拉深工艺与模具设计

变形区应力大小
Q
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σ1和σ3分布
凸缘最外缘处
凹模入口处
当
Rt 0.61R0
时，
1 3
拉深过程中的σ
1max和
σ
3max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

max 1max
即m的大小可以间 接的反映切向变形 量的大小。
拉深系数的重要结论
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
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
（２）确定拉深次数
Байду номын сангаас
坯料相对厚度为：
（1）有凸缘圆筒形件的分类及变形特点
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
由空心件拉 深空心件
拉深的概念
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
拉深变形过程、特点及拉深分类
图5-1 拉深示意图 １—凸模２—压边圈 ３—毛坯４—凹模
拉深用的模具叫拉深模
拉深件类型
网格拉深前后的变化
拉深时的网格受力
拉深前
拉深后
板料厚度沿高度方向的变化
拉深变形特点
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
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。
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。
实践证明：
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。
5.3 拉深工艺计算
5.3.1 直壁旋转体零件拉深工艺计算
不带凸缘的直 壁圆筒形件
带凸缘的直 壁圆筒形件
5.2 拉深件质量分析及控制
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
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。
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。
（2）拉深系数的确定
1）拉深系数的概念
拉深系数m=
拉深后的圆筒件的直径d 拉深前毛坯D（或半成品）直径dn
第一次拉深系数： 第二次拉深系数： …… 第n次拉深系数：
拉深系数与拉深变形程度的关系
第一次拉深 第二次拉深
第n次拉深
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 拉深变形过程分析
5.1.1 拉深变形过程及特点 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=……=a b=b=……=b 料厚t
筒壁
筒底
h＞（D—d）/2
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 ａ)平板毛坯的一部分 ｂ)毛坯在拉深过程中的变形 ｃ)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
二、拉深过程中毛坯的应力和应变状态
（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
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
拉深系数的放大系数k
深系数值减小，以便于减少拉深次数。
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 ④拉深工作条件 是否采用压边圈 润滑 拉深次数
极限拉深系数小
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。
此时ｄ4＝23ｍｍ＜28ｍｍ，所以应该用4次拉深成形。
（３）各次拉深工序件尺寸的确定
各次工序件直径为 ｄ1＝k[ｍ1 ]Ｄ＝1.051185×0.50×98ｍｍ＝51.51ｍｍ ｄ2＝k[ｍ2 ]ｄ1＝1.051185×0.75×51.51ｍｍ＝40.61ｍｍ ｄ3＝k[ｍ3 ]ｄ2＝1.051185×0.78×40.61ｍｍ＝33.30ｍｍ ｄ4＝k[ｍ4 ]ｄ3＝1.051185×0.80×33.30ｍｍ≈28ｍｍ
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。
毛坯尺寸计算公式
1）查表5-2得修边余量△h 2）计算表面积 由图得：
则： 简化得坯料直径为:
图5-8 凸缘起皱 １—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。
阶梯形件
1. 无突缘圆筒形件拉深工艺计算
（1）毛坯形状和尺寸的确定 坯料形状和尺寸确定的依据： 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。
据此可知，圆筒形件所用毛坯形状为圆形
表面积相等原则: 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。
毛坯尺寸计算步骤：
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
能力要求
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。
拉深示例
由平板拉深 开口空心件
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＝πdtσ
M
M
σ ＝２μFyπdt 式中 Fy——压边力（N）； σ ——附加拉应力（Mpa）。
M
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：
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
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
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σ ，如图 所示。
按照上述方法计算半成品直径时，需要反复试取m1， 各次极限拉深系数放大一个合适倍数k即可，这里:
m2，m3，…，mn的值，比较繁琐，实际上可以将
式中n是拉深次数。
2）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：
W
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
（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
图5-12 拉深件拉裂
5.2.1 起皱 1．起皱的概念及产生原因 起皱是指拉深变形时在凸缘变形区沿切向形成高低
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
关于起皱的几个重要结论：
（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：