钣金与成型第3章弯曲ppt课件.ppt

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1、第 3 章 弯 曲,航空航天工程学部,主讲：贺平,内容简介：弯曲是冲压基本工序。本章在分析弯曲变形过程及弯曲件质量影响因素的基础上，介绍弯曲工艺计算、工艺方案制定和弯曲模设计。涉及弯曲变形过程分析、弯曲半径及最小弯曲半径影响因素、弯曲卸载后的回弹及影响因素、减少回弹的措施、坯料尺寸计算、工艺性分析与工艺方案确定。,重点内容：1.弯曲变形规律及弯曲件质量影响因素；2.弯曲工艺计算方法；3.弯曲工艺性分析与工艺方案制定。难点内容：1弯曲变形规律及弯曲件质量影响因素；2影响回弹的因素与减少回弹的措施 ；3弯曲工艺计算。,弯曲概念： 将板料（平直的坯料）、棒料、管料或型材等弯成具有一定形状和角度零件的

2、成形方法称为弯曲。 弯曲件的形状可分为V型、L型、U型、Z型、型、型等。 （图3-1）,板料弯曲类型,V、L、U型等件 O型等圈圆型等件型材拉弯等件,板料弯曲成形的典型方法,在压力机上用模具弯曲成形,在专用弯曲机上的折弯或滚（辊）弯,3.1 板料的弯曲现象及其原因,弯曲件的弹性回弹中性层位置的內移弯曲变形区板料厚度的变薄弯曲后板料长度的增加板料横截面的畸变、翘曲和表面拉裂,V形弯曲.swf,一、弯曲件的弹性回弹 V形件的弯曲变形过程,V形弯曲板材受力情况,弯曲过程,板料弯曲变形分析,应变中性层就是受拉与受压的分层界线，其切向应变为零。 应变中性层并不与板厚的几何中心层相重合，而向曲率中心方向移

3、动，并随着相对弯曲半径的减小，移动的距离将增大 。,弯曲前后坐标网格的变化,实际上：弹性与塑性是相伴、中心弹性层必然存在； 相对弯曲半径、材料性质、模具结构等会影响回弹。,弯曲变形区的切向应力状态-,）弹性弯曲）弹塑性弯曲）纯塑性弯曲(r/t35)坯料弯曲变形区内切向应为的分布,二、中性层位置的內移,、应变中性层 板料弯曲时，外层纤维受拉，内层纤维受压，在拉伸与压缩之间存在着一个既不伸长、也不压缩的纤维层，称为应变中性层。、应力中性层 板料弯曲时，毛坯截面上的应力，在外层的拉应力过渡到内层压应力时，发生突然变化的或应力不连续的纤维层，称为应力中性层。,当板料处于弹性状态时： 应力中性层与应变中

4、性层相重合，且通过板料截面中心。当材料处于塑性状态时： 应变中性层内移，其位置可以由体积不变条件来确定；应力中性层也内移；应力中性层内移量比应变中性层内移量大。,从公式中可见应变中性层位置与r/t、变薄系数值有关。,其中是变薄系数可求出应变中性层位置,应变中性层确定：,变薄系数,说明：（）实验表明当r/t时，系数，表明材料减薄。（）相对弯曲半径 r/t 越小，应变中性层内移越明显。（）应变中性层处的位置是先受压后受拉。,由应变中性层内移可知，应变中性层处的纤维在弯曲前期的变形是切向压缩，而弯曲后期必然是伸长变形，才能补偿弯曲前期的纤维缩短，使其切向应变为零。而弯曲后期的纤维伸长变形，一般来说，

5、仅发生在应力中性层的外层纤维上。由此可见，应力中性层在塑性弯曲时也是从板料中间向内层移动的，且内移量比应变中性层还大。,板料弯曲时，以中性层为界，外层纤维受拉使厚度减薄，内层纤维受压使板料增厚。当r/t 的塑性弯曲时，中性层位置向内移动。 结果：外层拉伸变薄区范围逐步扩大，内层压缩增厚区范围不断减小，外层的减薄量会大于内层增厚量，从而使弯曲区板料厚度变薄。 弯曲时的厚度变薄会影响零件的质量。应采取措施防止厚度减薄。,三、变形区板料厚度变薄,四、弯曲后板料长度增加,一般弯曲件，宽度方向尺寸比厚度方向尺寸大得多，所以弯曲前后的板料宽度可近似地认为是不变的。但是，由于板料弯曲时中性层位置的向内移动，

6、出现了板厚的减薄，根据体积不变条件，减薄的结果使板料长度必然增加。 相对弯曲半径愈小，减薄量愈大，板料长度的增加量也愈大。,五、板料横截面的畸变、翘曲和拉裂,弯曲后的翘曲,1)翘曲,在宽板的端部出现翘曲与不平,2)畸变,截面变为梯形,内外层发生翘曲(窄板),型材、管材弯曲后的剖面畸变,变形程度过大时，外层出现拉裂。,3)拉裂,3.2窄板弯曲和宽板弯曲的应力应变状态,3.3 宽板弯曲时的应力和弯矩的计算 (有二种方法) 绝大多数情况下板料弯曲是宽板弯曲(b/t3),一、 近似简化计算（将变形区的立体应力状态近似地简化 为只有切向应力作用的单向应力状态）,三个假设（当变形程度较大时,这种方法的计算

7、结果误差较大）： 1、弯曲后，变形区横截面（垂直于纤维的面）仍保持平面； 2、弯曲前后板料的厚度和宽度不变，应力中性层位置仍在板料中间； 3、内、外层的切向应力和切向应变关系与单向拉伸状态下的应力应变关系完全一致。,距离中性层y处的应变，则内、外层切向应力及由其形成的弯矩为：,其中：n为材料加工硬化指数 K为材料硬化系数 参见书中表3-2所示。 若材料，Ks时 (无硬化) ： 若材料1，KE 时 (弹性弯曲) :,二、 平面应变状态计算变形区的应力与弯矩,三个假设： 1、塑性弯曲后，弯曲区的横截面仍保持平面； 、板料宽度方向的变形忽略不计，变形区为平面 应变状态。即： 、弯曲变形区的等效应力与

8、等效应变之间的关系 与单向拉伸时应力应变关系完全一致。,求解步骤： 、由平面应变状态和塑性变形前后体积不变条件求径 向应变 与切向应变 ，有： 2、 由塑性原理知，平面应变条件下，有： 3、 根据Mises准则,可以求出等效应力与等效应变如下 式:,根据等效应力与等效应变满足幂函数式准则有,利用边界条件可以分别求得变形区外层与内层的径向、切向、宽向三个方向的主应力分布情况。 参见书中3-22，23，24，25，26，27表达式，这些是考虑了硬化现象的应力变化规律。,1、塑性条件： 外区： 内区：,假设材料为理想刚塑性，求解变形区（内区、外区）三个主应力。,2、平面应变条件 外区： 内区：,3、

9、微分平衡方程 外区：内区：,由边界条件：,解得外区应力分布：,解得内区应力分布：,将应力中性层以及板料K及值代入应力表达式可得任意时刻的各向应力分布情况，如下图所示。,在应力中性层，处于内层与外层径向应力互相平衡，,由切向应力形成的,3.4 弯曲力计算和设备选择,变形过程中弯曲力是变化的，测量结果表明分三个阶段。,-弯曲力计算是工艺制定及设备选择的重要依据。,-弹性 2-自由弯曲 3-校正弯曲,一、自由弯曲力,以凹模斜面交点为直角坐标系原点，其任意点的外力弯矩为，受凹模平行与垂直于凸模方向的各分力共作用。,通过对V型件的理论分析,弯曲力与模具尺寸、板料厚度、材质、宽度等有关。此外还与弯曲形式有

10、关，实践中通常采用经验公式或者对理论公式进行必要的修正。,二、校正弯曲力,校正弯曲是在弯曲成形后，继续对零件进行增压，从而减少回弹、提高质量。 校其中：校正部分的投影面积； 单位校正力，查冲压手册,三、冲压设备选择压力机额定压力的确定 （仅从受力角度选）,计算的弯曲力限制在压力机额定压力的75%-80%，并据此去确定机械压力机的额定压力。 校形弯曲时，最大弯曲力总是在凸模处于下止点时出现。 选择压力机时，要使其额定压力有足够的富余,对于自由弯曲：压机（1.21.3）（自弯P） 其中 有压料或推件装置的压力 P=（0.3 0.8）自弯对于校正弯曲：压机 （1.21.3）校正 通常压力选择都远大于

11、实际弯曲压力的需要。,3.5 弯曲件毛坯（展开）长度计算,众所周知：弯曲变形中其应变中性层的长度不变，这是弯曲件展开尺寸计算的基础。 书中介绍了各种弯曲件毛料尺寸的计算公式，有的尺寸标注在零件外侧、有的标注在内侧，有的一处弯曲变形、也有的多处弯曲变形。但是无论是那一种形式，计算中都涉及中性层内移、变形程度、弯曲半径等许多因素，通常各种冲压手册根据需要制出了许多表格供使用者查阅。,例 计算图示弯曲件的坯料展开长度。,3.6 最小相对弯曲rmin/t半径的确定,在弯曲件外边缘处切向拉应力与拉应变最大,当拉应力超过材料许可极限时将发生破裂。此时变形程度最大,防止材料拉裂的rmin/t称为最小相对弯曲

12、半径。,一、最小相对弯曲半径的理论计算,实践结果证实弯曲时max比单向拉伸时的延伸率大多,说明它还受其它因素影响。,材料的力学性能(如延伸率、断面收缩率）板料的纤维方向弯曲角的大小板料的厚度板料的表面质量与端面质量,二、最小相对弯曲半径的影响因素,板材纤维方向性对弯曲的影响,原因：轧制的影响，板料成形中各向异性不可避免。,弯曲角的影响,原因：直边部分参与了变形。,厚度的影响,原因：厚度越大同样弯曲半径其变形程度越大。,表面与端面质量差，如划伤、裂纹、毛刺、冷作硬化等都会影响最小相对弯曲半径。,目前主要依靠经验法来确定，查冷压手册。,三、最小相对弯曲半径的确定,四、防止弯裂的措施,选料无缺陷、有

13、缺陷要爱弯曲前处理；尽可能使弯曲半径大于rmin，否则需要二次成形；选择弯曲线与纤维方向相垂直；使弯曲件坯料有毛刺侧放在弯曲内区。,.7 弯曲回弹 弯曲回弹的表现形式有两个方面：,曲率减小,弯曲中心角减小,一、 回弹量的确定1、理论计算,以V形弯曲件为例，用曲率变化量、角度变化量表达回弹量大小。 回弹相当于一个假想弯矩作用的结果。,其中：为板料的惯性矩。 计算出卸载后的应力变化规律如右图示：,理论计算与实际上仍存在较大差异，在生产中要重视实际修正。这也正是因为回弹是多因素影响的结果。,2、回弹量的实际确定,校正弯曲时的回弹值 校正弯曲的回弹可用试验所得的公式计算，公式见表3.3.2，符号如图3

14、.3.7所示。,二、 影响弯曲件回弹量的因素 影响回弹量的主要因素是弯曲间隙值。 影响弯曲件回弹的其他因素有： 材料性能、变形程度、弯曲件形状、弯曲角、 模具结构与成形工艺等。,屈服极限s、K弹性模量、,1、材料性能：,弯曲回弹、,1、3退火软钢2-软锰黄铜4-经冷变形硬化的软钢材料的力学性能对回弹值的影响,材料的屈服点s越高，弹性模量E越小，弯曲弹性回跳越大。这一点从图曲线上很容易理解，a)图所示的两种材料的屈服极限基本相同，但E。在弯曲变形程度相等的情况下，卸载后的两种材料的回弹量却不一样(2 1)。b)图所示的两种材料的弹性模数基本相同（E=E），而屈服极限不同（ 4 3），在弯曲变形程

15、度相同的条件下，卸载后的回弹量则不同，经冷作硬化而屈服极限较高的软钢的回弹大于屈服极限较低的退火软钢。,2、变形程度 变形程度大，回弹小，即小，则回弹小。,3、弯曲中心角 弯曲角愈大，相同弯曲半径的成形中参与变形的材料愈多，弹性回弹量愈大。4、模具结构、成形工艺 压料、校形、凸凹模间隙等都会影响回弹及弯曲件的质量。板料弯曲方式有自由弯曲和校正弯曲。在无底的凹模中自由弯曲时，回弹大；在有底的凹模内作校正弯曲时，回弹值小。原因是：校正弯曲力较大，可改变弯曲件变形区的应力状态，增加圆角处的塑性变形程度。,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，各部分的回弹值相互牵制以及弯曲件表

16、面与模具表面之间的摩擦影响，改变了弯曲件各部分的应力状态（一般可以增大弯曲变形区的拉应力），使回弹困难，因而回弹角减小。 如形件的回弹值比U形件小，U形件又比V形件小。,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。,间隙对回弹的影响,7、非变形区的影响 变形区和非变形区是相对的，非变形区并非一点也不变形，即然有变形，多少要产生与变形区相反的回弹。在对V形件(rt0.20.3)进行校正弯曲时，由于对非变形区的直边部分有校直作用，所以弯曲后直边区的回弹和圆角区回弹方向是相反的。最终零件表现得的回弹是二者的叠加，则角度回弹量可能为正、零或负值。当直边

17、的回弹大于圆角的回弹，此时就会出现负回弹，弯曲件的角度反而小于弯曲凸模的角度。,三、减少回弹的措施,从弯曲件结构设计 1、在易产生回弹部位设置加强筋； 2、设计的弯曲件r/t在1-2范围内，避免变形程度过小； 3、,从成形工艺1、采用校正弯曲代替自由弯曲。 2、对冷作硬化的材料须先退火，使其屈服点降低。对回弹较大的材料，必要时可采用加热弯曲。 3、弯曲相对弯曲半径很大的弯曲件时，由于变形程度很小，变形区横截面大部分或全部处于弹性变形状态，回弹很大，甚至根本无法成形，这时可采用拉弯工艺。,拉弯用模具,拉弯时断面内切向应变的分析,拉弯特点是在弯曲之前先使坯料承受一定的拉伸应力，其数值使坯料截面内的

18、应力稍大于材料的屈服强度。随后在拉力作用的同时进行弯曲。上图所示为工件在拉弯曲中沿截面高度的应变分布。图a为拉伸时的应变；图b为普通弯曲时的应变；图c为拉弯总的合成应变；图d为卸载时的应变；图e为最后永久变形。从图d可看出，拉弯卸载时坯料内、外区弹复方向一致，故大大减小工件的回弹。所以拉弯主要用于长度和曲率半径都比较大的零件。,一般小型弯曲件可采用在毛坯直边部分加压边力限制非变形区材料的流动以增加变形区的拉应变。,压边力拉弯示意图,从模具结构上采取措施 1、对于较硬材料（如45、50、Q275和H 62（硬）等），可根据回弹值对模具工作部分的形状和尺寸进行修正。,2、对于软材料（如Q215、Q

19、235、10、20和H62（软）等），其回弹角小于5时，可在模具上作出补偿角并取较小的凸、凹模间隙。,3）对于厚度在0.8mm以上的软材料，相对弯曲半径又不大时，可把凸模做成图a、b所示结构，使凸模的作用力集中在变形区，以改变应力状态达到减小回弹的目的，但易产生压痕。也可采用凸模角减小25的方法来减小接触面积，减小回弹使压痕减轻（图c）。还可将凹模角度减小2，以此减小回弹，又能减小弯曲件纵向翘曲度（图d）。,4） 对于U形件弯曲，减小回弹常用的方法还有：当相对弯曲半径较小时可采取增加背压的方法（前图b）；当相对弯曲半径较大时，可采取将凸模端面和顶板表面作成一定曲率的弧形（下图a）。这两种方法的

20、实质都是使底部产生的负回弹和角部产生的正回弹互相补偿。另一种克服回弹的有效方法是采用摆动式凹模，而凸模侧壁应有补偿回弹角（图b），当材料厚度负偏差较大时，可设计成凸、凹模间隙可调的弯曲模（图c）。,5）在弯曲件直边端部纵向加压，使弯曲变形的内、外区都成为压应力而减少回弹，可得到精确的弯边高度。,6）用橡胶或聚氨酯代替刚性金属凹模能减小回弹。通过调节凸模压入橡胶或聚氨酯凹模的深度，控制弯曲力的大小，以获得满足精度要求的弯曲件。,一、弯曲件设计,.8弯曲件设计及弯曲模具工作部分尺寸计算,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

21、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。,弯曲件的结构，应具有良好的弯曲工艺性，这样可简化工艺过程，提高弯曲件尺寸精度。弯曲件的结构工艺性分析是根据弯曲过程的变形规律，并总结弯曲件实际生产经验提出的。 通常结构上主要考虑如下几个方面：,1.弯曲件的弯曲半径 弯曲件的弯曲半径不宜过大和过小。过大因受回弹的影响，弯曲件的精度不易保证；过小时会产生拉裂，弯曲半径应大于许可最小相对弯曲半径。否则应选用多次弯曲，并在两次弯曲之间增加中间退火工序。对厚度较厚的弯曲件可在弯曲角内侧开槽后再进行弯曲。,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

22、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(左图)，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(右图)。,弯曲件形状对弯曲过程的影响,弯曲件边缘缺口对弯曲过程的影响,偏移： 坏料在弯曲过程中沿制件的长度方向产生移动，使制件两边的高度不符合图样要求的现象称为偏移。产生原因如下图所示：,偏移解决措施：（1）采用压料装置；,（2）设计合理的定位板（外形定位）或定位销（内形定位）；,不对称弯

23、曲件弯曲.swf,若。,3、弯曲件的直边高度,4、弯曲件孔边距离,当弯曲带孔的件时，孔离变形区太近会发生变形。 当mm时,t 当mm时,2t,若是不能满足上述条件，可以在弯曲后冲孔,也可弯曲前冲工艺孔来缓解上述问题，吸收弯曲变形应力与应变。,防止孔变形的措施,防止弯曲边交接处应力集中的措施a)冲裁卸荷孔 b)切槽 c)将弯曲线位移一段距离,5、设置工艺孔、槽或缺口,为防止弯曲撕裂，将弯曲线移动离开应力集中外。 a) 使 b) 使 b t;h=t+r+b/2 c) 使 d t,6、定位工艺孔、对称园角的设置,对于多次弯曲的零件，有时为了保证弯曲过程中不跑偏，常常在零件上设置工艺定位。,对于图中这

24、样的对称件，如无工艺孔时，则对称处的圆角半径值应一致，否则难以保证弯曲时毛料跑偏。,7、弯曲尖角形件的方法,8、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。,尺寸的标注对弯曲工艺的影响,弯曲工序安排： 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

25、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）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。（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。,成对弯曲,级进模弯曲成形,一次弯曲成形图例,两次弯曲成形图例,三次弯曲成形图例,多次弯曲成形图例,1、凸模圆角半径 、当r/t较小时，凸模圆角半径可取弯曲件的内弯曲半径，不小 于允许的最小弯曲半径。 、当r/t小于最小相对弯曲半径，应先弯

26、成较大的圆角半径，再 采用整形工序达到要求的圆角半径。 、当弯曲件的相对弯曲半径r/t较大且精度要求较高时，凸模圆 角半径应根据回弹值进行修正。 注 ：凸模园角半径应等于弯曲件内侧圆角半径。,二、弯曲模工作部分尺寸,-凸、凹模圆角半径、凹模深度、模具间隙、制造公差,2、凹模圆角半径 要求：凹模圆角半径不能过小，避免增加弯曲力，擦伤工件表 面，对称压弯时两边凹模圆角半径应一致，否则毛坯会 发生偏移。 选取原则：当 4mm ，r凹=2t。 模具圆角需要不断修正,注意圆角小修大容易,反之不易。,、V形件：不取间隙、U形件选取原则：间隙值应稍大于板料厚度 间隙过大：U形件两直边不平行，上宽下窄，降 低

27、工件尺寸精度。 间隙过小：弯曲力加大，直壁变薄，易擦伤工件 表面，加速凹模磨损，降低模具使用 寿命。 黑色金属：单边间隙 =(1.05-1.15 )t 有色金属：单边间隙=(1-1.1 )t,3、凸模与凹模的间隙,4、凸、凹模宽向尺寸,一般原则：、当工件标注外形尺寸时，应以 凹模为基准件，先确定凹模尺寸， 间隙取在凸模上。,其中:-弯曲件公差 b-弯曲件基本尺寸 p、d模制度公差按IT-IT,凹模尺寸：凸模尺寸：,、当工件标注内内形尺寸时，应以凸模为基准，间 隙取在凹模上，并采取配作法制模。,凸模尺寸：凹模尺寸：,5、凹模深度 V形、U形件弯曲时，不需全部直边进入 凹模内，直边长度较小且尺寸精度要求较高 时，才采用直边全部进入凹模内的结构。 凹模深度查相关表格。,