金屬層狀復合材料沖壓成形問題分析

文/劉嘉庚，韓靜濤，張永軍·北京科技大學材料科學與工程學院

金屬層狀復合材料沖壓成形問題分析

文/劉嘉庚，韓靜濤，張永軍·北京科技大學材料科學與工程學院

劉嘉庚，北京科技大學在讀博士，從事層狀金屬復合材料的制備和性能研究以及晶體塑性有限元模擬。

金屬層狀復合材料由于具有優異的比強度，耐蝕耐磨性及導熱導電導磁等多功能性而越來越受到企業和科研工作者的關注。而作為半成品的金屬層狀復合材料需要經過復雜的深加工工藝才能生產出最終產品，像一些工程結構零件和大型壓力容器等需要經過沖壓加工得到。因此，研究沖壓工藝對金屬層狀復合材料的成形性能顯得尤為重要，而由于金屬層狀復合材料的沖壓成形比單一金屬要復雜的多，不僅要考慮沖壓加工的相關工藝參數，還要考慮金屬板各層的力學性能和變形協調能力。

金屬層狀復合材料整體力學性能

將兩種或多種材料經過某種工藝結合后，新形成的復合材料的整體力學性能相較于各層金屬的力學性能會有相應的改變，這主要體現在抗拉強度、抗剪強度、彎曲半徑和杯突試驗值。

⑴抗拉強度Rm，抗剪強度τb。例如，依據國標GB/T 13238-1991《銅-鋼復合板牌號、力學性能及應用》中的規定，最小抗拉強度Rm可以通過下式計算：

其中，Rm1、Rm2分別為基、復材抗拉強度下限值；δ1、δ2分別為基、復材厚度?？梢钥闯觯琑m為兩種材料的平均值。

⑵復合板彎曲能力。根據GB/T 17102 -1997《不銹復合鋼板冷軋薄帶和鋼帶性能》的規定，08Al和1Cr18Ni9復合后，彎曲半徑增大為單層的幾倍，抗彎能力顯著減小。

⑶復合板杯突試驗值。相同厚度的08Al和以08Al為基材的不銹鋼板對比，后者的杯突值要比前者小10%～11.5%，說明復合板在沖壓過程中更容易出現裂紋，沖壓性能較差。

金屬層狀復合材料沖壓加工中的主要問題

金屬層狀復合材料在沖裁加工過程中會出現單金屬材料相同的問題，其中沖裁間隙的選擇顯得很困難。對于單金屬來說，沖裁間隙直接與板料質量相關，像尺寸精度、斷面質量、毛刺、翹曲和斜角等。并且，不同的沖裁間隙會產生不同的沖裁力，對沖模壽命也有相當的影響。而對于多層金屬復合材料來說，由于基復層力學性能差異較大，復層厚度可根據服役要求設定，此時，復層厚度會發生變化，且一般較薄，此時，若選擇較大的沖裁間隙，當材料處于斷裂階段時，由于基復層強度的差異會導致分層的出現。

張旭起等在研究雙/多層復合帶材沖壓成形性方面給出了一些看法和建議：像沖壓過程中出現的起伏、打凸、壓筋、壓花和打標記等都與基材鋼的加工性能相當，但在縮口、擴口加工中推薦采用有芯加工，質量將更高一些。翻邊和扳邊成形時，容易出現分層剝離問題，尤其是在無預沖孔穿刺翻邊和穿孔翻邊，更容易在翻邊凸緣口部出現問題，當采用預沖孔翻邊時，孔口經過毛刺，情況明顯好轉。外緣翻邊即扳邊，只要變形程度不超過基材允許范圍就沒有問題。

金屬層狀復合材料彎曲分析

板料沖壓過程中還有一個重要的問題是回彈，下面以K. Yilamu對Al/SS復合板的V型彎曲研究為例來分析復合材料的回彈行為，厚度和彎曲角變化。

V型實驗裝置如圖1所示，凸模行程為8mm，在發生彎曲前復合板直線段的彎曲角測定為θ0，回彈后彎曲角為θ，所以，由于回彈所造成的彎曲角的改變（回彈角）為Δθ=θ0-θ。研究兩種彎曲形式：SS在內（SS與凸模接觸，記作SSin/Alout），Al在內（Al與凸模接觸，記作Alin/SSout）。

從圖2、圖3及表1可以看出，由于SSin/Alout和Alin/SSout在彎曲過程中厚度改變不同導致了SSin/Alout的彎曲角要小于Alin/SSout的彎曲角。SSin/Alout的彎曲角從1.56mm降低到1.37mm，而Alin/SSout的彎曲角則增加到1.66mm。通常來說，當包含強度較高和較弱的金屬層的復合材料受彎時，中性面一般出現在強度較高的金屬層。所以，對于SSin/Alout，拉應力主要由較厚的Al層承擔，因此，Al層的厚度是降低的，所以復合板整體的厚度也是降低的。而因為厚度降低，彎曲半徑就變得很小，因此彎曲角θ0就小。另一方面，對于Alin/SSout，較厚的Al層完全受壓，厚度增加，導致復合板整體厚度增加，因此彎曲半徑較大，彎曲角θ0較大。圖4所示為 Al/SS復合板厚度、彎曲半徑和彎曲角改變機理示意圖。

圖1 V型彎曲實驗裝置和實驗步驟

圖2 在給定8mm行程時發生回彈前的V型彎曲樣

表1 V型復合板厚度、彎曲角、凸模載荷及彎曲剛度

圖3 回彈后V型彎曲樣的中心部位

圖4 Al/SS復合板厚度、彎曲半徑和彎曲角改變機理示意圖

厚度改變會強烈影響凸模載荷。在同一板厚下，Alin/SSout所承受的彎矩要大于SSin/Alout所承受的彎矩，從而彎曲載荷也大。復合板各層布置形式對回彈角沒有太大的影響，但對彎曲角θ0有較大影響。彎矩是回彈的驅動力，而SSin/Alout的彎矩要小于Alin/SSout所受的彎矩，另一方面，彎矩剛度是回彈的抗力，SSin/Alout的彎矩剛度要小于Alin/SSout的彎矩剛度，正因為如此，彎矩的效應被彎曲剛度所抵消，因此，回彈角對復合板各層布置不敏感。

結論

金屬層狀復合材料沖壓的復雜性來源于各層力學性能的不同，以及在沖壓成形過程中各層的相互協調作用。成形缺陷，回彈是金屬層狀復合材料沖壓成形需要重點關注的。