冲压工艺及模具设计三.docx
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1、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
2、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、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。
4、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ln131211o同时弯曲圆角半径r亦逐渐减小,即rnr3r23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
5、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
6、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
7、:(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,rt3)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
8、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/t3),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
9、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
10、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
11、值(单位:MPa)材料材料厚度/mmW11-2255-10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pr+O.5to
12、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?-板料弯曲变形区的内圆角半径(mm);a-弯曲中心角(弧度)。因为中性层的长度弯曲变形前后不变,即:(3.3.9)而且弯曲变形区变形前后体积不变,即,将式(3.3.7)、(3.3.8)及(3.3.9)代入得;(3.3.10)?设板料变形区弯曲后的厚度t=nt?,则n=/t8n0.820.870.9
13、20.960.990.9920.9951.0X0.320.350.380.420,4450,470.4750.5从式(3.3.11)可以看出,中性层位置及板料厚度t、弯曲半径r以及变薄系数n等因素有关。相对弯曲半径r/t越小,则变薄系数n越小、板厚减薄量越大,中性层位置的内移量越大。而相对弯曲半径r/t越大,则变薄系数n越大、板厚减薄量变得越小。当r/t大到一定值后,变形区减薄的问题已不再存在。在生产实际中为了使用方便,通常采用下面的经验公式确定来中性层的位置。(3.3.12)式中:X是及变形程度有关的中性层位移系数,其值可由表3.3.3查得。3 .3.2弯曲件坯料展开长度图3. 3. 10有
14、圆角的弯曲件角的弯曲件图3. 3. 11无圆1.有圆角半径的弯曲(r0. 5t)有圆角半径的弯曲件,毛坯展开尺寸等于弯曲件直线部分长度及圆弧部分长度的总和。(3.3.12)式中:L为弯曲件毛坯总长度(mm);1i为各段直线部分长度(mm);a为各段圆弧部分弯曲中心角(0);ri一各段圆弧部分弯曲半径(mm);Xi为各段圆弧部分中性层位移系数。弯曲中心角为90的单角弯曲件毛坯展开长度为:(3.3.13)2 .无圆角半径的弯曲(rW0,5t)无圆角半径弯曲件的展开长度一般根据弯曲前后体积相等的原则,考虑到弯曲圆角变形区以及相邻直边部分的变薄因素,采用经较链弯曲和一般弯曲件有所不同,较锌弯曲常用推卷
15、的方法成形。在弯曲卷圆的过程中,材料除了弯曲以外还受到挤压作用,板料不是变薄而是增厚了,中性层将向外侧移动,因此其中性层位移系数K20.5。图3.3.12所示为校链中性层位置示意图。图3.3.13为常见的较链弯曲件图图3.3.12较链中性层位置3.3 .13较链弯曲件表3.3.5较链卷圆中性层位移系数K10,60.80.6080.81.O1.(TL2L2l,51.5Z8L82.q22,22.2K0.760.730.70.670.640.610.580.540.5通常板料弯曲中绝大部分属宽板弯曲,沿宽度方向的应变bOo根据变形区弯曲变形前后体积不变的条件,板厚减薄的结果必然使板料长度增加。相对弯
16、曲半径r/t愈小,板厚变薄量愈大,板料长度增加愈大。因此,对于相对弯曲半径r/t较小的弯曲件,必须考虑弯曲后材料的增长。此外,还有许多因素影响了弯曲件的展开尺寸,例如材料性能、凸模及凹模的间隙、凹模圆角半径以及凹模深度、模具工作部分表面粗糙度等;变形速度、润滑条件等也有一定影响。因此,按以上方法计算得到的毛坯展开尺寸,仅适用于一般形状简单、尺寸精度要求不高的弯曲件。对于形状复杂而且精度要求较高的弯曲件,计算所得结果和实际情况常常会有所出入,必须经过多次试模修正,才能得出正确的毛坯展开尺寸。模具制造时首先制作弯曲模具,初定毛坯裁剪试样经试弯修正,尺寸修改正确后再制作落料模。3.4 弯曲的质量问题
17、及分析3.4.1 弯裂弯裂:外层纤维受拉变形而断裂开裂原因:(1)弯曲线方向(2)板料表面和冲裁断面的质量剪切表面有缺陷,不光洁,有毛刺采取措施:1)采用表面质量好无缺陷的材料;2)工件弯曲半径小于最小弯曲半径;3)弯曲线及材料的纤维方向垂直;4)毛坯中有毛刺的一面作为弯曲内侧。3.4.2 回弹常温下的塑性弯曲和其它塑性变形一样,在外力作用下产生的总变形由塑性变形和弹性变形两部分组成。当弯曲结束,外力去除后,塑性变形留存下来,而弹性变形则完全消失。弯曲变形区外侧因弹性恢复而缩短,内侧因弹性恢复而伸长,产生了弯曲件的弯曲角度和弯曲半径及模具相应尺寸不一致的现象。这种现象称为弯曲件的弹性回跳(简称
18、回弹)。回弹是弯曲成形时常见的现象(图3.2.1)。但也是弯曲件生产中不易解决的一个棘手的问题。图3.2.1弯曲件的弹性回跳弯曲件的回弹现象通常表现为两种形式:一是弯曲半径的改变,由回弹前弯曲半径rt变为回弹后的rO。二是弯曲角度的改变,由回弹前弯曲中心角度at(凸模的中心角度)变为回弹后的工件实际中心角度O,如图3-7所示。回弹值的确定主要考虑这两个因素。若弯曲中心角a两侧有直边,则应同时保证两侧直边之间的夹角(称作弯曲角)的精度,参见图3-8。弯曲角O及弯曲中心角度a之间的换算关系为:-180o-a,注意两者之间呈反比关系。1 .回弹性的表现形式:(1)弯曲半径增大卸载前板料的内半径rp(
19、及凸模的半径吻合)在卸载后增加至L弯曲半径的增加量为:r=rrP(3.2.1)(2)弯曲中心角的变化卸载前弯曲中心角为a(及凸模顶角相吻合),卸载后变化为a。弯曲件角度的变化量a为:a=Qa,2.2)2 .影响弹性回跳的主要因素材料的力学性能材料的屈服点。S越高,弹性模量E越小,弯曲弹性回跳越大。这一点从图3.2.2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E1E2。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(2l)ob)图所示的两种材料的弹性模数基本相同(EI=E2),而屈服极限不同(43),在弯曲变形程度相同的条件下,卸载后的回弹量则不同,经冷作硬化而屈
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