山推工程機(jī)械股份有限公司材料成型分公司（山東濟(jì)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(guò)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(jiàn)有起皺、拉裂、回彈等多種缺陷，對(duì)零件形狀、尺寸精度及生產(chǎn)效率有很大影響，因此對(duì)鈑金變形分析迫在眉睫。

1.折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)

折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，折彎?rùn)C(jī)工作通過(guò)兩個(gè)基于變頻器驅(qū)動(dòng)的交流伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)調(diào)整滑塊位移，使用兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)后擋料，折彎?rùn)C(jī)通過(guò)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(guò)程為根據(jù)折彎工件要求，后擋料架首先移動(dòng)到工件直邊定位點(diǎn)處，根據(jù)折彎半徑選定上模，移動(dòng)滑塊及上模下壓到折彎角度要求處對(duì)工件進(jìn)行折彎，然后回程，重復(fù)以上過(guò)程直至折彎工件加工完畢。

圖1 折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)

2.鈑金變形分析

工件在折彎過(guò)程中，不可避免會(huì)發(fā)生彎曲變形，通過(guò)對(duì)彎曲過(guò)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(jì)中進(jìn)行補(bǔ)償。

（1）變形區(qū)域分析 通過(guò)對(duì)普通板材破壞分析，應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)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(guò)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(guò)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(dá)到最大值。由應(yīng)力分析可以得到，折彎過(guò)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(guò)程中工件應(yīng)力應(yīng)變主要集中用外皮區(qū)域，因此同時(shí)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(shí),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(huì)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(shí)寬度方向可以近似看為不變形，根據(jù)塑性變形體積不變?cè)恚ぜ驗(yàn)樽儽《鲃?dòng)的材質(zhì)使得長(zhǎng)度方向增加。

局部變薄現(xiàn)象與工件相對(duì)彎曲半徑（r/t）有關(guān)，相對(duì)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(guò)程中分為4個(gè)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(guò)程中，總會(huì)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(guò)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(xiàn)

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(kāi)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(zhǎng)度方向發(fā)生變形，引起寬度方向板料移動(dòng)，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(duì)此進(jìn)行補(bǔ)充，因此外側(cè)寬度方向變短，中性層內(nèi)側(cè)相反變長(zhǎng)，引起寬度方向變長(zhǎng)，最終導(dǎo)致在彎曲方向發(fā)生翹曲，在折彎寬度相對(duì)較大時(shí)，工件產(chǎn)生了相對(duì)寬度方向扭轉(zhuǎn)。翹曲、扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象與材料性質(zhì)、相對(duì)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(duì)工件進(jìn)行工藝參數(shù)分析，后續(xù)通過(guò)對(duì)折彎過(guò)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(duì)工件進(jìn)行工藝分析時(shí)，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(duì)彎曲半徑、直邊長(zhǎng)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(guò)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(shí)，

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(qiáng)度；

E——工件彈性模量；

t——板材厚度；

V——下模開(kāi)口大小。

通過(guò)回彈角的確定為后續(xù)加工參數(shù)補(bǔ)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(jì)和選擇設(shè)備、設(shè)計(jì)模具的重要依據(jù)，如圖7所示。

對(duì)于V形彎曲：

式中 F0——彎曲力計(jì)算值；

b——展開(kāi)長(zhǎng)度；

σb——材料抗拉強(qiáng)度；

t——材料板厚；

V——下模開(kāi)口大小。

圖7 折彎力示意

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中工藝力一般選取F=1.1F0，通過(guò)工藝力計(jì)算確定所選設(shè)備。

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

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中 r——彎曲半徑；

rmin——最小彎曲半徑；

V——下模開(kāi)口；

t——板材厚度；

k——常數(shù)，與材料軋制方向有關(guān)。

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

直邊長(zhǎng)度、孔邊距：通過(guò)計(jì)算確定工件展開(kāi)長(zhǎng)度及折彎線(xiàn)位置，根據(jù)所選定刀具、下模開(kāi)口大小，確定直邊長(zhǎng)度及孔邊距的要求。根據(jù)折彎線(xiàn)到工件邊線(xiàn)或者到孔邊線(xiàn)距離大于下模開(kāi)口一半的原則，即

通過(guò)以上計(jì)算確定下料時(shí)，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(gè)工件工序。通過(guò)以上工藝分析確定工件是否可以進(jìn)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(guò)程中，加工參數(shù)選擇直接決定加工產(chǎn)品是否能夠滿(mǎn)足圖樣要求尺寸精度及形狀精度。對(duì)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)而言，在折彎過(guò)程中主要參數(shù)包括滑塊行程、后擋料定位。通過(guò)滑塊行程控制能夠得到工件要求折彎角度。通過(guò)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(guò)后擋料定位值以保證折彎位置準(zhǔn)確性。對(duì)于不同折彎情況，后擋料板定位值如附表所示，彎曲示意見(jiàn)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(zhǎng)度，m為彎曲圓角展開(kāi)長(zhǎng)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?rùn)C(jī)折彎深度。工件折彎角度由折彎?rùn)C(jī)折彎深度來(lái)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(guò)渡修正量Y3：

回彈角補(bǔ)償量：

r/t≥5時(shí)，

r/t＜5時(shí)，

因此，折彎實(shí)際深度值為：

其中 α——折彎角度；

V——下模開(kāi)口；

Y——折彎深度；

r——折彎半徑；

ζ——變薄系數(shù)；

Α——材料簡(jiǎn)化系數(shù)；

x——中性層系數(shù)；

t——板材厚度。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鈑金過(guò)程中變形分析，得到以下結(jié)論：鈑金過(guò)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(guò)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(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行分析，確定鈑金件折彎時(shí)所用設(shè)備、模具等。對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行理論分析，為實(shí)際加工過(guò)程中參數(shù)設(shè)定提供依據(jù)。