第3章弯曲工艺与弯曲模具

第3章弯曲工艺与弯曲模具3.1弯曲变形的分析3.2弯曲件的质量分析3.3弯曲件的结构工艺性3.4弯曲件毛坯展开长度的计算3.5弯曲力的计算3.6弯曲模工作部分结构参数的确定3.7弯曲模的典型结构0绪论弯曲：是通过把金属板材、型材或管材弯成一定角度和曲率，形成一定形状的工件的冲压工艺方法。典型的弯曲制件（见图3-1）常见的弯曲方法有：压弯、折弯、拉弯、滚弯、辊弯3.1弯曲变形的分析弯曲的概念弯曲材料：板料、棒料、型材、管材典型弯曲方式：U型弯曲V型弯曲图3-1各种典型弯曲制件举例V形件弯曲U形弯曲0绪论1.弯曲变形过程(图3-2)弯曲变形的特点：（1）弯曲件圆角部分的正方形网格变成了扇形；（2）在变形区内，外区（靠凹模一侧），纵向纤维受拉而伸长（bb＜bb）（3）板料的弯曲变形程度可用相对弯曲半径r/t来表示。r/t越小，表明弯曲变形程度大。（4）在变形区内，板料变形后将产生厚度变薄的现象，r/t越小，厚度变薄现象越严重。（5）变形区内板料横断面积的变化，视板料的宽窄而有所不同。弯曲前后坐标网格的变化(图3-3)变形区内板料横断面积的变化与宽板、窄板弯曲变形中，板料的宽窄一般指的是板料的相对宽度，板料相对宽度用b/t（其中b为板料的宽度，t为板料的厚度）来表示，一般将b/t＞3的称为宽板，b/t＜3的称为窄板。宽板弯曲时，宽度方向的变形受到限制，材料不易流动，因此其横断面积几乎不变，仍保持矩形，仅在两端可能出现翘曲，见图3-4（b）。窄板弯曲时，宽度方向的变形不受限制，其横断面积由矩形变成了扇形，见图3-4（a）。(a)(b)(c)(d)图3-2V形弯曲模内的弯曲变形过程(b)图3-3弯曲前后坐标网格的变化(a)(a)窄板（b/t3）(b)宽板（b/t3）图3-4弯曲时毛坯断面形状的变化0绪论一、冲压概念2.弯曲变形区的应力与应变状态弯曲开始时，相对弯曲半径r/t值很大，板料发生弹性弯曲。板料外层纤维受拉，内层受压，内外表面的切向应力绝对值最大，中心为零（如下图）。凸模下行，减小到r/t200时，板料处于线形弹塑性状态，即板料中心几附近区域为弹性变形，其他部分为塑性变形，弯曲进行至r/t值大约在(200r/t5)时，板料进入线形全塑性弯曲状态。当其进一步减小到r/t3~5时，则为立体塑性弯曲，此即模具弯曲最终状态。•窄板(b/t3)弯曲时，宽度方向可以自由变形，故其应力b0,内外层的应变状态是立体的，应力状态是平面的。•宽板(b/t3)弯曲时，由于宽度方向材料不能自由变形（宽度基本不变），即b0，故板料弯曲时内外层的应变状态是平面的，应变状态是立体的。图3-5自有弯曲时的应力应变状态0绪论一、冲压概念3.2弯曲件的质量分析3.2.1、最小弯曲半径由此可见弯曲件表面上的应变量（即断面上切向应变的最大值）与其相对弯曲半径r/t成反比关系。最大拉应变受材料性能（不拉裂）的限制，为获得良好的弯曲工件，r/t便有一定的限制。故常用r/t来表示弯曲的变形程度。r/t值越小，表示弯曲变形程度越大。r/t值越小，表示弯曲变形程度越大，即弯曲变形区外表面所受的拉应力与拉伸应变越大，当r/t小至一定的程度时，就会使弯曲变形区外表面发生破坏。在保证弯曲变形区外表面纤维不发生破坏条件下，工件能够弯成的内表面的最小圆角半径称最小（极限）弯曲半径rmin。rmin越小，表示材料的弯曲性能越好总之影响最小弯曲半径的主要因素如下：⒈材料的机械性能；⒉板材纤维的方向性；⒊弯曲件的宽度；⒋板材的表面质量和剪切断面质量；⒌弯曲角；⒍板材的厚度。最小弯曲半径可按表3-1选取表3-1最小弯曲半径rmi3.2.2、弯曲时的回弹及控制回弹的措施1、弯曲回弹现象弯曲回弹现象产生于弯曲变形结束后的卸载过程，是由其内部产生的弹性回复力矩造成的。弯曲件卸载后的回弹，表现为弯曲件的弯曲半径和弯曲角的变化，如图3-6所示。图3-6弯曲的回弹回弹量的大小，通常用弯曲件的弯曲半径（或弯曲角）与凸模相应半径（或角度）的差值来表示。即prrr弯曲半径的的改变弯曲角度的改变根据△r、△¢的正负回弹分为正回弹和负回弹2.影响弯曲回弹的因素（1）材料的机械性能材料的屈服极限越高、弹性模数越小、加工硬化越剧烈、其相应的弯曲变形的回弹也越大。图3-7（a）所示的两种材料屈服极限基本相同，但弹性模数不同（E1＞E2）。当弯曲件的相对弯曲半径相同时，加载过程中其外表面的切向变形数值相等，但在卸载时，这两种材料的回弹却不一样，弹性模数较大的退火软钢的回弹量小于软锰黄铜。图3-7（b）所示的两种材料，其弹性模数基本相同，而屈服极限不同。在弯曲变形程度相同的条件下，卸载时的回弹不同，经冷作硬化而屈服极限较高的软钢的回弹大于屈服极限较低的退火软钢。(a)(b)图3-7材料的机械性能对弹复值的影响Ⅰ，Ⅲ—退火软刚；Ⅱ—软锰黄铜；Ⅳ—退火后再经冷变形硬化的软刚（2）相对弯曲半径当相对弯曲半径较小时，弯曲毛坯外表面上的总切向变形程度增大，相应的塑性变形和弹性变形成分也都同时增大。但在总变形中，弹性变形所占的比例反而减小，所以，弯曲回弹量也相应的较小。同理，当相对弯曲半径较大时，其弯曲回弹量的数值也大，这就是曲率半径很大的零件不易弯曲成形的道理。相对弯曲半径对回弹的影响见图3-11图3-8相对弯曲半径对弹复值的影响（3）弯曲角弯曲角越大，意味着变形区的长度越大（如图3-9所示），回弹角也越大。但弯曲角的大小对曲率半径的回弹没有影响。图3-9弯曲角对的回弹的影响（3）弯曲角（4）毛坯非变形区的变形与弹复（5）弯曲力（6）摩擦（7）材料性能的波动3.减小弯曲回弹的措施（1）改进零件的结构设计在变形区增设加强肋，也可在零件上压出边翼（如图3-10所示），用以增加弯曲件的刚性，从而抑制弯曲回弹的产生。（a）（b）（c）图3-10在零件结构上考虑减小回弹（2）从工艺上采取措施在可能的条件下，用校正弯曲代替自由弯曲。或者尽可能的采用拉弯工艺代替其它弯曲工艺。尤其是相对弯曲半径很大的弯曲件，采用拉弯更能取得满意的效果。拉弯的特点是将毛坯先拉伸再弯曲，或先弯曲再拉伸。拉弯工艺的回弹量较小，如图3-11所示。图3-11拉弯工艺1-上模；2-夹子；3-弹簧；4-下模（3）利用弯曲回弹规律，从模具结构上考虑改变弯曲件变形区的应力状态，从而减小弯曲回弹。（4）对凸模的角度予以补偿根据弯曲回弹趋势及回弹值的大小，补偿凸模角度达到控制或减小弯曲回弹的目的。如V形件弯曲，将凸模角度减去一个回弹角，或将凸模圆角半径适当减小，卸载后正好补偿了回弹角△α1如图3-12所示。对于U形制件，将凸模两侧分别做出等于回弹角△α1的斜度，或将凹模底部做成弧形，卸载后可达到补偿弯曲回弹的目的，如图3-13所示。（a）（b）图3-12V形件凸模角度的补偿图3-13U形件补偿回弹的方法（2）采用摆动凹模或软凹模结构根据弯曲回弹方向和回弹值△(2)采用摆动凹模或软凹模结构根据弯曲回弹方向和回弹值△α1，将凹模圆角部分做成摆块结构，成形时摆块偏转一回弹角，卸载后工件将回弹至所需的弯曲角，如图3-14（a）所示。。图3-14（b）所示，是采用橡胶或聚氨酯软凹模，代替金属刚性凹模进行弯曲的示意图。如图所示，弯曲变形时，制件两直边绕凸模圆角向上折起，逐渐与凸模斜面贴合。因受聚氨酯侧压力的作用，制件直边部分不发生弯曲，且圆角部分所承受的单位压力较大，故减小了制件的回弹。（a）（b）图3-14摆动凹模与软凹模（3）采用可以改变应力状态的模具结构对于一般的材料，料厚在0.8㎜以上、弯曲圆角半径又不大时，可将凸模做成图3-15（a）所示的形状。在弯曲时通过对变形区进行整形（改变变形区的应力状态）来减小回弹，如图3-15（b）所示。也可采用增加压应力或减小凸、凹模间隙的办法，增加拉应变达到减小弯曲回弹的目的，如图3-15（c）所示。图3-16所示的模具结构，在弯曲成形时产生切向推力，可减小弯曲回弹。（a）（b）（c）图3-15改变变形区应力状态减小回弹的模具结构（a）（b）图3-16切向推力的模具3.3弯曲件的结构工艺性3.1弯曲件形状与尺寸的对称性某些不易弯曲的零件，先在弯曲角内压槽（工艺槽）后再进行弯曲，如图3-17所示。弯曲件的形状与尺寸应尽量对称，高度也不宜相差太大。当冲压不对称的弯曲件时，因受力不均匀，毛坯容易偏移，尺寸不易保证，如图3-18所示。弯曲件形状应力求简单，边缘有缺口的弯曲件，若在毛坯上先将缺口冲出，弯曲时会出现叉口现象，严重时难以成形。这时必须在缺口处预留连接带，弯曲后再将连接带切除，如图3-19所示。图3-17压槽后进行弯曲图3-18弯曲件形状对弯曲过程的影响0绪论一、冲压概念图3-19带缺口的弯曲件图3-20弯曲件的对称性图3-20所示零件虽然表面上看起来形状对称，但由于圆角尺寸不对称，弯曲时的摩擦阻力不同，仍会造成弯曲件尺寸精度不高，甚至弯曲失败。0绪论一、冲压概念3.2弯曲件的直边高度为了保证弯曲件的直边部分平直，其直边高度h应不小于2t，若h＜2t，则必须在弯曲圆角处先压槽而后再弯曲。或加长直边部分，待弯曲后再切掉多余的部分，如图3-21所示。当弯曲件直边带有斜角时，应避免使斜线进入弯曲变形区，以防止弯曲开裂。此类零件在工艺上应有一直边部分，其最小高度h＝（2～4）t，如图3-22所示。0绪论一、冲压概念图3-21弯曲件直边的高度图3-22直边带有斜角的弯曲件0绪论一、冲压概念3.3弯曲件的孔边距离弯曲件上的孔如果是预先冲制加工的，则要使孔位于变形区之外。孔边到弯曲半径中心的距离必须满足下列条件：当t＜2㎜，l≥t；当t≥2㎜，l≥2t；如图3-23所示。如果不能满足上述条件，可预先在弯曲线上冲制工艺孔，如图3-24（b）所示。0绪论一、冲压概念（a）（b）图3-23孔与弯曲部位最小距离图3-24弯曲件的孔边距0绪论一、冲压概念3.4弯曲件的工艺孔、槽及缺口在局部弯曲凸缘时，为防止在尺寸突变的尖角处产生撕裂现象，应改变弯曲件形状，使尺寸突变处远离弯曲线，如图3-25（a）所示。也可在尺寸突变处预先切出工艺槽，如图3-25（b）所示。图3-25（c）所示为预先冲出工艺孔。（a）（b）（c）图3-25防止尖角处撕裂的措施0绪论一、冲压概念图3-26所示的零件，根据需要设置了工艺孔、槽及定位孔。图（a）所示工件弯曲后很难达到理想的直角，甚至在弯曲过程中变宽、开裂。如果在弯曲前加工出工艺缺口（M×N），则可以得到理想的弯曲件。图（b）所示的工件，在弯曲处预先冲制了工艺孔，效果与图（a）相同。图（c）所示的工件，要经过多次弯曲，图中的D是定位工艺孔，目的是作为多次弯曲的定位基准，虽然经多次弯曲，该零件仍保持了对称性和尺寸精度，.（a）（b）（c）图3-26工艺孔、槽及定位孔3.4弯曲件毛坯展开长度的计算在计算弯曲件的毛坯尺寸时，必须首先确定中性层的位置，中性层的位置可用其弯曲半径ρ确定，ρ可按以下经验公式计算：ρ=r+xt（3-3）式中ρ——中性层弯曲半径，mm；r——内弯曲半径，mm；t——材料厚度，mm；x——中性层位移系数，见表3-2。3.4.1弯曲件中性层位置的确定表3-2中性层位移系数3.4.2弯曲件展开长度的计算圆角半径r0.5t的弯曲件，计算弯曲件展开长度时只需计算中性层展开尺寸即可圆角半径，r0.5t，的弯曲件，其展开长度应按体积不变原理进行计算。（1）圆角半径r大于0.5t的弯曲件的展开长度其展开长度等于所有直线段及弯曲部分中性层展开长度之和(图3-27)a计算直线段a、b、c…的长度。b根据表3-2查出中性层位移系数χ的值。c按公式（3-3）分别以r=r1、r2、r3计算ρ1、ρ2、ρ3.d按公式l=πρa/180°分别以ρ=ρ1、ρ2、ρ3…等各中性层弯曲半径与对应弯曲中心角1、2…计算各圆弧段的展开长度l1、l2…。e计算总展开长度L当弯曲件的弯曲角度为90°（图3-28），弯曲件展开长度计算可简化为123Labclll1.57()Labrxt图3-27圆角半