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螺旋板换热器板料折弯回弹量的预防与控制
发布时间:2017-08-14    点击次数:1485次   

Sheet metal bending springback prevention and control

陆伟东1     季腾飞2

(yzc88亚洲城, 江苏 无锡 214142

 [摘  要] 如何减小螺旋板换热器折弯件的回弹变形问题,以达到控制弯曲件精度并且提高弯曲件产品的质量,始终是弯曲件制造生产中迫切需要解决的重要问题。本文分析了板材弯曲加工中工件发生弯曲回弹的原因,阐述了影响板材弯曲的因素及常用减小回弹量的方法。

[关键词] 塑性变形;退火;板材回弹;折弯;折弯模具;屈服强度

 

塑性变形是指板料折弯件在圆角区内的弹性变形。回弹是指使折弯件在离开模具后,弹性变形虽然能够恢复,但所得到的工件的形状尺寸与模具尺寸不一致,尺寸要求不能满足设计要求的问题,如图1所示。回弹是折弯加工中常见的现象,也是折弯工艺制订中的技术难点,回弹问题的存在造成了零件成型精度低,增加了需反复进行试模、修模、上刀片行程调整等工作量和折弯后的矫正整形工作量。在折弯加工工艺编制过程中,消除回弹量是工艺编制人员和模具设计人员必须考虑的重要问题。因此,生产中一定要采取措施来减小并补偿由于回弹造成的尺寸偏差,以提升折弯件的精度,制造出符合图纸设计要求的产品。

1 板材折弯回弹产生过程

在板材折弯成形过程中,板材内侧金属受力后产生纵向的压缩,并且从内层材料向宽度的方向逐渐移动,这就使得工件的横向宽度逐渐增加。外层材料因受到切向拉伸作用力,材料的厚度的不足由宽度、厚度方向来补充,致使宽度变窄,从而产生了弯曲带横剖面方向的畸变。如图2所示,对于板幅较窄的板b<3t< span="">)弯曲带横剖面畸变比较明显,但在板幅较宽板(b>3t)弯曲时,由于产生的横向变形阻力较大,故其断面的形状变化不很大,由此可知,窄板和宽板弯曲时的应力应变状态是不一样的。在板材折弯过程中,塑性变形是在弯曲件的圆角位置附近,而直边部分除与圆角相近的“过渡段”有小量变形外,其它基本上不会发生塑性变形。在缩短的内侧和伸长的外侧板料之间存在着一个长度保持不变的中性层,这时中性层仍处于弹性变化状态,当去除外部载荷后,板材就会产生弹性回复量。金属塑性变形总是伴有弹性变形的,所以板材折弯时,即使内外层金属全部进入塑性状态,当去除外部载荷后,弹性变形量消失,但也会出现回弹量。由于材料在发生塑性变形之前必然有一个弹性变形的过程,这是由材料本身特性决定的,因而折弯件的回弹现象是不可避免的。当材料应力达到屈服强度Rel时,材料开始发生塑性变形,而从开始对材料加力达到屈服强度Rel以前则为弹性变形范围,不同硬化性能的材料弹性变形区的大小是不同的,因而不同的材料在折弯后的回弹值也是不同的。



2 板材折弯过程中常见的回弹方式

常见的回弹方式有正回弹和负回弹两种。正回弹是指折弯件从模具取出后曲率半径增大的回弹;负回弹是指折弯件从模具去除后曲率半径减小的回弹。在V形模矫正折弯时,其直边部分有校直作用。折弯后,圆角部分产生的回弹方向M与直边校直产生的回弹方向N相反,如图3所示。如果直边校直的回弹与圆角的回弹相等,则工件不出现回弹。如果M≠N,则出现回弹。工件的折弯角α,模具的刃倾角α1,当α>α1时为正回弹;当α<α< span="">1时为负回弹。相对弯曲半径r/t较小时,有可能出现负回弹,如果相对弯曲半径r/t<(0.2~0.3)< span="">V形工件进行折弯时,回弹角为负或零。

3 影响回弹的主要因素

3.1材料的力学性能

折弯件的材料特性是影响回弹的主要因素。通常,回弹量大小与材料的屈服强度Rel成正比,与材料的弹性模数E成反比。Rel/t越大,回弹越大。材料性能不稳定时,回弹值也不稳定。

3.2板料折弯时相对弯曲半径r/t的影响

相对弯曲半径r/t表示折弯成形的变形程度,回弹值与相对弯曲半径成正比,r/t越小,折弯的变形程度越大,塑性变形在总变形中所占比重越大,因此卸载后回弹随相对弯曲半径的减小而减小,因而回弹越小。r/t越大,折弯的变形程度越小,但材料断面中心部分会出现很大的弹性区,因而回弹越大。当其它条件相同时,回弹值为随着相对弯曲半径r/t的增大而增大。

3.3板料折弯角的影响

在弯曲半径不变的条件下,当折弯角越大,则增加变形的区域越大,弹性变形量也越大,因此工件的回弹量越大。

3.4折弯零件形状的影响

通常折弯零件的形状越复杂,一次折弯的角度越多,则折弯变形时,各个部分变形互相制约的作用力越大,而且增加了回弹阻力,降低了成形的回弹量。

3.5板料折弯模具尺寸的影响

如图4所示,当上模半径R一定时,折弯件的回弹值随着下模V开口尺寸2L的增大而减小,上模半径R较大而下模开口尺寸过小时,回弹量很大。

3.6板料折弯力的影响

如图5所示,折弯时,由于材料受上、下模的压缩作用,不仅使折弯变形区板材的拉应力相对减小,而且在折弯变形区中性层还易出现外侧的拉应力和内侧纵向的压缩应力,然后随着折弯力的增加,纵向压应力向材料外表面逐步扩展,使板材的全部或大部分断面在纵向均出现压应力,于是内外层回弹方向取得了一致,其回弹值大大减小。

  

3.7折弯方式对反弹量大小的影响

常见的板材折弯形式有两种:U形下模的自由折弯与V形下模的限制折弯。由于它们的形状不同,卸载后的零件的弯曲回弹值的大小也不相同。

4 板料折弯回弹角度的确定方法

影响回弹角数值的因素较多,而且各种因素间互相影响,因此理论分析比较复杂且不精确。一般采取按表查出经验数据或按计算方法求得回弹值后,再在试模中进行修正的方法。

4.1对于Q345等材料进行90°单角校正折弯时,其角度回弹量可按下列经验公式计算:

α=0.43r/t-0.61°式中:α -角度回弹量;r -弯曲圆角半径,mmt -材料厚度,mm

当相对于折弯半径(r/t<5< span="">)时,折弯半径的数值变化不大,仅需考虑角度的回弹。当相对于折弯半径(r/t>5)时,上模圆角半径和折弯中心角可按纯塑性折弯条件进行计算。

4.2相对折弯半径(r/t≥10)较大的工件,如图7所示,回弹也大,此时不仅角度有回弹,折弯半径也有较大变化,上模圆角半径和折弯中心角按纯塑性折弯计算。

r1=r/(1+3σs/E·r/t)

式中:r -工件圆角半径,mmr1-上模圆角半径,mmRel -材料的屈服强度,MPaα -工件圆角弧长中心角;α1 -上模圆角弧长中心角;t -材料厚度;E -材料的弹性模量,MPa

4.3 90°单角自由折弯时的角度回弹值可直接查表用经验数据设计折弯上下模。

5 减小回弹量的具体措施

完全消除折弯件的回弹量是困难的,在实际生产中可适当采取以下措施来减小工件的回弹量。

5.1产品设计中采取的措施

(1)优化并改进零件的设计结构,以增强工件的刚度和弯曲变形程度,达到减小回弹量的目的,如图8所示,在折弯件上横跨折弯线用加强筋支撑。


(2)在设计许可的条件下,产品选材时选用弹性模量大、屈服强度小、力学性能相对稳定的材料。

5.2采取工艺措施制订减少变形的工艺

(1)经过冷作硬化的硬材料,在折弯前应进行退火处理,以降低其硬度,并且可减小回弹量,折弯后再进行淬火处理,达到原材料的性能,此法不适于热处理无法强化的材料。

(2)适当增加附加拉伸力,用以减小弹性变形区的大小。此类方法仅适用于材料弹性比较大、折弯半径r≥(10~15)t的产品,比如像拉弯工艺类的产品。

(3)合理增加校正、整形工序。

5.3在模具结构设计方面采取一些控制措施

一般情况下,在模具结构设计中为防止折弯后回弹,经常采取两种方法:过渡弯曲法和尖角镦压法。两种方法的变形机理是:以增加折弯的变形程度来减小折弯回弹值的大小。

(1)完全尖角镦压法

完全尖角镦压法是指利用产品下模具底部圆角半径的方法。如图9所示,用该方法折弯时,是以底部圆角处尽量全部镦实以达到所要求的工件形状。取r2=r1+ t +(2%~50%)tR=(2~4)t,折弯结束时,折弯圆角处的材料厚度已减薄的情况下再压缩(2%~50%)t。当制作模具时,可以先按照r2=r1 + (5/4)t制作,试模时再重新调试。并且使折弯上、下模之间折弯角度为相同的。

式中:r1 -上模圆角半径,mmt -材料厚度,mm

(2)局部尖角镦压法

局部尖角镦压法是指利用上模缩边方法来增加角部变形程度的。如图10所示,该方法是使上模刃倾角度小于下模V槽角度,图中α=2°~5°,一般用于90°折弯,取r2=r1+tR=(2~4)t。在图10(b)中,取r2=r1+t+aa=(5%~10%)t b=(5%~8%)tR=(2~4)t。当r1>3t时,为减小压缩应力,可采取中央部分也缩进去的结构。

(3)过度折弯法

过度折弯是指强化并加大折弯变形的程度以达到减少回弹量的一种方法。比如90°V形折弯,是按表查得校正折弯时的回弹角度α,在折弯模具设计时特意把刃倾角取(90°α),即在工件折弯时故意过弯一个角度α,使工件回弹后仍在公差范围内,同样可以达到工件设计尺寸的要求。

5.4采取拉弯工艺

针对折弯半径较大,不易消除回弹的零部件,宜采用合理的拉弯工艺可使毛坯从内表面到外表面都处于拉应力的状况作用下,卸载后两个表面的弹性变形方向是一致的,这就可大大减小工件的回弹程度。

6 结束语

由于弯曲件的回弹严重影响产品质量,所以一定要掌握回弹的规律,根据经验参数确定回弹量的大小,因折弯件比较复杂,可能伴有局部加载冷作应力过程,零件的后回弹形状是其成形过程的累计效应,而板材折弯成形的回弹问题非常复杂,在实际生产中要根据产品批量的大小、折弯件的精度要求、折弯模制造条件来选择相应的方法,以保证产品质量,提高产品精度。

 

参考文献

[1]孙训方. 材料力学[M].北京:高等教育出版社,20097.

[2]徐芝纶. 弹性力学[M].北京:高等教育出版社,200612.

[3] GB/T 13237-2013,优质碳素结构钢冷轧钢板和钢带[S].

[4] GB/T 3280-2007,不锈钢冷轧钢板和钢带[S].

[5] JB/T 11659-2013,板料折弯模 型式和尺寸[S].

[6] GB/T 228.1-2010,金属材料 拉伸试验 1部分:室温试验方法[S].

 

编辑概况

1.陆伟东(1969—),男,汉族,江苏无锡人,本科学历,工程师职称,现任yzc88亚洲城总经理。

2.季腾飞(1988—),男,汉族,江苏无锡人,大专学历,助理职称,曾任yzc88亚洲城技术部副部长。

以上分析了板材弯曲加工中工件发生弯曲回弹的原因,阐述了影响板材弯曲的因素及常用减小回弹量的方法。都使用与不锈钢反应釜 螺旋板换热器 列管冷凝器等成套设备的使用中。

 


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