱其加工硬化，利于材料的成形。

4、结束语

综上所述，冷轧薄板冲压性能在本质上与材料的化学成分、晶体形态等因素密切相关。宏观上我们可以根据板料的厚度及表面性能来定性评价，从板料的拉伸实验值屈服强度、抗拉强度、屈强比、塑性应变比、均匀伸长率等指标来定性判断和评估。当出现冲压件开裂、起皱等质量问题时，除了从冲压工艺过程来改善外，还可以从材料的化学成分、加工工艺过程来分析，找出解决问题的办法。

参考文献：

[1]万敏，李东升，乔丽红.板料成型计算机分析技术[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2]王章忠，新型冲压用钢的开发与展望[J]，机械工程材料，2003，（3）

[3]HUTCHINSONB，LINDHE.EvolutionofTextureandAnisotropyduringRecrystallizationofIFsteels[C].InternationalForumforPhysicalMetallurgyofIFSteelsIFIFS-94[A].Tokyo：IronandSteelInstituteofJapan，1994.127.

[4]邓陟，金属薄板成形技术[M]，北京：兵器工业出版社，1993