5. Robot Bending Technology

1. Bending process execution

Basic of the bending process execution in a robot-bending cell

The press brake contains an upper tool called the punch and lower tool called the die between which the sheet metal is placed. 

Bending is performed by a press brake machine that can be automatically or manually loaded. Press brakes are available in a variety of different sizes and lengths (20-200 tons) depending on the process requirements.

Bending is a process whereby a force is applied to sheet metal which causes it to bend at an angle and form the desired shape. Bends can be short or long depending on what the design requires. The sheet is placed between the two and held in place by the backstop. The bend angle is determined by the depth that the punch forces the sheet into the die. This depth is precisely controlled to achieve the required bend. 

Main characteristics in the bending process

Bend line– The straight line on the surface of the sheet, on either side of the bend, that defines he end of the level flange and the start of the bend.

Bend radius – The distance from the bend axis to the inside surface of the material, between the bend lines.

Bend angle – The angle of the bend, measured between the bent flange and its original position, or as the included angle between perpendicular lines drawn from the bend lines. Sometimes specified as the inside bend radius. The outside bend radius is equal to the inside bend radius plus the sheet thickness.

Neutral axis – The location in the sheet that is neither stretched nor compressed, and therefore remains at a constant length.

K-factor – The location of the neutral axis in the material, calculated as the ratio of the distance of the neutral axis T, to the material thickness t. The K-factor is dependent upon several factors (material, bending operation, bend angle, etc.) and is greater than 0.25, but cannot exceed 0.50. K factor = T/t

Bend allowance – The length of the neutral axis between the bend lines or the arc length of the bend. The bend allowance added to the flange lengths is equal to the total flat length.

The K-factor is the ratio between the the neutral axis to the thickness of the material.

Importance of the K-factor in sheet metal design

The K-factor is used to calculate flat patterns because it is related to how much material is stretched during bending. Therefore it is important to have the value correct in CAD software. The value of the K-factor should range between 0 – 0,5. To be more exact the K-factor can be calculated taking the average of 3 samples from bent parts and plugging the measurements of bend allowance, bend angle, material thickness and inner radius into the following formula:

In sheet metal bending, a flat part is bent using a set of punches and dies. The punch and the die are mounted on a press-brake, which controls the relative motion between the punch and tie, and provides the necessary bending pressure.

Sheet metal bending process consists from the following stages:

  • Position 1: part on the die
  • Position 2: punch on the part
  • Position 3: perform bending
  • Position 4: take out the part

A press brake is a machine tool for bending sheet and plate material, most commonly sheet metal. It forms predetermined bends by clamping the workpiece between a matching punch and die.- Wikipedia

Bending process illustration:  www.machinemfg.com

2. Bending methods / Painutusmeetodid

See the description of the technology of bending methods

BEND WORKS

The Fine Art of Sheet Metal Bending

Olaf Diegel, Complete Design Services

Põhjapainutus

Põhjapainutus on üks õhkpainutuse tüüpidest. Õhkpainutuse puhul jääb detaili ja matriitsi vahele õhupilu. Põhjapainutus  on üks  enimkasutatavamaid painutuse liike, kuna  see võimaldab suhteliselt väikese painutusjõuga sooritada kvaliteetseid ja  täpseid painutusi.

Põhjapainutus: t – materjali paksus, V – soone laius, ir – painutuse siseraadius

Sobiv matriitsi V-soone laius sõltub painutatava materjali paksusest.  V-soone laiuse ja materjali paksuse vahelise suhte vahel on olemas selge sõltuvus.  Materjali paksuse kasvamisel on vaja kasutada suurema V-soone laiusega matriitse. Peab teadma, et sobiva matriitsi valimisel tuleb arvestada ka painutatava serva laiust ja painutuse siseraadiust.

 V-soone laiuse ja materjali paksuse vaheline seos

   Materjali paksus0.5-2.6 mm3.0 – 8 mm9-10 mm12 mm või enam
     V-soone laius6t8t10t12t

Eksperimentaalselt on välja selgitatud, et põhjapainutusel kujuneb painde sisemine raadius umbes 1/6 V-soone laiusest, st ir = V/6. Näiteks kui kasutatava V-soone laius on kuuekordne materjali paksus, siis on painde siseraadiuseks materjali paksus (ir = t). Kui V = 12t, siis ir = 2t.

Nendest näidetest võib järeldada, et painde siseraadius varieerub vahemikus  1t kuni 2t. Painde siseraadiust, mis on võrdne materjali paksusega, kutsutakse standardseks siseraadiuseks. Enamik paindeid tehakse standardse siseraadiusega ir. Põhjapainutuse nurgatäpsust mõjutab tagasivetrumine. Enimlevinud vastumeede  antud probleemi vältimiseks on ülepainde tegemine, mille väärtus on võrdne  tagasivetrumise suurusega. See on põhjuseks, miks 90-kraadiste painutuste tegemiseks ettenähtud matriitsid on saadaval 90°, 88°, 85° ja 80° V-soone nurkadega. 90-kraadise nurgaga matriitsidel ei ole varu tagasivetrumise jaoks. 90° nurgad on saavutatavad, kui rakendatakse painutusjõudu, mille puhul negatiivsete ja positiivsete tagasivetrumiste suhe annab soovitud tulemuse.

Põhjapainutusel kasutatava templi tipunurk ja V-soone nurk peavad olema sama väärtusega. See on peamine eeltingimus, et jõuda soovitud täpsusega painutustulemuseni.

Osaline painutus

Nimetus osaline painutus tuleneb sellest, et detail puudutab tööriistasid osaliselt. Kontaktpunkte  on kolm (punktid A, B ja C). Osaline  painutamine on tüüpiline õhkpainutus, mida iseloomustab saavutatavate painutusnurkade suur vahemik. Näiteks kasutades templit ja matriitsi nurgaga 30 kraadi, on võimalik saavutada nurkasid vahemikus 30–180 kraadi. Osalist painutamist on mugav kasutada ja seetõttu on see põhjapainutuse kõrval laialdaselt kasutusel. Osalise painutamise põhjal peab matriitsi V-soone laiuseks olema 12–15 kordne materjali paksus, et saavutada vajalik täpsus.

 

V–soonte laiused põhi- ja osalisel painutusel 

Parempoolsel joonisel  tähistab põhjapainutusel kasutatava V-soone laiust Vb ja osalisel  painutamisel kasutatava V-soone laiust Vp; Vp on ligi kaks korda suurem kui Vb. Kui templi matriitsi tungimise sügavus on mõlemal juhul sama, siis painutusnurk θp on väike, võrreldes nurgaga θb. See tähendab, et painutusnurga variat­sioon on Vp puhul väiksem võrreldes Vb-ga. 

Kasutades osalise painutamise puhul põhja­painutusel kasutatavast matriitsist laiema V-soonega matriitsi, on võimalik saavutada piisavalt hea täpsus. Siiski jääb ka laiema matriitsi kasutamisel osalise painutamise täpsus alla põhjapainutusel saavutatavale. Seetõttu on soovitatav kasutada põhja­painutust, kui suur täpsus on oluline.

Vermimine

Võib tunduda imelik, et painutusmeetodit kutsutakse vermimiseks. Vermimise mõiste tuleneb müntide valmistamisest. Hoolimata suurte seeriate tootmisest, ei tohi müntide mõõtmetes olla erinevusi. Seetõttu rakendatakse antud nimetust ka selle painutusmeetodi puhul, kuna ta võimal­dab saavutada täpseid paindeid. Vermimisel on kaks suurt eelist: (1) väga kõrge painutus­täpsus ja (2) võimalus vähendada sisemise raadiuse suurust nii väikeseks, kui materjali omadused võimaldavad. Alltoodud joonis näitab detaili ja tööriistade asendit vermimise viimases faasis, kus on näha, et templi tipp on tunginud materjali sisse. 

Templi tungimine materjali ning templi ja matriitsi V-soone poolt avaldatav suur surve elimineerib tagasivetrumise. See on põhjus, miks vermimine vajab 5 kuni 8 korda suuremat painutusjõudu. V-soone laius on vermimise kasutamisel väiksem kui  põhjapainutuse korral, eelistatavalt 5-kordne materjali paksus. 

Üheks eesmärgiks on vähendada painutuse sisemist raadiust, mis omakorda vähendab templi materjali tungimise  sügavust. Väiksema matriitsi V-soone kontaktpind on väiksem ja seetõttu on painutamisel tekkivad kontaktkoormused suuremad, kuna painutusjõud jaotub väiksemale pindalale. Suurem pinnaühikule mõjuv surve aitab efektiiv­semalt elimineerida tagasivetrumist. Oluline on jätta meelde, et suur V-soone laius  avaldab vermimisprotsessile takistavat mõju. 

Vermimisel peab templi ja matriitsi nurk olema võrdne soovitava painutusnurgaga. Näiteks 90-kraadise painde tegemiseks tuleb kasutada 90-kraadist templit ja matriitsi. Tagasivetrumist ei ole vaja arvestada. Nagu varem mainitud, on vermimise puhul vaja suurt painutusjõudu. Vermitava materjali maksimaalne paksus sõltub painutuspressi tonnaažist ja seda limiteerib ka maksimaalne lubatav jõud, mida ülatala suudab taluda. 

Vermides 1,6 mm paksust külmvaltsitud madalsüsinik­terast, on vajalik jõud meetri kohta 75 tonni ja 2 mm külmvaltsitud madalsüsinikterase puhul orienteeruvalt 115 tonni meetri kohta. Seega on painutatava materjali maksimaalne paksus kuni 2 mm, kuna enamikel painutuspressidel on ülatalale lubatav koormus 100 tonni meetri kohta.

3. Painutusmeetodi valiku alused Bending method selection

Painutusmeetodi valikul tuleb arvestada toote rakendusalaga ja sellele esitatavate funkt­sionaalsete nõudmistega. NC painutuspresside kasutamisel võimaldavad teravnurksed tööriistad teha osalise painutamise abil nii nürinurkseid kui ka teravnurkseid paindeid. Kui toode ei nõua suurt täpsust, siis on tegu universaalse ja odava meetodiga. Nõuded täpsusele on teatud toodete puhul järjest kasvanud. Seetõttu on kohati vaja täpsust, mida võimaldab ainult vermimine. Vermi­mise kasutamine saavutab tulevikus ilmselt oluliselt suurema kandepinna. 

Nagu varem märgitud, on põhjapainutus enimkasutatud meetod, kuna sellega on saavutatavad suhteliselt suured täpsused. Samuti on põhjapainutus säästlik tootmisviis ja omab seetõttu olulist rolli ilmselt ka tulevikus. Põhjapainutuse oluline probleem on tagasivetrumine. Samas on tagasi­vetru­mise kohta palju infot, mida on edukalt kasutatud tööriistade konstrueerimisel. Tagasivetrumise vastu kasutatavad abinõud on tänapäeval piisavalt efektiivsed, et põhjapainutust kasutada lihtsalt ja probleemideta. 

Painutusmeetodite kasutamisotstarbekus



Painutamise meetod
V-soone laiusirPainutatud nurga täpsusPinna täpsusKommentaarid
Osaline painutamine 12t-15t2t-2,5t± 45‘Tekib suur painutusraadiusPainutusnurkade vahemik on vabalt valitav.
Põhjapainutus6t-12t1t-2t± 30‘HeaHea täpsus on saavutatav suhteliselt väikese tonnaažiga.
Vermimine5t0,5t-0,8t± 15‘HeaVäga suur täpsus. Vajalik tonnaaž on võrreldes põhjapainutusega 5 kuni 8 korda suurem. 

4. Painutusjõu olemus ja arvutus Bending force and its calculation

Bending force is the amount of energy it takes to compromise the item from its natural shape or condition. A bending force is a combination of tension and compression. In bending operations, bottom bending is used frequently at the bottom dead centre in order to stabilize the shape.

V-Bending force calculation

www.custompartnet.com/calculator/v-bending-force

Calculation of sheet metal bending force in air bending: www.machinemfg.com/calculation-of-sheet-metal-bending-force-in-air-bending/

Painutusjõu määramine

Vajalik painutusjõud F tuleb leida järgnevate sammude abil. Esiteks vali matriitsi V-soone laius vastavalt painutatava materjali paksusele t. Järgnevalt liigu mööda valitud paksusele t vastavat rida paremale, kuni ristumiseni valitud matriitsile V vastava veeruga. Näiteks kui kasutatakse 12 mm V-soone laiusega matriitsi 2 mm materjali painutamiseks, siis tabelist leitav painutusjõu F väärtus on 22 tonni. Reaalsuses on painutatavad servad erineva pikkusega ja kasutatakse tabelis antud materjalist erineva tõmbetugevusega materjale. Tabel on sellest hoolimata kasutatav. Painutustabelis kasutatavate parameetrite olemus on toodud Joonisel . 

Painutusjõu arvutuse tähistused: t – materjali paksus;  F- rakendatav jõud; v-soone laius;; b- painutatava serva minimaalne laius

Painutatava serva minimaalne laius

V-soone laius on leitav materjali paksuse põhjal. Lähtuvalt valitud V-soone laiusest saab leida painutatava serva minimaalse laiuse. Järgnevalt vaatame, miks serva laiusel on minimaalne väärtus. Kogu painutusoperatsiooni vältel peab materjal olema kindlalt toestatud V-matriitsi servade poolt. Kui toestamine ei ole tagatud, siis võib detail libiseda matriitsi servalt maha ja täpne painutustulemus ei ole garanteeritud, samuti muutub painutusprotsess ohtlikuks. Minimaal­se serva nõuet tuleb järgida, et tagada piisav täpsus ja ohutus. Serva minimaalne laius on arvutatav valemiga:

b – serva minimaalne laius 
V – matriitsi V-soone laius 

Tabelis on näidatud vajalik painutusjõud 1 m pikkuse madalsüsinikterasest detaili painutamiseks, mille tõmbetugevus on 450…500 N/mm². Tabelis näidatud jõud kehtivad põhjapainutuse korral (see on reeglina nii enamiku painutustabelite puhul). 

Näide

Järgnevalt on toodud arvutusnäide: Kui suurt painutusjõudu on vaja 1,5 mm paksuse ja 4 m pikkuse roostevabast terasest (tõmbetugevus 600 N/mm²) detaili painutamiseks?
Lahendus:  Sobiv V-soone laius on V = 6 x 1.5-> 10 (6 x 1.5 = 9, kuid järgmise suurusega stan­dard­tööriist on V = 10 mm). Materjali paksuse ja V-soone laiuse põhjal saab leida madalsüsinik­terase painutamiseks vajaliku jõu, milleks on 15 tonni. Kuna roostevaba teras on tugevam, siis on seda arvestatud järgmises arvutisvalemis: F = 15 x 60/45 x 4 = 80 tonn

5. Seos painutusnurga ja vajaliku painutusjõu vahel

Kui siledat lehte muljuda painutuspinki paigaldatud matriitsi ja templi abil, siis see hak­kab painduma sõltuvalt rakendatava jõu suuru­sest. Painutusprotsessi jõu ja sellele vasta­vate painde­nurkade põhjal saab koostada graafiku.Tekkiva kõvera kuju, mida nimetatakse ka S-kõveraks tema sarnasuse tõttu S-tähega, varieerub erinevat tüüpi materjalide puhul olulisel määral. Joonis 3.94 näitab külmvaltsitud madal­süsinik­terase (SPCC) painutuskõverat. Y-teljele on kantud 1 m pikkuse detaili painutamiseks vajalik jõud ja X-teljele on kantud jõule vastav  painutusnurk θ. Painutusnurk θ tähistab nurka, mis saavutatakse peale jõu eemaldamist. 

Matriitsi ja templi vahele paigutatud leht ei hakka kohe peale jõu rakendumist painduma, painutusjõud peab saavutame enne mingi kindla taseme. Joonisel 3.94 on näha painutusjõu järsk tõus (kõvera vertikaalne osa). Leht hakkab kergelt painduma umbes 6-tonnise koormuse juures, kuid jõu eemaldamisel paine kaob. Seda põhjustab materjali elastsus. Elastsus on materjali omadus taastada peale  jõu lakkamist endised mõõtmed.  Painutusprotsessi alguses jõud veidi kasvab ja saavutab maksimaalse väärtuse (10 tonni), kui on saavutatud 130-kraadine painutusnurk. Kui jätkata painutamist, siis hakkab painutusjõud veidi vähenema

Nagu graafikult näha, põhjustavad painutusjõu väikesed muutused selles piirkonnas järske muudatusi  painutusnurgas (piirkond on tähistatud graafikul numbriga 1). Vajalik painutusjõud hakkab uuesti kasvama, kui painutusnurk väheneb alla 10 kraadi. 90-kraadise painutuse saavutamiseks vajalik jõud on umbes 12,5 tonni, mis on 25% suurem kui 130-kraadise painutuse puhul. 

Jõudu, mis painutab lehe 90-kraadise nurga alla, nimetatakse materjali vajalikuks tonnaažiks. Kui jätkata materjali  painutamist, siis väheneb nurk 3…4 kraadi võrra alla 90 kraadi ehk saavutatakse teravnurk. See on näidatud graafikul piirkonnana 2. 

Painutusjõu edasisel suurenemisel muutub teravnurk uuesti 90-kraadiseks nurgaks. Selle saavutamiseks vajalik jõud on orienteeruvalt 75 tonni, mis on ligi 6 korda suurem vajalikust tonnaažist. Joonisel  nähtav kõvera järsk kerkimine piki Y-telge 90-kraadise nurga ümbruses iseloomustab painutusjõu kiiret kasvu. Piirkonda, kus painutusnurga muutus on hoolimata jõu kasvust väike, tähistatakse graafikul numbriga 3. Piirkondades 1, 2 ja 3 toimuvaid sündmusi nimetatakse vastavalt osaliseks painutuseks, põhjapainutuseks ja vermimiseks. Need painutusprotsessid ongi kolm painutamise liiki. Osalist painutust ja põhjapainutust kutsutakse koondavalt õhkpainutuseks.

6. Painutusnurga tagasivedrutamine

Tagasivetrumisel on oluline roll painutusprotsessis. Alltoodud joonis  iseloomustab V-painutusel toimuvat tagasi-vetrumist, mille võrra nürinurk, täisnurk või teravnurk muutub peale jõu eemaldamist. Joonisel näitab pidevjoon nurka (θ’), mis saavutatakse painutusprotsessi käigus, ja kriipsjoon näitab nurka (θ), mille toode omandab peale jõu eemaldamist.

Painutuse tagasivetrumine

Järgnevalt on käsitletud tagasivetrumise olemust kahest vaatepunktist. Ühel juhul selgitatakse tagasivetrumist pinge venimise diagrammi alusel ja teisel juhul käsitletakse molekulide ümber-paiknemist detaili sees.

Alljärgnevalt esitatud pingediagrammil on näidatud, kuidas punktis G välimise jõu vähenda¬misel väikese väärtuse võrra väheneb deformatsioon  järsult. Vähenemine toimub paral¬leel¬¬selt joonega 0A (see on elastsuspiirkond – venimine on proportsionaalne pingega). Kui detaililt jõud eemaldada, siis detaili deformatsiooni näitab punkt X. See osutab, et ka plastses piir¬konnas omab materjal elastsust. Graafikul näitab lõik G’X väärtust, mille võrra detaili mõõtmed muutuvad peale jõu eemaldamist, lõik 0X näitab jäävdeformatsiooni.

Pingediagramm

Ülaltoodud arutelu järeldus on see, et materjali elastsus ei ole kõrvaldatud isegi siis, kui pinged materjalis ületavad voolavuspiiri. See asjaolu on tagasivetrumise põhjuseks.

Alloleval joonisel on võimendatud illustratsioon molekulide ümberpaiknemisest siledas lehes, kui see on painutatud nürinurga või 90 kraadi alla.

Materjali struktuuri kokkusurumine ja venimine paindekohas

Detaili sisemine külg surutakse kokku ja väliskülge venitatakse. Sise- ja väliskülje keskel asub  tasapind, mida ei suruta kokku ega venitata pikemaks. Seda kutsutakse neutraaltasapinnaks või neutraaljooneks.  Detaili painutamisel tekivad vastassuunalised koormused, mis asuvad teine teisel pool neutraaljoont. 

Üldjuhul on materjali survetugevus oluliselt suurem kui tõmbetugevus. Painutusjõud tekitab jäävdeformatsiooni detaili välisküljes, aga sisekülje jaoks ei tekita sama jõud voolamispiiri ületavaid pingeid. Seetõttu üritab sisemine külg taastada oma endist kuju. See põhjustabki tagasivetrumist.