無壓邊力時寬板U形彎曲的回彈試驗研究

文/潘祖軍·江蘇清拖農業裝備有限公司

李艷·江蘇信息職業技術學院

無壓邊力時寬板U形彎曲的回彈試驗研究

文/潘祖軍·江蘇清拖農業裝備有限公司

李艷·江蘇信息職業技術學院

當帶狀板材受到沖壓時，如果沖壓工藝設計不合理，反彈會使板料的沖壓結果不能符合圖紙要求。本文用實驗的方法探求無壓邊力的情況下板材的回彈問題，分別就材料性能、板料厚度、凸模圓角半徑、凸凹模間隙、凹模跨度、摩擦系數等諸多因素對板料回彈的影響做出了分析。

在板料沖壓實踐中，經常會遇到沒有壓邊裝置，而需要對寬板進行沖壓，此時寬板的回彈就會影響板材的沖壓精度，影響板材與其他零件的裝配精度，因此對寬板的回彈控制就顯得相當重要。在寬板彎曲方面，賀廣零博士等人根據寬板彎曲過程中的變形與應力分布特征，提出了一種計算彎曲過程中板料厚度隨彎曲程度變化的新的近似求解方法。該方法基于塑性增量理論，應用塑性成形過程的體積不變假設和彎曲過程的平截面假設作為算例，得到了理想剛塑性、線性強化剛塑性材料的板料厚度、變薄系數以及應變中性層內移系數隨板料彎曲內表面半徑變化的規律。官英平副教授等人利用ANSYS軟件，通過對寬板V形自由彎曲及卸載過程的有限元數值模擬，研究了影響成形及卸載過程的因素。本文則從沖壓實踐來研究寬板在沖壓彎曲過程中的反彈受哪些因素影響。

寬板U形彎曲研究試驗設備

實驗設備包括：XP2CC-315T四柱液壓機、WD-1C型多功能電子實驗機、移動式多功能實驗數據采集系統、縱向位移傳感器、橫向位移傳感器。其中，移動式多功能實驗數據采集系統負責將傳感器采集到的模擬信號轉換成數字信號并實時地顯示與記錄，如圖1所示。在無壓邊力時，研究材料性能、板厚、凸模圓角半徑、凸凹模間隙、凹模跨度、摩擦對彎曲回彈的影響。

圖1 彎曲試驗系統

材料性能對回彈的影響

在凸模圓角半徑rp=15mm，凹模跨度L=100mm，厚度t=0.9mm，凸凹模間隙c=1.0mm，彎曲角α=90。，所用的材料分別為Cu（黃銅HPb59-1）、08Al（屈服強度約275MPa左右）、ST12的條件下進行試驗。圖2是三種板料U形彎曲回彈后工件的形狀，表1為三種工件彎曲后回彈的角度。

圖2 不同材料板料U形彎曲回彈后工件的形狀

從表1可以看出，Cu的回彈量最大，為50。；ST12回彈量最小，為11。。這是因為材料性能是影響彎曲回彈量Δα的重要因素，其中材料屈服極限ReL愈高，彈性模量E愈小，則彎曲后回彈量Δα愈大；硬化指數n值愈小，回彈量也愈大。由于在三種材料中，Cu的ReL值大，E值小，n值也小，故其回彈最大。反之，ST12的ReL值小，E值大，n值也大，故其回彈最小。

■ 表1 三種材料回彈的角度

板料厚度對回彈的影響

在凸模圓角rp=15mm，跨度L=100mm，厚度t分別為0.6mm、1.0mm、1.1mm、3.0mm，凸凹模間隙c=1.1t，彎曲角α=90。，材料為08Al的條件下進行試驗。圖3及圖4分別為U形彎曲回彈后工件的形狀以及板厚對回彈的影響。從圖3、圖4中可以看出，隨著板厚的增大，回彈角度減小。因為板厚增大，截面慣性矩增大，因此回彈減小。

凸模圓角半徑對回彈的影響

圖3 不同板厚下U形彎曲回彈后工件的形狀板料厚度t/mm

圖4 板料厚度對回彈的影響

在凹模跨度L=100mm，厚度t=0.9mm，凸凹模間隙c=1.0mm，凸模圓角半徑rp分別為5mm、10mm、15mm，彎曲角α=90。，材料為08Al的條件下進行試驗。圖5及圖6為U形彎曲回彈后工件的形狀以及凸模圓角半徑對回彈的影響。

從圖5、6中可以看出，隨著凸模圓角半徑的增大，回彈角度也隨之增大。因為當α一定時，隨凸模圓角半徑增大，彎曲變形區變大，其中彈性成分隨之增大，因此卸載后回彈增大。

圖5 不同凸模圓角半徑U形彎曲回彈后工件的形狀

凸凹模間隙對回彈的影響

在凸模圓角rp=15mm，凹模跨度L=100mm，厚度t=0.9mm，凸凹模間隙c分別為 0.7mm、1.1mm、1.5mm、1.7mm、3.0mm，材料為08Al，彎曲角α=90。的條件下進行試驗。圖7及圖8分別為U形彎曲回彈后工件的形狀以及間隙對回彈的影響。從圖7、圖8中可以看出，隨著間隙的增大，回彈角度增大。

圖6 凸模圓角半徑對工件的影響

圖7 不同間隙下U形彎曲回彈后工件的形狀

圖8 凸凹模間隙對回彈的影響

凹模跨度對回彈的影響

在凸模圓角rp=15mm，厚度t=0.9mm，凸凹模間隙c=1.0mm，凹模跨度L分別為80mm、100mm、120mm，彎曲角α=90。，板料為08Al的條件下進行試驗。圖9及圖10分別為U形彎曲回彈后工件的形狀以及凸凹模跨度對回彈的影響。從圖9、圖10中可以看出，隨著凸凹模跨度的增大，回彈角增大。

圖9 不同跨度下U形彎曲回彈后工件的形狀

圖10 凹模跨度對回彈角的影響

潤滑材料對回彈的影響

在凸模圓角rp=15mm，凹模跨度L=100mm，板厚t=0.9mm，凸凹模間隙c=1.0mm，彎曲角α=90。，潤滑材料分別為塑料薄膜、黃油和液壓油，材料為08Al的條件下進行試驗。圖11是不同摩擦條件下U形彎曲回彈后工件的形狀。表2是不同潤滑材料對回彈角的影響。

圖11 使用不同潤滑材料時U形彎曲回彈后工件的形狀

■ 表2 潤滑材料對回彈角的影響

從圖中可以看出，塑料潤滑回彈最大，液壓油潤滑回彈最小。這是因為采用塑料潤滑，摩擦系數最小，液壓油摩擦系數最大。摩擦系數大，使摩擦力增加，從而增加了變形后的拉應力。板材在拉力下彎曲，可以改變板料內部的應力狀態，使中性層內側的壓應力轉為拉應力狀態。此時，板料整個剖面上都處于拉應力作用下，而卸載后內、外層纖維的回彈趨勢互相抵消，因此當摩擦增大時，使回彈減小。但從回彈數據中可以看出，使用三種潤滑材料回彈后的角度分別為106。、105.5。和105.75。，差別不大，證明潤滑材料對無壓邊力U形彎曲回彈的影響不大。

結束語

本文研究了影響板材U形彎曲在無壓邊力時影響回彈的主要因素，區別于其他學者用有限元分析沖壓反彈或從純粹的數學角度去分析回彈，本文以試驗的方法來分析板材厚度、材料性能、凸凹模圓角、凸凹模間隙、凹模跨度、摩擦系數對回彈的影響。通過試驗驗證，可以選擇以下的條件：

⑴選擇彎曲性能好的材料，用屈服極限小、彈性模量大的材料，可獲得較高的彎曲質量。此外，坯料的厚度公差大小，表面質量的優劣和平面度的好壞，都對彎曲回彈有較大的影響。對彎曲精度要求高的工件，也要對坯料此方面的質量加以篩選。

⑵選擇較小的相對彎曲半徑，r/t值小，表明變形程度大。一般在r/t≤3 ～5時，認為板料的彎曲區已全部進入塑性狀態。較小的相對彎曲半徑對減小回彈有利，但過小的相對彎曲半徑會使彎曲區破裂。

⑶對U形彎曲來說，其回彈隨凹模開口深度增大而減少，隨模具間隙減小而回彈量減小。若彎曲精度高的工件，可以取彎曲單邊間隙值為Z=t（t為板料厚度）；若需要更高的彎曲精度，可以采用帶有稍許變薄的彎曲，會對減少回彈更有用。因為小間隙彎曲，可以改變板料的應力狀態，使其由普通的彎曲轉化為具有拉彎性質的彎曲，使壞料的中性層內側處于壓應力狀態，從而坯料整個截面在切向均處于拉應力狀態，卸載后內外側纖維回彈相互抵消，可減小回彈。以上經驗可作為鈑金設計者設計工件彎曲時參考。

潘祖軍，高級工程師，主要研究方向為沖壓模具。曾發表論文6篇，獲得國家發明專利2項、實用新型專利2項。