肖永通，伍超群，郭 鯉

廣東省工業(yè)分析檢測(cè)中心，廣東 廣州 510650

杯突試驗(yàn)是測(cè)定金屬板材成形性能的重要試驗(yàn)方法之一，通過杯突值來衡量板料的成形性能，已成為一種公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[1].一般認(rèn)為，合金板材的杯突值越高，板材的成形性能越好[2].在杯突值的實(shí)際測(cè)定中，杯突值的大小與潤(rùn)滑劑、杯突速度、壓邊力及摩擦條件有很大關(guān)系[3-4].本文采用小伺服壓力機(jī)對(duì)厚0.9mm的3003-O態(tài)鋁合金薄板進(jìn)行杯突試驗(yàn)，以研究杯突速度、壓邊力及潤(rùn)滑條件對(duì)鋁合金薄板杯突值的影響，從而獲得最佳的杯突試驗(yàn)參數(shù)，用于探討材料塑性成形的規(guī)律.

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)材料為0.9mm厚的3003-O態(tài)鋁合金薄板，其化學(xué)成分列于表1.根據(jù)GB/T4156-2007加工試樣，試樣尺寸為90mm×90mm，試樣表面光滑平整，邊緣光滑不扭曲.試驗(yàn)前將試樣用汽油清洗并擦干.

表1 3003-O態(tài)鋁合金薄板的化學(xué)成分Table 1 The compositions of 3003-O aluminum alloy

采用GBC-60W型半自動(dòng)數(shù)顯杯突試驗(yàn)機(jī)測(cè)定3003-O態(tài)鋁合金薄板的杯突值，試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示.試驗(yàn)中選用直徑20 mm球頭，凸模、凹模等模具尺寸列于表2.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 潤(rùn)滑條件對(duì)杯突試驗(yàn)的影響

在杯突速度為10 mm/min、壓邊力為10 kN的條件下，分別在無(wú)潤(rùn)滑、動(dòng)物油脂潤(rùn)滑、機(jī)油潤(rùn)滑和聚四氟乙烯薄膜潤(rùn)滑的條件下對(duì)鋁合金薄板進(jìn)行杯突試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表3.由表3可知，用聚四氟乙烯薄膜作潤(rùn)滑劑時(shí)，3003-O態(tài)鋁合金薄板的成形效果最好，其杯突值達(dá)8.2 mm；在無(wú)潤(rùn)滑的條件下，材料的杯突值僅為6.5 mm，鋁合金薄板的成形性能最差.這說明使用潤(rùn)滑劑有助于改善鋁合金板成形過程中的接觸摩擦狀態(tài)，使鋁板的應(yīng)變分布更趨于合理，從而提高板材的成形性能，其杯突值相應(yīng)提高.因此，在3003-O態(tài)鋁合金薄板杯突試驗(yàn)中，選擇聚四氟乙烯薄膜作為潤(rùn)滑劑，可獲得最佳的杯突值.

圖1 杯突試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Cupping test device

表2 杯突試驗(yàn)裝置模具尺寸Table 2 The mold size of cupping test device

表3不同潤(rùn)滑條件下合金薄板的杯突值
Table3Thecuppingvaluesofalloysheetsunderdifferentlubricatingconditions

潤(rùn)滑條件無(wú)潤(rùn)滑機(jī)油潤(rùn)滑動(dòng)物油脂潤(rùn)滑聚四氟乙烯潤(rùn)滑杯突值/mm6.57.37.88.2

2.2 杯突速度對(duì)杯突試驗(yàn)的影響

在壓邊力為10 kN、用聚四氯乙烯潤(rùn)滑的條件下，對(duì)厚度相同的薄板試樣進(jìn)行杯突試驗(yàn)，考察杯突速度對(duì)杯突值的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，杯突速度對(duì)杯突值影響較大.隨著杯突速度增大，杯突值呈先降后增的趨勢(shì).當(dāng)杯突速度小于10 mm/min時(shí)，隨著杯突速度的增大，杯突值小幅度降低.這是由于開始時(shí)隨杯突速度增加變形區(qū)域快速變薄，隨著杯突過程的繼續(xù)進(jìn)行所需的載荷迅速增大，直至超出金屬材料的承受能力，造成該處金屬過早發(fā)生局部流動(dòng)而失穩(wěn)斷裂.當(dāng)杯突速度大于15 mm/min時(shí)，隨著杯突速度增大杯突值增加，但杯突值的穩(wěn)定性變差.

在杯突速度較低和較高的情況下，試樣破裂的形貌如圖3所示.從圖3可以看出，試樣存在明顯的頸縮和屈服延伸現(xiàn)象.當(dāng)杯突速度較低時(shí)，圖3(a)顯示試樣變形均勻，破口較小.當(dāng)杯突速度較大時(shí)，圖3(b)顯示試樣的破口較大.這是由于當(dāng)杯突速度過高時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)存在延緩動(dòng)作，沖頭稍延遲停止，杯突深度偏高，導(dǎo)致破口部分裂縫偏大，杯突值偏高.同時(shí)，杯突值也變得不穩(wěn)定，此時(shí)所測(cè)的杯突值的準(zhǔn)確性偏低.綜合考慮杯突試驗(yàn)速度及準(zhǔn)確性這兩方面因素，杯突速度為10 mm/min時(shí)，既能夠保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，又能夠提高試驗(yàn)效率.因此，選擇杯突試驗(yàn)速度為10 mm/min較合適.

圖2 杯突值與杯突速度的關(guān)系曲線Fig. 2 The relationship between speed and cupping value

圖3 試驗(yàn)后試樣形貌(a) 杯突速度較低；(b)杯突速度較高Fig.3 The samples after experiment(a)low cup drawing speed;(b)high cup drawing speed

2.3 壓邊力對(duì)杯突試驗(yàn)的影響

在杯突速度為10 mm/min、用聚四氯乙烯潤(rùn)滑的條件下，考察壓邊力對(duì)杯突試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，當(dāng)壓邊力小于10 kN時(shí)，隨著壓邊力的增大杯突值大幅度降低.主要是因?yàn)閴哼吜^小時(shí)，材料在杯突試驗(yàn)過程中出現(xiàn)滑動(dòng)，使試驗(yàn)壓頭施加給材料的力小于實(shí)際的力，進(jìn)而導(dǎo)致材料杯突值偏大.而隨著壓邊力逐漸增大，材料在杯突過程中滑動(dòng)的現(xiàn)象逐漸消失，使材料的杯突值降低.當(dāng)壓邊力大于10 kN時(shí)，隨著邊緣壓力的增加，材料的杯突值趨于平穩(wěn).一方面由于壓邊力大于10 kN后，3003-O態(tài)鋁合金材料的流動(dòng)性達(dá)到穩(wěn)定，材料的變形趨于穩(wěn)定；另一方面壓邊力與壓模及固定模之間的正壓力成正比，且試樣杯狀變形主要限于壓模與固定模之間未被擠壓部分.當(dāng)壓邊力大于10 kN時(shí)，壓邊力、壓膜壓力及固定膜壓力三者之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，未被擠壓部分與被擠壓部分達(dá)到穩(wěn)定，這樣杯狀變形穩(wěn)定，所得的杯突值較可靠.所以，杯突試驗(yàn)中選擇壓邊力大于10 kN可獲得較準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果.

3 結(jié) 論

以聚四氟乙烯薄膜為潤(rùn)滑劑、杯突速度為10 mm/min左右、壓邊力大于10 kN時(shí)， 3003-O態(tài)鋁合金薄板杯突試驗(yàn)的成形效果最好，杯突試驗(yàn)中可獲得準(zhǔn)確的杯突值.

圖4 杯突值與壓邊力的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between blank holder force and cupping value

參考文獻(xiàn)：

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