弯曲模案例2014-丁老师DOC

弯曲模设计与制造项目
1. 项目要求
图1所示支架为一带5孔的四角弯曲件，材料为08F，料厚t=1.5mm，年产量为2万件，要求表面无可见划痕，各孔均不得变形，未注公差等级IT14。

试设计该产品的冲压工艺及弯曲模。

图1 支架
2. 工艺性分析
此冲压件成形包括冲裁、弯曲两类工序，材料为08F，塑性良好，适合冲压加工。

（1）弯曲工艺
【知识链接】4.4.1 弯曲件的工艺性。

弯曲件结构、尺寸简单而对称，相对弯曲半径为1，大于表3-3所列的最小值（r
/t）；
min
弯曲长度尺寸IT14级，为经济精度，故弯曲工艺性较好，但由于对表面质量要求较高，在弯曲方式上应加以注意，另外，要控制好制件的回弹。

（2）冲裁工艺
【知识链接】3.5.1 冲裁件的工艺性；4.4.1 弯曲件的工艺性。

弯曲件展开尺寸大致在110mm×30mm左右，尺寸中等偏小，轮廓尺寸精度IT14级，各孔直径均大于允许的最小冲孔孔径，很适合冲裁。

但4-Φ5孔距弯曲变形区太近，且弯曲后的回弹也会影响孔距尺寸36mm，故应安排在所有弯曲工序之后冲出；各孔的尺寸精度较高，应严格控制冲裁间隙。

据上分析，此托架零件的冲压工艺性良好，适于冲压成形。

3. 冲压工艺方案
【知识链接】4.4.2弯曲件的工序安排；4.5弯曲模典型结构；3.5.3冲裁工艺方案。

初拟该零件的弯曲成形方式得出图2所示的三种形式，图（a）方式为一次弯曲，图（b）方式分先外角、后内角两次弯曲，图（c）所示也是先外角、后内角两次弯曲，但弯曲外角时对内角进行了预弯。

比较起来，图（a）方式不可取，因为弯曲行程较大，工件与凸模台肩、凹模表面的摩擦严重，制件表面质量差，回弹也较大，不能满足项目要求；图（b）、（c）的弯曲方式避免了图（a）的缺陷，均可取。

图2 弯曲方式
冲裁工序的安排，冲4-Φ5mm孔安排在弯曲之后为必然，落料与冲Φ10mm孔两工序组合也自然合理，但考虑冲裁件结构简单，以复合模冲裁为好。

据此，可行的冲压工艺方案有四个，简述如下：
方案一：四副模具，如图3所示。

10）落料、冲孔复合（冲Φ10mm孔）。

20）弯曲（外角弯曲、内角预弯45°）。

30）弯曲（内角弯曲）。

40）冲孔（冲4-Φ5mm孔）。

图3 方案一模具简图
方案二：四副模具。

10）落料、冲孔复合（同方案一）。

20）弯曲（弯两外角）。

如图4（a）所示。

30）弯曲（弯两内角）。

如图4（b）所示。

40）冲孔（同方案一）。

图4 方案二20）、30）工序模具简图
方案三：三副模具。

10）冲孔、切断、弯曲级进冲压（见图5）。

20）弯曲（弯两内角，同方案二）。

30）冲孔（同方案一）。

图5 方案三10）工序模具简图
方案四：一副模具。

所有工序组合，采用多工位级进模连续冲压，图6为其排样图。

图6 方案四多工位级进模冲压排样图
比较以上四套方案，分析如下：
方案四效率最高，但模具结构复杂，制造周期长、成本高，安装、调试、维修困难，适于大批大量生产，与本产品生产批量不合，不予采纳。

方案二的优点是模具结构简单，制造周期短，模具寿命长，弯曲时定位可靠、基准统一，操作也方便。

缺点是需要四副模具，工序较分散，占用设备和人员较多。

方案三与方案二在弯曲工艺上没有区别，只是采用了结构较复杂的级进、复合模，比方案二少用一副模具，但模具制造成本并不更低；由于没有落料搭边，材料利用率稍高，但是，剪裁条料时，料宽精度需严格控制。

对于本项目要求，方案三应不如方案二合理。

方案一与方案二比较，模具数量相同，并且第10）、40）工序的模具结构也完全相同，仅在第20）、30）工序，方案一的模具比方案二的稍复杂，除此，方案一具有方案二所有的优点，并且由于外角弯曲时预弯内角，使得本来四处直角弯曲的两直边均得到校正，制件的回弹比方案二好，且容易控制。

综上分析，考虑本项目质量要求，选择方案一最为合理。

4. 主要工艺计算
（1）工序件尺寸计算
1）第10工序件
先计算弯曲件展开料长度。

【知识链接】4.3.1弯曲件坯料尺寸计算。

由于制件相对弯曲半径为r/t = 1＞0.5，按中性层展开长度计算。

查表4-6，得四个圆角的中性层内移系数为x=0.32，根据图1和式（4-13），可计算展开料长度为：
L ＝i l ∑+i i i (r x t)180
α+π∑ ＝[49－4×1.5－2×1.5＋2×（30－1.5－2×1.5）]
＋[4×（1.5＋0.32×1.5）×3.14×90÷180]
＝91＋12.44
≈103.5mm 。

易得第10工序件平面尺寸如图7所示。

图7 第10工序件
进而确定板材规格、裁剪方案及材料利用率
【知识链接】3.5.2冲裁件的排样。

弯曲坯料形状为103.5mm ×30mm 的矩形，采用直排为必然。

查表3-19，取搭边值为a=2mm ，a1=1.5mm 。

由式（3-28）计算条料宽度为：B ＝103.5＋2×2＝107.5mm 。

排样图如图8所示。

图8 第10工序排样图
材料规格选用1.5m m×900mm×1800mm。

纵向裁剪时，每张板料可裁得条料数900÷107.5＝8（条），余料宽度为40mm。

每件条料可冲零件（1800－1.5）÷31.5=57（件）；
40mm×1800mm的余料可冲制零件（1800－2）÷107.5=16（件）；
每张板料可冲制零件8×57＋16=472（件）。

材料利用率为：
[472×（30×103.5－3.14×102/4－4×3.14×52/4）]／（900×1800）=88.2﹪。

横向剪裁时，每张板料可裁得条料数1800÷107.5＝16（条），余料宽度为80mm。

每件条料可冲零件（900－1.5）÷31.5=28（件）；
80mm×900mm的余料横向可冲两件，共可冲制零件2×（900－2）÷107.5=16（件）；
每张板料可冲制零件16×28＋16=464（件）。

材料利用率为：
[464×（30×103.5－3.14×102/4－4×3.14×52/4）]／（900×1800）=86.7﹪。

由以上计算可见，纵向剪裁的材料利用率高，但大多数零件的弯曲线与材料纤维平行，不过此时，其弯曲半径仍比最小相对弯曲半径（查表4-3）大，故工艺上没有问题，应从经济性考虑，采用纵裁法排样。

2）第20工序件
【知识链接】4.3.1弯曲件坯料尺寸计算。

为使外角弯曲时两个直边得到相同压力的校正，取内角预弯45°（弯曲角135°，弯曲半径R1.5mm），仍按前面的计算方法，根据展开总长度为103.5mm，可求得图9所示工序件的斜边长度为：
L=[103.5－（9＋9）－2×（1.5＋0.32×1.5）×3.14×90÷180
－2×（1.5＋0.32×1.5）×3.14×135÷180－（25－2×1.5）]／2 =24mm。

图9 第20工序件
3）第30、40工序件
根据工艺方案易得，第30工序件如图10所示，第40工序件即为图1产品。

图10 第30工序件
（2）冲压力计算
【知识链接】3.4.1冲压力的计算；4.3.2 弯曲力计算。

1）工序10 （冲孔落料复合）
采用倒装式复合模[图3（a ）]，查附录1得材料抗拉强度为b σ=360MPa ，根据式（3-12）、（3-13）、（3-14）、（3-16）及表3-11的相关系数，可计算冲压力为：
冲裁力：落料b F L t (2302103.5) 1.5360144180(N)144(KN)=⋅⋅σ=⨯+⨯⨯⨯=≈落落
冲孔b F L t 10 1.536016965(N)17(KN)=⋅⋅σ=π⋅⨯⨯=≈孔孔
卸料力： X X F =K F 0.051447.2(KN)=⨯=落料
推件力： T T F =n K F 50.05517 4.7(KN)⋅⋅=⨯⨯=孔
总冲压力： F ∑＝F ＋F X ＋F T =144＋17＋7.2＋4.7≈173（KN ）
2）工序20 （弯曲外角、预弯内角）
采用校正弯曲，忽略压料力，校正面的实际面积为（24＋9）×2×30=1980mm 2。

根据表4-11的单位面积校正力数据（取50MPa ）和式（4-18），计算弯曲力为： F =A q=1980cos 50=70004(N)70(KN)4
π⋅⨯⨯=校 不计内角预弯，自由弯曲力按式（3-16）计算为：
220.60.6 1.330+30 1.5360==12636N =1.5+1.5
b KBt F r t σ⨯⨯⨯⨯=+自（）（）12.6（KN ） 总冲压力为：F ∑＝F 自＋F 校＝82.6（KN ）
3）工序30 （弯曲内角）
按自由弯曲计算，根据式（3-16）、（3-19），得冲压力为： 弯曲力：220.70.7 1.330 1.5360==7371N 1.5+1.5
b KBt F r t σ⨯⨯⨯⨯=+自（） 压料力：F Y ＝（0.3～0.8）F 自=0.6×7371=4422（N ）
总冲压力：F ∑＝F 自＋F Y ＝11793（N ）≈11.8（KN ）
4）工序40 （冲4-Φ5mm 孔）
根据10工序的公式和相关系数，计算得：
冲裁力：b F L t 45 1.536033929(N)34(KN)=⋅⋅σ=⨯π⨯⨯=≈孔孔
卸料力：X X F =K F 0.0534 1.7(KN)=⨯=孔
推件力：T T F =n K F 50.055349.4(KN)⋅⋅=⨯⨯=孔
总冲压力： F ∑＝F ＋F X ＋F T =34＋1.7＋9.4=45.1（KN ）
（3）选择冲压设备
各工序冲压力均较小，工件尺寸也较小，可选用可倾式开式压力机，根据式（3-19）、（4-20）、（4-21），以及附录3的压力机参数，注意压力机行程应大于工件高度两倍的要求，考虑模具大致尺寸及漏料方便，第10工序可选用J23-25压力机，其他工序可选J23-16压力机。

5. 模具设计
此零件生产的四副模具中，两副为冲裁模，两副为弯曲模，这里仅细述第20工序的弯曲模设计，读者可自行完成其他三副模具。

（1）总体结构
【知识链接】4.5.1单工序弯曲模。

单工序弯曲模一般无导向，依靠安装时调整上、下模的位置，因此结构比较简单，总体结构如图11所示。

凹模10定位于下模座的沟槽中，以螺钉12紧固，凸模5以螺钉4紧固于上模座。

压料板8套在凸模5的四周，压料部分高出1mm，保证可靠压料。

工作时，坯料以定位销9和挡料块13定位，上模下行时，压料板中部凸台首先压紧坯料，随后凸模下行将坯料弯曲成形，回程时，压料板靠弹簧复位，手动取出制件。

图11 第20工序弯曲模
1－模柄2－上模座3－防转销钉4、12－内六角螺钉5－凸模6－卸料螺钉7－弹簧
8－压料板9－定位销10－凹模11－下模座 13－挡料板 14－开口螺钉
（2）弹簧规格选择
【知识链接】3.7.3卸料与出件装置；4.3.2 弯曲力计算。

按照前面的计算方法，第20工序若按自由弯曲，根据式（4-15）计算，自由弯曲力为12636（N），根据式（4-19），压料力为0.3×12636=3790（N），拟用6个弹簧，则每个弹簧预压力为3790／6=632（N）=63.2（kg）。

虽然压力不大，但要考虑压料行程，经计算压料行程为18.4mm，故初选中载荷矩形弹簧，规格为外径φ35mm，内径17.5mm，最大压缩量25.6mm，最大负荷245kg，弹性常数为9.57kg/mm，自由高度选80mm。

则弹簧预压缩量为63.2/9.57=6.6mm，总压缩量为6.6＋18.4=25mm＜25.6mm，弹簧选择合适。

（3）模具零件设计
【知识链接】4.6弯曲模工作零件的设计.。

1）凹模与下模座。

虽然凹模为整体结构，但制造及安装、调整的误差，仍可能产生较大侧向力，靠销钉与模座定位不可靠，先采用在模座上加工直槽，单向镶入凹模的方法。

配合面凹模与模座的配合面需配磨，保证极小间隙（＜0.01mm）滑配。

故加工这两个零件时，应保证结合面、配合面的位置精度。

为减少坯料与凹模面的摩擦，凹模两侧比中部低6.5mm，满足外角V型弯曲的可靠校正即可。

凹模和下模座的零件图分别如图12、图13所示。

图12 凹模
图13 下模座
2）凸模与压料板。

由于压料部位必须且只能是坯料中部较小区域，凸模和压料板采用图14和图15所示结构，凸模中部开较深的槽，两外角V型弯曲凸模穿过压料板的两个型孔，弹簧布置在周围，为保证压料可靠，压料板的压料面高出1mm，同时也为挡料块让出空间。

凸模的工作面、压料板的型孔均用线切割加工，可保证坐标精度。

其他零件都比较简单，不一一列出。

图14 凸模
图15 压料板
6. 项目总结
此项目的特点主要在冲压工艺方案的制定。

一般来说，U形件弯曲模的常规结构只能校正一条直边，回弹量不易控制，本项目产品为四角弯曲，由两次U形弯曲组成，批量不大时，一般采用方案二冲压，但此托架产品质量要求较高，采用方案二，回弹较大，若减小间隙，又容易擦伤工件。

而方案一在第一次弯曲时，将四角弯曲（包括内角预弯）转换成了四个V型弯曲，使能对四条斜直边都进行有效校正，提高了制件的精度和质量，并使得下一道工序的内角弯曲采用自由弯曲即可（否则仍需校正弯曲）。

当然，此方案的20工序比方案二的20工序模具要复杂、精密，模具成本要高许多。

在模具结构方面，本项目要点也在20工序，一是压料结构要保证可靠、合理，二是凸、凹模结构尺寸要精确计算。

另外，本例上模座与模柄可设计为一体，用45或Q235钢。

总体结构上也可采用倒装结构，坯料以定位板和导正销定位，托料板（兼压料）的弹性力由模具底部的弹顶器提供，在弹簧选择上较方便，模具尺寸（闭合高度）可减少许多，但定位较麻烦。