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1、项目三 支架的弯曲模设计与制作,任务一 弯曲件质量问题与分析 任务二 支架的工艺性分析 任务三 罩壳生产方案的制订 任务四 弯曲件的工艺计算 任务五 支架的模具设计与制作,任务一 弯曲件质量问题与分析,任务引入 弯曲是将板料、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。弯曲属于成形工序，是冲压的基本工序之一，在冲压零件的生产中应用得较普遍。用弯曲方法加工典型零件时经常出现的质量问题是弯曲件的回弹、起皱与开裂。是什么原因导致回弹、起皱与开裂?弯曲变形过程中金属材料又是如何发生流动和转移的?如何在模具设计与制造过程中控制回弹、起皱与开裂?下面将通过弯曲实验来
2、对这些问题进行讲解。 相关知识 一、弯曲变形过程,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,(一)弯曲过程与特点 V形弯曲是最基本的弯曲变形，任何复杂的弯曲都可看成是由N个V形弯曲组成的。弯曲过程中，当坯料受到凸模压力(弯曲力矩)时，坯料的曲率半径发生变化。 如图3-1所示为一副常见的V形件弯曲模。其弯曲过程为，弯曲开始前，先将平板毛坯放入模具定位板中定位，然后凸模下行，实施弯曲，直至板材与凸模、凹模完全贴紧(此时冲床下行至下止点)，然后开模(此时冲床上行至上止点)，再从模具里取出V形件。其受力情况如图3-2所示，变形过程分解如图3-3所示) 在板材A处，凸模施加外力2F，在凹模支撑点B1,
3、 B2处，,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,则产生支撑力，并与外力构成了弯曲力矩M = FL，该弯曲力矩使板材产生弯曲变形。弯曲变形可分成弹性变形阶段、塑性变形阶段和校正弯曲阶段。 (1)弹性变形阶段。在凸模的压力下，坯料受弯曲力矩M的作用，坯料变形区应力最大的内、外表面上的应力分量不满足塑性条件，坯料没有产生屈服，变形区内的坯料仅产生弹性变形，且是自由弯曲，此时如果消除弯曲力矩时，坯料会恢复原状如图3-3 (a)所示。 (2)塑性变形阶段。坯料变形区内、外表面的应力分量满足塑性条件，进人塑性变形状态。此时如消除弯曲力矩，坯料不能恢复原状。随着凸模进一步下行，,上一页,下一
4、页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,塑性变形由表面向中心逐步扩展。板料与凹模V形表面逐渐靠紧，同时曲率半径和弯曲力臂逐渐变小，即:r0r1r2 rk; l0 l1 L2 Lk;。可见，弯曲变形的效果表现为板料的弯曲区域内曲率半径和两直边夹角的变化。这一阶段的弯曲仍然属于自由弯曲如图3-3(b)、(C)所示。 (3)校正弯曲阶段。凸模、板料与凹模三者之间完全压合后，如果再增加一定的压力，对弯曲件施压，称为校正弯曲。到行程终了时，凸、凹模对弯曲件进行校正，使其直边、圆角与凸模全部靠紧。整个变形区的材料完全处于塑性变形较稳定的状态。此时如消除弯曲力矩时，坯料基本保持现状如图3-3 (d)所示。,
5、上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,(二)弯曲变形时材料的流动情况 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，先对弯曲前的板料侧表面按正方形网格画线，然后进行V形弯曲，对比弯曲前后网格的尺寸和形状变化情况(如图3 -4所示)。 弯曲前，材料侧面垂直线与水平方向的线条均为直线，并组成大小一致的正方形网格，水平方向网格线长度ab = cd以及中心线00为一直线。弯曲变形具有以下特点。 (1)弯曲圆角部分是弯曲变形的主要区域。位于弯曲圆角部分(abdc区域)内的网格发生了显著的变化，由正方形变成了扇形。,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,而靠近圆角部
6、分的左右两段直边部分基本上没有变形，说明弯曲变形的区域主要发生在弯曲圆角部分。 (2)弯曲变形区内的中性层。在板料内侧(靠近凸模一侧)的水平方向网格线长度缩短，越靠近内侧越短，说明内侧材料受压缩。而在板料外侧(靠近凹模一侧)的水平方向网格线长度伸长，越靠近外侧越长，说明外侧材料受拉伸。 应变中性层:由于材料的连续性，从板料弯曲外侧网格线长度的伸长过渡到内侧长度的缩短，其中必定有一层金属纤维的长度在弯曲前后保持不变，此金属层称为应变中性层，即图中的0一0层。,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,当弯曲变形程度很小时，应变中性层的位置基本上处于材料厚度的正中心，但当弯曲变形程度较大
7、时，可以发现应变中性线向板料内侧移动，变形程度越大，内移量越大。 (3)变形区材料厚度变薄的现象。弯曲变形程度较大时，变形区外侧材料受拉伸长，使得厚度减薄;变形区内侧材料受压，使得厚度增厚。由于中性层位置的内移，外侧的减薄区域随之扩大，内侧的增厚区域逐渐缩小，外侧的减薄量大于内侧的增厚量，因此使弯曲变形区的材料总厚度变薄。变形程度越大，变薄现象越严重。 (4)变形区横断面的变形。板料的相对宽度B/t( B是板料的宽度，t是板料的厚度)对弯曲变形区的材料变形有很大影响,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,一般将相对宽度B/t 3的板料称为宽板，相对宽度B/t3的板料称为窄板。 窄
8、板弯曲时，宽度方向的变形基本不受约束。由于弯曲变形区外侧材料受拉伸引起板料宽度方向收缩，内侧材料又因受压引起板料宽度方向伸长，其横断面形状由矩形变成了扇形如图3-5 (a)所示，这种横断面形状尺寸的改变称为畸变。 宽板弯曲时，在宽度方向的变形会受到相邻部分材料的制约，材料不易流动，因此其横断面形状变化较小，仅在两端会出现少量变形，横断面形状基本保持为矩形如图3-5 (b)所示。,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,(5)弯曲后的畸变、翘曲。细而长的板料弯曲件，弯曲后纵向产生翘曲变形如图3-6 (a)所示。这是因为沿拆弯线方向工件的刚度小，塑性弯曲时，外区宽度方向的压应变和内区的
9、拉应变将得以实现，结果使拆弯线翘曲。当板料弯曲件短而粗时，沿工件纵向的刚度大，宽度方向应变被抑制，翘曲则不明显。对于管材、型材弯曲后的剖面畸变现象如图3-6 (b)所示是因为径向压应力2所引起的。另外，在薄壁管的弯曲中，还会出现内侧面因受切向压应力的作用而失稳起皱的现象。 (三)弯曲变形区的应力与应变状态分析 1.应变状态,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,(1)切向1(长度方向):弯曲变形区内侧纤维缩短，切向应变为压应变(1 0)。由于弯曲时，材料的主要表现为中性层内外纤维的伸长与缩短，故切向应变1为绝对值最大的主应变。根据塑性变形体积不变可知，必然引起径向(厚度方向)和宽
10、度方向产生与1符号相反的应变，1=一2=一3。 (2)径向2(厚度方向):由以上分析可知，在弯曲变形的内侧，最大的主应变1为压应变，故径向#,为拉应变;在弯曲变形的外侧，最大的主应变1为拉应变，故径向2为压应变。 (3)宽度方向3:根据相对宽度B/t的不同，分两种情况。,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,对于B/t 3的宽板，由于宽度方向受到材料彼此之间的约束，不能自由变形，可以近似认为无论外侧还是内侧，宽度方向的应变3=0，从应变角度看，窄板弯曲时应变状态是立体的(三向的)，宽板弯曲时应变状态是平面的。 2.应力状态 (1)切向1:内侧纤维受压，1为压应力;而外侧纤维受拉，
11、1为拉应力。 (2)径向2:弯曲时变形区域曲率不断增大，以及金属各层之间的相互挤压作用，从而引起变形区内产生径向压应力2,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,在材料表面2=0，由表及里逐渐递增，至中性层处达到最大值。 (3)宽度方向3:窄板的宽度方向可以自由变形，因而无论内侧还是外侧，3=0;而宽板的宽度方向受到材料的制约作用，内区由于宽度方向的伸长受阻，故3为压应力;外区由于宽度方向的收缩受阻，故3为拉应力。因此就应力而言，宽板弯曲应力单元体是立体的，窄板弯曲应力单元体是平面的，见表3-1 (四)弯曲变形程度及表示方法 塑性弯曲必须经过弹性弯曲阶段，在弹性弯曲时，受拉的外区与
12、受压的内区以中性层为界，,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,中性层上的应力应变为零(如图3 -7所示)。假定弯曲内表面圆角半径为:中性层的曲率半径为p (p=r+tl2),弯曲中心角为a，则距中性层，处的一切向应变1为 切向应力1为 从上式可知，材料切向应变1和应力1，的大小只取决于比值v/p加，而与弯曲中心角a无关。在弯曲变形区的内外表面，切向应力与应变达到最大值，分别为,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,若材料的屈服极限为，则弹性弯曲的条件为 r/t称为相对弯曲半径，r/t越小，板料表面的切向变形程度越大。因此，生产中常用r/t来表示弯曲变形程度的大小。
13、 当 时，仅在板料内部引起弹性变形 当 时，板料变性区的内、外表面首先屈服开始塑性变形 当 时，塑性变形部分由内外表面向中心逐步扩展，弹性变形区域逐步缩小,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,二、最小弯曲半径 从上面的弯曲变形程度及表示方法可知，相对弯曲半径r/t值越小，变形程度越大。当r/t值小到一定程度值后，板料的外侧表面将产生裂纹。 最小弯曲半径rmin:在弯曲时板料外侧表面不产生裂纹的条件下，所能弯成零件内表面的最小圆角半径，用它来表示弯曲时的成形极限。 (一)影响最小弯曲半径的因素 1.材料的力学性能 材料的塑性越好，塑性变形的稳定性越强，许可的最小弯曲半径就越小。,
14、上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,2.板料表面和侧面的质量 板料表面和侧面(剪切断面)的质量差时，容易造成应力集中并降低塑性变形的稳定性，引发材料遭到破坏。对于冲裁或剪裁的坯料，若未经退火，由于切断面存在加工硬化，就会使材料塑性降低，弯曲时应使有毛刺的一边处于弯角的内侧，使之处于压应力区以提高其塑性。 3.弯曲线的方向 轧制钢板具有纤维组织，顺着纤维方向的塑性指标高于垂直纤维方向的塑性指标。因此当工件的弯曲线与板料的纤维方向垂直时，可以用最小的弯曲半径。反之，工件的弯曲线与板料的纤维平行时，其最小弯曲半径就大。所以，,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,在弯制
15、rmin/t较小的工件时，其排样应使弯曲线尽可能垂直于板料的纤维方向，若工件有两个相互垂直的弯曲线，应在排样时使两个弯曲线与板料的纤维方向成45。的夹角。而当rmin/t较大时，可以不考虑纤维方向(如图3-8所示) 4.弯曲中心角a 式(3 -3) (3 -4)表明，弯曲变形区的变形程度只与r/t有关，而与弯曲中心角a无关。但在实际弯曲过程中，由于板料纤维之间的相互牵制作用，圆角附近的直边部分材料也参与了变形，即扩大了弯曲变形的范围。分散了圆角部分的弯曲应变。圆角部分外表面纤维的拉伸应变得到一定程度的降低，这对防止材料外表面开裂有利，弯曲中心角越小，,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问
16、题与分析,变形分散效应越显著，最小弯曲半径的数值也越小。 由于上述各种因素的影响十分复杂，所以目前最小弯曲半径的数值一般用试验方法确定。各种金属材料在不同状态下的最小弯曲半径的数值，见表3 -2 (二)提高弯曲极限变形程度的方法 在弯曲件的实际生产中，通常不宜采用最小弯曲半径。当工件的弯曲半径小于表3 -2中所列数值时，为提高弯曲极限变形程度，常采取以下措施: (1)对于厚度在1 mm以下的薄料，在圆角处压出凸肩如图3 -9 ( a)所示。,上一页,下一页,返回,任务一 弯曲件质量问题与分析,(2)对于厚料，如结构允许，在圆角处先开槽后弯曲如图3-9 (b)所示。 (3)经冷变形硬化的材料，可采用热处理的方法恢复其塑性，再进行弯曲。 (4)采用切去材料表面硬化层或滚光毛坯表面的毛刺，当毛刺较小时，也可以使有毛刺的一面处于弯曲变
