压弯成型工艺分析与计算.ppt

压弯成型工艺 主讲 刘贤文广东省机械研究所产学研中心 第一章板料压弯工作原理 第一节 压弯曲概述 第二节 弯曲件的质量分析 第二章 管子弯曲 第一节 管子弯曲概述 第二节 管材弯曲形式 第三节 管子弯曲工艺分析 第五节 管子最小弯曲圆角半径 第六节 管子弯曲工艺方法 第七节 弯曲回弹 第四节 管子弯曲产生的椭圆度分析 第一章板料压弯工作原理 弯曲 弯曲方法 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压弯 绕弯 滚弯 拉弯等 生活中的弯曲件 一 压弯曲概念 第一节 压弯曲概述 二 钢板在压弯曲变形过程及特点1 弯曲变形过程图1 1所示为比较典型的V形校正弯曲 这里以此为例来说明材料弯曲变形的过程 图1 1弯曲过程a r r0b r r1c r r2d r r 图1 2材料弯曲前后的网格变化 2 弯曲变形的特点为了观察板料弯曲时的金属流动情况 便于分析材料的变形特点 1 板料弯曲时截面上弯曲正应力的分布规律 图1 3板的弯曲实验 三 板料弯曲正应力 1 纤维变化情况 如上图所示 平面弯曲时 其横截面仍保持为平面 只产生了相对转动 一部分纵向 纤维 伸长 一部分纵向 纤维 缩短 中性层不变 其余的越远离中层性的纵向 纤维 伸长 或缩短量 越大 中性轴是横截面上压力 拉应力的分界线 中性轴上各点为压应力 以下的各点为拉应力 由虎克定律可知 横截面上各点的应力大小与所在点到中性轴z的距离y成正比 距中性轴越远的点应力截越大 式1 1 2 中性轴上应力分析 2 弯曲正应力的计算 式中M为弯矩 y是中性层到外受力点距离 惯性矩 式1 2 式1 3 图1 4梁截面上的弯曲应力分布 第二节 弯曲件的质量分析 1 最小弯曲半径rmin t的概念 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 其值越小越说明板料弯曲性能越好 一 最小弯曲半径rmin t 最小弯曲半径rmin的数值查相关表 图1 5板料弯曲状态及中性层位置 二 弯曲件卸载后的回弹1 回弹现象 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 弯曲回弹的表现形式 图1 6弯曲时的回弹 图1 7弯曲时的回弹 2 回弹的表现形式 弯曲回弹会使工件的圆角半径增大 即rz rp 则回弹量可表示为 r rz rp 弯曲回弹会使弯曲件的弯曲中心角增大 即 p 则回弹量可表示为 p 3 回弹值的确定1 小圆角半径弯曲回弹 A 当相对弯曲角900时 半径r t 5 8时 弯曲半径变化很小 可以不考虑 仅考虑弯曲角变化回弹值时 可查附录P及有关冲压手册初步确定回弹值 再根据经验修正给定制造时的回弹量 然后在试模时进行修正 B 当弯曲角不是900时 其回弹角则用公式计算 2 按纯塑性弯曲计算 凸模圆角半径及角度按下式计算 当板料相对弯曲半径r t 5 8时 凸模圆角半径和中心角可按下式计算 在试模时再修正 式中r 工件的圆角半径 mm rp 凸模的圆角半径 mm 由于影响弯曲回弹的因素很多 而且各因素又相互影响 因此 计算回弹角比较复杂 也不准确 生产中一般是按经验数表或按力学公式计算出回弹值作为参考 再在试模时修正 工件的圆角半径r所对弧长的中心角 p 凸模的圆角半径rp所对弧长的中心角 t 毛坯的厚度 mm E 弯曲材料的弹性模量 MPa s 弯曲材料的屈服强度 MPa 材料的力学性能 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 影响回弹的因素 相对弯曲半径 越大 回弹越大 变形程度对弹性恢复值的影响 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 5 弯曲的形状 U形回弹小于V形 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 4 模具间隙 间隙越大 回弹也越大 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 第二章 管子弯曲 一 管子压弯 一 压弯原理和压弯变形特点1 压弯原理压弯是用机械加压的方法对金属材料施加弯矩 使其弯曲成形的方法 2 工艺一般按管坏直径和壁厚不同情况选择不同的加工工艺 小直径薄壁管冷弯大直径管材热弯 第一节 管子弯曲概述 管子弯曲一般分为压弯 挤弯 拉弯及专用弯管机弯曲等 3 压弯变形的特点 压弯时金属材料产生外拉内压 材料中间有一层既不受拉也不受压的中性层 弯曲变形受最小弯曲半径的限制和材料回弹的影响 一 圆管子弯曲形式 1 管子手动弯曲工具如图示 这类工具制造成本较低 调节方便 适用于弯件品种繁多 生产最小而又缺乏专有设备 第二节 管材弯曲形式 图2 1 1中小型弯管工具2 1 2大型弯管工具 2 管子弯模 图2 1 3为管子弯槽结构 凹模3的凹槽直径小于管子直径0 3 0 4mm 为了使管子不发生畸变 管子在里外支承面的作用下 进行压弯 图2 1 3管子弯曲模2 1 4管子挤压模1 上模楔柱 2 斜楔支撑 3 成形下模 1 压柱 2 料腔 3 弯曲型模 3 管子挤压弯曲模 把管子放在定位块2中 通过凸模1的挤压 管子被迫通过型槽中受挤压成形 见图2 1 5 凹模3由二块拼成 弯曲后 分开凹模取出工件 2 1 5摆块式矩形管弯曲模 二 矩形截面管件的弯曲 1 单角弯曲模具结构见图2 1 6 凹模由两个可旋转的确良杠杆及夹组成 2 1 6矩形管弯曲模 2 1 7切刀式矩形管弯曲模示意图a 短边弯曲 b 长边弯曲 2 1 8矩形管切口式弯曲工件 2 复杂形状的弯曲 模具结构见图1 6 适用于弯曲较小半径 r 10 25mm 的矩形管件 矩形管件弯曲的填充料由0 1 0 3mm厚的成束弹簧钢带叠成 与管子的内形磨配 装入后再用0 5 3mm的楔楔住 弯事再卸除 3 用切发模专用压弯机上的弯曲 模具结构及刀口位置调整见图2 1 7 工件图见图2 1 8 弯曲半径R按下式计算 矩形管壁厚 刀口切入深度 矩形管高度 系数 根据材料性能和生产试验确定 三 杆形件螺旋弯曲 各种杆形件见图2 1 9 2 1 9各种形状的杆形件 用杆料 线材 来制造杆件形一般有以下几种方法 1 在专用夹具上挠弯 2 在车床上将线材卷绕在芯棒上 然后切断并校直3 使用复杂的楔形摆块弯模弯曲4 采用专用弯曲机进行自动弯曲 在以上方法中 前二种方法生产效较低 后二种方法生产效率高 但比较复杂 自动机的调整也较困难 在普通冲床上采用螺旋弯曲的方法 弯制各种杆形 线材 工件是一种的成形方法 螺旋弯曲不但模具结构简单 生产率高 调整 维修也方便 配备上自动送料机构后 可实现自动化或半自动化生产 第三节 管子弯曲工艺 管材弯曲与板材弯曲相比 虽然从变形性质等方面看非常相似 但由于管材空心横断面的形状特点 弯曲加工时不仅容易引起横断面形状发生变化 而且也会使壁厚发生变化 因此 在弯曲加工方法 需要解决的工艺难点 产品的缺陷形式和防止措施 弯曲用模具及设备等方面 两者之间存在很大差别 我们知道 在纯弯曲的情况下 外径为D 壁厚为S的管子受外力矩M的作用而弯曲时 弯曲变形区的外侧材料受到切向拉伸应力的作用而伸长 从而使外侧管壁减薄 内侧材料则受到切向压应力的作用而缩短 从而使内侧管壁增厚 一 弯管工艺分析 由于位于弯曲变形区最外侧和最内侧的材料所受的切向应力最大 故其管壁的厚度变化也最大 因此 外侧管壁会过量减薄 当变形程度过大时 最外侧管壁会产生裂纹 最内侧管壁会出现失稳而起皱 同时 由于弯曲内 外侧管壁上切向应力在法向的合力 外侧切向拉应力的合力N 向下 内侧切向压应力的合力N2向上 的作用 使弯曲变形区的圆管横截面在法向受压而产生畸变 即法向直径减小 横向直径增大 从而成为近似椭圆形 见图2 2 23 变形程度越大 则畸变现象越严重 另外 由于从拉应力过渡到压应力的弹性阶段的存在 卸载时外层纤维因弹性恢复而缩短 内层纤维因弹性恢复而伸长 结果使工件弯曲的曲率和角度发生显著变化 与模具的形状和设计要求的形状不一致 造成弯曲回弹现象 降低了弯曲件的工艺精度 图2 2 1管子弯曲时的开裂与起皱 a 外侧开裂 b 内侧起皱 二 管子弯曲变形过程管子在弯曲过程中 外侧受拉 管壁变薄 内侧受压 管壁增厚 当变形量过大时 外侧会开裂 内侧会起皱 见图2 2 1 三 弯管的椭圆度和减薄量 1 弯管的椭圆度管材在自由弯曲时 其横剖面会产生很大的变形 且外侧管壁会减薄 内侧管壁相应增厚如图的示 变形取决于与相对弯曲半径是指管子中性层的弯曲半径R和管子外径D的比值 图2 2 2弯管的截面变化 图2 2 3弯管的椭圆度A 椭圆长轴直径b 椭圆短轴直径D 管子外径 相对壁厚是指管子壁厚与管子外径的比值D 相对弯曲半径和相对壁厚的值越小 则弯曲变形越大 甚至造成外侧管壁破裂和内侧管壁起皱 管子弯曲后的椭圆度不应过大 应符合椭圆度E计算公式 2 弯管减速薄量的计算管子弯曲后壁厚由于受拉 壁厚一般都有一定的减薄现象 其减薄率的计算公式为 式中 弯曲前管坯的壁厚 弯曲后管子壁厚 图2 82管子受力后弯曲变形情况 弯曲后外侧管壁厚 管材厚度 管材外径 弯曲半径 见图2 82 图2 2 2管子弯曲时的开裂与起皱 a 有填料和芯子弯曲 b 无填料限制时的弯曲 一般情况下 管子弯曲后剖面形状近似于椭圆 当有填料和芯子弯曲时 管子弯曲后剖面形状变化不大 见图2 2 2 弯管剖面形状为近似椭圆形时 管壁厚度变薄量可按下式计算 从工艺分析可知 常见的弯管缺陷主要有以下几种形式 圆弧处变扁严重 椭圆形 圆弧外侧管壁减薄量过大 圆弧外侧弯裂 圆弧内侧起皱及弯曲回弹等 随着弯管半径的不同 前四种缺陷产生的方式及部位有所不同 而且不一定同时发生 而弯曲工件的弹性回弹却是不可避免的 弯管缺陷的存在对弯制管件的质量会产生很大的负面影响 管壁厚度变薄 必然降低管件承受内压的能力 影响其使用性能 弯曲管材断面形状的畸变 一方面可能引起横断面积减小 从而增大流体流动的阻力 第四节 弯管质量分析 一 弯管常见的缺陷及其解决措施 另一方面也影响管件在结构中的功能效果 管材内壁起皱不但会削弱管子强度 而且容易造成流动介质速度不均 产生涡流和弯曲部位积聚污垢 影响弯制管件的正常使用 回弹现象必然使管材的弯曲角度大于预定角度 从而降低弯曲工艺精度 因此 应在弯制之前采取对应措施防止上述缺陷的产生 以获得理想的管件 保证产品的各项性能指标和外观质量 在通常情况下 对于前面提到的几种常见缺陷 可以有针对性地采取下列措施 1 对于圆弧外侧变扁严重的管件 在进行无芯弯管时可将压紧模设计成有反变形槽的结构形式 在进行有芯弯管时 应选择合适的芯棒 必要时可采用由多节段芯棒组装而成的柔性芯棒 正确安装之 并在安装模具时保证各部件的管槽轴线在同一水平面上 2 小半径弯管时圆弧外侧减薄是弯曲的工艺特点决定的 是不可避免的 为了避免减薄量过大 常用的有效方法是使用侧面带有助推装置或尾部带有顶推装置的弯管机 通过助推或顶推来抵消管子弯制时的部分阻力 改善管子横剖面上的应力分布状态 使中性层外移 从而达到减少管子外侧管壁减薄量的目的 3 对于管子圆弧外侧弯裂的情况 首先应保证管材具有良好的热处理状态 然后检查压紧模的压力是否过大 并调整使其压力适当 最后应保证芯棒与管壁之间有良好的润滑 以减少弯管阻力及管子内壁与芯棒的摩擦力 4 对于圆弧内侧起皱 应根据起皱位置采取对应措施 若是前切点起皱 应向前调整芯棒位置 以达到弯管时对管子的合理支撑 若是后切点起皱 应加装防皱块 使防皱块安装位置正确 并将压模力调整至适当 若圆弧内侧全是皱纹 则说明所使用的芯棒直径过小 使得芯棒与管壁之间的间隙过大 或者就是压模力过小 不能使管子在弯曲过程中很好地与弯管模及防皱块贴合 因此 应更换芯棒 并调整压紧模使压模力适当 5 对于弯曲回弹现象 主要采用补偿法和校正法来加以控制 补偿法是通过综合分析弯曲回弹的影响因素 根据弯曲时的各种条件和回弹趋势 预先估算回弹量的大小 在设计制造模具时 修正凸 凹模工作部分尺寸和几何形状 实现 过正 弯曲 校正法是在模具结构上采取措施 使校正力集中在弯角处 改变应力状态 力图消除弹性变形 克服回弹 如拉弯工艺 在弯曲的同时施加拉力 使整个断面都处于拉应力的作用下 卸载时弹性回复与变形方向一致 可明显减小回弹量 二 管子弯曲产生的椭圆度分析 管了在弯曲中 会由圆管变为椭圆 现对椭圆进行分析与估算 管子弯曲时处于纯弯曲状态如下图所示 纯弯曲不产生剪应力 各个剖面的弯矩是个常数 图4 1管子纯弯曲 两个剖面ab和cd在弯曲前后都是平剖面 由于弯M 矩 使管子弯到半径两个原来平行的剖面ab和cd 转动了一个角度 在上部产生了拉应力 在下部产生了压应力 其作用方向都垂直于平剖面 一般说 应力沿厚度方向是变化的 我们按薄壳理论 将沿厚度方向的均变应力 用集中在中层的合力和弯矩来代替 都指单位中层长度而言 其值为 式1 14 图4 2管子上部受拉力单元的作用力与弯矩 在上图中 是的作用情况 管在变形中 各个单元都在内力作下保持平衡 图4 3作用在上部单元的力系 在上图4 3中 是除了合力N1弯矩M1外 为了在Z向保持平衡 在另一个侧面还应有作用力N2 两者在Z向的投影之和等于零 另一侧面也是应力分布也是均匀 还有一个弯矩M2 这样图4 3中 其作用力系统是 N1是均布的拉力 在同一剖面上还有弯矩M1 后者的作用是增加纵向纤维的曲率 为了保持平衡 在另一个侧 还应有作用力N2 是压应力的合力 因管子属薄壳一类 各层纤维的径向应力可以小到可不计 应力沿厚度方向随变化 即外层最大 M1的作用是减小其作面内的曲率 图4 4作在下部单元的力系 图4 4中 作在下部单元的力系均变压应力为 合力为N2 弯矩M1 后者的作用是增加纵向纤维的曲率 平衡力N1 在Z向的分力 单元侧面作用有合力N2 仍假设各层之间不存在压力 由于是均变的 为代替 除合力N2 外 还应有弯矩M2 其作用是减小横向纤维的曲率 图4 4中 作在下部单元的力系 弯矩是使管子在弯曲中变成椭圆形的原因所在 因其有减小剖面曲率的作用 使原来的圆管变成扁管 设管子的椭圆度如下图所示 图4 5管子椭圆度 管子中层变形后的径向偏移 原来到中层距离为y的纤维cd 变到距离为y 的ef 这样椭圆半径为 再假设垂直于中层任意直线 变形后仍垂直于中层 如图所示 现求变扁后到中层距离为Z的纤维应变值为 图4 6管截面的平剖面变形 产生应变后的椭圆C的值用下式计算 下图是LF2M铝合金管 在弯曲中变扁的最小直径dmin与弯曲半径的关系 注意式中在这里指屈服点 其值一般约为等于极限强度 图4 7确定LF2M铝合金管弯曲椭圆度的曲线 二 管子最小弯曲圆角半径 管子弯曲时的最小圆角半径 见下表 第五节 管子最小弯曲圆角半径 二 最小弯曲半径 由于管材性质和管子直径 壁厚等条件限制 必须在一定的弯曲范围内进行弯曲加工 否则会造成管子的破裂 椭圆度过大 起皱等一系列问题 造成管子报废 管子最小弯曲圆角半径 常见管材的的最小弯曲半径见表 常见管材的的最小弯曲半径 第六节 管子弯曲工艺方法 为减少弯管剖面的畸变 一般弯曲管子直径大于10毫米时均要考虑加填充料和芯子 填料的选用与管子的相对厚度t D t 管子的壁厚 D0 管子外径 相对弯曲圆角半径r D0在小 r 管子内侧弯曲半径 材料性质 管子椭圆度的允许差范围及弯管的方法有关 填料选择时应注意下列条件 1 易于装入或取出 2 受压后体积不变 3 不会压伤管壁 4 加热后不起化学变化 不会粘结内壁 5 对管壁无腐蚀现象 一 带填料和衬芯的管子弯曲 目前最常用的填充料有松香 石英砂 低熔点化合物 如硫化硫 磷酸钠等 及易熔合金 最近新发现的 冰栋 方法 管内浸水后二头封口 放入冰箱内使之冻结 用冰作为填料 目前有如下几种填充芯子 滚珠 螺旋弹簧 薄的金属片及软金属丝 图2 3 1是专用填充芯子 其长度可根据需要调整 图2 3 1填充芯子 a 滚珠式芯子 b 衬片式芯子 图2 3 2管子模工作部分结构1 导板 2 芯棒 3 弯曲型胎 4 压块 专用弯管机上地弯管模一般由芯棒 压块 导板和弯曲型胎等几部分组成 见图2 3 2 弯曲型胎3固定在机床心轴上 可以转动 管子在弯曲前由压块4夹紧于弯曲型胎内 在成型弯曲点处有导板1 管内填以芯棒2 当弯曲模转动的 管子绕弯曲型胎逐渐成形 弯路型胎3 压块4及导板1工作部分尺寸 见力图2 3 2 D0为管子外径 r0管子外缘半径 导板1长度按需要确定 其工作面光洁度在以上 图2 3 3弯管模各部分工作尺寸1 导板 2 芯棒 3 弯曲型胎 4 压块 管子弯曲时 芯棒的工作位置与形状对管子弯曲质量有很大影响 芯轴超前 则外侧受拉伸 变薄量增加 甚至开裂 芯轴偏后 则内侧失稳 起皱变扁 应视生产实际及管子外径的大小来适当地考虑调整提前量 使弯曲管子椭圆度及内壁的皱纹尽量减小 从而提高形质量 图2 3 4为芯棒的型式 h尺寸可0 5 4mm范围内选取 R R d 2式中 R 管子中性层弯曲圆角半径 mm D 芯棒直径 mm 图2 3 4芯棒的型式 如果管子直径较大 容易失稳变形 可以考虑用图2 3 4 C 球头芯棒 在管子成形过程中起校形的作用 芯棒直径d视管子直径的大小而定 一般取比管子直径小0 4 0 8mm 芯棒工作部分光洁度在以上 二 无芯的管子弯曲 1 简单原理管子弯曲成形时 由于径向压应力的作用 产生椭圆度 若在管子弯曲前 预加一反向变形 则管子弯曲后 由于不同方向变形的相互抵消 使管子截面基本上保持圆形 而不致过于压扁 2 主要优点1 避免芯棒划伤管子和填料腐蚀管壁2 简化了机床和工具的结构设计3 弯模工件部分尺寸的确定 图2 4 1 弯管模工作部分尺寸a 压板 b 导板 弯曲型胎与压块的工作部分尺寸一般可参照图2 4 1确定 R0为管子的外半径 D0为管子外径 导板工作部分尺寸见图 图中为弯曲外径的管子成型尺寸数据 般需要进行实验修正 考虑管子在弯曲过程中参与变形的各部位的受力大小不一致 因此 管子各段弹性恢复的程度也不同 当变形终了时 靠近导板处 管子的弹性恢复受到导板或成型面对管子预压变形的影响 而出现压痕 截面不是圆形 导板的长度L按需要确定弯模工作部分光洁度均按以上制造 无芯弯管一般适用于的钢管和铝管 弯曲圆角半径R 1 5D时 由于弯曲后椭圆度过大 而不宜采用无芯弯管 为了消除这一现象 可考虑在导板上 对管子预压变形部位 修整出变化的过渡成型面 三 手工弯管工艺 手工弯管是利用简单的弯管装置 对管坯进行弯曲加工 冷弯 管材外径D 25mm 热弯 管材外径D 25mm 1 手工弯管理装置及原理装置主要有 平台 定模 滚轮和杠杆组成原理 弯曲前 将管坯的一端置于定模凹槽中 并用压板压紧 然后扳动杠杆 迫使管坯围绕定模弯曲变形 便弯出所需半径弯管产品 2 手工弯管的基本工艺冷弯 一般壁厚较小 小直径 直接冷弯 热弯 一般壁厚较大 较大直径 主要工序有灌沙 划线 加热和弯曲 灌沙 防畸形 填入石英砂 沙子 松香和低熔点合金划线 划线确定弯曲部分中心点 确定加热长度加热 用木碳 焦碳 煤气或重油作燃料 普通碳钢加热到约1050 弯曲 弯曲调整弯曲率 校正时利用热胀冷却法 3 手工弯管的注意事项 三方面 1 同一管件上有几处需要弯曲 应先弯曲最靠近管端的部位 后再按顺序弯曲其他部位 2 如管件是空间弯曲件 几个弯曲部位的弯曲方向不在同一个平面内 则在平台上先弯好一个弯以后 管件的一端必须翘起定位 才能按顺序再弯其他部位 3 有缝钢管弯曲时 应将管缝置于弯曲的中性层位置 以防止管缝处开裂 四 机械弯曲管工艺 机械弯管是利用弯管设备和弯管模进行弯管 基本方法一般有绕弯 推弯和热弯三种 1 绕弯法分有芯弯管和无芯弯管两种 1 有芯弯管在弯管机上利用芯棒使管坯沿弯曲模胎绕弯的工艺方法 其工作原理见下图 弯曲时模胎转 管坯即绕弯曲模胎逐渐弯曲成形 弯曲角度由挡块控制 A 芯棒