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1、板料成形性能测试实验西 北 工 业 大 学I. 基本知识概述一、 成形极限图冲压成形性能：板料对冲压成形工艺的适应能力。全面地讲，板料的冲压成形性能包括抗破裂性、贴模性和定形性，故影响因素很多，如材料性能、零件和冲模的几何形状与尺寸，变形条件（变形速度、压边力、摩擦和温度等）以及冲压设备性能和操作水平等。板料的贴模性指板料在冲压过程中取得模具形状的能力，定形性指零件脱模后保持其在模内既得形状的能力。影响贴模性的因素很多，成形过程中发生的内皱、翘曲、塌陷和鼓起等几何面缺陷会使贴模性降低。影响定形性的诸因素中，回弹是最主要的因素，零件脱模后，常因回弹大而产生较大的形状误差。板料的贴模和定形性好坏与
2、否，是决定零件形状尺寸精确度的重要因素。目前的冲压生产和板料生产中，仍主要用抗破裂性作为评定板料冲压成形性能的指标。失稳：板料在成形过程中会出现两种失稳现象，即拉伸失稳和压缩失稳。拉伸失稳是板料在拉应力作用下局部出现颈缩或破裂；压缩失稳是板料在压应力作用下出现皱纹。成形极限：板料在失稳前可以达到的最大变形程度。成形极限分为总体成形极限和局部成形极限。总体成形极限反映板料失稳前某些特定的总体尺寸可以达到的最大变形程度，如极限拉深系数、极限胀形高度和极限翻边系数等均属于总体成形极限。总体成形极限常用作工艺设计参数。局部成形极限反映板料失稳前局部尺寸可以达到的最大变形程度，如成形时的局部极限应变即属
3、于局部成形极限。成形极限图（Forming Limit Diagrams,缩写FLD）是60年代中期由Keeler和Goodwin等人提出的。成形极限图（FLD）是板料在不同应变路径下的局部失稳极限和（工程应变）或和（真实应变）构成的条带形区域或曲线，它全面反映了板料在单向和双向拉应力作用下的局部成形极限。成形极限图（FLD）的提出，为定性和定量研究板料的局部成形性能奠定了基础。在此之前，板料的各种成形性能指标或成形极限大多以试样的某些总体尺寸变化到某种程度（如发生破裂）而确定。这些总体成形性能指标或成形极限不能反映板料上某一局部危险区的变形情况。成形极限曲线将整个图形分成如1所示的三部分：安
4、全区、破裂区及临界区。图1 成形极限图成形极限图既可在实际冲压生产中积累数据确定，也可通过实验方法确定。实验时，首先在试件表面复制网格圆图案 （图2），然后冲压试件直到破裂，测量破裂部位或其附近的网格圆变形后的长、短轴尺寸（图3），计算失稳极限应变。图2 网格圆图案网格圆畸变出现的三种情况：图3 网格圆畸变失稳极限应变的计算方法：工程应变： 真实应变：式中： 网格圆初始直径； 网格圆畸变后的长轴尺寸； 网格圆畸变后的短轴尺寸；从成形极限图所在主应变平面的原点引一条直线与其相交，交点坐标就是板料在该直线代表的应变路径下（=某一常数）所能达到的失稳极限应变。板料的冲压成形性能与成形极限的关系：在不
5、同的成形方式下，需要用不同的参数表示与该成形方式对应的成形极限；板料的冲压成形性能越好，成形极限越高。成形极限图的应用成形极限图可以用来评价板料的局部成形性能，成形极限图的应变水平越高，板料的局部成形性能越好。将成形极限图与应变分析的网格法结合起来，可用来分析解决许多现场生产问题。成形极限图可以在冲压成形工艺的计算机辅助设计中应用，利用它判别工艺制定是否合理，使冲压技术向更高水平发展。二、 胀形试验简介实际应用的成形极限图是通过实验方法确定的，试验常采用胀形法进行。胀形：利用模具强迫板料厚度减薄和表面积增大，以获取零件几何形状的冲压加工方法。胀形可以用不同的方法实现，如刚模胀形、橡皮胀形和液压
6、胀形。纯胀形时，毛坯被带有拉深筋的压边圈压死，变形区限制在拉深筋以内的毛坯中部。在凸模力的作用下，变形区大部分材料受双向拉应力作用（忽略板厚方向的应力），沿切向和径向产生拉伸变形，是板料的厚度减薄，表面积增大，并在凸模内形成一个凸包。图4 胀形成形 图5 胀形时的应力和应变胀形成形极限：胀形成形极限以零件是否发生破裂来判断。由于胀形方法不同，成形极限的表示方法也不同。纯胀形时，常用成形高度表示成形极限。一般来说，胀形破裂总是发生在材料厚度减薄最大的部位，所以变形区的应变分布式影响胀形成形极限的重要因素。影响胀形成形极限的材料因素主要是延伸率和应变硬化指数。一般来说，延伸率大，板料破裂前允许的变
7、形程度大，成形极限也大。应变硬化指数n值大，应变硬化能力强，可促使应变分布趋于均匀化，同时还能提高材料的局部应变能力，故成形极限也大。另外，润滑条件和变形速度以及材料厚度对胀形成形极限也有影响。II. 实验一、 实验目的：1. 通过与单向拉伸试验比较，对复杂应力、应变状态有一定的认识。2. 通过印制网格，运用液压胀形工艺，利用工程显微镜或数码照相进行应变测试，寻找该材料成形极限，并且绘制成形极限图，验证该材料的成形范围。3. 对液压机有一定的认识。二、 实验材料、使用工具及仪器设备1. 材料：厚度为1mm的低碳钢板及铝板。2. 工具：球头模具、工程显微镜。3. 设备：动液压胀形实验台。三、 实
8、验内容及步骤本实验在不同宽度试件上印制圆形网格的基础上,分别进行刚性凸模胀形试验,直至试件出现颈缩线为止,然后用工具显微镜或数码照相法测量与颈缩线最临近处网格的变形量,计算出对应的两个应变值，从而确定成形极限图。试验时,刚性凸模与试件之间用多层聚乙烯薄膜加机油润滑。具体的试验方法如下所述：1) 在实验用坯料上制备好坐标网格，然后在工程显微镜上测出试件表面网格圆的原始直径，读数准确到0.01mm。为了减小误差，分别测出3个网格圆的互相垂直方向（可取板材轧制方向的纵向和横向）上的直径，并记入表1。2) 在胀形装置上以一定的加载方式使坯料产生胀形变形，至试件刚刚出现裂纹为止，测出试件破裂或靠近裂纹的椭圆网格长轴和短轴直径，读数准确到0.01mm，并记入表2。3) 改变坯料尺寸或加载条件，重复2）项试验，将得到的数据填入表2；4) 取得一定量的数值后，计算出应变1、2（长、短轴方向），然后在平面坐标图上描绘出各试验点，然后圆滑连线，作出FLD。表 1圆1圆2圆3平均原始直径（六个实测直径的平均值）表 2试件1试件2试件3四、 实验报告：1. 板料变形前后网格的变化情况。2. 绘制板料成形极限图。3. 主要结论。4. 实验建议及改进措施。五、 参考书目：金属塑性成形原理 俞汉清 机械工业出版社钣金成形工艺 翟平等 西北工业大学出版社