螺旋板換熱器?板料折彎回彈量的預(yù)防與控制(技術(shù)篇上)
[摘 要] 如何減小螺旋板換熱器折彎件的回彈變形問題,以達到控制彎曲件精度并且提高彎曲件產(chǎn)品的質(zhì)量,始終是彎曲件制造生產(chǎn)中迫切需要解決的重要問題。本文分析了板材彎曲加工中工件發(fā)生彎曲回彈的原因,闡述了影響板材彎曲的因素及常用減小回彈量的方法。
[關(guān)鍵詞] 塑性變形;退火;板材回彈;折彎;折彎模具;屈服強度
塑性變形是指板料折彎件在圓角區(qū)內(nèi)的彈性變形?;貜検侵甘拐蹚澕陔x開模具后,彈性變形雖然能夠恢復(fù),但所得到的工件的形狀尺寸與模具尺寸不一致,尺寸要求不能滿足設(shè)計要求的問題,如圖1所示?;貜検钦蹚澕庸ぶ谐R姷默F(xiàn)象,也是折彎工藝制訂中的技術(shù)難點,回彈問題的存在造成了零件成型精度低,增加了需反復(fù)進行試模、修模、上刀片行程調(diào)整等工作量和折彎后的矯正整形工作量。在折彎加工工藝編制過程中,消除回彈量是工藝編制人員和模具設(shè)計人員必須考慮的重要問題。因此,生產(chǎn)中一定要采取措施來減小并補償由于回彈造成的尺寸偏差,以提升折彎件的精度,制造出符合圖紙設(shè)計要求的產(chǎn)品。
1 板材折彎回彈產(chǎn)生過程
在板材折彎成形過程中,板材內(nèi)側(cè)金屬受力后產(chǎn)生縱向的壓縮,并且從內(nèi)層材料向?qū)挾鹊姆较蛑饾u移動,這就使得工件的橫向?qū)挾戎饾u增加。外層材料因受到切向拉伸作用力,材料的厚度的不足由寬度、厚度方向來補充,致使寬度變窄,從而產(chǎn)生了彎曲帶橫剖面方向的畸變。如圖2所示,對于板幅較窄的板(b<3t< span="">)彎曲帶橫剖面畸變比較明顯,但在板幅較寬板(b>3t)彎曲時,由于產(chǎn)生的橫向變形阻力較大,故其斷面的形狀變化不很大,由此可知,窄板和寬板彎曲時的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)是不一樣的。在板材折彎過程中,塑性變形是在彎曲件的圓角位置附近,而直邊部分除與圓角相近的“過渡段”有小量變形外,其它基本上不會發(fā)生塑性變形。在縮短的內(nèi)側(cè)和伸長的外側(cè)板料之間存在著一個長度保持不變的中性層,這時中性層仍處于彈性變化狀態(tài),當(dāng)去除外部載荷后,板材就會產(chǎn)生彈性回復(fù)量。金屬塑性變形總是伴有彈性變形的,所以板材折彎時,即使內(nèi)外層金屬全部進入塑性狀態(tài),當(dāng)去除外部載荷后,彈性變形量消失,但也會出現(xiàn)回彈量。由于材料在發(fā)生塑性變形之前必然有一個彈性變形的過程,這是由材料本身特性決定的,因而折彎件的回彈現(xiàn)象是不可避免的。當(dāng)材料應(yīng)力達到屈服強度Rel時,材料開始發(fā)生塑性變形,而從開始對材料加力達到屈服強度Rel以前則為彈性變形范圍,不同硬化性能的材料彈性變形區(qū)的大小是不同的,因而不同的材料在折彎后的回彈值也是不同的。
2 板材折彎過程中常見的回彈方式
常見的回彈方式有正回彈和負(fù)回彈兩種。正回彈是指折彎件從模具取出后曲率半徑增大的回彈;負(fù)回彈是指折彎件從模具去除后曲率半徑減小的回彈。在V形模矯正折彎時,其直邊部分有校直作用。折彎后,圓角部分產(chǎn)生的回彈方向M與直邊校直產(chǎn)生的回彈方向N相反,如圖3所示。如果直邊校直的回彈與圓角的回彈相等,則工件不出現(xiàn)回彈。如果M≠N,則出現(xiàn)回彈。工件的折彎角α,模具的刃傾角α1,當(dāng)α>α1時為正回彈;當(dāng)α<α< span="">1時為負(fù)回彈。相對彎曲半徑r/t較小時,有可能出現(xiàn)負(fù)回彈,如果相對彎曲半徑r/t<(0.2~0.3)< span="">的V形工件進行折彎時,回彈角為負(fù)或零。
3 影響回彈的主要因素
3.1材料的力學(xué)性能
折彎件的材料特性是影響回彈的主要因素。通常,回彈量大小與材料的屈服強度Rel成正比,與材料的彈性模數(shù)E成反比。Rel/t越大,回彈越大。材料性能不穩(wěn)定時,回彈值也不穩(wěn)定。
3.2板料折彎時相對彎曲半徑r/t的影響
相對彎曲半徑r/t表示折彎成形的變形程度,回彈值與相對彎曲半徑成正比,r/t越小,折彎的變形程度越大,塑性變形在總變形中所占比重越大,因此卸載后回彈隨相對彎曲半徑的減小而減小,因而回彈越小。r/t越大,折彎的變形程度越小,但材料斷面中心部分會出現(xiàn)很大的彈性區(qū),因而回彈越大。當(dāng)其它條件相同時,回彈值為隨著相對彎曲半徑r/t的增大而增大。
3.3板料折彎角的影響
在彎曲半徑不變的條件下,當(dāng)折彎角越大,則增加變形的區(qū)域越大,彈性變形量也越大,因此工件的回彈量越大。
3.4折彎零件形狀的影響
通常折彎零件的形狀越復(fù)雜,一次折彎的角度越多,則折彎變形時,各個部分變形互相制約的作用力越大,而且增加了回彈阻力,降低了成形的回彈量。
3.5板料折彎模具尺寸的影響
如圖4所示,當(dāng)上模半徑R一定時,折彎件的回彈值隨著下模V開口尺寸2L的增大而減小,上模半徑R較大而下模開口尺寸過小時,回彈量很大。
3.6板料折彎力的影響
如圖5所示,折彎時,由于材料受上、下模的壓縮作用,不僅使折彎變形區(qū)板材的拉應(yīng)力相對減小,而且在折彎變形區(qū)中性層還易出現(xiàn)外側(cè)的拉應(yīng)力和內(nèi)側(cè)縱向的壓縮應(yīng)力,然后隨著折彎力的增加,縱向壓應(yīng)力向材料外表面逐步擴展,使板材的全部或大部分?jǐn)嗝嬖诳v向均出現(xiàn)壓應(yīng)力,于是內(nèi)外層回彈方向取得了一致,其回彈值大大減小。
3.7折彎方式對反彈量大小的影響
常見的板材折彎形式有兩種:U形下模的自由折彎與V形下模的限制折彎。由于它們的形狀不同,卸載后的零件的彎曲回彈值的大小也不相同。
4 板料折彎回彈角度的確定方法
影響回彈角數(shù)值的因素較多,而且各種因素間互相影響,因此理論分析比較復(fù)雜且不精確。一般采取按表查出經(jīng)驗數(shù)據(jù)或按計算方法求得回彈值后,再在試模中進行修正的方法。
4.1對于Q345等材料進行90°單角校正折彎時,其角度回彈量可按下列經(jīng)驗公式計算:
△α=0.43r/t-0.61°式中:△α -角度回彈量;r -彎曲圓角半徑,mm;t -材料厚度,mm
當(dāng)相對于折彎半徑(r/t<5< span="">)時,折彎半徑的數(shù)值變化不大,僅需考慮角度的回彈。當(dāng)相對于折彎半徑(r/t>5)時,上模圓角半徑和折彎中心角可按純塑性折彎條件進行計算。
4.2相對折彎半徑(r/t≥10)較大的工件,如圖7所示,回彈也大,此時不僅角度有回彈,折彎半徑也有較大變化,上模圓角半徑和折彎中心角按純塑性折彎計算。
r1=r/(1+3σs/E·r/t)
式中:r -工件圓角半徑,mm;r1-上模圓角半徑,mm;Rel -材料的屈服強度,MPa;α -工件圓角弧長中心角;α1 -上模圓角弧長中心角;t -材料厚度;E -材料的彈性模量,MPa
4.3 90°單角自由折彎時的角度回彈值可直接查表用經(jīng)驗數(shù)據(jù)設(shè)計折彎上下模。
5 減小回彈量的具體措施
完全消除折彎件的回彈量是困難的,在實際生產(chǎn)中可適當(dāng)采取以下措施來減小工件的回彈量。
5.1產(chǎn)品設(shè)計中采取的措施
(1)優(yōu)化并改進零件的設(shè)計結(jié)構(gòu),以增強工件的剛度和彎曲變形程度,達到減小回彈量的目的,如圖8所示,在折彎件上橫跨折彎線用加強筋支撐。
(2)在設(shè)計許可的條件下,產(chǎn)品選材時選用彈性模量大、屈服強度小、力學(xué)性能相對穩(wěn)定的材料。
5.2采取工藝措施制訂減少變形的工藝
(1)經(jīng)過冷作硬化的硬材料,在折彎前應(yīng)進行退火處理,以降低其硬度,并且可減小回彈量,折彎后再進行淬火處理,達到原材料的性能,此法不適于熱處理無法強化的材料。
(2)適當(dāng)增加附加拉伸力,用以減小彈性變形區(qū)的大小。此類方法僅適用于材料彈性比較大、折彎半徑r≥(10~15)t的產(chǎn)品,比如像拉彎工藝類的產(chǎn)品。
(3)合理增加校正、整形工序。
5.3在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采取一些控制措施
由于文章比較長,下接螺旋板換熱器板料折彎回彈量的預(yù)防與控制(技術(shù)篇下)。