弯曲工艺与模具设计

第4章弯曲工艺与模具设计4.1弯曲变形过程分析4.2弯曲件质量分析及控制4.3弯曲工艺计算4.4弯曲工艺设计4.5弯曲模设计4.6弯曲模设计举例能根据弯曲件的废品形式分析其产生的原因，熟悉解决的措施。能完成典型弯曲件的工艺与模具设计。能力要求弯曲定义弯曲是指在冲压生产中，利用模具将制件弯曲成一定角度和形状的加工方法。弯曲示例生活中的弯曲零件用模具成形弯曲件一用模具成形弯曲件二弯曲使用的模具叫弯曲模扩展阅读4.1弯曲变形过程分析4.1.1弯曲变形过程V形弯曲件的弯曲过程l0l1l2lr0r1r2r第一节弯曲变形过程及变形特点一、弯曲变形过程图4-1ａ）弯曲前1—凸模式2—凹模在板料A处，凸模施加弯曲力形）或2P（V形），在凹模的圆角半径支撑点B处产生反力P，这样就形成弯曲力矩Ｍ＝ＰＬ，该弯曲力矩使板料产生弯曲。第一节弯曲变形过程及变形特点一、弯曲变形过程图4-2V形弯曲模校正弯曲过程弯曲开始阶段为自由弯曲，随着凸模下压，板料的弯曲半径与支撑点距离逐渐减小。在弯曲行程接近终了时，弯曲半径继续减小，而直边部分反而向凹模方向变形（图ｃ），直至板料与凸、凹模完全贴合。第一节弯曲变形过程及变形特点一、弯曲变形过程图4-3a）弯曲前b）弯曲后二、弯曲变形程度及其表示方法1.弯曲变形程度及其表示（r/t）图4-5各种弯曲的应力分布a）弹性弯曲b）没有硬化的弹—塑性弯曲c）没有硬化的纯塑性弯曲d）、e）有硬化的弹—塑性弯曲和纯塑性弯曲设弯曲变形区应变中性层曲率半径为ρ，弯曲中心角为α，则距应变中性层为y处的材料的切向应变为εθ＝ln＝ln(1+)≈ρ切向应力σθ为σθ＝Ｅ式中E——材料的弹性模量。(ρ＋y)αραρｙｙρy二、弯曲变形程度及其表示方法2.弹—塑性弯曲与纯塑性弯曲概念图4-5各种弯曲的应力分布a）弹性弯曲b）没有硬化的弹—塑性弯曲c）没有硬化d）、e）有硬化的弹—塑性弯曲和纯塑性弯曲三、宽板与窄板弯曲变形区的应力、应变分析图4-6弯曲变形的应力与应变状态ａ）窄板(1)窄板弯曲板料在弯曲时，主要表现是内、外层纤维的压缩和伸长，切向应变是最大的主应变，其外层应变为正，内层应变为负。三、宽板与窄板弯曲变形区的应力、应变分析(２)宽板弯曲宽板弯曲时，切向和厚度方向的应变与窄板相同。在宽度方向，由于板料宽度宽，变形阻力较大，弯曲后板宽基本不变，因此内、外层宽度方向的应变接近于零（ε2≈０）。图4-6弯曲变形的应力与应变状态ａ）窄板弯曲方式a）自由弯曲b）校正弯曲a1b14.1.2弯曲变形特点弯曲后弯曲前五、板料塑性弯曲的变形特点1.应变中性层位置的内移板料在弹性弯曲时，应变中性层位于板料横断面中间，塑性弯曲时，设板料原来长度、宽度和厚度分别为l、b、t。图4-9应变中性层的确定板料弯曲时，外层纤维受拉使厚度减薄，内层纤维受压使厚度增加。由于应变中性层的内移，外层拉伸区逐步扩大，内层压缩区不断减小，外层的减薄量大于内层的增厚量，从而使板料的厚度变薄。根据材料塑性变形体积不变的条件，厚度的减薄必然使板料的长度增加。五、板料塑性弯曲的变形特点2.变形区内板料的变薄和增长五、板料塑性弯曲的变形特点3.变形区板料剖面的畸变、翘曲和破裂相对宽度b/t较小的板料弯曲时，由于外层材料切向受拉，引起板料宽度和厚度的收缩。图4-10板料弯曲后的畸变、翘曲和破裂ａ）翘曲ｂ）翘曲和不平ｃ）拉裂宽板弯曲窄板弯曲弯曲毛坯的横截面变化情况弯曲变形区的变形特点工件分成了直边和圆角两个部分，变形主要发生在圆角部分，圆角是弯曲变形的主要变形区。变形区变形不均匀：外区切向受拉伸长；内区切向受压缩短，出现应变中性层——变形前后长度不发生变化的金属层。变形区厚度变薄，η＝t’/t≤1，变薄程度与r的大小有关。横截面的变化：宽板不变，窄板内区变宽、外区变窄。4.1.3弯曲变形区的应力应变状态4.2弯曲件质量分析及控制4.2.1弯裂4.2.2回弹4.2.3偏移4.2.4板料横截面的畸变和翘曲变形4.2.5变形区变薄和弯曲件长度增加……弯裂是指弯曲变形区外层材料产生裂纹的现象。产生弯裂的主要原因是弯曲变形程度超出被弯材料的成形极限。弯裂可以避免。4.2.1弯裂（1）弯曲变形区的内圆角半径r称为弯曲半径。（2）弯曲半径与板料厚度的比值r/t称为相对弯曲半径。（3）弯曲时板料最外层纤维濒于拉裂时的弯曲半径称为最小弯曲半径rmin。（4）最小弯曲半径与板料厚度的比值称为最小相对弯曲半径rmin/t。（5）制件被弯曲加工的角度，即弯曲后制件直边夹角的补角α1称为弯曲角。（6）弯曲后制件直边夹角的对角α称为弯曲中心角。（7）弯曲后制件直边的夹角θ称为弯曲件角度。弯曲工艺各参数定义：1.弯曲变形程度r/t——表示弯曲变形程度大小。r/t越小，弯曲变形程度越大，有一最小相对弯曲半径rmin/t2.最小相对弯曲半径及其影响因素1)材料的力学性能：塑性好，rmin/t小。2)板料的纤维方向：弯曲线与纤维方向垂直，rmin/t小最小相对弯曲半径是指板料弯曲时最外层纤维濒于拉裂时的弯曲半径与板料厚度的比值影响最小相对弯曲半径的因素：3)板料的表面质量和侧边质量：表面质量和侧面质量好，rmin/t小4)板料的厚度薄：rmin/t小……3.最小弯曲半径的值见表4-24.控制弯裂的措施（1）选择塑性好的材料进行弯曲，对冷作硬化的材料在弯曲前进行退火处理。（2）采用r/t大于rmin/t的弯曲。（3）排样时，使弯曲线与板料的纤维组织方向垂直。（4）将有毛刺的一面朝向弯曲凸模一侧，或弯曲前去除毛刺。避免弯曲毛坯外侧有任何划伤、裂纹等缺陷。影响材料最小弯曲半径的力学性能主要是塑性，材料塑性指标（ε、δ、ψ等）越高，其弯曲时塑性变形的稳定性越好，可以采用的最小弯曲半径越小。最小弯曲半径一、影响最小弯曲半径的因素1.材料的力学性能弯曲中心角越小，圆角部分外表面纤维的变形分散效应越显著，最小弯曲半径的数值也越小。最小弯曲半径一、影响最小弯曲半径的因素2.零件弯曲中心角的大小板料经过多次轧制，其力学性能具有方向性，因此弯曲件的弯曲线与板料轧制方向垂直时，最小弯曲半径数值最小；弯曲件的弯曲线与板料轧制方向平行时，则最小弯曲半径最大。所以对于ｒ／ｔ较小的弯曲件，应尽可能使弯曲线垂直于轧制方向。如果零件有两个以上弯曲线相互垂直，可安排弯曲线与轧制方向成45°夹角。最小弯曲半径一、影响最小弯曲半径的因素3.板料的轧制方向与弯曲线夹角的关系弯曲件毛坯一般由冲裁获得，其断面存在冷作硬化层，弯曲时，冲裁件断面上的断裂带及毛刺在拉应力作用下会产生应力集中，导致弯曲件从侧边开始破裂。因此在弯曲前，应将毛坯上的毛刺去除。如弯曲件毛坯带有较小的毛刺，弯曲时应使带毛刺朝内（即朝弯曲凸模方向），以避免应力集中而产生破裂。最小弯曲半径一、影响最小弯曲半径的因素4.板料表面及冲裁断面的质量最小弯曲半径一、影响最小弯曲半径的因素5.板料的相对宽度图4-11板料相对宽度对最小弯曲半径的影响图4-11为弯曲件相对宽度b／t对最小弯曲半径的影响，当弯曲件的相对宽度较小时，其影响比较明显，但当b／t10时，其影响不大。弯曲变形区内切向应变在厚度方向呈线性规律变化，在外表面最大，在应变中性层为零。当板料厚度较小时，切向应变变化的梯度大，能很快地由外表面的最大值衰减为零，这样与切向变形最大的外表面相邻近的金属材料，可以起到阻碍外表面材料产生局部不稳定塑性变形的作用，因此可以得到较大的变形或采用较小的最小弯曲半径。最小弯曲半径一、影响最小弯曲半径的因素6.板料厚度二、最小弯曲半径值确定1.最小弯曲半径的近似理论计算由于影响最小弯曲半径大小的因素很多，因此计算结果与实际的rmin有一定的误差，在实际生产中主要是参考经验数据来确定各种材料的最小弯曲半径。二、最小弯曲半径值确定2.最小弯曲半径的经验值确定1.弯曲件分两次弯曲，第一次采用较大的弯曲半径（大于rmin），第二次按要求的弯曲半径弯曲。2.采用先退火以增加材料塑性再进行弯曲，以获得所需的弯曲半径，或者在工件许可情况下采用热弯。三、提高弯曲极限变形程度方法三、提高弯曲极限变形程度方法3.先在弯曲件弯曲圆角内侧开槽，如图所示，再进行弯曲。图4-12a）U形件b）V形件4.2.2回弹弯曲回弹是指弯曲件从模具中取出时，其形状和尺寸变得与模具不一致的现象，简称回弹或弹复或回跳。回弹的原因是塑性弯曲时的总变形是由塑性变形和弹性变形两部分组成，当外载荷去除后，塑性变形保留下来，而弹性变形会完全消失。1.回弹的表现形式p-00（１）弯曲半径的改变，由加载时的rp变为卸载时的r（２）弯曲件角度的改变，改变量：当时，称为正回弹当时，称为负回弹弯曲卸载后的回弹一、回弹原因及表现形式弯曲回弹的表现形式有两种。图4-15弯曲变形的回弹材料的屈极点σs越高，弹性模量E越小，弯曲变形的回弹也越大。若材料的力学性能不稳定，其回弹值也不稳定。材料的屈服点σs越高，则材料在一定的变形程度时，变形区断面内的应力也越大，因而引起更大的弹性变形，故回弹值也越大。弹性模量E越大，则抵抗弹性变形的能力越强，故回弹值越小。1.二、影响回弹的因素2.相对弯曲半径r/t相对弯曲半径r/t越小，弯曲变形区的总切向变形程度增大，塑性变形部分在总变形中所占的比例增大，而弹性变形部分所占的比例则相应减小，因而回弹值减小。反之，当相对弯曲半径越大，回弹值增大，这就是曲率半径很大的零件不易弯曲成形的道理。弯曲中心角α越大，表示弯曲变形区的长度越长，回弹积累值也越大，故回弹角Δα越大，但对弯曲半径的回弹影响不大。二、影响回弹的因素3.弯曲中心角α自由弯曲时的回弹角要比校正弯曲来得大,这是因为校正弯曲时，材料受到凸、凹模的压缩作用，不仅使弯曲变形区毛坯外侧的拉应力有所减小，并且在外侧靠近中性层附近的切向也出现和毛坯内侧切向一样的压缩应力。随着校正力的增加，切向压应力区向毛坯的外表面不断扩展，以致毛坯的全部或大部分断面均产生切向压缩应力。这样内、外层材料回弹的方向取得一致，使其回弹量比自由弯曲时大为减少。因此校正力越大，回弹值越小。二、影响回弹的因素4.弯曲方式及校正力大小U形件的回弹小于V形件。复杂形状弯曲件，若一次弯曲成形，由于在弯曲时各部分材料互相牵制及弯曲件表面与模具表面之间摩擦力的影响，因而改变了弯曲件弯曲时各部分材料的应力状态，这样使回弹困难，回弹角减小。二、影响回弹的因素5.工件形状在弯曲U形件时，模具凸、凹模间隙对弯曲件的回弹有直接的影响。间隙小，回弹减小。相反，当间隙较大时，材料处于松动状态，工件的回弹就大。二、影响回弹的因素6.模具间隙1）材料的力学性能:屈服极限越大、硬化指数越高，回弹量越大；弹性模量越大，回弹越小。2）相对弯曲半径:越大，回弹越大。3）弯曲中心角:越大，变形区的长度越长，回弹积累值也越大，故回弹增加。4）弯曲方式：校正弯曲的回弹比自由弯曲时大为减小。5）工件形状：形状越复杂、一次弯曲的角度越多，回弹越小。6）模具结构：带底凹模的回弹小。2.影响回弹的因素三、回弹值的确定1.理论计算图4-16弯曲时加载和卸载过程加载为沿折线OAB，卸载沿线段BC。在实际弯曲时影响回弹值的因素又较多，而且各因素相互影响，因此计算结果往往不准确，在生产实践中采用经验数值。各种弯曲方法与弯曲角度的回弹经验值可查有关手资料。三、回弹值的确定2.经验值选用四、提高弯曲件精度的措施1.改进弯曲件的设计在弯曲件弯曲变形区压制加强筋，以提高零件刚度来减少回弹。图4-17在弯曲变形区压制加强筋在制定弯曲工艺时，可采用校正弯曲来代替自由弯曲。对冷作硬化的硬材料，先进行退火，使其屈服极限降低后再进行弯曲。四、提高弯曲件精度的措施2.采取适当的弯曲工艺四、提高弯曲件精度的措施3.正确设计弯曲模1）对于软材料（Q215、Q235、10钢、20钢，H62软黄铜），其回弹角Δα＜5°，可在凸模或凹模上作出补偿角，并减小凸、凹模之间间隙来克服回弹。图4-18模具补偿角克服回弹四、提高弯曲件精度的措施3.正确设计弯曲模2）对于厚度在0.