弯曲工艺及模具设计

弯曲是将金属材料（包括板材、线材、 管材、型材及毛坯料等）沿弯曲线弯成一 定的角度和形状的工艺方法。它是冲压基 本工序之一，广泛应用于制造大型结构零 件，如飞机机翼、汽车大梁等，也可用于 生产中、小型机器及电子仪器仪表零件， 如铰链、电子元器件等。图3-1是用弯曲方 法加工的典型零件示例。
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3-2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。
r/t ≥10时，回弹比较大如图3-10所示，卸载后弯曲件的弯 曲圆角半径和角度都发生了较大变化，此时可以不考虑材 料厚度的变化以及应力应变中性层的移动，以简化计算。 在这种情况下，凸模圆角半径和凸模圆角部分中心角可按 下式进行计算：
式中 r凸 ——凸模圆角半径（mm）； 凸 ——凸模圆角部分中心角； r ——弯曲件圆角半径，mm； ——弯曲件圆角部分中心角；； s ——弯曲件材料的屈服极限（Mpa）； E ——弯曲件材料的弹性模量（Mpa）；
减小量，则
（ 3-2）
弯曲角（弯曲件两直边间的夹角，它与弯曲中心角度间的 关系为：）的增大量为：
（ 3-3）
计算出的、（）即为弯曲件的回弹量，但是与实际冲压生 产中的回弹量相比，有一定的差别，其原因是影响弯曲回 弹有多种因素。
2）影响回弹的因素 1）材料的力学性能。材料的屈服强度越大，弹性模量越小，
2）厚度方向 内区厚度增加，外区厚度减小，但由于内区凸 模紧压毛坯，厚度方向变形较困难，所以内侧厚度的增加 量小于外侧厚度的变薄量，因此材料厚度在弯曲变形区内 会变薄，使毛坯的中性层发生内移。
3）宽度方向 分为两种情况，一种是窄板（b/t≤3）弯曲，宽 度方向变形不受约束，断面变成了内宽外窄的扇形，另一 种是宽板（毛坯宽度与厚度之比b/t＞3）弯曲，材料在宽 度方向的变形会受到相邻金属的限制，横断面几乎不变， 基本保持为矩形，图3-6(a)、(b)所示为两种情况下的断面 变化情况。由于窄板弯曲时变形区断面发生畸变，因此当 弯曲件的侧面尺寸有一定要求或和其它零件有配合要求时， 需要增加后续辅助工序。实际生产当中的弯曲大部分属于 宽板弯曲。
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。与冲裁模相比 较，弯曲模准确工艺计算难，模具动作复 杂、结构设计规律性不强。
本项目以图3-3所示的支承板的弯曲模设计为 载体，综合训练学生确定弯曲成形工艺和设计弯 曲模具的初步能力。
零件名称：支承板
生产批量：中批量
材料：10钢 料厚：2mm 生产零件图：如图3-3所示。
项目三 弯曲工艺与模具设计
【能力目标 能够进行一般复杂程度弯曲模的设计
【知识目标】 1.熟悉弯曲变形的过程及特点 2.掌握控制弯曲回弹的方法与措施 3.了解控制偏移的方法与措施 4.熟悉弯曲中性层位置的确定方法 5.能够正确判定弯曲件的工艺性 6.掌握弯曲模工作部分设计 7.熟悉弯曲模的典型结构
一、项目引入
5）弯曲件形状。一般，弯曲件形状越复杂，一次弯曲成形 角的数量越多，则弯曲时各部分相互牵制作用越大，弯曲 中拉伸变形的成分越大，则回弹量就越小。因此，一次弯 曲成形时，形件的回弹量较U形件小，U形件的回弹量又 较V形件小。
6）模具间隙。在弯曲U形件时，凸、凹模间隙对回弹角有较 大的影响。间隙越大，回弹角也越大，如图3-9所示。当 采用负间隙时，由于模具对材料的挤压作用，可使回弹角 减小至最小值，甚至出现零或负值。
弯曲件的回弹现象通常表现为两种形式，如图3-8所 示。
1）曲率减小 卸载前，弯曲中性层的半径为；卸载后弯曲中 性层的半径增至。曲率则由卸载前的1/减小至卸载后的1/。 若以表示曲率的减小量，则
K 1 1
（3-1）
2）弯曲中心角减小 卸载前曲中心角的
法和校正法。 1）补偿法 补偿法即预先估算或试验出工件弯曲后的回弹量，
在设计模具时，使弯曲工件的变形超过原设计的变形，工 件回弹后得到所需要的形状。图3-12（a）所示为单角回 弹的补偿，根据已确定出的回弹角，在设计凸模和凹模时， 减小模具的角度，作出补偿。图3-12（b）所示的情况可 采取两种措施：其一是使凸模向内侧倾斜，形成补偿角 Δθ ；其二是使凸、凹模单边间隙小于材料厚度，凸模 将毛坯压入凹模后，利用毛坯外侧与凹模的摩擦力使毛坯 的两侧都向内贴紧凸模，从而实现回弹的补偿。图3-12 （c）所示的补偿法，是在工件底部形成一个圆弧状弯曲， 凸、凹模分离后，工件圆弧部分有回弹为直线的趋势，带 动其两侧板向内侧倾斜，使回弹得到补偿。
最小弯曲半径rmin受材料的力学性能、板料表面质量 和断面质量、板料的厚度、板料的宽度、弯曲中心角、弯 曲线方向等因素的影响。由于上述各种因素的影响十分复 杂,所以最小弯曲半径的数值一般用试验方法确定。各种 金属材料在不同状态下的最小弯曲半径的数值,参见表3-1。
（2） 控制弯裂的措施 1）要选用表面质量好、无缺陷的材料做毛坯。若毛坯有缺
（3） 回弹值的确定 由于回弹直接影响了弯曲件的形状和尺寸，因此在模
具设计和制造时，必须预先考虑材料的回弹。通常是先根 据经验数值和简单的计算初步确定模具工作部分尺寸，然 后再试模修正模具相应部分的形状和尺寸。
回弹值的确定方法有理论公式计算和经验值查表法。
1）自由弯曲时的回弹，可以分为以下几种情况： ① 相对弯曲半径较大时自由弯曲的回弹值。当相对弯曲半径
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，可以看出弯曲变形具有以下特点：
（1）弯曲圆角部分是弯曲变形的主要区域 弯曲后，弯曲件分成了圆角和直边两部分，变形主要发生 在弯曲中心角范围内，中心角以外基本上不变形。
（2） 在变形区内，毛坯在长、宽、厚三个方向都产生了变 形，但变形不均匀
（二） 弯曲件质量分析
1. 弯裂 （1） 最小弯曲半径
弯曲半径是指弯曲件内侧的曲率半径（图3-5中的r）。 由弯曲变形可知，弯曲时板料的外侧受拉伸，当外侧的拉 伸应力超过材料的抗拉强度时，在板料的外侧将产生裂纹， 这种现象称为弯裂。弯曲件是否弯裂，在相同板料厚度的 条件下，主要与弯曲半径r有关，r越小，弯曲变形程度越 大，因此存在一保证外层纤维不产生弯裂时所允许的最小 弯曲半径rmin，即在板料不发生破坏的条件下,所能弯成零 件内表面的最小圆角半径称为最小弯曲半径rmin,并用它来 表示弯曲时的成形极限。
1. 偏移产生的原因 （1）制件毛坯形状不对称，如图3-14（a）、（b）所示； （2）工件结构不对称 ，如图3-14所示（c）； （3）凹模两边角度不对称，如图3-14所示（d）； （4）凸凹模圆角，间隙不对称，使阻力不等。
（2） 控制偏移的措施
1）采用压料装置。使毛坯在压紧状态下逐渐弯曲成形，从 而防止毛坯的滑动，能达到较平整的工件，如图3-15所示。
半径及弯曲力臂达到最小时，弯曲过程结束。 弯曲分自由弯曲和校正弯曲。自由弯曲是指当弯曲终
了时，凸模、凹模和毛坯三者吻合后，凸模不再下压。校 正弯曲是指在凸模、凹模和毛坯三者吻合后，凸模继续下 压，使毛坯产生进一步塑性变形，从而对弯曲件进行校正。
2.弯曲变形特点
为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 面设置正方形网格的方法。通常用机械刻线或照 相腐蚀制作网格，然后用工具显微镜观察测量弯 曲前后网格的尺寸和形状变化情况，如图3-5所示。
陷，应在弯曲前清除掉，否则弯曲时会在缺陷处开裂。 2）对于比较脆的材料、厚料及冷作硬化的材料，可采用加
热弯曲的方法，或者采用先退火增加材料塑性再进行弯曲 的方法。 3）弯曲半径小的工件时，应预先去掉毛刺，并采用退火方 法消除毛坯的硬化层。如果毛刺较小，也可把有毛刺的一 边朝向弯曲凸模面，以避免应力集中而使工件开裂。 4）一般情况下，在设计时不宜采用最小弯曲半径。如果工 件的弯曲半径小于表7.1所示数值，则应分两次或多次弯 曲，即先弯成较大的圆角半径（大于rmin），经中间退火 后；然后再以校正工序弯成所要求的弯曲半径。这样可以 使变形区域扩大，减小外层材料的伸长率。
1）长度方向 网格由正方形变成了扇形，靠近凹模一侧（外 区）的长度伸长，靠近凸模一侧（内区） 的长度缩短， 即弧bb＞线段bb，弧aa ＜线段aa。由内、外表面至毛坯 中心，其缩短和伸长的程度逐渐变小。在缩短和伸长的两 个变形区之间，必然有一个层面，其长度在变形前后没有 变化，这一层面称为应变中性层。
5）对于较厚材料的弯曲，若结构允许，可先在弯曲圆角内 侧开槽，再进行弯曲，如图3-7所示。
2.弯曲回弹
1） 弯曲回弹现象 常温下的塑性弯曲与其它塑性变形一样，总是伴随有
弹性变形。当弯曲结束，外力去除后，塑性变形保留了下 来，而弹性变形则完全消失，使得弯曲件的形状和尺寸发 生变化而与模具尺寸不一致，这种现象称为弯曲回弹（简 称回弹）。
t ——弯曲件材料厚度（mm）。
② 相对弯曲半径较小时自由弯曲的回弹值。当弯曲件的相对
弯曲半径 r/t＜5时，由于变形程度大，卸载后弯曲圆角半 径的变化很小，可以不予考虑，而仅考虑弯曲中心角的变 化。
当弯曲件弯曲中心角不为90°时 ，其回弹角可按下式计算：
（3-6）

90
90
式中 ——弯曲件的弯曲中心角为 a时的回弹角；
2）校正法 校正法是在模具结构上采取措施，让校正压力集 中在弯角处，使其产生一定塑性变形，克服回弹。如图313（a）、（b）所示为弯曲校正力集中作用于弯曲圆角处。
3.偏移 板料在弯曲过程中，各边受到凹模圆角处不相等的阻
力的作用而沿工件长度产生移动，致使工件直边高度不符 合图样要求，这种现象称为偏移。
由于弯曲变形区内、外侧的切向应力应变性质相反， 因而卸载时外侧因弹性恢复而缩短，内侧因弹性恢复而伸 长，并且回弹的方向都是反向于弯曲变形方向的；另外， 对于整个坯料来说，不变形区占的比例比变形区大得多， 大面积不变形区的惯性作用也会加大变形区的回弹，这是 弯曲回弹比其它成形工艺回弹严重的另一个原因。