深冲成形的力学分析
对圆筒容器成形也就是圆筒冲压进行力学解析，能理解深冲成形的成形性，圆筒冲压的构成要素有圆形钢板也就是坯料、冲头、冲模、防皱压板，圆筒成形是把材料从坯料转变为圆筒部件的加工方法，圆筒成形中坯料的变形状态如图2，在圆筒成形过程里，坯料凸缘的外周材料受到周向压缩从而发生压缩变形，因变形材料发生加工硬化并在材料内产生周向的压缩应力。为克服此压缩应力，继续深冲时，要对材料按流入方向（坯料半径方向）拉伸。结果是，凸缘部材料变形模式为“拉伸 - 压缩”模式（图2①）。从凸缘部流入冲模内形成圆筒侧壁的材料，受深冲所需拉伸力作用。因与圆筒侧壁对应的冲头直径固定，所以圆筒侧壁材料不会发生周向拉伸 - 压缩。因此，圆筒侧壁材料变形模式为“无宽度压缩的单一方向拉伸（平面应变）”（图2③）。圆筒侧壁上凸缘半径所在方向的拉伸力，通过冲头肩部施加于圆筒底部材料，致使圆筒底部材料承受“拉伸 - 拉伸”应力，圆筒底部材料的变形样式变为“拉伸 - 拉伸”模式（图2⑤）。所以，圆筒冲压部件的底面、侧壁、凸缘的变形模式呈现为，“拉伸 - 拉伸”、“平面应变”、“拉伸 - 压缩”模式。在过去几十年里，日本针对这种薄板的成形性开展了理论研究与试验研究，研究成果得到广泛认知，且被应用于实际的成形加工以及成形材料的开发。如图3所示，材料的深冲性，可通过冲头负荷P与材料断裂负荷Pcr来评价。冲头负荷P，是凸缘部的压缩变形抗力（图2①），是冲模R部的弯曲力-弯曲反弹抑制力（图2①→图2②→图2③的变形），是冲模R部与凸缘部摩擦力之和。在冲头行程与冲头负荷的关系曲线里头，有最大冲压负荷Pmax。把Pmax跟Pcr对比，两者一致点的极限深冲比LDR（圆形坯料直径与冲头直径的比），作为深冲性的评价值。在深冲性研究领域当中，福田展开相关研究时，一开始运用R.Hill的塑性各向异性理论公式，以及H.W.Swift的塑性不稳定条件，针对圆筒侧壁的断裂负荷Pcr展开了计算。因为凸缘部的变形状态于半径方向呈现出不均匀的态势，所以，借助依据凸缘几何尺寸而得出的深冲比，去求取半径方向均匀的变形数值。之后再借助前面提到的塑性各向异性理论公式，计算出圆筒冲压成形的最大负荷Pmax。
把得到的Pcr与Pmax之比称作极限深冲比提高系数，也就是等效冲压负荷，而后求出极限深冲比提高系数与r值、n值的关系，这里讲的r值是板材变形的厚度各向异性指标，钢板的r值越大，在拉伸力作用下，钢板厚度越易于增大，n值是加工硬化指数，图4是r值和n值对等效冲压负荷的影响，诸多试验证实，钢板的深冲性与钢板的r值存在很高的相关性。此外，冲头负荷包含冲压板材跟模具间的摩擦力，所以，对模具做涂层处理，涂覆冲压润滑油，能够提高冲压成形性。
有圆筒冲压成形这一深冲加工成形类型，还有方筒冲压成形，异形冲压成形，圆锥台冲压成形，方锥台冲压成形，球头冲压成形，帽形冲压成形等多种冲压成形模式 。
工业制品里，多是冲压成形制品，是这些成形模式组合而成的。在各种模式下，冲压成形性取决于冲头肩部处，部件材料的断裂负荷，取决于部件凸缘的变形抗力，还取决于摩擦抗力。
深冲用钢板
下面对深冲薄 钢板作简要介绍，深冲薄钢板是产业界在汽车部件、容器、建筑部件、电机壳体等方面使用最多的。到目前为止，许多应对各产业要求性能（加工性、焊接性、耐蚀性、装饰性）的薄钢板已经被开发出来。薄钢板的开发和汽车制造业紧密相关。为了抑制薄钢板成形时裂纹和皱折的出现，达成成形品的装饰性要求，提高冲压成形性，特别是深冲成形性薄钢板的开发得以开展。基于成形试验得出的结果，开发了优化化学成分以及制造工艺的技术，此技术能控制钢板晶粒取向，还能提高薄钢板深冲性。其中，连续退火对于优良深冲性钢板的开发与生产起到了很大作用。
存在软钢板，其中包括冷轧软钢板以及热轧软钢板，热轧软钢板依据总伸长率来开展分级，冷轧软钢板依照总伸长率与r值来进行分级，形状复杂且难成形部件主要采用深冲成形方法，所使用的冲压材料乃是伸长率与深冲成形性优良的薄钢板，此类深冲成形性优良钢板具有代表性的产品是把间隙、型元素C、N降低至极限程度的IF钢 。在生产IF钢时，先采用炼钢的真空脱气技术，通过该技术把C含量降低到50ppm以下，进而让其成为超低碳钢钢水，接着单一或复合添加Ti、Nb等碳化物形成元素，这些元素会与钢中的全部C、N形成析出物，以此将C、N固定。如此一来，在钢板冷轧后退火阶段的再结晶过程中，钢板的晶粒取向会优先形成能提高深冲性的晶粒取向，最终使钢板具备高r值的深冲成形性。当下，各钢铁企业已经能够批量生产C含量在20ppm以下的、深冲性优良的IF系冷轧钢板、镀锌钢板。另外，有相变诱发塑性的TRIP高强度钢板，并非是深冲用钢板，然而其n值高，因而具备优良的胀出成形性以及深冲成形性，缘由在于，钢中的残余奥氏体受加工发生马氏体转变之际，致使钢板拥有变形模式的依存性，部件凸缘的压缩变形部的残余奥氏体难以发生马氏体转变，故而变形抗力较小，而部件凸缘的拉伸变形部因TRIP效应，促使马氏体转变，让材料产生显著硬化。也就是说，部件凸缘具备较小的变形抗力，部件侧壁拥有较大的断裂抗力，这样的应力状态对深冲加工的开展是有利的。
深冲加工
可以进行利用加热的冲压加工，有不锈钢薄钢板的温间冲压成形，还有热冲压技术。温间冲压成形是这样的技术，它用加热装置对冲压模具加热，对防皱压板加热，用冷却剂对冲头冷却，然后进行深冲加工。金属材料在高温时会软化，这时凸缘的变形抗力下降，而冲头相对强度比较高，所以提高了深冲性。利用温间冲压成形方法，大大提高了不锈钢薄钢板的冲压深度。
热冲压成形方法，是把具有淬透性的钢板，由加热炉加热到奥氏体转变点以上的温度，在材料强度很低的状况下，对材料实施成形加工，于材料成形的时候，借助温度控制的模具，对成形材料进行急冷，进而制造出高强度部件。热冲压成形法具备的优点是，制品强度能够达到高达1500MPa的超高强度，制品的形状冻结性处于良好状态。然而，在热冲压加工过程中，凸缘部材料与模具接触后被冷却，致使变形抗力增大，深冲性相应有所下降。基于此，开发出了润滑利用方面的技术，模具形状优化方面的技术，提高成形速度方面的技术等，这些技术用于提高热冲压加工的成形性 。
本文为节选内容，全文请参阅《世界金属导报》26期B13。
