《冲压工艺与冲模设计》第四章 拉深工艺与拉深模具设计

第四章拉深工艺与拉深模具设计第一节拉深技术概述第二节拉深变形过程分析第三节筒形零件拉深的工艺计算第四节拉深件的工艺性第五节拉深模的典型结构第六节拉深模工作部分结构参数的确定第七节其他形状零件的拉深第一节拉深技术概述拉深又称作拉延，是指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。拉深工艺不仅可以加工旋转体零件，还可加工盒形零件及其他形状复杂的薄壁零件，如图4-1所示。拉深可分为不变薄拉深和变薄拉深两种。拉深所使用的模具叫拉深模。拉深模结构相对较简单，拉深工作如图4-2所示。与冲裁模比较，拉深模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。图4-3为有压边圈的首次拉深模的结构图。返回第二节拉深变形过程分析一、首次拉深变形1.拉深过程分析如图4-4所示，拉深模的拉深过程将直径为D，厚度为t的圆板毛坯拉深得到厂直径为d的开口圆筒形工件。在拉深变形过程中，变形区为毛坯的环形部分(又可称为凸缘部分)，变形区内金属因塑性流动而发生厂转移。根据体积不变原则，“多余三角形”材料转移的结果为:一是增加厂工件的高度，使下件的实际高度H>(D-d)/2；二是增加了工件口部的壁厚。下一页第二节拉深变形过程分析一、首次拉深变形

2.拉深过程中的应力与应变拉深过程是一个叫复杂的塑性变形过程，拉深的不同时刻，在毛坯的不同部位，他们的应力应变状态是不一样的。图4-5是筒形件在有压边圈的首次拉深中某一阶段的应力与应变情况。下一页上一页第二节拉深变形过程分析一、首次拉深变形3.拉深时的起皱、厚度变化及硬化在拉深过程中，由于出现起皱、材料厚度变化以及材料硬化均会导致工件破裂，成为拉深工作不能顺利讲行的主要原因。(1)在凸缘变形区沿切向就会形成高低不平的皱褶，这种现象称为起皱，如图4-7所示。

(2)拉深时板料厚度的变化拉深件的壁厚是不均匀的，壁厚沿高度方向的变化情况如图4-6所示。

(3)拉深时的硬化现象由于拉深时将产生很大程度的塑性变形，毛坯经过拉深后，将引起加工硬化，使强度和硬度显著提高，塑性降低，从而给以后继续拉深造成困难。硬度沿拉深件高度的变化情况如图4-8所示。下一页上一页第二节拉深变形过程分析二、以后各次拉深以后各次拉深有两种方法：一种是正拉深，如图4-9(a)所示；另一种是反拉深，如图4-9(b)所示。反拉深就是将经过拉深的半成品倒放在凹模上再进行拉深。反拉深可以用于圆筒形件的以后各次拉深，也可用于拉深如图4-10所示的特殊零件。上一页返回第三节筒形零件拉深的工艺计算一、毛坯尺寸的计算由于板料具有板面的各向异性以及模具儿何形状等原因，拉深后工件口部一般都不平齐，在与板料碾压方向成45°的方向上产生4个凸耳，所以在计算毛坯尺寸时，要考虑在拉深件高度方向加一段修边余量，如图4-11所示。拉深后再进行切边工序以保证零件质量。修边余量的数值，根据生产经验，可参考表4-1选取。圆筒形件为旋转体零件，通常将旋转体分成儿个便于计算的简单部分，分别求出各部分的面积，然后相加即得到零件的。毛坏直径为下一页第三节筒形零件拉深的工艺计算二、拉深系数和拉深次数1.拉深系数对于圆筒形零件来说，拉深后零件的直径d与拉深前毛坯直径D之比称为拉深系数m。即m=d/D2.极限拉深系数制定拉深工艺时，如果每道工序的拉深系数取得越小，则拉深件所需要的拉深次数也就越少。但由于受到板料成型极限的限制，每次拉深变形的变形程度不允许太大，即拉深系数不能大小，否则会引起工件的破坏。图4-13所示为拉深时拉深力F和行程h的关系曲线。当前生产实践中采用的各种材料的极限拉深系数见表4-2和表4-3。下一页上一页第三节筒形零件拉深的工艺计算二、拉深系数和拉深次数3.影响极限拉深系数的因素(1)材料的力学性能(2)板料的相对厚度(3)润滑(4)模具的几何参数下一页上一页第三节筒形零件拉深的工艺计算二、拉深系数和拉深次数4.拉深次数(1)查表法无凸缘筒形件采用压功圈拉深时.其拉深次数可根据拉深件的相对高度h/d和坯料的相对厚度(t/D*100)，查表4-4得出。(2)计算法根据拉深系数与工件直径关系可得:第一次拉深后工件直径第二次拉深后工件直径……第n次拉深后工件直径下一页上一页第三节筒形零件拉深的工艺计算三、拉深力和压边力的计算1.拉深力的计算计算拉深力的目的在于选择设备和设计模具。筒形件无压边拉深时:第一次拉深以后各次拉深筒形件有压边拉深时:第一次拉深以后各次拉深下一页上一页第三节筒形零件拉深的工艺计算三、拉深力和压边力的计算2.压边力的计算为了使压边圈能可靠地工作，通常取压边力Q的值稍大于防皱作用所需的最低值，即一般来说，当板料的强度高、相对厚度小、拉深系数小时，所需的最小单位压边力σ较大；反之，则σ值较小。在生产中可以参考表4-5选取单位压边力σ的值，该表适用于圆筒形拉深件。表4-6所示为采用、不采用压边圈的条件。下一页上一页第三节筒形零件拉深的工艺计算三、拉深力和压边力的计算3.压力机的选择选择压力机的总压力应根据拉深力与压边力的总和进行选择，即F总=F+Q浅拉深时:F总≤(0.7~0.8)F0深拉深时:F总≤(0.5~0.6)F0上一页返回第四节拉深件的工艺性为了提高拉深时的变形程度，提高劳动生产率和产品质量，降低成本，对拉深件具有以下工艺要求。(1)拉深件的形状应尽量简单对称(2)有凸缘的拉深件，最好满足d凸≥d+12t，且拉深件凸缘的外轮廓最好与拉深部分的轮廓形状相似如果凸缘的宽度不一致，如图4-14(a)所示，拉深比较困难，就需要添加工序，而且修边余量增大，增加材料损耗。(3)拉深件的圆角半径要合适如图4-14(b)所示(4)拉深件底部孔的大小要合适下一页第四节拉深件的工艺性(5)拉深件的精度有如下要求:①由于拉深件各部位的料厚有较大变化，所以对零件图上的尺寸应明确标注是外壁尺寸还是内壁尺寸，不能同时标注内外尺寸。②由于拉深件有回弹，所以零件横截面的尺寸公差，一般都在IT12级以下。拉深件的精度包括拉深件内形或外形的直径尺寸公差、高度尺寸公差等，其精度等级如表4-7所示。③多次拉深的零件对外表面或凸缘的表面，允许有拉深过程中所产生的印痕和口部的回弹变形，但必须保证精度在公差之内。上一页返回第五节拉深模的典型结构一、首次拉深变形1.无压边装置的简单拉深模(图4-15)这种模具结构简单，上模往往是整体的。这种模具适用于拉深材料厚度较大及深度较小的零件。与此相同的拉深模还有如图4-16所示。2.有压边装置的拉深模如图4-17所示模具带锥形的凹模4固定在上模，故称之为倒装拉深模。图4-18所示为压边圈装在上模部分的顺装拉深模。下一页第五节拉深模的典型结构一、首次拉深变形目前在生产实际中常用的压边装置有两大类:

(1)弹性压边装置这种装置多用于普通的单动压力机上。通常有如下三种：①橡皮压边装置，如图4-19(a)所示;②弹簧压边装置，如图4-19(b)所示;③气垫式压边装置，如图4-19(c)所示。这三种压边装置压边力的变化曲线如图4-20所示。(2)刚性压边装置这种装置用于双动压力机上，其动作原理如图4-21所示。下一页上一页第五节拉深模的典型结构二、后续拉深模如图4-22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。如图4-23所示为有压边装置的以后各次拉深模，这是一般最常见的结构形式。拉深前，毛坯套在压边圈4上，压边圈的形状必须与上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将冲压件从凹模中推出。下一页上一页第五节拉深模的典型结构三、落料拉深复合模如图4-24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。为保证冲压时先落料再拉深，拉深凸模8低于落料凹模7一个料厚以上。件2为弹性压边圈，弹顶器安装在下模座下。如图4-25所示为落料、正、反拉深模。由于在一副模具中进行正、反拉深，因此一次能拉出高度较大的工件，提高厂生产率。件1为凸凹模(落料凸模、第一次拉深凹模)，件2为第二次拉深(反拉深)凸模，件3为拉深凸凹模(第一次拉深凸模、反拉深凹模)，件7为落料凹模。第一次拉深时，有压边圈6的弹性压边作用，反拉深时无压边作用。上模采用刚性推件，下模直接用弹簧顶件，由固定卸料板4完成卸料，模具结构十分紧凑。上一页返回第六节拉深模工作部分结构参数的确定一、拉深凹模与凸模的圆角半径1.凹模圆角半径R凹拉深时，平板毛坯是经过凹模圆角流人洞口形成零件的筒壁。R凹太大时，毛坯变形区与凹模表面的接触面积减小。R凹的大小要适当，其确定原则是:在不引起起皱的条件下，R凹尽可能大一些。筒形件首次拉深时的凹模圆角半径可由下式确定:下一页第六节拉深模工作部分结构参数的确定一、拉深凹模与凸模的圆角半径2.凸模圆角半径R凸凸模圆角半径对拉深的影响不像凹模圆角半径那样显著。R凸过小，毛坯在该处受到较大的弯曲变形，使危险断面的强度降低，过小的R凸会引起危险断面局部变薄甚至开裂，也影响拉深件的表面质量。凸模圆角半径R凸，除最后一次应取与零件底部圆角半径相等的数值外，中间各次可以取得和R凸相等或比R凸略小一些，并且各次拉深凸模圆角半径R凸应逐次减小。即R凸=（0.7~1.0）

R凹下一页上一页第六节拉深模工作部分结构参数的确定二、拉深模的间隙Z拉深模的间隙是指单边间隙，即(1)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(2)用压边圈时，其间隙按表4-9选取。(3)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下一页上一页第六节拉深模工作部分结构参数的确定二、拉深模的间隙Z(4)盒形件拉深模凸模与凹模之间的间隙值当精度要求高时，直边部分间隙为:C=(0.9~1.05)t当精度要求不高时，直边部分间隙为:C=(1.1~1.3)t(5)拉深模凸、凹模间隙取向按下述原则决定:除最后一次拉深外，其余各工序的拉深间隙不作规定；最后一道拉深，当零件要求外形尺寸时，间隙取在凸模上;当零件要求内形尺寸时，间隙取在凹模上。下一页上一页第六节拉深模工作部分结构参数的确定三、拉深凸模与凹模工作部分的尺寸及其偏差(1)对于最后一道工序的拉深模，其凸模和凹模尺寸及其公差应按工件尺寸的标注方式来确定。当工件要求外形尺寸时.以凹模尺寸为基准讲行计算，即凹模尺寸凸模尺寸下一页上一页第六节拉深模工作部分结构参数的确定三、拉深凸模与凹模工作部分的尺寸及其偏差(2)中间各道工序拉深模，由于其毛坯尺寸与公差没有必要予以严格限制，这时凸模和凹模尺寸只要取等于毛坯过渡尺寸即可。若以凹模为基准时，则凹模尺寸:凸模尺寸:下一页上一页第六节拉深模工作部分结构参数的确定四、拉深凸模与凹模的结构凸模和凹模结构形式的设计要有利于拉深变形，这不但可以提高工件质量，而且可以降低极限拉深系数。当毛坯的相对厚度较小，必须采用压边圈进行多次拉深时，应该采用图4-26所示的模具结构。图4-26(a)中凸、凹模具有圆角结构，用于拉深直径d≤100mm的拉深件。图4-26(b)中凸、凹模具有斜角结构，用于拉深直径d≥100mm的拉深件。为了使最后一道拉深后零件的底部平整，如果是圆角结构的冲模，其最后一次拉深凸模圆角半径的圆心应与倒数第二道拉深凸模圆角半径的圆心位于同一条中心线上。如果是斜角的冲模结构，则倒数第二道工序凸模底部的斜线应与最后一道的凸模圆角半径相切，如图4-28所示。上一页返回第七节其他形状零件的拉深一、阶梯形零件的拉深阶梯圆筒形，如图4-29所示，从形状来说相当于若干个直壁圆筒形件的组合，因此它的拉深同直壁圆筒形件的拉深基本相似，每一个阶梯的拉深即相当于相应的圆筒形件的拉深。1.拉深次数的确定下一页第七节其他形状零件的拉深一、阶梯形零件的拉深2.多次拉深时的拉深方法(1)当相邻阶梯的直径比d2/d1，d3/d2，…，dn/dn-1均大于相应的圆筒形件的极限拉深系数时，可以依次由大阶梯到小阶梯，每道工序成型一个阶梯，如图4-30(a)所示。(2)当某相邻的两个阶梯的直径比小于相应圆筒形件的极限拉深系数。(3)对于浅阶梯形零件，因阶梯直径差别较大而不能一次拉出时，可采用先拉成球面形状图4-31(a)所示，或大圆角筒形件如图4-31(b)所示，然后再用校形工序精整成型。(4)阶梯形零件多次拉深的顺序一般是，先成型直径大的阶梯d1，再成型d2，…，最后成型d0。下一页上一页第七节其他形状零件的拉深二、带凸缘筒形件的拉深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，当凸缘外径由毛坯直径D缩小到工件所需要的直径d，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，如图4-32所示。下一页上一页第七节其他形状零件的拉深二、带凸缘筒形件的拉深尽管拉深系数m没有全面反映带凸缘筒形件拉深的变形程度，但工艺计算中还是习惯于采用m来表达。m和d1、h、r等几何尺寸的关系推出下一页上一页第七节其他形状零件的拉深二、带凸缘筒形件的拉深2.带凸缘筒形件的拉深方法多次拉深方法根据凸缘的宽窄分为两类。

(1)窄凸缘筒形件(d1/d=1.1~1.4)的多次拉深窄凸缘筒形件多次拉深时，前几次可当做无凸缘圆筒件拉深，不留凸缘。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4-33所示。(2)宽凸缘筒形件(d1/d>1.4)的多次拉深由拉深凸缘内侧最大拉应力公式第一次拉深时，d、较大，而材料的σ较小，所以σrmax还不算太大。下一页上一页第七节其他形状零件的拉深三、曲面形状零件和锥形零件的拉深1.曲面形状零件的拉深在拉深球面零件时，如图4-34所示，毛坯的凸缘部分与中间部分都是变形区，而且在很多情况下，中间部分反而是主要变形区。锥形零件拉深变形具有与曲面形状零件相类似的特点，一是拉深过程中毛坯与凸模接触面小，拉力集中，毛坯容易局部变薄。二是压边圈作用面积小，毛坯悬空面积大容易内皱，如图4-35所示。为了防止曲面形状零件与锥形零件拉深时起皱，往往需要增大压边力。而压边力的增大容易发生拉裂，直接影响拉深的极限变形程度。图4-36所示为锥形零件拉深时压边力与成型深度的关系曲线。下一页上一页第七节其他形状零件的拉深三、曲面形状零件和锥形零件的拉深2.半球形零件的拉深半球形零件的曲面面积为，展开后的毛坯面积为二者相等，可求得毛坯直径，于是求得其拉深系数m。由此可见，半球形零件的拉深系数与零件直径大小无关，是个常数。下一页上一页第七节其他形状零件的拉深三、曲面形状零件和锥形零件的拉深3.抛物面形零的拉深，如图4-38所示①浅抛物面形零件(h/d<0.5~0.6)拉深特点与方法和半球形零件相似。②深抛物面形零件(h/d>0.6)，特别是t/D较小时，需要多次拉深成型。

4.锥形零件的拉深锥形零件拉深方法主要根据其相对高度h/d2、相对锥顶直径d1/d2、毛坯相对厚度t/D这三个参数确定。h/d2愈大，d1/d2愈小、t/D愈小，即工件愈深、愈尖、愈薄，则拉深难度愈大，如图4-39所示。下一页上一页第七节其他形状零件的拉深四、盒形零件的拉深盒形零件属于非旋转体零件，包括方形盒、矩形盒和椭圆形盒等。与旋转体零件的拉深相比，盒形件拉深时，毛坯的变形分布要复杂得多，如图4-41所示。1.盒形零件拉深的变形特点拉深时，平面部分的变形近似于弯曲，但又不是简单的弯曲，因为拉深时圆角部分的材料将向平面部分流动，使平面部分受到切向压缩。圆角部分的变形近似于圆筒形件拉深，但又不是简单的圆筒形件拉深，因为拉深时圆角部分材料向平面部分流动，使圆角部分的切向压缩比圆筒形件拉深要小，从而减少厂圆角部分的变形。因此，盒形零件拉深变形具有以下特点，如图4-42所示。下一页上一页第七节其他形状零件的拉深四、盒形零件的拉深2.盒形件初次拉深的极限变形程度盒形件初次拉深的极限变形程度，可以用盒形件的比值H/r来表示。盒形件一次拉深成型的许可的最大比值H/r取决于盒形件的相对圆角半径r/B和毛坯相对厚度t/D。其值见表4-13。盒形件初次拉深的极限变形程度还可以用盒形件的相对高度H/B来表示，如表4-14所示。当盒形件的比值H/r或相对高度H/B不超过表4-13或表4-14中的极限值时，盒形件可以一次拉深成型。否则，需要多次拉深。下一页上一页第七节其他形状零件的拉深四、盒形零件的拉深3.盒形件的毛坯形状与尺寸的确定盒形件毛坯确定的原则是:保证毛坯的面积应等于加上修边余量后的零件表面积。当毛坯尺寸过大时，将会增大危险断面上的拉应力，对提高变形程度和减少拉深工序不利;当毛坯局部尺寸过大时，将会增大毛坯周边变形分布不均匀的程度，以致在变形过分集中的部位产生局部起皱。(1)低盒形件毛坯尺寸与形状的确定如图4-43所示。(2)高盒形件毛坯形状和尺寸的确定如图4-44所示。下一页上一页第七节其他形状零件的拉深四、盒形零件的拉深

4.高盒形件多次拉深成型(1)高盒形件多次拉深的变形特点高盒形件多次拉深的变形不同于圆筒形件的多次拉深，同时，也不同于其本身在第一次拉深中的变形。图4-46所表示的为高盒形件在再次拉深时的变形情况。

(2)方形盒的拉深方法(图4-47)方形盒毛坯形状为圆形。(3)矩形盒的拉深方法(图4-48)下一页上一页第七节其他形状零件的拉深四、盒形零件的拉深5.盒形件拉深模工作部分形状和尺寸的确定(1)凹模圆角半径R凹R凹=（4~10）tR凹的确定应注意两点:在模具设计、制造时应取较小的值，在模具调试时，可根据实际情况修磨加大在盒形件拉深时，角部变形量大，为了便于金属流动，角部圆角要比直边部分圆角大一些(2)间隙Z

当工件尺寸精度要求高时，z=(0.9~1.05)t；尺寸精度要求不高时，z=(1.1~1.3)>t。下一页上一页第七节其他形状零件的拉深四、盒形零件的拉深

为了使矩形盒直壁挺拔美观，在最后一道工序常取z=t。凸凹模间隙一般是均匀的，但由于角部金属变形量大，因此，角部间隙比直边部分间隙应增大0.1t。上一页返回图4-1拉深件类型返回图4-2拉深工作示意返回图4-3拉深模结构图返回图4-4材料的转移返回图4-5拉深过程中的应力与应变状态返回图4-6拉深件破裂返回图4-7拉深件起皱返回图4-8拉深件沿高度的壁厚和硬度变化返回图4-9二次拉深方法返回图4-10反拉深特殊零件返回图4-11圆筒形拉深件余量返回表4-1圆筒形零