冲压工艺及模具设计三.docx

第三章弯曲内容简介：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、工艺性分析及工艺方案确定、弯曲模典型结构、弯曲模工作零件设计等.章节内容：3.1 弯曲变形分析3.2 弯曲力的计算3.3 弯曲件坯料展开3.4 弯曲的质量问题及分析3.5 5弯曲件的工艺性1 .6弯曲模工作部分设计学习目的及要求：1了解弯曲变形规律及弯曲件质量影响因素；2 .掌握弯曲工艺计算方法。3 .掌握弯曲工艺性分析及工艺设计方法；4 .认识弯曲模典型结构及特点，掌握弯曲模工作零件设计方法；5 .掌握弯曲工艺及弯曲模设计的方法和步骤。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 .弯曲工艺性分析及工艺方案制定：4弯曲模典型结构及结构设计；5 .弯曲工艺及弯曲模设计的方法和步骤。难点内容：1 .弯曲变形规律及弯曲件质量影响因素；2 .影响回弹的因素及减少回弹的措施；3 .弯曲工艺计算；4 .弯曲模典型结构及弯曲模工作零件设计。主要参考书：1王同海.实用冲压设计技术.北京：机械工业出版社，20002冯炳尧.模具设计及制造简明手册.上海:上海科学技术出版社,2000复习思考题：3-1减少弯曲回弹的措施有哪些？3-2如果弯曲件的相对弯曲半径小于最小相对弯曲半径,压弯时会出现什么质量问题?应采用什么措施加于防止？3-3简述偏移、截面畸变的成因及防止措施。3-4弯曲件的工艺分析通常应包括哪些？3-5计算图3.52弯曲件的坯料展开尺寸？3-6计算图3.53坯料展开尺寸，计算弯曲模的工作部分尺寸并画出示意图？例题及解答：1弯曲工艺及模具设计综合实例电子教材5 .1弯曲变形分析图3.1所示为板料在U形弯模及V形弯模中受力变形的基本情况。凸模对板料在作用点A处施加外力P(U型)或2p(V)型，则在凹模的支承点B处引起反力p,并形成弯曲力矩M=pa,这个弯曲力矩使板料产生弯曲。图3.1.2是V型弯曲件的弯曲过程。弯曲开始时，模具的凸、凹模分别及板料在A、B处相接触，使板料产生弯曲。在弯曲的开始阶段，弯曲圆角半径r很大，弯曲力矩很小，仅引起材料的弹性弯曲变形。随着凸模进入凹模深度的增大，凹模及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1逐渐减小，即ln<13<12<11o同时弯曲圆角半径r亦逐渐减小，即rn<r3<r2<rl,板料的弯曲变形程度进一步加大。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，直至板料及凸、凹模完全贴合。3.1弯曲毛坯受力情况图3.1V形零件弯曲过程3. 1.2弯曲变形的特点为了观察板料弯曲时的金属流动情况，便于分析材料的变形特点,可以采用在弯曲前的板料侧表面用机械刻线或照相腐蚀制作正方形网格的方法。然后用工具观察并测量弯曲前后网格的尺寸和形状变化情况，如图3.2所示。弯曲前，材料侧面线条均为直线，组成大小一致的正方形小格,纵向网格线长度。-弯曲后，通过观察网格形状的变化（图3.2b）可以看出弯曲变形具有以下特点：图3.2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通过对网格的观察，弯曲圆角部分的网格发生了显著的变化，原来正方形网格变成了扇形；而在远离圆角的直边部分，则没有这种变化；在靠近圆角处的直边，有少量的变化，这说明弯曲变形区主要在圆角部分。通过不同角度的弯曲，会发现弯曲圆角半径越小，该变形区的网格变形越大。因此，弯曲变形程度可以用相对弯曲半径来表示（rt）。2 .弯曲变形区的应变中性层比较变形区内弯曲前后相应位置的网格线长度可知，板料的外区（靠凹模一侧），纵向纤维受拉而伸长；内区（靠凸模一侧），纵向纤维受压缩而缩短。内、外区至板料的中心，其缩短和伸长的程度逐渐变小。由于材料的连续性，在伸长和缩短两个变形区域之间，其中必定有一层金属纤维材料的长度在弯曲前后保持不变，这一金属层称为应变中性层（图中。-。层）。应变中性层长度的确定是今后进行弯曲件毛坯展开尺寸计算的重要依据。当弯曲变形程度很小时，应变中性层的位置基本上处于材料厚度的中心，但当弯曲变形程度较大时，可以发现应变中性层向材料内侧移动，变形量愈大，内移量愈大。3 .变形区材料厚度变薄的现象弯曲变形程度较大时，变形区外侧材料受拉伸长，使得厚度方向的材料减薄；变形区内侧材料受压，使得厚度方向的材料增厚。由于应变中性层位置的内移，外侧的减薄区域随之扩大，内侧的增厚区域逐渐缩小，外侧的减薄量大于内侧的增厚量，因此使弯曲变形区的材料厚度变薄。变形程度愈大，变薄现象愈严重。变薄后的厚度t,=nt（n是变薄系数）。4 .变形区横断面的变形板料的相对宽度B/t（B是板料的宽度，t是板料的厚度）对弯曲变形区的材料变形有很大影响。一般将相对宽度B/t>3的板料称为宽板，相对宽度B/t3的称为窄板。窄板弯曲时，宽度方向的变形不受约束。由于弯曲变形区外侧材料受拉引起板料宽度方向收缩，内侧材料受压引起板料宽度方向增厚,其横断面形状变成了外窄内宽的扇形（图3.3a）o变形区横断面形状尺寸发生改变称为畸变。宽板弯曲时，在宽度方向的变形会受到相邻部分材料的制约，材料不易流动，因此其横断面形状变化较小，仅在两端会出现少量变形（图3.3b）,由于相对于宽度尺寸而言数值较小，横断面形状基本保持为矩形。虽然宽板弯曲仅存在少量畸变，但是在某些弯曲件生产场合，如较链加工制造，需要两个宽板弯曲件的配合时，这种畸变也会影响产品的质量。图3.3弯曲变形区横断面的变形3. 2弯曲变形时的应力应变状态对于厚度为t的板材，在弯曲变形的初始阶段，弯曲力矩不大，变形区受最大压应力内层金属和受最大拉应力的外层金属，都没有达到屈服极限，仅产生弹性变形，其应力的分布见图3.5a。当弯矩继续增大，毛坯的曲率半径r变小，变形区内、外层金属首先进入塑性变形状态，然后逐步从内、外层向板厚中心扩展（图3.5b、c）o（a）弹性弯曲；（b）弹-塑性弯曲；（C）塑性弯曲图3.5弯曲毛坯变形区的切向应力分布1.弹性弯曲条件在弹性弯曲时，受拉的外区及受压的内区以中性层为界，中性层正好通过毛坯的中间层，其切向应力应变为零。若弯曲内表面圆角半径为r,中性层的曲率半径为P=r+t/2,弯曲中心角为a,则距中性层y处(图3.1.6)的切向应变E为(3.1.1)切向应力为：(3.1.2)从上式可知，材料的切向应力。和切向应变£的大小只决定于y/p,及弯曲中心角无关。当变形不大,可以认为材料不变薄，且中性层仍在板料中间。板料变形区的内表层和外表层的切向应变及应力值(绝对值)最大，为：(3.L3)(3.1.4)若材料的屈服应力为。s,则弹性弯曲的条件为：即或5)式中相对弯曲半径r/t是弯曲变形程度的重要指标。当r/t减小到一定数值，即r/t=l/2(E/os-1)时，板料内、外表层金属纤维首先屈服，开始塑性变形。图3.1.6板料弯曲半径及弯曲中心角2 .塑性弯曲的应力应变状态当弯曲变形程度较大，rt<5时，板料上另外两个方向的应力应变值较大，不能忽略。变形区的应力和应变状态则为立体塑性弯曲应力应变状态。设板料弯曲变形区主应力和主应变的三个方向为切向(00、£9)、径向(ot、Et)、宽度方向(0、)o根据宽板(B/t>3)和窄板(B/tW3),变形区的应力应变状态归纳见3 .LIs（1）应变状态切向（长度方向）£：弯曲变形区外区金属纤维在切向拉应力的作用下受拉，产生伸长变形；内区金属纤维在切向压应力的作用下受压，产生压缩变形。并且该切向应变为绝对值最大的主应变。径向（厚度方向）Et:根据体积不变条件可知，沿着板料的宽度和厚度方向，必然产生及绝对值最大的主应变Et（切向）符号相反的应变。在板料的外区，切向最大主应变为伸长应变，所以径向应变£t为压缩应变，而内区，切向最大主应变为压缩应变，所以径向方向的应变Et为伸长应变。宽度方向£:根据板料的相对宽度（B/t）不同，可分两种情况，对于窄板（B/t<3）,材料在宽度方向上可自由变形，所以在外区的应变£为压应变，内区的应变£B为拉应变；而宽板（B/t>3）,由于材料沿宽向流动受到阻碍，几乎不能变形，则内、外区在宽度方向的应变E中=O。终上所述，窄板弯曲的应变状态是立体的，宽板弯曲的应变状态是平面的。（2）应力状态切向（长度方向）。：外区材料弯曲时受拉，切向应力为拉应力；内区材料弯曲时受压，切向应力为压应力。切向应力为绝对值最大的主应力。径向（厚度方向）。t：外区材料在板厚方向产生压缩应变Et,因此材料有向曲率中心移近的倾向。越靠近板料外表面的材料，其切向的伸长应变£t越大，所以材料移向曲率中心的倾向也越大。这种不同的移动使纤维之间产生挤压，因而在料厚方向产生了径向压应力Oto同样在材料的内区，料厚方向的伸长应变Et受到外区材料向曲率中心移近的阻碍，也产生了径向压应力。仁该压应力在板表面为零，由表及里逐渐递增，中性层处达到最大。宽度方向。：窄板弯曲时，由于材料在宽度方向可自由变形，故内、外层应力接近于零（0中0）。宽板弯曲时，宽度方向上由于材料不能自由变形,外区宽度方向的收缩受阻,则外区有拉应力。;内区宽度方向的伸长都受到限制，则内区有压应力。存在。所以，窄板弯曲的应力状态是平面的，宽板弯曲的应力状态是立体的。3.2弯曲力的计算弯曲力是设计冲压工艺过程和选择设备的重要依据之一。由于弯曲力受到材料性能、制件形状、弯曲方法、模具结构等多种因素的影响,因此很难用理论分析方法进行准确的计算，一般来讲校正弯曲力比自由弯曲力大。生产实际中常用下列经验公式作概略计算。1 .自由弯曲力V形件U形件F自一冲压行程结束时的自由弯曲力k-安全系数，取1.01.3b-弯曲材料的宽度t弯曲材料的厚度r一弯曲件的内弯曲半径b一材料的强度极限2 .校正弯曲力F校=qAF校一校正弯曲时的弯曲力A一校正部分垂直投影面积q一单位面积上的校正力单位校正力g的近似值(单位：MPa)材料材料厚度/mmW1>1-2>25>5-10铝101515-202O3O3040黄铜1520203030-40406010、15、20铜203030-404060608025、30、35钢3040405050707013.3弯曲件坯料展开3.3.1 弯曲中性层位置前述己知，在弹性弯曲时应变中性层及应力中性层是重合的，且通过毛坯横截面中心。在塑性弯曲中，当变形程度较小时，通常也认为应变中性层及弯曲毛坯截面中心轨迹相重合，即P0=r+t/2。但板料在实际弯曲生产中，冲压件的弯曲变形程度较大，这时应变中性层不及毛坯截面中心层重合，而是向内侧移动，致使应变中性层的曲率半径p<r+O.5to根据弯曲变形前后体积不变的条件，弯曲前变形区的体积是：(3.3.7)弯曲后变形区的体积是：(3.3.8)式中：L-板料变形区弯曲前的长度(mm)；b-板料变形区弯曲前的宽度（mm）:t?-板料变形区弯曲前的厚度（mm）；R一板料弯曲变形区的外圆角半径（mm）；b,-板料变形区弯曲后的宽度（mm）；r?-板料