沖模設(shè)計(jì)第5章彎曲

第5章彎曲工藝與彎曲模具

彎曲是將金屬坯料沿彎曲線彎成具有一定角度和形狀的成形工藝方法。實(shí)際生產(chǎn)中可用于彎曲的坯料主要有板料、棒料、管料、型材等。彎曲加工的類型很多，按彎曲方法可分為壓彎、拉彎、折彎、滾彎等。但以在壓力機(jī)上用模具進(jìn)行壓彎最為常見(jiàn)。5.1彎曲變形過(guò)程及特點(diǎn)5.1.1彎曲變形過(guò)程V形件的彎曲是板料彎曲中最基本的一種，其彎曲變形過(guò)程如圖所示。在彎曲變形過(guò)程中板料與凹模之間有相對(duì)滑移現(xiàn)象。彎曲變形主要集中在彎曲圓角r處，在彎曲過(guò)程中還發(fā)生了直邊變形，只在最后貼合時(shí)被壓直。凸模、板料與凹模三者完全貼合后，如果再增加一定的壓力對(duì)彎曲件施壓，則稱為校正彎曲。否則就稱為自由彎曲。5．1．2彎曲變形分析1、

變形區(qū)的位置變形主要發(fā)生在彎曲帶中心角?區(qū)域內(nèi)，中心角以外基本上不變形。彎曲帶中心角?與制件的彎曲角α之間的關(guān)系為：α+?=1800。2、變形區(qū)變形特點(diǎn)

（1）

長(zhǎng)度方向由圖可見(jiàn)，變形后網(wǎng)格由正方形變成了扇形。外層表面產(chǎn)生了最大的切向伸長(zhǎng)變形，內(nèi)層表面產(chǎn)生了最大的切向收縮變形。切向變形沿板厚的分布是不均勻的。在收縮與伸長(zhǎng)的區(qū)域之間必然有一變形中性層，以此為界，將變形按其性質(zhì)分為內(nèi)、外兩層區(qū)域。（2）

厚度方向在彎曲變形區(qū)的厚度方向，以中性層為界，內(nèi)層材料切向受壓縮，厚度應(yīng)增加，而外層材料切向受拉伸，厚度將減薄。由于中性層內(nèi)移，使外層受拉伸區(qū)域大于內(nèi)層受壓縮區(qū)域，故外層材料的減薄量將大于內(nèi)層材料的增厚量，彎曲變形區(qū)的板料厚度會(huì)出現(xiàn)變薄現(xiàn)象。（3）

寬度方向彎曲后，板料的斷面形狀發(fā)生了畸變。其中窄板（B<3t）的斷面變成了內(nèi)寬外窄的扇形。對(duì)于寬板（B>3t），因彎曲變形時(shí)寬度方向的變形會(huì)受到相鄰材料較大的牽制阻礙作用，因此斷面的變化較小，基本上保持了原來(lái)的形狀。對(duì)于B<10t以下的彎曲件，其彎曲線會(huì)產(chǎn)生撓度，且兩端的翹曲和畸變較明顯。5.1.3彎曲變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)5.1.4最小相對(duì)彎曲半徑rmin/t

在板料彎曲的過(guò)程中，由于外層材料切向受拉伸，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)，將會(huì)使變形區(qū)外層材料沿板寬方向產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致破壞，稱為彎裂。如右圖所示，設(shè)彎曲帶中心角為?，ρ為中性層曲率半徑，r為內(nèi)層表面圓角曲率半徑，則外層材料的切向伸長(zhǎng)率δθ為：將ρ=r+t/2帶入上式，整理得由上式可見(jiàn)，當(dāng)r/t值越小，板料外層材料彎曲時(shí)的伸長(zhǎng)率δθ就越大。當(dāng)r/t達(dá)到某一最小rmin/t值時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致外層材料的彎曲破裂。因此r/t值是彎曲加工中的重要工藝參數(shù)，能夠表達(dá)彎曲的變形程度的大小。一般在彎曲工藝中，又將r/t值稱為相對(duì)彎曲半徑，而rmin/t值稱為最小相對(duì)彎曲半徑，用來(lái)限制彎曲變形的極限程度。2、影響rmin／t的因素（1）材料力學(xué)性能彎曲破壞是因?yàn)樽冃螀^(qū)外層材料受到過(guò)大的拉伸變形而引起了開(kāi)裂，所以材料塑性越好，允許的rmin/t值就越小。在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于因冷作硬化導(dǎo)致材料塑性降低而出現(xiàn)開(kāi)裂時(shí)，應(yīng)安排退火工序恢復(fù)其塑性。（2）彎曲帶中心角的大小

在彎曲理論分析時(shí)，認(rèn)為變形區(qū)僅限于彎曲帶中心角φ的區(qū)域內(nèi)，直邊基本不參與變形。但在實(shí)際變形過(guò)程中，由于材料的相互牽制作用，靠近圓角附近的直邊材料同樣參與了變形，使變形區(qū)外層的拉應(yīng)力有所緩解，同時(shí)也分散了集中在圓角部分的拉伸應(yīng)變。彎曲帶中心角φ越小，圓角區(qū)變形的直邊緩解作用就越大，而rmin/t值也越小。如右圖所示。（3）板料的纖維方向

沖壓用的板料多為冷軋板材，經(jīng)多次軋制后呈現(xiàn)纖維狀組織，具有明顯的性能各向異性。平行于軋制方向的塑性指標(biāo)較高，垂直于軋制方向的塑性指標(biāo)較低。因此，當(dāng)彎曲件的折彎線與板料的軋制方向垂直時(shí)，允許的rmin/t值最??；而當(dāng)折彎線與板料的軋制方向平行時(shí)，允許的rmin/t值最大。（4）毛坯的斷面質(zhì)量和板料的表面質(zhì)量板料彎曲時(shí)，毛坯一般采用剪床下料或沖模落料方法制備，斷面粗糙且有毛刺，并有硬化現(xiàn)象產(chǎn)生。在彎曲時(shí)如果將毛刺等缺陷置于彎曲變形區(qū)的外側(cè)，當(dāng)r/t值較小時(shí)，則會(huì)因應(yīng)力集中容易出現(xiàn)開(kāi)裂。另外坯料表面如果粗糙或有劃傷及裂紋等問(wèn)題，在彎曲時(shí)同樣容易引起開(kāi)裂。（5）板料的厚度

由前述可知，當(dāng)彎曲半徑r相同時(shí)，板厚t值越小，則變形區(qū)外表層的伸長(zhǎng)應(yīng)變就越小，即板厚越薄，彎曲開(kāi)裂的危險(xiǎn)性就越小。這是因?yàn)閺那邢驊?yīng)變沿板厚的分布來(lái)看，彎曲薄板時(shí)，從外表層最大的切向拉應(yīng)變值衰減至應(yīng)變中性層為零的應(yīng)力梯度比厚板要大。因此鄰近外表層的材料對(duì)外表層拉伸變形的鄰近緩解作用較強(qiáng)，可使外表層獲得更大的切向變形，所允許的rmin/t值比厚板要小。如右圖所示。1、有圓角半徑的彎曲一般將r>0.5t的彎曲稱為有圓角半徑的彎曲。由于變薄不嚴(yán)重，按中性層展開(kāi)的原理，坯料總長(zhǎng)度應(yīng)等于彎曲件直線部分和圓弧部分長(zhǎng)度之和，即5.1.5彎曲件毛坯展開(kāi)尺寸計(jì)算2、

圓角半徑很?。╮<0.5t）的彎曲對(duì)于的彎曲件，由于彎曲變形時(shí)不僅零件的變形圓角區(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重變薄，而且與其相鄰的直邊部分也產(chǎn)生變薄，故應(yīng)按變形前后體積不變條件確定坯料長(zhǎng)度。通常采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。3、鉸鏈?zhǔn)綇澢?duì)于r=（0.6~3.5）t的鉸鏈件，通常采用卷圓的方法成形，在卷圓過(guò)程中坯料增厚，中性層外移，其坯料長(zhǎng)度L可按下式近似計(jì)算:采用上式計(jì)算時(shí)，很多因素沒(méi)有考慮，因而可能產(chǎn)生較大的誤差，所以只能用于形狀比較簡(jiǎn)單，尺寸精度要求不高的彎曲件。5.2彎曲件質(zhì)量分析5.2.1彎裂防止彎裂的措施：（1）

適當(dāng)增加凸模圓角半徑，使r/t>rmin／t。（2）

r/t<rmin／t時(shí)，可采用2次（或多次）彎曲，并增加中間退火工序或先在彎曲角內(nèi)側(cè)壓槽后再進(jìn)行彎曲。（3）

使彎曲線與板料軋制方向垂直或成>30°方向。（4）

將有毛刺的一面放在彎曲凸模一側(cè)5.2.2回彈在材料彎曲變形結(jié)束，零件不受外力作用時(shí)，由于彈性回復(fù)，使彎曲件的角度、彎曲半徑與模具的尺寸形狀不一致，這種現(xiàn)象稱為回彈。1、

回彈的表現(xiàn)形式1）

彎曲半徑增大2）

彎曲角增大2、

影響彎曲回彈的因素1）材料的力學(xué)性能彎曲回彈的大小與材料的屈服極限

σS

和硬化指數(shù)

n成正比，而與彈性模量

E成反比。

如（a）所示，兩種材料的屈服極限σS

基本相同，但彈性模量卻不相同（E1>E2）。又如圖中（b）所示，兩種材料的彈性模量基本相同，而屈服極限不同，當(dāng)彎曲變形程度相同時(shí)，卸載后，屈服極限高的或經(jīng)冷作硬化的材料其回彈量將大于屈服極限較低的退火鋼。由于鋼材的彈性模量相差無(wú)幾，應(yīng)盡量選擇σS小、n值小的材料以獲得形狀規(guī)則、尺寸精確的彎曲件。2）相對(duì)彎曲半徑

相對(duì)彎曲半徑r/t值越小，表明彎曲變形程度越大，則回彈值越小。如下圖所示，當(dāng)變形程度較大時(shí)，彈性變形量雖有所增加，但在總的變形中所占的比例反而減少，因此回彈量就小。3）彎曲件角度由前述可知，彎曲件角度α越小，表示彎曲變形區(qū)域越大。此時(shí)在彎曲過(guò)程中累積彈性變形也越大，因此回彈量會(huì)增加。4）彎曲方式板料的彎曲方式有自由彎曲和校正彎曲兩類。自由彎曲的回彈大，校正彎曲的回彈小。在彎曲制件時(shí)，校正彎曲是在工作行程臨終前凸模和凹模對(duì)板料施以很強(qiáng)的壓縮作用，其壓力遠(yuǎn)大于自由彎曲時(shí)所需壓力。較強(qiáng)的壓力不僅使彎曲變形外區(qū)的拉應(yīng)力有所減小，而且在外區(qū)中性層附近，還會(huì)出現(xiàn)和內(nèi)區(qū)同樣的壓縮應(yīng)力。隨著校正力的加大，壓應(yīng)力區(qū)向板料的外表面逐漸擴(kuò)展，致使板料的全部或大部分?jǐn)嗝婢霈F(xiàn)壓縮應(yīng)力。結(jié)果導(dǎo)致外區(qū)的回彈方向和內(nèi)區(qū)的回彈方向取得一致而相互抵消，因此校正彎曲時(shí)的回彈比自由彎曲時(shí)大大減小。5）彎曲件的形狀一般地講，在彎曲變形程度相同的條件下，雙角彎曲比單角彎曲回彈小，形狀復(fù)雜的彎曲件采用一次彎曲比多次彎曲回彈小。這是因?yàn)槎嘟峭瑫r(shí)彎曲時(shí)相互牽制而減小了回彈6）模具結(jié)構(gòu)因素

模具結(jié)構(gòu)因素對(duì)回彈的影響隨彎曲件尺寸與形狀的不同有較大的差異。如下圖所示，由于凸模下的板料不受任何制約，在彎矩作用下，從變形一開(kāi)始就被彎成外凸的弧形。另外凸、凹模間的間隙Z較大時(shí)，則U形件的側(cè)壁到變形終了時(shí)仍可能不能展平。彎曲件脫離模具后，A處與B。處都將產(chǎn)生外開(kāi)回彈，導(dǎo)致彎曲件的回彈量較大。

如下圖所示，用帶頂板的上出件結(jié)構(gòu)方案時(shí)，在彎曲變形的一開(kāi)始由頂板提供的反頂力F1起到了壓料作用。如果反頂力足夠?qū)⑼鼓Ｏ碌陌辶蠅浩?，則當(dāng)U形件脫離模具后，A處與B處的回彈方向相反，回彈量較小。當(dāng)圓角處的彎曲變形程度較大、間隙較小時(shí)，彎曲件則會(huì)出現(xiàn)較明顯的負(fù)回彈現(xiàn)象。對(duì)于U形件的彎曲，如進(jìn)行彎曲后期校形，可獲得回彈較小，形狀比較規(guī)則的彎曲件。由于影響彎曲回彈的因素很多，而且各因素又相互影響，因此，計(jì)算回彈角比較復(fù)雜也不準(zhǔn)確。一般生產(chǎn)中是按經(jīng)驗(yàn)數(shù)表或按力學(xué)公式計(jì)算出回彈值作為參考，再在試模時(shí)修正。1)大變形程度(r/t<5)自由彎曲時(shí)的回彈當(dāng)r/t<5時(shí)，彎曲半徑的回彈值不大，因此，只考慮角度的回彈，其值可查有關(guān)手冊(cè)表格提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值回彈角。3、回彈值的大小2)小變形程度(r/t≥10)自由彎曲時(shí)的回彈當(dāng)時(shí)≥10，因相對(duì)彎曲半徑變大，零件不僅角度有回彈，彎曲半徑也有較大的變化。這時(shí)，回彈值可按下式進(jìn)行計(jì)算，然后在生產(chǎn)中再進(jìn)行修正。4、控制回彈的措施1)改進(jìn)零件的設(shè)計(jì)2）從彎曲工藝上采取措施用校正彎曲或拉彎工藝來(lái)代替一般的自由彎曲。對(duì)于冷作硬化材料，在彎曲前可進(jìn)行退火，以降低屈服應(yīng)力，從而減小彎曲件的回彈。另外對(duì)于多數(shù)彎曲件，應(yīng)在彎曲終了前進(jìn)行校形，或安排整形工序，以減小回彈，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。用拉彎法代替一般彎曲方法。3）從模具結(jié)構(gòu)上采取措施5.2.3偏移1、偏移現(xiàn)象的產(chǎn)生坯料在彎曲過(guò)程中沿凹模圓角滑移時(shí)，會(huì)受到凹模圓角處摩擦阻力的作用，當(dāng)坯料各邊所受的摩擦阻力不等時(shí)，有可能使坯料在彎曲過(guò)程中沿零件的長(zhǎng)度方向產(chǎn)生移動(dòng)，使零件兩直邊的高度不符合圖樣的要求，這種現(xiàn)象稱為偏移。2、克服彎曲偏移的措施1）采用壓料裝置使毛坯在壓緊的狀態(tài)下逐漸彎曲成形，從而防止毛坯的滑動(dòng)，而且能得到較平整的工件。2）采用毛坯定位措施利用毛坯上的孔或設(shè)計(jì)工藝孔、用定位銷插入孔內(nèi)再?gòu)澢姑鳠o(wú)法移動(dòng)。如圖所示。3）采用對(duì)稱毛坯結(jié)構(gòu)將不對(duì)稱形狀的彎曲件組合成對(duì)稱式彎曲，然后再切開(kāi)，使板料彎曲時(shí)受力均勻，不容易產(chǎn)生偏移。4）模具制造準(zhǔn)確，間隙調(diào)整對(duì)稱5.3彎曲工藝設(shè)計(jì)5.3.1彎曲件的工藝性1）彎曲半徑2）彎曲件的形狀3）彎曲件直邊高度4）防止彎曲根部裂紋的工件結(jié)構(gòu)5.彎曲件孔邊距離6.增添連接帶和定位工藝孔5.3.2彎曲件工序的安排1、彎曲件的工序安排原則

(1)于形狀簡(jiǎn)單的彎曲件(2)于批量大而尺寸較小的彎曲件(3)多次彎曲(4)彎曲件幾何形狀不對(duì)稱2、典型彎曲件的工序安排5.3.3彎曲工藝力的計(jì)算1、自由彎曲的彎曲力V形件彎曲力U形件彎曲力

2、校正彎曲時(shí)的彎曲力3、頂件力或壓料力4、壓力機(jī)公稱壓力的確定對(duì)于有壓料裝置的自由彎曲

對(duì)于校正彎曲5.4彎曲模具設(shè)計(jì)5.4.1彎曲模類型及結(jié)構(gòu)1、V形件彎曲模（一）模具工作過(guò)程1）將彎曲件毛坯放置于凹模5的表面上、由定位銷2定位。2）壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上模下行。3）由凸模4、凹模5對(duì)板料進(jìn)行彎曲，同時(shí)將頂桿1壓下。4）彎曲完成后，壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上模上行，頂桿1隨之將制件頂出凹模5。5）取出彎曲制件，準(zhǔn)備下一次彎曲。（二）模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1）不采用標(biāo)準(zhǔn)模架，結(jié)構(gòu)為敞開(kāi)式，制造簡(jiǎn)單，成本較低。2）彎曲時(shí)板料在凸模4和頂桿1的夾持下進(jìn)行彎曲，不易產(chǎn)生偏移而影響制件精度。3）彎曲最終時(shí)可進(jìn)行一定程度的校正彎曲，提高制件精度。4）模具間隙需要在壓力機(jī)上安裝時(shí)進(jìn)行調(diào)整。2、U形件彎曲模（一）模具工作過(guò)程1）將彎曲件毛坯沿導(dǎo)料銷放置于凹模3的表面上、由定位板2定位。2）壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上模下行。3）由凸模1、凹模3對(duì)板料進(jìn)行彎曲，同時(shí)將頂件塊4壓下。4）彎曲完成后，壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上模上行，頂件塊4隨之將制件頂出凹模3。5）取出彎曲制件，準(zhǔn)備下一次彎曲。（二）模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1）不采用標(biāo)準(zhǔn)模架，結(jié)構(gòu)為敞開(kāi)式，制造簡(jiǎn)單，成本較低。2）彎曲時(shí)板料在凸模1和頂件塊4的夾持下進(jìn)行彎曲，不易產(chǎn)生偏移而影響制件精度。3）彎曲時(shí)板料在頂件塊4的壓力作用下，避免了制件底部的彎曲不平，保證了制件精度。4）彎曲最終時(shí)可進(jìn)行一定程度的校正彎曲，提高制件精度。5）模具間隙需要在壓力機(jī)上安裝時(shí)進(jìn)行調(diào)整。小于90°的U形件彎曲模（一）模具工作過(guò)程1）將彎曲件毛坯放置于活動(dòng)凹模5、6的表面上、由定位板定位。2）壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上模下行，上、下模由導(dǎo)柱和導(dǎo)套導(dǎo)向閉合。3）由于彈簧3的壓力作用，凸模8、活動(dòng)凹模5、6將板料先彎曲成U形件。4）當(dāng)凸模8、U形件和下模座三者貼合時(shí)，凸模8停止下行。5）上模繼續(xù)下行壓縮彈簧3，此時(shí)活動(dòng)凹模5、6在斜楔2的作用下向中心移動(dòng)，彎曲成形出制件。6）彎曲完成后，壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上模上行，活動(dòng)凹模5、6在彈簧7的作用下隨上模上行復(fù)位。7）彎曲件卡箍在凸模8上隨上模上行至高處，從凸模側(cè)向取出制件。8）放進(jìn)毛坯，準(zhǔn)備下一次彎曲。（二）模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1）模架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，精度較高，制造方便，使用和安裝簡(jiǎn)單。2）第一次彎曲U形件時(shí)板料無(wú)彎曲定位，易滑動(dòng)而產(chǎn)生偏移，影響制件精度。3）第一次彎曲U形件時(shí)依靠彈簧3進(jìn)行，需要對(duì)彈簧3的作用力準(zhǔn)確計(jì)算。4）因模具結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的關(guān)系，活動(dòng)凹模5、6的彎曲力較小，不適于較厚制件的彎曲，制件精度較低。3、帽形件彎曲模4、Z形件彎曲模5、

圓形件彎曲模1)直徑d<5mm的小圓形件2)直徑d<20mm大圓形件（一）模具工作過(guò)程1）將彎曲件毛坯放置于凹模固定板1的表面上定位。2）壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上模下行，上、下模由導(dǎo)柱和導(dǎo)套導(dǎo)向閉合。3）由于壓料板3的壓力作用，芯軸凸模5和下凹模2將板料先彎曲成開(kāi)口向上的U形件。4）當(dāng)芯軸凸模5、U形件和下凹模2三者貼合時(shí)，芯軸凸模5和壓料板3停止下行。5）上模繼續(xù)下行壓縮壓料板3上的彈簧，此時(shí)上凹模4和芯軸凸模5將U形件彎曲成小圓制件。6）彎曲完成后，壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上模上行，彎曲件卡箍在芯軸凸模5上隨上模上行至高處，7）從側(cè)向抽動(dòng)芯軸凸模5，取出制件。8）放進(jìn)毛坯，準(zhǔn)備下一次彎曲。（二）模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1）采用導(dǎo)柱和導(dǎo)套閉合及中間導(dǎo)向式壓料板結(jié)構(gòu)，彎曲比較準(zhǔn)確，模具閉合精度較高。2）第一次彎曲U形件時(shí)依靠壓料板3上的彈簧進(jìn)行，需要對(duì)彈簧的作用力準(zhǔn)確計(jì)算。3）彎曲制件在彎曲完成后需要人工干預(yù)脫模，不利于安全生產(chǎn)和效率。4）因最終彎曲成小圓制件時(shí)彎曲校正作用較小，對(duì)制件的成形精度有不利影響。自動(dòng)推件的圓形件一次彎曲模（一）模具工作過(guò)程1）將彎曲件毛坯放置于下模擺塊2的表面上定位。2）壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上模下行，在上凹模1的壓力作用下，擺塊2轉(zhuǎn)動(dòng)，毛坯下移與芯軸凸模7接觸。3）在彈頂器9的頂力作用下，上凹模1和芯軸凸模7將板料先彎曲成開(kāi)口向下的U形件。4）當(dāng)上凹模1、U