冲压工艺及模具设计与实践第5章弯曲工艺与弯曲模设计

1、出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页第第5 5章章 弯曲工艺与弯曲模设计弯曲工艺与弯曲模设计出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页根据被加工毛坯的形状、使用的工具和设备不同进行分类，弯曲工艺可分为压弯、折弯、扭弯、辊弯和拉弯。本章就以压弯工艺以及所使用的工具压弯模为例进行介绍，如图5.1所示为利用模具进行压弯成形的典型形状零件图。 图5.1 5.1弯曲变形过程分析如图5.2所示为v形件的弯曲变形过程。在弯曲的开始阶段，毛坯是自由弯曲；随着凸模的下压，毛坯与凹模工作表面逐渐靠紧，弯曲半径由r0变为r1，弯曲力臂也由l0变为l1；凸模继续下压，毛坯弯曲区减小，直到与凸模3点接触，

2、这时的曲率半径由r1变为r2，弯曲力臂由l1变为l2；到行程终了时，出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页毛坯的直边部分反而向凹模方向变形，直至毛坯与凸、凹模完全贴合。 图5.2 图5.3出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页观察弯曲前后网格的变化可知，弯曲变形的特点如下：弯曲后，在弯曲角的范围内，正方形网格变成了扇形，而板料的直边部分，网格仍保持原来的正方形。由此可知，弯曲变形主要发生在弯曲件的圆角部分，直边部分则不产生塑性变形。从网格的纵向线条可知，弯曲后aabb。由此可知，在变形区域内，纤维沿厚度方向的变形是不同的，板料内缘（靠凸模一面）纤维受压缩而缩短，外缘（靠凹模一面

3、）纤维受拉伸而伸长。从弯曲件变形区域的横截面来看，变形有以下两种情况（见图5.4）： 图5.4出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页a.窄板（b3t），在宽度方向上无明显变化，横截面仍为矩形，这是因为在宽度方向材料不能自由变形所致。板料弯曲变形程度可用相对弯曲半径r/t来表示。r/t越小，表明弯曲变形程度越大。 5.2弯曲变形过程中的回弹及其控制5.2.1弯曲回弹的概念弯曲成形是一种塑性变形工艺。根据材料力学的拉伸曲线（见图5.5），任何塑性变形都要经过弹性变形阶段。弯曲变形等于在力的作用下发生的弹性变形与塑性变形之和，当外力去除后，弹性变形部分就会发生弹性恢复，弹性变形消失会使其保留

4、下的变形量小于加载时的变形量。这种卸载前后变形不相等的现象称为弯曲回弹（简称回弹），如图5.6所示。出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页 图5.5 图5.6回弹的表现形式有以下两种：（1）弯曲回弹会使弯曲件的圆角半径增大，即rrp，则回弹量可表示为（2）弯曲回弹会使弯曲件的弯曲中心角增大，即p，则回弹量可表示为回弹是由变形过程特点决定的，是弯曲件生产中不易解决的一个特殊的问题出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页5.2.2回弹值的计算（1）查表法当相对弯曲半径r/t58时，在弯曲变形后，不仅角度回弹较大，而且弯曲半径也有较大的变化。模具设计时可先计算出回弹值，在试模时再修正。

5、弯曲板件时，凸模圆角半径和中心角可计算为出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页式中rp凸模的圆角半径，mm；r工件的圆角半径，mm；s材料的屈服强度，mpa；e材料的弹性模量，mpa；t工件的厚度，mm；p凸模的圆角半径rp所对弧长的中心角；工件的圆角半径r所对弧长的中心角。弯曲圆形截面棒料时，凸模圆角半径为式中d棒料直径，mm。回弹值的计算尚没有一种较精确的计算方法，实际生产中常采用理论计算和出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页实践经验相结合的办法来确定。5.2.3影响弯曲回弹的因素材料的力学性能。材料的屈服强度s越大，弹性模量e越小，加工硬化越严重（硬化指数n大），则弯曲

6、的回弹量也越大。相对弯曲半径r/t。r/t表示弯曲成形的变形程度。回弹值与相对弯曲半径成正比，r/t越小，弯曲的变形程度越大，塑性变形在总变形中所占比重越大，因此卸载后回弹随相对弯曲半径的减小而减小，因而回弹越小；r/t越大，弯曲的变形程度越小，但材料断面中心部分会出现很大的弹性区，因而回弹越大。弯曲件的形状。一般来说，弯曲u形制件比v形制件的回弹量小。模具间隙。在弯曲u形制件时，模具的间隙对回弹量有较大的影响，间隙越大，回弹量也就越大。出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页弯曲方式和模具结构。在无底凹模作自由弯曲时，回弹量最大；校正弯曲时，变形区的应力和应变状态都与自由弯曲差别很大，

7、它可增加圆角处的塑性变形程度，从而达到减小回弹的目的。校正程度决定于校正力大小，校正程度越大，回弹量越小。5.2.4减小弯曲回弹的措施（1）在弯曲件的产品设计时在弯曲部位增加压强筋结构，有利于抑制回弹。在满足使用的条件下，应选用屈服强度s小、弹性模量e大、硬化指数n小，力学性能稳定的材料。（2）在弯曲工艺设计时在弯曲前安排退火工序。用校正弯曲代替自由弯曲。出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页采用拉弯工艺。（3）在模具结构设计时在模具结构设计中作出相应的回弹补偿值，如图5.7所示。 图5.7集中压力，加大变形压应力成分，如图5.8所示。合理选择模具间隙和凹模直壁的深度。使用弹性凹模或凸

8、模弯曲成形。出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页 图5.8 5.3弯曲变形过程中的其他质量问题及其控制5.3.1弯裂及其控制由本章5.1节可知，弯曲件的外层纤维受拉，变形最大，所以最容易断裂而产生废品。外层纤维拉伸变形的大小，主要取决于弯曲件的弯曲半径（即凸模圆角半径）。弯曲半径越小，则外层纤维拉得越长。为了防止弯曲件的断裂，必须限制弯曲半径，使之大于导致材料开裂的临界弯曲半径最小弯曲半径。影响最小弯曲半径的因素主要有以下几个方面：出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页材料的力学性能。塑性好的材料，外层纤维允许的变形程度大，许可的最小弯曲半径小；塑性差的材料，最小弯曲半径就要

9、相应大些。材料的热处理状态。由于冲裁后的零件有加工硬化现象，若未经退火就进行弯曲，则最小弯曲半径就应大些；若经过退火后进行弯曲，则最小弯曲半径可小些。制件弯曲角的大小。弯曲角如果大于90，对于最小弯曲半径影响不大；如果弯曲角小于90，则由于外层纤维拉伸加剧，最小弯曲半径就应增大。弯曲线方向。钢板碾压以后得到纤维组织，纤维的方向性导致材料的力学性能的各向异性，因此，当弯曲线与材料的辗压纤维方向垂直时，材料具有较大的抗拉强度，外缘纤维不易破裂，可具有较小的最小弯曲半径；当弯曲线与材料的辗压纤维方向平行时，则抗拉强度较低而容易断裂，最小弯曲半径就不能太小（见图5.9（a）、图5.9（b）。在双向弯曲

10、时，应该使弯曲出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页线与材料纤维呈一定的夹角（见图5.9（c）。 图5.9板料表面和冲裁断面的质量。板料表面不得有缺陷，否则弯曲时容易断裂。在冲裁或裁剪后，剪切表面常不光洁，有毛刺，形成应力集中，降低了塑性，使允许的最小弯曲半径增大，因此不宜采用最小弯曲半径为零件的圆角出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页半径，应尽可能大些。当必须弯曲小圆角半径时，就应先去掉毛刺。在一般情况下，如毛刺较小，可把有毛刺的一边置于弯曲内侧（即处于受压区），以防止产生裂纹。最小弯曲半径数值由试验方法确定。如表5.1所示为最小弯曲半径数值。出版社 理工分社冲压工艺及模具

11、设计与实践退出页当弯曲件的弯曲半径小于最小弯曲半径时，应分两次或多次弯曲，即先弯成具有较大圆角半径的弯角，而后再弯成所要求的半径。这样使变形区域扩大以减小外缘纤维的拉伸率。若材料塑性较差或弯曲过程中硬化情况严重，则出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页可预先进行退火。对于材料比较脆、厚度比较小的制件，可进行加热弯曲。在设计弯曲零件时，一般情况下，应使零件的弯曲半径大于其最小弯曲半径5.3.2偏移及其控制在弯曲过程中，坯料沿凹模圆角滑移时，会受到摩擦阻力。由于坯料各边所受的摩擦力不等，在实际弯曲时可能使坯料有向左或向右的偏移（对于不对称件这种现象尤其显著），从而会造成制件边长不合要求（见

12、图5.10）。 图5.10在弯曲过程中，防止坯料偏移的措施如下：出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页采用压料装置（也起顶件作用）。工作时，坯料的一部分被压紧，不能移动，另一部分则逐渐弯曲成形。使用压料装置，不仅可以得到准确的制件尺寸，而且制件的边缘与底部均能保持平整的状态（见图5.11（a）、图5.11（b）。利用坯料上的孔（或工艺孔）。在模具上装有定位销，工作时，定位销插入坯料的孔内，使坯料无法移动（见图5.11（c）。 图5.11出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页5.3.3翘曲与剖面畸变及其控制当板弯件短而厚时，沿着折弯线方向板料的刚度大，宽向应变被抑制，折弯后翘曲不

13、明显；反之，当板弯件薄而长时，沿着折弯线方向板料的刚度小，宽向应变得到发展外区收缩、内区延伸，结果使折弯线凹曲，造成零件的纵向翘曲（见图5.12）。为了减小变形阻力，材料有向中性层靠近的趋向，于是造成了剖面畸变。其中，窄板（b3t）的断面产生畸变现象比较明显（见图5.13）；而对于型材、管材弯曲件的剖面畸变最为突出（见图5.14） 图5.12 图5.13出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页 图5.14解决弯曲件翘曲的办法：从模具结构上采取措施，如采用带侧板的弯曲模，可阻止材料沿弯曲线侧向流动而减小翘曲，还可在弯曲模上将翘曲量设计在与翘曲方向相反的方向上。而剖面畸变的现象实际上是由于径

14、向压应变力所引起的，因此，弯曲型材与管材时，必须在断面中间加填料或垫块。 5.4弯曲工艺设计5.4.1零件的弯曲工艺性分析弯曲件的工艺性是指弯曲件的形状、尺寸、材料选用及技术要求等是否适合出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页于弯曲加工的工艺要求，即利用弯曲工艺加工该工件的难易程度。具有良好工艺性的弯曲件，不仅能提高工件质量，减少废品率，而且能简化工艺和模具，降低材料消耗。（1）弯曲件的形状和结构弯曲有孔的坯件时，为防止孔的形状变形，应将孔设计在与弯曲线有一定的距离s处，孔壁到弯曲线的最小距离如表5.2所示。出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页弯曲件的直边高度太小时，弯曲边在

15、模具上支持的长度过小，将会影响弯曲件成形后的精度。因此，必须使弯曲件的直边高度h2t。若h2t，则必须制槽口，或增加直边高度（弯曲后再加工去除），如图5.15所示。弯曲件的弯曲圆角半径应不小于允许的最小弯 图5.15曲半径（见表5.1）。当弯曲件的弯曲线处于宽窄交界处时，为了使弯曲时易于变形，防止交界处开裂，弯曲线位置应满足lr（见图5.16（a）。若不满足，则可适当增添工艺孔、工艺槽（见图5.16（b）、图5.16（c）、图5.16（d），用以切断变形区与不变形部位的纤维，防止因弯曲部位的成形而发生撕裂现象为防止弯曲时坯料的偏移，弯曲件的形状应尽可能对称。对于非对称形零出版社 理工分社冲压工

16、艺及模具设计与实践退出页件，可采用成双弯曲成形后再切开（见图5.17）。 图5.16对弯曲件宽窄交界处的要求 图5.17成双弯曲成形出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页边缘有缺口的弯曲件，若在毛坯上冲出，弯曲时会出现叉口现象，严重时将无法弯曲成形。此时可在缺口处留有联接带（见图5.18），将缺口联接，待弯曲成形后再将联接带切除。（2）弯曲件的尺寸精度和表面粗糙度弯曲件圆角半径的极限偏差如表5.3所示，工件上孔中心距及孔组间距的极限偏差如表5.4所示，弯曲件的公差等级如表5.5所示。 图5.18添加联接带出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与

17、实践退出页弯曲角度（包括未注明的90和等边多边形的角度）的极限偏差按如表5.6所示的规定。出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页弯曲件的毛坯往往是经冲裁落料而成的，其冲裁的断面一面是光亮的，一面是带有毛刺的。弯曲件应尽可能使有毛刺的一面作为弯曲件的内侧，如图5.19（a）所示，当弯曲方向必须将毛刺面置于外侧时，应尽量加大弯曲半径，如图5.19（b）所示。 图5.19毛刺方向的安排出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页（3）弯曲件的材料选择弯曲件的材料要合理，应尽可能选择高塑性、低弹性的材料，从而有利于保证工件的形状精度和尺寸精度。5.4.2弯曲件的工序安排简单弯曲件（如v形件和

18、u形件）可以一次弯曲成形。对于形状复杂或外形尺寸很小的弯曲件，一般需要采用成套工装多次弯曲变形才能达到零件设计的要求，或者在一副模具内经过冲裁和弯曲组合工步多次冲压才能成形。（1）弯曲工序安排原则工序安排的原则应有利于坯件在模具中的定位；工人操作安全、方便；生产率高和废品率最低等。弯曲工艺顺序应遵循的原则如下：先弯曲外角，后弯曲内角。前道工序弯曲变形必须有利于后续工序的可靠定位，并为后续工序的定位出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页做好准备。后续工序的弯曲变形不能影响前面工序已成形的形状和尺寸精度。小型复杂件宜采用工序集中的工艺，大型件宜采用工序分散的工艺。精度要求高的部位的弯曲宜采

19、用单独工序弯曲，以便模具的调整与修正。（2）典型弯曲工序设计1）形状简单的弯曲件如v形、u形、z形件等，可采用一次弯曲成形（见图5.20）。 图5.20一道工序弯曲成形出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页2）形状复杂的弯曲件如图5.21图5.23所示为分次弯曲成形的工序安排图例。 图5.21二道工序弯曲成形 图5.22三道工序弯曲成形图出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页 5.23四道工序弯曲成形出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页3）批量大、尺寸较小的弯曲件批量大、尺寸较小的弯曲件，可采用多工序的冲裁、弯曲、切断连续工艺成形（见图5.24）。 图5.24连续弯曲

20、成形5.4.3弯曲工艺参数计算（1）弯曲件展开尺寸计算出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页根据弯曲变形过程分析得知，弯曲件变形过程中存在应变中性层，即在变形中既没有伸长，也没有缩短，其变形量为零的纤维层，该纤维层的尺寸即是原始毛坯尺寸。因此，弯曲件展开尺寸可以根据应变中性层在弯曲前后长度不变的原则来计算。1）应变中性层位置的确定弯曲件应变中性层的位置并不在材料厚度的中间位置，而是与弯曲变形量大小有关，可确定为：式中应变中性层的曲率半径；r弯曲件内层的弯曲半径；t材料厚度；k中性层位移系数，板料可由表5.7查得，圆棒料可由表5.8查得。出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页出版

21、社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页2）弯曲件展开尺寸计算计算步骤以如图5.25所示为例，计算步骤如下：a.将标注尺寸转换成计算尺寸。即将工件直线部分与圆弧部分分开标注，如图5.26所示。 图5.25l形弯曲件 图5.26直线与圆弧分开标注出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页b.计算圆弧部分中性层曲率半径及弧长。中性层曲率半径为=r+kt，则圆弧部分弧长为式中圆弧对应的中心角，以弧度表示。c.计算总展开长度。即弯曲件r0.5t时展开长度的计算其计算公式如表5.9所示。出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页出版社 理工分社冲压

22、工艺及模具设计与实践退出页弯曲件r0.5t时展开长度的计算小圆角半径（r0.5t）或无圆角半径弯曲件（见图5.27）的展开长度是根据弯曲前后材料体积不变的原则进行计算的，即式中l毛坯长度，mm；l直各直线段长度之和，mm；n弯角数目； 图5.27无圆角半径弯曲件的展开长度出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页t材料厚度，mm；k与材料性能及弯角数目有关的系数，如表5.10所示。弯曲件r10）时，则必须考虑回弹现象，修正凸模圆角半径rp，即预先将rp修小r（见式(5.1)）。2）凹模圆角半径rd凹模圆角半径rd的大小与材料进入凹模的深度、弯曲边高度和材料厚度有关（见图5.29）。在实际生

23、产中，凹模圆角半径rd通常根据材料的厚度t选取当t4 mm时，rd=2t。出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页如图5.29（a）所示，v形件弯曲凹模的底部可开退刀槽或取圆角半径rd为式中rd凹模底部圆角半径，mm；rp凸模圆角半径，mm；t弯曲材料厚度，mm。（2）凹模深度弯曲凹模深度l0要适当。若过小，则工件两端的自由部分太多，弯曲件回弹大、不平直，影响零件质量；若过大，则模具钢材消耗大，且压力机行程较大。弯曲v形件时，如图5.29（a）所示，凹模深度l0及底部最小厚度h的取值如表5.15所示。出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页弯曲u形件时，若弯曲边高度不大或要求两边平

24、直，则凹模深度应大于工件的高度，如图5.29（b）所示（图中m值见表5.16）；若弯曲边长较大，而对平直度要求不高时，可采用如图5.29（c）所示的凹模形式，凹模深度l0值如表5.17所示。出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页（3）凸、凹模间隙弯曲v形件时，凸、凹模间隙是靠调整压力机的闭合高度来控制的，不需要在设计、制造模具时确定。间隙过小，会使工件边部壁厚减薄，降低凹模寿命，且弯曲力变大；间隙过大，则回弹也大，降低了工件精度。凸、凹模单边间隙z一般可计算为式中z弯曲模凸、凹模单边间隙，mm；出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页t工件材料厚度（基本尺寸），mm；工件材料厚度

25、的正偏差，mm；x间隙系数，可查表5.18选取。出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页实际生产中也常按材料性能和厚度选择：对钢板z=（1.051.15）t；对有色金属z=（1.01.1）t。（4）模具宽度尺寸1）用外形尺寸标注的弯曲件对于要求外形有正确尺寸的工件，其模具应以凹模为基准，先确定凹模尺寸，模具的尺寸如图5.30所示。 图5.30用外形尺寸标注的弯曲件出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页当工件为双向偏差时（见图5.30（a），凹模尺寸为当工件为单向偏差时（见图5.30（b），凹模尺寸为凸模尺寸均为2）用内形尺寸标注的弯曲件对于要求内形有正确尺寸的工件，其模具应以凸模

26、为基准，先确定凸模尺寸，模具的尺寸如图5.31所示。 图5.31用内形尺寸标注的弯曲件出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页当工件为双向偏差时（见图5.31（a），凸模尺寸为当工件为单向偏差时（见图5.31（b），凸模尺寸为凹模尺寸均为式中ld凹模尺寸，mm；lp凸模尺寸，mm；l弯曲件的基本尺寸，mm；弯曲件尺寸公差，mm；z凸、凹模的单边间隙，mm；p，d凸、凹模的制造公差，采用it7it9标准公差等级。出版社 理工分社冲压工艺及模具设计与实践退出页5.5弯曲模具结构分析和确定5.5.1敞开式弯曲模如图5.32所示，敞开式模具结构简单，制造方便，通用性强。但毛坯弯曲时容易窜动，不易保证零件精度。 图5.32敞开式弯曲模5.5.2有压料装置的弯曲模如图5.33所示，采用这种结构的模具，工作时凸模和下顶板始终压紧