拉深工艺与模具设计

第5章拉深工艺与模具设计5.1拉深变形过程分析5.2拉深件质量分析及控制5.3拉深工艺计算5.4拉深工艺设计5.5拉深模具设计5.6拉深模设计举例能根据拉深件的废品形式分析其产生的原因，熟悉解决的措施。能完成典型拉深件的工艺与模具设计。能力要求拉深示例由平板拉深开口空心件由空心件拉深空心件拉深是利用拉深模在压力机的压力作用下，将平板毛坯压成各种开口的空心件或将已制成的空心件加工成其它形状空心件的加工方法。不变薄拉深（普通拉深）变薄拉深拉深的概念图5-1１—凸模２—压边圈３—毛坯４—凹模拉深变形过程、特点及拉深分类拉深用的模具叫拉深模拉深件类型a）轴对称旋转体拉深件b)盒形件c)不对称拉深件形状更复杂的拉深件5.1.1拉深变形过程及特点5.1拉深变形过程分析拉深是材料塑性流动的过程不用模具，如何将圆形的平板毛坯加工成开口的空心件？H=（D—d）/2拉深前：a=a=……=ab=b=……=b料厚t筒底筒壁h＞（D—d）/2网格拉深前后的变化拉深前拉深后拉深时的网格受力板料厚度沿高度方向的变化处于凸模底下的材料在拉深过程中变化很小，变形主要集中在处于凹模平面上的（D-d）圆环形部分，该处是拉深的主要变形区。变形区的变形不均匀，该处金属在切向压应力和径向拉应力的共同作用下，沿切向被压缩，且愈到口部压缩的愈多；沿径向伸长，且愈到口部伸长的愈多。厚度沿高度方向各处不一样，在拉深件的口部厚度增加的最多。拉深变形特点以带压边圈的直壁圆筒形件的首次拉深为例。下标1、2、3分别代表坯料径向、厚向、切向的应力和应变压边圈5.1.2拉深过程中坯料应力应变状态及分布1．应力应变状态1）忽略厚度方向的应力，不考虑加工硬化2）由塑性变形条件及受力平衡条件两个方程求解两个未知数2．应力应变分布二、拉深过程中毛坯的应力和应变状态图5-4拉深时毛坯的变形特点)))拉深成圆筒形件二、拉深过程中毛坯的应力和应变状态图5-5拉深时毛坯内各部分的内应力图5-6拉深时的应力与应变状态（１）平面凸缘部分（主要变形区）（２）凸缘圆角部分（过渡区）（３）筒壁部分（传力区）（４）底部圆角部分（过渡区）（５）圆筒件底部二、拉深过程中毛坯的应力和应变状态R的取值范围：[r~Rt]和在拉深过程中每时每刻都在变化变形区应力大小Q当时，凸缘最外缘处凹模入口处31061.0RRt变形区应力σ1和σ3分布拉深过程中的σ1max和σ3max的变化规律σ1max在Rt=（0.7~0.9）R0时达到拉深过程中的最大值max1max拉深过程中的主要质量问题：凸缘变形区的起皱危险断面的拉裂5.2拉深件质量分析及控制三、拉深时凸缘变形区的应力分布和起皱1.凸缘变形区的力学分析图5-7圆筒形件拉深时的应力分析三、拉深时凸缘变形区的应力分布和起皱2.起皱在拉深过程中，毛坯凸缘在切向压应力作用下，可能产生塑性失稳而拱起的现象称为起皱，如图所示。图5-8１—凸模２—毛坯３—凹模四、拉深时筒壁传力区的受力情况与拉断1.拉深时筒壁传力区的受力情况拉深时，凸缘内缘处的径向拉应力为最大值，即σ1max。因此，筒壁所受的拉应力主要由σ1max引起。筒壁还存在因压边力产生的摩擦阻力、坯料绕过凹模圆角的摩擦力和弯曲力等，如图所示。图5-9拉深时压边力引起的摩擦阻力四、拉深时筒壁传力区的受力情况与拉断1.拉深时筒壁传力区的受力情况１）由压边力Fy所引起摩擦阻力μFy应与其所引起的筒壁附加拉力相等，设摩擦系数为μ，即2μFy＝πdtσMσM＝２μFyπdt式中Fy——压边力（N）；σM——附加拉应力（Mpa）。四、拉深时筒壁传力区的受力情况与拉断1.拉深时筒壁传力区的受力情况２）拉深开始时，凸模下压使毛坯弯曲绕过凹模圆角，此时要克服凹模圆角的摩擦力，如图所示。图5-10凹模圆角处的受力状态３）凸模处的材料绕过凹模圆角时，筒壁部分还有克服弯曲阻力引起的附加拉应力σW，如图所示。四、拉深时筒壁传力区的受力情况与拉断1.拉深时筒壁传力区的受力情况图5-11毛坯的弯矩示意图四、拉深时筒壁传力区的受力情况与拉断2.拉裂图5-12拉深件拉裂（１）压边力的影响（２）相对圆角半径的影响（３）润滑的影响（４）凸模和凹模间隙的影响（５）表面粗糙度的影响5.2.1起皱起皱是指拉深变形时在凸缘变形区沿切向形成高低不平的皱纹的现象。1．起皱的概念及产生原因2.影响起皱的因素材料的力学性能凸缘部分材料的相对厚度变形程度凹模工作部分的几何形状：锥形凹模不易起皱总的说来：凸缘宽度越大，厚度越薄，材料弹性模量和硬化模量越小，抵抗失稳能力越弱，越容易失稳起皱。是否起皱，可根据板料的相对厚度由表5-1或公式5-3、5-4判断3．防止起皱的措施实际生产中防止拉深起皱最有效的措施是采用压边圈并施加合适的压边力Q（1）起皱规律：实践证明直壁圆筒形件的首次拉深中起皱最易发生的时刻：拉深的初期（2）防皱措施：采用压边圈施加合适的压边力（3）起皱的位置：拉深主要变形区（凸缘变形区）关于起皱的几个重要结论：主要取决于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。5.2.2拉裂——拉深成败的关键1．拉裂的概念及产生原因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。2．影响拉裂的因素（1）板料力学性能的影响（2）拉深系数m的影响（3）凹模圆角半径的影响（4）摩擦的影响（5）压边力的影响3．防止拉裂的措施选用硬化指数大、屈强比小的材料进行拉深；适当增大拉深凸、凹模圆角半径；增加拉深次数；改善润滑。直壁圆筒形件的首次拉深中拉裂最易发生的时刻在拉深的初期。实践证明：不带凸缘的直壁圆筒形件带凸缘的直壁圆筒形件阶梯形件5.3.1直壁旋转体零件拉深工艺计算5.3拉深工艺计算（1）毛坯形状和尺寸的确定表面积相等原则: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工件表面积近似相等。形状相似原则:旋转体零件拉深前坯料的形状与拉深后工件断面形状相似。1.无突缘圆筒形件拉深工艺计算据此可知，圆筒形件所用毛坯形状为圆形毛坯尺寸计算步骤：1）确定修边余量，见表5-2。2）计算拉深件的表面积。将拉深件划分为若干个简单的几何体。分别求出各简单几何体的表面积。把各简单几何体表面积相加即为零件总表面积。3）根据表面积相等原则，求出坯料直径。2）计算表面积由图得：简化得坯料直径为:1）查表5-2得修边余量△h注：当板料厚度t＜1mm时，所有尺寸以标注尺寸代入，否则以中线尺寸代入。则：毛坯尺寸计算公式拉深系数m=（2）拉深系数的确定1）拉深系数的概念第一次拉深系数：第二次拉深系数：第n次拉深系数：拉深后的圆筒件的直径d拉深前毛坯D（或半成品）直径dn……即m的大小可以间接的反映切向变形量的大小。第二次拉深第一次拉深第n次拉深拉深系数与拉深变形程度的关系拉深系数可以表示拉深变形程度的大小，拉深系数越小，表示拉深变形程度越大，当拉深系数小于一定值时，拉深件就会被拉裂，因此存在极限拉深系数。极限拉深系数［mn］：使拉深件不破裂的拉深系数的最小值。在进行拉深工艺计算和模具设计时，总是尽可能地使拉深系数值减小，以便于减少拉深次数。拉深系数的重要结论２）影响极限拉深系数的因素①材料方面②板料的相对厚度大，[m]可以减小。③模具方面模具间隙大凸、凹模圆角半径大模具表面光滑锥形凹模极限拉深系数小是否采用压边圈润滑拉深次数④拉深工作条件总的影响规律：凡是能增加筒壁传力区危险断面的强度，降低筒壁传力区拉应力的因素，均会使极限拉深系数减小，反之会增加极限拉深系数。３）极限拉深系数值的确定表5-3和表5-4是无凸缘圆筒形件各次拉深的极限拉深系数。为了提高工艺稳定性和零件质量，实际生产中应采用稍大于极限拉深系数［mn］的拉深系数进行拉深。（3）拉深次数的确定当［m总］＞［m1］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：查表法（表5-5）推算方法计算方法1）由表5-3或表5-4中查得各次的极限拉深系数[mn]。2）依次计算出各次拉深的极限直径，即ｄ1＝[ｍ1]Ｄ；ｄ2＝[ｍ2]ｄ1；…；ｄｎ＝[ｍｎ]ｄｎ－１；3）当ｄｎ≤ｄ时，计算的次数n即为拉深次数。推算方法计算拉深次数步骤（4）拉深工序件尺寸的确定1）半成品的直径ｄｎ由表5-3、5-4查得各次拉深的极限拉深系数[mn]，适当放大，并加以调整，得到实际采用的拉深系数mn。调整的原则是：１）保证m总＝ｍ1ｍ2…ｍｎ＝２）使ｍ1＜ｍ2＜…ｍｎ＜1最后按调整后的拉深系数计算各次工序件直径：ｄ1＝ｍ1Ｄ；ｄ2＝ｍ2ｄ1；…；ｄｎ＝ｍｎｄｎ－１=d按照上述方法计算半成品直径时，需要反复试取m1，m2，m3，…，mn的值，比较繁琐，实际上可以将各次极限拉深系数放大一个合适倍数k即可，这里:式中n是拉深次数。拉深系数的放大系数k2）筒底圆角半径rn筒底圆角半径rn即是本道拉深凸模的圆角半径rp,确定方法如下：一般情况下，除末道拉深工序外，可取rpi=rdi。对于末道拉深工序：当工件的圆角半径r≥t，则取rpn=r；当工件的圆角半径rt，则取rpnt，拉深结束后再通过整形工序获得r。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式。计算前应先定出各工序件的底部圆角半径。3）工序件高度Hi的计算Hi由毛坯直径计算公式解出：例4.1求图所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ｔ＝2ｍｍ。解：因ｔ＞1ｍｍ，故按板厚中径尺寸计算。（１）计算坯料直径根据零件尺寸，其相对高度为查表5-2得切边余量坯料直径为代已知条件入上式得Ｄ＝98.2ｍｍ，这里取Ｄ＝98ｍｍ拉深工艺计算举例（２）确定拉深次数按表5-1可用可不用压边圈，但为保险，首次拉深仍采用压边圈。根据ｔ/Ｄ＝2.0％，查表5-3得各次极限拉深系数：[ｍ1]＝0.50，[ｍ2]＝0.75，[ｍ3]＝0.78，[ｍ4]＝0.80，…。故ｄ1＝[ｍ1]Ｄ＝0.50×98ｍｍ＝49.0ｍｍｄ2＝[ｍ2]ｄ1＝0.75×49.0ｍｍ＝36.8ｍｍｄ3＝[ｍ3]ｄ2＝0.78×36.8ｍｍ＝28.7ｍｍｄ4＝[ｍ4]ｄ3＝0.8×28.7ｍｍ＝23ｍｍ此时ｄ4＝23ｍｍ＜28ｍｍ，所以应该用4次拉深成形。坯料相对厚度为：各次工序件直径为ｄ1＝k[ｍ1]Ｄ＝1.051185×0.50×98ｍｍ＝51.51ｍｍｄ2＝k[ｍ2]ｄ1＝1.051185×0.75×51.51ｍｍ＝40.61ｍｍｄ3＝k[ｍ3]ｄ2＝1.051185×0.78×40.61ｍｍ＝33.30ｍｍｄ4＝k[ｍ4]ｄ3＝1.051185×0.80×33.30ｍｍ≈28ｍｍ各次工序件底部圆角半径取以下数值：ｒ1＝8ｍｍ，ｒ2＝5ｍｍ，ｒ3＝4ｍｍ，ｒ4＝4ｍｍ各次工序件高度为……（３）各次拉深工序件尺寸的确定（4）工序件草图2.有凸缘圆筒形件的拉深工艺计算可以把有凸缘的圆筒形件看作是无凸缘筒形件拉深到中间某一时刻停止不拉时的半成品。与无凸缘筒形件的拉深相同:变形特点相同。拉深过程中出现的质量问题相似。１）窄凸缘圆筒形件窄凸缘筒形件：拉深方法及工艺计算方法同无凸缘筒形件（1）有凸缘圆筒形件的分类及变形特点2）宽凸缘圆筒形件拉深方法与工艺计算不同于无凸缘筒形件（2)宽凸缘圆筒形件的拉深方法第一种拉深方法第二种拉深方法特别提醒：不论哪种拉深方法，凸缘尺寸一定在首次拉深时得到必须严格控制凸模进入凹模的高度(3)宽凸缘圆筒形件的工艺计算1）宽凸缘件的毛坯尺寸确定2）宽凸缘件的变形程度3）判断能否一次拉成4）计算拉深次数5）计算半成品尺寸毛坯展开：按无凸缘圆筒形件的毛坯计算方法计算，即根据表面积相等的原则计算毛坯表面积。当rp=rd=r时，df包含修边余量△df1）宽凸缘件的毛坯尺寸确定2）宽凸缘圆筒形件的变形程度宽凸缘圆筒形件的变形程度大小不能仅用拉深系数来衡量根据拉深系数和零件相对高度来判断拉深次数。不能根据拉深系数来判定拉深次数和变形程度。首次极限