文/劉嘉庚，韓靜濤，張永軍·北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

金屬層狀復(fù)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

劉嘉庚，北京科技大學(xué)在讀博士，從事層狀金屬?gòu)?fù)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(fù)合材料由于具有優(yōu)異的比強(qiáng)度，耐蝕耐磨性及導(dǎo)熱導(dǎo)電導(dǎo)磁等多功能性而越來越受到企業(yè)和科研工作者的關(guān)注。而作為半成品的金屬層狀復(fù)合材料需要經(jīng)過復(fù)雜的深加工工藝才能生產(chǎn)出最終產(chǎn)品，像一些工程結(jié)構(gòu)零件和大型壓力容器等需要經(jīng)過沖壓加工得到。因此，研究沖壓工藝對(duì)金屬層狀復(fù)合材料的成形性能顯得尤為重要，而由于金屬層狀復(fù)合材料的沖壓成形比單一金屬要復(fù)雜的多，不僅要考慮沖壓加工的相關(guān)工藝參數(shù)，還要考慮金屬板各層的力學(xué)性能和變形協(xié)調(diào)能力。

金屬層狀復(fù)合材料整體力學(xué)性能

將兩種或多種材料經(jīng)過某種工藝結(jié)合后，新形成的復(fù)合材料的整體力學(xué)性能相較于各層金屬的力學(xué)性能會(huì)有相應(yīng)的改變，這主要體現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彎曲半徑和杯突試驗(yàn)值。

⑴抗拉強(qiáng)度Rm，抗剪強(qiáng)度τb。例如，依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 13238-1991《銅-鋼復(fù)合板牌號(hào)、力學(xué)性能及應(yīng)用》中的規(guī)定，最小抗拉強(qiáng)度Rm可以通過下式計(jì)算：

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

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

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

金屬層狀復(fù)合材料沖壓加工中的主要問題

金屬層狀復(fù)合材料在沖裁加工過程中會(huì)出現(xiàn)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(duì)于單金屬來說，沖裁間隙直接與板料質(zhì)量相關(guān)，像尺寸精度、斷面質(zhì)量、毛刺、翹曲和斜角等。并且，不同的沖裁間隙會(huì)產(chǎn)生不同的沖裁力，對(duì)沖模壽命也有相當(dāng)?shù)挠绊?。而?duì)于多層金屬?gòu)?fù)合材料來說，由于基復(fù)層力學(xué)性能差異較大，復(fù)層厚度可根據(jù)服役要求設(shè)定，此時(shí)，復(fù)層厚度會(huì)發(fā)生變化，且一般較薄，此時(shí)，若選擇較大的沖裁間隙，當(dāng)材料處于斷裂階段時(shí)，由于基復(fù)層強(qiáng)度的差異會(huì)導(dǎo)致分層的出現(xiàn)。

張旭起等在研究雙/多層復(fù)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(xiàn)的起伏、打凸、壓筋、壓花和打標(biāo)記等都與基材鋼的加工性能相當(dāng)，但在縮口、擴(kuò)口加工中推薦采用有芯加工，質(zhì)量將更高一些。翻邊和扳邊成形時(shí)，容易出現(xiàn)分層剝離問題，尤其是在無(wú)預(yù)沖孔穿刺翻邊和穿孔翻邊，更容易在翻邊凸緣口部出現(xiàn)問題，當(dāng)采用預(yù)沖孔翻邊時(shí)，孔口經(jīng)過毛刺，情況明顯好轉(zhuǎn)。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(fù)合材料彎曲分析

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

V型實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，凸模行程為8mm，在發(fā)生彎曲前復(fù)合板直線段的彎曲角測(cè)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?jī)煞N彎曲形式：SS在內(nèi)（SS與凸模接觸，記作SSin/Alout），Al在內(nèi)（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(dǎo)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(dāng)包含強(qiáng)度較高和較弱的金屬層的復(fù)合材料受彎時(shí)，中性面一般出現(xiàn)在強(qiáng)度較高的金屬層。所以，對(duì)于SSin/Alout，拉應(yīng)力主要由較厚的Al層承擔(dān)，因此，Al層的厚度是降低的，所以復(fù)合板整體的厚度也是降低的。而因?yàn)楹穸冉档?，彎曲半徑就變得很小，因此彎曲角?就小。另一方面，對(duì)于Alin/SSout，較厚的Al層完全受壓，厚度增加，導(dǎo)致復(fù)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(fù)合板厚度、彎曲半徑和彎曲角改變機(jī)理示意圖。

圖1 V型彎曲實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟

圖2 在給定8mm行程時(shí)發(fā)生回彈前的V型彎曲樣

表1 V型復(fù)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(fù)合板厚度、彎曲半徑和彎曲角改變機(jī)理示意圖

厚度改變會(huì)強(qiáng)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(fù)合板各層布置形式對(duì)回彈角沒有太大的影響，但對(duì)彎曲角θ0有較大影響。彎矩是回彈的驅(qū)動(dòng)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?yàn)槿绱?，彎矩的效?yīng)被彎曲剛度所抵消，因此，回彈角對(duì)復(fù)合板各層布置不敏感。

結(jié)論

金屬層狀復(fù)合材料沖壓的復(fù)雜性來源于各層力學(xué)性能的不同，以及在沖壓成形過程中各層的相互協(xié)調(diào)作用。成形缺陷，回彈是金屬層狀復(fù)合材料沖壓成形需要重點(diǎn)關(guān)注的。