高強(qiáng)板折彎模具折彎原理及折彎力計(jì)算

周 歡，席美蕾，趙小滿

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225127；2.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 江都225200）

0 前言[1]

高強(qiáng)度板目前主要有WELDOX 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板和HARDOX 耐磨鋼板等系列，寶鋼自主研發(fā)生產(chǎn)的BW 系列熱軋耐磨鋼也屬于高強(qiáng)度板。與普通板材相比，高強(qiáng)度板具有強(qiáng)度高、硬度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、大型船舶、壓力容器、工程機(jī)械、航空航天等對(duì)材料性能要求較高的行業(yè)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

1 折彎原理及要求[2][3]

由于高強(qiáng)度板材具有非常高的強(qiáng)度、較好的應(yīng)變硬化能力、較強(qiáng)的均勻變形能力、更高的疲勞特性而得到廣泛應(yīng)用。但在高強(qiáng)度板材應(yīng)用特別是在精密制造中，由于板材強(qiáng)度的大幅度提高，給成形工藝和模具設(shè)計(jì)制造帶來(lái)了許多新的問(wèn)題。采用普通折彎模具進(jìn)行折彎時(shí)，往往會(huì)首先破壞模具而無(wú)法進(jìn)行折彎，高強(qiáng)度板折彎模具正是針對(duì)這一需求進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的。

折彎方式主要分為兩大類，一個(gè)是自由折彎，另一個(gè)是壓底折彎。該模具采用自由折彎方式，即采用凹模的形狀固定不變，板料架于凹模之上，折彎?rùn)C(jī)滑塊帶動(dòng)凸模向下折彎，將板料在凹模中折彎成一定角度。板料折彎的角度取決于凸模進(jìn)入凹模的深度，因此可以利用一副模具將工件折彎成不同的角度。與普通折彎模具相比，高強(qiáng)度板折彎模具具有如下優(yōu)點(diǎn)及要求：

（1）上、下模組件采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼加工組裝而成，加工、安裝方便。

（2）高強(qiáng)度板折彎后回彈量較大，下模V 型口角度要小。

（3）上模尖R 弧部分經(jīng)過(guò)局部淬火處理，提高表面硬度，在折彎時(shí)不會(huì)產(chǎn)生壓縮變形，如圖1 所示。

圖1 折彎原理示意圖

（4）下模采用高硬度材料，提高下模抗磨損性能，下模?？诓捎梅绖潅O(shè)計(jì)，兩側(cè)安裝兩根輥?zhàn)?，輥?zhàn)硬捎煤辖饒A棒制成，不易磨損。當(dāng)進(jìn)行折彎作業(yè)時(shí)，兩根輥?zhàn)涌呻S工件的折彎而轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使工件與輥?zhàn)又g沒(méi)有滑動(dòng)摩擦，僅有滾動(dòng)摩擦，可保護(hù)工件表面不被劃傷。

（5）上模R 弧比普通模具大，否則折彎會(huì)出現(xiàn)裂紋，根據(jù)板材供應(yīng)商提供的參數(shù)，取R≥4s（s 為折彎板材厚度）。

（6）可實(shí)現(xiàn)300～500t/m 以上的折彎能力。

2 自由折彎時(shí)折彎力計(jì)算及適用范圍[4][5]

折彎力是折彎工藝設(shè)計(jì)和選擇設(shè)備、設(shè)計(jì)模具的重要依據(jù)，折彎力大小受材料性能、零件形狀、折彎方法和模具結(jié)構(gòu)等多種因素的影響。在通用模具上進(jìn)行自由折彎時(shí)，大都將板料折彎90°，這里僅介紹折彎90°高強(qiáng)度板材時(shí)所需折彎力的理論計(jì)算過(guò)程。

折彎時(shí)V 形槽的寬度一般以板料厚的8～10 倍為最佳。如果凹模開口距離過(guò)小，由于彎曲半徑減小，可能會(huì)導(dǎo)致折彎層斷裂。開口過(guò)大，彎曲力和擠壓痕會(huì)減小，但會(huì)帶來(lái)回彈值的增加，所以下模開口必須考慮回彈。折彎時(shí)工件內(nèi)徑一般取r=（0.16～0.17）V，本文選取寬厚比V/S=9，徑寬比r/V=0.16。

板材在折彎過(guò)程中，變形區(qū)處于高度塑性變形狀態(tài)，并圍繞中心線彎轉(zhuǎn)一個(gè)角度，變形區(qū)除彎曲中心層附近，其余各處的應(yīng)力均接近于材料的抗拉強(qiáng)度，且在中心層上部受壓，下部受拉。圖2 為折彎過(guò)程中變形區(qū)截面與應(yīng)力圖。

圖2 折彎應(yīng)力圖

變形區(qū)截面所受彎矩：

折彎力在變形區(qū)產(chǎn)生的彎矩：

由M1=M2得

折彎90°時(shí)：

將K 代入上式可得：

式中：F——折彎力，kN；

S——板材厚度，mm；

l——折彎長(zhǎng)度，m；

V——下模開口寬度，mm；

σb——材料抗拉強(qiáng)度，MPa。

實(shí)際折彎力比理論計(jì)算要大些，這是因?yàn)檎蹚澐€(wěn)定性的原因，折彎壓力小時(shí)，折彎?rùn)C(jī)滑塊容易受到負(fù)載產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，增大折彎力之后抖動(dòng)現(xiàn)象好轉(zhuǎn)。且鋼板的抗拉強(qiáng)度和硬度越高，所需的折彎力越大。

3 折彎模具方案與比較

折彎模具經(jīng)過(guò)嚴(yán)格選材，細(xì)致加工，高標(biāo)準(zhǔn)的熱處理，細(xì)致的精磨，嚴(yán)格的檢驗(yàn)，從而保證了模具的質(zhì)量。其主要要求是高強(qiáng)度、高韌性和良好的耐磨性能。

折彎模具的材料通常有9CrSi、6CrW2Si、Cr12MoV等[6]。選用冷作模具鋼，Cr12MoV 是很好的材料，使用性能可滿足需要, 工藝性能也好, 但價(jià)格略高。42CrMo 是強(qiáng)度較高的合金調(diào)質(zhì)鋼,強(qiáng)度很高,強(qiáng)韌性也好。表1、2 分別列舉了幾種上、下模設(shè)計(jì)方案，分別對(duì)比了制造成本、制造難度、選材、承載、精度、強(qiáng)度、壽命等多個(gè)影響因素。

表1 上模方案比較

表2 下模方案比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)高強(qiáng)板折彎模具的理論設(shè)計(jì)，介紹了與普通模具相比的優(yōu)越之處。并對(duì)理論折彎力做了詳細(xì)推導(dǎo)計(jì)算。最后還從制作成本、制作難度、精度、承載等多個(gè)方面對(duì)上、下模幾種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，對(duì)合理選用折彎模具有非常重要的經(jīng)濟(jì)意義。

[1]丁 靜.鈑金數(shù)控折彎工藝系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2004.

[2]余新陸.板件柔性制造系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]譚曼華，羅玉峰，何國(guó)雄.無(wú)擦傷折彎模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè)，2005，（8）.

[4]曹光榮，張子?xùn)|，劉 進(jìn)，等.高強(qiáng)度板材折彎工藝數(shù)據(jù)的分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（5）：76-79.

[5]劉 進(jìn)，孔 飛，劉宏道.板料折彎?rùn)C(jī)自由折彎時(shí)折彎力計(jì)算[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（3）：36-37.

[6]張 隨.加工高強(qiáng)度鋼板的工模具鋼選用[J].汽車工藝與材料，2010，（6）：6-9.