冲压工艺学之弯曲工艺与模具设计概述

,*,弯曲工艺和弯曲模具设计,概述,3.1,弯曲变形过程分析,3.2,弯曲卸载后弯曲件的回弹,3.3,弯曲成形工艺设计,3.4,弯曲模具的典型结构设计,2024/9/22,弯曲是使材料产生塑性变形，形成一定曲率和角度零件的冲压工序。,弯曲毛坯的种类：板料、棒料、型材、管材,弯曲成型工艺方法：压弯、折弯、拉弯、滚弯、辊弯,（,a,）模具压弯； （,b,）折弯； （,c,）拉弯； （,d,）滚弯； （,e,）辊压,3-1,弯曲零件的成形方法,3.1,板料,弯曲变形过程及变形特点,3.1.1,弯曲变形过程,弯曲变形过程,：,如图,3.1.2,所示,V,形件的弯曲，随着凸模进,入凹模深度的增大，凹模与板料的接触处位置发生变化，支点,B,沿凹模斜面不断下移，弯曲力臂,l,逐渐减小，接近行程终了时弯曲半径,r,继续减小，而直边部分反而向凹模方向变形，直至板料与凸、凹模完全贴合。,3.1.2,板料弯曲变形特点,通过网格试验观察弯曲变形特点（,如图,3.1.3,）。,图,3.1.3,弯曲前后坐标网络的变化,1.,弯曲圆角部分是弯曲变形的主要变形区,(,参看教材,P175),变形区的材料外侧伸长，内侧缩短，中性层长度不变。,2.,弯曲变形区的应变中性层,应变中型层,是指在变形前后金属纤维的长度没有发生改,变的那一层金属纤维。,3.,变形区材料厚度变薄的现象,变形程度愈大，变薄现象愈严重,。,4.,变形区横断面的变形,变形区横断面形状尺寸发生改变称为畸变。,主要影响因,素为板料的相对宽度。,(,宽板,),：横断面几乎不变；,(,窄板,),：断面变成了内宽外窄的扇形,。,3.1.3,弯曲时变形区的应力和应变,1,、弹性弯曲条件,若材料的屈服应力为,s,，则弹性弯曲的条件为：,2,、塑性弯曲的应力与应变条件,(a),弹性弯曲；,(b),弹,-,塑性弯曲；,(c),塑性弯曲,图,3.1.5,弯曲毛坯变形区的切向应力分布,3.1.3,弯曲时变形区的应力和应变,板料在塑性弯曲时,变形区内的应力应变状态取决于弯曲毛坯的相对宽度 以及弯曲变形程度。,窄板弯曲的应力状态是平面的，应变状态是立体的。,宽板弯曲的应力状态是立体的，应变状态是平面的。,3.2,弯曲卸载后弯曲件的回弹,3.2.1,回弹现象,当弯曲结束，外力去除后，塑性变形留存下来，而弹性变形则完全消失。弯曲变形区外侧因弹性恢复而缩短，内侧因弹性恢复而伸长，产生了弯曲件的,弯曲角度,和,弯曲半径,与模具相应尺寸不一致的现象。这种现象称为弯曲件的弹性回跳（简称回弹）。,回弹性的表现形式：,(1),弯曲半径增大,卸载前板料的内半径,r,(,与,凸模的半径吻合,),在卸载后增加,至,r,p,。弯曲半径的增加量为：,(2),弯曲中心角的变化,卸载前弯曲中心角为,(,与,凸模顶角相吻合,),，卸载后变化,为 。弯曲件角度的变化量为：,图,3.2.1,弯曲件的弹性回跳,3.2.2,影响回弹的因素,1,.,材料的力学性能,材料的屈服点 越高，弹性模量,E,越小，弯曲弹性回跳,越大。,2.,相对弯曲半径,相对弯曲变径 越大，则回弹也越大。,3.,弯曲中心角,弯曲中心角 越大，表明变形区的长度越长，故回弹的,积累值越大，其回弹角越大。但对弯曲半径的回弹影响不大。,4.,弯曲方式及弯曲模具结构,采用校正弯曲时，工件的回弹小。,5.,弯曲件形状,工件的形状越复杂，一次弯曲所成形的角度数量越多，,使回弹困难，因而回弹角减小。,6.,模具间隙,在压弯,U,形件时，间隙大，材料处于松动状态，回弹就,大；间隙小，材料被挤压，回弹就小。,7.,非变形区的影响,3.2.4,减少回弹的措施,1.,材料选择,应尽可能选用弹性模量较大，屈服极限小，机械性能比较稳定的材料,。,2.,改进弯曲件的结构设计,设计弯曲件时改进一些结构，加强弯曲件的刚度以减小回,弹。比如：,在变形区设计加强肋或边翼,(U,型结构,),，增加弯曲件的刚性，使弯曲件回弹困难,(,如,图,3.2.3,),。,3.2.3,改进零件的结构设计,3.,从工艺上采取措施,(1),采用热处理工艺,对一些硬材料和已经冷作硬化的材料，弯曲前先进行退火处理，降低其硬度以减少弯曲时的回弹，待弯曲后再淬硬。在条件允许的情况下，甚至可使用加热弯曲。,(2),增加校正工序,运用校正弯曲工序，对弯曲件施加较大的校正压力，可以改变其变形区的应力应变状态，以减少回弹量。,(3),采用拉弯工艺,对于相对弯曲半径很大的弯曲件，由于变形区大部分处于弹性变形状态，弯曲回弹量很大。这时可以采用拉弯工艺,(,如图,3.2.4,),。,4.,从模具结构采取措施,(1),补偿法,利用弯曲件不同部位回弹方向相反的特点，按预先估算,或试验所得的回弹量，修正凸模和凹模工作部分的尺寸和几,何形状，以相反方向的回弹来补偿工件的回弹量（,教材,P195,图,8-37,）,。,(2),校正法,可以改变凸模结构，使校正力集中在弯曲变形区，加大变,形区应力应变状态的改变程度（迫使材料内外侧同为切向压应,力、切向拉应变 ）如图,3.2.6,。,(3),纵向加压法,在弯曲过程完成后，利用模具的突肩在弯曲件的端部纵,向加压（如图,3.2.7,）,使弯曲变形区横断面上都受到压应,力，卸载时工件内外侧的回弹趋势相反，使回弹大为降低。利,用这种方法可获得较精确的弯边尺寸，但对毛坯精度要求较高。,图,3.2.6,用校正法修正模具结构,图,3.2.7,纵向加压弯曲,(4),采用聚氨酯弯曲模,利用聚氨酯凹模代替刚性金属凹模进行弯曲（,图,3.2.8,）。,弯曲时金属板料随着凸模逐渐进入聚氨酯凹模，激增的弯曲力,将会改变圆角变形区材料的应力应变状态，达到类似校正弯曲,的效果，从而减少回弹。,图,3.2.8,聚氨酯弯曲模,3.3,弯曲成形的工艺设计,弯曲件的工艺性是指弯曲件的形状、尺寸、材料的选用及技术要求等是否满足弯曲加工的工艺要求。,具有良好冲压工艺性的弯曲件，不仅能提高工件质量，减少废品率，而且能简化工艺和模具结构，降低材料消耗。,一般指结构工艺性,和,精度工艺性,。,一、,结构工艺性,弯曲半径过小：工艺性不好,弯曲线位置：断面变化处,直边高度：,孔位置：,工艺槽，工艺顺序，定位工艺孔,二、,精度工艺性,弯曲角,弯曲半径,3.3.1,最小相对弯曲半径（ ）,1.,最小相对弯曲半径的概念,最小相对弯曲半径是指：在保证毛坯弯曲时,外表面不发生开裂,的条件下，弯曲件内表面能够弯成的最小圆角半径与坯料厚度的比值，用,来表示。该值越小，板料弯曲的性能也越好。,2.,影响最小弯曲半径的因素,(1),材料的力学性能,(2),弯曲角,(3),板料的表面质量与剪切断面质量,(4),板料宽度的影响,(5),板厚,(6),板材的方向性,(,如图,3.3.,1,),图,3.3.1,板料纤维方向对弯曲半径的影响,3.,最小相对弯曲半径经验数值的确定,表,8-4,3.3.2,弯曲件的结构工艺性,1.,弯曲件的弯曲半径,弯曲件的弯曲半径必须大于最小弯曲半径，否则要采用工艺措施，如,:,热弯、多次弯曲等（,如图,3.3.,2,）,。,2.,弯曲件形状与尺寸的对称性,弯曲件的形状与尺寸应尽可能对称、高度也不应相差太大。当冲压不对称的弯曲件时，因受力不均匀，毛坯容易偏移,(,如图,3.3.,3,),，尺寸不易保证。为防止毛坯的偏移，在设计模具结构时应考虑增设压料板，或增加工艺孔定位。,弯曲件形状应力求简单，边缘有缺口的弯曲件，若在毛坯上先将缺口冲出，弯曲时会出现叉口现象，严重时难以成形。这时必须在缺口处留有连结带，弯曲后再将连接带切除,(,如图,3.3.,4,),。,图,3.3.2,压槽后再进行弯曲,图,3.3.3,弯曲件形状对弯曲过程的影响,2024/9/22,图,3.3.4,弯曲件边缘缺口对弯曲过程的影响,3.,弯曲件直边高度对弯曲的影响,(,如,图,3.3.5,),在进行弯曲时，若弯曲的直边高度过短，弯曲过程中,不能产生足够的弯距，将无法保证弯曲件的直边的平直。,4.,弯曲件孔边距离,带孔的板料在弯曲时，如果孔位位于弯曲变形区内，则,孔的形状会发生畸变。因此，孔边到弯曲半径,r,中心的距离,(,如,图,3.3.,6),要满足以下关系：,当,t,2,mm,时，,L,t,；,t,2,mm,时；,L,2,t,。, 如不能满足上述条件，在结构许可的情况下，可在弯曲变,形区上预先冲出工艺孔或工艺槽来改变变形区范围，有意使工,艺孔的变形来保证所要求的孔不产生变形,(,如,图,3.3.,7),。,图,3.3.5,弯曲件直边的高度对弯曲的影响,图,3.3.6,弯曲件的孔边距,3.3.7,防止孔变形的措施,5.,防止弯曲边交接处应力集中的措施,当弯曲,图,3.3.9,所示弯曲件时，为防止弯曲边交接处由于应力集中，可能产生的畸变和开裂，可预先在折弯线的两端冲裁卸荷孔或卸荷槽，也可以将弯曲线移动一段距离，以离开尺寸突变处。,6.,弯曲件尺寸的标注应考虑工艺性,弯曲件尺寸标注不同，会影响冲压工序的安排。如,图,3.3.10,a),所示的弯曲件尺寸标注，孔的位置精度不受毛坯展开尺寸和回弹的影响，可简化冲压工艺。采用先落料冲孔，然后再弯曲成形。,b),、,c),图所示的标注法，冲孔只能安排在弯曲工序之后进行，才能保证孔位置精度的要求。在不存在弯曲件有一定的装配关系时，应考虑图,a),的标注方法。,图,3.3.9,防止弯曲边交接处应力集中的措施,图,3.3.10,尺寸的标注对弯曲工艺的影响,3.3.3,弯曲工艺力的计算,弯曲力是设计弯曲模和选择压力机吨位的重要依据。,生产中常用经验公式概略计算弯曲力，作为设计弯曲工艺过程和选择冲压设备的依据。,见教材,P183,页表,8-7,。,校正弯曲是在自由弯曲阶段后，进一步使对贴合凸模、凹模表面的弯曲件进行挤压，其校正力比自由压弯力大得多。由于这两个力先后作用，校正弯曲时只需计算校正弯曲力。,V,形弯曲件和,U,形弯曲件单位压力均按照：,教材,P184,页表,8-8,进行计算。,3.3.4,弯曲件毛坯展开尺寸的计算,在进行弯曲工艺和弯曲模具设计时，要计算出弯曲件毛坯的展开尺寸。计算的依据是：变形区弯曲变形前后体积不变；应变中性层在弯曲变形前后长度不变。即：弯曲变形区的应变中性层长度，就是弯曲件的展开尺寸。,（,2,）而当弯曲变形程度较大时（ 时），应变中,性层会向内表面偏移。这时，中性层位置的曲率半径可以,通过以下的公式进行估算：,式中：,x,为中性层位移系数，查教材,P183,表,8-6,（系数,K,）,。,1.,应变中性层位置的确定 （,1,）当弯曲变形程度不大时（ 时），可以认为应变中性层就在板料厚度的中心位置；,2.,弯曲件毛坯展开尺寸计算,（,1,）圆角半径 的弯曲件，,如图,3.3.5,。,图,(b),中，毛坯的展开长度,图,(a),中，毛坯的展开长度,3.3.5,弯曲件工序的安排,弯曲件的弯曲工序安排是在工艺分析和计算后进行的工艺设计工作。形状简单的弯曲件，如,V,形件、,U,形件、,Z,形件等都可以一次弯曲成形。形状复杂的弯曲件，一般要多次弯曲才能成形。弯曲工序的安排对弯曲模的结构、弯曲件的精度和生产批量影响很大。,1.,弯曲件工序安排的原则,原则（,1,）,：对多角弯曲件，因变形会影响弯曲件的形状精度，故一般应先弯外角，后弯内角。前次弯曲要给后次弯曲留出可靠的定位，并保证后次弯曲不破坏前次已弯曲的形状。,原则（,2,）,：结构不对称弯曲件，弯曲时毛坯容易发生偏移，应尽可能采用成对弯曲后，再切开的工艺方法。,原则（,3,）：,批量大、尺寸小的弯曲件，应采用级进模弯曲成形工艺，以提高生产率。,原则（,4,）：,如果弯曲件上孔的位置受弯曲过程影响而且精度要求较高，则应在弯曲后再冲孔，否则孔的位置精度无法保证。,见教材,P187,。,图,3.3.14,成对弯曲,2.,工序安排实例,图,3.3.16,为一次次弯曲成形的示例：,图,3.3.16,一次弯曲成形图例,图,3.3.17,为二次弯曲成形的示例,：,图,3.3.17,两次弯曲成形图例,图,3.3.18,为三次弯曲的示例：,图,3.3.18,三次弯曲成形图例,3.4,弯曲模的典型结构设计,弯曲模的结构主要取决于弯曲件的形状及弯曲工序的安排。最简单的弯曲模只有一个垂直运动；复杂的弯曲模具除了垂直运动外，还有一个乃至多个水平动作。,弯曲模结构设计要点为：,(1),弯曲毛坯的定位要准确、可靠，尽可能是水平放置。多次弯曲最好使用同一基准定位。,(2),结构中要能防止毛坯在变形过程中发生位移，毛坯的安放和制件的取出要方便、安全和操作简单。,(3),模具结构尽量简单，并且便于调整修理。对于回弹性大的材料弯曲，应考虑凸模、凹模制造加工及试模修模的可能性以及刚度和强度的要求。,3.4.1,典型弯曲模具的结构,1.,V,形件弯曲模,这类形状的弯曲件可以用两种方法弯曲：,（,1,）是沿着工件弯曲角的角平分线方向弯曲，称为,V,形弯曲；,(,如图,3.4.1,）,（,2,）是垂直于工件一条边的方向弯曲，称为,L,形弯曲,(,如图,3.4.2,),（,3,）对于精度要求较高，形状复杂、定位较困难的,V,形件（,如图,3.4.3,），可以采用折板式弯曲模,。,1-,下模座；,2,、,5-,销钉；,3-,凹模；,4-,凸模；,6-,上模座；,7-,顶杆；,8-,弹簧；,9,、,11-,螺钉；,10-,可调定位板,图,3.4.1 V,形件弯曲模,1-,凹模；,2-,凸模；,3-,定位钉；,4-,压料板；,5-,靠板,图,3.4.2 L,形件弯曲模,1-,凸模；,2-,支架；,3-,定位板；,4-,活动凹模；,5-,转轴；,6-,支承板；,7-,顶杆,图,3.4.3 V,形件精弯模,2.,U,形件弯曲模,（,1,）,U,形弯曲模在一次弯曲过程中可以形成两个弯曲角，,图,3.4.4,为常见,U,形件弯曲模结构,。,（,2,）弯曲角小于,90,的,U,形件时，可在两弯曲角处设置活动凹模镶块，弯曲模下降到与镶块接触时，推动活动凹模镶块摆动，并使材料包紧凸模,(,图,3.4.5),。,图,3.4.4 U,形件弯曲模具,1-,凸模；,2-,凹模；,3-,弹簧；,4-,凸模活动镶块；,5,、,9-,凹模活动镶块；,6-,定位销；,7-,转轴；,8-,顶板,图,3.4.5,弯曲角小于,90,的弯模,3.,Z,形件弯曲模,由于,Z,形件两端直边弯曲方向相反，所以,Z,形弯曲模需要,有两个方向的弯曲动作（,如图,3.4.,6,） 。,4.,四角形件弯曲模,（,1,）,四角形件两次弯曲模,两次弯曲成形的方法（,如图,3.4.,7,）。,倒装式两次弯曲成形的方法（,如图,3.4.,8,）。,（,2,）四角形件一次弯曲模,一次弯曲成形的复合弯曲模结构，是将两个简单模复合在,一起的弯曲模（,如图,3.4.,9,）。,1-,顶板；,2-,定位销；,3-,侧压块；,4-,凸模；,5-,凹模；,6-,上模座；,7-,压块；,8-,橡皮；,9-,凸模固定板；,10-,活动凸模；,11-,下模座,图,3.4.6 Z,形件弯曲模,图,3.4.7,形件两次弯曲模（一）,图,3.4.8,形件两次弯曲模（二）,图,3.4.9,形件一次弯曲成形模 ,.,圆形件弯曲模,圆筒形件弯曲的弯曲方法可分为三类：,（,1,）对于圆筒直径,mm,的小圆，一般先将毛坯弯,成,U,形，然后再弯成圆形（,如图,3.4.15,）或一次弯曲成形,（,如图,3.4.16,）。,（,2,）对于圆筒直径,mm,的大圆，一般先将毛坯弯成,波浪形，然后再弯成圆形（,如图,3.4.17,）。,（,3,）对于圆筒直径,为,10 40,mm,、材料厚度大约,1,mm,的,圆筒形件，可以采用摆动式凹模结构的弯曲模一次弯成，（,如,图,3.4.18,）。,.,铰链弯曲模,铰链弯曲成形，一般分两道工序进行，先将平直的毛坯端,部预弯成圆弧然后再进行卷圆。（,如图所示,）,图,3.4.14,小圆形件一次弯曲成形模,1-,支承；,2-,凸模；,3-,摆块凹模；,4-,垫板,图,3.4.16,摆块一次弯曲模,3.4.2,弯曲模主要工作零件结构参数的确定,1.,弯曲凸模和凹模的圆角半径,（,1,）弯曲凸模的圆角半径,当弯曲件的相对弯曲半径,，且不小于,时，凸模的圆角半径一般等于弯曲件的圆角半径；,若弯曲件的圆角半径小于最小弯曲半径,( ),时，首次弯曲可先弯成较大的圆角半径，然后采用整形工序进行整形，使其满足弯曲件圆角的要求；,若弯曲件的相对弯曲半径较大（,），精度要求较高时，由于圆角半径的回弹大，凸模的圆角半径应根据回弹值作相应的修正。,（,2,）,凹模圆角半径,凹模的圆角半径的大小对弯曲变形力和制件质量均有较大影响，同时还关系到凹模厚度的确定。凹模圆角半径过小，坯料拉入凹模的滑动阻力大，使制件表面易擦伤甚至出现压痕。凹模圆角半径过大，会影响坯料定位的准确性。凹模两边的圆角要求制造均匀一致，当两边圆角有差异时，毛坯两侧移动速度不一致，使其发生偏移。生产中常根据材料的厚度来选择凹模圆角半径：,当,或按有关设计资料选取。,图,3.4.20,为弯曲模结构尺寸示意图。,图,3.4.20,弯曲模结构尺寸,2.,凹模工作部分深度,弯曲凹模深度,要适当。过小时，坯件弯曲变形的两直边自由部分长，弯曲件成形后回弹大，而且直边不平直。若过大，则模具材料消耗多，而且要求压力机具有较大的行程。弯曲,V,形件时，凹模深度及底部最小厚度参见教材表,3.4.1,。,弯曲,U,形件时，若弯边高度不大，或要求两边平直，则凹模深度应大于零件高度，,如图,3.4.22,b),所示。如果弯曲件边长较大，而对平直度要求不高时，可采用图,3.4.22,c),所示的凹模形式。弯曲,U,形件的凹模参数见教材表,3.4.2,和表,3.4.3,所示。,3.,弯曲凹、凸模的间隙,（,1,）,V,形件弯曲模，凸模与凹模之间的间隙是由调节压力机的装模高度来控制。,（,2,）对于,U,形件弯曲模，则必须选择适当的间隙值。凸模和凹模间的间隙值对弯曲件的回弹、表面质量和弯曲力均有很大的影响。若间隙过大，弯曲件回弹量增大，误差增加，从而降低了制件的精度。当间隙过小时，会使零件直边料厚减薄和出现划痕，同时还降低凹模寿命。,形件凸、凹模的单面间隙一般可按下式计算：,式中：,凸、凹模的单面间隙,板料厚度的基本尺寸（,mm,),板料厚度的正偏差,(,mm,),根据弯曲件的高度和宽度而决定的间隙系数。,4.,凸模和凹模工作尺寸及公差,（,1,）弯曲件外形尺寸的表注,当弯曲件为双向对称偏差时，凹模尺寸为：,当弯曲件为单向偏差时，凹模尺寸为：,凸模尺寸为,：,（,2,）弯曲件内形尺寸的表注,当弯曲件为双向对称偏差时，凸模尺寸为：,当弯曲件为单向偏差时，凸模尺寸为：,凹模尺寸为：,