脹形試驗：評估材料成形性能的關鍵工藝

引言：認識脹形過程
脹形是一種典型的板材塑性加工方法，指在模具約束下利用壓力（如液壓、氣壓或剛性凸模）使平板坯料或空心坯料發生雙向拉伸變形，在厚度減薄、表面積增大的同時，獲得所需凸起形狀或中空零件的工藝過程。脹形試驗正是為了科學評估材料在復雜雙向拉伸狀態下的成形性能而設計的標準化實驗方法。

試驗核心目的與意義
該試驗的核心價值在于量化材料在特定條件下的極限變形能力：

• 極限脹形高度 (H)： 試樣在破裂前能夠達到的最大凸起高度（針對平板脹形）。
• 脹形系數 (K)： 空心件脹形時衡量極限變形程度的指標，通常表示為工件最大直徑與原始直徑之比（K = D_max / D₀）或其倒數（脹形深度系數）。
• 脹破壓力 (P_b)： 使材料發生破裂的最小內部壓力。
• 成形極限圖 (FLD)： 通過測量脹形試樣表面不同區域的應變，繪制臨界應變組合曲線，直觀預測不同應變路徑下的材料破裂風險。

這些關鍵參數是材料選擇、模具設計、工藝參數優化（如壓力加載路徑、壓邊力、潤滑條件）以及預測零件可制造性的核心依據，對提升沖壓件質量、減少試模成本至關重要。

脹形試驗典型方法
根據試樣形態和目標，主要分為兩大類：

1. 平板脹形試驗

   • 原理： 將圓形或方形金屬薄板試樣牢固夾緊在帶有特定孔徑（凹模孔）的模具之間。通過剛性凸模下壓或施加可控液體/氣體壓力于試樣一側，使其在凹模孔內發生雙向拉伸變形，形成球面或類似形狀凸包。
   • 測量參數：
     • 極限脹形高度 (H_max)： 試樣破裂瞬間凸包頂點的高度。
     • 脹形深度-壓力曲線： 記錄壓力增加與凸包高度變化的對應關系。
     • 網格應變分析： 試樣表面預先印制規則細小網格，脹形后通過光學測量系統（如數字圖像相關法DIC）精確測定網格節點的位移，計算主應變分布，最終獲取材料的成形極限曲線(FLC)。

2. 管材/筒形件液壓脹形試驗

   • 原理： 將管狀或預成形的筒形試樣兩端密封固定于模具內。向管內注入高壓液體（通常是水或油），使試樣在內壓作用下發生徑向膨脹變形。
   • 測量參數：
     • 極限脹形直徑/周長： 破裂前試樣中部能達到的最大直徑或周長。
     • 脹形系數 (K)： 極限脹形直徑(D_max)與原始直徑(D₀)之比 (K = D_max / D₀)。
     • 脹破壓力 (P_b)： 導致試樣破裂的最小內壓。
     • 壁厚分布： 脹形后不同位置的壁厚減薄情況。

試驗流程概要

1. 試樣制備： 按標準要求精確切割板材或選取管材試樣，清潔表面，必要時噴涂網格或散斑。
2. 設備安裝： 將試樣正確安裝于試驗機夾具或模具中，確保密封可靠（針對液壓/氣壓脹形）。
3. 參數設置： 在控制系統中設定加載速率（壓力增加速度或凸模位移速度）、目標壓力/位移、數據采集頻率等。
4. 執行加載： 啟動設備，按設定程序對試樣施加壓力或使凸模移動。實時監測壓力、位移/高度、圖像（用于應變分析）等信號。
5. 破裂判定與記錄： 密切關注試樣狀態（通常結合壓力曲線突變、視覺觀察或聲發射監測），準確記錄破裂瞬間的臨界參數（H_max, P_b, D_max等）。
6. 數據后處理： 對采集的數據進行分析，計算脹形系數、應變分布，繪制FLD等。
7. 結果報告： 詳細記錄試驗條件、材料信息、測量結果及分析。

試驗關鍵影響因素

• 材料特性： 材料的屈服強度、抗拉強度、延伸率、應變硬化指數(n值)、厚向異性指數(r值)是決定脹形性能的內因。n值高、r值高通常意味著更好的脹形能力。
• 試樣狀態： 厚度均勻性、邊緣質量、表面粗糙度、熱處理狀態。
• 工藝參數： 加載速度（應變速率）、潤滑條件（影響摩擦與應變分布）、壓邊力（平板脹形中約束法蘭流動）。
• 模具幾何： 凹模孔形狀與尺寸（圓孔、方孔等）、凸模頭部形狀（球頭、平頭等）、模具圓角半徑。
• 摩擦條件： 試樣與模具接觸面的摩擦系數直接影響應變分布和成形極限。

脹形試驗的廣泛應用

• 材料研發與選型： 對比不同牌號、批次材料的成形性能，為新材料應用提供數據支撐。
• 沖壓工藝設計與優化： 評估特定材料在目標零件（如汽車覆蓋件、廚具、容器等）脹形區域的成形風險，指導模具設計（如圓角、工藝補充面）。
• 質量控制與監控： 作為進料檢驗或生產過程監控的手段，確保材料性能穩定。
• 基礎理論研究： 探究材料在復雜應力狀態下的變形機理、損傷演化及斷裂準則。
• 有限元仿真驗證： 提供關鍵試驗數據，用于標定和驗證板料成形數值模擬軟件的準確性。

：不可或缺的評價手段
脹形試驗通過模擬實際生產中復雜的雙向拉伸變形狀態，為評估金屬板材與管材的成形性能提供了科學、量化的標準方法。其獲取的極限脹形高度、脹形系數、脹破壓力以及至關重要的成形極限圖，是連接材料本征特性與實際零件可制造性的核心橋梁。無論是材料研發、工藝設計還是質量控制，脹形試驗都是確保產品順利制造、性能可靠不可或缺的關鍵技術環節。深入理解和規范應用脹形試驗，對推動齊全制造業的發展具有重要的實踐意義。