第_4_章_拉深工艺与拉深模

第4章拉深工艺与拉深模(DrawingProcessandDrawingDie)教学目标了解拉深工艺及拉深件的结构工艺性、变形过程分析、拉深件的质量问题及防止措施，基本掌握拉深工艺设计、拉深模具典型结构组成及工作过程分析、拉深模具设计。应该具备的能力：具备拉深件的工艺性分析、工艺计算和典型结构工作过程分析、拉深模设计的基本能力。教学要求能力目标知识要点权重自测分数了解拉深工艺及拉深件的结构工艺性拉深概念及拉深件的结构工艺性12.5%理解拉深变形过程分析拉深变形过程及变形分析、拉深件的质量问题及防止措施12.5%基本掌握拉深工艺设计毛坯尺寸计算、拉深系数、拉深次数、各次拉深半成品件尺寸的计算25%熟悉拉深模具典型结构拉深模分类、典型结构、拉深模主要特点25%熟悉拉深模具设计拉深力计算，压边装置及压边力、压力机的选择，凸、凹模工作尺寸计算25%引例壳形件在生产生活中经常见到，如下图所示的机壳、电动机叶片、摩托车轮护瓦，还有诸如不锈钢饭盒、易拉罐等产品。这些零件从板料成为深腔件，就是通过拉深工艺实现的，其发生的塑性变形比较大，那么所用模具如何设计？这就是本章所要解决的问题。思考电动机叶片模具的制造过程中包括哪些冲压工序。模具设计与制造·108··108·4.1拉深工艺与拉深件工艺性(DrawingProcessandProcessabilityofDrawingPart)4.1.1拉深件与拉深工艺分类(DrawingPartandClassificationofDrawingProcess)拉深是指利用模具将平板毛坯冲压成各种开口的空心零件，或将已制成的开口空心件压制成其他形状和尺寸空心件的一种冲压加工方法。1．拉深件分类冲压生产中，拉深的种类很多，各种拉深件按变形力学特点可以分为表4-1所示的基本类型。表4-1拉深件的分类拉深件名称拉深件简图变形特点轴对称零件圆筒形件带凸缘圆筒形件阶梯形件1．拉深过程中变形区是坯料的凸缘部分，其余部分是传力区；2．坯料变形区在切向压应力和径向拉应力作用下，产生切向压缩与径向伸长的一向受压一向受拉的变形；3．极限变形程度主要受坯料传力区承载能力的限制盒形件带凸缘盒形件其他形状零件1．变形性质同前，区别在于一向受拉一向受压的变形在坯料周边上分布不均匀，圆角部分变形大，直边部分变形小；2．在坯料的周边上，变形程度大与变形程度小的部分之间存在着相互影响与作用直壁类拉深件非轴对称零件曲面凸缘的零件除具有前项相同的变形性质外，还有如下特点：1．因零件各部分高度不同，在拉深开始时有严重的不均匀变形；2．拉深过程中，坯料变形区内还要发生剪切变形轴对称零件球面类零件锥形件其他曲面零件拉深时坯料变形区由两部分组成：1．坯料外部是一向受拉一向受压的拉深变形；2．坯料的中间部分是受两向拉应力的胀形变形区曲面类拉深件非轴对称零件平面凸缘零件曲面凸缘零件1．拉深时坯料的变形区也是由外部的拉深变形区和内部的胀形变形区所组成，但这两种变形在坯料中的分布是不均匀的；2．曲面凸缘零件拉深时，在坯料外周变形区内还有剪切变形第4章拉深工艺与拉深模·109··109·虽然这些零件的冲压过程都叫做拉深，但是由于其几何形状不同，在拉深过程中，它们的变形区位置、变形性质、毛坯各部位的应力状态和分布规律等都有相当大的差别，所以在确定拉深的工艺参数、工序数目与工艺顺序等方面都不一样。圆筒形件是最典型的拉深件，掌握了它的拉深工艺性和工艺计算方法后，其他零件的拉深工艺可以借鉴其方法。本章内容主要围绕无凸缘圆筒形拉深件，介绍其结构工艺性、毛坯尺寸计算、拉深次数、半成品尺寸、拉深力以及如何进行模具结构设计等。2．拉深工艺的分类(1)按壁厚的变化情况分①不变薄拉深：通过减小毛坯或半成品的直径来增加拉深件高度，拉深过程中材料厚度的变化很小，可以近似认为拉深件壁厚等于毛坯厚度。②变薄拉深：是以开口空心件为毛坯，通过减小壁厚的方式来增加拉深件高度，拉深过程中筒壁厚度显著变薄。(2)按使用的毛坯的形状分①第一次拉深(使用平板毛坯)。②以后的各次拉深(以开口空心件为毛坯)。4.1.2拉深变形过程(DeformationProcessofDrawing)图4.1所示为将圆形平板毛坯拉深成筒形件的过程。拉深时，圆形凸模(直径为dp)将金属板料拉入凹模，形成开口空心的形状。在此过程中，圆形毛坯的直径逐渐缩小(图中所示扇形abdc在拉深过程中逐渐缩小)，拉深形成的空心筒形件的高度不断增加，直到拉深成形。图4.1筒形件拉深过程4.1.3拉深过程分析(AnalysisonDrawingProces)下面我们以最常见的圆筒形件的拉深为例进行分析。1．在拉深过程中存在金属的塑性流动如图4.2所示，我们只要剪去图中的阴影部分，再将剩余部分沿直径d的圆周弯折起来，并加以焊接，就可以得到一个直径为d、高度为(D-d)/2的圆筒形件，其周边带有数条焊缝，口部呈波浪状。这说明圆形平板毛坯，在成为筒形件的过程中必须去除多余的材料，但在用圆形平板毛坯拉深成筒形件的过程中，并没有去除多余的材料，因此只能认为多余的材料在拉深过程中发生了流动，流向拉深件的口部。模具设计与制造·110··110·在拉深过程中，产生了怎样的金属流动呢？我们做如下的网格实验加以说明。图4.2拉深时材料的“转移”2．拉深网格实验在圆形平板毛坯上，先画出间距相等的同心圆和分度相等的辐射线，做如图4.3(a)所示的网格，之后再进行拉深。图4.3利用网格技术做圆筒形件拉深实验如图4.3(b)所示，拉深后网格发生了如下变化。(1)筒底的网格基本上保持不变。这说明筒底的金属没有明显的流动，基本上不变形。(2)拉深前等距离的同心圆，拉深后变成与筒底平行的、距离不等的水平圆周线，且越往上部，间距增加得越大，即a1＞a2＞a3＞a4＞a5。这说明越靠近外部，金属的径向流动量越大(因为这里多余的金属量越大)。(3)拉深前等角度的辐射线，拉深后变成了等距离、相互平行、垂直于筒底的平行线。这说明金属有切向缩小的应变，且越往外部，应变量越大。(4)拉深前筒壁上的扇形网格，拉深后变成矩形网格。3．应力应变分析我们取变形区内的一个网格单元来进行分析。如图4.3(c)所示的网格单元，在拉深过程第4章拉深工艺与拉深模·111··111·中主要受到由凸模作用传递过来的径向拉应力1σ和由于直径缩小相互挤压而产生的切向压应力3σ的作用。(1)在1σ和3σ的作用下，网格由扇形变成矩形。(2)多余的金属流向工件的口部，使其高度增加。(3)越到口部，多余的金属越多，相互挤压越严重，切向压应力3σ越大。其壁厚增加，又使径向拉应力1σ增大，在1σ和3σ的作用下，沿径向的拉伸量越大，变形越严重。4．拉深过程中毛坯各个部分的特征1)毛坯各部位的应力应变情况为便于分析，可以将其分为5个部分，如图4.4所示。图4.4拉深件上网格的变化(1)平面凸缘部分(主要变形区)。这是前面讲的由扇形网格变为矩形网格的区域，是拉深的主要变形区。该部分受到凸模经过壁部传过来的径向拉应力1σ和切向压应力3σ、在厚度方向受到为防止起皱而设置的压边圈的压应力2σ的作用，产生径向伸长应变1ε和切向压缩应变3ε，在厚度方向虽然受到压力，但仍产生伸长应变2ε，使壁部增厚(多余的金属都要流动到主要变形区)。(2)凹模圆角部分(过渡区)。这是由凸缘向筒壁变形的过渡区，材料变形比较复杂，除了有平面凸缘部分的变形特点外，由于材料还在凹模圆角处产生弯曲，根据平板弯曲的应力应变分析可知，它在厚度方向受到压应力2σ的作用。此处材料厚度减薄。(3)筒壁部分(传力区)。金属流动到这里，已形成筒形，材料不再产生大的变形。但该处是拉深力的传力区，因此它承受单向拉应力1σ，同时也产生小量的纵向伸长应变1ε和厚向压缩(变薄)应变2ε。(4)凸模圆角部分(过渡区)。这部分是筒壁和圆筒底部的过渡区，材料承受筒壁较大的径向拉应力1σ和切向拉应力3σ，厚度方向由于凸模的压力和弯曲作用而受到压应力2σ。在这个区域的筒壁与筒底转角处稍上的地方，拉深开始时材料处于凸、凹模间，需要转移模具设计与制造·112··112·的材料较少，受变形的程度小，冷作硬化程度低，加之该处材料变薄，使传力的截面积变小，所以此处往往成为整个拉深件强度最薄弱的地方，是拉深过程中的“危险断面”。(5)筒底部分(小变形区)。该处受到两向拉应力1σ和3σ的作用，但由于受到凸模摩擦阻力的作用，这部分材料变薄很小，一般只有1%～3%，可以忽略不计。2)厚度变化在径向拉应力1σ和切向压应力3σ的作用下，材料发生流动，在往径向流动的同时也往厚度方向流动。越往口部，变形量越大，厚度的增加量也越大。具体情况如图4.5所示。(1)筒底部分。筒底厚度与毛坯厚度基本相同，其厚度变化可以忽略不计。(2)筒壁部分。下薄上厚，在筒壁与筒底圆角相切处稍偏上部分最薄，越往口部越厚。(3)平面凸缘处厚度最大。3)硬度变化拉深是一个塑性变形过程，材料变形后必然要发生加工硬化现象。加工硬化会使拉深件的强度和刚度高于毛坯，同时引起塑性降低，使进一步拉深时变形困难。但拉深过程中的变形是不均匀的，从筒底到平面凸缘，其塑性变形由小逐渐变大，其硬度也逐渐增大，如图4.6所示。这与工艺要求正好相反(从拉深工艺角度看，筒底硬度要大，而口部的硬度要小，这样便于金属流动)。图4.5拉深件壁厚的变化图4.6拉深件硬度的变化4.1.4拉深件的结构工艺性(StructureProcessabilityofDrawingPart)1．拉深件的工艺要求在拉深过程中，毛坯会发生金属流动，为利于毛坯的金属流动，拉深件应满足如下工艺要求。1)拉深件的形状拉深件的形状应简单、对称，尽量避免外形的急剧变化。对于多次拉深制件，其筒壁和凸缘的内、外表面应允许出现压痕。不对称的空心件应组合成对称形状进行拉深，之后再切开成形。第4章拉深工艺与拉深模·113··113·2)拉深件的高度拉深件的高度h对拉深成形的次数和成形的质量都有很大的影响。常见零件一次成形的拉深高度应满足如下条件。如图4.7(a)所示，无凸缘筒形件：h≤(0.5～0.7)d。如图4.7(b)所示，带凸缘筒形件：当dt/d≤1.5时，h≤(0.4～0.6)d。3)拉深件的圆角半径拉深件的圆角半径指的是内形半径，包括凸缘与筒壁之间的圆角半径rd和筒底与筒壁间的圆角半径rp。一般情况下，应满足rd和rp≥2t，当rd＜2t或rp＜t时，需增加整形工序。为了便于拉深的顺利进行，圆角半径的取值都较大，通常取rd≥(4～8)t，rp≥(3～5)t。2．拉深件的尺寸标注在拉深过程中存在金属的塑性流动现象，致使拉深件各部位的厚度不一致。进行尺寸标注时要注意以下几点。(1)直径尺寸应根据使用要求明确标注内形尺寸或外形尺寸，不得同时标注内形尺寸和外形尺寸。(2)高度尺寸最好以底部为基准进行标注，不宜以口部为基准进行标注。(口部要进行切边工序)(3)圆角半径只能标注在内形。(内角半径)(4)材料的厚度尺寸，最好标注在筒底部位。(筒底的厚度尺寸基本不变)3．拉深件的尺寸精度拉深件的径向尺寸精度一般不高于IT11级，如超过IT11级，则需增加校形工序。高度方向要有修边余量，裁切后总高度才可满足较高的精度要求。4.2拉深模典型结构(TypicalStructureofDrawingDie)4.2.1拉深模具分类(ClassificationofDrawingDie)拉深模的种类很多，可以从不同的角度进行分类。常用的分类方法如下。(1)按工序顺序分：①首次拉深模；②以后各次拉深模。(2)按有无压边装置分：①带压边装置的拉深模；②无压边装置的拉深模。(3)按使用的设备分：①单动压力机用拉深模；②双动压力机用拉深模；③三动压力机用拉深模。(4)按工序的组合分：①单工序拉深模；②复合拉深模；③连续拉深模。一般工件的拉深要经过数道拉深工序才能完成，一副拉深模一般只能完成一道拉深工序，所以拉深模多为单工序模。较简单的拉深件可采用落料拉深复合模。图4.7圆筒形件模具设计与制造·114··114·拉深模的结构是拉深模设