90模具设计与制造(弯曲模)

2.3弯曲模设计将坯料弯成具有一定角度和形状的零件的成形方法称为弯曲。弯曲所使用的冲压模具称为弯曲模。2.3.1弯曲工艺及设计计算1．弯曲过程分析在压力机上采用压弯模具对板料进行压弯是弯曲工艺中运用最多的方法。弯曲变形的过程一般经历弹性弯曲变形、弹-塑性弯曲变形、塑性弯曲变形三个阶段。现以常见的V形件弯曲为例。弯曲开始时，模具的凸、凹模分别与板料在接触，使板料产生弯曲。在弯曲的开始阶段，弯曲圆角半径r0很大，弯曲力矩很小，仅引起材料的弹性弯曲变形。随着凸模进入凹模深度的增大，弯曲圆角半径r亦逐渐减小，即r3r2r1r0，板料的弯曲变形程度进一步加大，如图2-75所示。r1r1r3r1（a）（b）（c）（d）图2-75弯曲变形过程弯曲变形程度可以用相对弯曲半径r/t表示，t为板料的厚度。r/t越小，表明弯曲变形程度越大。一般认为当相对弯曲半径r/t200时，弯曲区材料即开始进入弹-塑性弯曲阶段，坯料变形区内（弯曲半径发生变化的部分）料厚的内外表面首先开始出现塑性变形，随后塑性变形向坯料内部扩展。凸模继续下行，变形由弹-塑性弯曲逐渐过渡到塑性变形。最终，凸模的V形斜面接触后被反向弯曲，再与凹模斜面逐渐靠紧，直至板料与凸、凹模完全贴紧。若弯曲终了时，凸模与板料、凹模三者贴合后凸模不再下压，称为自由弯曲。若凸模再下压，对板料再增加一定的压力，则称为校正弯曲。校正弯曲与自由弯曲的凸模下止点位置是不同的，校正弯曲使弯曲件在下止点受到刚性镦压，减小了工件的回弹。2．弯曲件的回弹和弯曲时的偏移弯曲成形过程中出现的主要工艺问题是回弹和偏移。（1）弯曲件的回弹弯曲结束后，凸模与凹模分开，工件不受外力作用时，由于弹性回复的存在，使弯曲件弯曲部分的曲率半径和弯曲角度在弯曲外力撤去后发生变化的现象称回弹。减小回弹的措施：1）改进零件设计在变形区设计加强筋或成形边翼，增加弯曲件的刚性和成形边翼的·2·2.3弯曲模设计变形程度，如图2-76所示。图2-76减小回弹的结构2）选用弹性模量大、屈服极限小、机械性能稳定的材料，也可使弯曲件的回弹量减小。3）采用校正弯曲代替自由弯曲，增加弯曲力。4）加热弯曲。5）V形弯曲可在凸模上减去一个回弹角；U形弯曲可将凸模壁作出等于回弹角的倾斜角（图2-77a），或将凸模顶面做成弧面（图2-77b），以补偿两边的回弹。（a）（b）图2-77弯曲的回弹补偿6）可将凸模做成如图2-78所示的形状，减小凸模与工件的接触区，使压力集中在弯曲变形区，加大变形区的变形程度。图2-78改变凸模形状减小回弹7）对于一般材料的弯曲件，可增加压料力或减小凸、凹模之间的间隙，减小回弹。（2）弯曲时的偏移由于坯料与模具之间磨擦的存在，当磨擦力不平衡时造成坯料的移位，使弯曲件的尺寸达不到要求，这种现象称作偏移。产生偏移的原因很多：坯料形状不对称，两边与凹模接触面不相等，两边折弯的个数2.3弯曲模设计·3·不一样；凹模两边的边缘圆角半径不相等，间隙不相等，润滑情况不一样等，都会导致弯曲时产生偏移现象。防止偏移的主要措施：1）尽可能采用对称凹模，边缘圆角相等，间隙均匀。2）采用弹性顶件装置的模具结构，如图2-79所示。（a）（b）（c）图2-79从模具结构上克服偏移3）采用定位销的模具结构，使坯料无法移动，如图2-79c所示。3．弯曲件的工艺性（1）最小弯曲半径对于一定厚度的材料，弯曲半径越小，外层材料的伸长率越大，当外缘材料的伸长率达到并超过材料的伸长率后，就会导致弯裂。在保证坯料最外层纤维不发生破裂的前提下，所能获得的弯曲零件内表面最小圆角半径与弯曲材料厚度的比值rmin/t称为最小相对弯曲半径。弯曲件弯曲半径不宜小于最小弯曲半径，否则，坯料外表面变形可能会超过材料变形极限而破裂；也不宜过大，因为过大时，受到回弹的影响，弯曲角度与弯曲半径的精度都不易保证。（2）弯曲件直边高度当弯曲件为90º弯曲时，应使其直边高度h2t，否则没有足够长的弯曲力臂。当h2t时，应预先压槽，再弯曲或增加直边高度，弯曲后再切除高出部分，如图2-80所示。（3）弯曲件孔边距带孔的板料在弯曲时，如果孔位于弯曲变形区内，则弯曲后孔的形状会发生变形。如图2-81a所示，孔边到弯曲半径中心的距离l为：当t≥2mm时，l≥2t当t＜2mm时，l≥t如果不能满足上述条件，可以采取冲凸缘缺口或月牙槽的措施，或在弯曲变形区冲出工艺孔，防止孔在弯曲时变形，如图2-81b、c所示。图2-80弯曲件直边高度·4·2.3弯曲模设计（a）（b）（c）图2-81弯曲件孔边距（4）止裂孔、止裂槽板料边缘需局部弯曲时，为了避免角部畸变与形成裂纹，应预先切槽或冲工艺孔如图2-82所示。（5）弯曲件的尺寸标注弯曲件的尺寸标注有三种方法，如图2-83所示。图2-83a可以采用先落料冲孔，然后弯曲成形。而图2-83b、c为了保证尺寸，只能先弯曲后冲孔，增加了工序。（6）弯曲件的尺寸精度弯曲件的尺寸精度以不高于IT13级为宜，角度公差应不大于±15′。若对尺寸精度有较高要求，在结构设计上应设置定位工艺孔；对角度公差有较高要求时，应在弯曲工艺方面增加整形工序。图2-83弯曲件的尺寸标注图2-82预冲工艺槽、孔的弯曲件2.3弯曲模设计·5·4．弯曲工艺计算（1）弯曲件坯料展开尺寸计算弯曲件坯料展开尺寸是指弯曲件在弯曲之前的展平尺寸。对于形状比较简单、尺寸精度要求不高的弯曲件，可直接采用下面介绍的方法计算坯料长度。在计算弯曲件坯料的尺寸时，首先要确定中性层位置，如图2-84所示。在生产中，一般用经验公式，中性层的位置以曲率半径ρ来表示xtr（2-37）式中x——中性层位移系数，其值见表2-22表2-22中性层系数x的值r/t0.10.20.30.40.50.60.70.81.01.2x0.210.220.230.230.250.260.280.300.320.33r/t1.31.52.02.53.04.05.06.07.0≥8.0x0.340.360.380.390.400.420.440.460.480.501）圆角半径r0.5t的弯曲件展开尺寸r0.5t的弯曲件即称有圆角半径的弯曲件。由于弯曲部分变薄不严重及断面畸变较小，所以可按中性层展开长度等于坯料长度的原则，坯料长度等于弯曲件直线部分长度和圆弧部分长度的总和。圆弧直线llL（2-38）式中L——弯曲件坯料展开长度直线l——直线部分各段长度圆弧l——圆弧部分各段长度在图2-85中，弯曲件的展开尺寸为：图2-84中性层位置的确定图2-85r0.5t的弯曲件图2-86r0.5t的弯曲件·6·2.3弯曲模设计)(1801802121xtrllllL（2-39）2）圆角半径r0.5t的弯曲件展开尺寸这类弯曲件按变形前后体积不变原则确定坯料长度，如图2-86所示。弯曲前的体积：LbtV弯曲后的体积：btbtllV4)('221V=V′则有tllL785.021由于弯曲变形时，不仅在坯料的圆角变形区产生变薄，而且与其相邻的两直边部分也相应地有些变薄，因此对上述公式作如下修正：txllL'21（2-40）式中'x——系数，一般取'x=0.4~0.6。对于形状比较复杂或精度要求高的弯曲件，在利用上述公式初步计算坯料长度后，还需反复试弯不断修正，才能最后确定坯料的形状及尺寸。（2）弯曲力的计算弯曲力是指工件完成预定弯曲时需要压力机所施加的压力，是选择压力机和设计模具的重要依据之一。1）自由弯曲时的弯曲力V形件弯曲力的计算公式：trKBtFb26.0自（2-41）U形件弯曲力的计算公式：trKBtFb27.0自（2-42）式中自F——自由弯曲在冲压行程结束时的弯曲力（N）；Ｂ——弯曲件的宽度（mm）；ｔ——弯曲材料的厚度（mm）；ｒ——弯曲件的内弯曲半径（mm）；b——材料的强度极限（MPa）；Ｋ——安全系数，一般取Ｋ＝1.3。2）校正弯曲时的弯曲力校正弯曲时的弯曲力计算公式：ApF校（2-43）式中校F——校正弯曲力（N）；A——校正部分投影面积（mm2）；p——单位面积上的校正力（MPa），其值见表2-23。表2-23单位面积上的校正力PMPa材料材料厚度t/mm材料材料厚度t/mm2.3弯曲模设计·7·≤3＞3~10≤3＞3~10铝30~4050~6025~35钢100~200120~150黄铜60~8080~100钛合金（BT1）（BT3）160~180160~200180~210200~26010~20钢80~100100~1203）顶件力或压料力若弯曲模设有顶件装置或压料装置，其顶件力（或压料力FD）可近似取自由弯曲力的30％～80％。即：自FFD)8.0~3.0(（2-44）4）压力机公称压力的确定自由弯曲时压力机的压力必须大于自由弯曲力；校正弯曲时压力机的压力必须大于自由弯曲力和校正弯曲力之和。但有时校正弯曲力比自由弯曲力大得多，故自由弯曲力可忽略不计。（3）弯曲模工作部分尺寸的设计1）凸模圆角半径当工件的相对弯曲半径ｒ/ｔ较小时，凸模圆角半径等于工件的弯曲半径ｒ，但不应小于表2-24所列的最小弯曲半径值rmin。若r/t小于最小相对弯曲半径，则可以先弯成较大的圆角半径，然后再采用整形工序进行整形。当弯曲件的相对弯曲半径r/t较大时（ｒ/ｔ＞10），则凸模圆角半径应根据回弹加以修正。表2-24板料最小弯曲半径材料退火或正火冷作硬化弯曲线位置垂直于纤维平行于纤维垂直于纤维平行于纤维08、1015、2025、3035、4045、5055、6065Mn、T71Cr18Ni9Ti软杜拉铝硬杜拉铝磷铜半硬黄铜软黄铜紫铜铝0.1t0.1t0.2t0.3t0.5t0.7t1t1t1t2t-0.1t0.1t0.1t0.1t0.4t0.5t0.6t0.8t1.0t1.3t2t2t1.5t3t-0.35t0.35t0.35t0.35t0.4t0.5t0.6t0.8t1.0t1.3t2t3t1.5t3t1t0.5t0.35t1t0.5t0.8t1t1.2t1.5t1.7t2t3t4t2.5t4t3t1.2t0.8t2t1t2）凹模圆角半径及凹模深度·8·2.3弯曲模设计凹模圆角半径的大小对弯曲力以及弯曲件的质量均有影响，过小的凹模圆角半径会使弯矩的弯曲力臂减小，坯料沿凹模圆角滑入时的阻力增大，弯曲力增加，并易使工件表面擦伤甚至出现压痕。而且凹模两边的圆角半径应一致，否则在弯曲时坯料会发生偏移。在生产中，通常根据材料的厚度选取凹模圆角半径：t≤2mm时trA)6~3(ｔ＝2～4ｍｍ时trA)3~2(ｔ＞4ｍｍ时trA2V形弯曲凹模的底部可开退刀槽或取圆角半径Ar'：'(0.6~0.8)()ATrrt（2-45）弯曲凹模深度要适当。若过小则弯曲件两端自由部分太长，工件回弹大，不平直；若深度过大则凹模增高，多耗模具材料并需要较大的压力机工作行程。弯曲V形件时，凹模深度及底部最小厚度如图2-87a所示，可查表2-25。（a）（b）（c）图2-87弯曲模的结构尺寸表2-25弯曲V形件的凹模深度L0及底部最小厚度值mm弯曲件边长L/mm材料厚度t/mm≤22~4＞4hL0hL0hL0＞10~25＞25~50＞50~75＞75~100＞100~150202227323710~1515~2020~2525~3030~3522273237421525303540-32374247-30354050弯曲U形件时，若弯边高度不大，或要求两边平直，则凹模深度应大于零件高度，如图2-87b所示，图中m值见表2-26。而对平直度要求不高时，可采用图2-87c所示凹模形式。凹模深度L0值见表2-27。表2-26弯曲U形件凹模的m值mm材料厚度t/mm≤11~22~33~44~55~66~77~88~10m34568101520252.3弯曲模设计·9·表2-27弯曲U形件的凹模深度L0mm弯曲件边长L/mm材料厚度t/mm＜1＞1~2＞2~4＞4~6＞6~10≥50＞50~75＞75~100＞1