金屬塑性成形原理

1、研究金屬薄板彎曲變形過(guò)程及特點(diǎn)(金屬塑性成型討論課)組員：張鵬 奚寧 黃常勛 劉巖 馮博班級(jí)：13鍛壓2班指導(dǎo)老師：李緯民目錄引言 . 1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 1實(shí)驗(yàn)原理 . 2實(shí)驗(yàn)材料 . 3結(jié)果分析 . 3思考題 4有限元分析 4參考文獻(xiàn) . 71引言彎曲:彎曲是常見(jiàn)的一種金屬材料塑性成形方法，是沖壓生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛的一種工序。據(jù)大多數(shù)彎曲都是在通用壓力機(jī)上由彎曲模彎曲形成的。壓力機(jī)、模具、彎曲工藝是彎曲形成的三要素，其中模具是關(guān)鍵因素，因?yàn)閺澢馁|(zhì)量，生產(chǎn)效率和模具壽命取決于彎曲模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確合理和先進(jìn)程度。彎曲就是將平直板材、線材或管材等型材的毛坯或半成品用模具或其他工具彎成具有一定角度和

2、形狀制件的加工方法。彎曲成型由于原材料消耗少而且成型后零件質(zhì)量較高，且經(jīng)過(guò)多次彎曲能夠成型形狀復(fù)雜而又輕便、實(shí)用的產(chǎn)品，因而彎曲工藝在沖壓生產(chǎn)中占有很大的比例，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。彎曲工藝是一種經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的生產(chǎn)方式工藝及模具設(shè)計(jì)的好壞直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量，如果能夠?qū)@些生產(chǎn)實(shí)際中的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和技巧將進(jìn)行歸類并進(jìn)行詳細(xì)的研究，找出一定的規(guī)律性，使設(shè)計(jì)人員更好的掌握板料彎曲成型的變形規(guī)律，并可利用寶貴的生產(chǎn)實(shí)例，減少工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)時(shí)的盲目性，從而提高零件彎曲成形的質(zhì)量。分析版聊彎曲的力學(xué)特點(diǎn)和彎曲件的公益性，總結(jié)提高彎曲精度的方法。薄板:兩個(gè)平行面和垂直于這兩個(gè)平行面的柱面或棱柱面所圍成的物體，稱為平板

3、，或簡(jiǎn)稱為板,這兩個(gè)平行面為板面，而這個(gè)柱面或棱柱面稱為側(cè)面或板邊。兩個(gè)板面之間的距離稱為板的厚度,而評(píng)分厚度的平面稱為板的中間平面,或簡(jiǎn)稱為中面。如果板的厚度遠(yuǎn)小于中面的最小尺寸這個(gè)板就稱為薄板,否則就稱為厚板實(shí)驗(yàn)的靈感來(lái)源：本實(shí)驗(yàn)的想到的靈感來(lái)源于材料力學(xué)中有一個(gè)實(shí)驗(yàn)是梁彎曲實(shí)驗(yàn),目的是為了測(cè)量梁彎曲時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律：通過(guò)試驗(yàn)機(jī)使試件彎曲，穩(wěn)定后用試驗(yàn)機(jī)測(cè)量梁的各部分應(yīng)力和應(yīng)變得到規(guī)律；而本實(shí)驗(yàn)是為了測(cè)量薄板彎曲時(shí)的形狀及角度變化：將薄板在模具中進(jìn)行彎曲精確求其角度變化找到薄板在模具中彎曲的形狀規(guī)律。一個(gè)是求其內(nèi)部的受力情況，另一個(gè)一個(gè)是求其外部形狀的變化。其他專業(yè)基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課與本實(shí)

4、驗(yàn)的聯(lián)系：大學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課包括理論力學(xué)，材料力學(xué)，機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)等課程的學(xué)習(xí)，為專業(yè)課教學(xué)的開(kāi)展做好鋪墊。金屬塑性成型原理是研究和探討金屬在各種塑形加工過(guò)程中可遵循的基礎(chǔ)和規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。本門(mén)課程從塑形變形的力學(xué)基礎(chǔ)，物理基礎(chǔ)，塑形成型的成型問(wèn)題的工程解法，塑性成形件的質(zhì)量分析等方面進(jìn)行論述。經(jīng)典而且廣泛使用的理論學(xué)習(xí)，是專業(yè)課學(xué)習(xí)的基石。從專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)中，或多或少的會(huì)對(duì)本專業(yè)形成一定理解，了解行業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)必備的基本技能是專業(yè)課學(xué)習(xí)之前必不可少的步驟。專業(yè)課實(shí)驗(yàn)的設(shè)立是為了使學(xué)生在理論知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)，親身去體會(huì)實(shí)踐，使理論理解更加透徹，專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)更加清楚。 1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)?/p>

5、的 (1) 了解金屬薄板彎曲變形過(guò)程及變形特點(diǎn)。 (2) 熟悉衡量金屬薄板彎曲性能的指標(biāo)最小相對(duì)彎曲半徑主要影響因素。 (3) 掌握測(cè)定最小相對(duì)彎曲半徑的實(shí)驗(yàn)方法。  2. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 (1) 認(rèn)識(shí)彎曲過(guò)程，分析板料軋制纖維方向和板料成形性能對(duì)相對(duì)彎曲半徑（R/t）的影響。 (2) 了解如何通過(guò)調(diào)整行程完成指定彎曲角度的彎曲，如何進(jìn)行定位完成指定邊高的彎曲，分析板厚和彎曲角度對(duì)相對(duì)彎曲半徑的影響。 (3) 觀察彎曲過(guò)程和彎曲回彈現(xiàn)象。 (

6、4) 掌握萬(wàn)能角度尺、半徑規(guī)等測(cè)量工具的使用，測(cè)量模具尺寸參數(shù)和板料基本尺寸。 (5) 熟悉板料折彎?rùn)C(jī)的操作使用。  3. 實(shí)驗(yàn)原理 彎曲是將板料、型材或管材在彎矩作用下彎成一定曲率和角度的制件的成形方法。在生產(chǎn)中由于所用的工具及設(shè)備不同，因而形成了各種不同的彎曲方法，但各種方法的變形過(guò)程及變形特點(diǎn)都存在著一些共同的規(guī)律。 彎曲開(kāi)始時(shí)，如圖1（a）所示，凸、凹模與金屬板料在A、B處相接觸，凸模在A點(diǎn)處所施的外力為2F，凹模在B點(diǎn)處產(chǎn)生的反力與此外力構(gòu)成彎曲力矩M=2Fl0。隨著凸模逐漸進(jìn)入凹模，支承點(diǎn)B將逐漸向模中

7、心移動(dòng)，即力臂逐漸變小，由l0變?yōu)閘1，lk，同時(shí)彎曲件的彎曲圓角半徑逐漸減小，由r0變?yōu)閞1，rk。當(dāng)板料彎曲到一定程度時(shí)，如圖1（c）所示，板料與凸模有三點(diǎn)相互接觸，這之后凸模便將板料的直邊朝與以前相反的方向壓向凹模，形成五點(diǎn)甚至更多點(diǎn)接觸。最后，當(dāng)凸模在最低位置是，如圖1（d）所示，板料的角部和直邊均受到凸模的壓力，彎曲件的圓角半徑和夾角完全與凸模吻合，彎曲過(guò)程結(jié)束。  （a） （b） （c） （d） 圖1  彎曲過(guò)程示意圖 和所有的塑性加工一樣，彎曲時(shí)，在毛坯的變形區(qū)里，除產(chǎn)生塑性變形外，也一定存在有彈性變形。當(dāng)彎曲工作完成并

8、從模具中取出彎曲件時(shí)，外加的載荷消失，原有的彈性變形也隨著完全或部分地消失掉，其結(jié)果表現(xiàn)為在卸載過(guò)程中彎曲毛坯形狀與尺寸的變化。這個(gè)現(xiàn)象為彈復(fù)，也叫回彈?；貜椏梢酝ㄟ^(guò)補(bǔ)償法（圖2（a），（b）、校正法（圖2（c）、三點(diǎn)式折彎（圖2（d）等方法進(jìn)行抑制。  圖2  回彈的抑制 彎曲性能是指在彎曲成形時(shí)，金屬薄板抵抗變形區(qū)外層拉應(yīng)力引起破裂的能力。彎曲半徑越小，板料外表面的變形程度越大。如果板料的彎曲半徑過(guò)小，則板料的外表面將超過(guò)材料的變形極限而出現(xiàn)裂紋，造成彎曲件的失效。所以，板料的最小彎曲半徑是在保證變形區(qū)材料外表面不發(fā)生破壞的前提下，彎曲件的

9、內(nèi)表面所能彎成的最小圓角半徑，用rmin表示。最小彎曲半徑與板料厚度的比值rmin/t稱為最小相對(duì)彎曲半徑，它是衡量材料彎曲成形性能的重要指標(biāo)。影響rmin/t的主要因素如下所示： （1） 材料的力學(xué)性能 材料的塑性越好，塑性指標(biāo)如伸長(zhǎng)率、斷面收縮率等越高，可采用的彎曲半徑越小。材料的力學(xué)性能還受材料熱處理狀態(tài)的影響，如正火或退火后，材料的塑性提高了，rmin/t亦可減小。 （2） 板料的纖維方向 沖壓所用的板材多為冷軋板材，由于經(jīng)過(guò)多次軋制，板材具有方向性，平行于纖維方向（軋制方向）的塑性指標(biāo)大于垂直于纖維方向的指標(biāo)。因此當(dāng)彎曲件的

10、折彎線與板料纖維方向相垂直時(shí)，rmin/t的數(shù)值最??；如果折彎線與板料纖維方向平行，rmin/t的數(shù)值最大。在彎制r/t較小的彎曲件時(shí)，板料的排樣應(yīng)使折彎線盡可能垂直于板料的纖維方向，當(dāng)r/t較大時(shí)，折彎線的布置主要是考慮材料利用率的大小。如果在同一零件上具有不同方向的彎曲要求，那么在考慮彎曲件排樣經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，應(yīng)盡可能使彎曲線與板料纖維方向的夾角不小于30°。 （3） 板料的表面質(zhì)量和側(cè)邊質(zhì)量 如果板料表面有劃傷、裂紋或板料側(cè)邊（剪切面）有毛刺、裂口及冷作硬化等缺陷，彎曲時(shí)工件容易開(kāi)裂，材料會(huì)過(guò)早地遭到破壞。表面質(zhì)量和側(cè)邊切口質(zhì)量較差的板料，允許采用的

11、變形程度越小，即rmin/t值較大。在進(jìn)行較小的rmin/t彎曲時(shí)，可采取清除剪切毛刺、把有毛刺的表面朝向彎曲凸模、去掉表面硬化層等方法對(duì)板料進(jìn)行處理后再進(jìn)行彎曲。 （4） 零件的彎曲角 板料彎曲時(shí)，變形集中在圓角部分，直邊基本不參與變形。但由于板料纖維之間的相互牽制，靠近圓角附近的直邊材料也參與了彎曲變形。這對(duì)于板料彎曲區(qū)外層的受拉狀態(tài)有緩解作用，因而有利于降低最小彎曲半徑。彎曲角越小，直邊參與變形的分散效應(yīng)越顯著，rmin/t也就越小，<90°后，彎曲角的影響已經(jīng)很小了。 （5） 板料的厚度 彎曲變形區(qū)的切向應(yīng)變?cè)?/p>

12、板料厚度方向上按線性規(guī)律變化，外表面最大，中心為零。擋板料厚度較小時(shí)，切向應(yīng)變變化的梯度大，與最大應(yīng)變的外表面相鄰近的纖維層，能補(bǔ)充外表面的變形，從而起到阻止表面材料局部不均勻延伸的作用，所以薄料比厚料可有更小的r/t。 4. 實(shí)驗(yàn)材料 本實(shí)驗(yàn)所用材料為： 材料（牌號(hào)） 厚度t/mm 供應(yīng)狀態(tài) 純鋁1060 1.1.3 半硬態(tài)，退火態(tài) 低碳鋼（08鋼） 1.5 冷軋5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 對(duì)實(shí)驗(yàn)所用凸凹模具參數(shù)的測(cè)量結(jié)果： 測(cè)量次數(shù)模具1 

13、;模具2凸模角度123平均值凹模角度123平均值凸模半徑123平均值 將折彎后的薄板對(duì)折，對(duì)比退火后和未經(jīng)退火的薄板的彎曲區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)前者的纖維取向一致，而后者的纖維取向雜亂，其原因可能是經(jīng)退火后材料的塑性得到了提高。  6. 思考題 （1） 金屬薄板彎曲的特點(diǎn)有哪些？ 答：（1）在彎曲過(guò)程中存在回彈現(xiàn)象，即在彎曲工作完成并從模具中取出彎曲件時(shí)，外加載荷消失使原有的彈性變形也隨著完全或部分地消失掉，使得在卸載過(guò)程中彎曲薄板發(fā)生形狀與尺寸的變化。  （2）彎曲后，工件分成了直邊和圓角兩部分，而彎曲變形主要發(fā)

14、生在彎曲件的圓角部分。 變形區(qū)變形不均勻。 （3）板料的外層（靠凹模一側(cè)）縱向纖維受拉而伸長(zhǎng)，內(nèi)層（靠凸模一側(cè)）縱向纖維受壓而縮短，并且還存在在彎曲時(shí)長(zhǎng)度保持不變的中性層，中性層金屬的應(yīng)變?yōu)榱?。?） V形板金屬薄板彎曲應(yīng)用前景如何？由于V 形開(kāi)槽彎曲技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)顯著，且不改變傳統(tǒng)的折彎方式和折彎設(shè)備，僅需添置薄板開(kāi)槽機(jī)，所以V 形開(kāi)槽彎曲技術(shù)首先在新興的中高檔裝飾行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其后在電梯制造業(yè)中開(kāi)始使用。接著，醫(yī)療器械制造業(yè)、電氣控制箱柜制造業(yè)亦有專業(yè)人士對(duì)V 形開(kāi)槽彎曲技術(shù)感興趣。由此可見(jiàn)，隨著人門(mén)對(duì)V 形開(kāi)槽彎曲技術(shù)的深入了解，應(yīng)用該技術(shù)的領(lǐng)域?qū)?huì)更加廣闊。有限元分

15、析：鋁的楊氏模量為170000MPa 泊松比為0.42 塑性應(yīng)力塑性應(yīng)變22003220.01584070.02984970.0565820.0956310.156840.257100.35（1）創(chuàng)建三個(gè)部件：凸模、凹模、形變薄板，并將尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)；（2） 將部件進(jìn)行裝配，檢查是否有尺寸上的錯(cuò)誤；（3）將變形薄板進(jìn)行材料屬性和界面的賦予：（4）為有限元的分心創(chuàng)建分析步：第一步為部件間相互接觸，第二部為凸模向下運(yùn)動(dòng)；（5）創(chuàng)建部件見(jiàn)的相互作用：假設(shè)部件間無(wú)摩擦；（6）創(chuàng)建載荷和邊界條件：凸模需要向下運(yùn)動(dòng)，凹模完全固定以及變形體的對(duì)稱；（7）劃分網(wǎng)格：采用線性縮減積分進(jìn)行計(jì)算； （8）創(chuàng)建作業(yè)進(jìn)行

16、計(jì)算；（9）在可視化中顯示結(jié)果。參考文獻(xiàn)：1 李碩本 沖壓工藝學(xué)北京機(jī)械工業(yè)出版社1982 2 余松敏 蔡禮泉 自由折彎時(shí)折彎角內(nèi)圓弧半徑的確定見(jiàn):中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鍛壓學(xué)會(huì)第六屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 北京,1995,北京:中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鍛壓學(xué)會(huì)1995 367 370 3 余松敏 蔡禮泉 自由折彎時(shí)制件缺陷原因分析與對(duì)策鍛壓技術(shù),1995,3:29 33 4 馬澤恩，計(jì)算機(jī)輔助塑性成形. 西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995，p1561735 李碩本等. 沖壓工藝?yán)碚撆c新技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002，p64806 李壽萱主編 鈑金成形原理與工藝，西北工業(yè)大學(xué)出版社，19857 余希同，張亮. 塑性彎曲理論及其應(yīng)用. 北京：科學(xué)出版社，1992，p4586，p181187 8 王曉林，周賢賓. 金屬板彈塑性非圓弧彎曲回彈的計(jì)算. 塑性工程學(xué)報(bào)，1996，13（4）：27339金屬塑性成形原理  俞漢清，陳金德編   北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.8（2013.1重?。?0