折彎件缺陷原因分析及解決方案

王保保， 霍婧怡

（1.山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司， 山西 太原 030024； 2.晉西鐵路車輛有限責(zé)任公司鐵貨分公司，山西 太原 030024）

引言

金屬折彎件在機(jī)械產(chǎn)品中應(yīng)用較廣，彎曲零件有V 形、U 形、Z 形及其他較復(fù)雜的彎曲形狀。其比焊接結(jié)構(gòu)件具有外形美觀，強(qiáng)度高，加工方便快捷等特點(diǎn)，但也存在角度不好控制，易產(chǎn)生裂紋等質(zhì)量問(wèn)題。為滿足產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)需要，折彎的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也逐漸提高。折彎工藝的合理性直接影響到產(chǎn)品最終成形的尺寸和外觀。通過(guò)從理論方面對(duì)折彎件的缺陷產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、實(shí)際操作等方面著手確定解決方案并在生產(chǎn)過(guò)程予以控制和預(yù)防，采取相應(yīng)有效的工藝方法來(lái)提高工件質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)快速判斷故障，及時(shí)解決問(wèn)題的目的。

在產(chǎn)品的加工過(guò)程中，折彎件的制造缺陷有多種，本文對(duì)較為典型的四種缺陷現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出解決方案。

1 折彎件缺陷現(xiàn)象的案例

1）某產(chǎn)品板材材料為20CrMnSi，板厚δ=10 mm的護(hù)板折彎R8 mm 后，在折外表面出現(xiàn)裂紋缺陷；

2）某產(chǎn)品零件，在折彎后發(fā)生回彈現(xiàn)象，直接影響工件的尺寸精度。

3）某產(chǎn)品板材材料為35，板厚δ=10 mm，寬度400 mm 的擋板，在與板材軋制方向平行的方向折彎R12 mm 后，在折彎線內(nèi)表面出現(xiàn)裂紋缺陷；

4）某產(chǎn)品板材材料為20，板厚δ=14 mm，材料經(jīng)剪切或沖裁后，在邊緣常出現(xiàn)毛刺或細(xì)小裂紋，彎曲時(shí)出現(xiàn)折裂缺陷，工件折裂時(shí)剪切面（帶毛刺面）向外，開(kāi)裂位置發(fā)生在工件的剪裂帶和揉壓帶。

2 折彎件缺陷問(wèn)題分析

折彎是冷沖壓的成形工序，是坯料受力后，應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服點(diǎn)，經(jīng)過(guò)塑性變形后，成為一定形狀的加工工序。彎曲是將平板坯料放在專用彎曲模中，借助壓力機(jī)壓力作用，或通過(guò)專用設(shè)備利用沖模壓成一定角度形狀的制品零件的過(guò)程。材料在彎曲時(shí)，其彎曲圓角處，發(fā)生了劇烈的塑性變形，即外表層被拉長(zhǎng)，內(nèi)表層被壓縮。彎曲半徑過(guò)小，容易被拉裂；彎曲半徑過(guò)大，又會(huì)產(chǎn)生彈性回跳。因此，過(guò)大或過(guò)小的彎曲半徑值是影響彎曲件質(zhì)量的不利因素。案例1 的彎曲半徑較小，是造成彎曲裂紋缺陷的主要原因。

彎曲件除了發(fā)生塑性變形外，還同時(shí)伴隨有彈性變形，去掉外力時(shí)彈性變形部分立即恢復(fù)而產(chǎn)生彈性會(huì)跳（回彈）或者在壓彎處發(fā)生破裂，因而引起彎曲，出現(xiàn)廢品。

材料的彈性是指材料在受外力作用下產(chǎn)生變形，而在外力去掉之后，仍能恢復(fù)原來(lái)形狀的一種金屬特性。材料的彈性是用保持彈性變形的最大應(yīng)力（單位面積上的抵抗力）σe來(lái)表示，俗稱材料的彈性極限，即：

式中：σe為材料的彈性極限，MPa；Pe為彈性極限負(fù)荷，N；F0為試件原來(lái)的截面積，mm2。

材料的彈性對(duì)零件本身是一種很有價(jià)值的特性。但在彎曲金屬板料時(shí)，由于材料的彈性存在，彎曲后的成形工件會(huì)有向原來(lái)狀態(tài)方向彈回現(xiàn)象，致使工件達(dá)不到預(yù)想的形狀和精度，這就不得不通過(guò)一次又一次的反復(fù)試模，來(lái)確定彎曲模的工作部分尺寸，直至修整到合適為止，增加了工作量的給工作帶來(lái)一定的困難及很大的工作量。所以，對(duì)于折彎的零件都要求塑性較好的金屬材料。案例2 出現(xiàn)的折彎后不滿足產(chǎn)品精度要求的問(wèn)題，就是因回彈引起的，與材料的性能、模具結(jié)構(gòu)、彎曲件本身的形狀、工藝性以及設(shè)備壓力大小等有關(guān)。

由于板料在軋制過(guò)程中形成纖維組織，它在各個(gè)方向的力學(xué)性能及物理性能并不均勻一致，即在不同方向上有所差異性，材料的這種性能即被稱為板平面的方向性。板料的方向性對(duì)彎曲性能影響較大，使彎曲件易被彎裂，影響產(chǎn)品的成形。因此，在彎曲件的通常折彎工藝中要規(guī)定，折彎應(yīng)按與板料壓延方向垂直。但如果必須在兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行彎曲的工件，應(yīng)采取斜排料，使其成45°夾角，可預(yù)防翹曲及扭曲，彎曲線與軋制方向最好應(yīng)保持不小于30°的夾角。案例3 發(fā)生裂紋的原因主要就是工件彎曲線與軋制方向平行引起的。

工件在彎曲前，坯料的準(zhǔn)備工作對(duì)于彎曲件的質(zhì)量有著很重要的影響。彎曲是利用金屬發(fā)生塑性變形后，能保持一定的永久變形的特性。彎曲時(shí)，內(nèi)層受壓應(yīng)力，而外層受拉應(yīng)力，這兩種應(yīng)力都超過(guò)屈服點(diǎn)。與此同時(shí)，其他因素也會(huì)促使材料發(fā)生破裂，造成廢品的產(chǎn)生。其中很大一部分原因是由于坯料的質(zhì)量低劣引起的。所以板料的表面在彎曲前應(yīng)保持光滑。整個(gè)板面應(yīng)避免有凸起及凹陷存在。板面毛刺不易清除時(shí)，在毛刺的周圍易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，促使材料破裂。案例4 在彎曲時(shí)出現(xiàn)折裂缺陷的主要原因就是毛刺的應(yīng)力集中造成的。

3 折彎件缺陷解決方案

3.1 選擇合理的彎曲半徑

設(shè)計(jì)彎曲件時(shí)，選擇彎曲件的彎曲半徑不應(yīng)過(guò)大或過(guò)小。取值一般不應(yīng)小于材料許可的最小彎曲半徑值。如對(duì)于退火或正火的中碳鋼，垂直碾壓紋方向，彎曲件最小彎曲半徑為0.8t（t 是板料厚度），如工件要求有很小的內(nèi)側(cè)彎曲半徑或要求做成直角時(shí)，應(yīng)事先進(jìn)行工藝控制，在兩邊開(kāi)槽，或彎曲后再銑槽，以便于成形。彎曲鋼件及硬鋁時(shí)應(yīng)經(jīng)熱處理退火，使其塑性增強(qiáng)后進(jìn)行彎曲。

3.2 降低回彈對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

1）應(yīng)選擇力學(xué)性能較好的沖壓原材料。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇屈服點(diǎn)σb較小、彈性模量E 較大、硬化指數(shù)n 較小的材料，可以減小彎曲件的回彈，確保彎曲件的質(zhì)量和精度。

2）設(shè)計(jì)合理的彎曲件結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)彎曲件時(shí)，相對(duì)彎曲半徑在大于最小相對(duì)彎曲半徑的前提下應(yīng)盡量小。同時(shí)，在不影響彎曲件使用性能的前提下，為減小回彈，可在彎曲件的轉(zhuǎn)角處，壓出加強(qiáng)肋。

3）改進(jìn)模具設(shè)計(jì)。消除或減小回彈對(duì)此采取的工藝措施為角度補(bǔ)償法。若工件折彎角度為90°，折彎?rùn)C(jī)下槽（V 形）開(kāi)口角度可選擇78°；加壓時(shí)長(zhǎng)增加校正法。在彎曲終了時(shí)進(jìn)行加壓校正，延長(zhǎng)折彎?rùn)C(jī)上模、工件、下槽的接觸時(shí)間，以增加下槽圓角處的塑性變形程度，使拉壓區(qū)纖維的回彈趨勢(shì)互相抵制，從而減少回彈。

4）選用噸位大的壓力機(jī)，加大壓力減少回彈。為了減少回彈，在彎曲過(guò)程中可采用遠(yuǎn)比實(shí)際所需彎曲力大的力來(lái)進(jìn)行強(qiáng)力彎曲。利用這樣大的力，即具有校形性質(zhì)，是一種比較簡(jiǎn)單的能消除回彈的方法。

3.3 保持彎曲前的板料彎曲方向與板料軋制方向的垂直

鋼板在軋制過(guò)程中形成的纖維組織，由于其方向性，使材料力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性。在車間實(shí)際操作過(guò)程中，當(dāng)纖維方向與折彎線方向平行時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度較差，容易造成圓角處折裂。對(duì)此采取的工藝措施為：若受材料整體外形限制時(shí)，使得組織纖維方向與折彎線方向平行，需增加折彎圓角半徑，至少為板材最小彎曲半徑的2 倍；當(dāng)組織纖維方向與折彎線垂直時(shí)，材料具有較大抗拉強(qiáng)度，折彎圓角半徑可為最小彎曲半徑；壓彎雙向工件時(shí)，須使組織纖維方向與折彎線方向成一定的夾角。

3.4 保持板料表面在彎曲前光滑

在實(shí)際應(yīng)用中，許多彎曲件是作為外觀件使用的，如面板、儀器外殼等。這類零件就需要有較高的表面質(zhì)量，防止擦傷、斷裂等缺陷的產(chǎn)生。為此在彎曲時(shí)，要保障彎曲件的表面質(zhì)量，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：材料的選擇及使用要合理；增設(shè)工藝切口，凸凹模要拋光合理；選用凹模圓角及凸凹模間隙。采取的工藝措施為：經(jīng)剪切或沖裁后的工件，折彎時(shí)保證剪切面向里，即處于受壓狀態(tài)，成形效果較好；折彎前對(duì)工件進(jìn)行去毛刺處理，折彎后可對(duì)折裂處使用手工砂輪機(jī)修磨。

4 折彎工件工藝性問(wèn)題的預(yù)防

4.1 帶孔折彎工件

當(dāng)折彎工件帶有圓孔或者長(zhǎng)圓孔，若采取壓彎前孔已成形，且在彎曲變形內(nèi)，則壓彎后會(huì)出現(xiàn)拉料情況，導(dǎo)致折彎件外形尺寸達(dá)不到設(shè)計(jì)圖樣要求，同時(shí)孔也會(huì)發(fā)生變形，需采取工藝措施預(yù)防。

對(duì)此采取的工藝措施為：對(duì)于圓孔，若圓孔長(zhǎng)度L≥2t（t 是板料厚度），孔可在工件壓彎前成形，若出現(xiàn)輕微孔變形，需鉆床重新穿孔；若L＜2t，需要工件壓型完成后再鉆孔。對(duì)于長(zhǎng)圓孔，按照上述圓孔情形處理，一般情況下，保證圓孔長(zhǎng)度（La）不大于板件寬度（沿折彎線方向Lb）的20%，即La≤0.2Lb，但特殊情況下需根據(jù)工件實(shí)際形狀加以具體分析。

4.2 折彎工件增加工藝孔

工件折彎線沿其某一邊緣線，若直接在折彎?rùn)C(jī)上進(jìn)行壓彎處理，會(huì)出現(xiàn)帶料撕裂情況，須增加工藝孔進(jìn)行預(yù)防，同時(shí)規(guī)范工藝孔直徑。對(duì)此采取的工藝措施為：在折彎工件上拐角處沿折彎線方向增加工藝孔，其工藝孔直徑約為板厚的1.5～2.0 倍。

4.3 異形件折彎線定位

部分折彎件因外形尺寸復(fù)雜，出現(xiàn)非直邊、與折彎線相交等情況，會(huì)導(dǎo)致工件下料折彎時(shí)邊緣難以觸碰數(shù)控折彎?rùn)C(jī)擋尺及手工劃折彎線困難。對(duì)此采取的工藝措施為：中薄板下料時(shí)標(biāo)記割縫。中薄板件可選擇激光切割機(jī)或者精細(xì)等離子切割機(jī)下料，下料時(shí)直接在工件上割出折彎標(biāo)記割縫，此割縫對(duì)薄板影響較小，能后期修復(fù)；厚板下料后割V 形口。切割一件和原異形件相同的工件作為劃線工裝樣板，厚度要求一般為2～4 mm，在折彎線處割出V 形口，方便定位劃線。

5 結(jié)論

根據(jù)公司折彎件的生產(chǎn)過(guò)程，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)折彎工件典型缺陷及工藝性問(wèn)題預(yù)防提出合理的解決措施，這些工藝措施經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，能滿足質(zhì)量要求并提高工件質(zhì)量。