拉伸工艺及拉伸模具设计高教课件

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第4章 拉深工艺及拉深模具的设计
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第4章 拉深工艺及拉深模具的设计
4.1 拉深变形过程的分析
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4.1.4 拉深成形的障碍及防止措施
1.起皱(如图4.1.8)，影响起皱的因素： (1)凸缘部分材料的相对厚度 凸缘部分的相对料厚，即为 :
(2)切向压应力的大小 t Df d 或t Rf r
拉深时 3 的值决定于变形程度，变形程度越大，需要转移 的剩余材料越多，加工硬化现象越严重，则越 3大，就越容易起 皱。
（或半成品）的直径之比。 （如图4.2.2）
m1 d1 D
m2 d2 d1
.............
mn1 dn1 dn2
mn dn dn1
工件的直径与毛坯直径之比称为总拉深系数，即工件
所需要的拉深系数
m总
dn D
d1d2 ... Dd1 专业课件
d n1d n d n2d n1
m1m2...mn1mn
拉深是一个塑性变形过程，材料变形后必然发生加 工硬化，使其硬度和强度增加，塑性下降。
加工硬化的好处是使工件的强度和刚度高于毛坯材 料，但塑性降低又使材料进一步拉深时变形困难。
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0.56r
2
283mm
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3.确定拉深次数 ⑴ 判断能否一次拉出 对于图示的零件，由毛坯的相对厚度： t / D100 0.7
从表 4.2.4中查出各次的拉深系数 ： m=10.54， m2 =0.77， m3 =0.80， m4=0.82。则该零件的总拉深系 数 m总 d / D 88 / 283 0.31 。 即 ： m总 m1，故该零件 需经多次拉深才能够达到所需尺寸。
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1-首次拉深； 2-二次拉深 图 4.2.4 首次拉深与二次拉深的拉深力
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4.2.3无凸缘圆筒形拉深件的拉深次数和工序件尺寸的 计算
即： R 0.61Rt
即交点在 R 0.61Rt 处。用R所作出 的圆将凸缘变形区分成两部分，由此圆
向凹模洞口方向的部分拉应力占优势
（ 1 3 ），拉应变为绝对值最大的主
变形，厚度方向的变形 是压缩应专业变课件。
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1 d1 R dRdt 1Rdt 2 3 dR sin d 2 t 0
因为 3 3 取sind 2 d 2 并略去高阶无穷小，得:
Rd1 (1 3 )dR 0
塑性变形时需满足的塑性方程为 :
1 3 m
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2.拉裂 拉深后得到工件的厚度沿底部向口部方向是不同的
(如图4.1.9) 防止拉裂: 可根据板材的成形性能，采用适当的拉深比和压边
力，增加凸模的表面粗糙度，改善凸缘部分变形材料的 润滑条件，合理设计模具工作部分的形状，选用拉深性 能好的材料。 3.硬化
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1.拉深的基本概念 拉深是利用拉深模具将冲裁好的平板毛坯压制成各种
开口的空心件，或将已制成的开口空心件加工成其他形状 空心件的一种冲压加工方法。(如图4.0.1)
2.典型的拉深件(如图4.0.2)
3.拉深模具的特点 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。
图 4.1.5 拉深中毛坯的应力应变情况
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4.1.3 拉深变形过程的力学分析
1.凸缘变形区的应力分析 （1）拉深中某时刻变形区应力分布 根据微元体的受力平衡可得
（2）拉深过程中的 1 max和 | 3 | max变化规律
1max和
3
是当毛坯凸缘半径变化到
max
Rt
时，在
凹模洞口的最大拉应力和凸缘最外边的最大压应力。
2.筒壁传力区的受力分析
（1）压边力 引起的摩擦力
FQ 该摩擦应力为：
M
2uFQ
dt
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(3)材料的力学性能 板料的屈强比 s b 小，则屈服极限小，变形区内的切向压 应力也相对减小，因此板料不容易起皱。
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第4章 拉深工艺及拉深模具的设计 (4)凹模工作部分的几何形状
由此可知，拉深系数是一个小于1的数值，其值愈大表
示拉深前后毛坯的直径变化愈小，即变形程度小。其值愈小
则毛坯的直径变化愈大，即变形程度大。
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2.影响拉深系数的因素 拉深材料：机械性能、料厚、表面质量。 拉深模具：间隙、凸模圆角半径、凹模圆角半径、凹
3 max 1.1m
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凸缘外边向内边 1 由低到高变化， 3 则由高到低变化，在凸缘中间必有一交 点存在（如右图所示），在此点处有1 3 所以：
1.1m ln Rt R 1.1m1 ln Rt R
化简得： ln Rt R 1 2
试确定如下图所示零件(材料08钢，材料厚t度 =2mm)的拉
深次数和各拉深工序尺寸。 计算步骤如下：
1.确定切边余量 h 根据 h 200, h / d 200/ 88 2.28，查教材表4.2.1，并取：
h 7mm 。 2.按教材表4.2.3序号1的公式计算毛坯直径
D
d
2 2
2d2H
1.72rd 2
4.1.1板料拉深变形过程及其特点 (如图4.1.1)
在毛坯上画作出距离为a的等距离的同心圆与相同弧度b 辐射线组成的网格(如图4.1.2) ，然后将带有网格的毛坯进行 拉深。
在拉深过程中，毛坯受凸模拉深力的作用，在凸缘毛坯的
径向产生拉伸应力 3，切向产生压缩应力 1 。在它们的共同
作用下，凸缘变形区材料发生了塑性变形，并不断被拉入凹模 内形成筒形拉深件。
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在拉深后我们发现如图4.1.2：工件底部的网格变化很 小，而侧壁上的网格变化很大，以前的等距同心圆，变成 了与工件底部平行的不等距的水平线，并且愈是靠近工件 口部，水平线之间的距离愈大，同时以前夹角相等的半径 线在拉深后在侧壁上变成了间距相等的垂线，如图4.1.3所
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4.2 直壁旋转体零件拉深工艺的设计
4.2.1 拉深毛坯尺寸的确定
拉深毛坯尺寸的确定原则： 体积不变原理（拉深前毛坯表面积等于拉深后零件的表面 积 ）、相似性原理。 毛坯的计算方法：等重量、等体积、分析图解法、作图法。 （1）确定修边余量 由于材料的各向导性以及拉深时金属流动条件的差异，拉 深后工件口部不平，通常拉深后需切边，因此计算毛坯尺寸时 应在工件高度方向上(无凸缘件)或凸缘上增加修边余量 。
4.1.2拉深过程中变形毛坯各部分的应力与应变状态
拉深过程中某一瞬时毛坯变形和应力情况(如图4.1.5)
1.平面凸缘部分
主要变形区
2.凹模圆角区
过渡区
3.筒壁部分
传力区
4.凸模圆角部分
过渡区
5.圆筒底部分
小变形区
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1 4
b
rp
t t
2
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（4）材料流过凹模圆角时的摩擦阻力 通讨凸模圆角处危险断面传递的径向拉应力即为：
p
1max M
2w
'' w
eμα
p
1.1 m
ln
Rt r
2FQ dt
b
t 2rd t
b
t 2rd 2t
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图 4.2.2 拉深工序示意图
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拉深系数的倒数称为拉深程度或拉深比，其值为：
kn
1 mn
d n 1 dn
拉深系数表示了拉深前后毛坯直径的变化量，反映了
示，以前的扇形毛坯网格变成了拉深后的矩形网格。
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平端面凹模拉深时，毛坯首次拉深不起皱的条件是 :
t (0.09 ~ 0.17)(1 t )
D
D
用锥形凹模首次拉深时，材料不起皱的条件是：
t 0.031 d
D
D
如果不能满足上述式子的要求，就要起皱。在这种情况
下，必须采取措施防止起皱发生。最简单的方法(也是实际生 产中最常用的方法)是采用压边圈 。
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（2）材料流过凹模圆角半径产生弯曲变形的阻力 可 根据弯曲时内力和外力所作功相等的条件按下
2
（3）材料流过凹模圆角后又被拉直成筒壁的反向弯
曲力仍按式上式进行计算:
'W
W
1 4
b
rd
t t
2
拉深初期凸模圆角处的弯曲应力也按上式计算，即：
''W
eμα
由上式把影响拉深力的因素，如拉深变形程度，材 料性能，零件尺寸，凸、凹模圆角半径，压边力，润滑 条件等都反映了出来，有利于研究改善拉深工艺。
拉深力可由下式求出： F dt p sin
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（2）计算工件表面积 圆筒直壁部分的表面积为 :
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4.2.2无凸缘圆筒形件的拉深工艺计算
1.拉深系数 拉深系数是表示拉深后圆筒形件的直径与拉深前毛坯
毛坯外边缘在拉深时切向压缩变形的大小，因此可用它作为
衡量拉深变形程度的指标。拉深时毛坯外边缘的切向压缩变
形量为：
1
Dt dt Dt
1 d1 D
1 m1; 2
d 1t d 2t d 1t
1 d2 d1
1 m2
.............
n1 1 mn 1; n 1 mn. 即： 1 m
模形状(如图4.2.3）凹模表面质量。 拉深条件：压边圈、次数、润滑、工件形状。
3.拉深系数的值与拉深次数 查表确定。
4.后续拉深的特点 压力行程曲线（如图4.2.4）。
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图4.2.3 锥形凹模
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由上述两式，并考虑边界条件(当 R Rt 时，1 0 )，经数学 推导就可以求出径向拉应力，和切向压应力的大小为：
1
1.1 m
ln
Rt R
3
1.1
m
1
ln
Rt R
在变形区的内边缘（即 R r 处）径向拉应力最大，其值
为：
1m ax
1.1 m
ln
Rt r
在变形区外边缘处压应力最大，其值为：