对微型精密冲压件弯曲回弹的控制方法

对微型精密冲压件弯曲回弹的控制方法摘要本论文研究了弯曲过程中回弹的自然原因和决定性因素。该分析显示在板材弯曲变形区域内，内外纤维相反方向的应力导致了板料回弹的产生。并且通过控制由于不同应力方向引起的弯矩是控制板料在弯曲过程中主要的方法。本文分析并对比了在弯曲成形过程中使用压印工艺与未使用压印工艺两种情况下的板料内外纤维的应力状态。在使用压印之后，在弯曲过程中板料内、外纤维都受到了拉伸应力的作用。同时板材的弯矩也大幅降低了。通过选择合理的压印深度、宽度，压印工艺被应用于控制一些微型、精密冲压件的回弹。生产结果表明：回弹的冲压控制方法具有精度高、可以简化机械结构并且相当适合于控制微型、精密冲压件在弯曲过程中产生的回弹。关键词：回弹；弯曲；压印一、简介回弹在板料弯曲成形过程中是无法避免的并且对弯曲精度产生不利影响。因此运用有效的方法来控制弯曲高精度冲压件时的回弹是非常有必要的。文献回顾发现对弯曲过程回弹控制的理论研究和过程主要关注点在大型零件上。常用的用于控制回弹方法是在制造模具表面是进行过量补偿。但是过量补偿法在控制弯曲微型、精密冲压件回弹时受到了很大的限制。拥有众多弯曲特征的微型、精密冲压件被广泛运用在IT产品中，例如手机，数码相机以及电脑等。如图1所示，这些弯曲特征拥有尺寸微小、结构复杂、精度较高的特点。这些微型、精密冲压件的普通弯曲精度都高达01.0，因此任何微小的回弹都是不可以被接受的。图1.微型、精密冲压件通过理论分析和实践运用，本论文将过程方法和压印过程用于控制弯曲微型、精密冲压件回弹。二、弯曲回弹的力学原理显然，在板材弯曲过程中材料的外纤维是呈拉伸状态的，而此时内纤维是处于压缩状态。由于所有的材料都具有有限的弹性模量，因此当外力卸载以后塑性变形中会存在一些弹性回复。在弯曲成形过程中，这种回复成为回弹。当弯曲力矩增加时，塑性变形逐渐从板材最远处的外纤维和内纤维向应力中性轴扩散。图2a指出了在弹性变形阶段弯曲变形区域内板材上切应力的分布情况。图2b指出了塑性变形开始时切应力分布。图2c指出了在弯曲结束时整个材料都进入了塑性变形阶段。外力卸载后，弹性回复会不可避免的出现，这就降低了外纤维的拉伸应变同时增加了内纤维的压缩变形。可以看出，应变模式的差异在实质上导致了板材在弯曲变形过程中的回弹。在弯曲变形之后板料的回弹量可以用以下的公式加以表述：EJM（１）式中：M表示弯曲量；E表示杨氏模量；J表示作用在板料横截面上惯性力矩。参数E和J分别代表了材料的性能和板料的几何特征。因此对于一种给定的材料而言，控制板料回弹的最佳方法就是控制板料的弯曲量M。无论其他两个方向主应力如何分布，都应该考虑在板材厚度方向的切应力的作用。弯曲的应力中性轴被认为是不会移动，并固定在板材横截面的中心。弯矩可以表示为：22ttwwydyBM（２）其中，B为板材宽度；w为板材厚度方向的切应力；t为板材厚度。对于一种给定的产品和材料，控制弯矩弯矩M的最好方法就是控制板材厚度方向的切应力。通过式（1），弯矩M是可以被控制的，因此弯曲的回弹也是可以被控制的。图2弯曲变形区域上的切应力状态三、回弹控制中得精密冲压的应用通常控制回弹的方法有两种。一种是过量补偿法，另一种是过程控制方法。根据回弹的趋势，在模具中制造与预期回弹想一致的补偿角，或者是控制冲头过量冲压，这就是所谓的补偿方法。这是一种被广泛运用的控制回弹的方法。但是存在复杂造型的弯曲产品和高精度要求时，回弹的精度控制有所局限，因为很难准确的估计回弹量。通过改变板材的应力状态，过程控制方法被用于控制回弹。通常这个过程包括：冲压、拉弯、热弯曲。在冲压过程中，板厚方向上的额外应力改变了弯曲变形区域的应力分布状态。通过在弯曲产品内纤维上施加一个切向拉伸变形和减小弯矩，这样板料的回弹就得到了控制。在拉伸弯曲时，在金属板材的两端施加拉力以控制回弹，此时改变了应力状态的分布并且减小了弯矩。在热弯曲中，通过加热材料来降低屈服应力和弯矩来控制弯矩。压印工艺是三种方法中最为简单和灵活的。当压印工艺作用在弯曲区域，板材内部纤维上的压缩应力将会被统一的拉伸应力所取代。这就意味着卸载与弹性恢复时内外纤维上产生了相同的应力状态。这也意味着在卸载的时候存在一个反作用力作用在板材上。弯曲压印过程中应力与应变之间的关系从图3可以看出。图3压印的加载过程图4c的分布B点代表了在板材弯曲中材料外纤维的拉伸屈服应力，f点泽代表了内纤维的压缩屈服应力。在压印过程中，材料的内纤维开始被拉紧，屈服应力逐渐从f向F变化。最终，材料外纤维的压应力完全被拉伸应力取代。在压印过程中作用的拉伸应力是不均匀的并随板厚方向减小。因此在压印过程中，也许在内层的某些点的材料（比如e点）到中性轴只承受了卸载而不承受加载。所以在弯曲和压印之后，f到e处于拉伸应力状态，而e到d段仍然处于压应力状态下。这是由于缺乏足够拉伸力的原因。压印过程中得弯矩可以用下式来表示。22ttccydyBM（3）其中c表示将压印工艺运用在弯曲过程中时，作用的板料厚度方向上的切应力。由于材料外纤维上部分切应力c被抵消，如图4所示，等式3中得)(ccM的在板料厚度方向上的积分值远远小于等式2中)(wcM在厚度方向上的积分值。根据等式1，通过压印工艺进行弯曲的过程的弯曲回弹量c远远小于没有使用压印工艺的净弯曲过程中的弯曲回弹量w。正如上所述，在弯曲过程中施加在内侧圆角上的压印过程可以改变切应力沿板料厚度方向上的分布。并且建立统一的拉应力状态以有效的控制回弹。这种方法的控制精度是相当高的，并且十分适合用于微型、精密冲压件上回弹的控制。四、压印工艺的运用激光头是电子和电器的一个重要的感应块，例如ＣＤ，ＤＶＤ，ＶＣＤ和激光测量装置。并且激光头上的夹具是相当重要的金属部件。如图５所示的激光头夹具，在制造夹具四个支撑腿的过程中需要七次弯曲工艺加工。未经弯曲的零件最大外形轮廓尺寸为mm2.22，厚度只有mm7.0。夹具的弯曲特征也特别的需要高的形状精度和垂直度。垂直度误差为mm05.0。所以其中的回弹必须进行严格的控制。正如前文所述，包括分形维度和厚度在内的特征存在许多的弯曲特征，因此高精度要求使得控制过程变得相当困难。如何控制回弹并确保弯曲精度成为了夹具设计过程中的关键性因素。压印工艺被用于夹具弯曲过程中以控制回弹。正如图６所示，冲压的宽度为mm6.0，冲压的深度为mm07.0。产品实践表明弯曲后的回弹得到了精确的控制并且弯曲精度符合要求。图５激光头夹具图６压印过程草图五、结论基于上述的研究，可以得出以下结论。回弹量是关于弯矩、杨氏模量和材料惯性力矩的函数。对于一个给定材料的给定产品，弯矩是关于回弹的决定性因素。降低板料厚度方向上的切应力可以减小弯矩。当压印工艺被用于弯曲区域，板料厚度方向上的切应力将大大的降低，然后弯矩和回弹量也将大大减少。通过选择合理的压印宽度和深度，微型、精密弯曲冲压件中的回弹可以得到精确的控制。