《冲压工》 | 第八章 常见冲压工艺 第三节 弯曲

一、弯曲

弯曲是将金属板料、棒料、管料或型材等毛坯按照一定的曲率和角度进行变形，从而得到定角度和形状零件的冲压工序。

它属于成形工序，是冲压的基本工序之一，在冲压零件生产中应用较普遍。

弯曲零件的形状很多，如V形件、U形件、Z形件以及形状的工件。

压弯的典型形状如图8.12所示。

1.弯曲成形的方法

弯曲成形的方法有很多，可以利用模具在压力机上进行，也可在专用设备（如折弯机、滚弯机拉弯机等）上进行。

弯曲件的弯曲方法如图8.13所示。

各种弯曲方法尽管所用的设备与工具不同，但其变形过程及特点有共同规律。

2.弯曲方法加工

弯曲方法加工的一些典型零件如图8.14所示。

3.弯曲模

弯曲所使用的模具称为弯曲模，它是弯曲过程中必不可少的工艺装备。

图8.15是一副典型的V形件弯曲模。

在弯曲开始前，先将平板毛坯放入定位板10中定位，然后凸模4下行，凸模与顶杆7将板材压住（可防止板材在弯曲过程中发生偏移），进行弯曲，直至板材与凸模、凹模3完全贴紧最后开模，V形件被顶杆顶出。

二、弯曲变形过程

V形弯曲是最基本的弯曲变形。任何复杂弯曲都可看成是由多个V形弯曲组成。这里以V形弯曲为例分析弯曲变形过程。

1.变形过程

板料在V形模内的弯曲过程如图8.16所示。

在凸模压力下，板料受弯矩的作用，先发生弹性变形，后进入塑性变形。

在塑性弯曲过程中，随着凸模逐渐进入凸模，板料与凹模表面逐渐靠紧，同时，弯曲圆角半径也逐渐减小，由r，r2，r3，r4弯曲到一定程度时，板料与模具3点接触，此时凸模便把板料的直边，向与以前相反的方向压向凹模。

在行程结束时，凸模和凹模对弯曲件进行校正，使其直边、圆角均与凸模全部靠紧。3点接触之前为自由弯曲阶段，以后为校正弯曲阶段。

由V形件的弯曲过程可以看出：弯曲成形的过程是从弹性弯曲到塑性弯曲的过程，弯曲成形的效果表现为弯曲变形区弯曲半径和角度的变化。

2.弯曲变形的分析

为了观察板料弯曲时的金属流动情况，便于分析材料的变形特点，可以采用在弯曲前的板料侧表面用机械刻线或照相腐蚀制作正方形网格的方法。然后用工具观察并测量弯曲前后网格的尺寸和形状变化情况，如图8.17所示。

弯曲前，材料侧面线条均为直线，组成大小一致的正方形小格，纵向网格线长度。

aa=bb弯曲后，通过观察网格形状的变化可以看出弯曲变形具有以下特点：

（1）弯曲圆角部分是弯曲变形的主要变形区通过对网格的观察，弯曲圆角部分的网格发生了显著的变化，原来正方形网格变，成了扇形；而在远离圆角的直边部分，则没有这种变化；在靠近圆角处的直边，有少量的变化，这说明弯曲变形区主要在圆角部分。弯曲圆角半径越小，该变形区的网格变形越大。

因此，弯曲变形程度可以用相对弯曲半径来表示（r/t）。

（2）弯曲变形区的应变中性层

比较变形区内弯曲前后相应位置的网格线长度可知，板料的外区（靠凹模一侧），纵向纤维受拉而伸长；内区（靠凸模一侧），纵向纤维受压缩而缩短。

内、外区至板料的中心，其缩短和伸长的程度逐渐变小。

从外层的伸长过渡到内层的压缩，由于材料的连续性，其间必有一层纤维，它的长度在弯曲前后保持不变，这一层称为应变中性层（见图8.17中O-O层）。

（3）变形区材料厚度变薄的现象

弯曲变形程度较大时，变形区外侧材料受拉伸长，使得厚度方向的材料减薄；变形区内侧材料受压，使得厚度方向的材料增厚。

由于应变中性层位置的内移，外侧的减薄区域随之扩大，内侧的增厚区域逐渐缩小，外侧的减薄量大于内侧的增厚量，因此，使弯曲变形区的材料厚度变薄。变形程度越大，变薄现象越严重。

3.弯曲变形的特点

综上所述，其弯曲变形的特点有：

①工件分成了直边和圆角两部分，圆角部分是变形区，直边部分不发生塑性变形。

②弯曲变形后，在坯料变形区域内，内层的纤维受压缩而缩短，外层的纤维受拉伸而伸长。在内层与外层之，间存在一层纤维，它既不伸长也不缩短，称为中性层。

③当相对弯曲半径r/t较小时，厚度变薄和长度增加较大。

三、最小弯曲半径

相对弯曲半径r/t越小，弯曲时切向变形程度越大。当r/t小到一定值后，则板料的外面将超过材料的最大许可变形而产生裂纹。

在板料不发生破坏的条件下，所能弯成零件内表面的最小圆角半径称为最小弯曲半径rmin，并用它来表示弯曲时的成形极限。

1.影响最小弯曲半径的因素

（1）材料的力学性能

材料的塑性越好，塑性变形的稳定性越强（均匀伸长率δn越大），许可的最小弯曲半径就越小。

（2）材料表面和侧面的质量

板料表面和侧面（剪切断面）的质量差时，容易造成应力集中并降低塑性变形的稳定性，使材料过早地破坏。

对于冲裁或剪裁坯料，若未经退火，由于切断的面存在冷变形硬化层，就会使材料塑性降低。在上述的情况下应选用较大的最小弯曲半径。

（3）弯曲线的方向

轧制钢板具有纤维组织，顺纤维方向的塑性指标高于垂直纤维方向的塑性指标。

当工件的弯曲线与板料的纤维方向垂直时，可具有较小的最小弯曲半径（见图8.18（a））。反之，工件的弯曲线与板料的纤维方向平行时，其最小弯曲半径则大（见图8.18（b））。

因此，在弯制r/t较小的工件时，其排样应使弯曲线尽可能垂直于板料的纤维方向。如果工件有两个互相垂直的弯曲线，应在排样时使两个弯曲线与板料的纤维方向成45°的夹角（见图8.18（c））。而在r/t较大时，可以不考虑纤维方向。

（4）弯曲中心角

理论上弯曲变形区外表面的变形程度只与r/t有关，而与弯曲中心角a无关。但实际上由于接近圆角的直边部分也产生一定的切向伸长变形（即扩大了弯曲变形区的范围），从而使变形区的变形得到一定程度的减轻，故最小弯曲半径可以小些。

弯曲中心角越小，变形分散效应越显著，当a>70°时，其影响明显减弱。

2.最小弯曲半径rmin的数值

由于上述各种因素的影响十分复杂，因此，最小弯曲半径的数值一般用试验方法确定。各种金属材料在不同状态下的最小弯曲半径的数值，参见表8.2。

注意：

①当弯曲线与纤维方向成一定角度时，可采用垂直和平行纤维方向二者的中间值。

②在冲裁或剪切后没有退火的毛坯弯曲时，应作为硬化的金属选用。

③弯曲时应使有毛刺的一边处于弯角的内侧。

3.提高弯曲极限变形程度的方法

在一般的情况下，不宜采用最小弯曲半径。当工件的弯曲半径小于表8.2所列数值时，为提高弯曲极限变形程度，常采取以下措施：

①经冷变形硬化的材料，可采用热处理的方法恢复其塑性，再进行弯曲。

②清除冲裁毛刺，当毛刺较小时也可以使有毛刺的一面处于弯曲受压的内缘（即有毛刺的一面朝向弯曲凸模），以免应力集中而开裂。

③对于低塑性的材料或厚料，可采用加热弯曲。

④采取两次弯曲的工艺方法，即第一次采用较大的弯曲半径，然后退火；第二次再按工件要求的弯曲半径进行弯曲。这样就使变形区域扩大，减小了外层材料的伸长率。

⑤对于较厚材料的弯曲，如结构允许，可以采取先在弯角内侧开槽后再进行弯曲的工艺（见图8.19）。

四、回弹

在外力作用下，板料会产生弹性变形和塑性变形。当外力去除以后，弹性变形会完全消失，塑性变形保留下来，使弯曲制件的形状和尺寸发生了变化而与模具不完全一致，这种现象称为回弹。

与其他变形工序相比，弯曲过程的回弹现象是一个非常重要的问题，它直接影响工件的尺寸精度。

1.回弹现象

如图8.20所示是V形弯曲模合模和开模状态的情况。

合模状态如图8.20（a）所示，靠凸模和凹模工作，开模状态如图8.20（b）所示。

卸载后弯曲角度明显大于模具弯曲角，由于弹性的作用，弯曲后制件的弯曲角度和弯曲半径都发生了变化，与模具工作尺寸不一致的现象就是回弹。

2.影响回弹的主要因素

影响回弹的主要因素有以下6点：

（1）材料的力学性能

（2）变形程度

当相对弯曲半径r/t较小时，回弹量较小。

（3）弯曲中心角的大小

弯曲角越大，表示变形区长度越大，角度回弹也越大。

（4）弯曲方式和模具结构

板料弯曲方式有自由弯曲和校正弯曲。

在无底的凹模中自由弯曲时，回弹大；在有底的凹模内作校正弯曲时，回弹值小。

原因是：校正弯曲力较大，可改变弯曲件变形区的应力状态，增加圆角处的塑性变形程度。

（5）摩擦

当一次弯曲多个部位时，毛坯和模具表面之间的摩擦，对回弹的影响较为明显。

（6）模具间隙

在压弯U形件时，间隙大，材料处于松动状态，回弹就大；间隙小，材料被挤压，回弹就小。

3.减少弯曲回弹的措施

在冲压的各个工序都存在回弹现象，但在冲压弯曲时最为明显。因此，在冲压过程中，只能减小和修正回弹，而不能消除回弹。

弯曲件产生弹性回跳造成形状和尺寸误差，很难获得合格的制件。因此，生产中要采取措施来控制和减小回弹。

常用控制弯曲件回弹的措施有：

（1）改进零件的结构设计

在变形区压加强肋或压成形边翼，增加弯曲件的刚性，使弯曲件回弹困难，如图8.21所示。

（2）从工艺上采取措施

①采用热处理工艺

对一些硬材料和已经冷作硬化的材料，弯曲前先进行退火处理，降低其硬度以减少弯曲时的回弹，待弯曲后再淬硬。在条件允许的情况下，甚至可使用加热弯曲。

②增加校正工序

运用校正弯曲工序，对弯曲件施加较大的校正压力，可以改变其变形区的应力应变状态，以减少回弹量。通常，当弯曲变形区材料的校正压缩量为板厚的2%~5%时，就可以得到较好的效果。

③采用拉弯工艺

对于相对弯曲半径很大的弯曲件，由于变形区大部分处于弹性变形状态，弯曲回弹量很大。这时可以采用拉弯工艺，如图8.22所示。

④从模具结构上采取措施

a.补偿法

对于回弹角不大的弯曲，可以先计算回弹量，然后在模具相应的部分减去回弹量，使其在开模后的弯曲件获得所需的形状和尺寸。并在凸模和凹模的单边间隙中取最小的料厚，促使工件贴往凸模，离垂直线向内弯一个角度。开模后工件回弹，两边恢复垂直，这种方法称为补偿法，如图8.23所示。

b.校正法

当材料厚度在0.8毫米以上，塑性比较好，而且弯曲圆角半径不大时，可以改变凸模结构，使校正力集中在弯曲变形区，加大变形区应力应变状态的改变程度（迫使材料内外侧同为切向压应力、切向拉应变）。从而使内外侧回弹趋势相互抵消，如图8.24所示。

c.纵向加压法

在弯曲过程完成后，利用模具的突肩在弯曲件的端部纵向加压（见图8.25），使弯曲变形区横断面上都受到压应力，卸载时工件内外侧的回弹趋势相反，使回弹大为降低。利用这种方法可获得较精确的弯边尺寸，但对毛坯精度要求较高。

d.采用软凹模具法

用橡胶或者聚氨酯代替刚性凹模（见图8.26），并调节凸模压入深度，以控制弯曲角度，减小回弹。同时，利用聚氨酯凹模代替刚性金属凹模进行弯曲。

弯曲时金属板料随着凸模逐渐进入聚氨酯凹模，激增的弯曲力将会改变圆角变形区材料的应力应变状态，达到类似校正弯曲的效果，从而减少回弹。

五、弯曲件的工艺性

弯曲件的工艺性是指弯曲件的结构形状、尺寸、精度、材料及技术要求等是否符合弯曲加工的工艺要求。具有良好工艺性的弯曲件，能简化弯曲工艺过程及模具结构，提高弯曲件的质量。

1.弯曲件的材料

弯曲件的材料，要求具有足够的塑性，屈强比σs/E和屈弹比σs/σb小。足够的塑性和较小的屈强比能保证弯曲时不开裂，较小的屈弹比能使弯曲件的形状和尺寸准确。最适宜于弯曲的材料有软钢、黄铜和铝等。脆性较大的材料，如磷青铜、铍青铜、弹簧钢等，要求弯曲时有较大的相对弯曲半径r/t，否则容易发生裂纹。

对于非金属材料，只有塑性较大的纸板、有机玻璃才能进行弯曲，而且在弯曲前坯料要进行预热，相对弯曲半径也应较大，一般要求r/t>3~5。

2.弯曲件的形状与精度

（1）弯曲件的结构与尺寸

弯曲件的结构应具有良好的工艺性，这样可简化工艺过程，提高弯曲件的公差等级。弯曲件的结构工艺性分析是根据弯曲过程的变形规律，根据弯曲件实际生产经验提炼出来的。弯曲件的结构一般从以下6个方面来考虑：

①弯曲件的形状

弯曲件的形状应尽可能对称，弯曲半径左右一致，高度不应相差太大，以防止弯曲变形时坯料受力不均匀而产生偏移。

有些虽然形状对称，但变形区附近有缺口的弯曲件，若在坯料上先将缺口冲出，弯曲时会出现叉口现象，严重时难以成形，这时应在缺口处留连接带，弯曲后再将连接带切除，如图8.27（a）、（b）所示。

为了保证坯料在弯曲模内准确定位，或防止在弯曲过程中坯料的偏移，最好能在坯料上预先增添定位工艺孔，如图8.27（b）（c）所示。

②弯曲件的相对弯曲半径

弯曲件的弯曲半径不宜过大或过小。弯曲半径过大时受回弹因素影响，弯曲件的精度不容易保证；弯曲半径过小时容易被拉裂。弯曲半径应大于材料的许可最小弯曲半径，否则应采用多次弯曲，增加退火工艺，或者先在弯曲角内侧压槽后再进行弯曲，如图8.28所示。

最小相对弯曲半径是指在保证坯料在外层纤维弯曲时不发生破坏的条件下，工件能够弯成的内表面的最小圆角半径。

通常用最小圆角半径相对于坯料厚度的比值来表示最小相对弯曲半径，即rmin/to、rmin/t的值越小，板料弯曲性能也越好。生产中用它来表示弯曲时的成形极限。

影响最小弯曲半径的因素较多，如材料的热处理状态、材料的机械性能、弯曲角度的大小、坯料的表面质量与剪切断面质量、板料宽度等。

③弯曲高度

弯曲件的弯边高度不宜过小，其值应为h>r+2t，如图8.29（a）所示。当h较小时，弯边在模具上支持的长度过小，不容易形成足够的弯矩，很难得到形状准确的零件。

当零件要求h

如果所弯直边带有斜角，则在斜边高度小于r+2t的区段不可能弯曲到要求的角度，而且此处也容易开裂（见图8.29（c）），因此，必须改变零件的形状，加高弯边尺寸，如图8.29（d）所示。

④弯曲件的孔边距离

带孔的板料弯曲时，如果孔位于弯曲变形区内，则弯曲时孔的形状会发生变形，因此必须使孔位于变形区之外，如图8.30所示。一般孔边到弯曲半径r中心的距离要满足以下关系：当t<2毫米时，L≥t；当t≥2毫米时，L≥2t。

如果上述关系不能满足，在结构许可的情况下，可在靠变形区一侧预先冲出凸缘形缺口或月牙形槽（见图8.31（a）、（b）），也可在弯曲线上冲出工艺孔（见图8.31（c）），以改变变形范围，利用工艺变形来保证所需孔不产生变形。

⑤避免弯边根部开裂的工件结构

在局部弯曲坯料上的某一部分时，为避免弯边根部撕裂，应使不弯部分退出弯曲线之外，即保证b≥r（见8.32（a））。

如果条件b≥r不能满足，可在弯曲部分和不弯部分之间切槽（见图8.32（a），槽深l应大于弯曲半径R），或在弯曲前冲出工艺孔（见图8.32（b））。

⑥弯曲件的尺寸标注

弯曲件尺寸标注不同，会影响冲压工序的安排。

如图8.33所示是弯曲件孔的位置尺寸的3种标注方法，其中采用如图8.33（a）所示的弯曲件尺寸标注方法时，孔的位置精度不受坯料展开长度和回弹的影响，可先冲孔落料（复合工序），然后再弯曲成形，工艺和模具设计较简单。

如图8.33（b）和8.33（c）所示的标注法，受弯曲回弹的影响，冲孔只能安排在弯曲之后进行，增加了工序，还会造成许多不便。

因此，在不要求弯曲件有一定装配关系时，应尽量考虑冲压工艺的方便来标注尺寸。

（2）弯曲件的精度

弯曲件的精度受坯料定位、偏移、回弹、翘曲等因素的影响，弯曲的工序数目越多，精度也越低。

3.制订弯曲工序的原则

弯曲工序安排是在工艺分析和计算后进行的工艺设计。

弯曲工序的安排对弯曲模的结构及弯曲件的精度影响很大。

安排弯曲件的工序要考虑几大方面的因素：如工件形状、精度等级、生产批量以及材料的力学性能等因素。合理的工序安排能够减少工序数目、提高工件的质量、简化模具结构和劳动生产率等。

（1）弯曲件的工序安排原则

a.对于形状简单的弯曲件，如V形件、U形件、Z形件等，可以采用一次弯曲成形。对于形状复杂的弯曲件，一般需要两次或者多次弯曲成形。

b.需要多次弯曲时，一般是先弯两端，后弯中间部分，前次弯曲应考虑后次弯曲有可靠的定位，后次弯曲不能影响前次已成形的部分。

c.当弯曲件形状不对称时，为避免压弯时坯料偏移，应尽量采用成对弯曲，然后再切成两件的工艺，如图8.34所示。

d.对于批量大而尺寸比较小的弯曲件，为使操作方便、定位准确和提高生产率，应尽可能采用复合模或者级进模，如图8.35所示。

（2）典型弯曲件的工序安排

如图8.36所示分别是一次弯曲、两次弯曲、三次弯曲以及多次弯曲成形工件的例子。

（作者：饶传锋 李黎 董代进 胡云翔）