肖 弦，唐衛(wèi)東

低碳鋼軋制板材成形性能的實驗研究

肖 弦，唐衛(wèi)東

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124）

對一批國產(chǎn)和進(jìn)口的低碳鋼板材進(jìn)行拉伸和脹形試驗，研究具有各向異性的軋制板材的沖壓成形性能。結(jié)果表明，對于具有各向異性的低碳鋼材料，各向異性程度越低，成形性能越好；沖壓成形時破裂較易在應(yīng)變比小的方位發(fā)生；等雙拉應(yīng)力狀態(tài)與等雙拉應(yīng)變狀態(tài)一般是不對應(yīng)的，但在極值方位θ=45o處相互對應(yīng)。

各向異性；成形極限；塑性應(yīng)變比

板材成形問題是塑性成形理論在板材沖壓中的一個重要研究方向，不僅具有重要的理論與學(xué)術(shù)意義，而且與沖壓生產(chǎn)的發(fā)展緊密相關(guān)。20世紀(jì)初，美國福特汽車的工業(yè)化生產(chǎn)大大推動了板材成形技術(shù)的研究和發(fā)展。研究工作基本上在板材成形技術(shù)和成形性能兩方面同時展開，關(guān)鍵問題是破裂、起皺與回彈，涉及可成形性預(yù)估、成形方法的創(chuàng)新，以及成形過程的分析與控制。60年代是板材成形技術(shù)發(fā)展的重要時期，各種新的成形技術(shù)相繼出現(xiàn)，尤其是成形極限圖（FLD）的提出，推動了極限性能、成形理論、成形工藝和質(zhì)量控制的協(xié)調(diào)發(fā)展，成為板材成形技術(shù)發(fā)展史上的一個里程碑。

60年代，Keeler[1,2]通過脹形試驗得出了雙向拉應(yīng)變區(qū)域的臨界成形極限，提出成形極限圖（FLD）的概念。不久后，Goodwin，Venter及Malherbe，提出了Keeler-Goodwin成形極限理論曲線[3,4]。70年代，Vladmir Hasek與Peter Metzger根據(jù)Hill的各向異性理論，進(jìn)一步獲得了正交各向異性材料的成形極限理論曲線[5]。近來，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者也在此領(lǐng)域開展了更多、更深入的研究[6-9]。

然而，大多數(shù)各向異性材料成形理論的研究都是建立在應(yīng)力主軸與各向異性軸相互重合的假設(shè)條件上的，而在實際生產(chǎn)中卻不一定如此，所以，必須根據(jù)實際情況來研究各向異性材料的成形特點，建立具有普遍意義的板材成形極限理論，以便更好地指導(dǎo)實際沖壓生產(chǎn)。本文通過對兩種不同的低碳鋼軋制板材作拉伸和脹形實驗，分析典型的具有一定各向異性特性板材的沖壓成形性能，希望能在一定程度上為理論研究提供數(shù)據(jù)，并為沖壓生產(chǎn)工藝的的制定提供依據(jù)。

1 實驗部分

本文所用的兩種試驗材料，一種是國產(chǎn)的冷強(qiáng)度σs和屈強(qiáng)比（σs/σb）明顯低于國產(chǎn)材料，而伸長率δ和塑性應(yīng)變比r則明顯高于國產(chǎn)材料。

從實驗結(jié)果可以看出，進(jìn)口材料塑性比國產(chǎn)材料塑性好，材料拉伸斷裂時的表面應(yīng)變比r值高于國產(chǎn)材料拉伸斷裂時的表面應(yīng)變比r值，而且極限應(yīng)變方位比較離散，比較接近各向同性材料的成形情況，由此可以說明材料各向異性程度越低、塑性越好，則成形性能越好。

兩種材料脹形實驗結(jié)果見表2。從表2可以看出，國產(chǎn)低碳鋼材料脹形時頸縮或破裂的方位軋低碳鋼板材，另一種是進(jìn)口的冷軋低碳鋼板材。對兩批板材分別在不同方位進(jìn)行取樣進(jìn)行實驗，首先通過靜載拉伸試驗分別測定了兩種不同材料在不同方位的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率及塑性應(yīng)變比等力學(xué)參數(shù)。然后進(jìn)行純脹形試驗測出各材料在脹形時頸縮或破裂方位與軋制方向的夾角。脹形試驗的半球頭凸模直徑d=49.7mm，試驗在60噸材料實驗機(jī)上進(jìn)行；試樣是形狀為八角形，厚度為1.5mm的鋼板，脹形模具周邊設(shè)有壓邊筋。

2 結(jié)果與分析

靜載拉伸試驗結(jié)果見表1。從表1可以看出，進(jìn)口材料的抗拉強(qiáng)度值σb略低于國產(chǎn)材料，屈服大部分集中在0o和45o附近，數(shù)據(jù)比較集中；而進(jìn)口材料的數(shù)據(jù)則較為分散，但在45o附近的值較多。

由靜載拉伸實驗和脹形實驗結(jié)果可以看出，材料的塑性應(yīng)變比r對冷軋鋼沖壓成形有很大的影響。因為r等于寬度方向的真實應(yīng)變/厚度方向的真實應(yīng)變，r值越大，說明材料寬度方向應(yīng)變大，而厚度方向應(yīng)變相對小，表明材料越難變薄，則頸縮和開裂的可能性就越小。表1中的兩種材料都是在45o方位的r值最小，表2中的脹形實驗結(jié)果是兩種材料的頸縮或破裂都主要集中在45o方位，由此說明頸縮或破裂比較容易發(fā)生在應(yīng)變比小的方位。此結(jié)果成立的前提是各向異性材料，對于各向同性材料，極限應(yīng)變應(yīng)與r無關(guān)[7,9]。

根據(jù)Hill理論[10]，當(dāng)應(yīng)力主軸與各向異性軸夾角為θ=45o時，各向異性材料的等雙拉應(yīng)力狀態(tài)與雙向等拉應(yīng)變狀態(tài)相互對應(yīng)，而其他方位并不總是對應(yīng)的，因此，45o是各向異性材料的一個極值方位，材料破裂出現(xiàn)在這個方位的機(jī)率最大，其次是0o和90o方位，低碳鋼的冷軋鋼板一般表現(xiàn)為正交各向異性。在進(jìn)行脹形實驗時，材料承受的應(yīng)力為雙向等拉應(yīng)力狀態(tài)，所以表2中的脹形試驗結(jié)果與理論預(yù)測基本上是一致的，數(shù)據(jù)存在一定的離散性，應(yīng)該與實驗時的材料及實驗過程有關(guān)。

3 結(jié)論

對于具有各向異性的低碳鋼軋制材料，各向異性程度越低、塑性越好，則成形性能越好；等雙拉應(yīng)力狀態(tài)與等雙拉應(yīng)變狀態(tài)一般是不對應(yīng)的，只有在θ=45o處相互對應(yīng)；沖壓成形時破壞容易發(fā)生在塑性應(yīng)變比r小的方位。

表2 脹形實驗頸縮或破裂方位

[1] Keeler,S.P. Determination of Forming Limits in Automotive Stampings[J].Society of Automotive Engineers,1965,(4):135-145.

[2] Keeler, S.P. Understanding Sheet Metal Formability[J].Sheet Metal Industries,1971,48(10): 124-130.

[3] Goodwin, G. M. Application of Strain Analysis to Sheet Metal Forming Problems in the Press Shop[J].Society of Automotive Engineers, 1968,45(12): 250-256.

[4] Venter, R. D. & M. C. Malherbe. Theoretical Estimate of the Keeler-Goodwin Formability Curve[J].Sheet Metal Industries, Sept., 1971,(9): 36-45.

[5] Hasek V. & P. Metzger. Usefulness of the theories of necking and in-homogeneity of the Material in the description of the forming limit diagram[J].Sheet Metal Industries.1977,(9):221-234.

[6] 李志剛. 對各向異性材料成形極限曲線的研究[D]. 武漢：華中工學(xué)院，1981.

[7] 姜奎華.沖壓成形破裂極限的實驗研究[J].鍛壓技術(shù)，1982,（3）:19-25.

[8] 鄧涉.金屬薄板成形技術(shù)[M]. 北京：兵器工業(yè)出版社，1993.

[9] 盧險峰. 拉伸類沖壓成形性能非線性關(guān)系評定[J]. 金屬成形工藝，1996,（3）：46-48.

[10] Hill, R. 塑性數(shù)學(xué)原理[M]. 北京：科學(xué)出版社，1966.

Experimental Study on the Formability of Low-carbon Steel Sheets

XIAO Xian, TANG Wei-dong
(Changsha Aeronautical Vocational and Technical College, Changsha Hunan410124)

The present paper conducts a stretching and expansion test of a batch of domestic and imported low-carbon steel sheets and studies the stamping formability of low-carbon steel sheets with an-isotropic mechanical properties. The results showed that, for an-isotropic materials, the less degree of an-isotropy is, the better the formality is; fractures may be easier to take place at the orientation of lower plastic strain ratio when the stamping limits are reached. The equal two-directional stress state is not always corresponding to the equal two-directional strain state for an-isotropic materials except for the extreme orientation ofθ=45o.

an-isotropy; forming limit; plastic strain ratio

TG386.41

A

1671-9654(2017)04-0060-03

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.04.015

2017-10-12

肖弦（1971- ），女，湖南沅江人，副教授，工程碩士，研究方向為材料成型、材料與熱處理。

唐衛(wèi)東（1973- ），男，湖南沅江人，高級經(jīng)濟(jì)師，工程碩士，研究方向為工業(yè)工程。

［編校：楊 琴］