謝俊鋒

(南陽市第二技工學(xué)校，河南南陽 473000)

彎曲回彈影響因素及控制措施*

謝俊鋒

(南陽市第二技工學(xué)校，河南南陽 473000)

回彈是材料彎曲成形過程中的主要影響因素之一，嚴(yán)重影響著彎曲件的質(zhì)量與精度。在已有研究的基礎(chǔ)上，對彎曲回彈的影響因素及控制措施做了綜合有效深入的研究與分析，對工業(yè)生產(chǎn)有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

彎曲回彈;分析;影響因素;控制措施

1 引言

回彈是材料彎曲成形過程中的主要影響因素之一，嚴(yán)重影響著彎曲件的質(zhì)量與精度。因此，要想獲得高精度的彎曲件，就需要反復(fù)試模、修模、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，或者在彎曲成形后對彎曲件進(jìn)行補(bǔ)償，這樣就大大提高了產(chǎn)品的成型周期及生產(chǎn)成本。近年來，國內(nèi)外的許多學(xué)者對彎曲成形中的回彈問題做了不同程度的研究，取得了較大的進(jìn)展。但由于影響彎曲回彈量的因素很多，各種因素又相互影響，很難實(shí)現(xiàn)對彎曲回彈量的精確計(jì)算分析。筆者對彎曲回彈的影響因素及控制措施做了綜合深入的研究與分析。

2 回彈成因分析

彎曲件成形時(shí)，材料在外載荷作用下，產(chǎn)生塑性變形和彈性變形。材料中性層內(nèi)側(cè)金屬在切向壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生壓縮變形，中性層外側(cè)金屬在切向拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生拉伸變形。金屬材料在力的作用下的變形可分為三個(gè)階段:彈性彎曲階段、彈－塑性彎曲階段和塑性彎曲階段。由于彈性變形的存在，當(dāng)外力卸載時(shí)，外層纖維因彈性恢復(fù)而縮短，內(nèi)層纖維因彈性恢復(fù)而伸長，結(jié)果使彎曲件曲率和角度發(fā)生顯著變化，這個(gè)現(xiàn)象就是彈性回彈。如圖1所示。

3 彎曲件回彈的影響因素分析［1-4］

影響彎曲件回彈的因素很多，國內(nèi)外的學(xué)者做了大量的研究，但還缺乏系統(tǒng)綜合的分析與研究。下面就生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生的影響因素進(jìn)行分析與研究。

3.1 不同材料對回彈的影響

不同材料對回彈的的影響大致分為兩個(gè)方面。①材料厚度。材料厚度越大，彎曲時(shí)參與塑性變形的材料越多，因此回彈越小。材料越薄，彎曲時(shí)彎曲中心參與彈性變形材料越多，回彈量就越大;②材料力學(xué)性能對回彈的影響。回彈的大小與材料的屈服強(qiáng)度?成正比，與彈性模數(shù)E成反比，即?/E值越大，回彈越大。當(dāng)材料性能不穩(wěn)定時(shí)，回彈值也不穩(wěn)定。

材料厚度對回彈的影響如圖2所示。

圖1 彎曲時(shí)的回彈

圖2 板料厚度對回彈的影響

3.2 摩擦力對回彈的影響

摩擦力對回彈的影響較大，如圖3所示。隨著摩擦系數(shù)的增大，板材回彈減小。原因如下:①摩擦力增大，在彎曲時(shí)板材所受的拉應(yīng)力增大，部分抵消了中性層內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力;②摩擦力增大，材料的流動性變差，參與彈性變形的材料減少。

3.3 張力(拉料力)對回彈的影響

對材料彎曲的同時(shí)施加拉力(拉彎工藝)，則可使斷面上的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，卸載后彈性恢復(fù)變形方向一致，可以明顯減小回彈。隨著拉力的增加回彈量減小。

3.4 壓邊力對回彈的影響

壓邊力是控制材料流動、起皺的一種主要工藝方法。彎曲時(shí)，增大壓邊力，材料中性層內(nèi)側(cè)所受拉伸力增加，切向壓應(yīng)力減小，甚至有可能轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，這樣卸載后內(nèi)外層回彈相互抵消，使回彈減小，甚至有可能出現(xiàn)負(fù)回彈。如圖4所示。但增大壓邊力，可使材料彎曲的最小厚度顯著變小，有拉裂的危險(xiǎn)。

圖3 不同摩擦系數(shù)下的板材回彈形狀

圖4 不同壓邊力下的板 材回彈形狀

3.5 加工工藝對回彈的影響

對待加工材料在加工前進(jìn)行退火，降低屈服點(diǎn)，可以有效地減小回彈。待彎曲加工后再淬硬。

3.6 凸凹模圓角半徑對回彈的影響

凸模圓角半徑對回彈的影響與材料厚度對回彈的影響機(jī)理是相同的。當(dāng)板材厚度為定值，形成相同彎曲角時(shí)，隨凸模圓角半徑的增大，參與塑性變形的材料減少，但此時(shí)材料斷面中心部分彈性變形區(qū)逐漸增大。因此，當(dāng)外力卸載時(shí)，回彈角增大。如圖5所示。

凹模圓角半徑對材料的回彈影響較大。隨著凹模圓角半徑的增大，材料流動性越好，參與塑性變形的材料越少，彈性變形的材料越多。彎曲部分中性層內(nèi)側(cè)材料受到的徑向拉應(yīng)力減小。因此，當(dāng)卸載時(shí)，回彈量明顯增大(如圖6所示)。隨著凹模圓角半徑繼續(xù)增大，回彈量逐漸趨于平緩。

圖5 不同凸模圓角半徑下的板材回彈形狀

圖6 不同凹模圓角半徑下的 板材回彈形狀

3.7 模具間隙對回彈的影響

彎曲時(shí)，模具間隙越小，摩擦力越大，材料受到的徑向拉應(yīng)力越大。同時(shí)，間隙越小，對材料產(chǎn)生擠薄作用，使材料產(chǎn)生了厚度方向的壓應(yīng)力。因此當(dāng)外力卸載時(shí)，各種復(fù)合力相互抵消，使回彈減小(如圖7所示)。但總的來說，模具間隙對回彈的影響不大。

圖7 模具間隙對回彈的影響

3.8 彎曲校正力對回彈的影響

校正彎曲時(shí)，材料內(nèi)外側(cè)受到大面積的厚度方向的壓應(yīng)力。當(dāng)外力卸載時(shí)，材料中性層內(nèi)側(cè)的徑向壓應(yīng)力，中性層外側(cè)的徑向拉應(yīng)力與厚度方向的壓應(yīng)力在合成時(shí)相互抵消，使回彈明顯減小。

3.9 不同彎曲方式和不同彎曲形狀對回彈的影響

彎曲零件的彎曲角越多，形狀越復(fù)雜，各個(gè)彎曲部分相互制約作用越大，相應(yīng)地增加了回彈阻力，降低了彎曲后的回彈變形。如U形彎曲明顯比V形彎曲的回彈要小。

3.10 相對彎曲半徑對回彈的影響

相對彎曲半徑越大，彎曲時(shí)參與彈性變形的材料越多，塑性變形的材料越少，因此回彈量越大。

4 彎曲回彈的控制措施

通過對以上彎曲回彈影響因素的深入分析表明:彎曲件的回彈主要與材料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，材料的物理、力學(xué)性能，彎曲件本身的設(shè)計(jì)形狀有關(guān)。因此，在對回彈進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)主要從這三個(gè)方面入手。

4.1 改變彎曲件材料的性質(zhì)

(1)對經(jīng)冷作硬化后的材料在彎曲前進(jìn)行退火處理以降低材料屈服點(diǎn)，彎曲后再用熱處理方法恢復(fù)材料性能以減小回彈。在必要時(shí)可以采用熱彎工藝來改變材料的性質(zhì)以降低回彈量。

(2)采用?/E小、力學(xué)性能穩(wěn)定、厚度小的材料以降低彎曲后的回彈。如用軟鋼代替硬質(zhì)合金等。

4.2 改變彎曲件的設(shè)計(jì)

(1)設(shè)計(jì)彎曲件時(shí)，盡量避免選用大的相對彎曲半徑。如有可能可在彎曲變形區(qū)壓出加強(qiáng)筋或成形邊翼以提高彎曲件剛度，抑制回彈量。如圖8所示。

(2)設(shè)計(jì)彎曲件時(shí)，采用補(bǔ)償法抑制回彈。即使彎曲角度等于彎曲件的要求角度減去彎曲后的回彈角，這樣當(dāng)外力卸載后彎曲件就得到了實(shí)際所需角度。如圖9所示。

4.3 采用合適的彎曲工藝及模具結(jié)構(gòu)控制回彈

(1)用校正彎曲代替自曲彎曲。即在自由彎曲階段后，進(jìn)一步對貼合凸模、凹模表面的彎曲件進(jìn)行擠壓，使彎曲件處于厚度方向的壓應(yīng)力狀態(tài)而減小回彈。其校正力比自由彎曲力大得多。

(2)在模具設(shè)計(jì)時(shí)，改變模具結(jié)構(gòu)讓凸模作用力集中在彎角處，使材料產(chǎn)生一定的塑性變形，改變彎曲變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，從而有效地抑制回彈。如圖10所示。

圖8 加強(qiáng)筋減少回彈

圖9 補(bǔ)償回彈

圖10 凸模作用力集中減小回彈

(3)采用拉彎工藝 在彎曲過程中，對材料施加一定的拉力，使彎曲件變形區(qū)的整個(gè)斷面都處于同向拉應(yīng)力。外力卸載后，各種力相互抵消，從而大大減小回彈。這種方法對r/t大的彎曲件特別有利。如圖11所示。

圖11 拉彎工藝

(4)對于較軟的材料，可以增加壓料力，減小凸凹模間隙，增大摩擦系數(shù)，以增加變形區(qū)中性層內(nèi)側(cè)的拉應(yīng)變，減小回彈。如圖12所示。

圖12 增大拉應(yīng)變減小回彈

(5)增大壓邊力。在彎曲件的直邊端部加壓，使內(nèi)外區(qū)都處于壓應(yīng)力狀態(tài)而減小回彈。如圖13所示。

圖13 增大壓邊力減小回彈

(6)采用橡膠凹模彎曲。由于橡膠處于密閉的容框內(nèi)，能均勻地向各個(gè)方向傳遞壓力，使彎曲件緊密地與凸模貼合，工件處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)而使回彈減小。如圖14所示。

圖14 采用軟凹模彎曲減小回彈

(7)采用多點(diǎn)反復(fù)成形 將傳統(tǒng)的整體模具離散成一系列規(guī)則排列可調(diào)整的基本體，通過對各基本體的運(yùn)動實(shí)時(shí)地控制，自由地構(gòu)造出成形面?？煞磸?fù)成形，消除材料殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)少無回彈的目的。這種方法由于模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此采用較少。

4.4 改變模具設(shè)計(jì)減小回彈

模具設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)加工工藝要求，盡可能在合理范圍內(nèi)有效地減小凸凹模圓角半徑，以達(dá)到控制回彈的目的。

5 結(jié)語

在對回彈及其控制措施進(jìn)行研究時(shí)，最好實(shí)行在線實(shí)時(shí)控制，將一般理論預(yù)測、試驗(yàn)研究、有限元模型計(jì)算分析結(jié)合起來，對不同彎曲回彈深入分析研究，建立回彈數(shù)據(jù)庫，確立回彈的主要影響因素，從而采取合理措施有效地抑制回彈。由于回彈的影響因素多，機(jī)理復(fù)雜，完全有效控制比較困難，因此建立這樣一個(gè)數(shù)據(jù)庫就顯得尤為重要。

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Factors and Control Measures of Bending Effect

XIE Jun－feng
(The Second Technical School of Nanyang city，Nanyang Henan 473000，China)

The bending springback is one of the main influencing factors in forming process，which has serious impact on the quality and precision of bending parts.In this paper，based on the existing research，influence factors and control measures on bending springback are effectively researched and analysed in－depth comprehensive，that has certain practical significance.

bending springback;analysis;influence factors;control measures

TH123+.4

A

1007－4414(2013)05－0046－03

2013－08－06

謝俊鋒(1975－)，男，河南南陽人，講師，研究方向:鉗工加工、模具制造實(shí)習(xí)教學(xué)教研。