金属材料拉伸性能对钣金成型质量的影响

路兴峰，张 琪，秦 刚

（兖煤蓝天清洁能源有限公司，山东济宁 273500）

0 引言

运用冷冲压工艺能够加工金属使其成型，而该工艺在机械加工中比较重要，占据现代工业生产重要位置。当前人们生活中随处可见冷冲压产品，如电器、仪表、拖拉机、汽车、电子、航空航天、国防以及高压锅、不锈钢饭盒、汽车覆盖件、搪瓷盆、电脑机箱等。在拖拉机和汽车行业中冲压件占60%，在日用五金产品中占90%，电子工业中占85%，可见金属薄板冲压件的重要性，因此需要对冲压件形成进行研究。加工金属材料可使钣金成型，而金属的拉伸性能会对其成型质量产生影响，因此应有效控制金属拉伸性能，积极应对加工中影响金属拉伸性能的因素，保证其拉伸性能良好和钣金成型质量。

1 加工对于金属拉伸性能的影响

1.1 取样方向的影响

选择Q235B、Q345B 两种板材钢板进行金属材料拉伸实验，通常选择3 个方向，分别是纵向、横向和45°方向进行矩形拉伸取样。其中，纵向拉伸是与压制方向平行时取样，横向拉伸是与压制方向垂直时取样，而45°方向是和压制方向线成45°角来纵向取样。试样拉伸前后效果如图1 所示。在相应条件下将拉伸实验完成，能够获得以下结果：钢板材料在横向取样前后出现了延伸率差值，取样后延长率要比结构钢标准技术值低[1]。压力加工中沿着主变形方向流动排列金属晶体夹杂物、金属材料与晶粒夹杂物，以此形成金属纤维组织，该类组织具有方向性，将会使金属材料力学性能出现变化。在冷加工时，金属材料产生组织结构将参与，从而在各个方向上材料力学性能会产生差异变化，这说明与压制方向平行实施纵向取样时材料力学性能较好，与压制方向垂直实施纵向取样时力学性能较差。

图1 试样拉伸前后效果

1.2 取样位置的影响

根据均值法和差异取样法选择Q235B 的Φ40 mm 以及Φ60 mm 材料，在材料中心及1/4 直径处进行圆形取样，而Q345B 钢板在腿宽及腹板1/3 处实施矩形取样，选择10 个样品来拉伸。最终结果是，圆钢1/4 直径可获得高于中心位置的抗拉伸强度，然而断后延伸率要比中心位置低；槽钢在腹板1/3 处拉伸强度和屈服强度要比翼缘处高；而断后延长率要比翼缘处低。两段钢材测试结果都要比结构钢技术指标高。金属材料拉伸性能会受到取样位置的影响，因为在材料加工中，其化学成分、液晶缺陷、金相组织以及加工变形分布等存在不均匀现象。在建筑金属材料时，模具如果处于不同位置，将会使其流速不同，在材料局部没有均匀的化学成分，导致无法均衡分布流动金相组织，在材料力学性能数值上这些都会有所体现。挤压成型材料在口模中通过时会受口模形状影响，导致成分流速不同，没有相同的材料精密度，在位置力学性能上也存在差异[2]。因而进行圆钢拉伸实验时，需结合不同直径选择取样位置，以获得精确的实验效果。例如，直径小于25 mm 的圆钢，最佳取样位置是1/2 直径处；槽钢拉伸实验确定1/3 腿宽和1/4 腰高处为最佳取样位置。通常这些位置是取样过程中最薄弱和脆弱的位置，位置取样结果合格可证明材料有着良好的拉伸性能。对于具体材料来说，还需要考虑其是否有合格的熔铸加工过程以及是否有均匀材料局部分布等，由此合理选择取样位置。

1.3 式样加工的影响

进行金属材料加工时，需通过车、钻、铣、刨和磨等方式开展外部加工，以获得理想的材料技工状态，以便后期应用。在加工材料时会破坏材料的性能，尽管使用机械加工应遵循不对样品造成破坏这一原则，但材料在外部压力及热变化影响下会出现变化，导致其性能改变，因此需要对式样加工中影响金属材料拉伸性能的因素进行研究，以完善加工金属材料的工艺流程[3]。

1.3.1 加工条件

结合需加工成型的零件，合理选择时间、温度、压力来加工金属材料，这一过程会影响金属材料拉伸性能，影响最突出的是横向拉伸强度。通常影响横向拉伸的表现是：在温度不断升高的情况下，金属材料内部熔体自由体积、分子运动能量、锻炼活动能力将明显增强，这会降低分子间相互作用力，缩减离子间粘合度，因此在高温下金属材料可以将横向拉伸强度增加。然而金属材料的横向拉伸强度不会随着温度提升而增加，如果温度过高，将会使金属内部大分子链出现不良情况，影响金属材料拉伸性能，从而应保证温度合理，以提升金属材料拉伸性能。

1.3.2 加工时间

在时间的推移下金属材料的横向拉伸强度会发生变化，整体趋势为先增长后区域平缓。当加工时间过短时，技术材料内部会出现金属粒子无法顺畅流通的情况，这会降低金属材料的横向拉伸值，增加材料脆性。在金属材料达到最佳横向拉伸值时，即便应用更多时间来拉伸加工，也不会对拉伸性能造成太大影响。因此在加工金属材料时应选择合理的加工时间，防止浪费人力与物力。

1.3.3 加工压力

压力也会对金属材料横向拉伸性能产生影响，趋势为先增强之后减弱。压力在3～7 MPa 时，压力增加，其横向拉伸强度也会增加，如果压力大于7 MPa，压力增加，横向拉伸强度将降低。针对这一情况，横向加工金属材料时需要有效选择加工压力，保证有良好的金属材料横向拉伸性能状态，为提升钣金成型质量打下坚实基础。

1.3.4 拉伸速度

金属材料性能受到的影响通常体现在金属材料内部，加工金属材料时，很容易受到拉伸速度的影响。一般金属材料内部存在金属夹杂物、金属晶体和其他杂质，导致金属材料内部出现晶体错位及粘合不良等问题。金属材料整体性能一般有着比较一致的整体性能表现，但是在加工中出现外部弹性形变或塑性形变时将会影响金属材料拉伸性能[4]。图2 为塑性材料拉伸典型曲线，通过拉伸方式能够完成材料塑性形变，外力加工能使金属材料相对滑动超出滑移临界值，将会使金属晶体出现晶向及晶面运动。该过程会有运动速度，在金属材料拉伸时，拉伸温度升高时强度也会增加，拉伸过程中会存在时间滞后的情况。在拉伸速度较慢时，技术材料能够承受200 kN 的拉力，当拉伸速度提升时向金属材料施加200 kN 拉力，将会出现位错密集降低材料拉伸性能，使金属材料断裂。因此进行金属材料拉伸加工时，需合理选择速度与压力，保证产生金属晶体滑移并兼顾材料拉伸性能，避免出现金属材料断裂情况。

图2 塑性材料拉伸典型曲线

2 金属材料拉伸性能对钣金成型质量的影响

材料塑性硬化曲线能够决定钣金成型质量，材料的公称拉伸强度、屈服应力和硬化指数能够决定其硬化曲线形状。厚向异性系数γ 是材料拉伸性能特定指数，将影响钣金的成型质量，γ=e2/e3。其中，γ 为单向拉伸，e2和e3分别为宽度、厚度的方向应变。

γ 反映板平面方向、厚度方向的变形难易，γ 值越大越容易出现板平面方向变形情况，厚度方向变形比较难，这有利于拉伸成型。例如，进行曲面零件拉伸时，在拉应力作用下板件中间部分难以实现厚度方向变形，指的是变薄量小，在板平面内垂直于拉应力方向会比较容易压缩变形，这会降低板料中间起皱的趋向性，能够有效促进拉深工作开展及提升工件质量；不仅如此，使用γ值大的板料实施筒形件拉深时，在拉应力作用下筒壁不容易变薄和被拉破，但是其凸缘区、压延区会容易出现切向压缩变形情况，这会降低起皱趋势，减小压料力，并且还会降低筒壁拉应力，增大筒形件拉深的极限变形程度[5]。γ 值越大时，钣金的失稳变薄抵抗能力越大，可充分发挥拉伸失稳之前最大强度，将边缘部分拉动可构成更深的压延件。

应变强化指数n 也被称为应变刚指数，在钣金胀形性能中n 是主要参数。通过相关实践可知大多金属在塑性变形中的变形抵抗力，会在增加应变的条件下不断加强，该趋势不仅出现在冷作变形中，也会出现在热作变形中。此外，应变强化（即应变强化指数）对于成型的作用是，在钣金某一应力点大于其邻近部分时，较大应变因为应变强化提升进一步变形的抵抗能力，可转移变形至邻近部分，使得该点缩颈到来延缓，确保板面应变更均匀，防止金属材料拉伸性能对钣金诚信质量造成严重影响。

3 结束语

钣金制造中会使用各种类型的金属材料，金属材料拉伸性能会在一定程度上影响钣金成型质量，导致制造出的产品无法获得良好性能，因此在钣金制造过程中应有效应对金属材料拉伸性能。通常金属材料拉伸性能会受到其加工工序的影响，主要体现在金属材料加工取样方向、取样位置、试样加工等方面，因此需要注重加工中各项因素的控制，保证金属材料有良好的拉伸性能，避免对钣金成型质量造成影响。