折弯技术探究及其在折弯机上的应用

LVD折弯机的产品线非常丰富，从最小的25吨1.2米到最大的3000吨14米，从全电伺服折弯机到液压伺服折弯机，从单机到双机联动，从智能自动折弯单元到定制化自动折弯，LVD都可以根据客户的不同需求提供相应的折弯解决方案。折弯的应用非常广泛，几乎有金属板材使用的地方都可以看到折弯的身影，可以说折弯影响着生活的方方面面。折弯机的作用就是将平板折成实际应用所需要的各种三维工件。具体是如何实现的呢？就是将板材水平放置在下模上，由后挡料进行板材定位，通过上模向下将板材压到下模V槽里来达到需要的折弯角度，实现将平板加工成三维工件的目的，如图1所示。图1折弯示意图

对于折弯来说，有很多值得关注的方面：针对折弯产品，需要注意尺寸精度、折弯R角、角度精度、直线度以及压痕。折弯产品的直线度与机架刚性（机架设计、钢材选用等）有关，压痕可通过增大下模模肩R角、垫防压痕膜、采用无压痕下模或拥有LVD专利的Stone下模来消除或减轻折弯压痕。对于折弯机，需要注意Y轴精度和X轴精度、稳定性、安全性（防夹手保护）以及操作便利性（数控系统、T轴随动托料、上下模液压夹紧和模具自动更换、自动化折弯等）。折弯机的数控轴精度、稳定性、安全性、操作便利性等主要是从机床硬件方面的选材来满足折弯机的需求，这里不做探讨。本文主要就折弯产品的尺寸精度、折弯R角和角度精度进行分析。折弯尺寸精度折弯工件的尺寸精度与折弯机的后挡指定位精度、板材下料机床的精度有关，板材下料、折弯前选择可靠的机床都可以解决。折弯工件尺寸精度的一个重要影响因素就是板材的展开精度。一个折弯工件从平板折成一定角度的工件，测量折弯工件的尺寸会发现它和板料的尺寸并不相等，如图2所示，这个差值就是折弯尺寸扣除值。如果折弯尺寸扣除值不准，工件展开尺寸就会不准，那么后道工序再精准，成品工件精度也肯定达不到要求。图2板料尺寸与工件展开尺寸示意图

折弯尺寸扣除值比较复杂，一般简单的算法就是直接采用2倍的板厚。但是2倍的板厚作为折弯尺寸扣除值实在是比较粗糙的算法。适当升级了一下，更精确的方法就是采用欧标的中心轴理论DIN6935标准，根据中心轴理论计算到一个k值，再结合要折弯板材的厚度角度通过公式可以计算得到一个折弯尺寸扣除值。这个相对复杂一点，但是比较准确。但根据中心轴理论DIN6935标准计算的折弯尺寸扣除值还不够精准，因为实际折弯尺寸扣除值不仅跟材料特性、厚度和折弯角度有关系，还跟使用的模具有关系。不同材料、不同厚度、不同计算方法所得到的折弯尺寸扣除值不同，参见表1。以厚度为4mm的S235JRG2板材为例，用V30开口的下模，不同计算方法得到的折弯尺寸扣除值不一样，两倍板厚为8mm，DIN6935标准公式计算值为7.57mm，根据数据库经验值的计算值为7.26mm。不同计算方式得到的数据有一定的偏差，特别是在工件需要多次折弯时，累计偏差会更大。而数据库经验值根据大量实际试验测得，并保存在数据库里，是完全精准的。表1不同材料、不同厚度、不同方法对应的折弯尺寸扣除值

LVD折弯机数控系统TOUCH-B和离线编程软件CADMAN-B数据库里保存了大量的数据，板材展开时利用数据库里这些实测数据进行三维工件的展开，那么展开工件的尺寸就会非常精准，可以直接通过离线编程软件CADMAN-B自动生成的三维工件平面展开图进行激光下料。工件内R角在讨论工件内R角前，不妨先简单了解下金属材料的特性。金属材料应力-应变曲线如图3所示，前面一部分是弹性变形阶段，拉力释放后能回到原来的位置；继续施加拉力到屈服点后就到了塑性硬化阶段，在这个阶段施加拉力后产品就会发生塑性变形，如果希望产品继续发生更大的塑性变形，则需要施加更大的拉力；达到应力最高点后继续施加拉力就会发生缩颈直至完全断裂。折弯过程中板材的变形基本就处于塑性硬化阶段，这一阶段的特点是板材随着应变的增加所需应力也需变大。图3金属材料应力-应变曲线

工件内R角与材质有关，如图4所示。低应变硬化材料，内R角较小；高应变硬化材料，内R角较大。工件内R角还与下模开口有关，开口越小内R角越小，见表2。折弯下模开口的选择范围一般为：厚度不超过4mm的板材，下模开口为6～8倍的板厚；厚度超过4mm的板材，下模开口为8～12倍的板厚。因此，可以根据材料特性并结合下模开口的选择来得到想要的折弯工件内R角。表2工件内R角与下模开口的关系

图4工件内R角与材质的关系

对于上模的要求：只要上模R角不超过标准R角，则上模R角对折弯工件的内R角几乎没有影响。若工件要求的内R角大于标准R角，上模的模尖R圆弧要加大；若工件要求的内R角小于标准R角，可采用板材刨槽或压底折弯，且上模的模尖R圆弧要减小。有些材料延展性不好，有时也需要用较大的模尖R圆弧来折出大的内R角，防止材料断裂。角度精度角度精度可以说是折弯里最复杂和最难控制的参数。常见的折弯方式有两种，即压底折弯和自由折弯。压底折弯的各种应用如图5所示。图5压底折弯的各种应用

压底折弯的控制方式为通过控制折弯下压力来达到控制折弯成形。其优点是折弯角度精度高，可达±15′，且折弯角度一致性好；缺点是折弯所需压力较大，是自由折弯压力的5～8倍，而且柔性化较低，不同的角度或形状的成形需要不同的模具。更为常见的折弯方式是自由折弯，也叫空气折弯。自由折弯的控制方式是控制Y轴下压量，也就是通过控制上模进入下模的深度来控制折弯的角度。其优点是折弯所需压力较小，柔性化高，同一副模具可折不同角度工件；缺点是工件的折弯角度精度低，一致性较差。为什么自由折弯工件的折弯角度精度较低呢？举例说明：用V10的下模折弯板材，如果上模下压距离相差0.05mm，角度的偏差就会达到1°，见表3。表3不同下模开口和折弯角度导致角度变化1°对应的下压深度的变化量

目前折弯机Y轴精度一般都可以达到0.01mm，所以角度偏差应该不会太大，但是板材的厚度能保证完全一致吗？假如厚度为1.5mm的板材其厚度相差10%，那么就会相差0.15mm，就相当于上下模距离相差0.15mm，带来的角度偏差约为3°。同样板材的应变硬化特性变化也会影响折弯角度，相差10%带来角度变化约为1.5°。自由折弯时板材厚度、应变硬化对折弯角度的影响如图6所示。图6自由折弯时板材厚度、应变硬化与折弯角度的关系

这就是折弯机和金属切削类机床的不同。金属切削类机床，不管毛坯件互相之间尺寸差距有多少，只要机床的精度足够高，都可以保证成品工件的精度。但是折弯机常见的自由折弯就是做不到，这个完全不是机床本身的精度问题。那么有没有办法解决这类由于板材的厚度或尺寸偏差带来折弯角度偏差的问题呢？答案是肯定的，LVD的EASY-FORM自适应折弯技术就可以解决这类问题，如图7所示。LVD自适应折弯和传统自由折弯形式类似但实质完全不同。自由折弯是通过测量和控制滑块下行距离，即上模下压到下模的深度来得到想要的折弯角度。而自适应折弯是通过实时测量和控制工件的折弯角度来控制滑块下行距离，如图8所示，也就是上模下压到下模的深度。所以自适应折弯表面上看是和自由折弯相同的，但是控制原理是完全相反的。图7EASY-FORM自适应折弯技术

图8实时测量和控制工件的折弯角度

自适应折弯的优势：角度精度高，加工的稳定性和一致性好；适合小批量多品种加工；板材适应性强，材质和厚度对折弯角度影响显著降低；是批量自动化折弯的质量保证。那么自适应折弯时是如何测量和控制角度的呢？这里需要引入一个关键参数——反弹量。折弯数据库里存有各种材料不同厚度、不同角度和不同模具配合的反弹量，通过调用数据库里板材的反弹量，就会知道板材在折弯机上折弯时需要折的角度值。例如要折一个90°的某材质、某厚度的工件，数据库里这个板材的反弹量是2°，那么通过控制工件在折弯机上受压折到88°，释放后工件就会反弹到90°。板材厚度和应变硬化特性变化对角度反弹量影响非常小，板材厚度相差10%，板材反弹量的变化只有0.2°，材料应变硬化特性相差10%，材料的反弹变化也仅为0.3°。板材厚度、应变硬化对角度反弹量的影响如图9所示。由于角度反弹量相对板材厚度和材料应变硬化特性变化非常小，因此，自适应折弯时，通过控制板材折弯受压时的成形角度就能达到控制压力释放后的最终成品的角度。简单来说就是即使材料厚度或应变硬化特性有10%的偏差，工件仍可以保证非常高的精度。以304不锈钢为例，如果板材厚度变厚10%，自由折弯时折弯角度会变小3°，而自适应折弯时折弯角度仅仅会变大0.2°，可见折弯角度精度提高非常明显。图9板材厚度、应变硬化与角度反弹量的关系

前面介绍的是一些数据库里已存储的板材，如果数据里没有的材料或者不知道要折弯的材质，可以采用自适应折弯的另一种工作模式进行折弯。工件先折到90°，压力释放后测量这时的角度，比如此时的测量角度是93°，那么即可计算出板材的反弹量为3°，接着折弯机会再下压一次到87°，那么反弹后成品工件就是90°。该批次同种材质板材的折弯就可以借用这个反弹量，而不需要每次折弯都下压两次。EASY-FORM自适应折弯的主要技术指标如下。⑴双面角度测量系统：精度±20＇；角度测量范围45°～150°。⑵光学系统：II级激光；无需和工件进行物理接触；快速（每秒测量200次），不影响折弯效率。⑶快速启动：自动校准；任意的编程位置，并配有停放区。⑷不受以下变量的影响：