彎曲工藝與模具設(shè)計.ppt

沖壓工藝與模具設(shè)計 Stamping Technology and Mould Design,第3章 彎曲工藝與模具設(shè)計,2,彎曲將板料、棒料、管料和型材等彎曲成具有一定形狀及 角度零件的成形方法。 彎曲成形的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，是板料沖壓中常見加工工序之一。 用彎曲方法所加工零件的種類很多，如V形件、U形件以及其他 形狀的零件。 鉸支板彎曲成形 電控支架彎曲成形,第3章 彎曲工藝與模具設(shè)計,3,第3章 彎曲工藝與模具設(shè)計,生產(chǎn)中彎曲成形所用的工具和模具不同，便形成各種不同的彎 曲方法: 本章主要介紹板料在壓力機(jī)上用模具彎曲壓彎工藝。,4,【主要內(nèi)容】 彎曲變形機(jī)理 彎曲件毛坯尺寸的確定 最小彎曲半徑 彎曲力的計算 彎曲件的回彈 彎曲模工作部分尺寸的確定 【重點(diǎn)】 彎曲變形機(jī)理 彎曲件的回彈,第3章 彎曲工藝與模具設(shè)計,5,3.1 彎曲變形機(jī)理,一、彎曲過程及彎曲變形的特點(diǎn) 1.變形過程 彎曲-變形過程 自由彎曲 校正彎曲 2.變形特點(diǎn) 網(wǎng)格線實(shí)驗(yàn)法在板料 側(cè)壁畫上網(wǎng)格線，然后進(jìn) 行彎曲。通過觀察彎曲后 網(wǎng)格線及工件橫斷面的變 化情況，可以發(fā)現(xiàn)其變形 規(guī)律與特點(diǎn)。,6,3.1 彎曲變形機(jī)理,彎曲變形的特點(diǎn)： (1)彎曲變形區(qū)主要是在彎曲件的圓角部分 工件分成了直邊和圓角兩部分，圓角部分是變形區(qū)，其網(wǎng)格變成 了扇形，而遠(yuǎn)離圓角的直邊部分網(wǎng)格沒有變化，在靠近圓角處的 直邊的網(wǎng)格有少許變化。 (2)在圓角變形區(qū)內(nèi)，變形不均勻 在圓角變形區(qū)，板料的外層(靠凹模一側(cè))縱向纖維受拉而伸長， 內(nèi)層(靠凸模一側(cè))縱向纖維受壓而縮短。由板料的內(nèi)、外表面至 板料的中心，這種縮短與伸長的程度都將逐漸變小。由于板料材 料的連續(xù)性，其間必有一層纖維的長度在彎曲前后保持不變，此 層稱為應(yīng)變中性層，其曲率半徑為 。,7,3.1 彎曲變形機(jī)理,(3)在圓角變形區(qū)內(nèi)，應(yīng)力不均勻 在圓角變形區(qū)，板料外層切向受拉應(yīng)力，內(nèi)層切向受壓應(yīng)力。 由內(nèi)層過渡到外層，其間必有一層的切向應(yīng)力為零，此層稱為 應(yīng)力中性層，其曲率半徑為 。 在彈性彎曲或彎曲變形程度較小時，應(yīng)變中性層與應(yīng)力中性層 重合，位于板料的中央，其曲率半徑為 。 當(dāng)彎曲變形程度較大時，應(yīng)變中性層與應(yīng)力中性層都從板料的 中央向內(nèi)區(qū)移動，且有 。 (4)相對彎曲半徑 較小時，變形區(qū)中的板料在變形后將產(chǎn)生 變薄的現(xiàn)象（厚度變?。?。 越小，變薄程度越大。,8,3.1 彎曲變形機(jī)理,(5)板料相對寬度b/t對變形區(qū)的變形有很大影響 彎曲后工件橫斷面形狀如圖所示。 寬板（ ）彎曲時， 橫斷面幾乎不變，仍保持原 來的矩形； 窄板（ ）彎曲時， 橫斷面形狀產(chǎn)生了變化，由 矩形變成了扇形，而且內(nèi)寬 外窄。,9,3.1 彎曲變形機(jī)理,二、彎曲過程中變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài) 窄板和寬板彎曲變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)是不同的： 1窄板彎曲時 （1）應(yīng)變狀態(tài) 切向應(yīng)變?yōu)榻^對值最大的主 應(yīng)變，其外層為拉應(yīng)變，內(nèi) 層為壓應(yīng)變。 因板寬方向可自由變形，由 體積不變定律可知：寬度方 向外層為壓應(yīng)變，內(nèi)層 為拉應(yīng)變；在徑向外層 為壓應(yīng)變，內(nèi)層為拉應(yīng)變。,10,3.1 彎曲變形機(jī)理,（2）應(yīng)力狀態(tài) 切向：按最大主應(yīng)力與主應(yīng)變同向 原理，外層的 為拉應(yīng)力， 內(nèi)層的 為壓應(yīng)力。 寬度方向：由于材料可自由變形， 故內(nèi)、外層的 。 徑向：內(nèi)、外層的 均為壓應(yīng)力。 窄板彎曲時內(nèi)、外層的應(yīng)變狀態(tài)為立體狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)則 為平面狀態(tài)。,11,3.1 彎曲變形機(jī)理,2寬板彎曲時 （1）應(yīng)變狀態(tài) 切向和徑向的應(yīng)變狀態(tài)與窄 板的相同。 寬度方向，由于變形阻力較 大，彎曲后板的寬度基本不 變，即內(nèi)外層的 均接近 于零。,12,3.1 彎曲變形機(jī)理,（2）應(yīng)力狀態(tài) 寬板的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力與 窄板相同。 寬度方向上由于材料不能自由 變形，外層的收縮及內(nèi)層的伸 長都受到限制，故外層的 為 拉應(yīng)力，內(nèi)層的 為壓應(yīng)力。 寬板彎曲時內(nèi)、外層的應(yīng)變狀態(tài)為平面狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)則 為立體狀態(tài)。,13,3.1 彎曲變形機(jī)理,三、彎曲變形程度 變形區(qū)中切向應(yīng)變的 大小與其在板厚方向 上的位置有關(guān)。沿板 厚方向， 按線性規(guī) 律變化：,14,3.1 彎曲變形機(jī)理,當(dāng)變形不大時，可認(rèn)為材料不變薄，且中性層仍在板料中間， 則板料內(nèi)表面和外表面的切向應(yīng)變數(shù)值相等，且為最大： 以 代入得： 上式表明：彎曲件表面上的應(yīng)變量與相對彎曲半徑 大致成 反比關(guān)系。而外表面的最大拉應(yīng)變受材料性能(不產(chǎn)生拉裂)的 限制。為獲良好的彎曲件， 便有一定的極值，故常用相對 彎曲半徑 來表示彎曲的變形量，即彎曲變形程度。 越 小，表示彎曲變形程度越大。,15,3.2 彎曲件毛坯尺寸的確定,板料彎曲時應(yīng)變中性層的長度始終是不變的，故可根據(jù)彎曲后 應(yīng)變中性層的長度來確定彎曲件的毛坯長度。 一、應(yīng)變中性層的位置(圓角部分) 彎曲前變形區(qū)的體積： 彎曲后的體積：,16,3.2 彎曲件毛坯尺寸的確定,由 解得： 將 ， ， 代入可得： -變薄系數(shù)； -展寬系數(shù)， 時， 。,17,3.2 彎曲件毛坯尺寸的確定,二、彎曲件毛坯長度的計算 1 的彎曲件 按應(yīng)變中性層展開，求展開長度即可，計算步驟如下： 由彎曲件圖分割出變形區(qū)（圓角部分） 確定各直邊的長度 計算 計算變形區(qū)中性層展開長度 計算毛坯總長度,18,3.2 彎曲件毛坯尺寸的確定,2 的彎曲件 與變形區(qū)相鄰的直邊部分也有變薄現(xiàn)象，需按經(jīng)過修正的公式 進(jìn)行計算。對于形狀復(fù)雜、多角及精度要求高的彎曲件，還要 經(jīng)過試彎修正后才能最后確定合適的毛坯尺寸。,19,3.3 最小彎曲半徑,一、最小彎曲半徑的概念 彎曲變形區(qū)外表面的材料在切向產(chǎn)生拉伸變形，其切向應(yīng)變的 最大值前面已經(jīng)得出： 為保證彎曲件不產(chǎn)生拉裂，需限制彎曲件內(nèi)表面的圓角半徑。 把不產(chǎn)生拉裂破壞時的最小圓角半徑稱為最小彎曲半徑 ， 其值為：,20,3.3 最小彎曲半徑,二、影響彎曲系數(shù)的因素 1材料的機(jī)械性能 影響較大 材料的塑性越好，可采用的彎曲系數(shù)越小。生產(chǎn)中常采用提高 材料塑性的方法提高塑性變形能力，以減小彎曲系數(shù)，如進(jìn)行 退火或正火熱處理。 2板料的纖維方向彎曲線的方向與纖維組織方向的關(guān)系 彎曲線垂直于纖維方向時， 塑性最好，彎曲系數(shù)最小。 當(dāng)彎曲件的彎曲半徑較小 時，應(yīng)使折彎線垂直于板 料的纖維方向：,21,3.3 最小彎曲半徑,3彎曲角 彎曲角等于彎曲件圓角部分所對應(yīng)的圓心角。 板料彎曲時，若靠近圓角附近的直邊部分參與彎曲變形，會對 變形區(qū)外層的受拉狀態(tài)起緩解作用，因而有利于減小最小彎曲 半徑。 彎曲角越小，直邊參與變形的 分散效應(yīng)越顯著，在 時的影響很大，在 后 則影響很?。?22,3.3 最小彎曲半徑,4板料的表面質(zhì)量和側(cè)邊質(zhì)量 板料表面有劃傷、裂紋或板料側(cè)邊(剪切面)有毛刺、裂紋等缺 陷時，彎曲中工件易開裂， 應(yīng)較大，或采取下述措施減小 ：清除剪切毛刺、有毛刺的一面朝向凸模、彎曲前退火 處理（去硬化）。 5板料的厚度 彎曲變形區(qū)切向應(yīng)變在厚度方向上按線性規(guī)律變化。當(dāng)板料的 厚度較小時，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 。,23,3.3 最小彎曲半徑,三、最小彎曲半徑的確定 常用經(jīng)驗(yàn)法 由于影響的因素很多，用前面的公式計算出的數(shù)值與實(shí)際值差 別很大，因?yàn)楣绞前磫蜗蚶斓乃苄灾笜?biāo)確定的數(shù)值，而彎 曲中實(shí)際許用的要大得多。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中主要是參照經(jīng) 驗(yàn)數(shù)據(jù)確定最小彎曲半徑。,24,3.4 彎曲力的計算,板料彎曲時開始是彈性彎曲，然后是變形區(qū)內(nèi)外層纖維首先進(jìn) 入塑性狀態(tài)，并逐漸向板厚中心擴(kuò)展的自由彎曲，最后是凸、 凹模與板料相互接觸并壓實(shí)零件的校正彎曲。各階段的彎曲力 顯然不同，下圖表示了各階段彎曲力與彎曲行程變化關(guān)系： 彈性階段的彎曲力較 小，自由彎曲階段的 彎曲力不隨彎曲行程 變化，而校正彎曲的 彎曲力則隨行程的推 移而急劇增加。,25,3.4 彎曲力的計算,一、自由彎曲力的計算 變形區(qū)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的簡化： 立體應(yīng)力狀態(tài)簡化為只有切向應(yīng)力作用的單向應(yīng)力狀態(tài)，切 向應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系與單向拉伸狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 完全一致。 近似地用彈性彎曲理論來處理塑性彎曲問題。,26,3.4 彎曲力的計算,距中性層為 處的切向應(yīng)變?yōu)椋?塑性變形時，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 可用指數(shù)方程表示，即： 則內(nèi)、外層切向應(yīng)力為：,27,3.4 彎曲力的計算,當(dāng)給定彎曲半徑后，便可求出板料斷面上任一點(diǎn) 處的切向 應(yīng)力及其分布。切向應(yīng)力所形成的彎矩便可按梁的彎矩求得： 若不考慮硬化，則 、 ，便得到無硬化彎曲時的彎 矩：,28,3.4 彎曲力的計算,模具對板料的外彎矩為 ，在無硬化時 于是自由彎曲的彎曲力為： 由于彎曲力受材料性能、零件形狀、彎曲方法、模具結(jié)構(gòu)等多種 因素的影響，很難用理論分析方法進(jìn)行準(zhǔn)確的計算，生產(chǎn)中常按 經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行概略計算。最大自由彎曲力的經(jīng)驗(yàn)公式：,29,3.4 彎曲力的計算,二、校正彎曲力的計算 按下面公式計算 三、頂件力或壓料力的計算 對于設(shè)有頂件裝置或壓料裝置的彎曲模，頂件力或壓料力可按 自由彎曲力的3080選取。,30,3.4 彎曲力的計算,四、壓力機(jī)噸位的確定 對于有壓料的自由彎曲，壓力機(jī)的壓力應(yīng)為： 對于校正彎曲，由于校正力是發(fā)生在接近壓力機(jī)下死點(diǎn)的位 置，校正力與自由彎曲力并不重疊，且校正力的數(shù)值也比壓 料力大得多，因此按校正力選擇壓力機(jī)的壓力即可：,31,3.5 彎曲件的回彈,一.回彈現(xiàn)象 1.概念 在外力作用下，板料彎曲變形產(chǎn)生的總變形量由塑性變形和彈 性變形兩部分組成。當(dāng)外力去掉后，板料中的塑性變形保留下 來，彈性變形則會完全消失（恢復(fù)）。這樣，當(dāng)彎曲件從模具 中取出后，便會發(fā)生工件彎曲角和彎曲半徑與模具不一致的現(xiàn) 象，這便是彎曲件的回彈（彎曲-回彈）。 危害使彎曲件的形狀和尺寸發(fā)生變化（與模具不符），從 而降低了彎曲件的精度。 彎曲件的回彈值要比其他塑性加工方法大，因此回彈是彎曲件 生產(chǎn)中的一個不易解決的特殊問題。,32,3.5 彎曲件的回彈,2.產(chǎn)生原因 回彈是在塑性彎曲后卸載過程中產(chǎn)生的。彎曲后變形區(qū)斷面上 的切向應(yīng)力分布如圖所示：,33,3.5 彎曲件的回彈,當(dāng)板料從模具中取出時，其彈性變形便要恢復(fù)，相當(dāng)于在加載 彎矩的相反方向上加上一數(shù)值相等的彎矩，從而在板料的內(nèi)外 區(qū)產(chǎn)生了與塑性變形應(yīng)力方向相反的應(yīng)力。于是板料內(nèi)的合成 應(yīng)力即為彎曲件從模具中取出時的殘余應(yīng)力，在該應(yīng)力作用下 彎曲件產(chǎn)生相應(yīng)的變形回彈而達(dá)到新的平衡狀態(tài)。 由此可見，彎曲件的回彈是由其內(nèi)部產(chǎn)生的彈性恢復(fù)應(yīng)力形成 的。在彎曲變形后，只要有殘存的彈性變形，回彈便不可避免。,34,3.5 彎曲件的回彈,二、回彈值的確定 回彈的大小可以用彎曲件的曲率變化量和角度變化量來表示： 彎曲角回彈量： 曲率回彈量： 時稱為正回彈，反之 稱為負(fù)回彈。,35,3.5 彎曲件的回彈,1.曲率回彈量 加載終了時的總應(yīng)變?yōu)椋?卸載回彈后的殘余應(yīng)變?yōu)椋?彈性應(yīng)變?yōu)椋?由 得： 回彈后的曲率半徑為：,36,3.5 彎曲件的回彈,2.彎曲角回彈量 根據(jù)彎曲前后中性層長度不變，即 ，得： 與 的關(guān)系： 影響回彈的因素很多，因此，按計算所得出的回彈量制造的 模具，尚需經(jīng)過多次調(diào)試及修磨，才能使回彈量控制在允許 的范圍。,37,3.5 彎曲件的回彈,三、影響回彈的因素 1材料的力學(xué)性能 由前面的公式知，回彈量的大小與材料的屈服極限成正比，與 彈性模量成反比。（ 抵抗彈變的能力； 變形過 程中的彈性成分 ） 2彎曲系數(shù) 反映了材料切向應(yīng)變(即彎曲變形程度)的大小， 越大， 變形程度則越小，總變形中的彈性變形所占的比例增大，因而 回彈值大。半徑很大的彎曲件不易成形的原因就在于此。,38,3.5 彎曲件的回彈,3彎曲方式 自由彎曲要比校正彎曲的回彈量大得多，且校正彎曲力越大， 回彈量越小，甚至還可能出現(xiàn)負(fù)回彈。校正彎曲時，板料 受到凸模與凹模的壓縮作用。 4彎曲角 彎曲角越大，彎曲變形區(qū)的長度越大，回彈累積值也越大。 5工件形狀 U 形件的回彈由于兩側(cè)邊受限制而小于V形件。形狀復(fù)雜的彎 曲件若一次彎成，由于各彎曲部分互相牽制而使回彈困難。,39,3.5 彎曲件的回彈,四、減小回彈的措施 生產(chǎn)中可采取如下措施減小回彈： 1改進(jìn)彎曲件局部結(jié)構(gòu) 如在彎曲區(qū)壓制加強(qiáng)筋，以增加彎曲件的剛度和塑性變形程 度：,40,3.5 彎曲件的回彈,2.選用合適材料 在選用板材時，可采用彈性模數(shù)大而屈服極限較低的材料進(jìn)行 彎曲，以減小回彈。 3.在工藝上采取措施 用校正彎曲代替自由彎曲，這是生產(chǎn)上常用的行之有效的彎 曲方法。 對硬材料及有加工硬化的材料，可在彎曲前進(jìn)行退火處理降 低 ，以減小回彈。,41,3.5 彎曲件的回彈,4用補(bǔ)償法 利用回彈規(guī)律來補(bǔ)償回彈是減小或消除回彈最簡單和最有效的 方法根據(jù)回彈趨勢在模具結(jié)構(gòu)上修正彎曲凸?；虬寄９ぷ?部分的形狀及尺寸，從而使工件的回彈量得到補(bǔ)償。 下圖是通過修磨凸模的圓角半徑及頂角來補(bǔ)償回彈的：,42,3.5 彎曲件的回彈,5改變變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài) 采取措施改變彎曲變形區(qū)外側(cè)受拉、內(nèi)側(cè)受壓的應(yīng)力狀 態(tài)，使變形區(qū)內(nèi)、外層的切向應(yīng)力性質(zhì)相同，從而使內(nèi)、外 層的回彈趨勢相反，內(nèi)、外層的回彈相互抵消一部分，從而 減小回彈： 具體措施：,43,3.5 彎曲件的回彈,改變凸模形狀 下圖是把凸模局部(如圓角處)做成凸起形狀，使凸模的力集中 作用在引起回彈的變形區(qū)上，變形區(qū)內(nèi)、外層切向都是受壓， 從而使內(nèi)、外層的回彈趨勢相反：,44,3.5 彎曲件的回彈,縱向加壓彎曲 這種方法也是使變形區(qū)橫斷面內(nèi)、外層都為壓應(yīng)力，內(nèi)、外層的回彈趨勢相反，從而減小回彈量。,45,3.5 彎曲件的回彈,拉彎工藝 使變形區(qū)內(nèi)、外層皆為拉應(yīng)力，內(nèi)、外層的回彈趨勢也相 反，因而可減小回彈量。兩種方法： 拉彎機(jī)拉彎適用于長度和半徑都較大的彎曲件。這類彎 曲件用普通方法彎曲時，由于變形區(qū)大部分處于彈性變形狀態(tài)，致使回彈很大而很難成形。,46,3.5 彎曲件的回彈,模具拉彎 凸、凹模之間的間隙為板料厚度的9598，彎曲時利用 凸模對板料的摩擦力使板料在縱向拉應(yīng)力作用下實(shí)現(xiàn)彎曲:,47,3.6 彎曲模工作部分尺寸的確定,主要指凸模圓角半徑、凹模圓角半徑、凹模深度。對U形件彎 曲模還包括凸、凹模之間的間隙等尺寸。 一.凸模凹模圓角半徑 1.凸模圓角半徑 但應(yīng) 若 ，彎曲時應(yīng)取 ，彎后再經(jīng)整形工序達(dá)到 要求的半徑，整形模的 。 若彎曲系數(shù)較大時，則應(yīng)考慮回彈的影響，凸模圓角應(yīng)根據(jù) 回彈量作相應(yīng)的修正。,48,3.6 彎曲模工作部分尺寸的確定,2.凹模圓角半徑 不宜過小，以免彎曲時擦傷板料表面或出現(xiàn)壓痕，還使 彎曲力增加、模具壽命降低。因此，一般不小于3mm，通常 可根據(jù)板料的厚度選?。?凹模兩邊的 應(yīng)一致，以防止彎曲時板料的橫向偏移。 V形件彎曲凹模的底部圓角半徑取,49,3.6 彎曲模工作部分尺寸的確定,二.凸、凹模間隙 彎V形件時，凸、凹模間隙靠調(diào)節(jié)壓力機(jī)閉合高度實(shí)現(xiàn)， 不必在設(shè)計及制造模具時給出。 彎U形件時，須合理選取凸、凹模間隙：間隙過大，回彈 大，彎曲件尺寸及形狀要求不易保證；間隙過小，彎曲力 增加，模具磨損大、壽命短。 生產(chǎn)中常按材料的機(jī)械性能和厚度選?。?鋼板 單邊間隙 有色金