冲压工艺学-第2章-弯曲工艺与模具设计

弯曲工艺和弯曲模具设计2019/8/[e-mail]概述3.1弯曲变形过程分析3.2弯曲卸载后弯曲件的回弹3.3弯曲成形工艺设计3.4弯曲模具的典型结构设计弯曲工艺和弯曲模具设计弯曲是使材料产生塑性变形，形成一定曲率和角度零件的冲压工序。弯曲毛坯的种类：板料、棒料、型材、管材弯曲工艺和弯曲模具设计弯曲工艺和弯曲模具设计弯曲工艺和弯曲模具设计弯曲工艺和弯曲模具设计弯曲工艺和弯曲模具设计弯曲成型工艺方法：压弯、折弯、拉弯、滚弯、辊弯（a）模具压弯；（b）折弯；（c）拉弯；（d）滚弯；（e）辊压3-1弯曲零件的成形方法弯曲工艺和弯曲模具设计3.1板料弯曲变形过程及变形特点3.1.1弯曲变形过程弯曲变形过程：如图3.1.2所示V形件的弯曲，随着凸模进入凹模深度的增大，凹模与板料的接触处位置发生变化，支点B沿凹模斜面不断下移，弯曲力臂l逐渐减小，接近行程终了时弯曲半径r继续减小，而直边部分反而向凹模方向变形，直至板料与凸、凹模完全贴合。3.1.2板料弯曲变形特点通过网格试验观察弯曲变形特点（如图3.1.3）。弯曲工艺和弯曲模具设计弯曲工艺和弯曲模具设计图3.1.3弯曲前后坐标网络的变化弯曲工艺和弯曲模具设计1.弯曲圆角部分是弯曲变形的主要变形区(参看教材P175)变形区的材料外侧伸长，内侧缩短，中性层长度不变。2.弯曲变形区的应变中性层应变中型层是指在变形前后金属纤维的长度没有发生改变的那一层金属纤维。3.变形区材料厚度变薄的现象变形程度愈大，变薄现象愈严重。4.变形区横断面的变形变形区横断面形状尺寸发生改变称为畸变。主要影响因素为板料的相对宽度。(宽板)：横断面几乎不变；(窄板)：断面变成了内宽外窄的扇形。3/tb3/tb弯曲工艺和弯曲模具设计3.1.3弯曲时变形区的应力和应变1、弹性弯曲条件若材料的屈服应力为σs，则弹性弯曲的条件为：2、塑性弯曲的应力与应变条件(a)弹性弯曲；(b)弹-塑性弯曲；(c)塑性弯曲图3.1.5弯曲毛坯变形区的切向应力分布1E21trs1E21trs弯曲工艺和弯曲模具设计3.1.3弯曲时变形区的应力和应变板料在塑性弯曲时,变形区内的应力应变状态取决于弯曲毛坯的相对宽度以及弯曲变形程度。窄板弯曲的应力状态是平面的，应变状态是立体的。宽板弯曲的应力状态是立体的，应变状态是平面的。tb/弯曲工艺和弯曲模具设计3.2弯曲卸载后弯曲件的回弹3.2.1回弹现象当弯曲结束，外力去除后，塑性变形留存下来，而弹性变形则完全消失。弯曲变形区外侧因弹性恢复而缩短，内侧因弹性恢复而伸长，产生了弯曲件的弯曲角度和弯曲半径与模具相应尺寸不一致的现象。这种现象称为弯曲件的弹性回跳（简称回弹）。弯曲工艺和弯曲模具设计回弹性的表现形式：(1)卸载前板料的内半径r(与凸模的半径吻合)在卸载后增加至rp。弯曲半径的增加量为：(2)卸载前弯曲中心角为(与凸模顶角相吻合)，卸载后变化为。弯曲件角度的变化量为：rrrrp图3.2.1弯曲件的弹性回跳pr弯曲工艺和弯曲模具设计3.2.2影响回弹的因素1.材料的力学性能材料的屈服点越高，弹性模量E越小，弯曲弹性回跳越大。2.相对弯曲半径相对弯曲变径越大，则回弹也越大。3.弯曲中心角弯曲中心角越大，表明变形区的长度越长，故回弹的积累值越大，其回弹角越大。但对弯曲半径的回弹影响不大。str/tr/弯曲工艺和弯曲模具设计4.弯曲方式及弯曲模具结构采用校正弯曲时，工件的回弹小。5.弯曲件形状工件的形状越复杂，一次弯曲所成形的角度数量越多，使回弹困难，因而回弹角减小。6.模具间隙在压弯U形件时，间隙大，材料处于松动状态，回弹就7.非变形区的影响弯曲工艺和弯曲模具设计3.2.4减少回弹的措施1.材料选择应尽可能选用弹性模量较大，屈服极限小，机械性能比较稳定的材料。2.改进弯曲件的结构设计设计弯曲件时改进一些结构，加强弯曲件的刚度以减小回弹。比如：在变形区设计加强肋或边翼(U型结构)，增加弯曲件的刚性，使弯曲件回弹困难(如图3.2.3)。弯曲工艺和弯曲模具设计3.2.3改进零件的结构设计弯曲工艺和弯曲模具设计3.从工艺上采取措施(1)采用热处理工艺对一些硬材料和已经冷作硬化的材料，弯曲前先进行退火处理，降低其硬度以减少弯曲时的回弹，待弯曲后再淬硬。在条件允许的情况下，甚至可使用加热弯曲。(2)增加校正工序运用校正弯曲工序，对弯曲件施加较大的校正压力，可以改变其变形区的应力应变状态，以减少回弹量。(3)采用拉弯工艺对于相对弯曲半径很大的弯曲件，由于变形区大部分处于弹性变形状态，弯曲回弹量很大。这时可以采用拉弯工艺(如图3.2.4)。弯曲工艺和弯曲模具设计弯曲工艺和弯曲模具设计4.从模具结构采取措施(1)补偿法利用弯曲件不同部位回弹方向相反的特点，按预先估算或试验所得的回弹量，修正凸模和凹模工作部分的尺寸和几何形状，以相反方向的回弹来补偿工件的回弹量（教材P195图8-37）。(2)校正法可以改变凸模结构，使校正力集中在弯曲变形区，加大变形区应力应变状态的改变程度（迫使材料内外侧同为切向压应力、切向拉应变）如图3.2.6。(3)纵向加压法在弯曲过程完成后，利用模具的突肩在弯曲件的端部纵向加压（如图3.2.7）,使弯曲变形区横断面上都受到压应力，卸载时工件内外侧的回弹趋势相反，使回弹大为降低。利用这种方法可获得较精确的弯边尺寸，但对毛坯精度要求较高。弯曲工艺和弯曲模具设计弯曲工艺和弯曲模具设计图3.2.6用校正法修正模具结构弯曲工艺和弯曲模具设计图3.2.7纵向加压弯曲弯曲工艺和弯曲模具设计(4)采用聚氨酯弯曲模利用聚氨酯凹模代替刚性金属凹模进行弯曲（图3.2.8）。弯曲时金属板料随着凸模逐渐进入聚氨酯凹模，激增的弯曲力将会改变圆角变形区材料的应力应变状态，达到类似校正弯曲的效果，从而减少回弹。弯曲工艺和弯曲模具设计图3.2.8聚氨酯弯曲模弯曲工艺和弯曲模具设计3.3弯曲成形的工艺设计弯曲件的工艺性是指弯曲件的形状、尺寸、材料的选用及技术要求等是否满足弯曲加工的工艺要求。具有良好冲压工艺性的弯曲件，不仅能提高工件质量，减少废品率，而且能简化工艺和模具结构，降低材料消耗。一般指结构工艺性和精度工艺性。一、结构工艺性弯曲半径过小：工艺性不好弯曲线位置：断面变化处直边高度：孔位置：工艺槽，工艺顺序，定位工艺孔二、精度工艺性弯曲角弯曲半径弯曲工艺和弯曲模具设计3.3.1最小相对弯曲半径（）1.最小相对弯曲半径的概念最小相对弯曲半径是指：在保证毛坯弯曲时外表面不发生开裂的条件下，弯曲件内表面能够弯成的最小圆角半径与坯料厚度的比值，用来表示。该值越小，板料弯曲的性能也越好。2.影响最小弯曲半径的因素(1)材料的力学性能(2)弯曲角(3)板料的表面质量与剪切断面质量(4)(5)板厚(6)板材的方向性(如图3.3.1)tr/mintr/min弯曲工艺和弯曲模具设计图3.3.1板料纤维方向对弯曲半径的影响弯曲工艺和弯曲模具设计3.最小相对弯曲半径经验数值的确定表8-4弯曲工艺和弯曲模具设计3.3.2弯曲件的结构工艺性1.弯曲件的弯曲半径弯曲件的弯曲半径必须大于最小弯曲半径，否则要采用工艺措施，如:热弯、多次弯曲等（如图3.3.2）。2.弯曲件形状与尺寸的对称性弯曲件的形状与尺寸应尽可能对称、高度也不应相差太大。当冲压不对称的弯曲件时，因受力不均匀，毛坯容易偏移(如图3.3.3)，尺寸不易保证。为防止毛坯的偏移，在设计模具结构时应考虑增设压料板，或增加工艺孔定位。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。这时必须在缺口处留有连结带，弯曲后再将连接带切除(如图3.3.4)。弯曲工艺和弯曲模具设计图3.3.2压槽后再进行弯曲弯曲工艺和弯曲模具设计图3.3.3弯曲件形状对弯曲过程的影响2019/8/[e-mail]弯曲工艺和弯曲模具设计图3.3.4弯曲件边缘缺口对弯曲过程的影响弯曲工艺和弯曲模具设计3.弯曲件直边高度对弯曲的影响(如图3.3.5)在进行弯曲时，若弯曲的直边高度过短，弯曲过程中不能产生足够的弯距，将无法保证弯曲件的直边的平直。4.弯曲件孔边距离带孔的板料在弯曲时，如果孔位位于弯曲变形区内，则孔的形状会发生畸变。因此，孔边到弯曲半径r中心的距离(如图3.3.6)当t＜2mm时，L≥t；t≥2mm时；L≥2t。如不能满足上述条件，在结构许可的情况下，可在弯曲变形区上预先冲出工艺孔或工艺槽来改变变形区范围，有意使工艺孔的变形来保证所要求的孔不产生变形(如图3.3.7)。弯曲工艺和弯曲模具设计图3.3.5弯曲件直边的高度对弯曲的影响弯曲工艺和弯曲模具设计图3.3.6弯曲件的孔边距弯曲工艺和弯曲模具设计3.3.7防止孔变形的措施弯曲工艺和弯曲模具设计5.防止弯曲边交接处应力集中的措施当弯曲图3.3.9所示弯曲件时，为防止弯曲边交接处由于应力集中，可能产生的畸变和开裂，可预先在折弯线的两端冲裁卸荷孔或卸荷槽，也可以将弯曲线移动一段距离，以离开尺寸突变处。6.弯曲件尺寸的标注应考虑工艺性弯曲件尺寸标注不同，会影响冲压工序的安排。如图3.3.10a)所示的弯曲件尺寸标注，孔的位置精度不受毛坯展开尺寸和回弹的影响，可简化冲压工艺。采用先落料冲孔，然后再弯曲成形。b)、c)图所示的标注法，冲孔只能安排在弯曲工序之后进行，才能保证孔位置精度的要求。在不存在弯曲件有一定的装配关系时，应考虑图a)的标注方法。弯曲工艺和弯曲模具设计图3.3.9防止弯曲边交接处应力集中的措施弯曲工艺和弯曲模具设计图3.3.10尺寸的标注对弯曲工艺的影响弯曲工艺和弯曲模具设计3.3.3弯曲工艺力的计算弯曲力是设计弯曲模和选择压力机吨位的重要依据。生产中常用经验公式概略计算弯曲力，作为设计弯曲工艺过程和选择冲压设备的依据。见教材P183页表8-7。弯曲工艺和弯曲模具设计校正弯曲是在自由弯曲阶段后，进一步使对贴合凸模、凹模表面的弯曲件进行挤压，其校正力比自由压弯力大得多。由于这两个力先后作用，校正弯曲时只需计算校正弯曲力。V形弯曲件和U形弯曲件单位压力均按照：教材P184页表8-8进行计算。弯曲工艺和弯曲模具设计3.3.4弯曲件毛坯展开尺寸的计算在进行弯曲工艺和弯曲模具设计时，要计算出弯曲件毛坯的展开尺寸。计算的依据是：变形区弯曲变形前后体积不变；应变中性层在弯曲变形前后长度不变。即：弯曲变形区的应变中性层长度，就是弯曲件的展开尺寸。弯曲工艺和弯曲模具设计（2）而当弯曲变形程度较大时（时），应变中性层会向内表面偏移。这时，中性层位置的曲率半径可以通过以下的公式进行估算：式中：x为中性层位移系数，查教材P183表8-6（系数K）。3/tr3/tr1.应变中性层位置的确定（1）当弯曲变形程度不大时（时），可以认为应变中性层就在板料厚度的中心位置；弯曲工艺和弯曲模具设计2.弯曲件毛坯展开尺寸计算)(180jiiitxrlL)(221xtrllLtr5.0（1）圆角半径的弯曲件，如图3.3.5。图(b)中，毛坯的展开长度图(a)中，毛坯的展开长度弯曲工艺和弯曲模具设计弯曲工艺和弯曲模具设计3.3.5弯曲件工序的安排弯曲件的弯曲工序安排是在工艺分析和计算后进行的工艺设计工作。形状简单的弯曲件，如V形件、U形件、Z形件等都可以一次弯曲成形。形状复杂的弯曲件，一般要多次弯曲才能成形。弯曲工序的安排对弯曲模的结构、弯曲件的精度和生产批量影响很大。弯曲工艺和弯曲模具设计1.弯曲件工序安排的原则原则（1）：对多角弯曲件，因变形会影响弯曲件的形状精度，故一般应先弯外角，后弯内角。前次弯曲要给后次弯曲留出可靠的定位，并保证后次弯曲不破坏前次已弯曲的形状。原则（2）：结构不对称弯曲件，弯曲时毛坯容易发生偏移，应尽可能采用成对弯曲后，再切开的工艺方法。原则（3）：批量大、尺寸小的弯曲件，应采用级进模弯曲成形工艺，以提高生产率。原则（4）：如