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1、 弯曲工艺与模具设计 弯曲工艺与模具设计 教学目标 弯曲是冷冲压工艺中的基本工序 它是将平面的毛坯制成具有一定角度和尺寸要求的零件的塑性成形工艺 弯曲工艺根据被加工毛坯的形状 使用的工具和设备的不同 可分为压弯 折弯 扭弯 滚弯和拉弯等方法 弯曲工艺与模具设计 教学重点和难点 弯曲变形的过程分析 弯曲工艺及弯曲模具设计 弯曲模工作部分的设计 毛坯的定位 弯曲工艺与模具设计 案例导入 零件简图 如下图所示 零件名称 汽车备轮架加固板 材料 08钢板 厚度 4mm 生产批量 大量生产 该零件的加工包括冲裁与弯曲工序 先用冲裁工艺冲出弯曲毛坯 再用弯曲模将冲裁件弯曲成形 要求编制加工工艺方案 弯曲工
2、艺与模具设计 弯曲工艺与模具设计 3 1概述3 2弯曲变形过程分析3 3弯曲件卸载后的回弹3 4弯曲件坯料尺寸的计算3 5弯曲力的计算3 6弯曲件的工艺性3 7弯曲模具的设计3 8弯曲模设计实训习题与练习 3 1概述 弯曲是使板料 型材 管材或棒料等产生塑性变形 将其弯成具有一定的角度和曲率形状零件的冲压成形工序 采用弯曲成形的零件种类繁多 如图3 1所示是采用弯曲方法加工的一些典型零件 弯曲工件可以用滚弯机 拉弯机 折弯机等设备进行加工 但最常用的是使用弯曲模进行压弯加工 本章将主要介绍压弯工艺和弯曲模的设计 3 1概述 图3 1弯曲成形的典型零件 3 2弯曲变形过程分析 3 2 1弯曲的变
3、形过程3 2 2板料弯曲的塑性变形特点3 2 3弯曲变形区的应力应变状态3 2 4弯曲变形程度及其表示法3 2 5最小弯曲半径 3 2弯曲变形过程分析 V形工件的弯曲是最基本的弯曲变形 其弯曲过程如图3 2所示 板料的弯曲变形过程是围绕着弯曲圆角区域展开的 该区域为弯曲主要变形区 在开始弯曲时 凸模在A处施加的弯曲力为2F 此时在板料与凹模的接触支点B处则产生反作用力 与弯曲力构成弯曲力矩M F l1 2 使板料产生弯曲 在弯曲的初阶段 板料的弯曲内侧半径大于凸模的圆角半径 弯曲力矩很小 仅引起材料的弹性变形 随着凸模的下压 板料的直边与凹模V形表面逐渐靠紧 B点的位置沿着凹模斜面不断下移 弯
4、曲内侧半径逐渐减小 即r1 r2 rn 同时弯曲力臂也逐渐减小 即l1 l2 ln 3 2 1弯曲的变形过程 3 2 1弯曲的变形过程 当弯曲圆角半径减小到一定值时 板料的内外表面首先开始出现塑性变形 并逐渐向板料内部扩展 变形由弹性变形过渡到 弹 塑性 变形 由于弯曲力臂l逐渐减小 因此弯曲力处于不断上升的趋势 当凸模 板料和凹模三者完全压紧 板料的弯曲内侧半径和弯曲力臂达到最小时 弯曲过程结束 凸模继续下行 板料在B点以上部分在与凸模的V形斜面接触后被反向弯曲 再与凹模斜面逐渐靠紧 弯曲力矩继续增加 直到凸模 板料和凹模三者完全压紧 变形由 弹 塑性 变形过渡到塑性变形 如果对弯曲件继续施
5、压 则称为校正弯曲 在这之前的弯曲称为自由弯曲 自由弯曲是凸模 板料和凹模之间的线接触 而校正弯曲是它们之间的面接触 3 2 1弯曲的变形过程 3 2 1弯曲的变形过程 3 2 2板料弯曲的塑性变形特点 为了分析板料的弯曲变形规律 可以采用画网格的方法进行分析 如图3 3所示 先在板料毛坯侧面用机械刻线或照相腐蚀的方法制作出正方形网格 通过分析弯曲变形前后网格的变形情况 就可以分析出板料内部的受力情况 3 2 2板料弯曲的塑性变形特点 a 弯曲前 3 2 2板料弯曲的塑性变形特点 b 弯曲后图3 3弯曲变形分析 3 2 3弯曲变形区的应力应变状态 3 2 3弯曲变形区的应力应变状态 3 2 3
6、弯曲变形区的应力应变状态 2 宽板弯曲 1 应变状态宽板弯曲时 切向和厚度方向的应变与窄板相同 而在宽度方向 由于板料宽度大 变形阻力较大 弯曲后板宽基本不变 因此内 外层宽度方向的应变接近于零 2 应力状态切向和厚度方向的应力状态与窄板相同 而在宽度方向 由于材料不能自由变形 外层材料在宽度方向为拉应力 内层材料在宽度方向为压应力 综上所述 宽板弯曲时 内 外层应变状态是平面的 应力状态是立体的 如图3 5 b 所示 3 2 3弯曲变形区的应力应变状态 a b 图3 5自由弯曲时的应力应变状态 3 2 4弯曲变形程度及其表示法 3 2 4弯曲变形程度及其表示法 图3 6弯曲半径和弯曲中心角
7、3 2 4弯曲变形程度及其表示法 3 2 4弯曲变形程度及其表示法 图3 7坯料弯曲变形区内的切向应力分布 3 2 5最小弯曲半径 对于厚度一定的板料 相对弯曲半径r t越小 外层材料的伸长量越大 当r t减小到一定值以后 外层材料就会产生弯曲裂纹 在保证板料外层不发生破裂的前提下 所能达到的工件内表面最小圆角半径 称为最小弯曲半径rmin 生产中用它来表示材料弯曲时的成形极限 3 2 5最小弯曲半径 3 2 5最小弯曲半径 3 材料表面和剪切断面的质量弯曲件毛坯一般由冲裁或剪裁获得 板料剪切断面上的毛刺 裂口和冷作硬化以及板料表面的划伤 裂纹等缺陷的存在 容易造成弯曲时应力集中并降低塑性变形
8、的稳定性 使材料过早地破坏 所以对于表面质量和剪切断面的质量较差的板料 应选用较大的最小弯曲半径 在实际生产中 经常采用清除冲裁毛刺 把有毛刺的表面朝向弯曲凸模 切除剪切断面上的冷作硬化层等措施来降低最小弯曲半径rmin 4 弯曲线的方向轧制钢板具有纤维组织 顺纤维方向的塑性指标高于垂直纤维方向的塑性指标 当工件的弯曲线与板料的纤维方向垂直时 可具有较小的最小弯曲半径 如图3 8 a 所示 反之 工件的弯曲线与板料的纤维方向平行时 其最小弯曲半径则大 如图3 8 b 所示 因此 在弯制r t较小的工件时 应尽可能使弯曲线垂直于板料的纤维方向 如果工件有两个互相垂直的弯曲线 应使两个弯曲线与板料
9、的纤维方向成45 的夹角 如图3 8 c 所示 3 2 5最小弯曲半径 a b c 图3 8板料的纤维方向对rmin的影响 3 2 5最小弯曲半径 5 板料的相对宽度板料的相对宽度b t不同 弯曲时的应力 应变状态不一样 当相对宽度b t较小时 对最小弯曲半径的影响比较明显 但当b t 10时以后 影响变小 如图3 9所示 6 板料的厚度弯曲变形区内的切向应变在厚度方向按线性规律变化 在外层表面最大 在中性层为零 当板料厚度较小时 切向应变变化的梯度大 能很快由外层表面的最大值降为零 而当板料厚度较大时 与切向应变值最大的外层表面相邻近的金属层 可以起到阻止外层表面材料产生局部不稳定塑性变形的
10、作用 使总变形程度加大 最小弯曲半径更小 3 2 5最小弯曲半径 图3 9板料的相对宽度对最小弯曲半径的影响 3 2 5最小弯曲半径 2 最小弯曲半径rmin的数值由于影响最小弯曲半径的因素很多 所以在实际应用中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 1 3 2 5最小弯曲半径 3 2 5最小弯曲半径 3 提高弯曲极限变形程度的方法在一般的情况下 弯曲件变形区的变形程度应受到最小弯曲半径的限制 如果由于设计的需要 工件的弯曲半径小于表3 1所列数值时 为了提高弯曲极限变形程度 经常采取以下措施 1 对于塑性较低的材料 可以采用加热弯曲 2 经过
11、冷作硬化的材料 可以采用退火等热处理方法恢复其塑性 再进行弯曲 3 采取两次弯曲的工艺方法 即第一次采用较大的弯曲半径 然后退火 第二次再弯曲至工件要求的半径尺寸 这样就使变形区域扩大 减小了外层材料的伸长率 4 对于厚度较大的板料 如结构允许 可以采取预先沿弯角变形区开槽 然后再进行弯曲的方法 如图3 10所示 3 2 5最小弯曲半径 a V形件开槽 b U形件开槽 图3 10开槽后弯曲 3 3弯曲件卸载后的回弹 3 3 1回弹现象3 3 2影响回弹的因素3 3 3回弹值的确定3 3 4减少回弹值的措施 3 3弯曲件卸载后的回弹 3 3 1回弹现象 弯曲变形与所有塑性变形一样 伴随有弹性变形
12、 当外载荷去除后 弯曲过程中的塑性变形保留下来 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 这种现象称为回弹 由于弯曲时变形区的内 外层切向应力方向不一致 而弹性回复方向总是与弯曲变形方向相反 所以弯曲件卸载后就会出现外层材料弹性缩短而内层材料弹性伸长 结果是加剧了工件形状和尺寸的改变 所以与其他变形工序相比 弯曲过程的回弹现象是一个影响弯曲件精度的重要问题 在安排弯曲工艺与设计弯曲模时应认真考虑 弯曲回弹的表现形式有两个方面 如图3 11所示 3 3 1回弹现象 3 3 1回弹现象 图3 11弯曲后的回弹 3 3 1回弹现象 3 3 2影响回弹的因素 3 3 2影响
13、回弹的因素 3 3 2影响回弹的因素 3 3 2影响回弹的因素 3 3 2影响回弹的因素 5 校正力增加校正力可以减小回弹值 自由弯曲时的回弹值比校正弯曲大 在校正弯曲时 板料在凸 凹模之间受到压缩作用 不仅使弯曲变形区外层的拉应力有所减小 而且在外层靠近中性层附近的切向还出现和内层切向一样的压缩应力 随着校正力的增加 压应力区向板料的外层表面逐步扩展 致使板料的全部或大部分断面均出现压缩应力 于是圆角部分的内 外层材料的回弹方向一致 所以板料校正弯曲时的回弹比自由弯曲时大为减小 而且 校正力越大 回弹值越小 3 3 2影响回弹的因素 6 模具间隙在弯曲U形件时 凸 凹模之间的间隙对弯曲件的回
14、弹有较大的影响 间隙越大 回弹角也就越大 如图3 12所示 3 3 2影响回弹的因素 图3 12模具间隙对回弹的影响 3 3 3回弹值的确定 在设计及制造模具时 必须预先考虑材料的回弹 但是由于影响回弹值的因素很多 而且各因素又互相影响 所以很难进行较精确的计算 实际应用中一般方法是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 3 3 3回弹值的确定 3 3 3回弹值的确定 图3 13大圆角半径自由弯曲时的回弹 3 3 3回弹值的确定 3 3 3回弹值的确定 3 3 3回弹值的确定 3 3 3回弹值的确定 3 3 4减少回弹值的措施 在实际弯曲加工中 要完全消除弯
15、曲件的回弹是不可能的 但可以采取一些措施来减小或补偿回弹所产生的误差 以提高弯曲件的精度 1 改进弯曲件的设计 1 可以在工件的弯曲变形区压制出加强筋 以提高工件的刚度 减少回弹 如图3 15所示 2 设计出有利于弯曲变形的工件形状 尽量避免选用过大的相对弯曲半径r t 3 选择适合的弯曲件材料 尽量选用屈服强度 s小 弹性模量E大 力学性能稳定和板料厚度波动小的材料 3 3 4减少回弹值的措施 图3 15在弯曲变形区压制出加强筋 3 3 4减少回弹值的措施 2 采取适当的弯曲工艺 1 采用校正弯曲代替自由弯曲 2 对冷作硬化的材料 应先退火 使其屈服点 s降低 对回弹较大的材料 必要时可采用
16、加热弯曲 3 采用拉弯工艺 在弯曲相对弯曲半径很大的工件时 由于弯曲变形程度很小 变形区横截面大部分或全部处于弹性变形状态 回弹很大 甚至根本无法成形 这时可采用拉弯工艺 如图3 16所示 拉弯的特点是工件在弯曲变形过程中承受一定的拉伸应力 使变形区坯料截面内的合成应力大于材料的屈服强度 工件的内层材料由压应变转化为拉应变 从而使材料的整个截面都处于塑性拉伸变形的范围 卸载时坯料内 外层的回弹方向一致 所以大大减小了工件的回弹 拉弯工艺主要适用于长度和曲率半径都比较大的零件 3 3 4减少回弹值的措施 图3 16拉弯工艺示意图 3 3 4减少回弹值的措施 3 合理设计弯曲模 1 对于厚度在0 8mm以上的材料 如果塑性较好 相对弯曲半径又不大时 可以改变凸模结构 把凸模做成局部凸起 如图3 17所示 这样使凸模的作用力集中在变形区 可以改变应力状态以达到减小回弹的目的 但易产生压痕 2 对于较硬的材料 如45 50 Q275和H62 硬 等 可以根据回弹值对模具工作部分的形状和尺寸进行修正 3 对于较软的材料 如Q215 Q235 10 20和H62 软 等 当其回弹角小于5 时 可以
