1.2 鈑金加工的基本理論

鈑金加工包括切割分離和成形兩種方式，切割是利用剪切、沖切或氣割等加工工藝手段而獲得工件毛坯的分離工序，而成形則是利用塑性變形，將金屬板料或毛坯沖壓成為所需形狀的變形工序。金屬的塑性變形規(guī)律是鈑金加工的基本理論基礎(chǔ)。

1.2.1 金屬的塑性變形

固體材料受到外力作用，如果發(fā)生形狀和尺寸的變化，這種現(xiàn)象稱為變形，使物體產(chǎn)生變形的外力稱為變形力。變形力去除后，能恢復(fù)原狀的變形稱為彈性變形；變形力去除后，不能恢復(fù)原狀的變形稱為塑性變形。金屬材料在變形力的作用下，既能產(chǎn)生彈性變形，又能從彈性變形發(fā)展到塑性變形，它是一種具有彈、塑性的工程材料。一般說來，金屬體在彈性變形時，其內(nèi)部的原子位置發(fā)生變化，表現(xiàn)為原子的間距有微小的改變，從而引起了物體尺寸和形狀的變化，變形力去除后，原子回到原來的平衡位置，該金屬體就完全恢復(fù)了原來的形狀和尺寸。當金屬體受力較大，使原子偏離其原來的穩(wěn)定平衡位置，而達到鄰近的穩(wěn)定平衡位置，在變形力去除后，原子就不再回到其原來位置，而是停留在鄰近的穩(wěn)定平衡位置上，其變形就成為不可恢復(fù)的永久變形，這就是金屬的塑性變形。

1．金屬的晶體結(jié)構(gòu)

從金屬學(xué)的觀點來看，所有的固態(tài)金屬都是晶體，且各種固態(tài)金屬的晶體結(jié)構(gòu)并不完全相同。工業(yè)上常用的金屬中，除少數(shù)具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)多為體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)三種晶格類型，如圖1-2所示。

晶體中由原子組成的平面稱為晶面，由原子組成的直線稱為晶向，每種金屬不同晶面上的原子密度和不同晶向上的原子間距是不同的。

2．塑性變形的方式

研究表明，單晶體的塑性變形主要是通過滑移和孿生兩種方式進行的。

塑性變形最常見的方式為滑移，即晶體一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分產(chǎn)生滑移，這一晶面和晶向稱為滑移面和滑移方向。一般說來，滑移面總是原子排列最密的面，滑移方向總是原子排列最密的方向，因為沿著原子分布最密的面和方向滑移阻力最小。一個滑移面及其面上的一個滑移方向組成一個滑移系。每一個滑移系表示晶體在產(chǎn)生滑移時可能采取的空間位向。當其他條件相同時，金屬晶體的滑移系越多，則滑移時可能出現(xiàn)的滑移位向越多，塑性就越好。一般說來，面心立方和體心立方金屬的滑移系較多，因此它們比密排六方金屬的塑性好。

實際上，金屬的滑移過程是比較復(fù)雜的。首先，滑移并非只是在一個單一的晶面上進行，同時參加滑移的有若干個平行的晶面——滑移層?；茖拥暮穸瓤蛇_50nm左右，滑移層與滑移層之間形成一種階梯狀。當變形程度很大時，兩個滑移層間的階梯可達120nm左右，如圖1-3a所示。當塑性變形程度較大時，在金屬表面上可以觀察到滑移的痕跡，即無數(shù)互相平行的線條，這種線條通常稱為滑移線。

其次，在金屬滑移過程中，由于滑移層內(nèi)晶格逐漸破碎，附近的晶格逐漸畸變，使滑移面出現(xiàn)起伏歪扭，如圖1-3b所示，于是晶體的滑移阻力即變形抵抗力逐漸加大。變形越嚴重，滑移面上的晶格紊亂碎塊越多，繼續(xù)滑移的阻力也就越大，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化或應(yīng)變強化。

圖1-4所示為晶格塑性變形的孿動過程，孿動是晶體的一部分相對另一部分沿著一定的晶面和方向發(fā)生的轉(zhuǎn)動。

與滑移相比，孿動的主要特點是：

1）滑移過程是漸進的，而孿動過程是突然發(fā)生的。例如金屬錫孿動時，可聽到一種清脆的聲音，稱為“錫鳴”。其他的金屬孿動時，也可聽到類似的聲音。由于孿動進行得非常迅速，因此從試驗中很難了解其詳細過程。目前一般認為六方與體心立方晶格在低溫與沖擊載荷下易于產(chǎn)生孿動。

2）孿動時，原子位置不能產(chǎn)生較大的錯動，因此晶體取得較大永久變形的方式主要是滑移作用。

3）孿動后晶體內(nèi)部出現(xiàn)空隙，易于導(dǎo)致金屬的破裂。

就理想的晶體結(jié)構(gòu)而言，全部原子都是規(guī)則地排列在晶體的晶格點上。然而實際晶體總是存在著各種缺陷（這些缺陷包括位錯、空位、間隙原子和置換原子等，晶界更是缺陷集中的區(qū)域），引起晶格的畸變以及原子排列的不規(guī)則，最明顯的是多晶體。研究表明：有些缺陷對金屬塑性變形有很大的影響，如晶體的滑移變形就是在切應(yīng)力的作用下通過滑移面上的位錯運動來進行的。一個位錯移到晶體表面形成一個原子間距的滑移量，同一個滑移面上許多位錯移到晶體表面便形成明顯的滑移線，許多滑移線在一起形成滑移帶。這種滑移帶?？稍诶熳冃魏蟮慕饘僭嚇由嫌^察到。

工業(yè)上用于塑性成形的金屬都是多晶體，組成多晶體的各個晶粒類似于單晶體，它們的大小、形狀、位向不同，晶粒之間又有晶界相連，因而多晶體的變形比單晶體要復(fù)雜得多。

多晶體的變形，就其中每個晶粒的變形來講，不外乎滑移和孿生兩種晶內(nèi)變形方式，但就總體變形而言，多晶體內(nèi)還存在著晶粒之間的相對滑動和轉(zhuǎn)動。這種晶粒之間的變形稱為晶間變形，所以多晶體的變形實質(zhì)上是晶內(nèi)變形和晶間變形綜合作用的結(jié)果。

3．塑性變形的影響

由于晶粒是靠原子間的吸引力和晶粒間的機械連鎖力互相連接的，因此，晶間變形比較困難。晶粒間的滑動非常微小，很容易引起晶界處的結(jié)構(gòu)破損，從而導(dǎo)致金屬的斷裂。晶粒間的轉(zhuǎn)動過程相當復(fù)雜，這是由于多晶體中不同位向的各個晶粒既有向有利于晶內(nèi)滑移的方向轉(zhuǎn)動的趨勢，又受到相互牽制的緣故。晶粒轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象在粗晶粒的板料沖壓成形后可以觀察到，這就是沖壓件表面顯出凹凸不平的所謂“橘皮”現(xiàn)象。

多晶體的塑性變形還受到晶界的影響。晶界內(nèi)晶格畸變更甚，晶界的存在使多晶體的強度、硬度比單晶體高。多晶體內(nèi)晶粒越細，晶界區(qū)所占比例也就越大，金屬的強度、硬度也就越高。此外，晶粒越細，變形越易分散在許多晶粒內(nèi)進行，因此變形更為均勻，不易出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致金屬破壞，這就是一般的細晶粒金屬不僅強度、硬度高，而且塑性也較好的原因。

在金屬塑性變形過程中，金屬的性能和組織都會發(fā)生變化，其中最重要的是加工硬化，即隨著變形程度的增加，變形阻力增大，強度和硬度升高，而塑性、韌性下降。此外，由于變形不均勻，晶粒內(nèi)部和晶粒之間會存在不同的內(nèi)應(yīng)力，作為變形后殘余應(yīng)力保留在金屬內(nèi)部，使經(jīng)冷變形后的零件在放置一段時間后，可能自動發(fā)生變形甚至開裂。金屬塑性變形后的性能變化是其組織發(fā)生變化的結(jié)果。多晶體變形時各晶粒沿其變形最大的方向伸長，在變形程度很大時，則顯著伸長，形成纖維組織。晶內(nèi)變形會使晶粒破碎，形成許多小晶粒，即亞晶粒；晶間變形則在晶界造成許多破損。另外，在變形程度很大時，多晶體內(nèi)各個晶粒的位向會因滑移面的轉(zhuǎn)向而逐漸趨向一致，形成變形織構(gòu)。變形織構(gòu)的形成，使軋制后的板料出現(xiàn)各向異性，即使退火一般也難以消除，用這種材料沖出的工件厚薄不均，沿口不齊，會使拉深成形的杯形件口部形成凸耳。

1.2.2 金屬塑性變形的基本規(guī)律

在沖壓過程中，材料的塑性變形都是沖模對材料施加的外力所引起的內(nèi)力或由內(nèi)力直接作用的結(jié)果。描述或表征金屬塑性變形的基本規(guī)律主要有以下幾個方面。

1．塑性變形體積不變定律

實踐證明，物體在塑性變形中，變形前的體積等于變形后的體積，這就是金屬塑性變形體積不變定律。它是塑性變形工序中進行毛坯尺寸計算的依據(jù)。

2．塑性條件（屈服準則）

所謂塑性條件就是金屬在單向應(yīng)力狀態(tài)下，如果拉伸或壓縮應(yīng)力達到材料的屈服強度σs便可以屈服，從彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)，但對復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)就不能僅僅根據(jù)一個應(yīng)力分量來判斷一點是否已經(jīng)屈服，而要同時考慮各應(yīng)力分量的綜合作用。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，各應(yīng)力分量之間符合某種關(guān)系時，才能同單向應(yīng)力狀態(tài)下確定的屈服強度等效，從而使物體從彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)，此時，應(yīng)力分量之間的這種關(guān)系就稱為塑性條件，或稱為屈服準則。

塑性條件必須經(jīng)過實驗驗證。經(jīng)過實踐驗證并為大家公認的塑性條件有兩種，即屈雷斯加（H.Tresca）屈服準則和密西斯（Von Mises）屈服準則。

（1）屈雷斯加屈服準則1864年法國工程師屈雷斯加認為：材料中最大切應(yīng)力達到一定值時開始屈服，即屈雷斯加屈服準則。設(shè)σ1≥σ2≥σ3（σ1、σ2、σ3為變形材料上所截取的單元體的三個主應(yīng)力），則其數(shù)學(xué)表達式為

式中σs——材料的屈服極限。

（2）密西斯屈服準則1913年德國學(xué)者密西斯提出：在一定的變形條件下，無論變形物體所處的應(yīng)力狀態(tài)如何，只要其三個主應(yīng)力滿足以下條件，材料便開始屈服，即密西斯屈服準則，其數(shù)學(xué)表達式為

3．反載軟化現(xiàn)象

如果在冷塑性變形之后，再給材料反向加載，這時，材料的屈服強度有所降低，即反向加載時塑性變形更容易發(fā)生，這就是所謂的反載軟化現(xiàn)象。反載軟化現(xiàn)象對分析某些沖壓工藝（如拉彎）很有實際意義。

4．最小阻力定律

由于在塑性變形中破壞了金屬的整體平衡而強制金屬流動，當變形體的質(zhì)點有可能沿不同方向移動時，則每個質(zhì)點沿最小阻力方向移動，這就是最小阻力定律。坯料在模具中變形，其最大變形將沿最小阻力的方向。最小阻力定律在沖壓工藝中有十分靈活和廣泛的應(yīng)用，能正確指導(dǎo)沖壓工藝及模具設(shè)計，解決實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題。

5．加工硬化現(xiàn)象

常用的金屬材料塑性變形時強度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象稱為加工硬化或冷作硬化。加工硬化對許多沖壓工藝都有較大的影響，如由于塑性降低，限制了毛坯進一步變形，往往需要在后續(xù)工序之前增加退火工序以消除加工硬化。加工硬化也有有利的一面，如提高局部抗失穩(wěn)起皺的能力。