板料弯曲回弹分析
于长生，王静
（南京航空航天大学，南京 210016）
摘 要：如何减小弯曲件的回弹，以控制制件精度和提高制件质量，一直是弯曲件生产中要解决的关键问题。本文分析了塑性弯曲加工中工件发生弯曲回弹的原因，阐述了影响板料弯曲回弹的因素及常用减小回弹的方法。
关键词：板料；回弹；模具
The analysis of springback of sheet metal bending
Yu Changsheng, Wang Jing
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, jiangsu 210016 China）Abstract: It is a critical technology to decrease the springback of the sheet metal parts in order to control their accuracy and improve their quality that should be solved in the manufacturing. In this paper, the causations of springback of the bending sheet metal and the factors influence of springback are analyzed. The methods of decreasing springback are described.
Key words: sheet metal; springback; mould
1引言
回弹是弯曲加工中最常见的废次品形式之一，也是弯曲工艺中的技术难点之一，回弹问题的存在造成零件成形精度差，显著地增加了试模、修模工作量和成形后的校形工作量。因此，在弯曲加工工艺设计中，如何消除回弹应该是模具设计人员必须考虑的问题。因此，生产中常必须采用一些措施来减小或补偿由于回弹所造成的误差，以提高弯曲件精度，生产合格产品。
２ 板料回弹的产生
在板料弯曲成形过程中，板料内外缘表层纤维进入塑性状态，而板料中心仍处于弹性状态，这时当凸模上升去除外载后，板料就会产生弹性回复。
金属塑性成形总是伴有弹性变形，所以板料弯曲时，即使内外层纤维全部进入塑性状态，在去除外力时，弹性变形消失，也会出现回弹。板料在回弹前后几何形状的变化如图1所示，图2显示了板料弯曲过程中板料的应力和应变的状态。弯曲时，弯曲变形只发生在弯曲件的圆角附近，直线部分不产生塑性变形。
(a) 窄板（b≤3t）(b) 宽板（b≥3t）( )
( )
图3材料的力学性能对回弹的影响
图2弯曲断面变化和应力应变状态
3影响板料回弹的因素
影响板料弯曲回弹的因素很多，现就其定性影响综述如下：
材料的力学性能 弯曲件的材料特性对回弹有直接影响，一般来说，回弹量大小大致与材料的屈服强度成正比，与材料的杨氏模量E成反比（如图3所示），板厚各向异性r值和材料强化系数Ｋ值越小，材料的应变强化指数ｎ值越大，回弹量越小。
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σ
相对弯曲半径R/ t的影响 相对弯曲半径表示弯曲成形的变形程度，回弹值与相对弯曲半径成正比，相对弯曲半径越小，断面中塑性变形区越大，切向总应变中弹性应变分量所占的比例越小，因此卸载时弹性回弹随相对弯曲半径的减小而减小；而相对弯曲半径较大时，虽然变形程度很小，但材料断面中心部分会出现很大的弹性区，所以回弹量较大。
弯曲角的影响 在一定的相对弯曲半径情况下，弯曲角越大，则对应的参加变形的区域
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越大，弹性变形量的累积量也越大，因此工件的回弹值也越大。
弯曲零件形状的影响 一般来说，弯曲零件形状越复杂，同时一次弯成的角度越多，弯曲变形时各个部分变形相互制约作用越大，增加了回弹阻力。因而降低了成形的回弹量。
模具几何参数影响[1]当凸模半径一定时，V形弯曲件的回弹量随凹模开口尺寸的增大而减小，凸模半径较大而凹模开口尺寸过小时，回弹量很大，U形件的回弹量随凹模开口深度的增大而减小，凹模开口深度与薄板厚度之比小于4，随着凹模开口深度的减小，U形件的回弹量显著增加。
张力的影响 在板料弯曲的同时施加拉力（拉弯工艺），则可使断面的压应力转为拉应力，使整个断面都处于拉应力的作用，卸载时弹性恢复变形方向一只，可以明显减小回弹量，随张力的增加回弹量减小。
工况参数 弯曲板料表面和模具表面之间的摩擦可以改变板料各部分的应力状态，尤其在多角一次弯曲时，摩擦的影响更为显著，但情况比较复杂。一般可以认为，摩擦在大多数情况下可以增大变形区的拉应力，可使零件接近于模具的形状。
模具间隙的影响 U形弯曲模的凸、凹模间隙越小时，摩擦越大。由于模具对板料产生挤薄作用，使材料的贴模程度增加，加大了对弯曲件直边的径向约束作用，卸载后回弹减小。
弯曲校正力的影响 校正弯曲时，由于材料受凸模和凹模的压缩作用，不仅使弯曲变形区板料外侧的拉应力有所减小，而且在中性层附近，外侧还出现和内侧纵向同号的压缩应力，随着校正力的增加，纵向压应力向板料外表逐步扩展，使得板料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，故其回弹大为减小。
弯曲方式的影响 薄板的弯曲成形主要有两种变形形式：无底凹模的自由弯曲；有底凹模的限制弯曲。两种方式的变形情况不同，卸载后的零件的弯曲回弹量也不同。
4弯曲回弹的控制方法
前面分析了回弹的原因和影响因素，根据零件形状和弯曲工艺的不同可选用不同的方法来控制回弹，回弹控制方法有以下几种：
（1）选用合适的材料及改进零件的局部结构。
采用弹性模量大、屈服点小的材料，可以有效减小回弹量；在变形区压制合适的加强筋（见图1）或压成形边翼以改变变形区的材料应力及应变分布，增加零件的刚度，减小回弹。例如，图2所示，在凹模4上开个圆槽，在凹模1上安装与之配合的销子，则在板料3上形成圆窝，可阻止弯曲回弹，对长件可以压几个圆窝[2]。
A
图5改进零件的局部结构
1－凹模2－销子3－板料4－凸模5－圆窝图4加强筋结构
（2）从工艺上采取措施
对冷作硬化的硬材料需先退火，降低其屈服点，以减小回弹，弯曲后再淬硬；采用加热弯曲，根据板料种类的不同，选择合适的温度，由于材料有足够的时间软化，可以减小回弹量。改变弯曲时的应力状态，降低或克服弯曲的回弹，如用校正弯曲代替自由弯曲、用拉弯法代替一般弯曲方法、采用多点反复成形法。
校正弯曲 是用有底凹模限制弯曲，当零件与模具贴合后，以附加压力校正弯曲变形曲，使压力沿切向产生拉伸变形，卸载后拉压两区的回弹趋势相抵以减小回弹，此法主要用于变
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形区较小的小圆角场合，否则无法提供足够大的校正弯曲力。一般材料，若材料厚度在0.8mm 以上，弯曲半径又不大时，可将凸模做成图6（a）所示的形状，使压力集中于角部，以加大弯曲的变形程度来克服回弹。图6（b）所示是在凸模和凹模之间利用顶件块施加局部压应力，来减小回弹。图6（c）所示是利用滚轴结构设计不破裂和无回弹的弯板方法，凸模1将板料2在两个滚轴3间弯曲的同时，在下面用顶件块4加反力，可避免小弯曲半径导致的破裂。对大弯曲半径，用图6（c）右图4′所示顶件块，可避免回弹。但反力要适中，既不能太小，也不能太大，可以试验确定。距离d要小，最好为板料厚度的6倍。
(b)
图6校正弯曲
拉弯法（见图7） 就是在薄板弯曲的同时施加切向拉力，改变薄板内部的应力状态和分布情况，所施加得拉应力的大小应使弯曲变形区内各点的合成应力稍大于材料的屈服应力，让整个断面处于塑性拉伸变形范围内，这样内、外区应力、应变方向取得了一致，卸载后，内外层纤维的回弹趋势相互抵消，减小了回弹。这种方法主要用于相对弯曲半径很大的零件成形。
多点反复成形[3]（见图8） 其原理是将传统的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的基本体，通过对各基本体运动的实时控制，自由地构造出成形面，从而实现板材的三维曲面成形。可采用反复成形，消除材料内部的残余应力，并实现少无回弹成形，保证工件的成形精度，可用于回弹量大的各种小曲率平滑制件。但需要复杂的多点成形特殊设备。
采用橡胶弯曲模具[4]（见图9） 采用橡胶凸模(或凹模)时，由于橡胶放在密闭的容框内，能均匀地向各个方面传递压力，使弯曲工件紧密地与凸模面贴合，使工件处于三向压应力状态，致使回弹减少。
1－容框2－橡胶3－板料4－凸模
图9橡胶弯曲模具
图8板材多点成形工艺
图7拉弯工艺
（3）改变模具角度
预先估算或实验得出弯曲件的回弹量，设计模具结构时，使模具弯曲角等于工件弯曲角加回弹角，同时减小凸、凹模间隙，使其产生过度弯曲。卸载回弹后，工件达到合格尺寸。这种方法多用于容易修磨的模具。如图8所示，图（ａ）为单角补偿，根据所得的回弹量，设计制造模具凸、凹模的角度；图（ｂ）为U形件，它的补偿可采用两种方法，一是角度法，使凸模向内倾斜一个角度，其值等于回弹角，二是减少凹、凸模单边间隙，增大弯曲时的摩擦，变形增大，回弹减小。图（ｃ）将底部做成圆弧形，当凸、凹模分离后圆弧回弹至直线，两侧边就向内倾斜。
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(a)
图10过弯曲法
(4) 在加工中，实行在线控制，达到最优的成形条件。将一般的理论预测和工艺试验方法二者有机结合，实现自由弯曲中回弹的自适应控制[5]。
该方法的关键点是：在零件开始弯曲的一段过程中实时测量弯曲力—凸模位移曲线，这一过程实质上是把工艺试验嵌入到了生产过程之中，由此基本消除了由材料特性的离散性而引起的回弹预测误差。在测得实时力—位移曲线后，可有多种方法实现后续弯曲过程的实时控制。Yang[6]通过将实测曲线与试验数据库所存曲线相比较，应用模糊推理机制实现弯曲的实时控制。Stelson[7]和Kwok[8]则将实时力—位移曲线交由计算机处理得到曲率—弯矩方程，进而计算得到凸模下行的过弯曲位置。在Stelson的工作中假设弯矩沿弧长线性分布，由此得到的弯曲形状是近似的，只适用于小转角问题；而Kwok的工作中由于增加了实时图象处理系统，可准确得到弯曲形状，适用面较广。以上自适应弯曲控制的最大优势在于，不必进行专门的工艺试验，对不同特性和不同厚度的板料均可一次弯曲成形，具有良好的应用前景。
另外，对于曲率非常小的弯曲件，由于其塑性变形不充分，回弹较大，单纯模具补偿难以实施，一般要采用拉弯法和模具补偿法联合作用来控制回弹。对于局部曲率很大的弯曲件，理论预测精度较差，实际生产中一般采用局部加压矫正的方法来控制回弹。除此之外，有学者提出了一些新的控制方法，限于生产条件及产品成本问题，并没有得到普及。
5结束语
回弹实质上是一个弹性卸载过程，由于弯曲件形状的复杂性，可能伴有局部加载过程，零件的最后回弹形状是其整个成形历史的累积效应，而板料成形过程与模具几何形状、材料特性、摩擦接触等众多因素密切相关，所以板料成形的回弹问题非常复杂。在实际生产中要根据产品批量大小、弯曲件精度要求以及模具设计制造条件选择相应的方法，以便保证质量，提高产品精度。
参考文献
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[2] 梁炳文. 板金冲压工艺与窍门精选. 北京机械工业出版社 2001.43
[2] 赵军,马瑞. 板材成形新技术及其发展新趋势(Ⅱ). 金属成形工艺,2003,21(2):1~5
[4] 陈毓勋,吴元江. 聚氨酯橡胶冲模. 北京机械工业出版社 1982.71
[5] 朱东波等板料成形回弹问题研究新进展塑性工程学报,2000,7(1):11~17
[6] Yang M, Manabe K 1, NishuraH. Development of real-time process control system for precision and flexible V-bending with an on-line database, J. Mats. processing Technology, 1996,(60):249~254
[7] Stelson K A. An adaptive pressbrake control for strain-hardening materials, J. Engg. for industry, 1986, 108(3):127~132
[8] Kwok S K, Lee W B. The development of a machine vision system for adaptive bending sheet metals, J. Mats. Processing Tech.，1995, 48, 43~49
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