衝壓薄板

衝壓薄板是具有良好的深沖性能、抗凹陷性、高彈性模量和抗疲勞性能的鋼板。合金設計、晶粒細化、強化和相變強化是這種鋼板主要可採取的生產方案。薄板的成形方法與其他金屬材料相同，主要是通過鑄造和塑性變形兩種方式進行。鑄造可以生產出形狀比較複雜的零件，目前市場上薄板零部件80%左右通過鑄造方法生產，但鑄造生產的零件由於組織縮松導致綜合力學性能差，壁厚，材料浪費嚴重，而且鑄造方法無法生產出大表面積的薄壁零件，生產條件惡劣，環境污染嚴重，生產效率低，生產成本高，限制了其在工業生產中的廣泛套用。

基本介紹

• 中文名：衝壓薄板
• 外文名：Stamping sheet
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 特點：良好的深沖性能
• 比例：80%左右

簡介

薄板的成形方法與其他金屬材料相同，主要是通過鑄造和塑性變形兩種方式進行。鑄造可以生產出形狀比較複雜的零件，目前市場上薄板零部件80%左右通過鑄造方法生產，但鑄造生產的零件由於組織縮松導致綜合力學性能差，壁厚，材料浪費嚴重，而且鑄造方法無法生產出大表面積的薄壁零件，生產條件惡劣，環境污染嚴重，生產效率低，生產成本高，限制了其在工業生產中的廣泛套用。對於以薄壁和大表面積為特徵的板類零件，衝壓成形是最為切實可行的方法，能夠快速生產出薄壁、綜合力學性能良好的零件。近年來，國內外對薄板的衝壓成形技術高度關注，紛紛展開研究。衝壓件的質量主要取決於衝壓成形工藝、模具、設備方面等，但薄板由於其密排六方晶體結構特徵，室溫塑性差，難於衝壓成形，目前有關薄板薄板衝壓成形技術研究成果大部分局限於實驗室研究套用，還沒有達到工業化規模生產的水平，特別是在衝壓件使用量大、衝壓成形時材料變形複雜的汽車工業和航空航天工業中，只有個別企業的少量衝壓件採用薄板。

因此，深入開展薄板薄板衝壓成形技術研究對擴大薄板衝壓件在工業生產中的套用具有十分重要的意義。從薄板衝壓成形工藝、模具、設備等方面總結其技術研究現狀，並展望薄板衝壓成形技術發展方向與趨勢。

薄板衝壓工藝研究現狀

工藝是影響成形的一個至關重要的因素，與其他金屬材料薄板一樣，薄板衝壓成形工藝主要包含拉深、彎曲、翻邊、縮口、擴口、脹形以及特種成形等，衝壓成形時材料主要是通過伸長和壓縮兩大類變形性質發生變形的。其中拉深是套用最為普遍，也是最重要的一種成形工藝方法，拉深過程中材料的變形包含伸長類和壓縮類變形，其產生的缺陷具有典型性，如能解決薄板拉深成形工藝問題，其他衝壓成形工藝問題解決起來相對容易得多。因此，目前薄板衝壓成形工藝研究主要集中於拉深成形，主要包含等溫拉深、差溫拉深等。

等溫拉深

等溫拉深中，凸模、凹模、壓邊圈等模具工作零件的溫度相同，主要分為冷等溫拉深和熱等溫拉深。由於特殊的密排六方結構，薄板室溫塑性差，MoriK、楊連發和黃光勝等研究表明，在室溫條件下，採用較大的凸模和凹模圓角半徑，薄板能拉深出形狀簡單、變形量很小的工件，但無法進行劇烈塑性變形。薄板塑性受溫度影響很大，隨著溫度的升高，其塑性明顯提高。因此，冷等溫拉深的套用和研究較少，熱等溫拉深是目前薄板衝壓成形研究的熱點，研究內容主要包含坯料和模具溫度、潤滑、壓邊力、拉深速度等成形工藝條件。

(1) 溫度溫度對薄板的拉深性能影響最大，是目前國內外學者研究薄板塑性性能的重點。研究表明，適宜薄板衝壓成形的溫度一般控制在200℃左右。DoegeE研究表明，薄板的拉深成形能力隨著溫度的升高而顯著提高，但抗拉強度卻隨溫度升高而顯著下降。當溫度超過250℃時，塑性增量很小，對拉深性能的幫助作用也越來越小，當溫度控制在200～250℃時，薄板具有良好的拉深能力，極限拉深比可達到2.52。高軍等從組織和性能的變化方面進行研究取得的成果與其相似，AZ31B板材在240℃附近的成形性能最好，拉深後材料組織晶粒大小均勻，晶面取向分布均勻。TakudaH、張坤等研究表明，薄板筒形件的極限拉深比在170℃時可達2.6，而絕大部分薄板衝壓件的變形要求並不很高，認為薄板衝壓成形溫度控制在120～170℃即可，在這一溫度範圍，模具結構簡單，壽命長，生產效率高，能源消耗少，衝壓件表面質量好。

(2) 潤滑潤滑的目的主要是降低摩擦。拉深過程中的摩擦主要產生於坯料與凸模、凹模、壓邊圈的接觸面上。摩擦對筒形件拉深的影響具有雙重性，一方面，拉深時坯料法蘭部位的摩擦對拉深起阻礙作用，使最大拉應力增大；另一方面，筒壁部分由於受到與拉應力方向相反的摩擦力，可以阻止危險斷面變薄，對拉深成形有利，因此，在拉深過程中，坯料不同部位對摩擦的需求是不同的，變形區域通過潤滑或降低表面粗糙度來儘量減小摩擦，已變形區和不變形區可通過提高表面粗糙度適當增大摩擦。對於複雜薄板工件的拉深，薄板板材不同部位的變形差異較大，對材料流動性能的要求遠比筒形件高，其合理的摩擦係數分布有待進一步研究。由於對摩擦機理尚未完全掌握，動態摩擦過程十分複雜，因此摩擦是拉深工藝因素中最難控制的。到目前為止，人們還無法用精確的定量關係來描述摩擦對拉深過程的影響，只是用Coulumb 摩擦定律簡化描述摩擦的影響。在拉深過程中影響摩擦的因素比較多，如接觸壓力、變形速度、工件及模具材料、坯料及模具表面質量、潤滑狀況等，每個因素改變時，摩擦狀況也會發生變化。郭正華研究了溫度、壓邊力和潤滑條件對薄板板材熱拉伸過程中模具圓角摩擦因素的影響，發現溫度變化對摩擦因素的影響最大，其次是壓邊力的改變，潤滑因素的改變對摩擦因素的影響基本上可忽略不計，但沒有給出每種因素與摩擦的定量關係。目前在薄板拉深成形中使用較多的潤滑劑有肥皂潤滑劑、石墨油脂、二硫化鉬、水劑石墨等。

(3) 壓邊力壓邊力主要是控制拉深過程中材料的流動，防止拉深起皺現象產生。壓邊力控制方式主要有恆定壓邊力、變壓邊力和分塊壓邊力控制三種。現階段對於薄板拉深過程中壓邊力的研究主要是針對具體的薄板材料和特定的形狀，尋求具有較好拉深性能的合適恆定壓邊力大小，其大小也受到其他成形工藝參數如溫度、拉深速度、模具表面粗糙度等的影響，目前還沒有適合生產的薄板單位壓邊力參數範圍研究成果報導。近10年，研究學者也開始重視變壓邊力對薄板拉深性能的影響，根據ShoichiroYoshihara等的研究，採用變壓邊力技術拉深薄板筒形件，其極限拉深比(LDR)可從採用常壓邊力的LDR=2.04 提高到LDR=2.14，如果再與差溫拉深技術相結合，還可將LDR 提高到5.0 以上。萇群峰通過數值模擬技術和實驗相結合的方法研究也得出相似的結論，並且拉深件危險斷面厚度變薄率從原來的15.21%降低到12.35%。要實現變壓邊力技術的工業套用還有一系列關鍵技術如對成形過程精確的定量描述、感測器技術、壓邊工藝及設備、線上識別技術等有待解決。對於大型、複雜、非迴轉體的拉深成形也可進行分塊壓邊力控制，由於薄板衝壓成形技術還不成熟，此項技術在鎂合金拉深成形中還未曾報導有套用。

(4)拉深速度薄板對變形速度較為敏感。極限拉深比與拉深速度成線性關係，隨拉深速度增加而降低。主要是由於變形速度的增加，薄板的伸長率降低，變形抗力增大，導致拉深力增加，材料所受應力很快超過其抗拉強度，從而產生拉裂缺陷。

差溫拉深

差溫拉深是一種有效提高薄板拉深性能的方法，在薄板衝壓成形中展現出巨大的發展潛力，已成為規則形狀薄板成形的一種重要工藝方法。薄板在熱等溫拉深過程中，雖然溫度升高可使其塑性顯著提高，但抗拉強度卻急劇下降，增加了危險斷面拉裂的可能性。為了解決等溫拉深中塑性與強度之間的矛盾，可採用差溫拉深方法。其基本指導思想是在坯料變形區(凸緣區)進行局部加熱，提高薄板的塑性；在傳力區、危險斷面以及筒底區域進行局部冷卻，以保持抗拉強度，防止拉裂。這種方法既可以減小變形區的抗力，又可以提高傳力區的承載能力，即造成兩方面的合理溫差，而獲得較大的強度差，最大限度地提高一次拉深變形程度。

差溫拉深中，溫度梯度是一個重要參數，對拉深性能影響最為關鍵。YoshiharaS等人研究發現，在等溫拉深中，AZ31-O 薄板圓筒形件的LDR=2.09，而採用差溫拉深技術，將凹模、壓邊圈與坯料的溫度設定為400℃，凸模通過循環冷卻水使溫度保持在室溫時，與變壓邊力技術相結合，可得到LDR>5.0的圓筒形拉深件。國內也有研究人員認為，變形區與已變形區的溫差不能過大，如張凱鋒認為，AZ31鎂合金在50～240℃範圍內拉深時，沖頭溫度應控制在50～90℃。康永林、張洪峰等研究薄板盒形件拉深時認為，如果溫度梯度過大也不能拉深出合格的製件。但其機理仍有待進一步研究。

薄板衝壓成形模具研究現狀

模具作為衝壓成形的重要工藝裝備，直接決定了產品的質量及成本。薄板的性能特點決定了絕大部分薄板衝壓件需要在坯料和模具都加熱條件下成形。對薄板板材加熱的方式有兩種：模外加熱和模內加熱。模外加熱由於熱量損失造成鎂板溫度不均勻，性能不一致，導致加工穩定性差；模內加熱生產效率低，加工穩定性好，目前研究人員在進行薄板成形性能研究時多採用模內加熱方式。根據薄板蓄熱係數小、導熱性好的特點，可將兩者有機結合起來，採用模外預熱、模內加熱的方式，可使鎂板溫度均勻，也可適當提高生產效率。為了確保鎂合金成形模具具有穩定的溫度環境，必須在模具中設定加熱裝置。模具結構、模具參數、模具材料、加熱裝置以及鎂板的溫度分布對於薄板板材的成形性能有十分重要的影響。目前，熱成形工藝僅在少數特殊領域中使用，對熱成形模具設計和加工過程的研究還很少，模具設計技術已成為薄板衝壓成形技術研究的一個重要方面。

模具結構

薄板成形模具設定了加熱和溫控系統，其結構要比一般金屬成形模具複雜得多。目前研究鎂合金成形性能所用的實驗模具基本上是借用傳統的衝壓成形模具結構，在其基礎上添設加熱和測溫裝置。加熱裝置以在模具上鑽加熱孔、插入加熱棒為主。這種方式模具結構簡單，製造容易，可以用於任何模具，但加熱棒無法均勻分布在模具內，故模具與鎂板不同部位可能存在較大的溫差，影響鎂合金的成形性。本文作者研究薄板差溫拉深模具結構形式時，在凹模和壓邊圈中設定均勻分布的電阻盤形線圈對模具和坯料變形區進行加熱，線圈的形狀隨模具形狀而變化，從而使模具和坯料變形區域各部分溫度基本保持一致，薄板拉深性能得到提高。

模具材料

模具材料直接影響到工作表面的粗糙度、硬度、耐磨性和使用壽命。薄板在衝壓成形時與模具工作零件的接觸表面間產生強烈擠壓和摩擦，而且模具一直處於較高的工作溫度，因此要求模具材料具有較好的熱強性、熱穩定性、熱疲勞強度、熱耐磨性和較高的硬度。目前國內外還沒有專門研究鎂合金成形模具材料，一般是借用典型熱作模具鋼如H13、3Cr2W8V 等。綜合薄板熱成形工藝對模具材料的要求，宜採用高溫力學性能較好的中矽鉬球墨鑄鐵，該材料有以下優點：機械加工性能好；熱膨脹係數小，模具尺寸精度較高，壽命長；熱處理性能好，表面淬火後具有較高的硬度和耐磨性；材料組織中的碳以球墨形態存在，具有良好的自潤滑性；導熱性好，能將加熱裝置的熱量快速均勻傳遞到坯料上。

模具參數

影響薄板成形的模具參數主要包括模具間隙、凸、凹模圓角半徑、模具工作表面粗糙度等。

(1) 模具間隙模具間隙直接影響到成形件的表面質量和成形力。在熱成形狀態下，鎂板和模具都要產生熱膨脹現象，而且鎂的熱膨脹係數遠大於模具鋼的熱膨脹係數，因此，模具間隙不僅與坯料的名義尺寸和公差有關，也與變形溫度和模具的加熱溫度有關。

(2) 凸凹模圓角半徑模具的圓角半徑對拉深成形的影響遠大於對彎曲變形的影響。在拉深成形中，坯料流經凹模圓角部位時，由於發生彎曲變形和反彎曲變形，要產生變形阻力和摩擦阻力，變形阻力和摩擦阻力隨凹模圓角半徑的減小而增大。凹模圓角半徑過小時，容易拉裂，材料與模具之間的摩擦磨損大，降低了模具壽命。凸模圓角半徑對拉深成形的影響要小於凹模圓角半徑，但是材料在較小的凸模圓角半徑處易發生過渡彎曲變形，材料急劇變薄，降低了承載能力，容易產生拉裂。研究表明，拉深凹模圓角半徑Rd=(4～7)t，凸模圓角半徑rp=(3～3.5)t。

(3) 模具工作表面粗糙度模具工作表面粗糙度直接影響到成形過程中坯料與模具接觸表面的摩擦力的大小。對於彎曲成形來說，凸模、凹模工作表面粗糙度對成形過程影響較小，一般取為Ra0.8~1.6μm。對拉深成形來說，凸模表面的摩擦對拉深有利，凹模和壓邊圈工作表面的摩擦阻礙拉深進行，因此凸模表面粗糙度宜取較大數值，一般為Ra1.6μm；凹模和壓邊圈表面粗糙度宜取較小數值，一般為Ra0.4μm。

薄板成形設備研究現狀

薄板成形一般需要在雙動壓力機上進行。在生產過程中，首先將鎂板放置於模具下模的預定位置，壓力機外滑塊帶動壓邊圈下行與下模夾緊坯料，對坯料進行加熱，然後壓力機內滑塊帶動凸模下行進行成形，這種加工方式要求滑塊在下降過程中具有實施停頓功能，以給模具提供加熱坯料的時間。目前，在薄板衝壓件生產和實驗過程中多借用傳統鋼鐵材料成形使用的壓力機，還沒有適合薄板熱衝壓成形的專用設備報導。

薄板衝壓成形技術發展趨勢

晶體結構特徵決定了薄板室溫衝壓成形比較困難，但由於衝壓生產的優越性及衝壓件的性能優點，決定了必須加大薄板衝壓成形技術的研究力度。目前，國內外對薄板衝壓成形技術的研究已經取得一定成果，但離工業化規模生產還有很大的距離，研究成果也主要局限於衝壓成形工藝方面，對薄板衝壓成形模具及裝備方面涉及較少。為了進一步提高薄板衝壓成形性能，擴大薄板的套用範圍，今後可在以下幾個方面開展研究工作：

(1) 傳統的鋼鐵材料已有完整衝壓成形理論體系，而薄板的衝壓成形理論體系還沒有建立起來，因此必須加強鎂及其合金的衝壓變形機理研究，建立完備的薄板衝壓成形理論體系。如不同材質、厚度的薄板最佳成形溫度範圍的確定；合理沖裁間隙選取規律；最小彎曲半徑選取規律、彎曲件中性層位移係數與相對彎曲半徑的關係；拉深模具間隙與坯料厚度的關係、凸凹模圓角半徑與坯料厚度的關係、首次拉深係數及以後各次拉深係數與坯料相對厚度的關係、單位壓邊力的確定等。

(2)借鑑傳統鋼鐵材料的衝壓成形工藝，研究開發新的薄板衝壓成形工藝，如薄板熱沖鍛複合成形工藝、衝壓與電磁成形複合工藝、軟模成形技術、數控熱漸進成形技術、壓邊圈分塊式輔助摩擦技術、內高壓成形技術等，並與計算機技術(計算機仿真技術、計算機輔助設計技術、計算機輔助製造技術、計算機輔助工藝技術)相結合形成數位化、可控化、智慧型化的薄板衝壓系統，預測薄板成形能力，最佳化薄板衝壓工藝與模具結構，降低生產成本，提高生產效率。

(3) 根據薄板的性能特點，對衝壓成形模具的幾何形狀進行最佳化設計，開發薄板專用成形模具材料，提高其成形能力，製造出結構更複雜、精度更高的薄板衝壓件。

(4)研究開發薄板衝壓專用設備。由於薄板成形工藝與其他金屬材料差別較大，需要根據其特點開發薄板衝壓成形專用設備，如薄板成形伺服壓力機等。