第三章 弯曲PPT参考课件.ppt

第三章弯曲 3 1板料的弯曲现象及其原因 3 2窄板弯曲和宽板弯曲时的应力应变状态分析 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 3 4弯曲力计算和设备选择 3 5弯曲件毛坯长度计算 3 6最小相对弯曲半径rmin t的确定 3 7弯曲回弹 3 8弯曲模工作部分的尺寸计算 1 第三章弯曲 弯曲 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 弯曲毛坯的种类 板料 棒料 型材 管材 本章与第2章相比 准确工艺计算难 模具动作复杂 结构设计规律性不强 2 弯曲成形典型零件 3 生活中的弯曲件 4 压弯的典型形状 典型压弯工件 5 飞机整体壁板弯曲成形 6 弯曲方法 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折弯 滚弯 拉弯等 弯曲零件的成形方法 a 模具压弯 b 折弯 c 滚弯 辊压 d 拉弯 7 弯曲模 弯曲所使用的模具 形件弯曲模 1 下模板2 5 圆柱销3 弯曲凹模4 弯曲凸模6 模柄7 顶杆8 9 螺钉10 定位板 8 用模具成形的弯曲件之一 9 用模具成形的弯曲件之二 10 11 连续弯曲模拟 闹钟双铃提环弯曲模模拟 阶梯件弯曲模 双摆块弯曲模 摆块式形件弯曲模 圆筒形件一次弯曲 自动卸料机构的摆块弯曲模 12 3 1板料的弯曲现象及其原因 a b c d 在弯曲过程中 板料的弯曲半径r1 r2 rn与支点距离l1 l2 ln随凸模下行逐渐减小 而在弯曲终了时 板料与凸 凹模完全贴合 当凸模上行后 总希望V形件的弯曲半径r和弯曲角a与模具形状保持一致 但是弯曲变形过程的复杂性 往往会伴随产生以下现象 13 弯曲前后坐标网格的变化 弯曲后 弯曲前 14 3 1板料的弯曲现象及其原因 一 弯曲件的弹性回弹 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 15 坯料弯曲变形区内切向应为的分布 弹性弯曲 弹 塑性弯曲 纯塑性弯曲 3 1板料的弯曲现象及其原因 一 弯曲件的弹性回弹 续 16 3 1板料的弯曲现象及其原因 二 中性层位置的内移 板料弯曲时 外层纤维受拉 内层纤维受压 在拉伸与压缩之间存在一个既不伸长 也不压缩的纤维层 称应变中性层 而毛坯截面上的应力 在外层的拉应力过渡到内层压应力时 发生突然变化的或应力不连续的纤维层 称应力中性层 应变中性层用于计算弯曲件毛坯长度计算 应力中性层用于计算弯曲应力和应力分析 弹性弯曲时 应变中性层与应力中性层相重合 其应变和应力为零 中性层位置一定通过板料横截面中心 可用曲率 0表示 即 0 r t 2 如图示 塑性弯曲时 设板料的原来长度 宽度和厚度分别为l b和t 弯曲后称为外径R 内径r 厚度 t 变薄系数 和弯曲角 的形状 17 3 1板料的弯曲现象及其原因 二 中性层位置的内移 续 18 金属体积不变条件 得 3 1板料的弯曲现象及其原因 二 中性层位置的内移 续 塑性变形后 弯曲中性层长度不变 得 19 3 1板料的弯曲现象及其原因 二 中性层位置的内移 续 可以看出 塑性弯曲时应变中性层位置与r t 系数 的数值有关 而弯曲时 随着凸模下行 相对弯曲半径r t和系数 是不断变化的 所以板料塑性弯曲时的应变中性层位置 也在逐渐改变 逐步移动 弯曲90 时变薄系数与x0的数值 10 20号钢 20 3 1板料的弯曲现象及其原因 二 中性层位置的内移 续 凸模下行 变形程度不断增大 应变中性层位置逐渐向内移动 变形量愈大 中性层的内移量也愈大 由应变中性层可知 应变中性层处的纤维在弯曲前期的变形是切向压缩 而弯曲后期必然是伸长变形 才能补偿弯曲前期的纤维缩短 使其切向应变为零 而弯曲后期的纤维伸长变形 一般来说 仅发生在应力中性层的外层纤维上 由此可见 应力中性层在塑性弯曲时也是从板料中间向内移动 且内移量比应变中性层还大 21 3 1板料的弯曲现象及其原因 三 弯曲区板料厚度的变薄 板料弯曲时 以中性层为界 外层纤维受拉使厚度减薄 内层纤维受压使板料增厚 我们知道 在r t 4时 应变中性层向内移动 内移结果 外层拉伸变薄区范围逐步扩大 内层压缩增厚区范围不断减小 外层的减薄量会大于内层的增厚量 从而使弯曲区厚度变薄 变形程度愈大 变薄现象愈严重 弯曲时的厚度变薄会影响零件的质量 因此 在拟定弯曲工艺和模具设计时 必须采取有效措施 才能弯制出合乎要求的零件 22 3 1板料的弯曲现象及其原因 四 板料长度的增加 根据体积不变条件 弯曲区板料厚度的减薄的结果使板料长度l必然增加 相对弯曲半径r t愈小 减薄量愈大 板料长度的增加量也愈大 因此 对于r t值较小的弯曲件 在计算弯曲件的毛坯长度时 必须考虑弯曲后板料增长 并通过多次弯曲试验 才能得出合理的毛坯展开尺寸 23 3 1板料的弯曲现象及其原因 五 板料横截面的畸变 翘曲和拉裂 畸变 宽板 B t 3 窄板 B t 3 弯曲变形区的横截面变化情况 24 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 3 1板料的弯曲现象及其原因 五 板料横截面的畸变 翘曲和拉裂 畸变 b t 3 宽板 横断面几乎不变 b t 3 窄板 断面变成了内宽外窄的扇形 25 3 1板料的弯曲现象及其原因 五 板料横截面的畸变 翘曲和拉裂 翘曲 弯曲后的翘曲 26 3 1板料的弯曲现象及其原因 五 板料横截面的畸变 翘曲和拉裂 翘曲 弯曲后的翘曲 27 型材 管材弯曲后的剖面畸变 3 1板料的弯曲现象及其原因 五 板料横截面的畸变 翘曲和拉裂 翘曲 28 3 1板料的弯曲现象及其原因 五 板料横截面的畸变 翘曲和拉裂 拉裂 纤维方向对rmin t的影响 29 3 2窄板弯曲和宽板弯曲时的应力应变状态分析 窄板 b t 3 宽板 b t 3 30 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想对宽度b t以及弯曲变形程度 3 2窄板弯曲和宽板弯曲时的应力应变状态分析 一 窄板弯曲 窄板弯曲的应力状态是平面的 应变状态是立体的 二 宽板弯曲 宽板弯曲的应力状态是立体的 应变状态是平面的 31 应力状态 宽板 B t 3 窄板 B t 3 长度方向 1 内区受压 外区受拉 厚度方向 2 内外均受压应力 宽度方向 3 内外侧压力均为零 长度方向 1 内区受压 外区受拉 厚度方向 2 内外均受压应力 宽度方向 3 内区受压 外区受拉 两向应力 三向应力 3 2窄板弯曲和宽板弯曲时的应力应变状态分析 32 应变状态 宽板 B t 3 窄板 B t 3 长度方向 1 内区压应变 外区拉应变 厚度方向 2 内区拉应变 外区压应变 宽度方向 3 内区拉应变 外区压应变 长度方向 1 内区压应变 外区拉应变 厚度方向 2 内区拉应变 外区压应变 宽度方向 3 内外区近似为零 三向应变 两向应变 3 2窄板弯曲和宽板弯曲时的应力应变状态分析 33 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 一 近似简化计算 实质 将梁的弹性弯曲理论用于塑性弯曲的一种近似计算 当变形程度较大时 计算结果的误差也较大 但这种计算方法比较简单 常用于复杂弯曲变形下的近似计算 34 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 根据宽板弯曲平面应变状态的特点 并假定 1 塑性弯曲后 弯曲区的横截面仍保持平面 2 板料宽度方向的变形忽略不计 变形区平面应变状态 b 0 3 弯曲变形区的等效应力和等效应变之间的关系与单向拉伸时的应力应变关系完全一致 根据以上假定和宽板弯曲平面应变状态的特点 可计算出宽板塑性弯曲时的三个主应力 b 数值及其分布 35 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 板料弯曲后的形状 36 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 切向应变 平面应变状态下 体积不变条件 得 37 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 平面应变状态下 有 等效应力 等效应变 38 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 应力 应变关系用幂指数硬化曲线表示 即 代入等效应力 应变公式得 39 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 平衡条件 40 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 板料内外层的径向应力 上式中 C为积分常数 由边界条件求出 41 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 外层径向应力 内层径向应力 42 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 外层切向应力 内层切向应力 43 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 外层宽度方向上的主应力 外层宽度方向上的主应力 44 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 中性层的径向应力互相平衡条件 有 应力中性层位置为 即 45 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 46 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 不考虑硬化 n 0 b s 得 外层应力 内层应力 47 48 3 3宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 二 按宽板弯曲的平面应变状态计算变形区的应力数值 切向应力形成弯矩 不考虑硬化的弯矩 49 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 3 4弯曲力计算和设备选择 50 3 4弯曲力计算和设备选择 一 自由弯曲时的弯曲力 V形件弯曲力 U形件弯曲力 F自 自由弯曲在冲压行程结束时的弯曲力 B 弯曲件的宽度 t 弯曲材料的厚度 r 弯曲件的内弯曲半径 b 材料的抗拉强度 K 安全系数 一般取K 1 3 式中 51 3 4弯曲力计算和设备选择 二 校正弯曲时的弯曲力 式中 F校 校正弯曲应力 A 校正部分投影面积 p 单位面积校正力 其值见表3 3 52 3 4弯曲力计算和设备选择 三 冲压设备的选择 对于自由弯曲 对于校正弯曲 53 3 5弯曲件毛坯长度计算 据中性层的定义 弯曲件的坯料长度应等于中性层的展开长度 中性层位置以曲率半径 表示 通常用下面经验公式确定 54 3 5弯曲件毛坯长度计算 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 对于形状比较复杂或精度要求高的弯曲件 在利用下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 55 一 圆角半径r 0 5t的弯曲件 3 5弯曲件毛坯长度计算 按中性层展开的原理 坯料总长度应等于弯曲件直线部分和圆弧部分长度之和 即 56 3 5弯曲件毛坯长度计算 二 圆角半径r 0 5t的弯曲件 按变形前后体积不变条件确定坯料长度 通常采用经验公式计算 57 3 5弯曲件毛坯长度计算 三 铰链式弯曲件 铰链弯曲和一般弯曲件有所不同 铰链弯曲常用推卷的方法成形 在弯曲卷圆的过程中 材料除了弯曲以外还受到挤压作用 板料不是变薄而是增厚了 中性层将向外侧移动 因此其中性层位移系数K 0 5 图所示为铰链中性层位置示意图 58 3 5弯曲件毛坯长度计算 三 铰链式弯曲件 铰链中性层位置 59 对于r 0 6 3 5 t的铰链件 图 其坯料长度可按下式近似计算 3 5弯曲件毛坯长度计算 三 铰链式弯曲件 60 例 计算下图所示弯曲件的坯料展开长度 3 5弯曲件毛坯长度计算 61 板料弯曲状态 3 6最小相对弯曲半径rmin t的确定 一 最小相对弯曲半径rmin t的近似理论计算 62 3 6最小相对弯曲半径rmin t的确定 最小弯曲半径rmin 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 其值越小越有利于弯曲成形 一 最小相对弯曲半径rmin t的近似理论计算 续 设板料应变中性层曲率半径为 0 内弯曲半径为r 外弯曲半径为R 则距中性层y处的纤维 其切向应变为 63 3 6最小相对弯曲半径rmin t的确定 一 最小相对弯曲半径rmin t的近似理论计算 续 与y值成正比 在弯曲区外层边缘的切向应变 和应力 为最大 为 当相对弯曲半径为最小值rmin t时 则 max为外层纤维的切向应变最大值 因此 外层边缘的切向应变达到最大值时的最小弯曲半径可按上式计算 64 3 6最小相对弯曲半径rmin t的确定 一 最小相对弯曲半径rmin t的近似理论计算 续 最小相对弯曲半径值rmin t 也可用材料的断面收缩率 计算 即 用r t表示为 当弯曲时的断面收缩率 值达到最大值 min时 相对弯曲半径r t可以降至最小值rmin t 所以 65 3 6最小相对弯曲半径rmin t的确定 一 最小相对弯曲半径rmin t的近似理论计算 续 max和 max值 均可由材料单向拉伸试验得出 但实践结果表明 弯曲处的切向应变最大值 max 比单向拉伸的试验值 max大得多 所以理论计算与实际试验数据相比 误差较大 其原因是实际生产中的最小相对弯曲半径除与材料机械性能 材料的 5 10 值等 有关以外 还与其它因素有关 66 3 6最小相对弯曲半径rmin t的确定 二 影响最小弯曲半径的因素 1 材料的力学性能 2 材料表面和侧面的质量 3 弯曲线的方向 4 弯曲中心角 板料表面有划伤 裂纹或测边 剪切面 有毛刺 裂口和冷作硬化等缺陷 弯曲时易于开裂 所以表面质量或断面切口质量较差的板料 其弯曲区许口的变形程度较小 即最小相对弯曲半径rmin t的数值较大 90 时 其影响较小 67 纤维方向对rmin t的影响 68 三 最小相对弯曲半径rmin t的数值 3 6最小相对弯曲半径rmin t的确定 69 3 6最小相对弯曲半径rmin t的确定 四 提高弯曲极限变形程度的方法 1 经冷变形硬化的材料 可热处理后再弯曲 2 清除冲裁毛刺 或将有毛刺的一面处于弯曲受压的内缘 3 对于低塑性的材料或厚料 可采用加热弯曲 4 采取两次弯曲的工艺方法 中间加一次退火 5 对较厚材料的弯曲 如结构允许 可采取开槽后弯曲 70 开槽后进行弯曲 71 3 7弯曲回弹 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 一 回弹现象 弯曲回弹的表现形式 曲率减小 弯曲中心角减小 72 3 7弯曲回弹 一 回弹现象 续 设卸载前中性层半径为 0 弯曲角为 回弹后的中性层半径为 0 弯曲角为 0 则弯曲件的曲率变化量为 角度变化量为 曲率变化量 K和角度变化量 又称为弯曲件的回弹量 弯曲件卸载前后的变化量 73 3 7弯曲回弹 二 弯曲件回弹量的计算 1 曲率回弹量 K 设弯曲后的卸载过程为在塑性弯曲反方向上施加一个假想的弹性弯矩 M 的过程 由弹性弯曲公式得出 则卸载时的应力变化为 塑性弯曲时板料内 外层纤维的应力为 74 3 7弯曲回弹 二 弯曲件回弹量的计算 续 1 曲率回弹量 K 续 因此 板料卸载回弹后内 外层纤维的残余应力 变化为 同理 可得出 上式中 为弯曲后的残余应变 为塑性弯曲时的应变值 为卸载回弹时的应变变化值 75 3 7弯曲回弹 二 弯曲件回弹量的计算 续 1 曲率回弹量 K 续 76 弯曲后的残余应变 以及 和 值为 3 7弯曲回弹 二 弯曲件回弹量的计算 续 1 曲率回弹量 K 续 则 77 3 7弯曲回弹 二 弯曲件回弹量的计算 续 1 曲率回弹量 K 续 曲率回弹量 K的数值与加载弯矩M 材料弹性模量E和板料截面的惯性矩I等因素有关 将弯矩公式和惯性矩I bt3 12代入上式 得曲率变化量为 板料全塑性弯曲时 n 0 B s 则 78 3 7弯曲回弹 二 弯曲件回弹量的计算 续 1 曲率回弹量 K 续 弯曲件回弹后的曲率半径 0 即 79 3 7弯曲回弹 二 弯曲件回弹量的计算 续 2 弯曲角回弹量 续 已知板料弯曲卸载前后的中性层长度不变 由此可得 弯曲角回弹量 80 3 7弯曲回弹 二 弯曲件回弹量的计算 续 2 弯曲角回弹量 续 弯曲角回弹量 板料全塑性弯曲时 n 0 B s 则 81 3 7弯曲回弹 二 弯曲件回弹量的计算 续 3 K和 的关系 理论计算出的弯曲件回弹量与实际冲压生产中发生的回弹量相比 有一定差距 其原因是影响回弹量的因素很多 82 3 7弯曲回弹 三 影响回弹的因素 83 3 7弯曲回弹 三 影响回弹的因素 续 材料的力学性能 s E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 84 3 7弯曲回弹 三 影响回弹的因素 续 相对弯曲半径r t r t越大 回弹越大 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 85 弯曲方式及弯曲模 1 在无底凹模内作自由弯曲时 图 回弹最大 2 在有底凹模内作校正弯曲时 图 回弹较小 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 3 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 如图所示 3 7弯曲回弹 三 影响回弹的因素 续 86 无底凹模内的自由弯曲 87 形件弯曲模 1 下模板2 5 圆柱销3 弯曲凹模4 弯曲凸模6 模柄7 顶杆8 9 螺钉10 定位板 88 间隙对回弹的影响 89 3 7弯曲回弹 三 影响回弹的因素 续 工件的形状 一般而言 弯曲件越复杂 一次弯曲成形角的数量越多 回弹量就越小 90 3 7弯曲回弹 四 回弹值的确定 方法 先根据经验数值和简单的计算来初步确定模具工作部分尺寸 然后在试模时进行修正 91 小变形程度 r t 10 自由弯曲时的回弹值 3 7弯曲回弹 四 回弹值的确定 续 凸模工作部分的圆角半径和角度可按下式进行计算 92 2 大变形程度 r t 5 自由弯曲时的回弹值 卸载后弯曲件圆角半径的变化是很小的 可以不予考虑 而仅考虑弯曲中心角的回弹变化 弯曲中心角为90 时部分材料的平均回弹角查表 当弯曲件弯曲中心角不为90 时 其回弹角可用下式计算 3 7弯曲回弹 四 回弹值的确定 续 93 3 7弯曲回弹 四 回弹值的确定 续 校正弯曲时的回弹值 校正弯曲的回弹可用试验所得的公式计算 V形件校正弯曲的回弹 94 1 材料选择 五 减少回弹的措施 3 7弯曲回弹 应尽可能选用弹性模数大的 屈服极限小 机械性比较稳定的材料 95 改进零件的结构设计 五 减少回弹的措施 续 3 7弯曲回弹 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 在变形区压加强肋或压成形边翼 增加弯曲件的刚性 使弯曲件回弹困难 图 96 3 从工艺上采取措施 五 减少回弹的措施 续 3 7弯曲回弹 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 97 拉弯用模具 98 拉弯时断面内切向应变的分析 99 五 减少回弹的措施 续 3 7弯曲回弹 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 如图 100 用补偿法修正模具结构 101 五 减少回弹的措施 续 3 7弯曲回弹 4 从模具结构采取措施 续 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 102 用校正法修正模具结构 103 五 减少回弹的措施 续 3 7弯曲回弹 4 从模具结构采取措施 续 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 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 104 纵向加压弯曲 105 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 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