冲压加工中板材变形与破裂的机理分析与控制方法

王松

安徽江淮汽车股份有限公司 安徽 合肥 230022

摘要：在现代制造业中，冲压加工作为一种常见的金属成形工艺，在汽车、电子、家电等领域中得到广泛应用。然而，冲压加工过程中常常会遇到板材变形与破裂的问题，严重影响产品的质量和生产效率。因此，对冲压加工中板材变形与破裂的机理进行深入分析与研究具有重要意义。

关键词：材料选择；设计优化；工艺参数；表面处理

一、冲压加工中板材变形的机理分析

1.1冲压加工的基本原理

冲压加工的基本原理是将金属板材放置在冲床上，通过冲床的运动施加力，使板材发生塑性变形。在冲压过程中，板材受到冲头的压力，从而使其发生弯曲、拉伸、压缩等变形。通过合理选择冲床的运动方式和冲头的形状、尺寸，以及控制冲床的压力和速度，可以控制板材的变形程度和形状，从而得到所需的零件。冲压加工具有高效、精确和重复性好的特点，广泛应用于汽车、家电、机械等行业中的零部件制造。

1.2板材变形的力学行为

冲压加工中，板材的力学行为对于实现零件的形状和质量要求至关重要。弹性变形使板材在受力后能够恢复原状，而塑性变形则使板材保持变形。在冲压加工中，弹塑性变形常常发生，即板材既有弹性变形的恢复性，又有塑性变形的形状改变。这种变形行为受到冲压工艺参数、设计和加工工装的影响。通过合理选择工艺参数，如应用适当的冲床压力和速度，可以控制板材的变形程度。优化设计和加工工装可以减少应力集中和变形不均匀性，提高板材的稳定性和一致性。

1.3板材变形的影响因素

首先，不同材料具有不同的屈服强度、硬度和延伸率等特性，这些参数直接影响板材的塑性变形能力和弹性回复能力。选择合适的材料能够控制板材的变形，使其满足产品设计要求。其次，冲床的压力、冲头的形状和尺寸，以及板材的进给速度等参数，会直接影响板材的受力分布和变形行为。适当调整这些参数可以控制板材的应力分布，减小变形量，提高加工质量。此外，板材的厚度、凸模的几何形状等因素会影响板材的变形情况。较薄的板材更容易发生弹性回弹和塑性变形，而较厚的板材则更容易发生弹塑性变形。

二、冲压加工中板材破裂的机理分析

2.1板材破裂的分类与特点

在冲压加工过程中，板材破裂可以分为两种类型：韧性破裂和脆性破裂。

韧性破裂是指板材在受到较大变形时，发生破裂但不会立即断裂，而是出现塑性变形区域。具体来说，当板材受到应力超过其屈服强度时，会发生塑性变形，而塑性变形能够吸收能量，从而延缓破裂的发生。韧性破裂往往伴随着塑性变形区域的形成，这样的破裂形式常见于具有良好韧性的材料，如钢材。

脆性破裂则是指板材在受到较小变形时，发生迅速断裂，往往伴随着明显的裂纹形成。脆性破裂的特点是破裂发生突然，无明显的塑性变形区域。这样的破裂形式常见于具有较低韧性的材料，如铸铁和一些合金材料。脆性破裂通常发生在低温、高应力或者存在缺陷的情况下。

2.2板材破裂的机理分析

首先，应力集中是导致板材破裂的重要原因之一。在冲压加工中，板材上的应力分布通常是不均匀的，会造成应力集中。当应力集中达到材料的破裂强度时，就会发生破裂。几何形状的不均匀、尖角或锐边的存在，以及冲床或模具的设计不当都可能导致应力集中的形成。其次，板材的应力与变形失控也会导致破裂。在冲压加工过程中，板材的应力和变形往往是相互关联的。当板材的应力超过其承受能力时，就会发生变形失控，导致破裂。例如，若材料的强度不足，或者工艺参数选择不当，都可能导致应力过大，从而引发破裂。此外，板材上已有的裂纹或缺陷也可能导致破裂。在冲压加工过程中，板材可能存在一些微小的裂纹或缺陷。当应力作用下，这些裂纹会发生扩展，并最终导致破裂。裂纹扩展的速度和路径取决于板材的材料性质、应力状态以及裂纹的形状和尺寸等因素。

2.3板材破裂的影响因素

首先，屈服强度、延伸率和韧性等力学性能指标会影响板材的抗拉强度和抗破裂能力。选择具有较高屈服强度和良好韧性的材料能够提高板材的抗破裂能力。其次，冲压加工中的工艺参数，如冲床的压力、冲头的形状和尺寸，以及板材的进给速度等，会影响板材的应力分布和变形行为。合理控制加工工艺，如适当调整冲床压力、改变冲头形状和尺寸，以及控制进给速度等，可以减少应力集中和变形失控，从而降低破裂的风险。此外，板材表面和边缘的处理能够改善板材的表面质量和边缘形状，减少应力集中和裂纹的产生。常用的处理方法包括选择合适的表面润滑剂并正确应用，以及对板材边缘进行倒角和整形等。

三、冲压加工中板材变形与破裂的控制方法

3.1材料选择与设计优化

1）板材材料的选择原则

在冲压加工中，选择合适的板材材料是控制板材变形与破裂的关键。主要考虑以下原则：板材的力学性能要满足所需的强度和韧性要求。板材的成本要合理，并且易于加工和使用。板材的可获得性要好，能够满足生产需求。

2）板材设计的优化方法

通过优化板材的设计可以减少变形和破裂的风险。主要方法包括：合理选择板材的厚度和形状，避免出现应力集中和变形失控的情况。对板材的几何形状进行优化，尽量避免锐角和尖端的存在。在设计中考虑增加支撑结构或加强件，以增加板材的刚度和强度。

3.2加工工艺参数的优化

1）冲压工艺参数的选择与优化

冲压加工中，合理选择和优化冲压工艺参数可以控制板材的变形和破裂。主要考虑以下因素：冲床的压力和速度，控制板材的受力程度和变形速度。冲头的形状和尺寸，影响板材的变形和应力分布。板材的进给速度，控制板材的形状和尺寸的一致性。

2）工装设计与优化

工装的设计和优化对于控制板材的变形和破裂也非常重要。主要方法包括：合理设计冲床和模具，以控制板材的受力分布和变形程度。使用适当的支撑结构和夹具，以增加板材的刚度和稳定性。考虑板材的定位和固定，以保证加工精度和一致性。

3.3表面和边缘处理的控制

1）表面润滑剂的选择与应用

在冲压加工中，适当选择和应用表面润滑剂可以减少板材的摩擦和热变形，从而降低变形和破裂的风险。常用的润滑剂包括油脂、液体润滑剂和固体润滑剂。

2）边缘处理的方法与控制

板材的边缘处理对于控制变形和破裂也非常重要。常用的边缘处理方法包括倒角、整形和剪切等。合理选择边缘处理方法可以减少应力集中和裂纹的产生。

3.4模拟仿真与实验验证

1）数值模拟仿真的方法与应用

使用数值模拟仿真软件可以预测板材的变形和破裂情况，优化冲压工艺参数和设计。通过模拟仿真，可以更好地理解板材的应力分布和变形行为，并且优化控制方法。

2）实际加工试验的设计与分析

进行实际的加工试验可以验证数值模拟的结果，并进一步优化冲压加工过程。通过实际加工试验，可以收集实际生产中的数据，评估板材的变形和破裂情况，并进行统计和分析。根据实验结果，可以调整工艺参数和设计，优化冲压加工过程，以提高板材的质量和效率。

四、结束语

在冲压加工中，板材的变形与破裂是制约加工质量和效率的关键问题。通过合理选择材料、优化设计、调整工艺参数、控制表面和边缘处理，并结合模拟仿真和实际加工试验的方法，可以有效地控制板材的变形和破裂。这些方法不仅能提高产品的质量和一致性，还能减少生产成本和加工时间。因此，在冲压加工中，我们需要综合考虑材料、设计和工艺等因素，不断优化和改进，以实现对板材变形与破裂的有效控制，推动冲压加工行业的发展与进步。

参考文献：

[1]李迎光,刘长青,赵智伟,等.一种融合机理模型和学习模型的加工变形预测方法.CN202010747497.9[2023-12-15].

[2]张涛.合金板材加工中连续退火线平整缺陷分析与控制[J].世界有色金属, 2022(002):000.