第3章 弯曲工艺与模具设计.ppt

冲压工艺与模具设计StampingTechnologyandMouldDesign 第3章弯曲工艺与模具设计 2 弯曲 将板料 棒料 管料和型材等弯曲成具有一定形状及角度零件的成形方法 弯曲成形的应用相当广泛 是板料冲压中常见加工工序之一 用弯曲方法所加工零件的种类很多 如V形件 U形件以及其他形状的零件 铰支板弯曲成形电控支架弯曲成形 第3章弯曲工艺与模具设计 3 第3章弯曲工艺与模具设计 生产中弯曲成形所用的工具和模具不同 便形成各种不同的弯曲方法 本章主要介绍板料在压力机上用模具弯曲 压弯工艺 4 主要内容 弯曲变形机理弯曲件毛坯尺寸的确定最小弯曲半径弯曲力的计算弯曲件的回弹弯曲模工作部分尺寸的确定 重点 弯曲变形机理弯曲件的回弹 第3章弯曲工艺与模具设计 5 3 1弯曲变形机理 一 弯曲过程及弯曲变形的特点1 变形过程弯曲 变形过程自由弯曲校正弯曲2 变形特点网格线实验法 在板料侧壁画上网格线 然后进行弯曲 通过观察弯曲后网格线及工件横断面的变化情况 可以发现其变形规律与特点 6 3 1弯曲变形机理 弯曲变形的特点 1 弯曲变形区主要是在弯曲件的圆角部分工件分成了直边和圆角两部分 圆角部分是变形区 其网格变成了扇形 而远离圆角的直边部分网格没有变化 在靠近圆角处的直边的网格有少许变化 2 在圆角变形区内 变形不均匀在圆角变形区 板料的外层 靠凹模一侧 纵向纤维受拉而伸长 内层 靠凸模一侧 纵向纤维受压而缩短 由板料的内 外表面至板料的中心 这种缩短与伸长的程度都将逐渐变小 由于板料材料的连续性 其间必有一层纤维的长度在弯曲前后保持不变 此层称为应变中性层 其曲率半径为 7 3 1弯曲变形机理 3 在圆角变形区内 应力不均匀在圆角变形区 板料外层切向受拉应力 内层切向受压应力 由内层过渡到外层 其间必有一层的切向应力为零 此层称为应力中性层 其曲率半径为 在弹性弯曲或弯曲变形程度较小时 应变中性层与应力中性层重合 位于板料的中央 其曲率半径为 当弯曲变形程度较大时 应变中性层与应力中性层都从板料的中央向内区移动 且有 4 相对弯曲半径较小时 变形区中的板料在变形后将产生变薄的现象 厚度变小 越小 变薄程度越大 8 3 1弯曲变形机理 5 板料相对宽度b t对变形区的变形有很大影响弯曲后工件横断面形状如图所示 宽板 弯曲时 横断面几乎不变 仍保持原来的矩形 窄板 弯曲时 横断面形状产生了变化 由矩形变成了扇形 而且内宽外窄 9 3 1弯曲变形机理 二 弯曲过程中变形区的应力应变状态窄板和宽板弯曲变形区的应力应变状态是不同的 1 窄板弯曲时 1 应变状态切向应变为绝对值最大的主应变 其外层为拉应变 内层为压应变 因板宽方向可自由变形 由体积不变定律可知 宽度方向 外层为压应变 内层为拉应变 在径向 外层为压应变 内层为拉应变 10 3 1弯曲变形机理 2 应力状态切向 按最大主应力与主应变同向原理 外层的为拉应力 内层的为压应力 宽度方向 由于材料可自由变形 故内 外层的 径向 内 外层的均为压应力 窄板弯曲时内 外层的应变状态为立体状态 应力状态则为平面状态 11 3 1弯曲变形机理 2 宽板弯曲时 1 应变状态切向和径向的应变状态与窄板的相同 宽度方向 由于变形阻力较大 弯曲后板的宽度基本不变 即内外层的均接近于零 12 3 1弯曲变形机理 2 应力状态宽板的切向应力和径向应力与窄板相同 宽度方向上由于材料不能自由变形 外层的收缩及内层的伸长都受到限制 故外层的为拉应力 内层的为压应力 宽板弯曲时内 外层的应变状态为平面状态 应力状态则为立体状态 13 3 1弯曲变形机理 三 弯曲变形程度变形区中切向应变的大小与其在板厚方向上的位置有关 沿板厚方向 按线性规律变化 14 3 1弯曲变形机理 当变形不大时 可认为材料不变薄 且中性层仍在板料中间 则板料内表面和外表面的切向应变数值相等 且为最大 以代入得 上式表明 弯曲件表面上的应变量与相对弯曲半径大致成反比关系 而外表面的最大拉应变受材料性能 不产生拉裂 的限制 为获良好的弯曲件 便有一定的极值 故常用相对弯曲半径来表示弯曲的变形量 即弯曲变形程度 越小 表示弯曲变形程度越大 15 3 2弯曲件毛坯尺寸的确定 板料弯曲时应变中性层的长度始终是不变的 故可根据弯曲后应变中性层的长度来确定弯曲件的毛坯长度 一 应变中性层的位置 圆角部分 弯曲前变形区的体积 弯曲后的体积 16 3 2弯曲件毛坯尺寸的确定 由解得 将 代入可得 变薄系数 展宽系数 时 17 3 2弯曲件毛坯尺寸的确定 二 弯曲件毛坯长度的计算1 的弯曲件按应变中性层展开 求展开长度即可 计算步骤如下 由弯曲件图分割出变形区 圆角部分 确定各直边的长度 计算 计算变形区中性层展开长度 计算毛坯总长度 18 3 2弯曲件毛坯尺寸的确定 2 的弯曲件与变形区相邻的直边部分也有变薄现象 需按经过修正的公式进行计算 对于形状复杂 多角及精度要求高的弯曲件 还要经过试弯修正后才能最后确定合适的毛坯尺寸 19 3 3最小弯曲半径 一 最小弯曲半径的概念弯曲变形区外表面的材料在切向产生拉伸变形 其切向应变的最大值前面已经得出 为保证弯曲件不产生拉裂 需限制弯曲件内表面的圆角半径 把不产生拉裂破坏时的最小圆角半径称为最小弯曲半径 其值为 20 3 3最小弯曲半径 二 影响弯曲系数的因素1 材料的机械性能影响较大材料的塑性越好 可采用的弯曲系数越小 生产中常采用提高材料塑性的方法提高塑性变形能力 以减小弯曲系数 如进行退火或正火热处理 2 板料的纤维方向 弯曲线的方向与纤维组织方向的关系弯曲线垂直于纤维方向时 塑性最好 弯曲系数最小 当弯曲件的弯曲半径较小时 应使折弯线垂直于板料的纤维方向 21 3 3最小弯曲半径 3 弯曲角弯曲角等于弯曲件圆角部分所对应的圆心角 板料弯曲时 若靠近圆角附近的直边部分参与弯曲变形 会对变形区外层的受拉状态起缓解作用 因而有利于减小最小弯曲半径 弯曲角越小 直边参与变形的分散效应越显著 在时的影响很大 在后则影响很小 22 3 3最小弯曲半径 4 板料的表面质量和侧边质量板料表面有划伤 裂纹或板料侧边 剪切面 有毛刺 裂纹等缺陷时 弯曲中工件易开裂 应较大 或采取下述措施减小 清除剪切毛刺 有毛刺的一面朝向凸模 弯曲前退火处理 去硬化 5 板料的厚度弯曲变形区切向应变在厚度方向上按线性规律变化 当板料的厚度较小时 切向应变变化的梯度大 与最大应变的外表面相邻近的纤维层 能补充外表面的变形 从而起到阻止表面材料局部不均匀延伸的作用 所以薄料比厚料可有更小的 23 3 3最小弯曲半径 三 最小弯曲半径的确定 常用经验法由于影响的因素很多 用前面的公式计算出的数值与实际值差别很大 因为公式是按单向拉伸的塑性指标确定的数值 而弯曲中实际许用的要大得多 因此 在实际生产中主要是参照经验数据确定最小弯曲半径 24 3 4弯曲力的计算 板料弯曲时开始是弹性弯曲 然后是变形区内外层纤维首先进入塑性状态 并逐渐向板厚中心扩展的自由弯曲 最后是凸 凹模与板料相互接触并压实零件的校正弯曲 各阶段的弯曲力显然不同 下图表示了各阶段弯曲力与弯曲行程变化关系 弹性阶段的弯曲力较小 自由弯曲阶段的弯曲力不随弯曲行程变化 而校正弯曲的弯曲力则随行程的推移而急剧增加 25 3 4弯曲力的计算 一 自由弯曲力的计算变形区应力应变状态的简化 立体应力状态简化为只有切向应力作用的单向应力状态 切向应力与应变之间的关系与单向拉伸状态下的应力应变关系完全一致 近似地用弹性弯曲理论来处理塑性弯曲问题 26 3 4弯曲力的计算 距中性层为处的切向应变为 塑性变形时 应力应变关系可用指数方程表示 即 则内 外层切向应力为 27 3 4弯曲力的计算 当给定弯曲半径后 便可求出板料断面上任一点处的切向应力及其分布 切向应力所形成的弯矩便可按梁的弯矩求得 若不考虑硬化 则 便得到无硬化弯曲时的弯矩 28 3 4弯曲力的计算 模具对板料的外弯矩为 在无硬化时于是自由弯曲的弯曲力为 由于弯曲力受材料性能 零件形状 弯曲方法 模具结构等多种因素的影响 很难用理论分析方法进行准确的计算 生产中常按经验公式进行概略计算 最大自由弯曲力的经验公式 29 3 4弯曲力的计算 二 校正弯曲力的计算按下面公式计算三 顶件力或压料力的计算对于设有顶件装置或压料装置的弯曲模 顶件力或压料力可按自由弯曲力的30 80 选取 30 3 4弯曲力的计算 四 压力机吨位的确定对于有压料的自由弯曲 压力机的压力应为 对于校正弯曲 由于校正力是发生在接近压力机下死点的位置 校正力与自由弯曲力并不重叠 且校正力的数值也比压料力大得多 因此按校正力选择压力机的压力即可 31 3 5弯曲件的回弹 一 回弹现象1 概念在外力作用下 板料弯曲变形产生的总变形量由塑性变形和弹性变形两部分组成 当外力去掉后 板料中的塑性变形保留下来 弹性变形则会完全消失 恢复 这样 当弯曲件从模具中取出后 便会发生工件弯曲角和弯曲半径与模具不一致的现象 这便是弯曲件的回弹 弯曲 回弹 危害 使弯曲件的形状和尺寸发生变化 与模具不符 从而降低了弯曲件的精度 弯曲件的回弹值要比其他塑性加工方法大 因此回弹是弯曲件生产中的一个不易解决的特殊问题 32 3 5弯曲件的回弹 2 产生原因回弹是在塑性弯曲后卸载过程中产生的 弯曲后变形区断面上的切向应力分布如图所示 33 3 5弯曲件的回弹 当板料从模具中取出时 其弹性变形便要恢复 相当于在加载弯矩的相反方向上加上一数值相等的弯矩 从而在板料的内外区产生了与塑性变形应力方向相反的应力 于是板料内的合成应力即为弯曲件从模具中取出时的残余应力 在该应力作用下弯曲件产生相应的变形 回弹而达到新的平衡状态 由此可见 弯曲件的回弹是由其内部产生的弹性恢复应力形成的 在弯曲变形后 只要有残存的弹性变形 回弹便不可避免 34 3 5弯曲件的回弹 二 回弹值的确定回弹的大小可以用弯曲件的曲率变化量和角度变化量来表示 弯曲角回弹量 曲率回弹量 时称为正回弹 反之称为负回弹 35 3 5弯曲件的回弹 1 曲率回弹量加载终了时的总应变为 卸载回弹后的残余应变为 弹性应变为 由得 回弹后的曲率半径为 36 3 5弯曲件的回弹 2 弯曲角回弹量根据弯曲前后中性层长度不变 即 得 与的关系 影响回弹的因素很多 因此 按计算所得出的回弹量制造的模具 尚需经过多次调试及修磨 才能使回弹量控制在允许的范围 37 3 5弯曲件的回弹 三 影响回弹的因素1 材料的力学性能由前面的公式知 回弹量的大小与材料的屈服极限成正比 与弹性模量成反比 抵抗弹变的能力 变形过程中的弹性成分 2 弯曲系数反映了材料切向应变 即弯曲变形程度 的大小 越大 变形程度则越小 总变形中的弹性变形所占的比例增大 因而回弹值大 半径很大的弯曲件不易成形的原因就在于此 38 3 5弯曲件的回弹 3 弯曲方式自由弯曲要比校正弯曲的回弹量大得多 且校正弯曲力越大 回弹量越小 甚至还可能出现负回弹 校正弯曲时 板料受到凸模与凹模的压缩作用 4 弯曲角弯曲角越大 弯曲变形区的长度越大 回弹累积值也越大 5 工件形状U形件的回弹由于两侧边受限制而小于V形件 形状复杂的弯曲件若一次弯成 由于各弯曲部分互相牵制而使回弹困难 39 3 5弯曲件的回弹 四 减小回弹的措施生产中可采取如下措施减小回弹 1 改进弯曲件局部结构如在弯曲区压制加强筋 以增加弯曲件的刚度和塑性变形程度 40 3 5弯曲件的回弹 2 选用合适材料在选用板材时 可采用弹性模数大而屈服极限较低的材料进行弯曲 以减小回弹 3 在工艺上采取措施用校正弯曲代替自由弯曲 这是生产上常用的行之有效的弯曲方法 对硬材料及有加工硬化的材料 可在弯曲前进行退火处理降低 以减小回弹 41 3 5弯曲件的回弹 4 用补偿法利用回弹规律来补偿回弹是减小或消除回弹最简单和最有效的方法 根据回弹趋势在模具结构上修正弯曲凸模或凹模工作部分的形状及尺寸 从而使工件的回弹量得到补偿 下图是通过修磨凸模的圆角半径及顶角来补偿回弹的 42 3 5弯曲件的回弹 5 改变变形区的应力状态 采取措施改变弯曲变形区外侧受拉 内侧受压的应力状态 使变形区内 外层的切向应力性质相同 从而使内 外层的回弹趋势相反 内 外层的回弹相互抵消一部分 从而减小回弹 具体措施 43 3 5弯曲件的回弹 改变凸模形状下图是把凸模局部 如圆角处 做成凸起形状 使凸模的力集中作用在引起回弹的变形区上 变形区内 外层切向都是受压 从而使内 外层的回弹趋势相反 44 3 5弯曲件的回弹 纵向加压弯曲这种方法也是使变形区横断面内 外层都为压应力 内 外层的回弹趋势相反 从而减小回弹量 45 3 5弯曲件的回弹 拉弯工艺 使变形区内 外层皆为拉应力 内 外层的回弹趋势也相反 因而可减小回弹量 两种方法 拉弯机拉弯 适用于长度和半径都较大的弯曲件 这类弯曲件用普通方法弯曲时 由于变形区大部分处于弹性变形状态 致使回弹很大而很难成形 46 3 5弯曲件的回弹 模具拉弯 凸 凹模之间的间隙为板料厚度的95 98 弯曲时利用凸模对板料的摩擦力使板料在纵向拉应力作用下实现弯曲 47 3 6弯曲模工作部分尺寸的确定 主要指凸模圆角半径 凹模圆角半径 凹模深度 对U形件弯曲模还包括凸 凹模之间的间隙等尺寸 一 凸模凹模圆角半径1 凸模圆角半径但应若 弯曲时应取 弯后再经整形工序达到要求的半径 整形模的 若弯曲系数较大时 则应考虑回弹的影响 凸模圆角应根据回弹量作相应的修正 48 3 6弯曲模工作部分尺寸的确定 2 凹模圆角半径不宜过小 以免弯曲时擦伤板料表面或出现压痕 还使弯曲力增加 模具寿命降低 因此 一般不小于3mm 通常可根据板料的厚度选取 凹模两边的应一致 以防止弯曲时板料的横向偏移 V形件弯曲凹模的底部圆角半径取 49 3 6弯曲模工作部分尺寸的确定 二 凸 凹模间隙弯V形件时 凸 凹模间隙靠调节压力机闭合高度实现 不必在设计及制造模具时给出 弯U形件时 须合理选取凸 凹模间隙 间隙过大 回弹大 弯曲件尺寸及形状要求不易保证 间隙过小 弯曲力增加 模具磨损大 寿命短 生产中常按材料的机械性能和厚度选取