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1、1冲压纯净的钛板料的可锻模性陈复国*，冠华工业区机械工程学，台湾立大学，台北 10764，台湾，中华民国2003 年 10 月 20 日标准； 2005 年 4 月 12 日以修改过的形式接受； 2005 年 5月 4 日发表。摘要：由于密排六方（羟基喜树碱）的晶体结构，商业纯净的钛(CP 钛) 在室温下显示低延展性, 并且需要热量活化作用增加其韧性和成形性。在本研究中, 由实验性方法学 CP 钛板料在不同温度下的可模锻性。进行的拉伸试验第一次研究了 CP 钛板料在各种各样的温度下的机械力学行为 ，成形极限试验，V 型弯曲试验，和杯形件拉深试验测试冲压 CP 钛板料在各种各样的温度下的可模锻性
2、。实验结果表明，虽然 CP 钛板料的可模锻性被限制为以冷成形，但 CP 钛板料在室温下能形成薄元件。此外，V 型弯曲试验表明，在成形温度升高时可以减少其回弹。实验结果表明本研究可以帮助设计 CP 钛板料冲压模具。2005 年爱思唯尔公司保留权利所有。关键字：纯钛板；可成形性；成型极限；V 型弯曲；回弹- *通讯作者：电话：+886233662701，传真：+88623631755E-mail 地址：fkchenccms.ntu.edu.tw（F.-K.陈）。21.引言由于 CP 钛板料重量轻和比强度高，商业纯钛（CP 钛）一直是一种潜在的结构组件材料，并且最近受电子行业的广泛关注。因为 CP
3、钛在生产力方面的竞争力和优越的性能表现，其主要制造过程已形成。在制造工艺的压制成形之中，冲压件纯钛板料是特别重要的。由于用其能生产薄壁结构组件而被使用在电子产品方面, 譬如笔记本盖子, 移动电话等。CP 钛由于其六角形紧密堆积（HCP）结构在室温下通常显示有限的延展性。虽然可以在高温下提高其成形性，但是一个制造过程总希望在室温下进行。然而, CP 钛多数研究都集中于其微结构 1-4 , 并且关于 CP 钛板料冲压的性能文学研究不是很深入。在本研究中, 使用实验性方法研究了 CP 钛板料冲压的可模锻性。从实验中获得的关于 CP 钛板料从室温到 300 摄氏度的各种各样的温度范围内机械性能的结果。
4、另外,CP 钛板料的重要形成的特征, 譬如形成极限, 回弹和极限拉延比，都要被检测。2. CP 钛在各种各样温度下的力学性能测试应力应变关系是研究金属板成形性能的基本信息。如上所述，CP 钛板料的成形在室温下是有限的，但在高温下可以改善。为了探讨 CP 钛板料在不同温度下的机械性能，拉伸试验在室温到 300 摄氏度的不同温度下和 0.1/s，0.01/ s，0.001/ s，0.0001/ s 不同应变率下分别进行试验。拉伸标本是根据 ASTM标准，日本 1 级纯钛片厚度为 0.5mm 的拉伸试验标本准备的。该标本沿飞机相吻合的轧制方向 0，和角 45和 90的滚动方向切断。标本采用线切割切断
5、以避免边缘毛刺。拉伸试验进行使用的是 810 测试机。为了使试验在较高的温度下进行，加热炉安装在 MTS 810 试验机上。拉伸试验在标本被加热到 100，200，和 300前进行。测试时，标本的温度保持不变，直到标本被拉长失败。3图 1 标本在室温下获得的三个方向真是应力应变关系在本研究中,首先获得工程应力应变关系的实验数据，然后根据=。（1+e）和 =In（1+e）公式把其转换成真实应力应变关系，其中 和 分别是真实应力与真应变，。和 e 分别是电子工程应力与工程应变。CP钛板料在室温下获得在三个不同的方向标本真应力应变关系是参照图 1。观察图 1 中标本在各向异性的行为，可以看出，图 1
6、 中的 0标本比其它两个方向的标本具有较高的屈服强度和较大的伸长率，其中伸长率差异更为显著。图 1 中还指出，在三个发展方向中，0标本是显示一个重要加工硬化性能之间的标本。这些结果均符合参考文献中的 5 文献。在 5 文献中，研究人员发现，滑移变形开始阶段发生在 0和 90方向的试验。在进一步变形阶段，孪晶变形的增加速度在 0方向并产生更高的抗滑移位错，造成较大屈服强度值，加工硬化，和断裂伸长率。CP 钛板在室温下的平均屈服应力和延伸率分别是 352mpa 和28%。虽然 CP 钛板在室温下的屈服应力和延伸率与碳钢相比不利于拉伸工艺，但是它们相对浅产品冲压成形性的观点来看是可行的。4图 2 三
7、个方向标本变形前后图图 2 显示了变形前后三个方向的试样图。我们在图 2 中注意到，0标本断裂之前发生均匀变形，而 90标本显示一个明显的缩颈，45标本的变形模式介于它们两种模式之间。为了研究应变速率对 CP 钛变形的影响，还在室温下进行了拉伸试验，不同的内存的速度导致不同应变率分别为 0.1/s，0.01/s，0.001/s，和 0.0001/s。如图 3 所示的是 0标本在不同应变率下真应力应变关系。在图 3 中注意到，应力应变曲线重叠后，从 0.1/s 至 0.00 1/s 应变率下是一个显著的下降应力应变曲线。在拉伸 45和 90标本的试验中也可观察到同样的趋势。这表明 CP 钛的一个
8、稳定的应力应变关系下可以在应变率小于 0.001/s 下获得。CP 钛板料的真实应力应变关系覆盖在从室温到 300C 不同的温度范围内的标本 0方向被显示在图 4。图 4 中，测试执行的应变速率是 0.001/s。在图 4上可看出，CP 钛板在高温下表现出较好的可模锻性。测试更低温度的增量得到应力曲线比例。在图 4 中注意到，试样在室温至 100C 温度范围内观测时其伸长率不仅不增加，相反，在被加热到 100C 之前标本伸长率是变小的。5图 3 在室温下，各种应变率（1/s）0标本真实应力应变关系图 4 0标本在各种不同温度下的真实应力应变关系6图 5 45标本在各种不同温度下的真实应力应变关
9、系图 6 90标本在各种不同温度下的真实应力应变关系但是，在测试的温度超过 100C 时，其伸长率变大。更大的延伸在常温下是相当不寻常。但这种现象唯一发生在 0标本上。 45和 90标本在测试温度得到提升时，伸长率是不断增加的，分别显示在图 5 和图 6 上。0标本在室温下发生更大的延伸可能是由于在 0方向快速增长的孪生变形，导致更高的抵抗阻止脱臼滑动，并且造成更大的伸长。7另一种各向异性指数是塑性应变比，即 r 值，它的定义是在单轴拉伸试验中横向方向在与厚度方向塑性应变比。在本研究中，r 值是 0，45和 90标本的方向在室温拉伸测试中获得的。0，45和 90标本拉长到 20时测量的 r 值
10、分别是 4.2，2.2 和 2.1。由于更高的 r 值表示更好的冲压性能，故测量的 r 值表示 CP 钛在滚动方向比其它两个方向表现更好的拉深质量，并且 CP 钛各向异性再次被证实了有显著的差异。3冲压 CP 钛板料的可锻模性除了基本的机械性能之外，冲压 CP 钛板料还有可模锻性。在本研究中，成形极限测试在室温下进行，但是 V 型弯曲试验和杯形件拉深测试在不同温度下进行。对测试结果进行讨论并论证 CP 钛板在冲压过程的成形性能。3.1。成形极限测试由于 Kooler 和 Backofen6 在 1963 年提出的概念成形极限图（FLD），它是已被广泛接受为预言金属片形成裂缝的标准。在半球型冲床
11、上，使用不同宽度的金属片为标本进行拉伸测试以确定 FLD。标本是第一电化学上铭刻与环形的电网，它被拉长变形后将成隋圆形。工程测量的主要和次要轴关系分别被称为主要和次要应变。并且它们主要用在测量飞机上的应力应变。在本研究中，矩形标本有相同的长度，即 100 毫米，但以从 10 毫米到 100毫米以 10 毫米排列增加的不同宽度进行测试。类似与拉伸试验，CP 钛板在三个不同滚动的方向被切断，即 0，45和 90，作为各试样的大小。在测试过程中，试样夹紧在半成品冲床外围，其被拉长到超过 78 毫米时失败。该工程的主要和次要应力应变测量地点在最接近破裂处，每个标本的测量结果要被记录下来。主要和次要的应
12、力应变是以主要应力应变作为纵坐标，和曲线适合入应力应变点被定义为成形极限曲线。图表显示此形成极限曲线被称为成形极限图。FLD 是一个预言在冲压过程中发生断裂的非常有用的标准。根据前面的分析，CP 钛板能在室温下可成形。为了进一步确认其可行性，在室温下进行了成形极限测试。图 7 显示的是成形极限曲线。从测试结果看出，在图 7 中，主要应变是在曲线的最低点，并且也是平面应变变形处，其值是0.34。与被冷轧的钢或不锈钢相比较，这个值是低了些。然而，对于冲压薄产8品是可行的。图 7 显示的成形极限曲线表明 CP 钛在室温下成形有更大的可能性。这使得人们有可能在室温下使用 CP 钛板制造电子元件。图 7
13、 室温下的成形极限曲线图 8 V 型弯曲试验中使用的工具93.2。V 型弯曲试验由于 CP 钛板的弹性模数比钢要低，在弯曲的过程中可能有非常显著的回弹。在目前进行的研究中，V 弯曲试验测试了 CP 钛板在不同温度下回弹形成的产物。V 型弯曲试验所用工具用图 8 显示。在图 8 中能看到在下模有一个 90的开启角度。以试验的角度，冲压回弹半径，模具与冲床半径设置是从 0.5 毫米至5.0 毫米，在以 0.5 毫米依次增加。CP 钛板材厚度为 0.5 毫米，作为固定值使用的是长度 60 毫米，宽度为 15mm。为增加测试的温度，无论是模具还是标本都被封存在加热炉中。V 型弯曲试验不使用润滑剂，因为
14、摩擦条件对发生在 V型弯曲试验中回弹影响不大。在室温，100C，200C 和 300C 下分别进行弯曲试验。在弯曲试验后，弯曲试样的角度由 CMM 测量并计算获得回弹角度。图 9 三个方向的标本在室温下回弹和冲床半径之间的关系10图 10 三个方向的标本在 300C 下回弹和打孔半径之间的关系图 9 日和 10 显示是，分别在室温和 300C 条件下冲床半径与回弹之间的关系。看以上两图，冲床半径较小时，回弹减小与温度变化无关。在弯曲时，较小的冲压半径导致较大的塑性变形，因此减少了回弹的效果。在图 9 和图 10 中，负值回弹发生在冲压半径较小的情况下。这是因为在弯曲的过程开始时，板料是 V 形
15、状的平直的边被扭曲形成弧光，弧和负载应用在平的弧线，在弯曲过程的结束时，其复杂的应力分布结果导致负值回弹7。比较两个图并观察，不管冲头半径尺寸，当成形温度增加，回弹减少，这表明纯钛片不仅有较好的可锻性，但也遇到成形温度较高时少回弹。众所周知，回弹是由弹性模量和材料的屈服应力影响的。由于弹性模量不会随温度的变化而变化， CP 钛板料的屈服应力随温度升高而减少。高温形成回弹减退是因为纯钛在较高的温度下屈服应力较低。11图 11 用于杯形件拉深测试的工具图 12 不同成形温度的拉深杯3.3。杯形件拉深测试极限拉深比（LDR）的定义是循环圆直径（Do）与冲压直径（Dp）的比。在一个成功圆杯拉深处理中，
16、它是一个受欢迎的指数，用来描述金属板材的可锻模性。LDR 值越大，意味着更大的拉深深度，即一个更好的可锻模性。在本研究中，显示在图 11 是用于杯形件拉深测试的冲压和冲模工具。本试验是在室温下，100C 和 200C 分别进行测试。为了拉深测试在高温下进行，故采用了加热装置。为了获得一个成功的拉深工艺，坯料尺寸大小和压边力应适应调整以消除缺陷，如断裂和皱纹。如果在拉深测试时出现破裂，断开轴心力将以较小12的值进行调整直到破裂被消除，没有皱纹产生。当断裂力量的调整没有消除皱纹，减少断裂的方法会被尝试同时避免破裂。拉深测试采取压制皱纹，然而，在 LDR 测试中，坯料尺寸大小也是作为一个参数来确定 LDR 值。除了使用上述调整外，自冲头直径为 35 毫米，毛坯直径增加从 70mm 至最大的可能直径，增量定为 3.5mm 以方便计算 L
