项目四拉深工艺与模具设计(直筒件拉深)PPT课件.ppt

项目四拉深工艺与模具设计 1 本项目设计任务 无凸缘筒形件材料 08钢料厚 2mm 2 材料 10钢料厚 1 5mm 学生将在教师的辅导下完成图示零件的工艺性分析 工艺路线制定以及工艺计算 并将学生分成三个小组完成不同模具的设计绘制工作 并作为本学期的最终考核 3 学习项目一概述 一 拉深的概念及应用1 拉深 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空心零件的加工方法 2 应用 应用广泛 是冲压基本工序之一 可以加工旋转体零件 还可加工盒形零件及其它形状复杂的薄壁零件 二 分类 变薄拉深 成形后零件的壁厚比原坯料厚度减薄 不变薄拉深 成形后零件的厚度与拉深前坯料厚度基本相同 三 拉深模 拉深模特点 结构较简单 工作部分有较大的圆角 表面质量要求高 凸 凹模间隙略大于板料厚度 4 学习项目二圆筒形拉深件的变形分析 一 拉深变形过程1 宏观分析拉深前 于坯料上划出扇形区域oab 拉伸开始后 扇形区转化为三部分 凸缘部分a b cd 逐渐转化为筒壁 比例减小 是变形区 筒壁部分cdef 逐渐增加 为传力区 筒底部分oef 基本不发生变形 在拉深过程中是传力区 结论 拉深过程就是凸缘逐渐减少 转化成筒壁的过程 5 2 微观分析应用网格法观察变形情况 分析变形特点 6 分析结论 1 变形区与传力区 坯料的凸缘部分上的网格形状发生明显改变是变形区 筒底网格基本无变化 所以为传力区 2 变形区的变形特点 等间距的同心圆筒壁上的水平圆周线 而且其间距a增大 越靠筒的上部增大越多 即 等分度射线筒壁上的垂直平行线 其间距则完全相等 即 从网格变化可以看出 拉深前的扇形单元格变为拉深后的矩形单元格 其产生原因是在外力的作用下 坯料凸缘区内部的各个小单元体之间产生了相互作用的内应力 表现为径向受到拉应力的作用长度增加 切向受压应力的作用长度减小 7 3 坯料厚度变化从单元格的变化上可以看出 变形结束后所得矩形网格的宽度都相等 而变形前坯料上的扇形网格却是越靠近外边缘网格越大 应此宽度上需要转移的多余金属越多 这部分多余金属不仅转移到了高度上 也向坯料的厚度上发生了转移 所以拉深所得的筒形件在口部有最大厚度 8 二 拉深过程中坯料内的应力与应变状态 9 1 凸缘的平面部分 属于变形区 切向受压 径向受拉 厚度有所增加 当变形程度过大时易起皱 2 凸缘的圆角部分 也属于变形区 但变形程度较小 受到拉深和弯曲的综合影响 变形较复杂 3 筒壁部分 变形已结束 成为传力区 受单向拉应力 4 筒底圆角部分 属于传力区 在切向和径向都受拉应力作用 同时由于凸模圆角半径的影响产生弯曲变形 坯料在此处厚度减薄 易拉裂 5 筒底部分 始终为传力区 受切向和径向的拉应力作用产生双向拉伸变形 10 a 轴对称旋转体拉深件b 盒形件c 不对称拉深件 11 有压边圈的首次拉深模1 模柄2 上模座3 凸模固定板4 弹簧5 压边圈6 定位板7 凹模8 下模座9 卸料螺钉10 凸模 12 13 学习项目三拉深件的主要质量问题 一 起皱1 概念 在拉深时 变形区压缩失稳导致起皱 是指凸缘上材料产生皱折 2 危害 拉深力 拉深功增大 拉深件质量降低 拉深件破裂 严重时损坏模具和设备 3 影响拉深起皱的主要因素 1 坯料的相对厚度 相对厚度越小越易起皱 2 变形程度 变形程度越大越易起皱 14 4 起皱的判断 可根据相对厚度的大小由相关表格查出 5 起皱的解决措施 在模具结构中设置压边圈并施加合理的压料力 有无压边圈模具结构a 无压边圈模具b 带压边圈模具 15 6 压边圈的种类与结构 1 种类1 刚性压边圈适用于双动压力机 液压机上拉深 也可以用于单动压力机上进行拉深 1 曲轴2 偏心轮3 外滑块4 内滑块5 拉深凸模6 压边圈7 拉深凹模 16 2 弹性压边圈弹性压边圈结构适用于单动压力机 动力来源一般由弹簧 橡胶或液动装置提供 单动压力机上的弹性压边装置1 凹模2 凸模3 压边圈4 顶出杆5 弹簧 17 2 压边圈的结构 压边圈形状a 平面型b 平锥形c 锥形d 圆弧形 18 二 拉裂1 拉裂产生的部位与原因拉裂 由于材料内部拉应力过大 拉深件在坯料最薄处出现裂纹称为拉裂 产生原因 凸缘起皱 压边力过大 变形程度过大等 2 解决措施根据拉裂产生的不同原因采取相应的措施 如凸缘起皱引起拉裂应先解决起皱问题 压边力过大引起的起皱则应重新调整压边力等等 19 三 突耳突耳 筒形件拉深 在拉深件口端出现有规律的高低不平现象叫突耳 产生原因 产生突耳的原因是板材的各向异性 在板厚方向性系数r低的方向 板料变厚 筒壁高度较低 在具有r高的方向 板料厚度变化不大 故筒壁高度较高 所以板平面方向性系数越大 突耳现象越严重 20 作业 1 总结拉深变形特点 2 拉深件主要质量问题有哪些 其产生原因和解决措施分别是什么 21 学习项目四拉深模典型结构 一 首次拉深模1 无压边圈的首次拉深模2 具有刚性压边圈的首次拉深模3 弹性压边圈在上模的首次拉深模4 弹性压边圈在下模的首次拉深模5 带锥形压边圈的首次拉深模 22 二 再次拉深模1 无压边圈的再次拉深模2 带弹性压边圈的再次拉深模3 无压边圈的反向拉深模4 压边圈在上模的反向拉深模5 压边圈在下模的反向拉深模三 落料拉深复合模 23 无压边圈的首次拉深模1 上模座2 凸模3 固定板4 出气孔5 定位板6 凹模7 下模座 24 有压边圈的首次拉深模1 上模座2 凸模3 凸模固定板4 出气孔5 压边圈6 定位板7 凹模8 凹模固定板9 下模座 25 带弹性压边圈的首次拉深模1 弹簧2 通孔3 上模座4 凸模固定板5 螺栓6 凸模7 凸模气孔8 压边圈9 限位螺栓10 定位板11 凹模12 下模座 26 弹性压边圈在下模的首次拉深模1 模具气孔2 上模座3 打料杆4 推板5 凹模6 定位板7 弹性压边圈8 下模座 27 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 固定板9 下模座 28 无压边圈的再次拉深模1 上模座2 垫板3 凸模固定板4 凸模5 凸模气孔6 定位板7 凹模8 凹模座9 下模座 29 30 带弹性压边圈的再次拉深模1 推件板2 拉深凹模3 拉深凸模4 压边圈5 顶杆6 弹簧 31 32 反向拉深模1 凸模2 凸模气孔3 凹模 33 34 压边圈在上模的反向拉深 35 36 压边圈在下模的反向拉深模 37 38 落料与首次拉深复合模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 39 40 学习项目四拉深模设计步骤与实例介绍 一 拉深件工艺性分析1 材料分析 用于拉深成形的材料 要求具有高的塑性 低的屈强比 大的板厚方向性系数 小的板平面方向性 2 形状分析 1 拉深件形状应尽可能简单 对称 避免急剧转角或凸台 2 深高度应尽可能小 以减少拉深次数 提高冲件质量 3 在保证装配要求的前提下 应允许拉深件侧壁有一定的斜度 41 4 需多次拉深的零件 在保证必要的表面质量前提下 应允许内 外表面存在拉深过程中可能产生的痕迹 5 拉深件的底或凸缘上的孔边到侧壁的距离应满足 或 拉深件的圆角半径 42 6 拉深件的底与壁 凸缘与壁 矩形件四角的圆角半径应满足 否则 应增加整形工序一次整形的 圆角半径可取 3 精度分析一般情况下 拉深件的尺寸精度应在IT13级以下 不宜高于IT11级 4 任务一工艺性分析与工艺方案的确定任务一为为右图所示拉深件 材料08钢 材料厚度2mm 其工艺性分析内容如下 43 1 材料分析08钢为优质碳素结构钢 属于深拉深级别钢 具有良好的拉深成形性能 2 结构分析零件为一无凸缘筒形件 结构简单 底部圆角半径为R3 满足筒形拉深件底部圆角半径大于一倍料厚的要求 因此零件具有良好的结构工艺性 3 精度分析零件上尺寸均为未注公差尺寸 普通拉深即可达到零件的精度要求 44 加工方案的确定 零件涉及到的加工工艺 落料 拉深 需计算确定拉深次数 切边 加工顺序应为 落料多次拉深切边最终确定的加工方案 落料首次拉深复合模 第二次拉深 第三次 最终的拉深件 机加切边达到零件要求 45 二 圆筒形拉深件工艺计算1 坯料尺寸计算 1 计算原则相似原则 拉深前坯料的形状与拉深件断面形状相似 等面积原则 拉深前坯料面积与拉深件面积相等 2 计算方法由以上原则可知 旋转体拉深件采用圆形坯料 计算坯料尺寸时 先将拉深件划分为若干便于计算的简单几何体 分别求出其面积后相加 得拉深件总面积A 46 如计算右图所示筒形件坯料尺寸 应有以下关系式 47 3 简单旋转体拉深件的坯料尺寸计算根据坯料尺寸的计算方法 对于常用的简单拉深件 可选用书中表所列公式直接求得其坯料尺寸D 注意 当板料厚度大于lmm时 应按板料厚度中线尺寸计算 4 复杂旋转体拉深件坯料尺寸的确定久里金法则求其表面积 任何形状的母线绕轴旋转一周所得到的旋转体面积 等于该母线的长度与其重心绕该轴线旋转所得周长的乘积 如右图所示 旋转体表面积为 48 5 任务一坯料尺寸计算根据无凸缘筒形拉深件坯料尺寸的计算方法得1 确定零件修边余量零件的相对高度 经查得修边余量 所以 修正后拉深件的总高应为79 6 85mm 2 确定坯料尺寸由无凸缘筒形拉深件坯料尺寸计算公式得 49 2 无凸缘筒形件拉深工艺计算 1 拉深系数1 概念拉深系数m是每次拉深后筒形件的直径与拉深前坯料 或工序件 直径的比值 第一次拉深系数 第二次拉深系数 第n次拉深系数 总拉深系数 50 2 拉深系数的意义拉深系数是表示拉深变形程度的一个量 拉深系数越小 说明拉深前后筒形件的直径差距越大 则变形程度越大 极限拉深系数或 用于表示不同材料所能承受的极限变形程度 是拉深工艺计算的重要参数 其数值可查表 3 拉深系数的影响因素a 材料的力学性能 材料的屈强比越小 塑性越好 对拉深越有利 极限拉深系数可以小一些 b 材料的相对厚度 相对厚度越大 抗失稳能力加强 对拉深越有利 c 润滑d 模具的几何参数 如凸 凹模圆角半径 模具间隙等 51 2 拉深次数的确定1 推算法根据已知条件 由书中表查得各次拉深的 m 然后依次计算出各次拉深工序件的直径 即 则计算结束 零件所需拉深次数为n次 52 2 查表法在生产实际中也可采用查表法 即根据工件的相对高度和坯料的相对厚度 直接由书中表查得拉深次数 例 已知无凸缘筒形拉深件的35mm 高度66mm 材料厚度0 8mm 试求该拉深件的拉深次数 推算法 计算零件坯料尺寸为100mm 查表得各次拉深的极限拉深系数为则 共需拉深3次 查表法 计算零件的坯料相对厚度为0 008 相对高度为1 89 查表得零件所需拉深次数为3次 53 3 圆筒形拉深件各次工序尺寸的计算1 工序件直径 依据推算法确定拉深次数时求得的各次拉深中间工序件的直径尺寸进行调整从而得出实际生产时各工序件的直径尺寸 调整原则 1 2 3 2 工序件圆角半径 54 3 工序件的拉深高度 4 任务一拉深工序件尺寸计算已计算坯料尺寸为105mm 则1 判断是否采用压边圈零件的相对厚度 经查 压边圈为可用可不用的范围 为了保证零件质量 减少拉深次数 决定采用压边圈 55 2 确定拉深次数查得零件的各次极限拉深系数分别为 m1 0 5 m2 0 75 m3 0 78 m4 0 8 所以 每次拉深后筒形件的直径应为 计算可知共需4次拉深 56 3 确定各工序件直径调整各次拉深系数分别为 则调整后每次拉深所得筒形件的直径为 第四次拉深时的实际拉深系数 其大于第三次实际拉深系数和第四次极限拉深系数 所以调整合理 第四次拉深后筒形件的直径为 57 4 确定各工序件高度根据拉深件圆角半径计算公式 取各次拉深筒形件圆角半径分别为 所以每次拉深后筒形件的高度为 58 由以上计算可知 该例需拉深4次成形 所以其最终的加工工艺路线为 落料与首次拉深复合模 第二次拉深 第三次拉深 第四次拉深 机加切边 拉深工序件图 59 3 有凸缘筒形件拉深工艺计算 有凸缘筒形件的标注方法 60 1 窄凸缘筒形件的拉深对之间的凸缘件称为窄凸缘件 这类冲件因凸缘很小 可以当作一般圆筒形件进行拉深 只在倒数第二次工序时才拉出凸缘或拉成具有锥形的凸缘 而最后通过矫正工序压成水平凸缘 其过程如下图所示 若h d 1时 则第一次即可拉成口部具有锥形凸缘的圆筒形 最后凸缘再经校正即可 61 2 宽凸缘 筒形件的拉深1 宽凸缘筒形件的拉深特点宽凸缘件的第一次拉深与拉深圆筒形件相似 只是在拉深过程中不把坯料边缘全部拉人凹模 而在凹模面上形成凸缘而已 2 变形程度的表示方法当冲件底部圆角半径r与凸缘处圆角半径R相等时 其拉深系数应为 62 显然 上式所计算的拉深系数与三个量有关即 凸缘的相对直径 零件的相对高度 相对圆角半径 其中以影响最大 影响次之 最小 由此可见 有凸缘筒形件的拉深系数不仅与筒形件的直径有关 还与筒形件凸缘的大小有关 从书中凸缘件的首次拉深系数表中可以看出 当坯料相对直径一定时 凸缘相对直径越大 拉深系数越小 63 3 宽凸缘筒形件的拉深原则a 判定能否一次拉成 若 或 可以一次拉成 b 多次拉深的原则按查出的第一次极限拉深系数或首次拉深最大相对高度拉成凸缘直径等于零件所需要尺寸 含修边余量 的中间过渡形状 以后各次拉深均保持凸缘件直径不变 只按凸缘筒形件多次拉深的方法逐步减小筒形部分直径 直到拉成零件为止 拉深模设计 64 为了保证以后各次拉深时凸缘不再收缩变形 通常使第一次拉成的筒形部分金属表面积比实际需要的多3 5 这部分多余的金属逐步分配到以后各次工序中去 最后这部分金属逐渐使筒口附近凸缘加厚 但这不会影响零件质量 4 拉深工序件高度的计算 以后各次拉深高度 第一次拉深高度 65 5 有凸缘筒形件多次拉深的方法 通过减小筒部直径来增加高度 通过减小圆角半径来减小直径 66 2 压边力的计算 压边装置 刚性压边装置 压边力靠间隙调控 其大小与压力机滑块下止点的位置有关 弹性压边装置 压边力由弹性元件提供 其大小与弹性元件有关 为了防止拉深后期压边力过大导致拉裂 常加限位装置 67 压边力 拉深力 外滑块公称压力 内滑块公称压力 压力机的公称压力 弹性压边装置压边力的计算公式为 式中A 压边面积 P 单位压边力 可查表 3 压力机工称压力的选择 对于双动压力机 对于单动压力机 68 注意 在落料拉深复合模中 要校核压力机行程与力的关系曲线 以防出现超载问题 69 4 任务一压力计算与设备的选择模具为落料拉深复合模 动作顺序是先落料后拉深 现分别计算落料力 拉深力和压边力 因为拉深力与压边力的和小于落料力 所以 应按照落料力的大小选用设备 初选设备为J23 35 70 5 拉深模工作零件设计与计算 1 凸 凹模结构 不用压边圈拉深的凹模结构a 平面形凹模b 锥形凹模1 5 气孔2 凹模3 定位板4 凹模6 顶块7 弹簧8 底座 71 带压边圈凹模的结构 72 2 凸 凹模的圆角半径凹模圆角半径的大小对拉深有重要影响 圆角半径过小 金属流动阻力大 且弯曲变形影响程度大 零件易拉裂 圆角半径过大 坯料在拉深时的有效支撑面积减小 且拉深后期较早结束压料 零件易起皱 凹模圆角半径的计算 首次拉伸 对于以后各次拉深 可取 式中 73 前后两次工序中工序件的直径 凸模圆角半径较凹模影响较轻 凸模圆角半径过小 零件弯曲变形加大 坯料变薄严重 零件易拉裂 圆角半径过大 拉深时坯料的支撑面积减小 零件易起皱 凸模圆角半径的计算 首次拉深 多次拉伸中的以后各次 式中 最后一次拉深圆角半径应等于零件要求的圆角半径 但应大于一倍料厚 否则 应增加一道整形工序 74 系数 由书中表查出 材料的公称厚度 材料的最大厚度 3 拉深模的间隙拉深模间隙较小 金属拉深时流动阻力大 拉深力增加 零件易拉裂 间隙较大 零件质量较差 一般 拉深模的单边间隙由下式计算 75 凸 凹模的制造公差 凸 凹模的单边间隙 工序件的基本尺寸 凸模基本尺寸 凹模基本尺寸 4 凸 凹模工作零件尺寸计算1 中间工序件凸 凹模尺寸计算 式中 76 2 末次拉深 拉深件尺寸与模具尺寸a 外形有要求时b 内形有要求时 77 凸 凹模的制造公差 冲件的公差 当工件外形尺寸要求一定时 以凹模为准 凸模尺寸按凹模减小以取得间隙 具体计算公式为 当工件内形尺寸要求一定时 以凸模为准 凹模尺寸按凸模增大以取得间隙 具体计算公式为 凹模 凸模 凹模 凸模 78 5 任务一凸 凹模尺寸计算1 首次拉深凸 凹模尺寸计算由上边计算可知 第一次拉深件后零件直径为55 65mm 由公式确定拉深凸 凹模间隙值 查得 所以间隙 则 首次拉深凹模 首次拉深凸模 79 2 末次拉深凸 凹模尺寸计算因为零件标注外形尺寸 mm 所以要先计算凹模 即 拉深凹模 拉深凸模 80 习题课任务一其他内容工艺计算及模具结构设计 一 落料拉深复合模其它工艺计算1 落料凸 凹模刃口尺寸计算根据零件形状特点 刃口尺寸计算采用分开制造法 落料尺寸为 查得零件冲裁凸 凹模最小间隙 最大间隙 凸模制造公差 凹模制造公差 将以上各值代入 校验是否成立 经校验 不等式成立 所以可按下式计算工作零件刃口尺寸 81 落料凹模 落料凸模 82 2 排样计算零件采用单直排排样方式 查得零件间的搭边值为1 5mm 零件与条料侧边之间的搭边值为1 8mm 若模具采用无侧压装置的导料板结构 则条料上零件的步距为106 5mm 条料的宽度应为 83 选用规格为2mm 1000mm 1500mm的板料 计算裁料方式如下 裁成宽109 6mm 长1000mm的条料 则每张板料所出零件数为 裁成宽109 6mm 长1500mm的条料 则每张板料所出零件数为 经比较 应采用第二种裁法 零件的排样图如下图所示 84 零件排样图 85 二 第二次拉深工艺计算1 拉深凸 凹模尺寸计算第二次拉深件后零件直径为43 41mm 拉深凸 凹模间隙值仍为3mm 则拉深凸 凹模尺寸分别为 拉深凹模 拉深凸模 2 拉深力计算 初选设备位J23 10 86 三 模具零部件结构的确定1 落料拉深复合模零部件设计 1 标准模架的选用标准模架的选用依据为凹模的外形尺寸 所以应首先计算凹模周界的大小 根据凹模高度和壁厚的计算公式得 凹模高度 凹模壁厚 凹模外径 以上计算仅为参考值 由于本套模具为落料拉深复合模 所以凹模高度受拉深件高度的影响必然会有所增加 其具体高度将在绘制装配图时确定 另外 为了保证凹模有足够的强度 将其外径增大到200mm 87 模具采用后置导柱模架 根据以上计算结果 查得模架规格为 上模座200mm 200mm 45mm 下模座200mm 200mm 50mm 导柱32mm 190mm 导套32mm 105mm 43mm 2 其它零部件结构拉深凸模将直接由连接件固定在下模座上 凸凹模由凸凹模固定板固定 两者采用过渡配合关系 模柄采用凸缘式模柄 根据设备上模柄孔尺寸 选用规格为A50 100的模柄 88 2 第二次拉深模零部件设计由于零件高度较高 尺寸较小 所以未选用标准模架 导柱导套选用标准件 其规格分别为导柱 35mm 230mm 导套 35mm 115mm 43mm 模柄采用凸缘式模柄 规格为A60 90 四 落料拉深模具结构图 89 1 9 下 上模座2 3 10 12 23 螺钉4 落料凹模5 导柱6 挡料销7 导套8 凸凹模固定板11 模柄13 横销14 打杆15 推件块16 22 24 销钉17 凸凹模18 卸料版19 凸模20 压边圈21 顶杆 落料拉深复合模 90 1 下模座2 导柱3 11 12 螺钉4 凸模固定板5 顶杆6 压边圈7 凹模8 推件块9 上模座10 导套13 横销14 打杆15 模柄16 销钉17 凸模 第二次拉深模 91 学习项目六其他形状零件的拉深 一 阶梯型零件的拉深1 阶梯型零件的表示方法与变形特点阶梯形零件与圆筒形件的拉深基本相同 即每一阶梯相当于相应圆筒形件的拉深 92 2 判定能否一次拉成求出零件的高度与最小直径之比 再按前面所述圆筒形件拉深相对高度表查得其工序次数 如工序次数为1 则可一次拉出 3 拉深方法 1 由大到小假若任意两相邻阶梯直径的比值都不小于相应的圆筒形件的极限拉深系数时 则其拉深方法为由大阶梯到小阶梯依次拉出 而其拉深次数则等于阶梯数目 即各阶梯拉拉深次数之和 93 2 由小到大假若某相邻两阶梯直径比值小于相应圆筒形件的极限拉深系数时 则由直径到按凸缘件的拉深办法 其拉深顺序由小阶梯到大阶梯依次拉深 94 二 盒形件的拉深1 盒形件的变形特点 盒形件 直边部分 圆角部分 两部分为一整体 相互影响 拉深变形 弯曲变形 成形时 圆角部分的材料向直边部分流动 故使直边部分在弯曲的同时还受挤压 同样 圆角部分也不完全与圆筒形零件的拉深相同 由于直边部分的存在 圆角部分的材料可以向直边部分流动 因此圆角部分材料的变形程度有所减轻 95 网格法分析坯料上做正方形网格 拉深成盒形件后观察其上的网格变化 长度方向 直边方向受横向挤压 且越靠近圆角部分及压力越大 高度方向 从向间距增大 且越靠近口 部增加量越大 说明向高度方向上转移的金属量越多 96 结论 1 径向拉应力沿盒件周边的分布是不均匀的 在圆角部分最大 直边部分最小 而切向压应力的分布也是一样 2 就以角部来说 由于应力分布不均匀 其平均拉应力与相应的圆筒形零件相比要小得多 因此 就危险断面处的载荷来说 盒形件要小得多 故对于相同材料 盒形件的拉深系数可取小些 3 由于