冲压工艺与模具设计概述.ppt

第4章拉深模,4.1拉深变形过程的分析4.2拉深件的质量分析4.3回转体拉深件板料尺寸的确定4.4圆筒形件的拉深4.5带凸缘圆筒形件的拉深4.6特殊形状的制件拉深4.7变薄拉深4.8压边力和拉深力的确定4.9凸、凹模工作部分的设计4.10拉深模设计应用,4.1拉深变形过程的分析,4.1.1拉深的变形过程4.1.2拉深过程中板料的应力应变状态,4.1.1拉深的变形过程,拉深过程如图4.2所示。拉深所用的模具主要由凸模、凹模和压边圈三部分组成。与冲裁所不同的是，凸模刃口、凹模刃口部位的形状变成具有一定半径值的圆角，凸、凹模之间的间隙稍大于板料的厚度。拉深时，板料毛坯受到凸模、凹模和压边圈所产生的力作用，凸模使板料进入凹模型腔，将板料拉深成开口的圆筒形状。压边圈的作用是防止板料在拉深过程中四周翘起(起皱)。,图4.2拉深过程,4.1.2拉深过程中板料的应力应变状态,从拉深件的纵截面上观察，厚度和硬度沿筒壁纵向是变化的，变化规律如图4.6所示。底部略有变薄，但基本上等于原板料的厚度；筒壁上端增厚，越接近上边缘厚度越大；筒壁下端变薄，越靠近圆角处变得越薄；由筒壁向底部转角偏上处，出现明显变薄，严重时可产生破裂。硬度沿高度方向也是变化的，越接近上边缘硬度越高，这说明，压缩变形和板料的冷作硬化越严重。,图4.6硬度和壁厚沿筒壁纵向变化,4.2拉深件的质量分析,4.2.1起皱4.2.2拉裂,4.2.1起皱,1.影响起皱的主要因素板料的相对厚度t/D拉深系数m2.防皱措施采用压边圈。采用锥形凹模，如图4.10所示。采用拉深筋采用反拉深,图4.10锥形凹模,4.2.2拉裂,1.拉裂原因如图4.14所示，在拉深过程某一时刻，凸缘上的拉应力在凹模入口处的达到最大值。由实验显示，在整个拉深过程中，当减小到(0.80.9)R0时，出现最大值。此时危险截面承受最大的拉应力，即2.影响拉深变薄和拉裂的因素(1)拉深系数m的影响(2)板料机械性能的影响(3)凹模圆角半径的影响(4)凸模圆角半径的影响(5)摩擦系数的影响(6)压边力的影响,图4.14出现最大值的位置,4.3回转体拉深件板料尺寸的确定,4.3.1计算方法4.3.2简单回转体拉深件的板料尺寸计算4.3.3复杂形状回转体拉深件板料直径的计算,4.3.1计算方法,常用的是等面积法，即假设拉深件表面积与板料面积相等，作为计算板料面积的依据。但由于板料的机械性能差异、模具工作条件的一致性差异等因素，使拉深后由板料边缘形成的制件的口部或凸缘周边部不齐，达不到制件的形状、尺寸要求，必须对边缘处再加工。因此，在计算板料尺寸时，要在拉深件的高度方向或带凸缘制件的凸缘半径上加一修边余量，如图4.16所示,图4.16拉深件修边余量,4.3.2简单回转体拉深件的板料尺寸计算,1.相加法由于拉深件是回转体形状，板料采用圆形。将回转体拉深件分成若干基本几何形体，按表4.6中的公式算出各部分的表面积，然后将各部分的表面积相加便得到所需要的板料面积。再计算出板料直径，即2.公式法对于常用的回转体拉深件，可按表4.7列出的公式求得板料直径D。,表4.7旋转体制件板料直径计算公式,4.3.3复杂形状回转体拉深件板料直径的计算,复杂形状回转体拉深件板料直径计算的关键是确定回转体拉深件的表面积。任何回转体表面积都可用形心法(久里金法则)求得。形心法如图4.18所示，回转体表面积F等于外形曲线(母线)长度与其重心绕轴旋转所得周长的乘积，即1.解析法2.作图累加法3.利用CAD软件求面积4.条线段已添加到多段线,图4.18形心法求面积,4.4圆筒形件的拉深,4.4.1拉深系数4.4.2拉深次数的确定4.4.3拉深件工序尺寸的计算,4.4.1拉深系数,1.拉深系数的概念图4.24多次拉深变形情况2.极限拉深系数的主要影响因素(1)板料机械性能(2)板料的相对厚度t/D(3)模具结构组成即尺寸(4)拉深次数(5)润滑条件(6)拉深速度3.极限拉深系数的确定,图4.24多次拉深变形情况,4.4.2拉深次数的确定,根据拉深件的相对厚度t/D，由表4.10查出相对应的各次拉深系数m1，m2，mn。由式(4.13)得知，总的拉深系数m和各次拉深系数mi的关系为。通过计算，使，从而得到拉深次数n。,4.4.3拉深件工序尺寸的计算,无凸缘筒形拉深件相对高度h/d与拉深次数的关系如表4.13所列(1)选取修边余量(2)计算板料直径D(3)计算板料相对厚度(4)计算总的拉深系数，并判断能否一次拉深成(5)确定拉深次数n。(6)初步确定各次拉深系数(7)调整拉深系数，计算各次拉深直径(8)确定各次拉深凸模、凹模圆角半径(9)计算各次拉深半成品高度(10)绘制工序图,表4.13无凸缘筒形拉深件相对高度h/d与拉深次数的关系(材料08F、10F),4.5带凸缘圆筒形件的拉深,4.5.1窄凸缘圆筒形件的拉深4.5.2宽凸缘圆筒形件的拉深,4.5.1窄凸缘圆筒形件的拉深,第一种方法是，在前几道工序中按无凸缘圆筒形件拉深及尺寸计算，而在最后两道工序中，将制件拉深成为口部带锥形的拉深件，最终将锥形凸缘校平，如图4.29所示。第二种方法是，一开始就拉深成带凸缘形状，凸缘直径为+t+2，以后各次拉深一直保持这样的形状，只是改变各部分尺寸，直至拉到所要求的最终尺寸和形状，,图4.29窄凸缘圆筒形件第一种拉深方法,4.5.2宽凸缘圆筒形件的拉深,宽凸缘圆筒形件的首次拉深，如图4.31所示。相当于按无凸缘圆筒形件拉深，只是拉深到凸缘板料并未全部进入凹模而已。此时两者的应力状态和变形的特点是一致的。1.宽凸缘圆筒形件总的拉深系数、首次拉深系数2.宽凸缘圆筒形件的拉深方法3.宽凸缘圆筒形件拉深工序尺寸的计算,图4.31宽凸缘圆筒形件的首次拉深,4.6特殊形状的制件拉深,4.6.1阶梯形件的拉深4.6.2球形制件的拉深4.6.3锥形件拉深4.6.4抛物线形件拉深,4.6.1阶梯形件的拉深,如图4.36所示，阶梯形回转体制件的拉深与圆筒形件的拉深很相似，阶梯制件的每一个直筒的拉深相当于一个圆筒形件的拉深。阶梯制件的主要问题是确定拉深次数，这可用下述的方法作近似判断，即以制件的高度与最小直径之比值h/d，按圆筒形件的相对拉深高度查表4.13，确定拉深次数。如果拉深次数为1，则可一次拉出。,图4.36阶梯形回转体制件,4.6.2球形制件的拉深,对球形制件拉深，如图4.39所示，凸模形状是半球形。在拉深初始阶段，凸模与板料平面接触面积很小，接触处首先产生变形，易使该处的板料变薄。与此同时，接触面附近的板料未被压边圈压住，容易起皱(内皱)。由于间隙大，皱折不易消除。因此，球形制件的拉深难度较大。1.半球形制件的拉深2.浅球形制件的拉深3.带有圆筒的球面形制件的拉深,图4.39球形制件,4.6.3锥形件拉深,锥形件的拉深情况与球形制件拉深类似，如图4.42所示。开始时，凸模与板料平面接触面积很小，接触处首先产生变形，易使该处的板料变薄。又由于未被压住的自由表面较大，压住的面积小，制件易起皱。同时，锥形制件底部与口部尺寸差别很大，拉深回弹严重。因此，拉深锥形件要比球形件难度更大。1.低锥形件2.中锥形件3.高锥形件,图4.42锥形拉深件,4.6.4抛物线形件拉深,1浅抛物线形件2深抛物线形件(1)阶梯成形法图4.49阶梯成形法(2)曲面增大法(又称相似法)(3)反拉深法,图4.49阶梯成形法,4.7变薄拉深,4.7.1变薄拉深的特点4.7.2变薄系数4.7.3变薄拉深工序计算,4.7.1变薄拉深的特点,(1)凸、凹模之间的间隙小于毛坯的厚度，而毛坯的直壁部分在通过间隙时受压，厚度显著变薄(图4.53)，同时侧壁高度增加，因此叫作变薄拉深。(2)变薄拉深的工件质量高，壁厚比较均匀，壁厚偏差在0.01mm以内。表面糙度达Ra0.2。并且，由于两向受压，晶粒细密，提高了强度。(3)与冷挤压相比，变薄拉深的变形区域小，拉深力较小，所需设备吨位小。略,图4.53变薄拉深时的应力应变状态,4.7.2变薄系数,变形程度的计算。变形程度当采用第一种变薄拉深方法时，由于工件的基本内径不变(didi1)，因此，可近似地作如下简化而无太大误差：常用材料的变薄系数列于表4.19。,表4.19变薄系数的极限值,首次变薄系数,中间工序变薄系数,末次变薄系数,4.7.3变薄拉深工序计算,(1)毛坯尺寸的计算(2)计算拉深次数(3)确定各次变薄拉深工序的毛坯壁厚(4)确定各次变薄拉深工序的直径(5)确定各次变薄拉深工序的工件高度。图4.56变薄拉深件的高度计算,图4.56变薄拉深件的高度计算,4.8压边力和拉深力的确定,4.8.1压边装置与压边力的确定4.8.2拉深力的确定4.8.3压力机的选取,4.8.1压边装置与压边力的确定,1.压边装置的应用2.压边装置的形式(1)压边圈形式图4.59斜底面压边圈和拉深筋压边圈(2)弹性压边装置(3)定距装置(4)刚性压边装置3.压边力的确定,图4.59斜底面压边圈和拉深筋压边圈,4.8.2拉深力的确定,首次拉深所采用的压边圈(N)后次拉深用的压边圈(N)无压边圈的首次拉深(N)无压边圈的后次拉深表4.22K3值,表4.22K3值,4.8.3压力机的选取,1.压力机吨位的选取对于单动压力机用于浅拉深，即拉深施力行程小于压力机公称压力行程的拉深，所选压力机的吨位应大于拉深力和压边力的总和，即2.压力机功率的审核在选择压力机时，应满足压力机电机功率的要求。因此，首先按下式计算拉深功：图4.68拉深曲线,图4.68拉深曲线,4.9凸、凹模工作部分的设计,4.9.1凸、凹模的结构形式4.9.2凸、凹模间隙4.9.3凸、凹模工作部分的尺寸与公差4.9.4凸、凹模圆角半径,4.9.1凸、凹模的结构形式,1.凹模的结构形式(1)普通平端面凹模(2)锥形凹模(3)带有限制圈的凹模2.凸模的结构形式(1)拉深直径dl00mm的普通制件、宽凸缘制件或形状复杂的制件时，所用凸模结构见图4.70。(2)拉深直径dl00mm的中型或大型圆形件或非圆形件，采用带斜角的凸模结构。,图4.70用于d100mm,4.9.2凸、凹模间隙,凸、凹模之间的间隙，简称拉深间隙。单边间隙Z值为凹模与凸模直径差值的一半，即1.圆筒形制件的拉深间隙表4.24使用压边圈的拉深间隙2.矩形(正方形)制件的拉深间隙3.间隙方向,表4.24使用压边圈的拉深间隙,4.9.3凸、凹模工作部分的尺寸与公差,在确定凸、凹模工作部分的尺寸与公差时，其制件相应尺寸及公差应由最后一次拉深来保证。因此，最后一次拉深工序的凸、凹模的制造尺寸必须按以下原则确定。当制件标注外形尺寸及公差时(见图4.73(a)，则当制件标注内形尺寸及公差时(图4.73(b)，则,图4.73凸、凹模的工作部分尺寸,),),(a)制件标注外形尺寸；(b)制件标注内形尺寸,4.9.4凸、凹模圆角半径,1.凹模圆角半径首次拉深凹模圆角半径可按表4.26选取。后次拉深，数值应逐渐减小，其关系为2.凸模圆角半径,表4.26首次拉深凹模圆角半径R凹,毛坯的相对厚度,4.10拉深模设计应用,4.10.1单动压力机首次拉深模4.10.2单动压力机后次拉深模4.10.3单动压力机落料拉深模4.10.4单动压力机落料、正反拉深、冲孔和翻边复合模4.10.5双动压力机拉深模,4.10.1单动压力机首次拉深模,1.无压边圈的拉深模图4.74为无压边圈带有顶出装置的拉深模。凸模固定在上模座上，上模座和压力机滑块连接起来，随滑块上下往复运动。平端面凹模固定在下模座上，下模座由螺栓和压板与压力机工作台连接起来。2.带压边圈的拉深模,图4.74无压边圈有顶出装置的拉深模,4.10.2单动压力机后次拉深模,图4.82是一种进行反向拉深工艺的模具结构，多用于薄材料的后次拉深和锥形、半球形及抛物线形等旋转体形状零件的后次拉深。变形过程是将经过拉深的半成品制件套在凹模上，制件的内壁经拉深翻到外边，使材料的内外表面互相转换，可以得到较大的变形程度。材料要绕凹模流动180才能成形。因此，材料流动的摩擦阻力及弯曲阻力均比一般拉深大20%左右。这就导致变形区的径向应力大大增加，而变形区的切向压应力则相应减小，从而减少了起皱的可能性。因此，反拉深不需要采用压边圈，相应地减少了由压边力带来的拉裂倾向，最终使反拉深的极限拉深系数比一般拉深降低10%15%。但凹模的壁厚尺寸不能根据强度需要确定，而受拉深系数的限制。略,图4.82在双动压力机上的反向拉深模,4.10.3单动压力机落料拉深模,1.凸缘制件的落料拉深模图4.85为凸缘制件的落料拉深复合模。这类模具一般设计成先落料后拉深。因此拉深凸模低于落料凹模。冲裁操作为：条形板料通过固定卸料板由前向后送入，上模压下，落料凸模与凹模完成落料。上模继续下压，拉深凸模拉板料毛坯进入拉深凹模孔内，完成拉深。通过改变定程块的厚度，控制拉深深度，保证拉深制件的高度和凸缘的大小。当上模回程时，或者通过打料杆将制件从凸凹模孔内推出，或者通过压边圈将其从凸模上顶出2.球形制件落料拉深模3矩形制件落料拉深模4.单动压力机落料拉深压形模5.单动压力机落料拉深冲孔模,图4.85带凸缘制件落料拉深模,4.10.4单动压力机落料、正反拉深、冲孔和翻边复合模,图4.93为落料