零件加工工艺方案的确定与材料的关系及常用钣金材料的加工工艺性能

零件加工工艺方案的确定，不仅与加工零件的形状、精度、企业的结构设备等有关，还与零件所用的材料有很大的关系。即使是同一强度等级的材料，不同的加工材料的化学成分也会对零件的加工工艺产生不同的影响，直接影响钣金件的生产加工。因此，分析和了解不同材料的加工工艺特点，对钣金加工工艺的制定和生产操作规范有着重要的意义。以下是一些常用钣金材料的加工工艺性能。

普通碳素结构钢加工性能

一般来说，钣金件最常用的是普通碳素结构钢（如Q195、Q215、Q235等）和优质碳素结构钢（如08、10F、20等）。该类钢材的冷热成型、气割、碳弧气刨、水火矫正等工艺性能已十分完善。除成型时因厚度增加而产生的变形速率限制和加热温度上限外，其他限制不多。

在加工较厚的板料时，为了增加板料的变形程度，降低板料的变形抗力，常采用热成形或对毛坯进行局部加热进行深拉。但应避免在某些温度范围内加热。例如碳钢加热到200~400℃时，由于时效作用(夹杂物以析出物形式析出在晶界滑移面上)，塑性降低，变形抗力增大。这一温度范围称为蓝脆区，此时钢材性能变坏，易发脆，断口呈蓝色。在800~950℃范围内将出现热脆区，使塑性降低。因此，在板料热拉操作过程中，应特别注意实际变形和热压温度不要处于蓝脆区和热脆区内。 操作时应考虑加热设备与压机位置对变形和热压温度的影响，慎用冷却、吹气设备，避免产生蓝脆、热脆现象。

碳素结构钢

合金钢加工性能

制造钣金结构件常用的合金钢通常为16Mn、15MnV等低合金高强度结构钢，其工艺性能如下。

①16Mn。16Mn钢一般以热轧状态供货，不需要热处理。特别是厚度小于20mm的轧材，力学性能较高。因此，一般在热压后直接使用。对于厚度大于20mm的钢板，为提高钢的屈服强度和低温冲击韧性，可在正火处理后使用。

另外，它的气割性能与普通低碳结构钢相同，虽然在气割边缘1mm以内有硬化的倾向，但硬化区域很窄，可以用焊接的方法消除，因此，这种钢的气割边缘不需要进行机械加工，可以直接焊接。

碳弧气刨性能与普通低碳结构钢相同，虽然气刨刃口内部有硬化趋势，但硬化区域也很窄，可以通过焊接消除。因此，这种钢的气刨刃口不需要加工，可以直接焊接。其结果与焊接后热影响区的硬度经机械加工后基本相同。

与Q235相比，16Mn钢的屈服强度在345MPa以上，高于Q235，因此冷成形力大于Q235钢。对于厚的热轧钢板，经正火或退火处理后，冷成形性能可得到很大的改善。但当板厚达到一定厚度（t≥32）时，冷成形后必须进行消除应力热处理。

加热到800℃以上时，可获得良好的热成型性能，但16Mn钢的加热温度不宜超过900℃，否则容易出现过热组织，降低钢的冲击韧度。

另外，16Mn钢经过三次火焰加热和水冷后力学性能无明显变化，具有与原始母材相同的抗脆性破坏能力，因此该类型钢可以进行水火校正，但不适用于受动荷载结构。

合金钢

②15MnV。较薄的15MnV、15MnTi钢板的剪切性能和冷轧性能与16Mn钢相近，但对于厚度t≥25mm的热轧钢板，在剪切边缘很可能隐藏着因剪切而产生的冷作硬化引起的细小裂纹。这种裂纹可能在钢材出厂前就已存在。因此，应加强质量检查，一旦发现，应采用气割或机械加工的方法将裂纹边缘除去。另外，较厚的15MnV热轧钢板在冷轧过程中容易发生断裂，可在930~1000℃进行正火处理，以提高其塑性和韧性，改善冷轧性能。

此外该类钢还具有良好的热成型性能和热矫直性能，当热成型加热温度为850~1100℃时，多次加热对屈服强度影响不大。还具有良好的气割性能和碳弧气刨性能，碳弧气刨对焊接接头性能无不良影响。

具有相同工艺性能的15MnV类型钢还有15MnTi、15MnVCu、15MnVRE、15MnNTiCu等。

③09Mn2Cu、09Mn2。该类钢冷冲压性能良好，09Mn2Cu、09Mn2、09Mn2Si中厚钢板的冷轧加工性、热压加工性、气割、碳弧气刨、火焰矫正等加工性能与Q235相同。

④18MnMoNb。该钢缺口敏感性大，火焰切割后的切口容易硬化。为防止弯曲时产生裂纹，火焰切割后的钢板应在580℃保温1h进行消除应力退火。

合金钢

不锈钢的加工性能

不锈钢的种类很多，按化学成分可分为两大类，即铬钢和镍铬钢。铬钢中含有大量的铬或少量的镍、钛等元素；镍铬钢中含有大量的铬和镍或少量的钛、钼等元素。按金相组织的不同，又可分为奥氏体、铁素体、马氏体等几类。由于化学成分和金相组织的差异，各类不锈钢的力学性能、化学性能、物理性能等也存在较大差异，这使不锈钢材料应用的工艺难度相对增大。

常用的不锈钢等级有两种：

A类：马氏体铬钢，如1Cr13、2Crl3、3Crl3、4Crl3等。

B类：奥氏体镍铬钢，如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9等。

上述两类不锈钢均具有如下加工性能。

①为了获得良好的塑性，材料应处于软态，因此需进行热处理。A类不锈钢的软化热处理为退火，B类不锈钢的软化热处理为淬火。

②在软状态下，两类不锈钢的力学性能均具有良好的加工性能，特别是冲压变形加工性良好，适用于基本变形工序的冲压加工。但不锈钢的材料性能与普通碳素钢有很大差别，即使是用于深拉深的不锈钢，其垂直塑性各向异性特征值也比普通碳素钢低得多。同时，由于屈服点高，冷作硬化严重，不仅在深拉深过程中容易产生起皱，而且板料在凹模转角处的弯曲以及反向弯曲变形引起的回弹常常会在制件侧壁形成凹陷或挠曲。因此，对不锈钢的深拉深，需要很大的压制力，并且必须精心调整模具。

不锈钢

由于不锈钢的冷作硬化现象很强烈，在深拉时很容易产生皱纹。因此在实际操作过程中，应采取以下措施，以保证深拉顺利进行：一般在每次深拉后都应进行中间退火。不锈钢与软钢不同，可进行3～5次中间退火。通常，每次深拉后都要进行中间退火。对于变形较大的深拉件，在最后一次深拉后应立即进行消除残余内应力的热处理，否则深拉件将产生裂纹。消除内应力的热处理规范为：A类不锈钢加热温度为250～400℃，B类不锈钢加热温度为350～450℃，然后在上述温度下保温1～3h。温深拉方法可获得较好的技术经济效果。 例如将1Cr18Ni9不锈钢加热到80~120℃，可降低材料的加工硬化和残余内应力，提高深拉变形程度，降低拉深系数。但奥氏体不锈钢加热到较高温度(300~700℃)时，其冲压工艺性不能进一步提高。在拉深复杂零件时，应采用油压机、普通液压机等设备，以较低的拉深速度(约0.15~0.25m/s)使之变形，以取得较好的效果。

③不锈钢冲压与碳钢或有色金属相比，另一个特点是变形力大，弹性回弹也大。因此，为保证冲压件尺寸、形状的精度要求，有时还需要进行额外的修整、校正和必要的热处理。

④ 不同种类的奥氏体不锈钢屈服强度差别很大，因此在剪切、成型过程中要注意加工设备的承载能力。

不锈钢

有色金属及合金的加工性能

在成型过程中与有色金属及合金接触的设备对模具表面的光洁度要求很高。

①铜及铜合金

常用的铜及铜合金有纯铜、黄铜、青铜等。纯铜、黄铜H62、H68具有良好的冲压加工性，相比较而言，H62的冷作硬化性比H68强。

青铜用于制造耐腐蚀、弹簧及耐磨零件，不同牌号的性能差别很大。一般来说，青铜的冲压加工性比黄铜差，而且青铜在冷加工中的硬化程度比黄铜大，需要经常进行中间退火。

大多数黄铜和青铜在热状态下（600~800℃以下）具有良好的冲压加工性，但加热会给生产带来许多不便，而且铜和许多铜合金在200~400℃时的塑性比室温下低得多，因此一般不采用热冲压。

铜合金

②铝合金

钣金件常用的铝合金有硬铝、防锈铝、锻铝等。

防锈铝主要是铝锰或铝镁合金，热处理效果差，只能通过冷作硬化来改善，强度中等，塑性和耐蚀性优良。硬铝和锻铝是可以通过热处理强化的铝合金。锻铝多为铝镁硅合金，热态下强度高，热处理强化效果差，退火态下塑性好，适用于冲压、锻造加工。硬铝为铝铜镁合金，强度高，热处理强化效果好。

防锈铝经退火处理可获得最大限度的塑性，而硬铝和锻铝则需经退火或淬火处理才能获得最大限度的塑性，它们在淬火后的状态下具有较高的塑性及有利于冲压的综合力学性能，因此比退火状态具有更好的冲压加工性。

硬铝、锻铝都是可以通过热处理强化的铝合金，它们有一个特点就是淬火后随着时间的推移而逐渐强化，这种现象就叫“时效强化”。时效强化有一定的发展过程，不同牌号的材料发展速度也不同。由于这类铝合金具有时效强化的特点，所以这类铝合金的冲压加工必须在时效强化发展完成之前完成，一般车间要求淬火后1.5小时内加工完成。

在铝合金中，铝镁合金（多为防锈铝）具有很强的冷作硬化性，因此用该类材料制作复杂零件时，通常需要进行1至3次中间退火。深拉后还需要进行最终退火以消除内应力。

为了改善加工工艺性，生产中铝合金也多采用温热状态冲压。温冲压多用于冷作硬化材料，材料升温后（约100~200℃）保留部分冷作硬化，提高塑性，可改善冲压变形程度，提高冲压件尺寸精度。

温冲压时，必须严格控制加热温度。温度过低会使冲压件产生裂纹，温度过高则强度急剧下降，产生裂纹。在冲压过程中，冲头容易过热，超过一定温度时，冲压材料会强烈软化，使拉伸件断裂。温拉伸时，保持冲头温度低于50~75℃，可增加变形程度。温冲压时必须使用专用的耐热润滑剂。

铝合金

③钛及钛合金

钛及钛合金的加工性差，强度高，变形力大，冷作硬化性强。除少数牌号可采用冷冲压加工变形不大的零件外，绝大部分采用热冲压加工。热冲压加热温度较高(300~750℃)，且随牌号不同而不同。加热温度过高会使材料变脆，不利于冲压加工。由于钛是化学性质很活泼的元素，与氧、氢、氮等元素化合所需的温度不高，而与氧、氢、氮等生成的化合物是造成脆性的主要因素。因此，对钛及钛合金的加热受到严格限制。需高温加工时，必须在保护气体中进行，或整个加热必须在充分保护、无泄漏的封装中进行。操作钛及钛合金冲压件时，应采用尽可能低的冲压速度。

另外，钛材可用机械方法切割，如锯切、高压水切割、车床、切管机等。锯切速度应缓慢，切忌用氧-乙炔火焰加热气割，更不能用砂轮锯切割，避免气体污染切口热影响区。同时，如果切口处毛刺过大，应附加毛刺处理工序。

钛及钛合金管可进行冷弯，但回弹现象明显，通常为常温下不锈钢的2～3倍。因此，钛管冷弯时必须处理好回弹量。另外，钛管冷弯半径不得小于管外径的3.5倍。冷弯时，为防止局部椭圆或起皱，可在管内填入干河砂，并用木锤或铜锤压实。用弯管机冷弯时，应加芯棒。热弯时，预热温度应为200～300℃。

90°翻边应采用30°、60°、90°三套模具分批压制，以避免产生裂纹。

钛合金