板材深冲成形技术浅析
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深冲成形的力学分析
通过对圆筒容器成形（圆筒冲压）的力学解析，可以理解深冲成形的成形性。圆筒冲压的构成要素是：圆形钢板（坯料）、冲头、冲模、防皱压板。圆筒成形是将材料由坯料变化为圆筒部件的加工方法。圆筒成形中坯料的变形状态如图2。在圆筒成形过程中，坯料凸缘的外周材料受到周向压缩，发生压缩变形。由于变形，材料发生加工硬化，在材料内产生周向的压缩应力。为了克服这个压缩应力，继续进行深冲时，需要对材料进行流入方向（坯料的半径方向）的拉伸。结果是，凸缘部材料的变形模式是“拉伸-压缩”模式（图2①）。从凸缘部流入冲模内形成圆筒侧壁的材料上，作用有继续进行深冲所需要的拉伸力。由于与圆筒侧壁对应的冲头直径是固定的，所以，圆筒侧壁材料不能发生周向的拉伸-压缩。因此，圆筒侧壁材料的变形模式是“无宽度压缩的单一方向拉伸（平面应变）”（图2③）。作用在圆筒侧壁的凸缘半径方向的拉伸力，经由冲头肩部作用在圆筒底部材料，使圆筒底部材料受到“拉伸-拉伸”应力，圆筒底部材料的变形模式成为“拉伸-拉伸”模式（图2⑤）。因此，圆筒冲压部件的底面、侧壁、凸缘的变形模式是，“拉伸-拉伸”、“平面应变”、“拉伸-压缩”模式。日本在过去的几十年间，对这种薄板的成形性进行了理论研究和试验研究，研究结果被广泛认知，并用于实际的成形加工和成形材料的开发。如图3 所示，可用冲头负荷P与材料断裂负荷Pcr ，对材料的深冲性进行评价。冲头负荷P 是凸缘部的压缩变形抗力（图2①）、冲模R部的弯曲力-弯曲反弹抑制力（图2①→图2②→图2③的变形）、冲模R部与凸缘部摩擦力之和。在冲头行程与冲头负荷的关系曲线中，存在最大冲压负荷Pmax。比较Pmax与Pcr，两者一致点的极限深冲比LDR（圆形坯料直径与冲头直径的比）作为深冲性的评价值。在深冲性研究方面，福田的研究首先利用R.Hill 的塑性各向异性理论公式和H.W.Swift 的塑性不稳定条件，对圆筒侧壁的断裂负荷Pcr 进行了计算。由于凸缘部的变形状态在半径方向上是不均匀的，所以，用根据凸缘几何尺寸得到的深冲比，求出半径方向均匀的变形值。然后再用前述的塑性各向异性理论公式，计算出圆筒冲压成形的最大负荷Pmax。
将得到的Pcr与Pmax之比叫做极限深冲比提高系数（等效冲压负荷）。然后求出极限深冲比提高系数与r值和n值的关系。这里所说的r 值是板材变形的厚度各向异性指标。钢板的r值越大，钢板在拉伸力作用下，钢板厚度越容易增大。n值是加工硬化指数。图4是r值和n值对等效冲压负荷的影响。许多试验证明，钢板的深冲性与钢板的r值有很高的相关性。此外，由于冲头负荷包括冲压板材与模具之间的摩擦力，所以，涂覆冲压润滑油和对模具进行涂层处理 可提高冲压成形性。
深冲加工成形除了圆筒冲压成形，还有方筒冲压成形、异形冲压成形、圆锥台冲压成形、方锥台冲压成形、球头冲压成形、帽形冲压成形等多种冲压成形模式。
工业制品多是这些成形模式组合的冲压成形制品。各种模式的冲压成形性都取决于冲头肩部处部件材料的断裂负荷和部件凸缘的变形抗力以及摩擦抗力。
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深冲用钢板
下面对汽车部件、容器、建筑部件、电机壳体等产业界使用最多的深冲薄钢板作简要介绍。到目前为止，已经开发出许多应对各产业要求性能（加工性、焊接性、耐蚀性、装饰性）的薄钢板。薄钢板的开发与汽车制造业密切相关。为了抑制薄钢板成形时裂纹和皱折的发生，达到成形品的装饰性要求，进行了提高冲压成形性，特别是深冲成形性薄钢板的开发。在成形试验结果的基础上，开发出优化化学成分和制造工艺，控制钢板晶粒取向、提高薄钢板深冲性的技术。其中。连续退火对优良深冲性钢板的开发和生产起到很大作用。
软钢板有冷轧软钢板和热轧软钢板。热轧软钢板按照总伸长率进行分级，冷轧软钢板按照总伸长率和r值进行分级。形状复杂难成形部件主要使用深冲成形方法。使用的冲压材料是伸长率和深冲成形性优良的薄钢板。这种深冲成形性优良钢板的代表性产品是将间隙型元素C、N降低到极限程度的IF钢。生产IF钢时，利用炼钢的真空脱气技术，将C含量降低到50ppm以下，成为超低碳钢钢水，然后单一或复合添加Ti、Nb等碳化物形成元素，与钢中的全部C、N形成析出物，将C、N固定。这样，在钢板冷轧后退火阶段的再结晶过程中，钢板的晶粒取向优先形成提高深冲性的晶粒取向，使钢板具有高r值的深冲成形性。现在，各钢铁企业已经可以批量生产C含量在20ppm以下的深冲性优良的IF系冷轧钢板、镀锌钢板。此外，具有相变诱发塑性的TRIP高强度钢板虽然不是深冲用钢板，但其n值高，所以具有优良的胀出成形性和深冲成形性。原因是，钢中的残余奥氏体被加工发生马氏体转变时，使钢板具有变形模式的依存性。部件凸缘的压缩变形部的残余奥氏体难于发生马氏体转变，所以变形抗力较小。而部件凸缘的拉伸变形部因TRIP效应，促进马氏体转变，使材料发生显著硬化。也就是说，部件凸缘的变形抗力小，部件侧壁的断裂抗力大，这种应力状态有利于深冲加工的进行。
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深冲加工
利用加热进行的冲压加工有：不锈钢薄钢板的温间冲压成形和热冲压技术。温间冲压成形是用加热装置对冲压模具和防皱压板加热，用冷却剂对冲头进行冷却，进行深冲加工的技术。金属材料在高温下软化，凸缘的变形抗力下降，而冲头相对强度较高，从而提高了深冲性。利用温间冲压成形方法大大提高了不锈钢薄钢板的冲压深度。
热冲压成形方法是用加热炉将具有淬透性的钢板加热到奥氏体转变点以上的温度，在材料强度很低的状态下对材料成形加工，在材料成形的同时，用温度控制的模具对成形材料进行急冷，制造出高强度部件。热冲压成形法的优点是，制品强度可高达1500MPa的超高强度，制品的形状冻结性良好。但是，在热冲压加工中，凸缘部材料与模具接触被冷却，引起变形抗力增大，深冲性有所下降。为此，开发出润滑利用技术、模具形状优化技术、提高成形速度技术等提高热冲压加工成形性的技术。
本文为节选内容，全文请参阅《世界金属导报》26期B13。