第4章拉深工艺与模具设计

2019/8/131第四章拉深工艺与模具设计主讲：闫洁2019/8/132变薄拉深不变薄拉深2019/8/133学习目的与要求：1．了解拉深变形规律及拉深件质量影响因素；2．掌握拉深工艺计算方法；3．掌握拉深工艺性分析与工艺设计方法；4．掌握拉深模典型结构及特点；5．掌握拉深工艺与拉深模设计的方法和步骤。2019/8/134拉深是将一定形状的平板毛坯通过拉深模具冲压成各种开口空心件或以开口空心件为毛坯，通过拉深进一步改变其形状和尺寸的冲压工艺方法。不变薄拉深变薄拉深拉深2019/8/135轴对称旋转体盒形件不对称拉深件拉深件类型2019/8/136本章主要内容1.拉深变形过程及其成形特点2.常见拉深件成形精度的影响因素3.无凸缘园筒件的拉深成形方法4.有凸缘园筒件的拉深成形方法5.拉深力的计算。6.拉深模工作部分尺寸及其精度计算。7.拉深零件工艺性分析。2019/8/137本章的关键词：拉深、压边圈、起皱、筒壁危险断面拉裂拉深系数、极限拉深系数拉深次数、窄凸缘、宽凸缘拉深工艺性、硬化指数、屈服比2019/8/1381.拉深变形过程及其成形特点圆筒形件是最典型的拉深件。平板圆形坯料拉深成为圆筒形件的变形过程如图所示。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。传力区－底部和筒壁。2019/8/1391.拉深变形过程及其成形特点1.1拉深过程中坯料内的应力与应变状态图中所示为拉深过程中某一瞬间坯料所处的状态。根据应力与应变状态不同，可将坯料划分为五个部分。•⑴凸缘部分•⑵凹模圆角部分•⑶筒壁部分•⑷凸模圆角部分•⑸筒底部分2019/8/13102019/8/13111.拉深变形过程及其成形特点1.1拉深过程中坯料内的应力、应变状态拉深变形过程：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）材料转移：高度、厚度发生变化。拉深单元变形动画外力2019/8/13121.2拉深的成形特点拉深过程中出现质量问题主要是凸缘变形区的起皱和筒壁传力区的拉裂。凸缘区起皱是由于切向压应力引起板料失去稳定而产生弯曲；传力区的拉裂是由于拉应力超过抗拉强度引起板料断裂。同时，拉深变形区板料有所增厚，而传力区板料有所变薄。这些现象表明，在拉深过程中，坯料内各区的应力、应变状态是不同的，因而出现的问题也不同。2019/8/13132.常见拉深件成形精度的影响因素2.1平面凸缘的起皱2019/8/1314拉深过程中，凸缘区变形区的材料在切向压应力σ的作用下，可能会产生失稳起皱。凸缘区是否起皱，主要决定于两个方面：⑴切向压应力σ的大小，越大越容易失稳起皱；⑵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指数越小，抵抗失稳能力越小。常见的防止起皱的方法：采用便于调节压边力的压边圈和拉深筋把凸缘压紧在凹模表面。P1272019/8/1315•硬化指数n（n值）是评定板料伸长类成形性能的一个重要参数。•n值大，则拉伸失稳时的极限应变大。这对于胀形、扩孔、内凹曲线翻边等伸长类成形来说，可以在一次成形中获得较大的极限变形程度。•n值对复杂形状零件的成形也有影响，在以胀形为主的成形工艺中，n值大的板料，成形性能好。P322019/8/13162.2筒壁危险断面的拉裂•筒壁部分在拉深过程中起传递拉深力的作用，在单向拉应力作用下，当达到材料的抗拉强度极限时，筒壁被拉裂。2019/8/1317筒壁部分与底部园角部分的交界面附近材料的厚度最薄，硬度最低，因而该处是发生拉裂的危险断面。是否拉裂取决于拉深力的大小和筒壁材料的强度。2019/8/1318•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，降低筒壁所受拉应力。2019/8/1319旋转体的坯料形状和尺寸确定的依据•体积不变原则：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。但坯料的周边必须是光滑的曲线连接。2019/8/13203.无凸缘园筒件的拉深成形方法3.1毛坯尺寸计算⑴将拉深件划分为若干个简单的几何体，⑵分别求出各简单几何体的表面积。⑶各简单几何体面积相加即为零件总面积。⑷根据表面积相等原则，求出坯料直径。2019/8/1321iAAAAD32124iAD423221)2(48)2(24)(rdArrdrArHdA222256.072.148)2(2)(4)2(rdrdHdrrdrrHdrdD按图得：故：整理后坯料的直径：2019/8/13223.2无凸缘圆筒形零件拉深系数的确定拉深系数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。第一次拉深系数：第二次拉深系数：第n次拉深系数：Ddm11122ddm1nnnddm2019/8/1323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。极限拉深系数［m］从工艺的角度来看，［m］越小越有利于减少工序数。nnnnnnnmmmmmddddddddDdDdm1321121231212019/8/13243.无凸缘园筒件的拉深成形方法3.3极限拉深系数的影响因素⑴材料的力学性能⑵板料的相对厚度［m］⑶拉深工作条件a.模具的几何参数b.摩擦润滑c.压料圈的压料力⑷拉深方法、拉深次数、拉深速度、拉深件的形状Dt/2019/8/13253.无凸缘园筒件的拉深成形方法3.4拉深次数的确定当＞［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：⑴查表法⑵推算方法⑶计算方法总m2019/8/13263.无凸缘园筒件的拉深成形方法3.4拉深次数的确定推算方法1）由表4.4.1或表4.4.2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－１；3）当ｄｎ≤ｄ时，计算的次数即为拉深次数。2019/8/13274.有凸缘园筒件拉深的成形方法窄凸缘宽凸缘有凸缘的拉深件根据相对凸缘直径dt/d的大小，分为窄凸缘和宽凸缘拉深件，它们的拉深方法是不同的。2019/8/1328窄凸缘的拉深方法⑴前几道工序先拉成无凸缘的圆筒形件；⑵最后两次拉深拉成口部带锥度和较大凸缘圆角的带凸缘件；⑶然后再用一道工序较平。2019/8/1329宽凸缘的拉深方法⑴凸缘直径应在首次拉深中确定，以后各次拉深只是将首次拉深拉入凹模的材料作重新分配。⑵带凸缘拉深件首次拉深的变形程度比拉深系数相同的无凸缘件的拉深变形程度小，因而允许取更小的拉深系数。⑶首次拉深拉入凹模的材料应比实际需要的量多5%～10%，多拉入的材料在以后各次拉深中逐次回到凸缘上。2019/8/1330中小零件：如图a）大型零件：如图b）宽凸缘的拉深方法2019/8/13314.有凸缘园筒件拉深的成形方法变形特点：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。2019/8/13324.有凸缘园筒件拉深的成形方法4.1拉深系数的确定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）。4.2拉深次数的确定根据拉深系数或零件相对高度，判断拉深次数。2019/8/13335.拉深力的计算拉深力的经验公式采用压料圈拉深时首次拉深以后各次拉深不采用压料圈拉深时首次拉深以后各次拉深11KtdFb2KtdFbibtdDF)(25.11biitddF)(3.112019/8/13346.拉深模工作部分尺寸及其精度计算拉深模特点：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。如果拉深件口部不整齐，需留切边余量，增加切边工序。2019/8/13356.1拉深凸模与凹模的间隙间隙过大：拉深件口部有小的皱纹，零件回弹变形大，有锥度，精度差。间隙过小：摩擦阻力增大易出现拉裂，同时模具磨损加大，寿命低。确定间隙的原则是既要考虑板料本身的公差，又要考虑板料在变形中的增厚现象。1．无压边圈拉深模具的单边间隙c=(1～1.1)（末次拉深取小值）2．有压边圈拉深模具的单边间隙值c=(1.1～1.2)t3．拉深凸、凹模间隙取向拉深凸、凹模间隙取向按下述原则决定。①除最后一次拉深外，其余各工序的拉深间隙不作规定。②最后一道拉深，当零件要求外形尺寸时，间隙取在凸模上；当零件要求内形尺寸时，间隙取在凹模上。2019/8/13366.2拉深凸模与凹模的圆角半径1．凹模圆角半径当较小时，危险断面材料严重变薄甚至破裂，还会使拉深件表面刮伤。太大时（如图3）容易起皱。拉深凹模圆角半径可按以下经验公式计算：(0.6～0.8)≮2t2．凸模圆角半径rt首次拉深凸模圆角半径为：=(0.7～1.0)ra以后各次拉深凸模圆角半径为：最后一次拉深时，凸模圆角半径应等于零件圆角半径，≮t，否则应加整形工序2019/8/1337图1零件尺寸和模具工作尺寸图2拉深模工作部分图3拉深初期毛坯与凸、凹模的位置关系2019/8/13382019/8/13396.3拉深凸模与凹模的结构1．无压边圈的拉深模①图5（a）所示为圆弧洞口凹模；②图5（b）所示为锥面形洞口凹模；③图5（c）所示为渐开线形洞口凹模。2．有压边圈的拉深模①圆角结构形式如图6（a），拉深直径d≤100mm的零件。②有锥角的凸、凹模结构如图6（b），拉深直径d＞100mm的零件。3．拉深凸模必须设计通气孔（防止形成真空状态）4.7.5拉深模压边装置的结构1．采用压边装置的条件（可见表4-9）压边装置的作用就是在凸缘变形区施加轴向（材料厚度方向）压力，提高毛坯变形的稳定性，而防止起皱。2．常用压边圈的结构形式①首次拉深模用的压边圈常采用如图7所示的形式。②后续拉深工序用压边圈如图8所示。图中限位柱（固定式和可调节式）高度的设计应保证模具在拉深过程中，保持压边圈和凹模圆角间的距离为s值。其值分别为：拉深有凸缘的零件：s=t+(0.05～0.1)拉深钢零件：s=1.5t拉深铝合金：s=1.1t③在单动压力机上进行拉深，常采用通用性强的压边装置，其弹性元件一般使用橡皮、弹簧和气垫三种。2019/8/1340图5不用压边圈的拉深凹模结构2019/8/1341图6有压边圈的拉深模工作部分形状和尺寸2019/8/1342图7首次拉深模用压边圈类型2019/8/1343图8有限位柱的压边圈2019/8/1344典型拉深模结构图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2019/8/1345典型拉深模结构图1.首次拉深模无压边装置的简单拉深模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刚性压边装置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带刚性压边装置的拉深模2019/8/1346典型拉深模结构图2.以后各次拉深模无压边装置的以后各次拉深模有压边装置的以后各次拉深模无压边装置的反拉深模反拉深模压边圈在上模的反拉深模压边圈在下模的反拉深模2019/8/1347典型拉深模结构图落料拉深模正装落料拉深模落料正、反拉深模后次拉深、冲孔、切边复合模2019/8/13487.拉深零件工艺性分析7.1拉深件材料用于拉深的材料一般要求具有较好的塑性、低的屈强比、一般选用含碳量较低的钢板或塑性较好的铝板、铜板等；有色金属。材料的屈服比越小，则一次拉深允许的极限变形程度越大，拉深性能越好。2019/8/13497.2拉深件的