拉深工艺与模具设计概述

第四章拉深工艺与模具设计主讲：闫洁12/17/20221变薄拉深不变薄拉深12/17/20222学习目的与要求：1．了解拉深变形规律及拉深件质量影响因素；2．

掌握拉深工艺计算方法；3．

掌握拉深工艺性分析与工艺设计方法；4．

掌握拉深模典型结构及特点；5．

掌握拉深工艺与拉深模设计的方法和步骤。12/17/20223

拉深是将一定形状的平板毛坯通过拉深模具冲压成各种开口空心件或以开口空心件为毛坯，通过拉深进一步改变其形状和尺寸的冲压工艺方法。

不变薄拉深

变薄拉深拉深12/17/20224轴对称旋转体盒形件不对称拉深件拉深件类型12/17/20225本章主要内容1.拉深变形过程及其成形特点2.常见拉深件成形精度的影响因素3.无凸缘园筒件的拉深成形方法4.有凸缘园筒件的拉深成形方法5.拉深力的计算。6.拉深模工作部分尺寸及其精度计算。7.拉深零件工艺性分析。12/17/20226本章的关键词：

拉深、压边圈、起皱、筒壁危险断面拉裂拉深系数、极限拉深系数拉深次数、窄凸缘、宽凸缘拉深工艺性、硬化指数、屈服比12/17/202271.拉深变形过程及其成形特点

圆筒形件是最典型的拉深件。平板圆形坯料拉深成为圆筒形件的变形过程如图所示。变形现象：平板圆形坯料的凸缘—弯曲绕过凹模圆角然后拉直—形成竖直筒壁。变形区—凸缘；已变形区—筒壁；不变形区—底部。传力区－底部和筒壁。12/17/202281.拉深变形过程及其成形特点

1.1拉深过程中坯料内的应力与应变状态图中所示为拉深过程中某一瞬间坯料所处的状态。根据应力与应变状态不同，可将坯料划分为五个部分。

⑴凸缘部分

⑵凹模圆角部分

⑶筒壁部分

⑷凸模圆角部分

⑸筒底部分12/17/2022912/17/2022101.拉拉深变变形过过程及及其成成形特特点1.1拉深深过程程中坯坯料内内的应应力、、应变变状态态拉深变变形过过程：：凸缘产产生内内应力力：径径向拉拉应力力σ1；切向向压应应力σσ3凸缘塑塑性变变形：：径向向伸长长，切切向压压缩，，形成成筒壁壁直径为为ｄ高高度为为Ｈ的的圆筒筒形件件（H>（（D-d））/2）材料转转移：：高度度、厚厚度发发生变变化。。拉深单单元变变形动动画外力12/12/2022111.2拉深深的成成形特特点拉深过过程中中出现现质量量问题题主要要是凸缘变变形区区的起起皱和筒壁传传力区区的拉拉裂。凸缘区区起皱皱是由由于切切向压压应力力引起起板料料失去去稳定定而产产生弯弯曲；；传力力区的的拉裂裂是由由于拉拉应力力超过过抗拉拉强度度引起起板料料断裂裂。同时，，拉深深变形形区板板料有有所增增厚，，而传传力区区板料料有所所变薄薄。这些现现象表表明，，在拉拉深过过程中中，坯坯料内内各区区的应应力、、应变变状态态是不不同的的，因因而出出现的的问题题也不不同。。12/12/2022122.常常见拉拉深件件成形形精度度的影影响因因素2.1平面面凸缘缘的起起皱12/12/202213拉深过过程中中，凸凸缘区区变形形区的的材料料在切切向压压应力力σ的的作用用下，，可能能会产产生失失稳起起皱。。凸缘区区是否否起皱皱，主主要决决定于于两个个方面面：⑴切向压压应力力σ的的大小小，越大大越容容易失失稳起起皱；；⑵凸缘区区板料料本身身的抵抵抗失失稳稳的能能力，凸缘缘宽度度越大大，厚厚度越越薄，，材料料弹性性模量量和硬化指指数越小，，抵抗抗失稳稳能力力越小小。常见的的防止止起皱皱的方方法：采用用便于于调节节压边边力的的压边边圈和和拉深筋筋把凸缘缘压紧紧在凹凹模表表面。。P12712/12/202214硬化指指数n（n值））是评评定板板料伸伸长类类成形形性能能的一一个重重要参参数。。n值大大，则则拉伸伸失稳稳时的的极限应应变大。这这对于于胀形形、扩扩孔、、内凹凹曲线线翻边边等伸伸长类类成形形来说说，可可以在在一次次成形形中获获得较较大的的极限限变形形程度度。n值对对复杂杂形状状零件件的成成形也也有影影响，，在以以胀形形为主主的成成形工工艺中中，n值大大的板板料，，成形形性能能好。。P3212/12/2022152.2筒壁壁危险险断面面的拉拉裂筒壁部部分在在拉深深过程程中起起传递递拉深深力的的作用用，在在单向向拉应应力作作用下下，当当达到到材料料的抗抗拉强强度极极限时时，筒筒壁被被拉裂裂。12/12/202216筒壁部部分与与底部部园角角部分分的交交界面面附近近材料料的厚厚度最最薄，，硬度度最低低，因因而该该处是是发生生拉裂裂的危危险断断面。。是否拉拉裂取取决于于拉深深力的的大小小和筒筒壁材材料的的强度度。12/12/202217防止拉拉裂：：一方面面要通通过改改善材材料的的力学学性能能，提提高筒筒壁抗抗拉强强度；；另一方方面通通过正正确制制定拉拉深工工艺和和设计计模具具，降降低筒筒壁所所受拉拉应力力。12/12/202218旋转体的坯坯料形状和和尺寸确定定的依据体积不变原原则：若拉拉深前后料料厚不变，，拉深前坯坯料表面积积与拉深后后冲件表面面积近似相相等，得到到坯料尺寸寸相似原则：：拉深前坯料料的形状与与冲件断面面形状相似似。但坯料料的周边必必须是光滑滑的曲线连连接。12/12/2022193.无凸缘缘园筒件的的拉深成形形方法3.1毛坯尺寸计计算⑴将拉深件划划分为若干干个简单的的几何体，，⑵分别求出各各简单几何何体的表面面积。⑶各简单几何何体面积相相加即为零零件总面积积。⑷根据表面积积相等原则则，求出坯坯料直径。。12/12/202220按图得：故：整理后坯料料的直径：：12/12/2022213.2无凸凸缘圆筒形形零件拉深深系数的确确定拉深系数m表示拉深前前后坯料（（工序件））直径的变化率。m愈小，，说明拉深深变形程度度愈大，相相反，变形形程度愈小小。第一次拉深深系数：第二次拉深深系数：第n次拉深深系数：12/12/202222拉深件的总总拉深系数数等于各次次拉深系数数的乘积，，即如果m取得过小，，会使拉深深件起皱、、断裂或严严重变薄超超差。极限拉深系系数［m］从工艺的角角度来看，，［m］越小越有利利于减少工工序数。12/12/2022233.无凸缘缘园筒件的的拉深成形形方法3.3极极限拉深系系数的影响响因素⑴材料的力学学性能⑵板料的相相对厚度［m］⑶拉深工作条条件a.模具的几何何参数b.摩擦润滑c.压料圈的压压料力⑷拉深方法、、拉深次数数、拉深速速度、拉深深件的形状状Dt/12/12/2022243.无凸缘缘园筒件的的拉深成形形方法3.4拉深深次数的确确定当＞＞［m］时，拉拉深件可一一次拉成，，否则需要要多次拉深深。其拉深次数数的确定有有以下几种种方法：⑴查表法⑵推算方法法⑶计算方法法12/12/2022253.无凸缘缘园筒件的的拉深成形形方法3.4拉深深次数的确确定推算方法1）由表4.4.1或表4.4.2中中查得各次次的极限拉拉深系数；；2）依次计计算出各次次拉深直径径，即ｄ1＝ｍ1Ｄ；ｄ2＝ｍ2ｄ1；…；ｄｎ＝ｍｎｄｎ－１；3）当ｄｎ≤ｄ时，计算的次数数即为拉深深次数。12/12/2022264.有凸缘园园筒件拉深的的成形方法窄凸缘宽凸缘有凸缘的拉深深件根据相对对凸缘直径dt/d的大小，分为为窄凸缘和宽宽凸缘拉深件件，它们的拉拉深方法是不不同的。12/12/202227窄凸缘的拉深深方法⑴前几道工序先先拉成无凸缘缘的圆筒形件件；⑵最后两次拉深深拉成口部带带锥度和较大大凸缘圆角角的带凸缘缘件；⑶然后再用一道道工序较平。。12/12/202228宽凸缘的拉深深方法⑴凸缘直径应在在首次拉深中中确定，以后后各次拉深只只是将首次拉拉深拉入凹模模的材料作重重新分配。⑵带凸缘拉深件件首次拉深的的变形程度比比拉深系数相相同的无凸缘缘件的拉深变变形程度小，，因而允许取取更小的拉深深系数。⑶首次拉深拉入入凹模的材料料应比实际需需要的量多5%～10%，多拉入的的材料在以后后各次拉深中中逐次回到凸凸缘上。12/12/202229中小零件：如图a）大型零件：如图b）宽凸缘的拉深深方法12/12/2022304.有凸缘园园筒件拉深的的成形方法变形特点：该类零件的拉拉深过程，其其变形区的应应力状态和变变形特点与无无凸缘圆筒形形件是相同的的。但坯料凸凸缘部分不是是全部拉入凹凹模。12/12/2022314.有凸缘园园筒件拉深的的成形方法4.1拉深系系数的确定有凸缘圆筒形形件的拉深系系数取决于有有关尺寸的三三个相对比值值：dt/ｄｄ（凸缘的相相对直径）、、ｈ/ｄ（零零件的相对高高度）、Ｒ/ｄ（相对圆圆角半径）。。4.2拉深次次数的确定根据拉深系数数或零件相对对高度，判断断拉深次数。。12/12/2022325.拉深力的的计算拉深力的经验验公式采用压料圈拉拉深时首次拉深以后各次拉深深不采用压料圈圈拉深时首次拉深以后各次拉深深12/12/2022336.拉深模工工作部分尺寸寸及其精度计计算拉深模特点：结构相对较简简单，与冲裁裁模比较，工工作部分有较较大的圆角，，表面质量要要求高，凸、、凹模间隙略略大于板料厚厚度。拉深件的模具具设计顺序：：先设计拉深模模，坯料形状状尺寸确定后后再设计冲裁裁模。如果拉深件口口部不整齐，，需留切边余余量，增加加切边工序。。12/12/2022346.1拉拉深凸模与凹凹模的间隙间隙过大：拉拉深件口部有有小的皱纹，，零件回弹变变形大，有锥锥度，精度差差。间隙过小：摩摩擦阻力增大大易出现拉裂裂，同时模具具磨损加大，，寿命低。确定间隙的原原则是既要考考虑板料本身身的公差，又又要考虑板料料在变形中的的增厚现象。。1．无压边圈圈拉深模具的的单边间隙c=(1～1.1)（（末次拉深取取小值）2．有压边圈圈拉深模具的的单边间隙值值c=(1.1～1.2)t3．拉深凸、、凹模间隙取取向拉深凸、凹模模间隙取向按按下述原则决决定。①除最后一一次拉深外，，其余各工序序的拉深间隙隙不作规定。。②最后一道道拉深，当零零件要求外形形尺寸时，间间隙取在凸模模上；当零件件要求内形尺尺寸时，间隙隙取在凹模上上。12/12/2022356.2拉拉深深凸模与与凹模的的圆角半半径1．凹模模圆角半半径当较较小时，，危险险断面材材料严重重变薄甚甚至破裂裂，还还会使拉拉深件表表面刮伤伤。太大时（（如图3）容易起起皱。。拉深凹模模圆角半半径可按按以下经经验公式式计算：：(0.6～0.8)≮≮2t2．凸模模圆角半半径rt首次拉深深凸模圆圆角半径径为：=(0.7～1.0)ra以后各次次拉深凸凸模圆角角半径为为：最后一次次拉深时时，凸模模圆角半半径应等等于零件件圆角半半径，≮≮t，，否则应应加整形形工序12/12/202236图1零零件尺尺寸和模模具工作作尺寸图2拉拉深模模工作部部分图图3拉拉深初初期毛坯坯与凸、、凹模的的位置关关系12/12/20223712/12/2022386.3拉拉深深凸模与与凹模的的结构1．无压压边圈的的拉深模模①图5（a）所所示为圆圆弧洞口口凹模；；②图5（b）所所示为锥锥面形洞洞口凹模模；③图5（c）所所示为渐渐开线形形洞口凹凹模。2．有压压边圈的的拉深模模①圆角结结构形式式如图6（a），，拉深直直径d≤≤100mm的的零件。。②有锥角角的凸、、凹模结结构如图6（b），，拉深深直径d＞100mm的零件件。3．拉深深凸模必必须设计计通气孔孔（防止止形成真真空状态态）4.7.5拉拉深模模压边装装置的结结构1．采用用压边装装置的条条件（可可见表4-9））压边装置置的作用用就是在在凸缘变变形区施施加轴向向（材料料厚度方方向）压压力，提提高毛坯坯变形的的稳定性性，而防防止起皱皱。2．常用用压边圈圈的结构构形式①首次次拉深模模用的压压边圈常常采用如图7所示的形形式。②后续续拉深工工序用压压边圈如图8所示。图图中限位位柱（固固定式和和可调节节式）高高度的设设计应保保证模具具在拉深深过程中中，保持持压边圈圈和凹模模圆角间间的距离离为s值值。其值值分别为为：拉深有凸凸缘的零零件：s=t+(0.05～～0.1)拉深钢零零件：s=1.5t拉深铝合合金：s=1.1t③在单单动压力力机上进进行拉深深，常采采用通用用性强的的压边装装置，其其弹性元元件一般般使用橡橡皮、弹弹簧和气气垫三种种。12/12/202239图5不不用压边边圈的拉拉深凹模模结构12/12/202240图6有有压边边圈的拉拉深模工工作部分分形状和和尺寸12/12/202241图7首首次拉拉深模用用压边圈圈类型12/12/202242图8有有限位位柱的的压边边圈12/12/202243典型拉深模结结构图１-模柄２-上模座３-凸模固定定板４-弹簧５-压边圈６-定位板７-凹模８-下模座９-卸料螺钉钉10-凸模12/12/202244典型拉深模结结构图1.首次拉深深模无压边装置的的简单拉深模模有压边装置的的拉深模（1）正装拉深模（2）倒装拉深模压边装置弹性压边装置置刚性压边装置置①橡皮压边装装置②弹簧压边装装置③气垫式压边边装置带限位装置的的压边圈带刚性压边装装置的拉深模模12/12/202245典型拉深模结结构图2.以后各次次拉深模无压边装置的的以后各次拉拉深模有压边装置的的以后各次拉拉深模无压边装置的的反拉深模反拉深模压边圈在上模模的反拉深模模压边圈在下模模的反拉深模模12/12/202246典型拉深模结结构图落料拉深模正装落料拉深深模落料正、反拉拉深模后次拉深、冲冲孔、切边复复合模12/12/2022477.拉深零件件工艺性分析析7.1拉深件材料用于拉深的材材料一般要求求具有较好的的塑性、低的的屈强比、一一般选用含碳碳量较低的钢钢板或塑性较较好的铝板、、铜板等；有有色金属。材料的屈服比比越越小，，则一次拉深深允许的极限限变形程度越越大，拉深性性能越好。12/12/2022487.2拉深件件的结构工艺艺性⑴形状应尽量简简单、对称，，避免尖底形形，以保证变变形均匀。⑵拉深高度尽尽可能小，以以便能通过1～2次拉深深工序成形。。⑶在保证装配的的前提下，应应允许拉深件件侧壁有一定定的斜度。⑷拉深件的园角角半径尽可能能大一些，否否则，应增加加整形工序。。⑸拉深件的底或或凸缘上的孔孔边到侧壁的的距离应满足足：ａ≥Ｒ+0.5ｔ（或+0.5ｔ））⑹拉深件的尺尺寸标注，应应注明保证外外形尺寸，还还是内形尺寸寸，不能同时时标注内外形形尺寸。12/12/2022497.3拉深件件的公差等级级一般情况下，，拉深件的尺尺寸精度应在在T13级以以下，不宜高高于IT11级。拉深件壁厚公公差要求一般般不应超出拉拉深工艺壁厚厚变化规律。。据统计，不变变薄拉深，壁壁的最大增厚厚量约为（0.2～0.3）ｔ；最最大变薄量约约为（0.10～0.18）ｔ，（（ｔ为板料厚厚度）。12/12/202250无压压边边装装置置的的首首次次拉拉深深模模1-定位位板板2-下模模板板3-拉深深凸凸模模4-拉深深凹凹模模12/12/202251正装装拉拉深深模模１－－模模柄柄２２－－上上模模座座３３－－凸凸模模固固定定板板４４－－弹弹簧簧５５－－压压边边圈圈６６－－定定位位板板７７－－凹凹模模８８－－下下模模座座９９－－卸卸料料螺螺钉钉10－－凸凸模模12/12/202252带锥锥形形压压边边圈圈的的倒倒装装拉拉深深模模1－－上上模模座座2－－推推杆杆3－－推推件件板板4－－锥锥形形凹凹模模5－－限限位位柱柱6－锥锥形形压压边边圈圈7－拉拉深深凸凸模模8－固固定定板板9－下下模模座座12/12/202253弹簧簧压压边边装装置置a)橡皮皮b)弹簧簧c)气垫垫12/12/202254双动动压压力力机机用用拉拉深深模模刚刚性性压压边边装装置置动动作作原原理理12/12/202255带限限位位装装置置在在压压边边圈圈第一一次次拉拉深深第二二次次拉拉深深12/12/202256带刚刚性性压压边边装装置置拉拉深深模模1-固定定板板2-拉深深凸凸模模3-刚性性压压边边圈圈4-拉深深凹凹模模5-下模模板板6-螺钉钉12/12/202257无压压边边装装置置的的以以后后各各次次拉拉深深模模12/12/202258有压边装置置的以后各各次拉深模模1-推件板2-拉深凹模3-拉深凸模4-压边圈5-顶杆6-弹簧12/12/20225912/12/20226012/12/20226112/12/2022621-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-拉深凸模落料拉深复复合模12/12/2022631-凸凹模2-反拉深凸模模3-拉深凸凹模模4-卸料板5一导料板6-压边圈7-落料凹模落料、正、、反拉深模模12/12/2022641-压边圈圈2-凹模固固定板3-冲孔凹凹模4-推件件板5-凸模固定定板6-垫板7-冲孔凸凸模8-拉深凸模9-限位螺栓10-螺母11-垫柱12-拉深切边凹凹模13-切边凸模14-固定块再次拉深、、冲孔、切切边复合模模12/12/202265拉深筋筋12/12/20226612/12/202267图1落落料料制件件图3拉拉深深制件件图图4拉拉裂裂缺陷陷件镁合金金手机机外壳壳图2冲冲孔孔制件件12/12/20226812/12/202269由于手手机外外壳的的拉深深高度度较小小，拉拉深系系数大大,因因此设设计时时采用用了一一次拉拉深成成形工工艺。。在模具具结构构中，，采用用了带带限位位装置置（的的橡胶胶式弹弹性压压边装装置，，给凸凸缘变变形区区施加加轴向向力，，以防防止拉拉深过过程中中制件件起皱皱；采用用了了橡橡胶胶式式弹弹顶顶机机构构以以保保证证拉拉深深时时底底面面的的平平整整和和拉拉深深制制件件不不滞滞留留在在凹凹模模型型腔腔内内；；用220V电电热热管管环环绕绕在在拉拉深深凸凸、、凹凹模模的的周周围围，，给给拉拉深深模模具具提提供供合合适适的的温温度度梯梯度度。。镁合合金金AZ31B板板材材在在热热态态下下具具有有较较好好的的塑塑性性,虽虽然然温温度度对对变变形形镁镁合合金金的的塑塑性性影影响响很很大大，，温温度度愈愈高高，，塑塑性性愈愈好好，，变变形形抗抗力力愈愈低低，，愈愈易易于于拉拉深深成成形形，，但但不不宜宜过过高高。。当镁镁合合金金温温度度高高于于400℃℃时时,由由于于晶晶粒粒长长大大反反而而使使其其塑塑性性降降低低,不不利利于于板板材材的的拉拉深深成成形形，，同同时时还还容容易易产产生生氧氧化化腐腐蚀蚀,因因而而坯坯料料的的温温度度范范围围应应选选定定在在室室温温至至400℃℃这这个个区区间间。。由于于镁镁合合金金具具有有良良好好的的导导热热性性,与与冷冷模模具具接接触触时时,坯坯料料温温度度会会迅迅速速降降低低,加加上上镁镁合合金金的的变变形形温温度度范范围围比比较较狭狭窄窄,因因而而极极易易产产生生拉拉深深缺缺陷陷,不不利利于于拉拉深深成成形形的的进进行行,所所以以必必须须对对模模具具进进行行预预热热。。12/12/202270复习习与与思思考考1.按按照照坯坯料料的的变变形形特特点点，，拉拉深深有有哪哪几几种种方方法法？？2.什什么么是是拉拉深深系系数数