弯曲件质量分析与工艺设计

在生产中，弯曲件经常出现的质量问题有回弹、弯裂、偏移3种。影响弯曲件质量的因素很多，在制订弯曲工艺以及弯曲模具设计时应综合考虑。

5．2．1 弯曲回弹分析及工艺设计

常温下的塑性弯曲，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。当弯曲结束且外力去除后，塑性变形留存下来，弹性变形开始恢复。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与模具相应尺寸不一致的现象。这种现象称为弯曲回弹。

回弹现象通常表现为两个几何参数的变化：一是弯曲半径的改变，由回弹前弯曲半径r变为回弹后的r0；二是弯曲角度的改变，由回弹前弯曲中心角度α（凸模的中心角度）变为回弹后的工件实际中心角度α0，如图5．5所示。回弹值的大小主要由这两个指标确定。

图5．5 弯曲时的回弹

（1）影响回弹的因素

1）材料的力学性能

材料的屈服点σs越高，弹性模量E越小，弯曲变形的回弹越大。因为材料的屈服点σs越高，材料在一定的变形程度下，其变形区断面内的应力也越大，因而引起更大的弹性变形，所以回弹值也大。而弹性模量E越小，则抵抗弹性变形的能力越弱，回弹值越大。

2）相对弯曲半径r／t

相对弯曲半径r／t越小，则回弹值越小。因为相对弯曲半径r／t越小，变形程度越大，变形区总的切向变形程度增大，塑性变形在总变形中占的比例增大，而相应弹性变形的比例则减少，从而回弹值减少。反之，相对弯曲半径r／t越大，则回弹值越大。这就是曲率半径很大的工件不易弯曲成形的原因。

3）弯曲中心角α

弯曲中心角α越大，变形区的长度越大，回弹累积值越大，故回弹角越大。

4）模具间隙

弯曲模具的间隙越大，回弹也越大。因此板料厚度允差越大，回弹值越不稳定。

5）弯曲件形状

形状复杂的弯曲件一次弯成时，由于各部分相互牵制，使回弹困难，因而回弹减小。

（2）减小回弹的措施

1）合理选材

在满足弯曲件使用要求的条件下，尽可能选用弹性模量E大、屈服σs小、力学性能比较稳定的材料，以减小弯曲时的回弹。

2）改进弯曲件局部结构

在弯曲件上设计某些结构，加强弯曲件的刚度，可以减小回弹。例如在工件的弯曲变形区上压制加强筋，如图5．6所示。

图5．6 改进弯曲件局部结构

图5．7 拉弯工艺示意图

3）工艺改进措施

①采用热处理工艺。对一些硬材料和已经冷作硬化的材料，弯曲前先进行退火处理，降低其硬度以减小弯曲时的回弹，待弯曲后再淬硬。在条件允许的情况下，甚至可使用加热弯曲。

②采用拉弯工艺。对于相对弯曲半径很大的弯曲件，由于变形区大部分处于弹性变形状态，弯曲回弹量很大。这时可以采用拉弯工艺，如图5．7所示。工件在弯曲变形的过程中受到了切向（纵向）拉伸力的作用。施加的拉伸力应使变形区内的合成应力大于材料的屈服极限，中性层内侧压应变转化为拉应变，从而材料的整个横断面都处于塑性拉伸变形的范围，也就是说，变形区内外侧都处于拉应变范围。卸载后内外两侧的回弹趋势相互抵消，因此可大大减小弯曲件的回弹。

一般小型弯曲件可采用在毛坯直边部分加压边力来限制非变形区材料的流动（见图5．8）；或者减小凸、凹模间隙使变形区的材料作变薄挤压拉伸（见图5．9），以增加变形区的拉应变。

图5．8 压边力弯曲

图5．9 小间隙弯曲

4）改进模具结构

①补偿法。利用弯曲件不同部位回弹方向相反的特点，按预先估算或试验所得的回弹量，修正凸模和凹模工作部分的尺寸和几何形状，以相反方向的回弹来补偿工件的回弹量。如图5．10所示，其中图5．10（a）为单角弯曲时，根据工件可能产生的回弹量，将回弹角做在凹模上，使凹模的工作部分具有一定的斜度。图5．10（b）、（c）也为单角弯曲时的凸、凹模补偿形式。双角弯曲时，可以将弯曲凸模两侧修去回弹角，并保持弯曲模的单面间隙等于最小料厚，促使工件贴住凸模，开模后工件两侧回弹至垂直。或者将模具底部做成圆弧形，利用开模后底部向下的回弹作用来补偿工件两侧向外的回弹。

图5．10 补偿法

②校正法。运用校正弯曲工序，对弯曲件施加较大的校正压力，可以改变其变形区的应力应变状态，以减小回弹量。通常，当弯曲变形区材料的校正压缩量为板厚的2％～5％时，可以得到较好的效果。校正法如图5．11所示。

图5．11 校正法

当材料厚度在0．8mm以上，塑性比较好，而且弯曲圆角半径不大时，可以改变凸模结构，使校正力集中在弯曲变形区，加大变形区应力应变状态的改变程度（迫使材料内外侧同为切向压应力、切向拉应变），从而使内外侧回弹趋势相互抵消。

5．2．2 弯曲分析及工艺设计

（1）弯曲成形极限

弯曲过程中，外层材料受拉，当相对弯曲半径小于最小相对弯曲半径时，外层材料会开裂，此时弯曲变形达到极限状态。

表示弯曲成形极限的参数是最小相对弯曲半径，以rmin／t表示。rmin／t数值越小，板料的成形性能越好。

（2）最小相对弯曲半径rmin／t的确定

弯曲时，弯曲半径越小，板料外表面的变形程度越大，若弯曲半径过小，则板料的外表面将超过材料的变形极限而出现裂纹或拉裂。在保证弯曲变形区材料外表面不发生破坏的条件下，弯曲件内表面所能形成的最小圆角半径称为最小弯曲半径。

最小弯曲半径与弯曲材料厚度的比值rmin／t称为最小相对弯曲半径。rmin／t又被称为最小弯曲系数，是衡量弯曲变形程度的主要标志。

最小弯曲半径的数值，可以根据如图5．12所示用下列近似计算方法求得。在厚度一定的

条件下，设中性层位置半径为ρo＝r＋t／2，则弯曲圆角变形区最外层表面的切向拉应变εθ为：

图5．12 板料的弯曲状态及中性层

将ρo＝r＋r／2代入式（5．1）得：

即

当εθ达到材料拉应变的最大极限值εθmax时，相对弯曲半径为最小值rmin／t，即

材料的εθmax值越大，则相对弯曲半径极限值rmin／t越小，说明板料弯曲的性能越好。

（3）影响最小相对弯曲半径rmin／t的因素

1）材料的力学性能

材料的塑性越好，许可的相对弯曲半径越小。对于塑性差的材料，其最小相对弯曲半径应大一些。可以采用热处理的方法来提高某些塑性较差材料以及冷作硬化材料的塑性变形能力，以减小最小相对弯曲半径。

2）弯曲中心角α

弯曲中心角α是弯曲件圆角变形区圆弧所对应的圆心角。理论上弯曲变形区局限于圆角区域，直边部分不参与变形，似乎变形程度只与相对弯曲半径r／t有关，而与弯曲中心角无关。但实际上由于材料的相互牵制作用，接近圆角的直边也参与了变形，扩大了弯曲变形区的范围，分散了集中在圆角部分的弯曲应变，使圆角外表面受拉状态有所缓解，从而有利于降低最小弯曲半径的数值。

弯曲中心角越小，变形分散效应越显著，因此最小相对弯曲半径的数值也越小。反之，弯曲中心角越大，对最小相对弯曲半径的影响将越弱，当弯曲中心角大于90°后，对相对弯曲半径已无影响（见图5．13）。

图5．13 弯角α对rmin／t的影响

3）板料的纤维方向

弯曲所用的冷轧钢板，经多次轧制具有方向性。顺着纤维方向的塑性指标优于与纤维相垂直的方向。当弯曲件的折弯线与纤维方向垂直时，材料具有较大的拉伸强度，不易拉裂，最小相对弯曲半径rmin／t最小。而平行时最小相对弯曲半径最大（见图5．14（a）、（b））。

因此对于相对弯曲半径较小或者塑性较差的弯曲件，折弯线应尽可能垂直于轧制方向。当弯曲件为双侧弯曲，而且相对弯曲半径又比较小时，排样时应设法使折弯线与板料轧制方向成一定角度（见图5．14（c））。

图5．14 板料的纤维方向

4）板料的冲裁断面质量和表面质量

弯曲用的板料毛坯，一般由冲裁或剪裁获得，材料剪切断面上的毛刺、裂口和冷作硬化以及板料表面的划伤、裂纹等缺陷，将会造成弯曲时应力集中，材料易破裂。因此表面质量和断面质量差的板料弯曲，其最小相对弯曲半径rmin／t较大。

生产实际中，需要用到较小的rmin／t值时，可以采用弯曲前去除毛刺或将材料有小毛刺的一面朝向弯曲凸模、切除剪切断面上的硬化层或者退火处理等方法，以避免工件破裂。

5）板料宽度

弯曲件的相对宽度越大，材料沿宽向流动的阻力越大；相对宽度越小，则材料沿宽向流动越容易，可以改善圆角变形区外侧的应力应变状态。因此，相对宽度较小的窄板，其相对弯曲半径可以较小（见图5．15）。

图5．15 剪切断面质量和相对宽度对最小相对弯曲半径的影响

图5．16 材料相对厚度对最小相对弯曲半径的影响

6）板料厚度

弯曲变形区切向应变在板料厚度方向上按线性规律变化，内、外表面最大，在中性层上为零。当板料的厚度较小时，按此规律变化的切向应变梯度很大，与最大应变的外表面相邻近的纤维层可以起到阻止外表面材料局部不均匀延伸的作用，因此薄板弯曲允许具有更小的rmin／t值（见图5．16）。

车身常用材料rmin／t见表5．3。

表5．3 最小相对弯曲半径rmin／t

5．2．3 弯曲偏移分析及工艺设计

偏移一般是由于零件或模具不对称使工件两边受到的摩擦力不相等，引起毛坯在弯曲过程中在水平方向移动造成的。

为了防止偏移现象的发生，应在模具上设置压料装置（见图5．17）或利用弯曲件上的工艺孔采用定位销定位（见图5．18）。对于弯曲形状复杂或需多次弯曲的工件，也应预先在弯曲件上设计出定位工艺孔。

图5．17 压料装置

图5．18 定位销定位

5．2．4 弯曲件的结构工艺设计

弯曲件的最大弯曲圆角半径可以不加限制，只要措施得当，控制其回弹量，最终可以弯出所需的工件。但最小弯曲圆角半径是有限制的，小于此极限，工件弯曲变形区外侧将出现破裂。当弯曲件有特殊要求必须小于最小弯曲圆角半径时，可以采取以下工艺措施加以解决。

①第一次采用较大的弯曲件半径，经中间退火后再弯至要求的半径尺寸。

②对于板料厚度在1mm以下的薄料工件，要求弯曲内侧清角时，可以采用改变结构、压出圆角凸肩的方法，如图5．19、图5．20所示。

图5．19 压圆角凸肩

图5．20 V形件和U形开槽