第4章-第四讲-拉深工艺与拉深模设计

1、1,第四讲 拉深工艺与拉深模设计,东北大学 现代设计与分析研究所,2,4.1、概述,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。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。,3,4.1、概述,拉深模：,拉深模特点：,结构相对较简单，与冲裁模比较，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。,拉深所使用的模具。,-模柄 -上模座 -凸模固定板 -弹簧 -压边圈 -定位板 -凹模 -下模座 -卸料螺钉 10-凸模,4,4.2、圆筒形件拉深变形分析,圆筒形件是最典型的拉深件。,一

2、、拉深变形过程,拉深变形过程及特点,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。,实质：凸缘部分逐步缩小转变为筒壁的过程。,5,4.2、圆筒形件拉深变形分析,圆形平板成为筒形零件的过程，必须去除材料。,2金属的流动过程,金属进行了塑性流动而发生转移 。 结果： 增加工件的高度 增加工件口部的壁厚,6,4.2、圆筒形件拉深变形分析,工艺网格实验,可先在毛料上画出间距相等的同心圆和分度相等的辐射线所组成的网格。,总体： 1.底部无变化 2.等距同心圆变为不等距圆环线。 3.等分辐射线变为等距平行线。,局部

3、：扇形变为矩形,7,4.2、圆筒形件拉深变形分析,3拉深变形过程,1.变形集中于凸缘上。 2.凸缘产生内应力：径向拉应力1；切向压应力3 。 3.径向伸长，切向压缩，形成筒壁。 4.拉深时各部分变形不均匀。,8,4.2、圆筒形件拉深变形分析,二、拉深过程中坯料内的应力状态,9,4.2、圆筒形件拉深变形分析,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。,10,4.2、圆筒形件拉深变形分析,一方面是切向压应力3的大小，越大越容易失稳起皱；,另一

4、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,起皱最强烈的时刻：,在Rt=0.85R0时,防止起皱：,压边,1.凸缘变形区的起皱,主要决定于：,11,4.2、圆筒形件拉深变形分析,2.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；,另一方面通过正确制定拉深工艺和设计模具，控制好变形程度，降低筒壁所受

5、拉应力。,12,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,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。,一、拉深系数与极限拉深系数,1.拉深系数的定义,第一次拉深系数：,第二次拉深系数：,第n次拉深系数：,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。,13,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,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。 如果m取得过大，材料的塑性潜力未充分利用，拉深次数增加，成本增加。 极限拉深系数m就是工件在危险断面不致拉破的条件下，所能达到的最小拉深系

6、数。,从工艺的角度来看，m越小越有利于减少工序数。,14,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,（1）材料的组织与力学性能：屈强比越小，拉深越有利。,2.影响极限拉深系数的因素,（2）板料的相对厚度,（3）拉深工作条件,1）模具的几何参数：半径越小，m越大。,2）摩擦润滑,3）压边圈,m,3.极限拉深系数的确定：查表43和表44 极限拉深系数与材料、相对厚度有关系,15,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,二、拉深次数,拉深次数的确定,m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： （）查表45，根据相对厚度确定。 （）推算方法 1）由表43或表44中查得各次的极限拉深系数；

7、2）依次计算出各次拉深直径，即 d1m1D；d2m2d1；dmd； 3）当dd时，计算的次数即为拉深次数。,16,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,三、圆筒拉深件坯料尺寸的确定,体积不变原则:,1.坯料形状和尺寸确定的依据,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。,形状相似原则:,切边工序：,拉深前坯料的形状与冲件断面形状相似。,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。,拉深件口部不整齐，最后都要加入切边工序，需留切边余量，查表4-2确定。,但坯料的周边必须是光滑的曲线连接。,17,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,a将拉深件划分为若干个简

8、单的几何体； b分别求出各简单几何体的表面积； c把各简单几何体面积相加即为零件总面积； d根据表面积相等原则，求出坯料直径。,2.简单旋转体拉深件坯料尺寸的确定,18,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,按图得：,故,整理后可得坯料直径为:,19,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,四、圆筒拉深件工序尺寸的确定,（）工序件直径的确定,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： ）保证12,）使12 最后按调整后的拉深系数计算各次工序件直径： 11 221 ,20,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,根据拉深后工序件表面积与坯料表面积相等的原则，可得到如下工序件高度计算公

9、式。计算前应先定出各工序件的底部圆角半径。,（）工序件高度的计算,拉深高度是拉深模设计的重要依据，是产品质量的主要控制指标。,21,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,例求图示筒形件的坯料尺寸及拉深各工序件尺寸。材料为10钢，板料厚度2。,（）计算坯料直径 根据零件尺寸，其相对高度为,查表得切边量,坯料直径为,代已知条件入上式得98.2,22,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,（3）确定拉深次数 坯料相对厚度为,根据t/D2.03，查表43得各次极限拉深系数10.50，20.75，30.78，40.80，。 故110.5098.249.2 2210.7549.236.9 3320.7836.928.8

10、4430.828.823 此时42328，所以应该用4次拉深成形。,（2）判断能否一次拉深成形,零件无法一次拉深成形,23,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,（4）各次拉深工序件尺寸的确定 经调整后的各次拉深系数为： 10.52，20.78，30.83，4=0.846,各次工序件直径为 各次工序件底部圆角半径取以下数值： 18，25，34 各次工序件高度为 ,24,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,弹性压边装置,橡皮压边装置 弹簧压边装置 气垫式压边装置,1. 压料装置与压料力,五、圆筒形件拉深的压料力与拉深力,25,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,压料装置产生的压料力大小应适当： 在保证变形区不起皱的

11、前提下，尽量选用小的压料力。 任何形状的拉深件： ,式中:压料圈下坯料的投影面积； 单位面积压料力，值可查表48；,圆筒形件首次拉深,圆筒形件以后各次拉深,（2、3、）,26,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,拉深力与压力机公称压力,（1）拉深力,采用压料圈拉深时 首次拉深,以后各次拉深,（2、3、）,不采用压料圈拉深时 首次拉深,以后各次拉深,（2、3、）,27,4.3、圆筒形件拉深工艺计算,（2）压力机公称压力,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： 当拉深工作行程较大，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

12、中，可以按下式来确定压力机的公称压力 ：,28,4.4、有凸缘圆筒形件拉深工艺计算,一、有凸缘圆筒形件的拉深变形特点：,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拉入凹模。 a、窄凸缘件的拉深 b、宽凸缘件的拉深,29,4.4、有凸缘圆筒形件拉深工艺计算,（）窄凸缘圆筒形件的拉深,这类零件因凸缘很小，可以作为一般圆筒形件进行拉深，只在倒数第二道工序时才拉出凸缘或拉成具有锥形的凸缘，而最后通过整形工序压成水平凸缘。,二、有凸缘圆筒形件的拉深方法：,30,4.4、有凸缘圆筒形件拉深工艺计算,（2）宽凸缘圆筒形件的拉深,中小零件：对于中小型零件(

13、dp200mm)，通常靠减小筒形部分直径、增加高度来达到，这时圆角半径rp及rd在整个变形过程中基本保持不变。,大型零件：对于大件(dp200mm)，通常采用改变圆角半径rd、rp，逐渐缩小筒形部分的直径来达到。零件高度基本上一开始即以形成，而在整个过程中基本上保持不变。,只要凸缘尺寸微量减小，则筒壁产生较大的拉应力增量。,31,4.4、有凸缘圆筒形件拉深工艺计算,1.宽凸缘的拉深变形程度不能仅用圆筒件拉深系数的大小来衡量。当凸凹模圆角半径相等时： 2.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/（凸缘的相对直径）、/（零件的相对高度）、/（相对圆角半径）。 3.首次极限拉伸系

14、数 比圆筒件要小。 按表4-10，4-11计算。,三、有凸缘圆筒形件的拉深变形特点及工艺计算方法,32,4.4、有凸缘圆筒形件拉深工艺计算,计算方法： 一次拉深：若零件的拉深系数m大于表4-10所给的第一次拉深极限系数值，零件的相对高度h/d小于表4-11所给的数值，则零件可一次拉成。 多次拉伸： 1.计算坯料直径。确定切边余量，并初选相对直径dt/并按表4-10相对厚度初选第一次极限拉深系数，并计算拉深高度。 2.按表4-11校核相对拉深高度，确定所选的拉伸系数是否合适。 3.按表4-3依次确定各次拉伸系数。 4.调整后的拉深系数计算各次工序件直径。 221,33,4.4、有凸缘圆筒形件拉深

15、工艺计算,5.计算各次拉深深度，画工序图。,34,4.5、拉深模工作零件的设计,1.不用压料的拉深模凸、凹模结构,（1）不用压料的一次拉深成形时所用的凹模结构形式 锥形凹模拉深时，毛料的过渡形状呈曲面形状，因而具有更大一些的抗失稳能力，凹模圆角半径造成的摩擦阻力和弯曲变形的阻力都减小到很低的程度。,一、凸、凹模的结构,a）圆弧形 b)锥形 c）渐开线形 d）等切面形,无压料一次拉深成形的凹模结构,35,4.5、拉深模工作零件的设计,2.有压料的拉深模凸、凹模结构,（2）无压料多次拉深的凸、凹模结构,D100mm,D100mm,36,4.5、拉深模工作零件的设计,凹模圆角半径过小，板料在经过凹模

16、圆角部位时的变形阻力要增大，引起总拉深力增大和模具寿命降低。 凹模圆角半径过大，是在拉深初始阶段不与模具表面接触的毛料宽度加大，因而这部分毛料很容易起皱。 凸模圆角半径过小会引起危险断面附近毛料厚度局部变薄，会在成品零件的侧壁上遗留下来，以致影响零件的质量。 凸模圆角半径过大毛料底部变薄 。,二、凸、凹模的圆角半径,37,4.5、拉深模工作零件的设计,1.凹模圆角半径的确定,首次（包括只有一次）拉深凹模圆角半径可按下式计算：,以后各次拉深凹模圆角半径应逐渐减小，一般按下式确定：,（2、3、）,以上计算所得凹模圆角半径一般应符合rA2的要求。若小于 2t，需要拉深后整形。,38,4.5、拉深模工

17、作零件的设计,2.凸模圆角半径的确定,首次拉深可取：,中间各拉深工序凸模圆角半径可按下式确定：,（3、4、）,最后一次拉深凸模圆角半径rTn即等于零件圆角半径。 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rT）， 然后通过整形工序得到零件要求的圆角半径。,39,4.5、拉深模工作零件的设计,1.无压料圈的拉深模,其拉深间隙为：,2.有压料圈的拉深模,其拉深间隙为：,/2（0.90.95）t,三、拉深模间隙,(1)拉深力：间隙越小，拉深力越大。 (2)零件质量：间隙过大，容易起皱，而且毛料口部的厚度得不到消除。另外也会使零件出现锥度。而间隙过小，则会使零件容

18、易拉断或变薄特别严重。故间隙过大或过小均会引起工件破坏。 (3)模具寿命：间隙小则磨损加剧。,40,4.5、拉深模工作零件的设计,对于最后一道工序的拉深模,当零件尺寸标注在内形时，以凸模为基准，工作部分尺寸为：,四、凸、凹模工作部分尺寸及公差,对于多次拉深，中间各工序的凸、凹模尺寸可按下式计算：,当零件尺寸标注在外形时，以凹模为基准，工作部分尺寸为：,41,4.6、拉深件的工艺性,一般：,一、拉深件的公差等级,拉深件壁厚公差要求一般不应超出拉深工艺壁厚变化规律。,拉深件的尺寸精度应在T13级以下，不宜高于IT11级。,据统计，不变薄拉深，,壁的最大增厚量约为（0.20.3）；,最大变薄量约为（0.100.18）,（t为板料厚度）,42,4.6、拉深件的工艺性,1拉深件形状应尽量简单、对称，尽可能一次拉深成形。 2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。,二、拉深件的结构工艺性,3拉深件的底或凸缘上的孔边到侧壁的距离应满足： +0.5（或,+ 0.5）。,43,4.6、拉深件的工艺性,4拉深件的底与壁、凸缘与壁、矩形件四角的圆角半径应满足：,，2，3。,否则，应增加整形工序。,5拉深件不能同时标注内外形尺寸。,44,4.7、拉深模的典型结构,1. 无压边装置的简单拉