鈑金變形因素及工藝參數(shù)分析研究

山推工程機械股份有限公司材料成型分公司（山東濟寧 272073）徐宗磊 李 勇 李賀德 靳 博 李新華

鈑金是沖壓工藝中最為普遍的成形方法之一，在成形過程中包含有接觸碰撞、摩擦磨損及彈塑性變形等多種復(fù)雜物理現(xiàn)象，常見有起皺、拉裂、回彈等多種缺陷，對零件形狀、尺寸精度及生產(chǎn)效率有很大影響，因此對鈑金變形分析迫在眉睫。

1.折彎機結(jié)構(gòu)

折彎機結(jié)構(gòu)如圖1所示，折彎機工作通過兩個基于變頻器驅(qū)動的交流伺服電動機來調(diào)整滑塊位移，使用兩個伺服電動機驅(qū)動后擋料，折彎機通過調(diào)整后擋料架左右前后、滑塊上下位移，即可折成不同形狀彎曲件。折彎過程為根據(jù)折彎工件要求，后擋料架首先移動到工件直邊定位點處，根據(jù)折彎半徑選定上模，移動滑塊及上模下壓到折彎角度要求處對工件進行折彎，然后回程，重復(fù)以上過程直至折彎工件加工完畢。

圖1 折彎機結(jié)構(gòu)

2.鈑金變形分析

工件在折彎過程中，不可避免會發(fā)生彎曲變形，通過對彎曲過程中板材變化規(guī)律分析得到影響因素，從而在工藝設(shè)計中進行補償。

（1）變形區(qū)域分析 通過對普通板材破壞分析，應(yīng)力應(yīng)變進行CAE分析，可以得到板材發(fā)生變形主要集中區(qū)域，如圖2～圖4所示。

圖2 破壞分析

圖3 應(yīng)變分析

由破壞分析可以得到，折彎過程中容易發(fā)生斷裂或撕裂部位主要集中在外皮區(qū)域。由應(yīng)變分析可以得到，折彎過程中應(yīng)變有折彎內(nèi)皮向中性層逐漸減小，由中性層向外皮逐漸增大，在折彎外皮處，應(yīng)變達到最大值。由應(yīng)力分析可以得到，折彎過程中，應(yīng)力主要集中于折彎外皮區(qū)域。

圖4 應(yīng)力分析

綜上所述，折彎過程中工件應(yīng)力應(yīng)變主要集中用外皮區(qū)域，因此同時發(fā)生變形及撕裂現(xiàn)象。

（2）工件彎曲變形因素 彎曲部位局部變薄。工件彎曲變形時,由于在板厚方向中心層逐漸內(nèi)移，外層拉伸變薄區(qū)域范圍逐漸變大，內(nèi)層壓縮變厚區(qū)域逐漸減小，因此外層變薄區(qū)域大于內(nèi)層變厚區(qū)域，板材在板厚方向就會出現(xiàn)局部變薄現(xiàn)象。由于一般工件寬度要比板厚大得多，彎曲時寬度方向可以近似看為不變形，根據(jù)塑性變形體積不變原理，工件因為變薄而流動的材質(zhì)使得長度方向增加。

局部變薄現(xiàn)象與工件相對彎曲半徑（r/t）有關(guān)，相對彎曲半徑越小，彎曲變薄現(xiàn)象越嚴(yán)重，彎曲變薄現(xiàn)象不能完全消除。

彎曲回彈現(xiàn)象。工件在彎曲過程中分為4個階段，彈性變形、彈-塑性變形、塑性變形及彈性變形回復(fù)。工件在塑性成形過程中，總會伴隨著彈性變形，當(dāng)外加載荷去除之后，塑性變形保持彈性變形消失，使得工件彎曲形狀與模具尺寸不同，發(fā)生回彈現(xiàn)象。通過CAE分析，得到回彈半徑、回彈角與板材、模具及材料性質(zhì)之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 回彈影響因素曲線

影響回彈的因素很多，除了上述影響因素外還與彎曲半徑、彎曲中心角、模具開口度，工件形狀、摩擦因數(shù)、彎曲校正力、彎曲方式等因素有關(guān)。

（3）彎曲后翹曲、扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象 折彎中，工件長度方向發(fā)生變形，引起寬度方向板料移動，以中性層為中心，中性層外側(cè)工件拉伸變薄，板料由寬度方向流入對此進行補充，因此外側(cè)寬度方向變短，中性層內(nèi)側(cè)相反變長，引起寬度方向變長，最終導(dǎo)致在彎曲方向發(fā)生翹曲，在折彎寬度相對較大時，工件產(chǎn)生了相對寬度方向扭轉(zhuǎn)。翹曲、扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象與材料性質(zhì)、相對彎曲半徑及模具剛度等因素有關(guān)。

3.工藝參數(shù)分析

在工件加工前，首先需對工件進行工藝參數(shù)分析，后續(xù)通過對折彎過程中加工參數(shù)控制，保證產(chǎn)品尺寸及形狀精度。

（1）工藝參數(shù)分析 在對工件進行工藝分析時，首先確定現(xiàn)有設(shè)備是否能夠完成圖樣要求，即工藝可行性分析，判斷參數(shù)主要有回彈角、工件尺寸、成形力、工件相對彎曲半徑、直邊長度、孔邊距等幾何特征量，參數(shù)確定將為工件生產(chǎn)所需設(shè)備、上下模，毛坯下料及加工參數(shù)設(shè)置等提供依據(jù)。

回彈角：由于板材在折彎完后，彈性變形回復(fù)，回彈量多少直接影響工件質(zhì)量。通過回彈值確定，為后續(xù)加工參數(shù)控制提供依據(jù)，如圖6所示。

圖6 回彈示意

回彈角Δα：

r/t≤5時，

其中 Δα——回彈角度；

α0——工件彎曲角度；

r——上模圓角半徑；

σs——工件屈服強度；

E——工件彈性模量；

t——板材厚度；

V——下模開口大小。

通過回彈角的確定為后續(xù)加工參數(shù)補償量提供依據(jù)。

折彎工藝力：折彎工藝力是彎曲工藝設(shè)計和選擇設(shè)備、設(shè)計模具的重要依據(jù)，如圖7所示。

對于V形彎曲：

式中 F0——彎曲力計算值；

b——展開長度；

σb——材料抗拉強度；

t——材料板厚；

V——下模開口大小。

圖7 折彎力示意

在實際生產(chǎn)過程中工藝力一般選取F=1.1F0，通過工藝力計算確定所選設(shè)備。

相對彎曲半徑：相對彎曲半徑（r/t）表征工件在彎曲時切向彎曲程度大小，r/t越小，彎曲時變形程度越大，當(dāng)r/t小到一定程度時，會使工件撕裂或者折斷。

根據(jù)經(jīng)驗公式：

式中 r——彎曲半徑；

rmin——最小彎曲半徑；

V——下模開口；

t——板材厚度；

k——常數(shù)，與材料軋制方向有關(guān)。

在實際生產(chǎn)過程中一般下模開口大小為板厚的8～10倍，通過此可以選定折彎所用上模刀具及下模開口大小。

直邊長度、孔邊距：通過計算確定工件展開長度及折彎線位置，根據(jù)所選定刀具、下模開口大小，確定直邊長度及孔邊距的要求。根據(jù)折彎線到工件邊線或者到孔邊線距離大于下模開口一半的原則，即

通過以上計算確定下料時，是否需要增加余料及孔，是否處于變形區(qū)域范圍內(nèi)，最終確定整個工件工序。通過以上工藝分析確定工件是否可以進行加工，并就選定設(shè)備，上下模及所需工序。

（2）加工參數(shù)分析 折彎過程中，加工參數(shù)選擇直接決定加工產(chǎn)品是否能夠滿足圖樣要求尺寸精度及形狀精度。對數(shù)控折彎機而言，在折彎過程中主要參數(shù)包括滑塊行程、后擋料定位。通過滑塊行程控制能夠得到工件要求折彎角度。通過后擋料定位確定成形工件折彎區(qū)域的準(zhǔn)確性。

后擋料定位：通過后擋料定位值以保證折彎位置準(zhǔn)確性。對于不同折彎情況，后擋料板定位值如附表所示，彎曲示意見圖8。

圖8 彎曲示意

后擋料板定位置

其中X為定位值，a為直邊長度，m為彎曲圓角展開長度修正值，h為后擋料板高度，t為板材厚度。

滑塊下壓量：滑塊下壓量為折彎機折彎深度。工件折彎角度由折彎機折彎深度來決定。折彎深度（γ）與所選模具、彎曲角度、板厚、材質(zhì)、彎曲半徑、回彈量有關(guān)，如圖9所示。

折彎理論下壓量Y1：

圖9 下壓量示意

變薄量Y2：

圓角過渡修正量Y3：

回彈角補償量：

r/t≥5時，

r/t＜5時，

因此，折彎實際深度值為：

其中 α——折彎角度；

V——下模開口；

Y——折彎深度；

r——折彎半徑；

ζ——變薄系數(shù)；

Α——材料簡化系數(shù)；

x——中性層系數(shù)；

t——板材厚度。

4.結(jié)語

通過對鈑金過程中變形分析，得到以下結(jié)論：鈑金過程中容易發(fā)生變形區(qū)域主要集中板材彎曲外皮處。鈑金過程中工件變形主要因素為板材彎曲部位局部變薄、發(fā)生回彈及發(fā)生翹曲和扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。對工藝參數(shù)進行分析，確定鈑金件折彎時所用設(shè)備、模具等。對加工參數(shù)進行理論分析，為實際加工過程中參數(shù)設(shè)定提供依據(jù)。