冲压工艺与模具设计Stamping Technology and Mould Design 第3章 弯曲工艺与模具设计弯曲将板料、棒料、管料和型材等弯曲成具有一定形状及 角度零件的成形方法。 弯曲成形的应用相当广泛，是板料冲压中常见加工工序之一。 用弯曲方法所加工零件的种类很多，如V形件、U形件以及其他 形状的零件。 v 铰支板弯曲成形 v 电控支架弯曲成形 第3章 弯曲工艺与模具设计2第3章 弯曲工艺与模具设计生产中弯曲成形所用的工具和模具不同，便形成各种不同的弯 曲方法:本章主要介绍板料在压力机上用模具弯曲压弯工艺。3【主要内容】v 弯曲变形机理 v 弯曲件毛坯尺寸的确定 v 最小弯曲半径 v 弯曲力的计算 v 弯曲件的回弹 v 弯曲模工作部分尺寸的确定【重点】v 弯曲变形机理 v 弯曲件的回弹第3章 弯曲工艺与模具设计43.1 弯曲变形机理一、弯曲过程及弯曲变形的特点 1.变形过程 弯曲-变形过程 v 自由弯曲 v 校正弯曲 2.变形特点 网格线实验法在板料 侧壁画上网格线，然后进 行弯曲。通过观察弯曲后 网格线及工件横断面的变 化情况，可以发现其变形 规律与特点。53.1 弯曲变形机理弯曲变形的特点： (1)弯曲变形区主要是在弯曲件的圆角部分 工件分成了直边和圆角两部分，圆角部分是变形区，其网格变成 了扇形，而远离圆角的直边部分网格没有变化，在靠近圆角处的 直边的网格有少许变化。 (2)在圆角变形区内，变形不均匀 在圆角变形区，板料的外层(靠凹模一侧)纵向纤维受拉而伸长， 内层(靠凸模一侧)纵向纤维受压而缩短。由板料的内、外表面至 板料的中心，这种缩短与伸长的程度都将逐渐变小。由于板料材 料的连续性，其间必有一层纤维的长度在弯曲前后保持不变，此 层称为应变中性层，其曲率半径为 。 63.1 弯曲变形机理(3)在圆角变形区内，应力不均匀 在圆角变形区，板料外层切向受拉应力，内层切向受压应力。 由内层过渡到外层，其间必有一层的切向应力为零，此层称为 应力中性层，其曲率半径为 。在弹性弯曲或弯曲变形程度较小时，应变中性层与应力中性层 重合，位于板料的中央，其曲率半径为 。 当弯曲变形程度较大时，应变中性层与应力中性层都从板料的 中央向内区移动，且有 。 (4)相对弯曲半径 较小时，变形区中的板料在变形后将产生 变薄的现象（厚度变小）。 越小，变薄程度越大。 73.1 弯曲变形机理(5)板料相对宽度b/t对变形区的变形有很大影响 弯曲后工件横断面形状如图所示。v 宽板（ ）弯曲时，横断面几乎不变，仍保持原来的矩形； v 窄板（ ）弯曲时，横断面形状产生了变化，由矩形变成了扇形，而且内宽外窄。83.1 弯曲变形机理二、弯曲过程中变形区的应力应变状态 窄板和宽板弯曲变形区的应力应变状态是不同的： 1窄板弯曲时 （1）应变状态 v 切向应变为绝对值最大的主应变，其外层为拉应变，内层为压应变。 v 因板宽方向可自由变形，由体积不变定律可知：宽度方向外层为压应变，内层为拉应变；在径向外层为压应变，内层为拉应变。 93.1 弯曲变形机理（2）应力状态 切向：按最大主应力与主应变同向原理，外层的 为拉应力，内层的 为压应力。 宽度方向：由于材料可自由变形，故内、外层的 。 径向：内、外层的 均为压应力。窄板弯曲时内、外层的应变状态为立体状态，应力状态则为平面状态。103.1 弯曲变形机理2宽板弯曲时 （1）应变状态 v 切向和径向的应变状态与窄板的相同。 v 宽度方向，由于变形阻力较大，弯曲后板的宽度基本不变，即内外层的 均接近于零。 113.1 弯曲变形机理（2）应力状态 v 宽板的切向应力和径向应力与窄板相同。 v 宽度方向上由于材料不能自由变形，外层的收缩及内层的伸长都受到限制，故外层的 为拉应力，内层的 为压应力。宽板弯曲时内、外层的应变状态为平面状态，应力状态则为立体状态。 123.1 弯曲变形机理三、弯曲变形程度 变形区中切向应变的 大小与其在板厚方向 上的位置有关。沿板 厚方向， 按线性规 律变化：133.1 弯曲变形机理当变形不大时，可认为材料不变薄，且中性层仍在板料中间，则板料内表面和外表面的切向应变数值相等，且为最大：以 代入得：上式表明：弯曲件表面上的应变量与相对弯曲半径 大致成反比关系。而外表面的最大拉应变受材料性能(不产生拉裂)的限制。为获良好的弯曲件， 便有一定的极值，故常用相对弯曲半径 来表示弯曲的变形量，即弯曲变形程度。 越 小，表示弯曲变形程度越大。 143.2 弯曲件毛坯尺寸的确定板料弯曲时应变中性层的长度始终是不变的，故可根据弯曲后 应变中性层的长度来确定弯曲件的毛坯长度。 一、应变中性层的位置(圆角部分)弯曲前变形区的体积： 弯曲后的体积： 153.2 弯曲件毛坯尺寸的确定由 解得：将 ， ， 代入可得：-变薄系数；-展宽系数， 时， 。 163.2 弯曲件毛坯尺寸的确定二、弯曲件毛坯长度的计算 1 的弯曲件 按应变中性层展开，求展开长度即可，计算步骤如下： 由弯曲件图分割出变形区（圆角部分） 确定各直边的长度 计算 计算变形区中性层展开长度 计算毛坯总长度 173.2 弯曲件毛坯尺寸的确定2 的弯曲件 与变形区相邻的直边部分也有变薄现象，需按经过修正的公式 进行计算。对于形状复杂、多角及精度要求高的弯曲件，还要 经过试弯修正后才能最后确定合适的毛坯尺寸。183.3 最小弯曲半径一、最小弯曲半径的概念 弯曲变形区外表面的材料在切向产生拉伸变形，其切向应变的 最大值前面已经得出：为保证弯曲件不产生拉裂，需限制弯曲件内表面的圆角半径。 把不产生拉裂破坏时的最小圆角半径称为最小弯曲半径 ， 其值为： 193.3 最小弯曲半径二、影响弯曲系数的因素 1材料的机械性能 影响较大 材料的塑性越好，可采用的弯曲系数越小。生产中常采用提高 材料塑性的方法提高塑性变形能力，以减小弯曲系数，如进行 退火或正火热处理。 2板料的纤维方向弯曲线的方向与纤维组织方向的关系 弯曲线垂直于纤维方向时， 塑性最好，弯曲系数最小。 当弯曲件的弯曲半径较小 时，应使折弯线垂直于板 料的纤维方向： 203.3 最小弯曲半径3弯曲角 弯曲角等于弯曲件圆角部分所对应的圆心角。 板料弯曲时，若靠近圆角附近的直边部分参与弯曲变形，会对 变形区外层的受拉状态起缓解作用，因而有利于减小最小弯曲 半径。 弯曲角越小，直边参与变形的 分散效应越显著，在 时的影响很大，在 后则影响很小： 213.3 最小弯曲半径4板料的表面质量和侧边质量 板料表面有划伤、裂纹或板料侧边(剪切面)有毛刺、裂纹等缺 陷时，弯曲中工件易开裂， 应较大，或采取下述措施减小：清除剪切毛刺、有毛刺的一面朝向凸模、弯曲前退火 处理（去硬化）。 5板料的厚度 弯曲变形区切向应变在厚度方向上按线性规律变化。当板料的 厚度较小时，切向应变变化的梯度大，与最大应变的外表面相 邻近的纤维层，能补充外表面的变形，从而起到阻止表面材料 局部不均匀延伸的作用，所以薄料比厚料可有更小的 。 223.3 最小弯曲半径三、最小弯曲半径的确定 常用经验法 由于影响的因素很多，用前面的公式计算出的数值与实际值差 别很大，因为公式是按单向拉伸的塑性指标确定的数值，而弯 曲中实际许用的要大得多。因此，在实际生产中主要是参照经验数据确定最小弯曲半径。 233.4 弯曲力的计算 板料弯曲时开始是弹性弯曲，然后是变形区内外层纤维首先进 入塑性状态，并逐渐向板厚中心扩展的自由弯曲，最后是凸、 凹模与板料相互接触并压实零件的校正弯曲。各阶段的弯曲力 显然不同，下图表示了各阶段弯曲力与弯曲行程变化关系：弹性阶段的弯曲力较 小，自由弯曲阶段的 弯曲力不随弯曲行程 变化，而校正弯曲的 弯曲力则随行程的推 移而急剧增加。 243.4 弯曲力的计算一、自由弯曲力的计算变形区应力应变状态的简化： v 立体应力状态简化为只有切向应力作用的单向应力状态，切向应力与应变之间的关系与单向拉伸状态下的应力应变关系完全一致。 v 近似地用弹性弯曲理论来处理塑性弯曲问题。253.4 弯曲力的计算距中性层为 处的切向应变为：塑性变形时，应力应变关系 可用指数方程表示，即：则内、外层切向应力为：263.4 弯曲力的计算当给定弯曲半径后，便可求出板料断面上任一点 处的切向 应力及其分布。切向应力所形成的弯矩便可按梁的弯矩求得：若不考虑硬化，则 、 ，便得到无硬化弯曲时的弯 矩： 273.4 弯曲力的计算模具对板料的外弯矩为 ，在无硬化时于是自由弯曲的弯曲力为：由于弯曲力受材料性能、零件形状、弯曲方法、模具结构等多种 因素的影响，很难用理论分析方法进行准确的计算，生产中常按 经验公式进行概略计算。最大自由弯曲力的经验公式：283.4 弯曲力的计算二、校正弯曲力的计算 按下面公式计算三、顶件力或压料力的计算 对于设有顶件装置或压料装置的弯曲模，顶件力或压料力可按 自由弯曲力的3080选取。293.4 弯曲力的计算四、压力机吨位的确定 v 对于有压料的自由弯曲，压力机的压力应为：v 对于校正弯曲，由于校正力是发生在接近压力机下死点的位 置，校正力与自由弯曲力并不重叠，且校正力的数值也比压 料力大得多，因此按校正力选择压力机的压力即可：303.5 弯曲件的回弹一.回弹现象 1.概念 在外力作用下，板料弯曲变形产生的总变形量由塑性变形和弹 性变形两部分组成。当外力去掉后，板料中的塑性变形保留下 来，弹性变形则会完全消失（恢复）。这样，当弯曲件从模具 中取出后，便会发生工件弯曲角和弯曲半径与模具不一致的现 象，这便是弯曲件的回弹（弯曲-回弹）。 危害使弯曲件的形状和尺寸发生变化（与模具不符），从而降低了弯曲件的精度。弯曲件的回弹值要比其他塑性加工方法大，因此回弹是弯曲件 生产中的一个不易解决的特殊问题。 313.5 弯曲件的回弹2.产生原因 回弹是在塑性弯曲后卸载过程中产生的。弯曲后变形区断面上 的切向应力分布如图所示：323.5 弯曲件的回弹当板料从模具中取出时，其弹性变形便要恢复，相当于在加载 弯矩的相反方向上加上一数值相等的弯矩，从而在板料的内外 区产生了与塑性变形应力方向相反的应力。于是板料内的合成 应力即为弯曲件从模具中取出时的残余应力，在该应力作用下 弯曲件产生相应的变形回弹而达到新的平衡状态。 由此可见，弯曲件的回弹是由其内部产生的弹性恢复应力形成 的。在弯曲变形后，只要有残存的弹性变形，回弹便不可避免。 333.5 弯曲件的回弹二、回弹值的确定 回弹的大小可以用弯曲件的曲率变化量和角度变化量来表示：弯曲角回弹量： 曲率回弹量： 时称为正回弹，反之 称为负回弹。 343.5 弯曲件的回弹1.曲率回弹量 加载终了时的总应变为：卸载回弹后的残余应变为：弹性应变为：由 得：回弹后的曲率半径为：353.5 弯曲件的回弹2.弯曲角回弹量 根据弯曲前后中性层长度不变，即 ，得：与 的关系：影响回弹的因素很多，因此，按计算所得出的回弹量制造的 模具，尚需经过多次调试及修磨，才能使回弹量控制在允许 的范围。 363.5 弯曲件的回弹三、影响回弹的因素1材料的力学性能由前面的公式知，回弹量的大小与材料的屈服极限成正比，与弹性模量成反比。（ 抵抗弹变的能力； 变形过程中的弹性成分 ） 2弯曲系数反映了材料切向应变(即弯曲变形程度)的大小， 越大，变形