第4章 拉深工艺与拉深模具y

1第四章拉深工艺与拉深模具拉深是基本冲压成形工序之一第一节拉深工艺及拉深件的工艺性第二节拉深工艺设计及计算第三节拉深模的典型结构第四节拉深模设计第五节拉深模设计举例第六节覆盖件拉深2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各种开口空心零件的加工方法。拉深不变薄拉深变薄拉深拉深工艺特点：拉深时金属有较大的流动。拉深模特点：与冲裁模比较，凹凸模无锋利的刃口，有较大的圆角半径，较大的间隙。拉深模：拉深所使用的模具。第一节拉深工艺及拉深件的工艺性3拉深件类型：直壁旋转件圆筒形零件非直壁旋转件各种曲面形零件直壁非旋转件盒形零件非旋转件曲面形状零件不规则形状的零件变形力学特点不同变形区的位置，变形特点，受力情况，成形机理。44.1.2拉深件的工艺性拉深件的工艺性是指拉深件对拉深工艺的适应性，具有良好工艺性的拉深件，能简化拉深模的结构，减少拉深的次数，提高生产效率。1.拉深件的形状与尺寸（1）拉深件的结构形状应简单、对称，尽量避免急剧的外形变化；（2）标注尺寸时，应根据使用要求只标注外形尺寸或只标注内形尺寸；（3）拉深件的底部或凸缘上有孔时，孔边到侧壁的距离应满足54.1.2拉深件的工艺性（4）多次拉深件的筒壁和凸缘的内、外表面应允许出现压痕；（5）非对称的空心件应进行组合，成对进行拉深，然后将其切成两个或多个零件。2.拉深件的高度拉深件的高度对拉深成形的次数和成形质量有重要的影响，常见零件一次成形的拉深高度为：无凸缘筒形件带凸缘筒形件当时（d为拉深件壁厚中径，dt为拉深件凸缘直径）63.拉深件的圆角半径拉深件凸缘与筒壁间的圆角半径应取，通常取，时，需增加整形工序拉深件底面与筒壁间的圆角半径应取，通常取，时，需增加整形工序4.拉深件的尺寸精度一般不高于IT11级，由于材料的各向异性，拉深件的口部和凸缘外缘一般是不整齐的，拉深结束后需要增加切边工序。5.拉深件的材料选用材料应该具有良好的塑性，较小的屈强比和较大的厚向异性系数。7圆筒形件是最典型的拉深件。一、拉深变形过程拉深变形过程1．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。底部和筒壁为传力区。第二节拉深工艺设计及计算82．金属的流动过程工艺网格实验材料转移：高度、厚度发生变化。3．拉深变形过程外力凸缘产生内应力：径向拉应力σ1；切向压应力σ3凸缘塑性变形：径向伸长，切向压缩，形成筒壁直径为ｄ高度为Ｈ的圆筒形件（H>（D-d）/2）9二、拉深过程中坯料内的应力与应变状态10二、拉深过程中坯料内的应力与应变状态111.凸缘部分2.凹模圆角部分

主要变形区

径向拉应力、切向压应力、厚度方向由于压料圈的作用，产生压应力。切向压缩、径向伸长、厚度方向伸长起皱凸缘和筒壁的过渡区

切向压应力、径向拉应力、厚度方向压应力。切向压缩、径向伸长，厚度方向压缩。二、拉深过程中坯料内的应力与应变状态123.筒壁部分4.凸模圆角部分传力区已变形区

单向拉应力作用少量的纵向伸长和厚度变薄。筒壁和筒底的过渡区材料变薄严重区与筒壁相切的部位。拉深的“危险断面”：切向拉应力、径向拉应力、厚度方向压应力。切向伸长、径向伸长，厚度方向压缩。135.筒底部分

坯料各区的应力与应变是很不均匀的拉深成形后制件壁厚和硬度分布不变形区

径向和切向双向拉应力作用变形为径向和切向伸长、厚度变薄，但变形量很小。在凸缘变形区，越靠近外缘，变形程度越大，板料增厚也越多。14三、拉深件的起皱与拉裂拉深过程中的质量问题：主要是凸缘变形区的起皱和筒壁传力区的拉裂。凸缘区起皱：传力区拉裂：由于切向压应力引起板料失去稳定而产生弯曲；由于拉应力超过抗拉强度引起板料断裂。151.凸缘变形区的起皱主要决定于：一方面是切向压应力的大小，越大越容易失稳起皱；另一方面是凸缘区板料本身的抵抗失稳的能力。凸缘宽度越大，厚度越薄，材料弹性模量和硬化模量越小，抵抗失稳能力越小。最易起皱的位置：凸缘边缘区域防止起皱：压边，减小拉深程度、加大毛坯厚度162.筒壁的拉裂主要取决于：

一方面是筒壁传力区中的拉应力；另一方面是筒壁传力区的抗拉强度。当筒壁拉应力超过筒壁材料的抗拉强度时，拉深件就会在底部圆角与筒壁相切处——“危险断面”产生破裂。防止拉裂：一方面要通过改善材料的力学性能，提高筒壁抗拉强度；采用硬化指数大、屈强比小的材料。

另一方面通过正确制定拉深工艺和设计模具，降低筒壁所受拉应力。

采用适当增大拉深凸、凹模圆角半径，增加拉深次数、改善润滑等措施。17第二节筒形件拉深的工艺计算体积不变原则:一、旋转体拉深件毛坯尺寸的计算若拉深前后料厚不变，拉深前坯料表面积与拉深后冲件表面积近似相等，得到坯料尺寸。相似原则:拉深前坯料的形状与冲件断面形状相似。即当拉深件的截面轮廓是圆形、方形或矩形时，相应坯料的形状应分别为圆形、近似方形或近似矩形。

形状复杂的拉深件：需多次试压，反复修改，才能最终确定坯料形状。但坯料的周边必须是光滑的曲线连接。（一）确定毛坯形状与尺寸的依据18切边工序：

拉深件的模具设计顺序：先设计拉深模，坯料形状尺寸确定后再设计冲裁模。拉深件口部不整齐，需留切边余量。切边余量可参考P119表4.1和表4.2。191．将拉深件划分为若干个简单的几何体；2．分别求出各简单几何体的表面积；3．把各简单几何体面积相加即为零件总面积；4．根据表面积相等原则，求出坯料直径。

(二)简单旋转体拉深件坯料尺寸的确定在计算中，零件尺寸均按厚度中线计算；但当板料厚度小于1ｍｍ时，也可以按外形或内形尺寸计算。20按图得：

故整理后可得坯料直径为:

无凸缘筒形件的毛坯直径计算21按图得：

故整理后可得坯料直径为:

带凸缘筒形件的毛坯直径计算22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

（三）复杂形状的旋转体拉深件因拉深前后面积相等，故坯料直径D：

23拉深系数m是以拉深后的直径d与拉深前的坯料D（工序件dn）直径之比表示。二、拉深系数（一）拉深系数m的概念第一次拉深系数：第二次拉深系数：第n次拉深系数：24拉深系数m表示拉深前后坯料（工序件）直径的变化率。m愈小，说明拉深变形程度愈大，相反，变形程度愈小。

拉深件的总拉深系数等于各次拉深系数的乘积，即

如果m取得过小，会使拉深件起皱、断裂或严重变薄超差。从工艺的角度来看，mmin越小越有利于减少工序数。

因此拉深系数减小有一个客观的界限极限拉深系数mmin251.材料的力学性能（二）影响极限拉深系数的因素

2.板料的相对厚度mmin屈强比

s/b越小减小拉深系数越大减小拉深系数材料板厚方向系数r越大减小拉深系数261）模具的几何参数r凸太小，增大了板料绕凸模弯曲的拉应力，降低了危险断面的抗拉强度，降低极限变形程度；r凹过小，拉深过程中由于绕凹模圆角弯曲和校直，增大了筒壁的拉应力，减小了极限拉深系数。3.拉深工作条件凸、凹模间隙太小，板料受到太大的挤压作用和摩擦阻力，增大拉深力；太大会影响拉深件的精度，拉深件锥度和回弹较大。圆角半径过大会减小板料与凸模和凹模端面的接触面积及压料圈的压料面积，板料悬空面积增大，容易产生失稳起皱；272）摩擦润滑3）压料圈的压料力4.拉深方法、拉深次数、拉深速度、拉深件的形状等

凹模和压料圈与板料接触的表面润滑条件好，可以减少摩擦阻力和筒壁传力区的拉应力。凸模表面不宜太光滑，也不宜润滑，以减小由于凸模与材料的相对滑动而使危险断面变薄破裂的危险。

压料力增大了筒壁传力区的拉应力，压料力太大，可能导致拉裂。必须正确调整压料力，即应在保证不起皱的前堤下，尽量减少压料力，提高工艺的稳定性。28p123表4.3和表4.4是圆筒形件在不同条件下各次拉深的极限拉深系数。（三）极限拉深系数的确定

由于影响极限拉深系数的因素很多，目前仍难采用理论计算方法准确确定极限拉深系数。在实际生产中，极限拉深系数值一般是在一定的拉深条件下用实验方法得出的。在实际生产中，并不是在所有情况下都采用极限拉深系数。为了提高工艺稳定性和零件质量，适宜采用稍大于极限拉深系数mmin的值。29１．拉深次数的确定方法三、拉深次数的确定当m总＞mmin时，拉深件可一次拉成，否则需要多次拉深。其拉深次数的确定有以下几种方法：（1）计算法假设材料首次拉深系数为m1，以后各次拉深系数为mn。301）由表4.3或表4.4中查得各次的极限拉深系数；2）依次计算出各次拉深直径，即

d1=m1D；d2=m2d1；…；dn=mndn-13）当dn≤d时，计算的次数即为拉深次数。（２）推算法（3）查表法表4.5

根据毛坯相对厚度t/D与零件的相对高度h/d查取拉深次数。311.各次半成品的直径确定

确定拉深次数以后，由表查得各次拉深的极限拉深系数，适当放大，并加以调整，其原则是：２)使四、筒形件各次拉深件的半成品尺寸计算１)保证最后按调整后的拉深系数计算各次工序件直径：

d1=m1Dd2=m2ｄ1…dｎ=mnｄn-１32

根据拉深后工序件表面积与坯料表面积相等的原则，可得到2.各次半成品的高度计算无凸缘圆筒形件拉深工序计算流程33例求图所示筒形件的毛坯直径、拉深次数及半成品尺寸。材料为08钢，料厚ｔ＝1ｍｍ。解：因ｔ＝1ｍｍ，故按板厚中径尺寸计算。（１）确定修边余量h（2）计算毛坯直径D由表4.1查得：34（3）确定拉深次数先判断能否一次拉出

计算总拉深系数查表4.3取：m1=0.50m2=0.75由于m总<<m1,，所以一次拉不出。计算法：取n=4查表法：由表4.5查得n=4推算法：由表4.4查得m1=0.5m2=0.75m3=0.78m4=0.8m5=0.82由于d4<d,，所以4次可以拉出。35（4）确定各次拉深半成品尺寸经调整后的各次拉深系数为：

m1=0.53，m2=0.76，m3=0.79，m4=0.82各次半成品直径为各次半成品底部圆角半径取：ｒ1＝5ｍｍ，ｒ2＝4.5ｍｍ，ｒ3＝4ｍｍｒ4＝3.5ｍｍ各次半成品高度为36（5）工序件草图37一、拉深力计算第四节拉深力与压边力的计算采用压料圈拉深时首次拉深用K1，以后各次拉深用K2K值查p127表4.8二、压边力计算

为了解决拉深过程中的起皱问题，生产实际中的主要方法是在模具结构上采用压料装置。常用的压料装置有刚性压料装置和弹性压料装置两种。

是否采用压料装置主要看拉深过程中是否可能发生起皱，在实际生产中可按表4.6来判断拉深过程中是否起皱和采用压料装置。38压料装置产生的压料力ＦQ大小应适当：在保证变形区不起皱的前提下，尽量选用小的压料力。理想的压料力是随起皱可能性变化而变化。任何形状的拉深件：ＦQ＝Ap圆筒形件首次拉深圆筒形件以后各次拉深（ｉ＝2、3、…、ｎ）

39单动压力机，其公称压力应大于工艺总压力Fz。工艺总压力为注意：当拉深行程较大，尤其落料拉深复合时，应使工艺力曲线位于压力机滑块的许用压力曲线之下。浅拉深深拉深在实际生产中，可以按下式来确定压力机的公称压力F压：三、拉深时压力机吨位选择40第五节拉深模工作部分结构参数的确定p1411.凹模圆角半径R凹的确定首次拉深凹模圆角半径可按下式计算：一、拉深凹模和凸模的圆角半径以后各次拉深凹模圆角半径应逐渐减小，一般按下式确定：以上计算所得凹模圆角半径一般应符合R凹≥2ｔ的要求。

大的R凹能降低极限拉深系数，还可以提高拉深件的质量，但会削弱压边圈的作用，可能引起起皱。412.凸模圆角半径的确定首次拉深可取：

最后一次R凸等于零件圆角半径ｒ，但零件圆角半径如果小于拉深工艺性要求时，则凸模圆角半径应按工艺性的要求确定（即R凸≥ｔ），然后通过整形工序得到零件要求的圆角半径。

过小的R凸会降低筒壁传力区危险断面的有效抗拉强度，但过大会使在拉深初始阶段不与模具表面接触的毛坯宽度加大，使之容易起皱。中间各次拉深可取：最后一次拉深凸模圆角半径应与工件的圆角半径相等。但对于厚度<6mm的材料，其数值不得小于（2-3）t；对于厚度>6mm的材料，其数值不得小于（1.5-2）t；42

拉深模的凸、凹模之间间隙对拉深力、零件质量、模具寿命等都有影响。.

间隙小，拉深力大、模具磨损大，过小的间隙会使零件严重变薄甚至拉裂；但间隙小，冲件回弹小，精度高。间隙过大，坯料容易起皱，冲件锥度大，精度差。生产中应根据板料厚度及公差、拉深过程板料的增厚情况、拉深次数、零件的形状及精度要求等，正确确定拉深模间隙。二、拉深模间隙Z431.无压料圈的拉深模2.有压料圈的拉深模3.精度要求较高的拉深件间隙值按表4.13选取44对于最后一道工序的拉深模三、凸、凹模工作部分尺寸及公差当零件尺寸标注在外形时以凹模为基准，工作部分尺寸为：45当零件尺寸标注在内形时，对于多次拉深，中间各工序的凸、凹模尺寸可按下式计算：

以凸模为基准，工作部分尺寸为：

461.不用压边圈的拉深模凸和凹模四、拉深凸、凹模的结构a）圆弧形b)锥形c）渐开线形d）等切面形锥形凹模和等切面曲线形状凹模对抗失稳起皱有利。

无压料一次拉深成形的凹模结构47无压料多次拉深的凸、凹模结构482.有压料的拉深模凸、凹模结构49最后拉深工序凸模底部的设计50第六节拉深模的典型结构拉深模结构相对较简单。根据拉深模使用的压力机类型不同，拉深模可分为单动压力机用拉深模和双动压力机用拉深模；根据拉深顺序可分为首次拉深模和以后各次拉深模；根据工序组合可分为单工序拉深模、复合工序拉深模和连续工序拉深模；根据压料情况可分为有压边装置和无压边装置拉深模。511.无压边装置的简单拉深模一、首次拉深模2.有压边装置的拉深模(1)正装拉深模(2)倒装拉深模压边装置弹性压边装置①橡皮压边装置②弹簧压边装置③气垫式压边装置带限位装置的压边圈刚性压边装置带刚性压边装置的拉深模521.无压边装置的以后各次拉深模2.有压边装置的以后各次拉深模二、以后各次拉深模3.反拉深摸无压边装置反拉深摸压边圈在上模的反拉深摸压边圈在下模的反拉深摸531.正装落料拉深复合模2.落料、正、反拉深模三、落料拉深复合摸3.再次拉深、冲孔、切边复合模切边的工作原理54思考题1.为什么有些拉深件要用二次、三次或多次拉深成形？2.圆筒形件直径为d，高为h，若忽略底部圆角半径r不计，设拉深中材料厚度不变，当极限拉深系数m=0.5时，求容许的零件最大相对高度h/d为多少？3.拉深工序中的起皱、拉裂是如何产生的，如何防止它？4.拉深件坯料尺寸的计算遵循什么原则？5.如图所示为手推车轴碗，材料10钢，料厚3mm，试计算拉深模工作部分尺寸。第七节其它形状零件的拉深特点一、带凸缘筒形件的拉深变形特点：

本节在掌握圆筒形件拉深成形的基础之上，分析其它形状零件的拉深，从中掌握方法。

该类零件的拉深过程，其变形区的应力状态和变形特点与无凸缘圆筒形件是相同的。但坯料凸缘部分不是全部进入凹模口部，当拉深进行到凸缘外径等于零件凸缘直径（包括切边量）时，拉深工作就停止。因此，拉深成形过程和工艺计算与无凸缘圆筒形件的差别主要在首次拉深。1.带凸缘筒形件的拉深变形程度及拉深次数

有凸缘圆筒形件的拉深系数取决于有关尺寸的三个相对比值：dt/ｄ（凸缘的相对直径）、ｈ/ｄ（零件的相对高度）、Ｒ/ｄ（相对圆角半径）。带凸缘筒形件的拉深系数为当r=R时，坯料直径为

根据拉深系数或零件相对高度，判断拉深次数。

其中以dt/ｄ影响最大、ｈ/ｄ次之、Ｒ/ｄ影响最小。

dt/ｄ和ｈ/ｄ越大，表示拉深时毛坯变形区的宽度大，拉深成形的难度也大，当dt/ｄ和ｈ/ｄ超过一定值时，便不能一次拉深。表6－18是一次拉深可能达到的极限相对高度。2.带凸缘筒形件的拉深方法（１）窄凸缘圆筒形件的拉深窄凸缘筒形件：

可以将窄凸缘圆筒形件当作无凸缘圆筒形件进行拉深，在最后两道工序中将工序件拉成具有锥形的凸缘，最后通过整形压成平面凸缘。（2）宽凸缘圆筒形件的拉深宽凸缘筒形件：

一种是中小型、料薄的零件，采用逐步缩小筒形部分直径以增加其高度的方法。用这种方法制成的零件，表面质量较差，其直壁和凸缘上保留着圆角弯曲和局部变薄的痕迹，需要在最后增加整形工序。通常有两种工艺方法如果根据极限拉深系数或相对高度判断，拉深件不能一次拉深成形时，则需进行多次拉深。3．工艺计算流程

另一种方法常用在>２00mm较大零件，零件的高度在第一次拉深就基本形成。在以后各次拉深中，高度保持不变，逐步减少圆角半径和筒形部分直径而达到最终尺寸要求。

用这种方法拉深的零件，表面质量较高，厚度均匀，不存在上述的圆角弯曲和局部变薄的痕迹。适用于坯料的相对厚度较大，采用大圆角过渡不易起皱的情况。

阶梯形件的拉深与圆筒形件的拉深基本相同,也就是说每一阶梯相当于相应圆筒形件的拉深。二、阶梯形件的拉深1.判断能否一次拉深成形根据零件高度ｈ与最小直径ｄｎ之比来判断。变形特点：决定该阶梯形件是一次拉成，还是需要多次才能拉成。主要问题:2.阶梯形件多次拉深的方法（1）当任意两相邻阶梯直径之比（dn/dn-1）都不小于相应的圆筒形件的极限拉深系数。（2）若相邻两阶梯直径之比（dn/dn-1）小于相应圆筒形件的极限拉深系数。拉深方法：由大阶梯到小阶梯依次拉出拉深次数＝阶梯数目拉深方法：按凸缘件的拉深方法进行拉深，先拉小直径dn，再拉大直径dn-1

拉深变形特点三、曲面形状零件的拉深

球面、锥面、抛物面形状冲件拉深成形共同特点是由拉深和胀形两种变形方式的复合。

曲面形状零件主要是指球面、锥面、抛物面形状冲件以及诸如汽车覆盖件一类冲件。其变形区、受力情况及变形特点并不是单一的，而是属于复合类冲压成形工序。质量问题：起皱

曲面形状零件在开始拉深成形时,中间部分坯料几乎不与模具表面接触，处于“悬空”状态。随着拉深过程的进行，悬空材料逐渐减少，但仍比圆筒形件拉深时大得多。坯料处于这种悬空状态，抗失稳能力较差，在切向压应力作用下很容易起皱。所以起皱成为曲面零件拉深要解决的主要问题。采用压边装置、加大凸缘尺寸、带压料筋的拉深模、反拉深。措施：但是这些措施虽然减小了起皱的可能性，却增大了凸模顶部接触的中心部位坯料的径向拉应力，使之容易变薄而破裂。在实际生产中必须处理好两者关系，做到既不起皱又不破裂。1．球形件的拉深拉深系数为常数，不能作为工艺设计的根据。实际生产中根据坯料的相对厚度（t/D）选定拉深方法。1）t/D>3％，不用压边即可拉成。不过应注意的是：尽管坯料的相对厚度大，仍然易起小皱，因此必须采用带校正作用的凹模，以便对冲件起校正作用。拉深这种冲件最好采用摩擦压力机。2）t/D=0.5％～3％时，需采用带压边圈的拉深模。3）t/D<0.5％时，则采用具有拉深筋的凹模或反拉深。2．抛物面零件的拉深与半球面件差不多，因此拉深方法与半球面冲件相似。浅抛物面零件（h/d<0.5～0.6）拉深特点

为了使坯料中间部分紧密贴模而又不起皱，必须加大径向拉应力。但这一措施往往受到坯料顶部承载能力的限制，所以在这种情况下应该采用多工序逐渐成形的办法。深抛物面冲件（h/d>0.5～0.6）是采用正拉深或反拉深的方法，在逐渐地增加深度的同时减小顶部的圆角半径。为了保证冲件的尺寸精度和表面质量，在最后一道工序里应保证一定的胀形成分。应使最后一道工序所用的中间毛坯的表面积稍小于成品冲件的表面积。多工序逐渐成形的主要要点3.锥面零件的拉深拉深特点与球面形状零件一样，具有拉深、胀形两种机理。

盒形件是非旋转体零件，拉深变形时，圆角部分相当于圆筒形件拉深，而直边部分相当于弯曲变形。

沿周边应力应变分布不均匀。四、盒形件的拉深工艺计算复杂，准确性不高，必要时需要工艺试验。模具间隙、圆角半径沿周边分布不均匀。盒形件拉深时的金属流动

71拉深件类型a）轴对称旋转体拉深件b)盒形件c)不对称拉深件72拉深模结构图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73拉深变形过程扇形oab变为以下三部分筒底部分oef筒壁部分cdfe凸缘部分a’b’dc

74拉深的网格试验拉深前后小单元的面积不变A1=A2

拉深单元变形动画75拉深过程的应力与应变状态下标1、2、3分别代表坯料径向、厚度方向、切向的应力和应变

76圆筒形件拉深时凸缘变形区的应力分布77拉深件的壁厚和硬度的变化拉深件下部壁厚略有变薄，壁部与圆角相切处变薄严重，口部最厚。由于坯料各处变形程度不同，