第4章拉深工艺与模具设计PPT课件.ppt

第4章拉深工艺与模具设计 Page1 Page2 拉深 又称拉延 是利用拉深模在压力机的压力作用下 将平板坯料或空心工序件制成开口空心零件的加工方法 它是冲压基本工序之一 Page3 用拉深方法不仅可以制成筒形 阶梯形 锥形 球形 盒形和其他不规则形状的薄壁零件 还能和其他冲压成形工艺配合 制造形状极为复杂的零件 如图4 1所示 Page4 用拉深方法来制造薄壁空心件生产效率高 而且精度也较高 材料消耗少 零件的强度与刚度也高 因此广泛应用于汽车 电子 日用品 仪表 航空和航天等各种工业部门的产品生产中 Page5 图4 1拉深件类型 Page6 4 1拉深过程分析 4 1 1拉深变形过程为了说明拉深过程中金属的变形 可进行网格试验 在圆形毛坯上画出许多等间距为 的同心圆和等分中心角度的辐射线 如图4 3 a 所示 Page7 在拉深后观察由这些同心圆与辐射线所组成的扇形网格 可以发现 在筒形件底部的网格基本上保持原来的形状 而筒壁部分的网格则发生了很大的变化 由扇形网格变成为矩形网格 Page8 原来的直径不同的同心圆均变为筒壁上直径相同的水平圆周线 不仅圆周周长缩短 而且其间距 也增大了 愈靠近筒的口部间距增大愈多 即 1 2 3 Page9 图4 3拉深件的网格试验 Page10 由上述分析可知 在拉深过程中 毛坯的中心部分成为筒形件的底部 基本不变形 是不变形区 毛坯的凸缘部分 即凹模口外的环形部分 是主要变形区 拉深过程实质上就是将毛坯的凸缘部分材料逐渐转移到筒壁部分的过程 Page11 4 1 2拉深过程中毛坯凸缘部分的应力分布规律拉深过程是一个较复杂的塑性变形过程 在拉深过程中的不同时刻 在毛坯的不同部位 它们的应力应变状态是不一样的 但只有凸缘部位的应力状态才满足屈服条件 所以凸缘部位是塑性变形区 底部和壁部为非变形区 Page12 壁部只是将凸模作用在底部的力传至凸缘 使之变形 故壁部也称为传力区 Page13 4 1 3拉深件质量分析 起皱与拉裂4 1 3 1凸缘起皱拉深过程中 凸缘区的主要变形是切向压缩 Page14 当切向压应力 3较大而板料又较薄时 凸缘部分材料便会失去稳定性 而在凸缘的整个周围产生波浪形的连续弯曲 如图4 6所示 这就是拉深时的起皱现象 Page15 由于在凸缘的外边缘 3最大 所以起皱也首先在最外缘出现 起皱是拉深时的主要质量问题之一 Page16 4 1 3 2筒壁拉裂拉深时 筒壁所受的拉应力 p除了与凸缘塑性变形所需的径向拉应力有关外 还与由于压料力引起的摩擦阻力 坯料在凹模圆角表面滑动所产生的摩擦阻力以及材料进入凹模时由直变弯和由弯变直所引起的应力有关 Page17 其中约占筒壁所受的总拉应力 p的65 75 因此 p一般按下式计算 Page18 p 4 7 式中 拉深效率 其值为0 65 0 75 Page19 4 2筒形件拉深的工艺计算 4 2 1毛坯尺寸的计算4 2 1 1毛坯尺寸的计算原则拉深件坯料的形状和尺寸是以冲件形状和尺寸为基础 按体积不变原则和相似原则确定 Page20 根据体积不变原则 对于不变薄拉深 假设变形前后料厚不变 于是 面积也不变 即拉深前坯料表面积与拉深后冲件表面积近似相等 Page21 为了使毛坯形状符合金属在塑性变形时的流动规律 应注意相似原则 即拉深前坯料的形状应与冲件断面形状大体相似 但坯料的周边必须是光滑的曲线连接 Page22 对于形状复杂的拉深件 利用相似原则仅能初步确定坯料形状 必须通过多次试压 反复修改 才能最终确定出坯料形状 因此 拉深件的模具设计一般是先设计拉深模 待坯料形状尺寸确定后再设计毛坯的落料模 Page23 由于金属板料具有板平面方向性和模具几何形状等因素的影响 会造成拉深件口部不整齐 因此在多数情况下采取加大工序件高度或凸缘宽度的办法 拉深后再经过切边工序以保证零件质量 Page24 圆筒形件和带凸缘件的修边余量可参考表4 2和表4 3 当零件的相对高度H d很小 并且高度尺寸要求不高时 也可以不用切边工序 Page25 4 2 1 2简单形状的旋转体拉深件毛坯直径计算首先将拉深件划分为若干个简单的便于计算的几何体 并分别求出各简单几何体的表面积 把各简单几何体面积相加即为拉深件总面积 然后根据表面积相等原则 求出坯料直径 Page26 4 10 式中各部分简单几何形状表面积计算公式可查表4 4 Page27 表4 4简单几何形状的表面积计算公式 Page28 续表 Page29 续表 Page30 例4 1求无凸缘筒形件的毛坯直径解 如图4 8所示 可将拉深件分成三个部分a1 a2和a3 Page31 图4 8筒形件毛坯尺寸计算 Page32 则A a1 a2 a3各部分a的计算由表4 4查得 Page33 分别将a1 a2和a3代入式 4 10 即得 Page34 若以 代入上式 得 4 11 Page35 例4 2求带凸缘的筒形件的毛坯尺寸 解 如图4 9所示 可将拉深件分成五个部分a1 a2 a5 凸缘区 Page36 图4 9带凸缘筒形件毛坯尺寸计算 Page37 口部圆角区 筒壁区 Page38 底部圆角区 筒底区 Page39 若上下两个圆角半径相同 则以r1 r2 r代入以上各式 再将a1 a2 a5代入式 4 10 即可得 Page40 若以 3 14 d3 d2 2r d1 d2 2r h H 2r代入上式 得 4 12 Page41 4 2 1 3复杂形状的旋转体拉深件毛坯直径计算形状复杂的旋转体拉深件毛坯直径的计算可利用久里金法则 即任何形状的母线AB绕轴线O O旋转 所得到的旋转体表面积等于母线展开长度L和其重心绕轴线旋转所得周长2 x的乘积 x是该段母线重心至轴线的距离 图4 10 即 Page42 图4 10久里金法则式 4 13 示意图 Page43 旋转体表面积 4 13 毛坯面积 Page44 毛坯面积与旋转体表面积相等 则毛坯直径为复杂形状的旋转体拉深件毛坯直径的计算方法如下 Page45 1 解析法适用于直线与圆弧相连接的形状 如图4 11所示 Page46 图4 11由直线与圆弧连接的拉深件 Page47 将母线按直线与圆弧分段1 2 n 计算各线段长度l1 l2 ln 计算各线段的重心至轴线的距离x1 x2 xn Page48 直线段的重心在其中点上 圆弧线段的重心可按下列公式计算 在图4 12 a 中A aRcosx A r0在图4 12 b 中B bRcosx B r0 Page49 式中 A B 弧线的重心至轴y y的距离 a b 系数 弧与水平轴相接时用a 弧与垂直轴相接时用b Page50 图4 12圆弧线段的重心 Page51 计算毛坯直径 4 14 Page52 2 作图解析法适用于曲线连接的形状 如图4 13所示 Page53 图4 13母线为圆滑曲线的拉深件 Page54 对于母线为曲线连接的旋转体拉深件 可将拉深件的母线分成线段1 2 n 把各线段近似当作直线看待 从图上量出各线段l1 l2 ln及其重心至轴线距离x1 x1 xn 然后按式 4 14 计算毛坯直径D Page55 为了计算方便 若把各线段长度l1 l2 ln取成相等 即l1 l2 ln l 则用这种方法确定毛坯直径 作图正确与否直接影响毛坯尺寸的大小 为了提高毛坯尺寸的正确性 在作图时 根据实际情况 可将拉深件母线按比例放大 Page56 4 2 2拉深系数与极限拉深系数4 2 2 1拉深系数的概念下面以筒形件为例来说明 所谓拉深系数 即每次拉深后筒形件的直径与该次拉深前毛坯 或半成品 直径的比值 图4 14 Page57 图4 14多次拉深时筒形件直径的变化 Page58 第一次拉深系数 Page59 以后各次拉深系数 Page60 拉深件的总拉深系数m总表示从毛坯D拉深至dn的总变形程度 总拉深系数为各次拉深系数的乘积 即 4 15 Page61 拉深系数的数值小于1 m值愈小 说明拉深前后直径差别越大 亦即该道工序拉深变形程度愈大 Page62 4 2 2 2极限拉深系数在制定拉深工艺时 如果每道工序的拉深系数取得愈小 则拉深件所需要的拉深次数也愈少 但拉深系数取得过小 就会使拉深件起皱 断裂或严重变薄超差 因此拉深系数m的减小有一个客观的界限 这个界限就称为极限拉深系数 用mmin表示 Page63 影响极限拉深系数的主要因素有以下几方面 1 材料的力学性能材料的屈强比 s b愈小 材料的伸长率 愈大 对拉深愈有利 Page64 2 板料的相对厚度t D相对厚度t D愈大 拉深时抵抗失稳起皱的能力愈大 因而可以减小压边力 从而减少摩擦阻力 有利于减小极限拉深系数 Page65 3 拉深条件 1 模具工作部分的结构参数采用过小的凸 凹模圆角半径与凸 凹模间隙会使拉深过程中摩擦阻力与弯曲阻力增加 危险断面的变薄加剧 而凸 凹模圆角半径与凸 凹模间隙过大则会减小实际压边面积 使板料的悬空部分增加 易于引起板料失稳起皱 所以都对拉深不利 Page66 2 压边条件采用压边圈并施加合理的压边力对拉深有利 可以减小极限拉深系数 压边力过大 会增加拉深阻力 压边力过小 在拉深时不足以防止起皱 都对拉深不利 合理的压边力应该是在保证不起皱的前提下取最小值 Page67 3 摩擦与润滑条件凹模 特别是圆角入口处 与压边圈的工作表面应十分光滑并采用润滑剂 以减小板料在拉深过程中的摩擦阻力 从而减少传力区危险断面的负担 可以减小极限拉深系数 Page68 4 3筒形件以后各次拉深 4 3 1筒形件以后各次拉深的特点 首次拉深时 平板毛坯的厚度和力学性能都是均匀的 而以后各次拉深时 筒形件毛坯的壁厚与力学性能都不均匀 Page69 首次拉深时 凸缘变形区的环形面积是逐渐缩小的 而在以后各次拉深时 其环形变形区 dn 1 dn 面积保持不变 只是在拉深终了以前 才逐渐缩小 Page70 首次拉深时 拉深力的变化是变形抗力的增加与变形区域的减小这两个相反的因素互相消长的过程 因而在开始阶段较快达到最大拉深力 然后逐渐减小为零 如图4 5和图4 18所示 Page71 图4 18首次拉深与以后各次拉深时拉深力的变化曲线1 首次拉深 2 以后各次拉深 Page72 以后各次拉深时的危险断面与首次拉深时一样 都是在凸模圆角处 但首次拉深时最大拉深力发生在初始阶段 所以破裂也发生在拉深的初始阶段 而以后各次拉深的最大拉深力发生在拉深的最后阶段 所以破裂就往往出现在拉深的后期 Page73 以后各次拉深的变形区 因其外缘有筒壁刚性支持 所以稳定性较首次拉深好 不易起皱 只是在拉深的最后阶段 当筒壁边缘开始进入变形区时 变形区的外缘失去刚性支持 这时才有起皱的可能性 Page74 4 3 2以后各次拉深的方法以后各次拉深大致有两种方法 正拉深与反拉深 图4 19 正拉深的拉深方向与前一次拉深方向一致 为一般常用的拉深方法 反拉深的拉深方向与前一次拉深的方向相反 反拉深时 工件发生翻转 内外表面互换 Page75 图4 19正拉深与反拉深 Page76 4 5拉深模典型结构 4 5 1单工序拉深模4 5 1 1无压边装置的简单拉深模如图4 24所示 模具没有压边装置 因此仅适用于拉深变形程度不大 相对厚度 t D 较大的零件 拉深凸模4直接用螺钉紧固在模柄上 Page77 拉深凹模2采用硬质合金压套在凹模套圈6内 然后用锥孔压块1紧固在通用的下模座内 毛坯靠定位板5定位 Page78 模具没有专门的卸件装置 靠工件口部拉深后弹性恢复张开 在凸模上行时被凹模下部的脱料颈刮下 为使工件在拉深后不至于紧贴在凸模上难以取下 在拉深凸模4上开有通气孔 Page79 图4 24无压边圈的首次拉深模1 锥孔压块 2 拉深凹模 3 凸模定位圈 4 拉深凸模 5 定位板 6 凹模套圈 7 垫板 Page80 4 5 1 2带压边装置的拉深模如图4 25所示为压边圈装在上模部分的正装拉深模 由于弹性元件装在上模 因此凸模要比较长 这种结构适宜于拉深深度不大的工件 Page81 图4 25带压边装置的拉深模1 压边螺钉 2 拉深凸模 3 压边圈 4 定位板 5 拉深凹模 Page82 图4 26所示为压边圈装在下模部分的倒装拉深模 由于弹性元件是装在下模座下的压力机工作台面的孔中 因此空间较大 允许弹性元件有较大的压缩行程 可以拉深深度较大一些的拉深件 这副模具采用了锥形压边圈6 Page83 在拉深时 锥形压边圈先将毛坯压成锥形 使毛坯的外径已经产生一定量的收缩 然后再将其拉成筒形件 采用这种结构 有利于拉深变形 可以减小一些极限拉深系数 Page84 图4 26带锥形压边圈的倒装拉深模1 上模座 2 推杆 3 推件板 4 锥形凹模 5 限位柱 6 锥形压边圈 7 拉深凸模 8 凸模固定板 9 下模座 Page85 4 5 1 3压边装置目前在生产实际中常用的压边装置有两大类 Page86 1 弹性压边装置弹性压边装置多用于普通的单动压力机上 通常有如下三种 橡皮压边装置 图4 27 a 弹簧压边装置 图4 27 b 气垫式压边装置 图4 27 c Page87 图4 27弹性压边装置 Page88 这三种压边装置压边力的变化曲线如图4 28所示 Page89 图4 28弹性压边装置的压边曲线 Page90 2 刚性压边装置刚性压边装置用于双动压力机上 拉深高度较大的工件 其动作原理如图4 30所示 Page91 图4 30双动压力机用拉深模刚性压边装置动作原理1 曲轴 2 凸轮 3 外滑块 4 内滑块 5 凸模 6 压边圈 7 凹模 Page92 曲轴1旋转时 首先通过凸轮2带动外滑块3使压边圈6下降到距凹模c c略大于板材厚度 的位置 也就是将要接触板材 但又没有紧压 Page93 板材在压边圈6和凹模7的间隙中 可以流动 但不会起皱 随后由内滑块4带动凸模5对毛坯进行拉深 在拉深过程中 外滑块和压边圈保持不动 Page94 考虑到毛坯凸缘变形区在拉深过程中板厚有增大现象 所以调整模具时 压边圈与凹模间的间隙c应略大于板厚t 用刚性压边装置 压边力不随行程变化 拉深效果较好 而且模具结构简单 图4 31所示即为带刚性压边装置的拉深模 Page95 图4 31带刚性压边装置的拉深模1 固定板 2 拉深凸模 3 刚性压边圈 4 拉深凹模 5 下模座 6 螺钉 Page96 4 5 1 4以后各次拉深模图4 32所示为无压边装置的以后各次拉深模 仅用于直径变化量不大的拉深 Page97 图4 32无压边装置的以后各次拉深模 Page98 图4 33所示为有压边装置的以后各次拉深摸的典型结构形式 拉深前 毛坯套在压边圈4上 压边圈的形状必须与前一次拉出的半成品相适应 拉深后 压边圈将冲压件从凸模3上托出 推件板1则将冲压件从凹模中推出 Page99 图4 33有压边装置的以后各次拉深模1 推件板 2 拉深凹模 3 拉深凸模 4 压边圈 5 顶杆 6 弹簧 Page100 4 5 2落料拉深复合模图4 34所示为一副典型的正装落料拉深复合模 上模部分装有凸凹模3 落料凸模 拉深凹模 下模部分装有落料凹模7与拉深凸模8 Page101 为保证冲压时先落料后拉深 拉深凸模8应低于落料凹模7一个料厚以上 件2为弹性压边圈 弹顶器与图4 33完全相同 安装在下模座下 Page102 图4 34落料拉深复合模1 顶杆 2 压边圈 3 凸凹模 4 推杆 5 推件板 6 卸料板 7 落料凹模 8 拉深凸模 Page103 图4 35所示为落料 正 反拉深模 正 反拉深在一副模具中进行 一次就能拉出高度较大的工件 提高了生产率 Page104 图4 35落料 正 反拉深模1 落料拉伸凸凹 2 反拉深凸模 3 拉深凸凹模 4 卸料板 5 导料板 6 压边圈 7 落料凹模 Page105 该模具有两个凸凹模 件1为凸凹模 落料凸模 第一次拉深凹模 件3为拉深凸凹模 第一次拉深凸模 反拉深凹模 件2为第二次拉深 反拉深 凸模 件7为落料凹模 Page106 第一次拉深时有弹性压边圈6压边 反拉深时未采用压边装置 上模采用刚性推件 下模则直接用弹簧顶件 由固定卸料板4卸料 模具结构十分紧凑 Page107 4 5 3带料拉深连续模一般拉深对象是单个毛坯 故拉深前先要落料 但带料连续拉深是在带料上直接进行拉深 零件拉成后才从带料上冲裁下来 Page108 用这种拉深方法生产率很高 但模具结构甚为复杂 只有在大批量生产且零件不大的情况下才采用 或者当零件特别小 工序又多 定位 取件等操作很不安全时 虽不是大批量生产 也可考虑采用 Page109 带料连续拉深分无切口与有切口两种 如图4 38所示 图 a 为无切口的 图 b 为有切口的 Page110 图4 39所示为带料连续拉深模的结构示意图 这副模具冲制带锥形口的短管 共有八个工位 Page111 图4 39带料连续拉深模 Page112 第一工位冲工字形的切口 第二工位先拉深成锥形 第三 四 五工位将半成品逐渐拉深成筒形件 第六工位切底 第七工位整形和校正工件的内 外径 第八工位落料 Page113 在二 三 四 五 七工位的下模中都有弹性顶件器 以便在每次冲压后托起整个带料向前送进 Page114 4 6拉深模工作部分结构参数的确定 4 6 1拉深凹模与凸模的圆角半径1 凹模圆角半径R凹2 凸模圆角半径R凸 Page115 4 6 2拉深模的间隙拉深模的间隙是指单边间隙 即 图4 21 间隙大小应合理确定 Page116 间隙过小会增加摩擦阻力 使拉深件容易破裂 且易擦伤零件表面 降低模具寿命 间隙过大 则拉深时对毛坯的校直定形作用小 影响零件尺寸精度 Page117 不用压边圈时 为了校直可能产生的起皱 间隙不宜过大 一般可取 Z 1 1 1 tmax Page118 式中 Z 单边间隙值 末次拉深或精密拉深件取小值 中间各次拉深取大值 tmax 材料厚度的上限值 Page119 用压边圈时 其间隙按表4 16选取 对于精度要求较高的拉深件 为了减小拉深后的回弹 提高零件的光洁度 常采用小于板厚的间隙 其间隙值取 Z 0 9 0 95 t Page120 4 6 4拉深凸模与凹模的结构4 6 4 1不用压边圈的拉深凸模和凹模对于一次可拉成的浅拉深件 其凸模和凹模结构如图4 41所示 图 a 为普通带圆弧的平端面凹模 适宜于大件 图 b 与图 c 适宜于小件 Page121 图4 41不用压边圈的拉深凹模结构 Page122 采用图 b 带锥形凹模口 和图 c 带渐开线形凹模口 的凹模结构 Page123 拉深时 毛坯的过渡形状呈曲面形状 图4 42 因而增大了抗失稳能力 凹模口部对毛坯变形区的作用力也有助于它产生切向压缩变形 减小摩擦阻力和弯曲变形的阻力 所以对拉深变形有利 可以提高拉深件质量 降低拉深系数 Page124 图4 42锥形凹模拉深特点 Page125 对于需拉深两次以上的拉深件 其凸模和凹模结构如图4 43所示 Page126 图4 43无压边圈的多次拉深模工作部分结构 Page127 4 6 4 2用压边圈的拉深凸模和凹模图4 44 a 为有圆角半径的凸模和凹模 多用于拉深尺寸较小的工件 d 100mm 图4 44 b 为有斜角的凸模与凹模 Page128 图4 44带压边圈的多次拉深模工作部分结构 Page129 采用这种结构不仅使毛坯在下次工序中容易定位 而且能减轻毛坯的反复弯曲变形 改善了拉深时材料变形的条件 减少了材料的变薄 有利于提高冲压件侧壁的质量 多用于拉深尺寸较大的工件 d 100mm Page130 4 6 4 3带限制型腔的拉深凹模对不经中间热处理的多次拉深的工件 在拉深之后或稍隔一段时间 在工件的口部往往会出现龟裂 这种现象对硬化严重的金属 如不锈钢 耐热钢 黄铜等尤为严重 Page131 为了改善这一状况 可以采用限制型腔 即在凹模上部加毛坯限制圈 如图4 45所示 限制圈可以和凹模作成一体 也可以单独做成分离式 Page132 图4 45不带限制型腔与带限制型腔的凹模 Page133 限制型腔的直径略小于前一道工序的凹模直径 约0 1 0 2mm 限制型腔的高度在各次拉深工序中可取相同数值 一般取 h 0 4 0 6 d1式中 d1 第一次拉深的凹模直径 Page134 4 7其他形状零件的拉深 4 7 1带凸缘筒形件的拉深4 7 1 1带凸缘筒形件拉深变形程度与无凸缘筒形件比较 带凸缘筒形件拉深 图4 46 的区别在于前者是将凸缘部分材料全部拉入凹模成为筒壁 而后者只是将毛坯凸缘的一部分材料拉入凹模 Page135 图4 46带凸缘筒形件 Page136 当凸缘外径由毛坯直径D缩小到工件所需要的直径dt时 拉深即告结束 所以从变形性质上看 两者并无区别 但两者的变形程度显然不同 Page137 4 7 1 2带凸缘筒形件的拉深方法1 窄凸缘筒形件 dt d 1 1 1 4 的多次拉深窄凸缘筒形件多次拉深时 前几次可当作无凸缘圆筒件拉深 不留凸缘 Page138 直到最后几道拉深工序才形成锥形凸缘 最后将其压平 如图4 47所示 其拉深次数和拉深系数以及半成品工序尺寸的计算与无凸缘筒形件完全相同 Page139 图4 47窄凸缘件的拉深方法 Page140 2 宽凸缘筒形件 dt d 1 4 的多次拉深宽凸缘件多次拉深的一个重要原则是 凸缘直径dt这个尺寸应尽可能在第一次拉深中一次拉成 在以后各次拉深时 凸缘外缘不再发生变形 dt不再变化 如图4 48所示 Page141 图4 48宽凸缘件的拉深方法 Page142 4 7 3曲面形状零件和锥形零件的拉深4 7 3 1曲面形状零件的拉深 Page143 圆筒形零件拉深时 毛坯的变形区仅局限于压边圈下的凸缘部分 而曲面形状零件在拉深时 不仅凸缘部分要产生与圆筒形零件拉深时同样的变形 而且毛坯的中间部分也成了变形区 图4 56 由平面变成曲面 Page144 而且 在许多情况下 中间部分还成了主要变形区 我们分析一下曲面形状零件的拉深变形特点 Page145 图4 56曲面形状零件的拉深 Page146 曲面形状零件在拉深开始时 凸模顶点附近首先与毛坯中心部分接触 接触面处的毛坯材料将承受全部拉深力 这就使凸模顶点附近的毛坯材料产生较严重的拉薄现象 这部分材料的应力状态为 双向受拉 具有胀形变形的特点 Page147 拉深开始时 在凹模圆角处和凸模接触区的周围 毛坯有大片面积未被压边圈压住 处于自由状态 这部分材料在由平面变成曲面的过程中 受到切向压缩变形的影响 极易起皱 常称为内皱 这部分毛坯材料的应力状态为 径向受拉 切向受压 具有拉深变形的特点 Pa