冲压模具设计与制造弯曲模

a)模具压弯 b)折弯 c)滚弯 d)拉弯
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图 3.1.2弯曲件的弯曲方法
1－下模板 2、5－圆柱销 3－弯曲凹模 4－弯曲凸模 6－模柄 7－顶杆 8、9－螺钉 10－定位板 图 3.1.3Ｖ形件弯曲模
V形弯曲是最基本的弯曲变形，任何复杂弯曲都可看成是由多个 V形弯曲组成。所以我们以 V形弯曲为代表分析弯曲变形过程。
弯曲回弹的表现形式有两个方面（图 3.3.1）：
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１．曲率减小
图 3.3.1 弯曲后的回弹
２．弯曲中心角减小
1、3－退火软钢 2-软锰黄铜 4-经冷变形硬化的软钢 图 3.3.2 材料的力学性能对回弹值的影响
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３．弯曲中心角 a a越大，变形区的长度越长，回弹积累值也越大，故回弹角 越大。 ４．弯曲方式及弯曲模 在无底凹模内作自由弯曲时（图 3.3.4），回弹最大。在有底凹模内作校正弯曲时（图 3.1.3）， 回弹较小。其原因之一是：从坯料直边部分的回弹来看，由于凹模 V形面对坯料限制作用，当 坯料与凸模三点接触后，随凸模的继续下压，坯料的直边部分则向与以前相反的方向变形，弯 曲终了时可以使产生了一定曲率的直边重新压平并与凸模完全贴合。卸载后弯曲件直边部分的 回弹方向是朝向 V形闭合方向（负回弹）。而圆角部分的回弹方向是朝向 V形张开方向（正回 弹），两者回弹方向相反。原因之二是：从圆角部分的回弹来看，由于板料受凸、凹模压缩的 作用，不仅弯曲变形外区的拉应力有所减小，而且在外区中性层附近还出现和内区同号的压缩 应力，随着校正力的增加，压应力区向板材的外表面逐步扩展，致使板料的全部或大部分断面 均出现压缩应力，于是圆角部分的内、外区回弹方向一致，故校正弯曲圆角部分的回弹比自由 弯曲时大为减小。综上所述，校正弯曲时圆角部分的较小正回弹与直边部分负回弹的抵销 ，回 弹可能出现正、零或是负三种情况。 在弯曲 U形件时，凸、凹模之间的间隙对回弹有较大的影响。间隙越大，回弹角也就越大， 如图 3.3.5所示。
（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（图 3.3.12b）；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（图 3.3.13a）。这两种方法的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 3.3.13b）， 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 3.3.13c）。
图 3.2.6 坯料弯曲变形区内切向应为的分布
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1．中性层的内移
图 3.2.7 弯曲后的翘曲
图 3.2.8 型材、管材弯曲后的剖面畸变
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１．影响最小弯曲半径的因素 （１）材料的力学性能 材料的塑性越好，塑性变形的稳定性越强（均匀伸长率 越大），许可的最小弯曲半径就 越小。 （２）材料表面和侧面的质量 板料表面和侧面（剪切断面）的质量差时，容易造成应力集中并降低塑性变形的稳定性， 使材料过早地破坏。对于冲裁或剪裁坯料，若未经退火，由于切断的面存在冷变形硬化层，就 会使材料塑性降低。在上述的情况下应选用较大的最小弯曲半径。 （３）弯曲线的方向
图 3.2.1为 V形弯曲时板材的受力情况。在板材 A处，凸模 1施加外力 2F，在凹模 2支承 点 B处，则产生反力并与这外力构成了弯曲力矩 M=F*L，该弯曲力矩使板材产生—凹模 图 3.2.1V形弯曲板材受力情况
图 3.2.2 弯曲过程
ａ）弯曲前 ｂ）弯曲后
3.2.3 弯曲前坐标网格的变化
弯曲是将板料、型材、管材或棒料等按设计要求弯成一定的角度和一定的曲率，形成所需 形状零件的冲压工序。它属于成形工序，是冲压基本工序之一，在冲压零件生产中应用较普遍， 图 3.1.1是用弯曲方法加工一些典型零件。
图 3.1.1弯曲成形典型零件 根据所使用的工具与设备的不同，弯曲方法可分为在压力机上利用模具进行的压弯以及在 专用弯曲设备上进行的折弯、滚弯、拉弯等，如图 3.1.2所示。各种弯曲方法尽管所用设备与 工具不同，但其变形过程及特点有共同规律。本章将主要介绍在生产中应用最多的压弯工艺与 弯曲模设计。 弯曲所使用的模具叫弯曲模，它是弯曲过程必不可少的工艺装备。图 3.1.3是一副常见的 Ｖ形件弯曲模。弯曲开始前，先将平板毛坯放入定位板 10中定位，然后凸模 4下行，凸模与顶 杆 7将板材压住（可防止板材在弯曲过程中发生偏移），实施弯曲，直至板材与凸模、凹模 3 完全贴紧，最后开模，Ｖ形件被顶杆顶出。
（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。拉弯用模具如图 3.3.9 所示。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。图 3.3.10所示为工件在拉弯曲中沿截面 高度的应变分布。图 3.3.10a为拉伸时的应变；图 3.3.10b为普通弯曲时的应变；图 3.3.10c 为拉弯总的合成应变；图 3.3.10d为卸载时的应变；图 3.3.10e为最后永久变形。从图 3.3.10d 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。
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图 3.2.9 纤维方向对 的影响
图 3.2.10 开槽后进行弯曲
注： 1.当弯曲线与纤维方向成一定角度时，可采用垂直和平行纤维方向二者的中间值。 2.在冲裁或剪切后没有退火的毛坯弯曲时，应作为硬化的金属选用。 3.弯曲时应使有毛刺的一边处于弯角的内侧。 4.表中 t为板料厚度。
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与所有塑性变形一样，塑性弯曲时伴随有弹性变形，当外载荷去除后，塑性变形保留下来，而弹性变形 会完全消失，使弯曲件的形状和尺寸发生变化而与模具尺寸不一致，这种现象叫回弹。由于弯曲时内、 外区切向应力方向不一致，因而弹性回复方向也相反，即外区弹性缩短而内区弹性伸长，这种反向的弹 性回复加剧了工件形状和尺寸的改变。所以与其它变形工序相比，弯曲过程的回弹现象是一个影响弯曲 件精度的重要问题，弯曲工艺与弯曲模设计时应认真考虑。
图 3.4.1 中性层位置
１．圆角半径 r>0.5t的弯曲件
２．圆角半径 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产生严重变薄，而且与其相邻的直边 部分也产生变薄，故应按变形前后体积不变条件确定坯料长度。通常采用表 3.4.2所列经验公式计算。
图 3.4.2 r>0.5t的弯曲
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图 3.3.11 克服回弹措施Ⅰ
图 3.3.12 克服回弹措施Ⅱ
图 3.3.13 克服回弹措施Ⅲ
（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（图 3.3.14）。
（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（图 3.3.15）。
１．应变状态
a)窄板（B/t3）b)宽板（B/t3） 图 3.2.4 弯曲变形区的横截面变化情况
从应力状态来看，窄板弯曲时的应力状态是平面的，宽板则是立体的。 综上所述，将板料弯曲时的应力应变状态归纳于表 3.2.1。
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ａ）弹性弯曲 ｂ）弹－塑性弯曲 ｃ）纯塑性弯曲
图 3.2.5 弯曲半径和弯曲中心角
图 3.3.3 变形程度对弹性恢复值的影响 图 3.3.4 无底凹模内的自由弯曲
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图 3.3.5 间隙对回弹的影响 ５．工件的形状 一般而言，弯曲件越复杂，一次弯曲成形角的数量越多，则弯曲时各部分互相牵制作用越 大，弯曲中拉伸变形的成分越大，故回弹量就越小。例如一次弯曲成形时， 形件的回弹量较 U 形件小，Ｕ形件又较 V形件为小。
从弯曲变形区的横截面变化来看，变形有两种情况：窄板（B/t3）弯曲时，内区宽度增加， 外区宽度减小，原矩形截面变成了扇形（图 3.2.4a）；宽板（B/t3）弯曲时，横截面几乎不变， 仍为矩形（图 3.2.4b）。
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由此可见，板料在塑性弯曲时，随相对宽度 B/t的不同，其应力、应变的性质也不同，分 析如下：
３．合理设计弯曲模 （1）对于较硬材料（如 45、50、Q275和 H62（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。
图 3.3.9 拉弯用模具
图 3.3.10 拉弯时断面内切向应变的分析
（2）对于软材料（如 Q215、Q235、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（图 3.3.11）。
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３．铰链式弯曲件 图 3.4.3
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例 3.4.1 计算图 3.4.4所示弯曲件的坯料展开长度。
图 3.4.4 Ｖ形支架
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弯曲件的工艺性是指弯曲零件的形状、尺寸、精度、材料以及技术要求等是否符合弯曲加工 的工艺要求。具有良好工艺性的弯曲件，能简化弯曲的工艺过程及模具结构，提高工件的质量。
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３．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 3.3.7所示。
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在实际生产中，由于材料的力学性能和厚度的波动等，要完全消除弯曲件的回弹是不可能 的。但可以采取一些措施来减小或补偿回弹所产生的误差，以提高弯曲件的精度。
1.改进弯曲件的设计
2.采取适当的弯曲工艺 （1）采用校正弯曲代替自由弯曲。
１．弯曲半径 弯曲件的弯曲半径不宜小于最小弯曲半径，否则，要多次弯曲，增加工序数；也不宜过大， 因为过大时，受到回弹的影响，弯曲角度与弯曲半径的精度都不易保证。 ２．弯曲件的形状 一般要求弯曲件形状对称，弯曲半径左右一致，则弯曲时坯料受力平衡而无滑动（图 3.6.1a）。如果弯曲件不对称，由于摩擦阻力不均匀，坯料在弯曲过程中会产生滑动，造成偏 移（图 3.6.1b）。