1.5 金属材料的加工性能

1.5 金属材料的加工性能

钣金零件加工工艺方案的确定，和加工零件的形状、精度及企业所具备的结构设备等相关，还和零件所使用的材料关联极大，即便材料强度等级一样，因为材料化学成分不一样，对零件加工工艺会带来不一样的影响，也会直接影响钣金件的生产加工，所以有必要分析并且了解不同材料的加工工艺特性。

1.5.1 金属材料的加工工艺性

针对钣金加工的材料而言，不同金属，其加工工艺性能各异，其加工工艺性能主要依靠工艺性能试验以及工艺性能指标来进行衡量。

1．工艺性能试验

工艺性能试验，是去直接模拟某一类实际成形方式，以此来成形小尺寸的试样，因为应力应变状态基本相同，因而试验结果能够更确切地反映实际工序里材料的受力情况，以及变形情况，所以对于特定工艺来说下面，试验结果比较准确。

（1）用于评价板材局部弯曲伸长性能的弯曲和拉深试验，是实际生产中常常用到的试验。弯曲试验，通过夹在特制钳口的板条作动作来试验；什么弯曲动作呢，是依次向右侧弯曲90°并且要向左侧弯曲90°，直到出现断裂情况或者达到技术条件里规定的弯曲次数。折弯半径r越小，反复弯曲的次数就会越多，板材的成形性能也就越好。这种试验主要是针对厚度在2mm以下的板料来进行鉴定的。显示为图1 – 8b的东西，是用来评价较厚板料弯曲性能的试验装置 ，当凸模弯曲直径d越小的时候 ，所弯的角度就越大 ，板料的弯曲成形性能也就越好。这个试验能够用于鉴定厚度在4mm以下的板料。呈现为图1 – 8c的是Swift杯形件拉深试验 ，这是以求出极限拉深比LDR（Dmax/dp）来作为评定板材拉深性能的试验方法 ，它的凸模直径dP是32.50mm、圆角半径是4.5～5.5mm ，适用的板厚范围相应地是0.32～1.3mm或者0.45～1.86mm。

图1-8 弯曲和拉深试验

a）、b）弯曲试验 c）拉深试验

1—凸模 2—压边圈 3—凹模 4—毛坯

进行用不同直径的平板毛坯来拉深操作时，往往会以拉深比0.025当作一个单位来改变毛坯直径，并且会把不发生破裂情况下所能拉深成杯形件的最大毛坯直径Dmax和凸模直径dp的比值作为极限拉深比LDR，同时间，还得去探索适宜的压边力范围，从而去减小其对LDR值产生的影响。

（2）从事评价各种板材胀形性能的试验，有胀形试验，有艾利克森杯突试验还有液压胀形试验。图1-9所展示情形里，有艾利克森杯突试验装置，此装置呈现于9a处。同时还有试验标准极限杯突值，其处于9b处。这是一种在国际上被广泛采用的试验方法。

图1-9 胀形试验

a）杯突试验 b）标准杯突值

规定，球形凸模半径为ϕ20mm，凹模内径是ϕ27mm，凹模外径为ϕ55mm，凸、凹模圆角半径都为0.75mm，压边圈厚度大于20mm，压边圈外径为ϕ55mm，试验适用于板厚在0.5至2.0mm之间，并且试样凹坑至边缘最短距离在45mm以上。

GB/T4156—2007作出规定，其中球形凸模半径是10mm，压边圈尺寸没有进行规定，试件规格是70mm×80mm，其他参数跟国际标准一样。试验适用于一般板厚数值小于等于2mm的情况，在必要的时候适用于2到4mm的板料，并且试验速度是5到20mm/min。

2．工艺性能指标

各类冲压成形方法中材料所具备的适应能力，被称作材料的冲压成形性能，其还包括抗破裂性、贴模性以及定形性等，是一个综合性概念，材料冲压成形性能良好，也就是它利于冲压，单个冲压工序极限变形程度与总的极限变形程度大，生产率高，成本低，且易获取高质量冲压件。

各类冲压成形工艺里，板料的最大变形程度也就是我们说的成形极限，它和抗破裂性相关联，板料冲压成形性能越好，那么板料的抗破裂性就越好，其成形极限也就越高。

贴模性所指代的乃是，板料于冷压进程里达成与模具形状具备一致性的那种能力，在成形过程当中，鉴于各方面因素所带来的影响，板料会出现内皱、翘曲、还会包括塌陷以及鼓起等几何面方面的缺陷，进而致使贴模性有所降低。

定形性所指的是，零件在脱模之后，具备保持其身处模内已然获得的形状的能力。于影响定形性的诸多因素之中，回弹属于最为主要的因素。零件脱模之后，常常会因为回弹过度，进而产生较为显著的形状误差。板料的贴模性以及定形性，是决定零件形状尺寸精度的关键因素。

以下这几项力学性能指标，能够从不一样的角度去反映材料的冲压性能，其中较为重要的那几项存在着：

（1）均匀伸长率δb，是在拉伸实验里，开始出现拉伸缩颈时的伸长率，一种比例表达。它能展现材料产生均匀变形，或者稳定变形的能力。通常状况下，冲压成形是在板料的均匀变形范围里边达成的，所以δb对于冲压成形有着相对直接的意义。δb越大，那么材料的极限变形程度也就越大，也就越利于冲压成形。

（2）屈强比，也就是（σs/σb），它是一项能反映材料冲压性能的综合性指标，屈强比若是小，那么屈服强度σs同强度极限σb之间的差值就大，进而允许的塑性变形区间也就大，而这一点对于所有的冲压变形而言都是有利的。

（3）硬化指数n，它表示在冷塑性变形里，材料的硬化程度。材料的n值越大，其硬化效果就越大，这对于伸长类变形是有利的。因为变形硬化引发的变形抗力的增加，能够补偿因拉伸致使的局部截面积减小所引发的承载能力的减弱，所以阻止了局部集中变形的进一步发展，具有扩展变形区的作用，能让变形区均匀，进而起到增加变形程度的作用。

（4）板厚方向性系数γ，它指的是板料试样在拉伸实验这个过程当中，宽度应变εb作为一方，与厚度应变ε1之比值，所以它又被称作塑性应变比。在冲压成形这个情况之下，通常而言，人们是满心期望变形能够出现在板平面方向的，然而对于厚度方向，却并不期望出现过大的改变。当γ值大于1的时候，那就代表着宽度方向的变形要比厚度方向的变形来得更大，也就是说，γ值越大，就越有助于提升板料冲压成形极限。

用于冲压加工的板料，皆是经过轧制的材质，鉴于有纤维组织的作用，其在各个方向上的力学性能并非全然无异，所以情况是，板厚方向性系数是从各个不同方向去取样获取的，再者是把所取样本的平均值当作标准的。

（5）当在板料平面内不同方向上截取实验试样时，实验中所测得的各种力学性能不一样，实验中所测得的各种物理性能也不一样，板平面方向性Δγ由此产生。板料这种力学性能、物理性能在板平面方向出现的各向异性，被称为板平面方向性，它用Δγ表示。板平面方向性的大小能够用板厚方向性系数在几个不同方向上的平均差别来衡量。板料的板平面方向性Δγ的存在情况下，常会让拉深件口部出现凸耳，凸耳的大小跟Δγ有关，凸耳的位置也与Δγ有关，所以Δγ被叫做凸耳参数。凸耳影响零件的形状和尺寸精度，必要时需增加切边工序。

1.5.2 常用钣金材料的工艺性能

认识并且剖析钣金材料的工艺性能，对于钣金件加工工艺以及生产操作规范的制定而言，有着至关重要的意义，以下呈现的是一些常用钣金材料的加工工艺性能。

1．普通碳素结构钢的工艺性能

大致常理来讲，使用最为普遍的钣金件，是普通碳素结构钢，像Q195、Q215、Q235等，还有优质碳素结构钢，比如08、10F、20等，这类钢种，其冷加工或者热加工成形、气割方式、碳弧气刨操作、水火矫形工艺等方面，工艺性能都已经趋向于完善状态。除掉在成形环节，因为材料厚度的增加会受到变形率的限制，加热的时候会受到温度上限的限制之外，除此之外其他方面的限制并不多。

对于较厚板料的加工，为加大板料呈现的变形程度以及削减板料具备的变形抗力，常常采用热成形或者局部加热毛坯后进行拉深成形的工艺，然而要规避在特定温度区间予以加热，像碳钢被加热到200至400℃的时候，由于时效作用（夹杂物以沉淀这种形式在晶界滑移面上析出）致使塑性下降，变形抗力上升，此温度范围就记作蓝脆区，此时钢的性能变差，容易脆断，断口呈现蓝色；而处于800至950℃这个范围之内，又会出现热脆区，导致塑性降低。于是，于板料热态拉深操作进程里，要格外留意，实际变形热压的温度切不可处在蓝脆区跟热脆区。操作之际，需考量加热设备跟压力机之间的位置，对变形热压温度所产生的影响，且审慎采用降温吹风设备，从而防止蓝脆以及热脆的出现。

2．合金钢的工艺性能

常用于制造金属板制成的结构件的合金钢，一般是Q345，其旧牌号是16Mn等，还有Q390，旧牌号为15MnV等，这些属于低合金高强度结构钢，它们各自的工艺性能是：

（1）Q345钢通常以热轧状态交货，并不需要进行热处理，尤其特别是针对厚度小于20mm的轧材而言，它的力学性能十分高，所以热压之后一般都直接予以使用。对于厚度大于20mm的钢板来讲，为提升钢材的屈服强度以及低温冲击韧度，能够采用正火处理之后再使用。

此外，它的气割性能跟普通低碳结构钢是一样的，气割边缘在1mm的范围内存在淬硬倾向，不过因为淬硬区域特别窄，可以经由焊接消除，所以这种钢种的气割边缘无需机械加工，能够直接去进行焊接。

碳弧气刨的性能，跟普通低碳结构钢是一样的。气刨边缘内部存在淬硬倾向，不过淬硬区域非常窄，能够借助焊接予以消除，所以，该钢种的气刨边缘无需机械加工，能够直接开展焊接。其结果跟机械加工后进行焊接的热影响区硬度基本上是一致的。

和Q235相比较，Q345钢的屈服强度都处于以上情况，它比Q235要高，所以冷成形力大于Q235钢。对于大厚度的热轧钢材而言，采用正火或者退火之后，冷成形性能能够获得极大的进步。然而当板厚达到一定的厚度（t≥32mm）的时候，必须在冷成形之后进行去应力热处理。

当Q345钢被加热到800℃以上的时候，它能够获取良好的热成形性能，然而加热的温度不适合超过900℃，不然的话就容易出现过热组织，从而降低钢材的冲击韧度。

另外，Q345钢经过3次火焰加热来进行矫形，而且进行水冷之后，其力学性能并没有明显的改变，它具备和原母材一样的抗脆性破坏的能力，所以这种钢种能够进行水火矫形，然而针对动载荷结构而言，不适合采用水火矫形。

（2）对于 Q390，较薄钢板的剪切性能、冷卷性能和 Q345 钢相近，然而，对于板厚 t≥25mm 的热轧钢板，在剪切边缘处，因剪切的冷作硬化，容易隐匿小裂纹。这种裂纹有可能在钢材出厂前就已形成，所以，要强化质量检查，一旦发现，应借助气割或者机械加工，去除含裂纹的边缘。另外，较厚的 Q390 热轧板，冷卷时易于断裂，能够通过 930～1000℃的正火处理，提升其塑性及韧性，改良冷卷性能。

此外，这一类型的钢，其热成形性能良好，热矫形性能也良好在加热温度处于850至1100℃进行热成形时，多次加热对于屈服强度的影响不大而且气割性能良好，碳弧气刨性能同样良好，碳弧气刨对于焊接接头的性能不会产生不良影响。

3．不锈钢的工艺性能

不锈钢种类繁多，因其化学成分不一样，金相组织也不同，所以各类不锈钢的力学性能，有不小差异，其化学性质，同样存在较大差别，物理性能也不一样，这致使不锈钢材料应用时的工艺难度，相对有所增加。

钣金加工中，常用的不锈钢牌号有两类：

甲类：马氏体型不锈钢，如、、、等。

乙类：奥氏体型不锈钢，如、等。

上述两类不锈钢具有如下加工工艺性能：

1）因要使得材料具备好的塑性，故而得让材料处于软态，基于此就得开展热处理。甲类不锈钢作软化用时的热处理乃退火，乙类不锈钢作软化用时的热处理是淬火。

2）软态时，两类不锈钢力学性能具备较好加工工艺性，冲压变形工艺性尤佳，适用于变形基本工序的冲压加工，不锈钢材料特性与普通碳钢差异大，拉深用不锈钢材料垂直塑性异向性特性值远低于普通碳钢，屈服强度高且冷作硬化严重，拉深中易生皱纹，板料在凹模圆角处弯曲与反向弯曲变形致回弹，常使制件侧壁凹陷或挠曲，所以不锈钢拉深需高压料力，还要求细致调整模具。

因不锈钢冷作硬化现象十分强烈，拉深之际容易生成皱褶，所以在实际操作进程当中，要采取下述一些举措，从而确保拉深作业顺利开展：

首先，一般而言，每次拉深后都需要做中间退火，这是为何呢？原因在于，不锈钢和软钢不同，软钢能够历经3到5次拉深之后再开展中间退火，然而不锈钢通常是，每经历一次拉深之后，便要立刻进行中间退火。

②对于变形量大的拉深件，在最终拉深成形之后，紧接着就得进行消除残余内应力的热处理，不然拉深件会出现裂纹。去内应力的热处理规范为：甲类不锈钢加热温度在250至400℃之间，乙类不锈钢加热温度处于350至450℃之间，之后在上述温度下保温1至3小时。

①③采用温热拉深这种办法能够获取较好的技术经济效果 ，②举例来说 ，针对不锈钢把它加热至80 ～ 120℃这一区间 ，③能够减少材料出现加工硬化以及残余内应力的情况 ，④可以提高拉深变形程度 ，⑤能够减小拉深系数 ，⑥然而奥氏体不锈钢在加热到较高温度即300 ～ 700℃的时候 ，⑦并不能够进一步对其冲压工艺性予以改善。

④对复杂零件进行拉深的时候，要挑选像油压机、普通液压机这样的设备，好使它在拉深速度不高的情况（速度范围是0.15～0.25m/s）下产生变形，进而能够获得较为良好的效果。

3）跟碳钢或者非铁金属材料相比较而言，不锈钢冲压还有一个特点，那就是变形力比较大，弹性回跳也比较大。所以，为了确保冲压件尺寸以及形状的精度要求，有时候需要增加修整、矫正以及必要的热处理。

4）奥氏体不锈钢不同类别的屈服强度差异颇为显著，所以，处于剪切、成形的工艺环节里要留意加工设备的可承受能力。

4．非铁金属材料及其合金的工艺性能

在非铁金属材料及其合金进行成形过程的时候，它们会与模具表面相接触，所以对于模具表面光滑程度方面的要求，都是比较高的。

（1）铜以及铜合金之中，常用的存在纯铜、黄铜还有青铜这几种铜和铜合金。纯铜与牌号是H62以及H68的黄铜，冲压工艺性都很好，相比较去看，冷作硬化方面H62比H68要强烈些。

适用于耐蚀、弹簧以及耐磨零件的青铜，于不同牌号之间，其性能存在着较大差别。通常来讲，青铜在冲压工艺性方面比黄铜要糟糕一些，此外，青铜在冷作硬化方面比黄铜表现得更为强烈，故而需要进行频繁的中间退火。

多数的黄铜以及青铜，于热态状况下来讲，也就是处于600至800℃这个区间时，具备较好的冲压工艺性，然而，对其进行加热，在生产方面会带来诸多不便之处，而且，铜以及诸多铜合金，当处于200至400℃的状态之下，其塑性相较于室温时，反而会有较大程度的降低，故此，一般情形下不会采用热态冲压。

（2）通常用于铝合金钣金构件里的铝合金，主要包含铝锰合金或者铝镁合金，还有铜铝合金以及铝镁硅合金等等。

那种相当于旧牌号防锈铝的铝锰或铝镁合金，其热处理效果特别差，只能借助冷作硬化来提升强度，它拥有强度恰好适中，以及优良的塑性和耐蚀性。铜铝合金，也就是相当于旧牌号硬铝的那种，还有铝镁硅合金，即相当于旧牌号锻铝的那种，它们都属于热处理能够强化的铝合金。铝镁硅合金在热状态的时候强度比较高，然而热处理强化效果欠佳，在退火状态下具备很好的塑性，适宜用于冲压和锻造加工，铜铝合金强度较高，热处理强化效果良好。

对于铝锰或铝镁合金而言，能够运用退火方法去获取最大的塑性，铜铝合金以及铝镁硅合金呢，既能够采用退火方法，又能够运用淬火方法来获取最大的塑性，它们在经过淬火以后的那种状态，具备较高的塑性以及对冲压有利的综合力学性能，所以具有比处于退火状态时更好的冲压工艺性。

特点是铜铝合金以及铝镁硅合金得热处理把强化进行实施，也就是等到淬火施行之后，伴随着时间不断延长，会逐渐强化，这种现象被叫做“时效强化；时效强化呈现特定发展进程，不同牌号材料方面发展速度不一样；由于这类铝合金存有这类时效强化得特点情形，所以，针对此类材质铝合金的冲压加工得在时效强化发展完成之前去开展，一般要求在淬火之后1.5小时以内完成加工。

在铝合金里边，铝镁合金的冷作硬化较为强烈，所以用这种材料制作复杂零件之际，一般要开展1至3次中间退火，于深拉深成形之后还得进行消除内应力的最终退火。

为了让加工工艺性得到改善，在生产当中还运用了铝合金处于温热状态时进行冲压的工艺，温热冲压较多应用于冷作硬化之后的材料，材料经过温热（100～200℃）以后，不仅仅保留了部分冷作硬化，同时还改善了塑性，能够提高冲压变形程度以及冲压件的尺寸精度。

进行温热冲压之际，一定要严格把控加热温度哩，要是温度过低，那么冲压件就会出现裂纹，要是温度过高，不但会造成强度急剧下降，而且也会产生裂纹。于冲压进程当中，凸模极易过热，一旦超过特定温度后，就会造成冲压材料强烈软化，进而引发拉深件断裂。凸模温度维持在小于 60℃，能够提升温热拉深的变形程度。在温热冲压里，务必要采用特制的耐热润滑剂。

（3）钛以及钛合金，其各自的工艺性不太好，它们的强度比较高，致使变形力很大，冷作硬化的程度相当强烈，除了少数几个牌号能够针对变形不算大的零件开展冲压之外，大部分都是采用热冲压的方式。热冲压时的加热温度比较高，处于300到750℃这个范围，并且会因为牌号不一样而有所差异，要是加热温度过高的话，就会让材料变得脆，这是不利于冲压操作的。鉴于钛属于化学性质极为活跃的元素，和氧、氢、氮等元素化合所需温度皆不高，并且与氧、氢、氮等生成的化合物均是致使产生脆性的关键因素，所以，钛以及钛合金的加热受到了严格的限定。当有着高温加工需求时，必须于保护气体当中开展，或者借助全保护的无泄漏包装来进行整体加热。在生产钛跟钛合金的冲压件之际，应选用尽可能低的冲压速度。

除此之外，钛材的切断能够采用机械方式，像是锯切，还有高压水切割，以及车床切割，包括管切断机床切割等等。锯切的时候速度适宜慢些，绝对不可以运用氧乙炔焰等借助加热的办法来进行气割，也不太适宜采用砂轮锯切割，不然的话切口的热影响区会遭受气体的污染。与此同时，要是切口处飞边过大，还需要增添飞边处理的工序。

可实施冷弯操作然而回弹现象显著的钛以及钛合金管，其回弹量于室温状况下一般是不锈钢的二至三倍，所以，进行钛管的冷弯的时候要妥善处理回弹量，除此之外，钛管冷弯的弯曲半径不可以小于管外径的三点五倍，冷弯之时，能够在管内填入经过干燥处理的河沙，并且使用木锤或者铜锤予以夯实，从而避免局部出现圆度超差或者皱褶相关现象，弯管机冷弯之际，应当添加芯轴，热弯的时候，预热温度要处于二百至三百摄氏度之间。

要是需要进行90°翻边，那就应当分出三次，分别使用30°的模具、60°的模具、90°套装模具来进行压制操作，以此达到避免出现裂纹的目的。