压弯成型工艺分析与计算

压弯成型工艺主讲：刘贤文广东省机械研究所产学研中心第一章板料压弯工作原理第一节、压弯曲概述第二节、弯曲件的质量分析第二章、管子弯曲第一节、管子弯曲概述第二节、管材弯曲形式第三节、管子弯曲工艺分析第五节、管子最小弯曲圆角半径第六节、管子弯曲工艺方法第七节、弯曲回弹第四节、管子弯曲产生的椭圆度分析第一章板料压弯工作原理弯曲：弯曲方法：将板料、型材、管材或棒料等按设计要求弯成一定的角度和一定的曲率，形成所需形状零件的冲压工序。弯曲方法可分为在压力机上利用模具进行的压弯以及在专用弯曲设备上进行的压弯、绕弯、滚弯、拉弯等。生活中的弯曲件一、压弯曲概念：第一节、压弯曲概述二、钢板在压弯曲变形过程及特点1.弯曲变形过程图1-1所示为比较典型的V形校正弯曲，这里以此为例来说明材料弯曲变形的过程。图1-1弯曲过程ar=r0br=r1cr=r2d）r=r图1-2材料弯曲前后的网格变化2.弯曲变形的特点为了观察板料弯曲时的金属流动情况，便于分析材料的变形特点.1、板料弯曲时截面上弯曲正应力的分布规律。图1-3板的弯曲实验三、板料弯曲正应力。1）纤维变化情况：如上图所示，平面弯曲时，其横截面仍保持为平面，只产生了相对转动，一部分纵向“纤维”伸长，一部分纵向“纤维”缩短。中性层不变，其余的越远离中层性的纵向“纤维”伸长（或缩短量）越大。中性轴是横截面上压力、拉应力的分界线，中性轴上各点为压应力。以下的各点为拉应力。由虎克定律可知，横截面上各点的应力大小与所在点到中性轴z的距离y成正比，距中性轴越远的点应力截越大。1yEmaxmaxyy式1-12）中性轴上应力分析2、弯曲正应力的计算zMyzDdaaDdD；yz式中对于管子)1(05.0)(644444式中M为弯矩，y是中性层到外受力点距离。——惯性矩121233hbbh：yz矩形板料式1-2式1-3图1-4梁截面上的弯曲应力分布第二节、弯曲件的质量分析(1)最小弯曲半径rmin/t的概念:在板料不发生破坏的条件下，所能弯成零件内表面的最小圆角半径。常用最小相对弯曲半径rmin/t表示弯曲时的成形极限。其值越小越说明板料弯曲性能越好。一、最小弯曲半径rmin/t：最小弯曲半径rmin的数值查相关表图1-5板料弯曲状态及中性层位置二.弯曲件卸载后的回弹1、回弹现象。塑性弯曲时伴随有弹性变形，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，使弯曲件的形状和尺寸发生变化而与模具尺寸不一致，这种现象叫回弹。弯曲回弹的表现形式：图1-6弯曲时的回弹图1-7弯曲时的回弹2、回弹的表现形式：①弯曲回弹会使工件的圆角半径增大，即rz＞rp。则回弹量可表示为：Δr=rz-rp②弯曲回弹会使弯曲件的弯曲中心角增大，即α＜αp。则回弹量可表示为：Δα=α-αp3、回弹值的确定1）小圆角半径弯曲回弹：A、当相对弯曲角900时，半径r/t＜5～8时，弯曲半径变化很小,可以不考虑,仅考虑弯曲角变化回弹值时。可查附录P及有关冲压手册初步确定回弹值，再根据经验修正给定制造时的回弹量。然后在试模时进行修正。B、当弯曲角不是900时,其回弹角则用公式计算900902）按纯塑性弯曲计算，凸模圆角半径及角度按下式计算。当板料相对弯曲半径r/t＞5～8时，凸模圆角半径和中心角可按下式计算，在试模时再修正。EtrEtrrrssp31131pprr式中r——工件的圆角半径（mm）；rp——凸模的圆角半径（mm）；pt0180由于影响弯曲回弹的因素很多，而且各因素又相互影响，因此，计算回弹角比较复杂，也不准确。生产中一般是按经验数表或按力学公式计算出回弹值作为参考，再在试模时修正。α——工件的圆角半径r所对弧长的中心角；αp——凸模的圆角半径rp所对弧长的中心角。t——毛坯的厚度（mm）。E——弯曲材料的弹性模量（MPa）。σs——弯曲材料的屈服强度（MPa）。１)．材料的力学性能ES/越大，回弹越大。材料的力学性能对回弹值的影响1、3－退火软钢2-软锰黄铜4-经冷变形硬化的软钢(２).影响回弹的因素２)．相对弯曲半径越大，回弹越大。tr/tr/变形程度对弹性恢复值的影响３)．弯曲中心角越大，变形区的长度越长，回弹积累值也越大，故回弹角越大。5)．弯曲的形状.(U形回弹小于V形)校正弯曲圆角部分的回弹比自由弯曲时大为减小。校正弯曲时圆角部分的较小正回弹与直边部分负回弹的抵销，回弹可能出现正、零或是负三种情况。4）模具间隙,间隙越大,回弹也越大在弯曲U形件时，凸、凹模之间的间隙对回弹有较大的影响。间隙越大，回弹角也就越大。第二章、管子弯曲一、管子压弯(一)压弯原理和压弯变形特点1．压弯原理压弯是用机械加压的方法对金属材料施加弯矩，使其弯曲成形的方法。2、工艺一般按管坏直径和壁厚不同情况选择不同的加工工艺。小直径薄壁管冷弯大直径管材热弯第一节、管子弯曲概述管子弯曲一般分为压弯、挤弯、拉弯及专用弯管机弯曲等。3．压弯变形的特点压弯时金属材料产生外拉内压，材料中间有一层既不受拉也不受压的中性层。弯曲变形受最小弯曲半径的限制和材料回弹的影响。一、圆管子弯曲形式1、管子手动弯曲工具如图示：这类工具制造成本较低，调节方便，适用于弯件品种繁多，生产最小而又缺乏专有设备。第二节、管材弯曲形式图2-1.1中小型弯管工具2-1.2大型弯管工具2、管子弯模图2-1.3为管子弯槽结构，凹模3的凹槽直径小于管子直径0.3~0.4mm.为了使管子不发生畸变，管子在里外支承面的作用下，进行压弯。图2-1.3管子弯曲模2-1.4管子挤压模1—上模楔柱，2—斜楔支撑，3—成形下模。1—压柱；2—料腔；3—弯曲型模。3、管子挤压弯曲模把管子放在定位块2中，通过凸模1的挤压，管子被迫通过型槽中受挤压成形。见图2-1.5，凹模3由二块拼成。弯曲后，分开凹模取出工件2-1.5摆块式矩形管弯曲模二、矩形截面管件的弯曲1、单角弯曲模具结构见图2-1.6，凹模由两个可旋转的确良杠杆及夹组成。2-1.6矩形管弯曲模2-1.7切刀式矩形管弯曲模示意图a—短边弯曲；b—长边弯曲2-1.8矩形管切口式弯曲工件2、复杂形状的弯曲模具结构见图1.6，适用于弯曲较小半径（r=10~25mm）的矩形管件。矩形管件弯曲的填充料由0.1~0.3mm厚的成束弹簧钢带叠成，与管子的内形磨配，装入后再用0.5~3mm的楔楔住，弯事再卸除。3、用切发模专用压弯机上的弯曲，模具结构及刀口位置调整见图2-1.7，工件图见图2-1.8。弯曲半径R按下式计算：KtttlR.)(11t——矩形管壁厚1tlK——刀口切入深度——矩形管高度——系数，根据材料性能和生产试验确定三、杆形件螺旋弯曲各种杆形件见图2-1.92-1.9各种形状的杆形件用杆料（线材）来制造杆件形一般有以下几种方法：1、在专用夹具上挠弯。2、在车床上将线材卷绕在芯棒上，然后切断并校直3、使用复杂的楔形摆块弯模弯曲4、采用专用弯曲机进行自动弯曲。在以上方法中，前二种方法生产效较低，后二种方法生产效率高，但比较复杂，自动机的调整也较困难。在普通冲床上采用螺旋弯曲的方法，弯制各种杆形（线材）工件是一种的成形方法，螺旋弯曲不但模具结构简单，生产率高，调整、维修也方便。配备上自动送料机构后，可实现自动化或半自动化生产。第三节、管子弯曲工艺管材弯曲与板材弯曲相比，虽然从变形性质等方面看非常相似，但由于管材空心横断面的形状特点，弯曲加工时不仅容易引起横断面形状发生变化，而且也会使壁厚发生变化。因此，在弯曲加工方法、需要解决的工艺难点、产品的缺陷形式和防止措施、弯曲用模具及设备等方面，两者之间存在很大差别。我们知道，在纯弯曲的情况下，外径为D，壁厚为S的管子受外力矩M的作用而弯曲时，弯曲变形区的外侧材料受到切向拉伸应力的作用而伸长，从而使外侧管壁减薄:内侧材料则受到切向压应力的作用而缩短，从而使内侧管壁增厚。一、弯管工艺分析由于位于弯曲变形区最外侧和最内侧的材料所受的切向应力最大，故其管壁的厚度变化也最大。因此，外侧管壁会过量减薄。当变形程度过大时，最外侧管壁会产生裂纹，最内侧管壁会出现失稳而起皱。同时，由于弯曲内、外侧管壁上切向应力在法向的合力(外侧切向拉应力的合力N,向下，内侧切向压应力的合力N2向上)的作用，使弯曲变形区的圆管横截面在法向受压而产生畸变，即法向直径减小，横向直径增大，从而成为近似椭圆形(见图2-2.23)。变形程度越大，则畸变现象越严重。另外，由于从拉应力过渡到压应力的弹性阶段的存在，卸载时外层纤维因弹性恢复而缩短，内层纤维因弹性恢复而伸长，结果使工件弯曲的曲率和角度发生显著变化，与模具的形状和设计要求的形状不一致，造成弯曲回弹现象，降低了弯曲件的工艺精度。图2-2.1管子弯曲时的开裂与起皱（a）外侧开裂（b）内侧起皱二、管子弯曲变形过程管子在弯曲过程中，外侧受拉，管壁变薄；内侧受压，管壁增厚。当变形量过大时，外侧会开裂，内侧会起皱，见图2-2.1。三、弯管的椭圆度和减薄量1、弯管的椭圆度管材在自由弯曲时，其横剖面会产生很大的变形，且外侧管壁会减薄，内侧管壁相应增厚如图的示：变形取决于与相对弯曲半径是指管子中性层的弯曲半径R和管子外径D的比值RDRR图2-2。2弯管的截面变化图2-2。3弯管的椭圆度A—椭圆长轴直径b—椭圆短轴直径D—管子外径相对壁厚是指管子壁厚与管子外径的比值D。相对弯曲半径和相对壁厚的值越小，则弯曲变形越大，甚至造成外侧管壁破裂和内侧管壁起皱。管子弯曲后的椭圆度不应过大，应符合椭圆度E计算公式D%100)(DbaE%100])([1tttCt2、弯管减速薄量的计算管子弯曲后壁厚由于受拉，壁厚一般都有一定的减薄现象，其减薄率的计算公式为式中——弯曲前管坯的壁厚1t——弯曲后管子壁厚图2-82管子受力后弯曲变形情况000021DrtDttt——弯曲后外侧管壁厚0tDr——管材厚度——管材外径——弯曲半径，见图2-82图2-2.2管子弯曲时的开裂与起皱（a）有填料和芯子弯曲（b）无填料限制时的弯曲一般情况下，管子弯曲后剖面形状近似于椭圆，当有填料和芯子弯曲时，管子弯曲后剖面形状变化不大，见图2-2.2。弯管剖面形状为近似椭圆形时，管壁厚度变薄量可按下式计算：从工艺分析可知，常见的弯管缺陷主要有以下几种形式:圆弧处变扁严重(椭圆形)、圆弧外侧管壁减薄量过大、圆弧外侧弯裂、圆弧内侧起皱及弯曲回弹等。随着弯管半径的不同，前四种缺陷产生的方式及部位有所不同，而且不一定同时发生，而弯曲工件的弹性回弹却是不可避免的。弯管缺陷的存在对弯制管件的质量会产生很大的负面影响。管壁厚度变薄，必然降低管件承受内压的能力，影响其使用性能;弯曲管材断面形状的畸变，一方面可能引起横断面积减小，从而增大流体流动的阻力，第四节、弯管质量分析一、弯管常见的缺陷及其解决措施另一方面也影响管件在结构中的功能效果;管材内壁起皱不但会削弱管子强度，而且容易造成流动介质速度不均，产生涡流和弯曲部位积聚污垢，影响弯制管件的正常使用;回弹现象必然使管材的弯曲角度大于预定角度，从而降低弯曲工艺精度。因此，应在弯制之前采取对应措施防止上述缺陷的产生，以获得理想的管件，保证产品的各项性能指标和外观质量。在通常情况下，对于前面提到的几种常见缺陷，可以有针对性地采取下列措施:(1)对于圆弧外侧变扁严重的管件，在进行无芯弯管时可将压紧模设计成有反变形槽的结构形式:在进行有芯弯管时，应选择合适的芯棒(必要时可采用由多节段芯棒组装而成的柔性芯棒)，正确安装之，并在安装模具时保证各部件的管槽轴线在同一水平面上。(2)小半径弯管时圆弧外侧减薄是弯曲的工艺特点决定的，是不可避免的。为了避免减薄量过大，常用的有效方法是使用侧面带有助推装置或尾部带有顶推装置的弯管机，通过助推或顶推来抵消管子弯制时的部分阻力，改善管子横剖面上的应力分布状态，使中性层外移，从而达到减少管子外侧管壁减薄量的目的。