4.3 弯曲工艺_多工位级进模设计实用手册-QQ阅读男生轻小说网

书名：多工位级进模设计实用手册
作者名：金龙建
本章字数：5551字
更新时间：2020-06-25 16:33:53

4.3 弯曲工艺

级进模弯曲是指弯曲件采用级进模在多个工位上分步弯曲成形的一种冲压方法。在冲压过程中，毛坯始终在带料（条料）上进行，所以在级进模里弯曲除了遵守单工序模弯曲变形规律之外，对于比较复杂形状的弯曲件，需经过多个工位逐渐弯曲变化，有利于成形，并提高弯曲件质量。

4.3.1 弯曲变形分析

1.弯曲变形特点

为了研究弯曲变形的特点，可在板料侧面刻出正方形网格，观察弯曲前后网格及断面形态的变化情况，从而分析出板料的受力情况。从图4-11可以看出：

1）弯曲件圆角部分的正方形网格变成了扇形，而远离圆角的两直边处的网格没有变化，靠近圆角处的直边网格有少量变化。由此说明，弯曲变形区主要在圆角部分，靠近圆角的直边仅有少量变形，远离圆角的直边不产生变形。

2）在弯曲变形区，板料的外层（靠凹模一侧）纵向纤维受拉而变长，内层（靠凸模一侧）纵向纤维受压而缩短。在内层与外层之间存在着纤维既不伸长也不缩短的应变中性层。

图4-11 弯曲前后坐标网格的变化

a）弯曲前 b）弯曲后

3）变形区内板料横截面的变化情况根据板料的宽度不同而有所不同，如图4-12所示。宽板（板宽与板厚之比b/t>3）弯曲时，弯曲前后的横截面几乎不变；窄板（板宽与板厚之比b/t≤3）弯曲时，弯曲后的横截面变成了扇形。

4）在弯曲变形区，板料变形后有厚度变薄现象。相对弯曲半径r/t越小，厚度变薄越严重。

图4-12 板料弯曲后的横截面变化

2.应力应变状态

板料的相对宽度b/t不同，弯曲时的应力应变状态也不一样。在自由弯曲状态下，窄板与宽板的应力应变状态分析如下。

（1）窄板弯曲

1）应变状态。板料弯曲时，主要表现在内、外层纤维的压缩与伸长，切向应变是最大主应变，其外层为拉应变，内层为压应变。

根据金属塑性变形时体积不变规律可知，板料宽度方向应变与厚度方向应变的符号一定与切向应变的符号相反，即在外层，厚度方向、宽度方向均为压应变；在内层，厚度方向、宽度方向均为拉应变。窄板弯曲由于宽度方向的变形不受限制，所以弯曲变形区的横断面产生了畸变。

2）应力状态。切应力为绝对值最大的主应力，外层为拉应力，内层为压应力。在厚度方向，由于弯曲时纤维之间的相互压缩，导致内、外层均为压应力；宽度方向由于材料可以自由变形，不受阻碍，故可以认为内、外层的应力均为零。

由此可见，窄板弯曲时是立体应变状态、平面应力状态。

（2）宽板弯曲

1）应变状态。宽板弯曲时，切向与厚度方向的应变状态与窄板相同。宽度方向由于材料流动受限，几乎不产生变形，故内、外层在宽度方向的应变均为零。

2）应力状态。切向与厚度方向的应力状态也与窄板相同。在宽度方向，由于材料不能自由变形，故内层产生压应力，外层产生拉应力。

由此可见，宽板弯曲时是平面应变状态、立体应力状态。

上述结论可归纳成表4-12。

表4-12 弯曲时的应力应变图

4.3.2 弯曲工艺质量分析

1.弯裂

在弯曲过程中，弯曲件的外层受到拉应力。弯曲半径越小，拉应力越大。当弯曲半径小到一定程度时，弯曲件的外表面将超过材料的最大许可变形程度而出现开裂，形成废品，这种现象称为弯裂。通常将不致使材料弯曲时发生开裂的最小弯曲半径的极限值称为材料的最小弯曲半径，将最小弯曲半径r_min与板料厚度t之比称为最小相对弯曲半径（也称最小弯曲系数）。不同材料在弯曲时都有最小弯曲半径，一般情况下，不应使制件的圆角半径等于最小弯曲半径，应尽量取得大些。

影响最小相对弯曲半径的因素主要有以下几点：

（1）材料的力学性能材料的塑性越好，其外层允许的变形程度就越大，许可的最小相对弯曲半径也越小。

（2）带料（条料）的轧制方向与弯曲线之间的关系多工位级进模的带料（条料）多为冷轧钢板，且呈纤维状组织，在横向、纵向和厚度方向都存在力学性能的异向性。因此，当弯曲线与纤维方向垂直时，材料具有较大的抗拉强度，外缘纤维不易破裂，可用较小的相对弯曲半径；当弯曲线与纤维方向平行时，由于抗拉强度较差，外层纤维容易破裂，故允许的最小相对弯曲半径值就要大些。

（3）弯曲件的宽度与厚度弯曲件的宽度不同，其应力应变状态也不一样。弯曲件越宽，最小弯曲半径值越大。弯曲件的相对宽度b/t较小时，对最小相对弯曲半径r_min/t的影响较为明显，相对宽度b/t>10时，其影响变小。

弯曲件厚度较薄时，可以获得较大的变形和采用较小的最小相对弯曲半径（见图4-13）。

（4）弯曲件角度的影响弯曲件角度较大时，接近弯曲圆角的直边部分也参与变形，从而使弯曲圆角处的变形得到一定程度的减轻。所以弯曲件角度越大，许可的最小相对弯曲半径可以越小。

（5）带料（条料）的表面质量当带料（条料）的表面质量指标差时，易造成应力集中和降低塑性变形的稳定性，使材料过早地破坏。在多工位级进模冲压中，对带料（条料）的表面质量要求较高。

图4-13 板料厚度对最小相对弯曲半径的影响

最小相对弯曲半径与材料的力学性能、表面质量、带料（条料）的轧制方向等因素有关。其数值一般由试验方法确定，表4-13所列为最小弯曲半径。

表4-13 最小弯曲半径

（续）

注：表中所列数据用于弯曲件圆角圆弧所对应的圆心角大于90°、断面质量良好的情况。

2.弯曲回弹

金属材料在塑性弯曲时，总是伴随着弹性变形。当弯曲变形结束、载荷去除后，由于弹性恢复，使制件的弯曲角度和弯曲半径发生变化而与弯曲凸、凹模的形状不一致，这种现象称为回弹。

（1）回弹方式弯曲件的回弹表现为弯曲半径的回弹和弯曲角度的回弹，如图4-14所示。

弯曲半径的回弹值是指弯曲件回弹前后弯曲半径的变化值，即Δr=r₀-r。

弯曲角的回弹值是指弯曲件回弹前后角度的变化值，即Δα=α₀-α。

（2）回弹值的确定由于影响回弹值的因素很多，因此要在理论上计算回弹值是有困难的。模具设计时，通常按试验总结的数据来选用，经试冲后再对弯曲凸、凹模工作部分加以修正。

图4-14 弯曲时的回弹

1）相对弯曲半径较大的制件。当相对弯曲半径较大（r/t>10）时，不仅弯曲件角度回弹大，而且弯曲半径也有较大变化。这时，可按下列公式计算出回弹值，然后在试模中根据制件现状的分析再进行修正。

在多工位级进模中弯曲时：

凸模圆角半径

设，则

弯曲凸模角度

式中 r_凸———凸模的圆角半径（mm）；

r———制件的圆角半径（mm）；

α———弯曲件的角度（°）；

α_凸———弯曲凸模角度（°）；

t———材料厚度（mm）；

E———材料的弹性模量（MPa）；

σ_s———材料的屈服强度（MPa）；

K———简化系数（见表4-14）。

表4-14 简化系数K值

2）相对弯曲半径较小的制件。当相对弯曲半径较小（r/t<5）时，弯曲后，弯曲半径变化不大，可只考虑角度的回弹，其值可查表4-15～表4-17，在试模中进一步进行修正。

表4-15 90°单角弯曲时的回弹角

表4-16 单角90°校正弯曲时的回弹角

表4-17 U形件弯曲时的回弹角Δα

（续）

（3）影响弯曲回弹的因素

1）材料的力学性能。材料的屈服强度σ_s越高，弹性模量E越小，加工硬化越严重，则弯曲的回弹量也越大。若材料的力学性能不稳定，则回弹量也不稳定。

2）相对弯曲半径。相对弯曲半径r/t越小，则变形程度越大，变形区的总切向变形程度增大，塑性变形在总变形中所占的比例增大，而弹性变形所占的比例则相应减小，因而回弹值减小。与此相反，当相对弯曲半径较大时，由于弹性变形在总变形中所占的比例增大，因而回弹值增大。

3）弯曲件的角度。弯曲件的角度越小，表示弯曲变形区域越大，回弹的积累量也越大，故回弹角也越大，但对弯曲半径的回弹影响不大。

4）弯曲校正力的大小。校正弯曲可以增加圆角处的塑性变形程度。随着校正力的增加，切向压应力区向毛坯的外表面不断扩展，致使毛坯的全部或大部分断面均产生切向压应力。这样内、外层材料回弹的方向取得一致，使其回弹量大为减少。因此，校正力越大，回弹值越小。

5）弯曲件凸、凹模间隙。弯曲U形件时，凸、凹模的间隙对回弹值有直接影响。间隙大，材料处于松动状态，回弹就大；间隙小，材料被挤紧，回弹就小。

6）制件形状。U形弯曲件的回弹由于两边互受牵制而小于单角弯曲件。形状复杂的弯曲件，若一次完成，由于各部分相互受牵制和弯曲件表面与弯曲凸、凹模表面之间的摩擦影响，可以改变弯曲件各部分的应力状态，使回弹困难，因而回弹角减小。

（4）减小回弹的措施由于弯曲件在弯曲过程中总是伴随着弹性变形，因此为提高弯曲件的质量，必须采取一些必要的措施来减小或补偿由于回弹所产生的误差，常见减少弯曲回弹的措施如下。

1）合理设计产品。在变形区压制加强筋，以增加弯曲件的刚度（见图4-15）。选材料时，采用弹性模量大、屈服强度较低、硬化指数小、力学性能稳定的材料进行弯曲，均可减小回弹。

2）从模具结构上采取措施。在接近纯弯曲（只受弯矩作用）的条件下，可以根据回弹值的计算结果，对弯曲凸、凹模工作部分的形状与尺寸加以修正。

对于一般材料（Q215钢、Q235钢、10钢、20钢、H62软黄铜），当其回弹角Δα<5°、材料厚度偏差较小时，可在凸模或凹模上做出斜度，并取凸模、凹模的间隙等于（0.9～0.95）t来克服回弹（见图4-16、图4-17）。

图4-15 在弯曲变形区压制加强筋

图4-16 双角弯曲用补偿法克服回弹结构

1—凸模 2—制件 3、5—凹模 4—顶料块

图4-17 单角弯曲用补偿法克服回弹结构

1—凹模 2—制件 3—卸料板 4—弹簧 5—凸模

对于软材料，当厚度大于0.6mm，弯曲圆角半径又不大时，可将凸模做成图4-18、图4-19所示形状，以便对变形区用校正法来克服回弹。

图4-18 单角弯曲用校正法克服回弹结构

a）凸模形状 b）在模具中弯曲形状 1—凸模 2—制件 3—凹模

图4-19 双角弯曲用校正法克服回弹结构

a）凸模形状 b）在模具中弯曲形状 1—凸模2—制件 3、5—凹模 4—顶料块

利用弯曲件不同部位回弹方向相反的特点，使相反方向的回弹变形相互补偿，如U形件弯曲，将凸模、顶料块做成弧形面（见图4-20），弯曲后，利用底部产生的回弹来补偿两个圆角处的回弹。

图4-20 U形弯曲件回弹补偿法

4.3.3 弯曲件展开尺寸计算

弯曲件展开长度是根据应变中性层弯曲前后长度不变，以及变形区在弯曲前后体积不变的原则来计算的。

1.应变中性层位置的确定

弯曲过程中，当弯曲变形程度较小时，应变中性层与毛坯[在带料（条料）上已冲切所要弯曲部分外轮廓的工序件]断面的中心层重合，但是当弯曲变形程度较大时，变形区为立体应力应变状态。因此，在弯曲过程中，应变中性层由弯曲开始与中心层重合，逐渐向曲率中心移动。同时，由于变形区厚度变薄，致使应变中性层的曲率半径ρ_ε<r+t/2。此种情况的应变中性层位置可以根据变形前后体积不变的原则来确定，如图4-21所示。

图4-21 应变中性层位置的确定

弯曲前变形区的体积按下式计算：

弯曲后变形区的体积按下式计算：

因为V₀=V，且应变中性层弯曲前后长度不变，即L=αρ_ε，可以从式（4-21）和式（4-22）得

将代入上式，经整理后得

式中 L———毛坯弯曲部分原长（mm）；

α———弯曲件圆角的圆弧所对的圆心角（°）；

b、b′———分别为毛坯弯曲前、后的平均宽度（mm）；

β———变宽系数，β=b′/b，当b/t>3时，β=1；

η———材料变薄系数，η=t′/t，t′为弯曲后变形区的厚度（mm）。

在实际生产中，为了计算方便，一般用经验公式确定中性层的曲率半径，即

式中 x———与变形有关的中性层系数，其值见表4-18。

表4-18 中性层系数x的值

2.弯曲件展开长度计算

弯曲件展开长度应根据不同情况进行计算。

（1）r>0.5t的弯曲件这类制件弯曲后变薄不严重且断面畸变较轻，可以按应变中性层长度等于毛坯长度的原则来计算。如图4-22所示，毛坯总长度应等于弯曲件直线部分长度和弯曲部分应变中性层长度之和，即

式中 L———弯曲件毛坯长度（mm）；

l_i———直线部分各段长度（mm）；

x_i———弯曲各部分中性层系数；

α_i———弯曲件圆角圆弧所对应的圆心角（°）；

r_i———弯曲件各弯曲部分的内圆角半径（mm）。

图4-22 r>0.5t的弯曲件

除以上介绍外，r>0.5t弯曲件还可以参考表4-19所列的几种弯曲件展开尺寸计算。

（2）r<0.5t的弯曲件对于r<0.5t的弯曲件，由于弯曲变形时不仅制件的圆角变形区严重变薄，而且与其相邻的直边部分也变薄，故应按变形前后体积不变的条件确定毛坯长度。通常采用表4-20所列经验公式计算。

表4-19 r>0.5t时弯曲件展开尺寸计算公式

表4-20 r<0.5t的弯曲件毛坯长度计算

（续）

（3）无圆角半径的弯曲件展开长度计算无圆角半径的弯曲件如图4-23所示。弯曲角半径r<0.3t或r=0时，弯曲处材料变薄严重，展开尺寸是根据毛坯与制件体积相等的原则，并考虑在弯曲处材料变薄修正计算得到的。

图4-23 无圆角半径的弯曲件

a）单角零件 b）双角零件 c）多角零件

故毛坯总长度等于各平直部分长度与弯曲角部分之和，即

式中 l₁、l₂、…、l_n———平直部分的直线段长度；

n———弯角数目；

K———系数，r=0.05t时，K=0.38～0.40，r=0.1t时，K=0.45～0.48，其中小数值用于t<1mm时，大数值用于t=3～4mm时，系数K也可按下面方法选用：单角弯曲时，K=0.5，多角弯曲时，K=0.25，塑性较大的材料，K=0.125。

（4）大圆角半径弯曲件展开尺寸计算当r≥8t时，中性层系数接近为0.5，对于用往复曲线连接的曲线性件、弹性件等展开尺寸，可按材料厚度中心层尺寸计算，见表4-21。

表4-21 不同弯曲形状展开尺寸计算公式

（5）卷圆形零件展开长度计算卷圆形零件展开长度可按表4-22计算。

表4-22 卷圆形零件展开长度计算公式

（续）

注：1.式中R为弯曲中性层半径，R=r+Kt，K值见表4-23。

2.L₁、L₂、L₃按材料中心层尺寸计算，相对圆心角由零件图尺寸确定。

表4-23 卷圆件弯曲中性层系数K值

对于形状比较简单、尺寸精度要求不高的弯曲件，可直接采用上面介绍的方法计算展开长度。而对于形状比较复杂或精度要求高的弯曲件，在利用上述公式初步计算展开长度后，还需反复试验不断修正，才能最后确定毛坯的展开尺寸。

4.3.4 弯曲件工作部分尺寸设计

弯曲件工作部分尺寸主要包括凸模、凹模的圆角半径，凹模的工作深度，凸、凹模之间的间隙，凸、凹模宽度尺寸与制造公差等。

1.弯曲凸、凹模的圆角半径及凹模的工作深度

多工位级进模弯曲件工作部分的结构尺寸如图4-24所示。

图4-24 弯曲件工作部分结构尺寸

a）V形弯曲件 b）、c）U形弯曲件

（1）凸模圆角半径弯曲件的相对弯曲半径r/t较小时，凸模的圆角半径应等于弯曲件内侧的圆角半径，但不能小于材料允许的最小弯曲半径。若r/t小于最小相对弯曲半径，弯曲时应取凸模的圆角半径大于最小弯曲半径，然后利用整形工序使制件达到所需的弯曲半径。

弯曲件的相对弯曲半径r/t较大时，则必须考虑回弹，可用修正凸模圆角半径的方法。

（2）凹模圆角半径凹模圆角半径的大小对弯曲力和制件质量均有影响。凹模的圆角半径过小，弯曲时坯料进入凹模的阻力增大，制件表面容易产生擦伤甚至出现压痕。

生产中，凹模的圆角半径可根据板料的厚度t来选取：t<2mm时，r_凹=（3～6）t；t=2～4mm时，r_凹=（2～3）t；t>4mm时，r_凹=2t。

在多工位级进模中，对于V形件的弯曲凹模，其底部可开退刀槽或取圆角半径r_凹=（0.6～0.8）（r_凸+t）。

（3）凹模工作部分深度凹模工作部分深度要适当。若深度过小，则制件两端的自由部分较长，弯曲件回弹大，不平直；若深度过大，则浪费模具材料，而且压力机需要较大的行程。

多工位级进模中V形弯曲时，凹模深度及底部最小厚度可查表4-24。

表4-24 V形弯曲件的凹模深度L₀及底部最小厚度h （单位：mm）

U形弯曲时，若弯边高度不大，或要求两边平直，则凹模深度应大于弯曲件的高度，如图4-24b所示，图中m值见表4-25。如果弯曲件边长较长，而对平直度要求不高时，可采用图4-24c所示的凹模形式。凹模工作部分深度L₀见表4-26。

表4-25 U形弯曲件凹模的m值（单位：mm）

表4-26 U形弯曲件的凹模深度L₀ （单位：mm）

2.弯曲凸模和凹模之间的间隙

在多工位级进模中，V形弯曲件凸模和凹模之间的间隙可以通过调节压力机的闭合高度来控制。而对于U形弯曲件，凸模和凹模之间的间隙值对弯曲件的回弹、表面质量和弯曲力均有很大影响。间隙值过小，需要的弯曲力大，而且会使制件的边部壁厚减薄，同时会降低凹模的使用寿命；间隙值过大，弯曲件的回弹增加，制件的精度难以保证。凸模和凹模之间的单边间隙值一般可按下式计算，即