1.5 金屬材料的加工性能

鈑金零件加工工藝方案的確定除與加工零件的形狀、精度及企業所具有的結構設備等有關外，還與零件所用的材料關系極大，即使是同一強度等級的材料，由于材料的化學成分不同，對零件的加工工藝也會帶來不同的影響，從而直接影響著鈑金件的生產加工。因此有必要分析并了解不同材料的加工工藝特性。

1.5.1 金屬材料的加工工藝性

對于不同的金屬，其加工工藝性能是不同的針對鈑金加工的材料來講，其加工工藝性能主要借助于工藝性能試驗及工藝性能指標來衡量。

1．工藝性能試驗

工藝性能試驗是直接模擬某一類實際成形方式來成形小尺寸的試樣，由于應力應變狀態基本相同，故試驗結果能更確切地反映實際工序中材料的受力情況和變形情況，因此對于特定工藝下的試驗結果比較準確。

（1）彎曲和拉深試驗 彎曲和拉深試驗是實際生產中常用于評價板材局部彎曲伸長性能的試驗。圖1-8a所示的彎曲試驗是將夾在特制鉗口的板條作往復彎曲，依次向右側及左側彎曲90°，直至斷裂或達到技術條件中規定的彎曲次數。折彎的半徑r越小，反復彎曲的次數越多，其成形性能越好。這種試驗主要用于鑒定厚度在2mm以下的板料。圖1-8b所示為評價較厚板料彎曲性能的試驗裝置，當凸模彎曲直徑d越小時，所彎角度越大，板料的彎曲成形性能越好。該試驗可用于鑒定厚度在4mm以下的板料。圖1-8c所示為Swift杯形件拉深試驗，是以求極限拉深比LDR（Dmax/dp）作為評定板材拉深性能的試驗方法，其凸模直徑dP為32.50mm、圓角半徑為4.5～5.5mm，適用板厚范圍相應為0.32～1.3mm或者0.45～1.86mm。

用不同直徑的平板毛坯拉深時，通常以拉深比0.025為單位改變毛坯直徑，并以不發生破裂所能拉深成杯形件的最大毛坯直徑Dmax與凸模直徑dp之比作為極限拉深比LDR，同時，還要探索合適的壓邊力范圍，以便減小其對LDR值的影響。

（2）脹形試驗 艾利克森杯突試驗和液壓脹形試驗均是評價各種板材脹形性能的試驗。圖1-9所示為艾利克森杯突試驗裝置（見圖1-9a）以及試驗標準極限杯突值（見圖1-9b），這是一種國際上廣泛采用的試驗方法。

ISOR149規定，球形凸模半徑?20mm，凹模內徑?27mm、外徑?55mm，凸、凹模圓角半徑均為0.75mm，壓邊圈厚度大于20mm、外徑?55mm，試驗適用于0.5～2.0mm的板厚，且試樣凹坑至邊緣最短45mm以上。

GB/T4156—2007規定，球形凸模半徑R10mm，壓邊圈尺寸未作規定，試件規格為70mm×80mm，其他參數與國際標準相同。試驗適用于一般板厚≤2mm，必要時2～4mm的板料，且試驗速度5～20mm/min。

2．工藝性能指標

材料對各種沖壓成形方法的適應能力稱為材料的沖壓成形性能。材料的沖壓成形性能好，就是指其便于沖壓加工，單個沖壓工序的極限變形程度和總的極限變形程度大，生產率高，成本低，容易得到高質量的沖壓件。板料沖壓成形性能是一個綜合性的概念，沖壓工藝性能應包括抗破裂性、貼模性和定形性等。

抗破裂性涉及板料在各種沖壓成形工藝中的最大變形程度即成形極限，板料的沖壓成形性能越好，板料的抗破裂性也越好，其成形極限就越高。

貼模性是指板料在冷壓過程中取得與模具形狀一致性的能力。成形過程中，由于各方面因素的影響，板料會產生內皺、翹曲、塌陷和鼓起等幾何面缺陷，使貼模性降低。

定形性是指零件脫模后保持其在模內既得形狀的能力。影響定形性的諸因素中，回彈是最主要的因素，零件脫模后，常因回彈過大而產生較大的形狀誤差，板料的貼模性和定形性是決定零件形狀尺寸精度的重要因素。

以下幾項力學性能指標能從不同角度反映材料的沖壓性能，其中重要的幾項有：

（1）均勻伸長率δb均勻伸長率δb是在拉伸實驗中開始出現拉伸縮頸時的伸長率。它表示材料產生均勻變形或穩定變形的能力。一般情況下，沖壓成形都是在板料的均勻變形范圍內進行的，所以δb對沖壓成形有較為直接的意義。δb越大，則材料的極限變形程度越大，越有利于沖壓成形。

（2）屈強比（σs/σb）屈強比是一項反映材料沖壓性能的綜合性指標。屈強比小，屈服強度σs與強度極限σb之間的差值大，允許的塑性變形區間大，這對所有的沖壓變形都是有利的。

（3）硬化指數n硬化指數n表示在冷塑性變形中材料的硬化程度。n值越大的材料，硬化效果越大，這對伸長類變形是有利的。由于變形硬化引起的變形抗力的增加可以補償因拉伸導致的局部截面積減小所引起的承載能力的減弱，因此阻止了局部集中變形的進一步發展，具有擴展變形區，使變形區均勻，從而起到增加變形程度的作用。

（4）板厚方向性系數γ板厚方向性系數γ是指板料試樣在拉伸實驗時，寬度應變εb與厚度應變ε1的比值，故又稱塑性應變比。沖壓成形時，一般希望變形發生在板平面方向，而厚度方向則不希望發生過大的變化。當γ值大于1時，表示寬度方向的變形比厚度方向的變形更大，即γ值越大，越有利于提高板料沖壓成形極限。

沖壓加工所用板料都是經過軋制的材料，由于纖維組織的影響，其各個方向的力學性能并不一致，因此，板厚方向性系數是從各個不同方向取樣，取其平均值作為標準的。

（5）板平面方向性Δγ當在板料平面內不同方向上截取實驗試樣時，實驗中所測得的各種力學性能、物理性能等也不一樣。板料這種力學性能、物理性能在板平面方向出現的各向異性，稱為板平面方向性，用Δγ表示。板平面方向性的大小可以用板厚方向性系數在幾個不同方向上的平均差別來衡量。板料的板平面方向性Δγ的存在，常會使拉深件口部出現凸耳，凸耳的大小和位置與Δγ有關，所以Δγ叫做凸耳參數。凸耳影響零件的形狀和尺寸精度，必要時需增加切邊工序。

1.5.2 常用鈑金材料的工藝性能

了解并分析鈑金材料的工藝性能對鈑金件加工工藝以及生產操作規范的制訂具有重要的意義，以下是一些常用鈑金材料的加工工藝性能。

1．普通碳素結構鋼的工藝性能

一般說來，鈑金件以普通碳素結構鋼（如Q195、Q215、Q235等）和優質碳素結構鋼（如08、10F、20等）最為常用，該類鋼種的冷或熱成形、氣割、碳弧氣刨、水火矯形等工藝性都已趨于完善，除在成形上因材料厚度增加受變形率限制，加熱受溫度上限限制外，其他限制不多。

在加工較厚板料時，為增加板料的變形程度及降低板料的變形抗力，多用熱成形或局部加熱毛坯的拉深成形工藝，但應避免在某些溫度區間加熱，如碳鋼加熱到200～400℃時，因為時效作用（夾雜物以沉淀的形式在晶界滑移面上析出）使塑性降低，變形抗力增加，這個溫度范圍稱為藍脆區，這時鋼的性能變壞，易于脆斷，斷口呈藍色；而在800～950℃范圍內，又會出現熱脆區，使塑性降低。因此在板料熱態拉深操作過程中，應特別注意實際變形熱壓的溫度不應處于藍脆區和熱脆區。在操作時，應考慮加熱設備與壓力機間的位置對變形熱壓溫度的影響，并謹慎使用降溫吹風設備，以避免藍脆及熱脆的發生。

2．合金鋼的工藝性能

常用于制造鈑金結構件的合金鋼通常為Q345（舊牌號為16Mn等）、Q390（舊牌號為15MnV等）等低合金高強度結構鋼，它們的工藝性能分別為：

（1）Q345 Q345鋼一般都是熱軋狀態供貨，不需要熱處理，特別是厚度小于20mm的軋材，其力學性能很高，因此熱壓后一般都直接使用。對于厚度大于20mm的鋼板，為提高鋼材的屈服強度和低溫沖擊韌度，可采用正火處理后使用。

另外，其氣割性能與普通低碳結構鋼相同。氣割邊緣1mm內雖有淬硬傾向，但由于淬硬區域很窄，可通過焊接消除，因此該鋼種的氣割邊緣不需機械加工，可直接進行焊接。

碳弧氣刨性能也與普通低碳結構鋼相同。氣刨邊緣內雖有淬硬傾向，但由于淬硬區域也很窄，可通過焊接消除，因此該鋼種的氣刨邊緣不需機械加工，可直接進行焊接。其結果與機械加工后進行焊接的熱影響區硬度基本相同。

與Q235相比，Q345鋼屈服強度都在345MPa以上，比Q235高，故冷成形力大于Q235鋼。對于大厚度熱軋鋼材，采用正火或退火后，冷成形性能能得到極大的改善。但當板厚達到一定厚度（t≥32mm）時，須在冷成形后進行去應力熱處理。

Q345鋼當加熱到800℃以上時，能獲得良好的熱成形性能，但加熱溫度不宜超過900℃，否則容易出現過熱組織，降低鋼材的沖擊韌度。

此外，Q345鋼經3次火焰加熱矯形并水冷后的力學性能無明顯改變，具有與原母材同樣的抗脆性破壞能力，因此該鋼種可以進行水火矯形，但對動載荷結構不宜采用水火矯形。

（2）Q390 較薄的Q390鋼板的剪切與冷卷性能與Q345鋼相似，但對板厚t≥25mm的熱軋鋼板，在剪切邊緣上容易隱存因剪切的冷作硬化引起的小裂紋。這種裂紋有可能在鋼材出廠前就已產生，因此，應加強質量檢查，一經發現應經過氣割或機械加工去除有裂紋的邊緣。此外，較厚的Q390鋼熱軋板，冷卷時容易產生斷裂，可通過930～1000℃的正火處理，提高其塑性和韌性，改善冷卷性能。

另外，該類鋼的熱成形和熱矯形性能良好，加熱溫度為850～1100℃熱成形時，多次加熱對屈服強度的影響不大，且氣割性能良好，碳弧氣刨性能也良好，碳弧氣刨對焊接接頭的性能無不良影響。

3．不銹鋼的工藝性能

不銹鋼的種類很多，由于化學成分和金相組織的不同，各類不銹鋼的力學性能、化學性質、物理性能也有較大差異，使不銹鋼材料應用的工藝難度相對增加。

鈑金加工中，常用的不銹鋼牌號有兩類：

甲類：馬氏體型不銹鋼，如12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13等。

乙類：奧氏體型不銹鋼，如12Cr18Ni9Ti、12Cr18Ni9等。

上述兩類不銹鋼具有如下加工工藝性能：

1）為了獲得好的塑性，應使材料處于軟態，所以要進行熱處理。甲類不銹鋼的軟化熱處理是退火，乙類不銹鋼的軟化熱處理是淬火。

2）在軟態下，兩類不銹鋼的力學性能都具有較好的加工工藝性，特別是具有較好的沖壓變形工藝性，適用于變形基本工序的沖壓加工，但不銹鋼的材料特性與普通碳鋼相比是大不相同的，即使是拉深用不銹鋼材料，其垂直塑性的異向性特性值也遠低于普通碳鋼，同時，又因為屈服強度高，冷作硬化嚴重，所以不僅在拉深過程中容易產生皺紋，而且板料在凹模圓角處產生的彎曲和反向彎曲變形引起的回彈，往往都會在制件的側壁形成凹陷或撓曲，故對于不銹鋼的拉深，需要有很高的壓料力，而且要求對模具進行細致的調整。

由于不銹鋼冷作硬化現象很強烈，拉深時容易產生皺褶，因此在實際操作過程中，要采取如下一些措施，以便保證拉深作業順利進行：

①一般要在每次拉深后進行中間退火，這是因為不銹鋼不像軟鋼那樣可以經過3～5次拉深再進行中間退火，通常是每經過一次拉深后就要進行中間退火。

②變形量大的拉深件，最終拉深成形后，要緊接著進行消除殘余內應力的熱處理，否則拉深件會產生裂紋。去內應力的熱處理規范是：甲類不銹鋼加熱溫度250～400℃，乙類不銹鋼加熱溫度350～450℃，然后在上述溫度下保溫1～3h。

③采用溫熱拉深方法可以得到較好的技術經濟效果。例如對12Cr18Ni9不銹鋼加熱到80～120℃，能減少材料的加工硬化和殘余內應力，提高拉深變形程度，減小拉深系數。但奧氏體不銹鋼加熱到較高溫度（300～700℃）時，并不能進一步改善其沖壓工藝性。

④拉深復雜零件時，應選用油壓機、普通液壓機等設備，使其在不高的拉深速度（0.15～0.25m/s）下變形，可以得到較好的效果。

3）與碳鋼或非鐵金屬材料相比，不銹鋼沖壓另一特點是變形力大，彈性回跳大。因此，為保證沖壓件尺寸和形狀的精度要求，有時要增加修整、矯正以及必要的熱處理。

4）奧氏體不銹鋼不同品種間的屈服強度差別較大，因此，在剪切、成形的工序中需注意加工設備的承受能力。

4．非鐵金屬材料及其合金的工藝性能

由于非鐵金屬材料及其合金在成形過程中會接觸到模具表面，因此對模具表面光滑程度的要求均較高。

（1）銅和銅合金 常用的銅和銅合金有純銅、黃銅和青銅。純銅和牌號為H62及H68的黃銅，沖壓工藝性均好，比較起來，H62比H68的冷作硬化強烈。

青銅用作耐蝕、彈簧和耐磨零件，不同牌號間性能差別較大。一般說來，青銅比黃銅的沖壓工藝性差些，且青銅比黃銅的冷作硬化強烈，需要頻繁的中間退火。

大部分黃銅和青銅在熱態下（600～800℃）具有較好的沖壓工藝性，但加熱會給生產上帶來許多不便，并且銅和許多銅合金在200～400℃的狀態下，塑性反而比室溫時有較大的降低，因而一般不采用熱態沖壓。

（2）鋁合金 鈑金構件中常用的鋁合金主要有鋁錳或鋁鎂合金、銅鋁合金、鋁鎂硅合金等。

鋁錳或鋁鎂合金（相當于舊牌號的防銹鋁）熱處理效果很差，只能通過冷作硬化來提高強度，它具有適中的強度和優良的塑性及耐蝕性。銅鋁合金（相當于舊牌號的硬鋁）及鋁鎂硅合金（相當于舊牌號的鍛鋁）屬于熱處理能強化的鋁合金。鋁鎂硅合金熱狀態下強度較高，熱處理強化效果差，在退火狀態下具有很好的塑性，適于沖壓和鍛造加工，銅鋁合金強度較高，熱處理強化效果好。

鋁錳或鋁鎂合金可用退火方法來獲得最大的塑性，銅鋁合金及鋁鎂硅合金既可用退火方法也可用淬火方法來獲得最大的塑性，它們在淬火以后的狀態有較高的塑性和對沖壓有利的綜合力學性能，因而具有比退火狀態更好的沖壓工藝性。

銅鋁合金及鋁鎂硅合金熱處理強化有一個特點，即淬火后隨時間延長逐漸強化，這種現象稱為“時效強化”。時效強化具有一定的發展過程，不同牌號材料的發展速度也不相同。由于這類鋁合金具有時效強化的特點，因此，對此類鋁合金的沖壓加工必須在時效強化發展完成之前進行，一般要求在淬火后1.5h內完成加工。

在鋁合金中，鋁鎂合金的冷作硬化比較強烈，因此用這類材料制造復雜零件時，通常要進行1～3次中間退火，在深拉深成形后還要進行消除內應力的最終退火。

為改善加工工藝性，生產中還采用鋁合金處于溫熱狀態下沖壓的工藝。溫熱沖壓多用于冷作硬化后的材料，材料經溫熱（100～200℃）后，既保留了部分冷作硬化又改善了塑性，可以提高沖壓變形程度和沖壓件的尺寸精度。

溫熱沖壓時，必須嚴格控制加熱溫度，過低會使沖壓件產生裂紋，過高又會引起強度急劇降低，也會產生裂紋。在沖壓過程中，凸模容易過熱，當它超過一定溫度后，就會使沖壓材料強烈軟化，引起拉深件斷裂。凸模溫度保持在小于60℃，可以提高溫熱拉深的變形程度。溫熱沖壓中，必須采用特制的耐熱潤滑劑。

（3）鈦和鈦合金 鈦和鈦合金的工藝性較差，其強度較高，變形力大，冷作硬化程度強烈，除少數牌號可以對變形不大的零件進行沖壓外，大多采用熱沖壓。熱沖壓的加熱溫度較高（300～750℃），且因牌號不同而不同，加熱溫度過高會使材料變脆，不利于沖壓。由于鈦是一種化學性質非?；钴S的元素，與氧、氫、氮等元素的化合所需溫度都不高，而與氧、氫、氮等生成的化合物都是產生脆性的主要因素，因此，鈦及鈦合金的加熱受到嚴格的限制。需要高溫加工時，必須在保護氣體中進行，或采用全保護的無泄漏包裝進行整體加熱。在生產鈦和鈦合金的沖壓件時，應采取盡可能低的沖壓速度。

此外，鈦材的切斷可采用機械方法，如鋸切、高壓水切割、車床切割、管切斷機床切割等。鋸切速度宜慢，絕不可以用氧乙炔焰等通過加熱的方法進行氣割，也不宜用砂輪鋸切割，以免切口的熱影響區受到氣體的污染。同時，切口處飛邊過大，還要增加飛邊處理的工序。

鈦和鈦合金管可以冷彎，但回彈現象明顯，回彈量通常在室溫下是不銹鋼的2～3倍，因此，鈦管的冷彎要處理好回彈量。此外，鈦管的冷彎彎曲半徑不得小于管外徑的3.5倍。冷彎時，可在管內填充經過干燥的河沙，并用木錘或銅錘夯實，以防止局部出現圓度超差或皺褶現象。彎管機冷彎時，應加芯軸。熱彎時，預熱溫度應在200～300℃之間。

若需90°翻邊，應分別用30°、60°、90°三套模具分次壓制，以免出現裂紋。