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1、不锈钢冲压性能与工艺简介,前 言,冷冲压是一种先进的金属加工方法，冷冲压和切削加工比较，具有生产率高、加工成本低、材料利用率高、产品尺寸精度稳定、操作简单、容易实现机械化和自动化等一系列优点，特别适合大批量生产。 本手册的主要内容是介绍影响不锈钢冲压性能的基本因素和基本的冲压工艺类型，可以作为了解不锈钢冲压性能和工艺的快速入门知识，也可作为工程技术人员对冲压失效制品进行分析时的参考资料。,不锈钢冲压性能与工艺简介,第一部分 冲压成形性能 第二部分 冲压成形工艺,第一部分 冲压成形性能,一基本概念 二冲压成形性能划分 三、冲压用材料应具备的基本性能条件 四、材料的基本冲压成形性能 五、外界条件对
2、冲压性能的影响,一基本概念,板料对冲压成形工艺的适应能力叫做板料的冲压成形性能。板料在成形过程中可能出现两种失稳现象，一种叫拉伸失稳，表现为板料在拉伸应力作用下局部出现颈缩和破裂；另一种叫做压缩失稳，表现为板料在压应力作用下出现皱纹。,基本概念,板料发生失稳之前可以达到的最大变形程度叫做成形极限。成形极限分为总体成形极限和局部成形极限； 总体成形极限反映材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； 局部成形极限反映材料失稳前局部尺寸可以达到的最大变化程度，如成形时的局部极限应变即属于局部成形极限。,机械性能对比,二冲压成形
3、性能划分,基本的冲压成形加工工艺有拉深工艺、胀形工艺、翻边工艺（包括扩孔）和弯曲工艺，对应的材料的性能为胀形成形性能、翻边成形性能、扩孔成形性能和弯曲成形性能。要了解冲压成形性能首先要了解冲压成形工艺。,拉深成形工艺,拉深是利用专用模具将冲裁或剪裁后所得到的平板坯料制成开口的空心件的一种冲压工艺方法。其特点是板料在凸模的带动下，可以向凹模内流动，即依靠材料的流动性和延伸率成形,胀形成形工艺,胀形是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。特点是板料被压边圈压死，不能向凹模内流动，完全依靠材料本身的延伸率成形,翻边成形工艺,翻边成形工艺,翻边是利用模具把板料上的孔缘
4、或者外缘翻成竖边的冲压加工方法。在圆孔翻边的中间阶段，即凸模下面的材料尚未完全转移到侧面之前，如果停止变形，这种成形方式叫做扩孔。,弯曲成形工艺,弯曲是将板料、棒料、管料或型材等弯成一定形状和角度零件的成形方法。,金属破裂的方式,破裂 破裂 弯曲破裂,破裂,由于板料所受拉应力超过材料强度引起的破裂。拉深件的底部和侧壁传力区的破裂与胀形件破裂均属于破裂，拉深破裂一般产生在零件侧壁传力区，胀形破裂总是出现在变形区。,破裂,由于板料的伸长变形超过材料的局部延伸率引起的破裂。伸长类翻边产生的破裂属于破裂，破裂一般产生在孔缘处。,弯曲破裂,由于弯曲变形区的外层材料中拉应力过大超过材料的强度引起的破裂。,
5、冲压成形性能分类,目前主要用抗破裂性作为评定材料冲压成形性能的指标，根据冲压成形方式不同对冲压成形性能进行划分。拉深成形性能 拉深时抵抗破裂的能力 胀形成形性能 胀形时抵抗破裂的能力 扩孔成形性能 伸长类翻边时板料抵抗破裂的能力 弯曲成形性能 板料弯曲成形时抵抗弯曲破裂的能力,三、冲压用材料应具备的基本性能条件,一般来说，材料的力学性能指数主要包括强度指数和塑性指数两类。材料的强度指数是指材料的屈服点（s）、抗拉强度（b）、屈强比（s/b）以及弹性模量（E）与屈服点（s）的比值（E/s）。材料的塑性指数是指材料的延伸率（）和总的断面收缩率（）。屈强比值越小，表示材料许可加工的区间越大，成形过程
6、中断裂的危险越小；若E/s值越大，表示材料成形过程中弹性回复性越小，抵抗失稳能力越强；材料的和数值越大，则材料在破坏前的可塑性越大，因而其冲压性能也越好。因此冷冲压用材料应具备的条件是：,冲压用材料应具备的基本性能条件,材料应具有良好的塑性，即要有较高的延伸率和断面收缩率，较低的屈服点和较高的抗拉强度。这样在变形工序中，其允许的变形程度大，允许的变形力小，可以减少工序以及中间退火的次数，或者根本不需要中间退火。有利于冲压工艺的稳定性和变形的均匀性。 材料应具有光洁平整无缺陷损伤的表面状态。表面状态好的材料加工时不容易破裂，不容易擦伤模具，制品表面状态好。 材料的厚度公差应符合国家的标准。因为一
7、定的模具间隙适应一定厚度的材料，材料的厚度公差太大，不仅会影响制品质量，还可导致产生废品和损伤模具。,四、材料的基本冲压成形性能,1. 屈服强度（0.2） 2. 抗拉强度（b） 3. 屈强比（0.2/b） 4. 延伸率 5. 表面粗糙度 6. 夹杂物和偏析 7. 应变硬化指数（n） 8. 塑性应变比（R） 9. 材料的各向异性 10.奥氏体平衡系数A(BAL) 11.马氏体转变点Md(30/50) 12.晶粒度（N） 13.应变速率敏感系数（m）,1屈服强度（力学符号0.2，英文缩写YS）,0.2=P0.2/F0 P0.2拉伸试样塑性变形量为0.2%时承受的载荷 F0 拉伸试样的原始截面积 材
8、料的屈服强度小表示材料容易屈服，成形后回弹小，贴模性和定形性好。,2抗拉强度（力学符号b，英文缩写TS）,b=Pb/F0 Pb拉伸试样断裂前承受的最大载荷 F0拉伸试样的原始截面积 材料的抗拉强度大，材料变形过程中不容易被拉断，有利于塑性变形。,3屈强比（0.2/b）,屈强比对材料冲压成形性能影响很大，屈强比小，板料由屈服到破裂的塑性变形阶段长，成形过程中发生断裂的危险性小，有利于冲压成形。一般来讲，较小的屈强比对板料在各种成形工艺中的抗破裂性都有利。,4延伸率（力学符号,英文缩写EL）,材料的延伸率大，板料允许的塑性变形程度大，抗破裂性较好，对拉深、翻边、胀形都有利。一般来说，材料的翻边系数
9、和胀形性能（埃里克森值）都与延伸率成正比关系。,5表面粗糙度,板料冲压成形时，如果板料表面粗糙度过大，如表面不够光滑平整，有划痕、杂质、气孔、缩孔等，则变形时的摩擦力较大，容易形成应力集中，对成形性能不利；但材料表面过于光滑时，模具和板料之间的润滑剂很容易被成形时的压力挤走。因此，用于冲压成形的板料表面要有适当的粗糙度，这样就可以使润滑剂贮存在表面的波谷中，并且也可以将变形时出现的一些碎屑和杂物收存起来，从而减少对成形件表面的刮伤。,6夹杂物,夹杂物指的是非金属夹杂物，它们有氧化物、硫化物、氮化物和碳化物，都是在炼钢过程中不可避免生成的产物。夹杂物的大小和形态各异，与钢以不同的相粒子形式存在。
10、夹杂物中特别成问题的是氧化物系夹杂，其原因是由于氧化物系非延展性夹杂物，在用户进行加工时，对延展性、韧性、加工性、切削性、焊接性、抗疲劳性、抗蚀性和抗点蚀性等方面有恶劣影响，是造成伤痕和裂纹、断线的原因。钢板中常存在硫化物夹杂物，特别是在轧制中被拉长的硫化物、硅和锰的氧化物对成形性能危害极大（颗粒状的硫化物危害小）。另外在晶界上有碳化物析出时也会使n值、延伸率和杯突试验值（埃里克森值）明显下降，不利于冲压成形。,7应变硬化指数（n）,应变硬化指数即通常说的n值，表示材料具有冷作过程硬化现象，与材料的冲压成形性能十分密切。应变硬化指数大，不仅能提高板料的局部应变能力，而且能使应变分布趋于均匀化，
11、提高板料成形时的总体成形极限。,各钢种的加工硬化趋势,各钢种的加工硬化趋势,加工硬化现象的影响,从上面的几个钢种的加工硬化曲线也可以看出，由于加工硬化现象的存在，金属在塑性变形中，会使金属的强度指标，如屈服点、硬度等提高，塑性指标如延伸率降低的现象，即材料的冷作硬化现象。材料的冷作硬化现象会使材料的塑性指标急剧下降，阻碍着材料的进一步变形，引起制品破裂。因此在冲压加工过程中，必须采取有效措施如采取中间退火工序以消除由于冷作硬化现象给冲压工艺带来的不利影响。,8塑性应变比（ ）,塑性应变比,材料沿轧制方向取向不同R值也不同，所以材料的塑性应变比常用加权平均值来表示，的计算公式为： =（R0+R9
12、0+2R45）/4 值对拉深成形性能影响很大，材料的极限拉深比主要取决于 值， 值大，板料平面方向比板厚方向容易变形，拉深毛坯的径向收缩时不容易起皱，并且拉深力也小，传力区不容易拉破，故有利于板料的拉深成形性能。在以拉深为主的成形工艺中，若大，则成形性能好。,冷轧过程对R值的影响,9材料的各向异性,材料沿轧制方向取向不同R值也不同，这就是材料的各向异性。一般来说垂直轧制方向（900）的R值最大，450方向的R值最小，各方向的R值越相近对拉深性能越有利。各向异性可以用下面的公式表示： R=（R0+R90-2R45）/2,材料的各向异性,材料的各向异性影响材料的冲压性能，直接导致拉深件产生凸耳现象
13、。一般是产生四个凸耳，有时是两个或六个，甚至是八个凸耳。 凸耳的大小和产生位置与R有关，所以R也叫凸耳参数。凸耳产生的部位与R值的大小分布方向相一致，在低R值的角度方向，板料变厚，筒壁高度较低；在具有高R值的方向，板料厚度变化不大，故筒壁高度较高。当R0时，耳子在00和900处出现；R0时，耳子在450处出现。R值越大，凸耳高度越大。凸耳需用修边去除掉，增加工序，浪费材料，因此是不希望发生的。R值过大，高的值对深冲性能的有利影响明显降低。,材料的各向异性,各向异性的实验测量方法,冷轧过程对各向异性值的影响,10奥氏体平衡系数,1） 定义 A(BAL)=30（C+N）+0.5Mn+Ni-1.3C
14、r+11.8 表示奥氏体的稳定程度，A值越小，奥氏体越不稳定，钢的组织容易受到冷热加工的影响而发生组织转变，影响到钢的机械性能。,奥氏体平衡系数,2）解释和应用 Ni、Mn、C、N，这些元素有助于形成和稳定奥氏体，增大奥氏体平衡系数，从而使奥氏体组织越稳定。Cr元素有助于形成和稳定铁素体组织，可以降低奥氏体平衡系数。 对奥氏体不锈钢来说，奥氏体平衡系数小，在冷加工过程中就容易产生马氏体转变或者说是产生的马氏体量就多，从而冷作硬化程度程度剧烈。,11冷加工诱变马氏体转变点Md(30/50),1） 定义 Md(30/50)=551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni
15、+Cu)-18.5Mo 表示真应变量30%的冷变形后生成50%马氏体的温度，说明奥氏体不锈钢中合金元素含量越高，马氏体转变点Md(30/50)就越低，在冷加工变形过程中诱变马氏体不易产生，冷作硬化程度小。,冷加工诱变马氏体转变点,2）解释与应用 不锈钢的冷作硬化现象主要是由两种因素引起的： 一种是位错增多引起的加工硬化；一种是组织转变（奥氏体转变为马氏体转变）引起的加工硬化。 对SUS430钢种而言，加工变形过程中不会发生组织转变，其冷作硬化现象全部是由位错的增多引起的，因此对SUS430钢谈冷加工诱变马氏体点是没有实际意义的。SUS304钢在冷变形过程中则存在位错增多引起的硬化和马氏体组织转
16、变引起的硬化，而且组织转变引起的硬化是主要的，这也是奥氏体不锈钢的冷作硬化现象比铁素体不锈钢要明显，加工硬化系数（n值）大的原因。,冷加工诱变马氏体转变点,SUS304在冷加工过程中随着变形量的增大，产生的诱变马氏体量是很大的，因此硬化系数（n值）大，冷变形过程中硬化现象很明显。,冷加工诱变马氏体转变点,从表4中可以看出SUS316和SUS316L钢种的诱变马氏体转变点比SUS304的要小，因此在冷变形过程中，在同样的变形程度下，SUS316L的硬化程度没有SUS304那么大。 SUS304Cu是在SUS304中添加了少量的铜，根据Md(30/50)的计算公式，铜与镍的作用是一致的，都可以降低
17、Md(30/50)值，稳定奥氏体。因此SUS304Cu与SUS304相比不容易硬化，可以提高材料的流动性，特别有利于拉深工艺。,12晶粒度（N）,1） 定义 晶粒度的物理意义可根据下公式理解： =2N+3 每平方毫米截面积上的晶粒数 N 晶粒度,晶粒度,2） 解释与应用 晶粒度N级别越高，单位截面积上的晶粒数越多，材料的晶粒就越细，强度大，延伸率好。一般来讲，N5（256个晶粒/mm）的钢称为细晶粒钢。晶粒较大时，有利于提高材料的塑性应变比（R），并降低屈强比和屈服伸长。但晶粒较大时，它们在板料表层取向不同，变形量差异比较明显，材料表面易出现“桔皮”现象。细化晶粒可减轻桔皮现象发生，但晶粒过细
18、，R值会减小，屈强比和屈服伸长都会增大，不利于成形。,晶粒度,晶粒度值大，强度高，延伸率低。,13应变速率敏感系数（m）,应变速率敏感系数是材料在单向拉伸过程中变形抗力的增长率和应变速率的比值。如果应变速率敏感系数大，则板料变形抗力的增长率高，局部应变容易向周围转移扩散有利于抑制成形时的颈缩或破裂。,五、外界条件对冲压性能的影响,在材料一定的前提条件下，加工工艺和方式以及外界环境条件对材料的冲压性能也有影响。加工工艺对材料冲压性能的影响见第二部分冲压工艺，环境条件对材料性能的影响主要体现在温度上。适当升高材料温度，可以降低材料的强度，提高流动性；反之，降低温度，可以提高材料的强度，增强抗破裂性
19、。,温度对冲压性能的影响,第二部分 冲压成形工艺,一、冲裁 二、弯曲 三、拉深 四、胀形 五、翻边,一、冲裁,冲裁是利用模具使板料产生分离的冲压工序，包括落料、冲孔、切口、剖切、修边等。 1冲裁过程 2模具间隙 3降低冲裁力的方法,1冲裁过程,随着模具下压，模具刃口压入材料，内应力状态满足塑性条件时，产生塑性变形，不同的凸模行程，其变形程度不同，且凹模刃口附近变形大于凸模刃口附近的变形。由此可知，塑性变形从刃口开始，随着切刃深入变形区向板料的深度方向发展、扩大，直到在板料的整个厚度方向上产生塑性变形，板料的一部分相对于另一部分运动。力矩M将板料压向切刃的侧表面，故切刃相对于板料移动时，这些力将
20、表面压平，在切口表面上形成光亮带。当切刃附近材料各层中达到极限应变与应力值时，便产生裂纹，裂纹产生后，沿最大剪应变速度方向发展，直至上、下裂纹会合，板料就完全分离。,2模具间隙,1) 间隙对冲裁质量的影响 2) 间隙对冲裁力的影响 3) 间隙对模具寿命的影响 4）凸、凹模间隙值的确定,1) 间隙对冲裁质量的影响,2) 间隙对冲裁力的影响,当间隙小于合理间隙时，不仅冲裁力增大，且在产生裂纹后，冲裁力不是急剧下降，而是缓慢地呈台阶式下降，显然在间隙合理时由于上、下裂纹重合，所以剪切力会急剧下降。而小间隙冲裁时，由于上、下裂纹不重合，留下的中间环带部分又被不断挤压与剪断，故剪切力呈阶段性地下降,间隙
21、Z减小，则Fmax增大。其原因是间隙小，材料所受拉应力减小，压应力增大，材料不宜产生撕裂，故使冲裁力Fmax增大。随间隙减小，变形力增大不是太多，但变形功增大很多。,3) 间隙对模具寿命的影响,为了提高模具寿命，一般采用较大间隙。若采用较小间隙，就必须提高模具硬度与模具制造光洁度、精度，改善润滑条件，以减小磨损。,4）凸、凹模间隙值的确定,理论确定法 经验确定法,3降低冲裁力的方法,材料加热红冲 在多凸模冲模中，将凸模作阶梯形布置 用斜刃口模具冲裁,二、弯曲,采用逐渐减少凸模直径规格的条件下，测定试样外层材料不产生裂纹时的最小弯曲半径，并用下式计算最小相对弯曲半径作为弯曲成形性能指标。 最小相
22、对弯曲半径=rmin/t0 最小相对弯曲半径越小，弯曲成形性能越好。,弯曲变形过程,弯曲应力示意,弯曲变形特点,弯曲变形过程中会发生： 弯曲件的弹性回跳 弯曲区变薄 横截面的畸变、翘曲和拉裂,弯曲件的弹性回跳,回跳原理原理：弯曲件的弹性回跳是板料弯曲后必有的现象，结果是造成弯曲件的形状与原设计的形状有差异。 影响回跳因素： a材料的屈服极限小，材料的硬化指数大，回弹量小。 b相对弯曲半径r/t值小，弯曲后的回跳值小。 减少回跳措施：a 选用合适材料 b改善模具 c增加校正工序 d采用拉弯法,弯曲件弯曲区变薄,板料弯曲时以中性层为界，外层纤维受拉厚度变薄，内 层纤维受压厚度增厚。相对弯曲半径小于
23、一定值时，中 性层位置向内移动，内移结果，外层拉深变薄区范围逐 步扩大，内层压缩增厚区范围不断减少，外层的减薄量 会大于内层的增厚量，使弯曲区材料的厚度变薄，影响 零件的质量。,弯曲件的畸变、翘曲和拉裂,三、 拉深,拉 深 应 力 应 变 图,拉深性能测定方法,试验过程中采用逐级 增大试样直径D的方 法，测定杯体底部圆 角附近不被拉破时的 最大试样直径Dmax LDR=Dmax/dp LDR越大，拉深成形 性能越好。,拉深特点,圆筒件拉深过程中出现的问题及防止措施： 起皱及防止措施 拉裂及防止措施 凸耳现象及防止措施 残余应力,起皱及防止措施,拉深过程中，毛坯法兰在切向压应力作用下，可能产生塑
24、性失稳而起皱，甚至使坯料不能通过凹、凸模间隙而被拉断。最大切向压应力产生在毛坯法兰外缘处，起皱首先在此处开始。常见的防皱措施是采用压边圈，把法兰压紧在凹模表面上。,拉裂及防止措施,拉裂的原因： 一是由于法兰起皱； 二是由于压边力的影响； 三是由于凹、凸模圆角半径的影响； 四是由于摩擦的影响； 五是变形程度太大。 防裂措施是采用适当的拉深比，采用适当的压边力，增加凸模表面的摩擦，选料上选用屈强比小、n值和R值大的材料。,凸耳现象及防止措施,产生凸耳的原因是毛坯的 各向异性，是材料不同角 度上R值不同造成的。一般 来说加工后的圆形制品有4 个凸耳，R值低的角度方向 ，筒壁高度较低；R值高的 角度方
25、向，筒壁高度较高。,残余应力,拉深后的圆筒中留有大量残余应力， 靠近圆筒口部的残余应力最大，残余应力易导致时效开裂和应力腐蚀开裂。,四、胀形,胀形成形性能测定方法,试样放在凹模与压边圈之间压死，凸模向上运动，把试样在凹模内胀成凸包，至凸包破裂时停止试验，并将此时的凸包高度记做杯突试验值IE，作为胀形成形性能指标。IE值越大，胀形成形性能越好。,胀形成形性能影响因素,影响因素和改进措施： 影响胀形成形极限的材料因素主要是延伸率和n值。延伸率大，破裂前允许的变形程度大，成形极限也大；n值大，可提高材料的局部应变能力，并可促使应变分布趋于均匀化，提高材料的胀形极限； 其次，润滑条件好，应变分布均匀，
26、可以提高胀形能力； 厚度大有利胀形。,五、翻边,凸模下降，毛坯中心的圆孔不断胀大，凸模下面的材料向侧面转移，直到完全贴靠凹模侧壁，形成直立的竖边。 孔缘伸长变形引起的厚度减薄最大，最容易破裂 圆孔翻边系数K,扩孔成形性能测定方法,扩孔成形性能试验 试验时试样放在凹模与压边圈之间压死，凸模向上运动，把试样中心孔d0胀大，至孔缘局部发生破裂时停止试验。测量此时的最大孔径dfmax和最小孔径dfmin，用下式计算扩孔率作为扩孔成形性能指标。 =(df-d0)/d0*100% 式中 d0试样中心孔的初始直径； df孔缘破裂时的孔径平均值，df=(dfmax+dfmin)/2。 越大，扩孔成形性能越好。,翻边成形性能影响因素,材料延伸率和n值大，Kl小，成形极限大。 孔缘无毛刺和硬化，成形极限大。 (切削1.75,冲孔0.7) 球形、抛物形凸模翻边时，孔缘会被圆滑的胀开，变形条件比平底凸模优越，成形极限大。,五、化学成分对冲压性能的影响,奥氏体形成元素：Ni、Mn、C、N 铁素体形成元素：Cr、Mo、Si、Ti、Nb A(BAL)=30（C+N）+0.5Mo+Ni-1.3Cr+11.8 Md(30/50)=551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)-18.5Mo,六、总结,