厚板料復雜彎曲件的成形加工

葉俊勇

杭州東華鏈條集團有限公司 浙江杭州 311100

1 序言

制造業中，板料彎曲工藝占比大。模具設計人員與工藝師主要是依賴經驗與技巧來制定工藝與模具結構，在實際制造過程中會出現一些缺陷，只能靠反復試模給予修正。有些特殊的產品成形，設計師與工藝師如果缺少這方面的經驗，投入生產前的驗證工作量與試錯成本就會增大。如果預先了解該類產品的成形特性與加工方法，就能制定合理的模具結構與制造工藝，提高產品的一次成功率。現通過對以下產品的分析，結合實踐中的經驗，為此類產品的工藝與模具結構的確定提供理論依據。

2 零件工藝分析

圖1所示為某造紙廠自動化輸送生產線上的裝載工具——紙卷托板，其外形尺寸為350mm×180mm×61mm，材料采用Q345。從使用要求來看，它具有以下特點。

圖1 紙卷托板

1）板件裝配示意如圖2所示，要求配合精度高，壓彎尺寸達到圖樣要求，托板的壓彎凹槽部位與輸送線上的配件配合度好，以保證輸送線順暢、靈活地轉動。

圖2 板件裝配示意

2）要求表面粗糙度好，表面不應有壓彎裂痕。

3）由于鏈板厚度厚，壓彎力大，所以需要的壓力機噸位高。由公式可計算出鋼板原材料彎曲力，計算過程如下。

式中，F1為彎曲力（N）；K為安全系數；b為板件寬度（mm）；t為板件厚度（mm）；r為板件內彎曲半徑（mm）；σb為板件的強度極限（MPa）。

經過計算可知彎曲力為2135.466kN，因此，該彎曲件需選用噸位＞218t的壓力機，使所需的彎曲力小于所選用的壓力機噸位，從而滿足零件成形的壓力要求。

在車間現有的設備情況下，無法滿足此零件的加工。要想在現有條件下生產出合格的產品，就必須采取措施降低彎曲力或改用其他加工方法。降低彎曲力的方法最常用的有兩種——退火和加熱。針對板厚大的工件彎曲，根據生產實踐中的經驗可知，材料退火加工后存在兩大缺陷：一是在彎曲變形過程中，工件容易開裂，彎曲質量不夠理想，會導致產品質量不穩定；二是不能形成快速反應，退火工件需到熱處理車間裝爐等待3天時間。經分析和多次試驗，決定采用加熱壓彎來完成，加工1000片工件時加熱壓彎與退火壓彎的對比見表1。加熱壓彎可以彌補退火壓彎的不足，既可以得到穩定的工件質量，又無需到熱處理車間等待較長時間，工人可隨時把工件燒紅進行壓彎。而退火壓彎會導致產品因內應力過大而發生斷裂，且部分產品的尺寸達不到要求，產生很多次品。其工序為：零件燒紅→壓彎成形。

表1 加熱壓彎與退火壓彎對比（加工1000片工件）

3 零件材料分析

（1）熱壓彎的加熱溫度 鋼材的塑性不是一成不變的，而是隨著溫度的變化而變化，在一個合適的溫度下進行彎曲變形，所需的彎曲力較小，加工相對容易。但也不是所有的加熱溫度都可以選用，需要對加熱溫度進行合理的選擇。在100～400℃的溫度范圍內，鋼的塑性不好，在理論上屬于藍脆溫度，并不利于加工造型，因為在塑性差的情況下，任何加工都容易產生加工缺陷。在該零件的加工現場，選擇將鏈板加熱到1000℃左右進行壓彎。在良好的塑性條件下，零件不僅可以一次壓彎成形，而且表面光滑，沒有裂紋產生。

（2）壓彎力分析 表2為不同材料在加熱狀態下的抗剪強度，由表2可知，隨著加熱溫度的增加，鋼的抗剪強度隨之大幅度減小，所需的壓彎力也隨之減小。

表2 不同材料在加熱狀態下的抗剪強度 （單位：MPa）

在加熱狀態下壓彎，查表可知，Q235的抗剪強度可取60MPa，帶入公式計算彎曲力F2。

彎曲力為232.96kN，板料比較容易成形，噸位為24t的壓力機即可滿足要求。經現場實踐，車間現有的160t壓力機完全滿足板料壓彎成形需求，模具現場裝配情況如圖3所示。

圖3 模具現場裝配情況

4 加熱壓彎過程中的注意事項

（1）加熱過程控制 零件是在燒紅后進行壓彎加工的，由于三個壓彎處一起成形加工，材料變形比較嚴重，因此必須要使三個壓彎處均勻受熱，冷卻時也要均勻冷卻，才能減少尺寸變形。所以在加熱工件時，不能一次性加熱所有零件，可在壓力機邊上安裝好加熱感應設備，工人將一片工件加熱到規定溫度后，立馬在壓力機上壓彎成形，再自然冷卻，接著循環往復地進行下一片加工。

（2）模具尺寸的控制 合模如圖4所示，在壓彎過程中，凸起的頂端部分最先接觸到板料，頂端的變形是彎曲變形與拉伸變形的復合過程，加熱后的材料有熱脹冷縮的特性，這一特性對零件彎曲成形的尺寸控制有很大影響，模具尺寸需要考慮這部分變形。這就需要知道材料在不同的溫度下的線脹系數，但是該線脹系數沒有固定數值，一般隨著溫度的升高而變大。鋼的線脹系數值在（10～20）×10-6。壓彎上模與壓彎下模的具體尺寸如圖5和圖6所示。

圖4 合模示意

圖5 壓彎上模

1）壓彎上模。考慮到材料的熱脹冷縮問題，深度尺寸設定為48.5mm，比產品要求尺寸增加了3mm。在實際生產中，通常采用試模與經驗積累的方式預留余量，3mm剛好是材料的回彈量。水平方向設置了一個0.5°的回彈角，保證零件壓彎后的平面度。

2）壓彎下模。由圖6可以看出，R16mm與深度55mm處的尺寸與產品成形要求的尺寸不符，這是因為產品凸起的深度與頂尖圓弧的尺寸取決于壓彎上模的尺寸，所以在壓彎凹模的尺寸處理上可以讓出一定的成形空間。

圖6 壓彎下模

5 結束語

厚板彎曲成形若采用退火工藝，在彎曲變形時容易產生裂紋，從而生產出不合格的產品。通過把鏈板加熱至840℃左右進行壓彎，提高板料的塑性，零件可以一次壓彎成形，得到優質的產品，不僅合格率高，而且所需的彎曲力會大幅下降，減緩工廠的設備壓力。該產品已投入批量生產，質量穩定，對于類似的厚板料彎曲成形有一定的參考價值。