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第四章拉深模第一节拉深模的设计基础第二节拉深模的设计示范第一节拉深模的设计基础拉深是把一定形状的平板毛坯或空心件通过拉深模制成各种空心零件的工序。在冲压生产中拉深是一种广泛使用的工序，用拉深工序可得到的制件一般可分为三类：1、旋转体零件：如搪瓷脸盆、铝锅等。2、方形零件：如饭盒、汽车油箱等。3、复杂形状零件：如汽车覆盖件等。一、拉深变形过程的分析1、拉深变形过程及特点圆筒形件的拉深过程如图4－1所示。直径为D的圆形平板毛坯2被凸模1拉入凸、凹模的间隙里，形成直径为d高为H的空心圆柱体4。在这一过程中，板料金属是如何流动的呢？如图4－2所示，把直径为D的圆板料分成两部分：一部分是直径为d的圆板，另一部分是直径为（D－d）的圆环部分，把这块板料拉深成直径为d的空心圆筒。在这个拉伸试验完成后，发现板料的第一部分变化不大，即直径为d的圆板仍保持原形状作为空心圆筒的底，板料的圆环部分变化相当大，变成了圆柱体的筒壁，这一部分的金属发生了流动。图4－3所示的扇形chef是从板料圆环上截取的单元，经过拉深后变成了矩形c´h´e´f´。扇形单元体变形是切线方向受压缩，径向方向受拉伸，材料向凹模口流动，多余的材料（图中阴影部分）由于流动填补了双点划线部分。设扇形面积为A1，拉深后矩形面积为A2，由于拉深时厚度变化很小，可认为拉深前后面积相等，即A1=A2，所以，H（D－d）/2。综合起来看，平板毛坯在凸模压力的作用下，凸模底部的材料变形很小，而毛坯（D－d）的环形区的金属在凸模压力的作用下，要受到拉应力和压应力的作用，径向伸长、切向缩短，依次流入凸、凹模的间隙里成为筒壁，最后，使平板毛坯完全变成圆筒形工件为止。2、拉深时的应力状态和变形情况拉深的变形区比较大，金属流动性大，拉深过程中容易发生起皱、拉裂而失败。因此，有必要分析拉深时的应力状态和变形特点，找出发生起皱、拉裂的根本原因，在制订工艺和设计模具时注意它，以提高拉深件的质量。设在拉深过程的某一时刻，毛坯处于如图4－4所示情况，分析各部分的应力状态。1)平面凸缘部分（A区）＿主变形区由于凸模向下压，迫使板料进入凹模，故在凸缘产生径向拉应力σ1，小单元体互相挤压产生切向压应力σ3，由于压边圈提供的压边力产生法向压应力σ2，在这3个主应力中σ2的绝对值比σ1、σ3的绝对值小得多。凸缘上σ1、σ3是变化的，是凸缘外到内，σ1是由小变大，而σ3的绝对值则是由大变小，在凸缘的最外缘σ3的压应力是最大的，则材料在切向上必然是压缩变形。如果被拉深的材料厚度较薄，压边力太小，就有可能是凸缘部分的材料失稳而产生起皱现象。2)凸缘圆角部分（B区）＿过渡区这部分的材料受到径向拉应力σ1，切向压应力σ3，以及凹模圆角的压力和弯曲受压作用共同产生法向压应力σ2，,此处的σ1值的绝对值最大,则材料会在径向上发生拉伸变形，材料有变薄的倾向。3)筒壁部分（C区）＿传力区该部分受到凸模传来的拉应力σ1和凸模阻碍材料切向自由压缩而产生的拉应力σ3，显然,σ1的绝对值大,径向是拉伸变形,径向的拉伸是靠壁厚的变薄来实现的，故筒壁上厚下薄。4)底部圆角部分（D区）＿过渡区该部分受到径向拉应力σ1和切向拉应力σ3的作用，厚度方向上受到凸模的弯曲作用而产生压应力σ2。材料变形为平面应变状态，径向拉伸变形，是靠壁厚变薄来实现的，这部分材料变薄最为严重，最易出现拉裂，此处称为危险断面。5)圆筒底部（E区）＿不变形区这部分材料一开始就被拉入凹模中，始终保持平圆形状，它受两向拉应力σ1和σ3的作用。变形是三向的，ε1和ε3是拉伸，ε2是压缩。由于拉伸变形受到凸模摩擦力的阻止，故变薄很小，可忽略不计。见图4-4图4-4返回3、拉深变形的特点综合对拉伸过程的应力和变形的分析可以看到，拉深会产生一些特定的现象，即起皱、拉裂和硬化。1)起皱发生在圆筒形凸缘部分，如图4－5所示，是由切向压应力引起的。起皱的危害很大，首先，起皱变厚的板料不易被拉入凸、凹模的间隙里，使拉深件底部圆角部分受力过大而被拉裂。即使勉强拉入也会使工件留下皱痕，影响工件的质量。它还会使材料与模具之间的摩擦与磨损加剧，损害磨具的寿命。3)拉深后工件在各个部分的厚度是不同的如图4－6所示。2)在底部圆角与直壁相接部分工件最薄，最易发生拉裂，如图4－7所示。拉深使材料发生塑性变形，所以必然伴随着加工硬化，如果工件需多次拉深才能成形，或工件是硬化效应强的金属，则应合理安排退火工序以恢复材料的塑性，降低其硬度和强度。总之，了解拉深工艺的这些特点后，在制订工艺、设计模具时，应考虑如何在保证最大变形程度下避免毛坯起皱和工件被拉裂。二、拉深因数１、拉深因数的概念和意义对于旋转类工件来说，拉深因数是指拉深后工件的直径与拉伸前毛坯（或半成品）的直径之比，拉深因数用ｍ表示。如图4－8中：第一次拉深因数m1为：m1＝d1/D；第二次拉深因数m2为：m2＝d2/d1；……第n次拉深因数mn＝dn/dn－１。工件直径dn与毛坯直径D之比称为总拉深因数，即：工件成形所需要的拉深因数。总的拉深因数：m总＝dn/D＝m1·m2·····mn若工件是非圆形件，则总的拉深因数m总＝工件周长/毛坯周长显然，拉深因数永远小于1，且m越小，变形程度越大。变形程度是有限的，也就是存在极限拉深因数，它是由危险截面的强度来决定的。极限拉深因数是使拉伸工件不破裂的最小拉深因数。注：当总拉深因数极限拉深因数，就必须进行多次拉深。合理的分配每次拉深因数是很关键的，一般希望在保证极限拉深因数的前提下，尽可能取小的拉深因数，这样就可以减少拉深次数，提高经济效益。2、影响极限拉深因数的因数在制定拉深工艺时，拉深次数愈少愈好．亦即希望尽可能的降低极限拉深因数．在不同的条件下极限拉深因数是不同的，影响极限拉深因数的因数有以下几个方面：⑴材料力学性能在材料的力学性能指标中，影响极限拉深因数的主要指标是材料的屈强比、硬化指数、厚向异性因数、伸长率δ。屈强比σs/σb（材料的屈服点与抗拉强度值比）越小，即σs值小而σb值大，材料易发生塑性变形而不易被拉裂，对拉深越有利，可使拉深极限因数越小。硬化指数n值愈大，材料变形愈均匀，愈不易发生拉深细颈，因此拉裂和危险截面变薄也会推迟出现，可使极限拉深因数减小。厚向异性因数γ大，板平面方向比厚度方向变形容易，则主变形区不易起皱，危险截面不易变薄、拉裂，可使板料极限拉深因数减小。材料的深长率δ是材料的塑性指标，δ值愈小，塑性变形能力愈差，则极限拉深因数也会增大。⑵拉深条件①模具的几何参数：１）凸、凹模的间隙Z模具的间隙适当大些，材料被拉入间隙后的挤压小，摩擦阻力也小，拉深力也会减小，极限拉深因数亦减小。2）凹模圆角半径rd凹模圆角半径rd适当大些，材料沿凹模圆角部分的流动阻力小，拉深力也会减小，则极限拉深因数会随之减小。3）凸模圆角半径rp凸模圆角半径适当大些，会减低板料绕凸模的弯曲拉应力，工件不易拉裂，极限拉伸因数也会变小．Z、rb、rp的增大都有个适量的问题，因为Z过大，会影响工件质量；rb过大会引起压边面积减小，易起皱；rp过大，也亦产生内皱。有关Z、rb、rp值的选取将在后面作介绍。②摩擦与润滑条件：凹模与压边圈的工作表面应制作的比较光滑，且应采用润滑剂，以有利于拉深，可使极限拉深因数减小些。③压边条件：拉深时采用压边装置，会减小工件起皱的可能。④拉深次数：材料第一次拉深时由于材料无硬化现象，塑性好，则材料的第一次极限拉深因数较小。每次拉深都要加剧材料的硬化，变形越来越困难，因此，第二次极限拉深因数要比第一次极限拉深因数大得多，并且后一次拉深因数总比前一次大。⑶材料的相对厚度t/D:材料的相对厚度愈大，拉深就愈不易起皱。⑷工件的形状：工件的几何形状不同，拉深变形过程中就会有各自不同的特点，极限拉深因数也不同。一般来说，当一个拉深工件的形状、尺寸、材料确定之后，主要应考虑相对厚度t/D，其次要考虑凹模圆角半径，另外，还要注意润滑，使极限拉深因数减小，以减小拉深工件的拉深次数，提高经济效益。3、极限拉深因数的确定在理论上，可根据拉深时材料拉应力不超过危险截面的强度来计算出第一次理想的极限拉深因数。但实际上，由于影响极限拉深因数的因素很多，所以每次拉深的拉深因数，一般都是在一定的拉深条件下用试验的方法得到的。无凸缘圆筒形工件的拉深因数可见表4－1和表4－2。总结利用拉深因数确定拉深次数的方法是：⑴首先计算拉深件坯料尺寸和相对厚度（t/D）×100。⑵计算总拉深因数M总：M总＝d/Dd:零件直径；D：坯料直径；t：材料厚度。⑶根据相对厚度t/D×100值，从表4－1、4－2中查得各次拉深因数，若查得第一次拉深系数m1m总时，则制品零件可一次拉深成形。若m1m总时，则需进行多次拉深。在多次拉深时，根据验算：m总=m1、m2、m3、……mn。即零件制品的总拉深因数等于各拉深系数的乘积，只要算出m总，然后在表4－1、4－2中查得各次拉深因数，通过估算可求得所需的拉深次数。需注意的事，在实际生产中应取的极限拉深因数稍大于表中的值，以保证工件的质量。三、拉深工件毛坯尺寸的确定拉深工件毛坯的形状一般与工件的横截面形状相似，如工件的横截面是圆形、椭圆形、方形，则毛坯的形状基本上也相应是圆形、椭圆形、近似方形的。毛坯尺寸的确定方法很多，有等重量法、等体积法、等面积法等。拉深工件的毛坯尺寸仅用理论方法确定并不十分精确，特别是一些复杂形状的拉深件，用理论方法确定十分困难，通常是在已作好的拉深模中对一由理论分析初步确定的毛坯来试压、修改，直到工件合格后才将毛坯形状确定下来，再做落料模。注意毛坯的轮廓周边必须制成光滑曲线，且无急剧转折。1、修边余量Δh由于金属流动条件和材料的各向异性，毛坯拉深后，工件边口不齐。一般情况拉深后都要修边，因此在计算毛坯的尺寸时，必须把修边余量计入工件。修边余量用Δh来表示。无凸缘的圆筒形工件的修边余量见表4－3；无凸缘的矩形工件的修边余量见表4－5；有凸缘的圆筒形工件的修边余量见表4－4。四、拉深工件工序尺寸的计算1、无凸缘的圆筒形工件的工序尺寸计算要计算无凸缘的圆筒形工件的拉深次数，就要知道每次拉深的变形程度，并由此来计算出每次拉深的直径，依次与工件的直径相比较，当半成品的直径小于或等于工件的直径时，所计算的次数就是所需的拉深次数；也就是由表4－1、表4－2查得：m1，m2，m3，…，mn，来计算d1=m1D，d2=m2d1，…，dn＝mndn－1，di≤d（工件的直径）为止，即得到了拉深次数。确定了拉深次数之后，以工件的直径为最后一次拉深的直径，合理的调整各次拉深因数（应大于、等于极限拉深因数表中的值），确定各次拉深半成品的直径dn。无凸缘的圆筒形工件毛坯直径公式，经变换可得到各次拉深后半成品的高度公式：Hn=0.25[（D²/dn)-dn]+0.43rn/dn(dn+0.32rn)Hn—第n次拉深后的高度；D—平板毛坯直径；dn—第n次拉深后的直径；rn—第n次拉深后的圆角半径。2、有凸缘圆筒形工件的拉深工序尺寸计算有凸缘工件的拉深从应力状态和变形特点上与无凸缘工件的拉深是相同的，只有有凸缘工件首次拉深时，凸缘只有部分材料转为筒壁，因此其首次拉深的成形过程及工序尺寸计算与无凸缘的有一定差别。1）判断拉深次数如右图所示的有凸缘拉深工件，其拉深因数m=d/D。当r1=r2=r时，毛坯直径D为：将上式代入m的表达式，则得：从上式可知，有凸缘圆筒形工件的拉深因数与凸缘的相对直径d凸/d、零件的相对高度H/d、相对圆角半径r/d有关，其中影响最大的是d凸/d。d凸/d和H/d值越大，则拉深时毛坯变形区宽度越大，拉深难度越大。当d凸/d、H/d超过一定值时，便不能一次拉深成形。有凸缘圆筒形工件第一次拉深的最大相对高度见表4－8。有凸缘圆筒形工件第一次拉深的最小拉深因数见表4－9。drdHdD44.342凸drdHdddrdHddDdm44.34144.3422