拉深模具设计要点

8 拉深模具设计
本章内容：各种拉深模具结构与工作原理，单动压力机拉
深模、双动压力机拉深模；首次拉深模、以后
各次拉深用拉深模(后次拉深模)；单工序拉深
模、落料拉深模、落料拉深冲孔模、落料正反
拉深冲孔翻边模等。

本章难点：单动压力机拉深复合模的工作原理、结构。

8.1 单动压力机首次拉深模
单动压力机首次拉深模所用的毛坯一般为平面形状，模具结构相对简单。

根据拉深工作情况的不同，可以分为几种不同的类型。

8.1.1 无压边圈的拉深模
适用于底部平整、拉深变形程度不大、相对厚度(t/D)较大和拉深高度较小的零件。

图8.1 无压边圈有顶出装置的拉深模
图8.2 无压边圈落件拉深模带压边圈的拉深模
图8.3 带固定压边圈的拉深模
图8.4 有弹性压边装置的正装式拉深模图8.5 有弹性压边装置的倒装式拉深模
图8.6 凸缘件拉深模(定距垫块)
图8.7 凸缘件拉深模(打料块定距) 8.2 单动压力机后次拉深模
由于首次拉深的拉深系数有限，许多零件经首次拉深后，其尺寸和高度不能到达要求，还需要经第二次、第三次甚至更屡次拉深，这里统称为后次拉深。

后次拉深模的定位方式、压边方式、拉深方法以及所用毛坯与首次拉深模有所不同。

图8.8 无压边圈的后次拉深模
图8.9 无压边圈的反向后次拉深模
图8.10 有压边圈的反向后次拉深模图8.11 双动正反向拉深原理
图8.12 有压边圈的后次拉深模
8.3 单动压力机落料拉深模
拉深工序可以与一种或多种其他冲压工序(如落料、冲孔、成形、翻边、切边等)复合，构成拉深复合模。

在单动压力机的一个工作行程内，落料拉深模可完成落料、拉深两道(甚至更多道)工序，工作效率高，但结构较复杂，设计时要特别注意模具中所复合的各冲压工序的工作次序。

8.3.1 凸缘制件的落料拉深模
图8.13 带凸缘制件落料拉深复合模8.3.2 球形制件落料拉深模
图8.14 球形制件落料拉深复合模
8.3.3 矩形制件落料拉深模
图8.15 油箱落料拉深复合模
图8.16 矩形制件落料拉深复合模
8.3.4 落料拉深压形模
图7 落料拉深压形复合模.5 落料拉深冲孔模
图8.18 落料拉深冲孔复合模
图8.19 拉深切边冲孔复合模
8.4 单动压力机落料、正反拉深、冲孔和翻边复合模
图8.20 落料、正反拉深、冲孔翻边复合模8.5 双动压力机拉深模
图8.21 双动压力机大型零件拉深模(凸模导向)
图8.22 双动压力机大型零件拉深模(压边圈导向)
8.6 拉深模设计实例
如图3所示零件，材料为08钢，厚度1mm
t ，大批量生产。

试确定拉深工艺，设计拉深模。

零件的工艺性分析
该零件为带凸缘筒形件，要求内形尺寸，料厚1mm t =，没有厚度不变的要求；零件的形状简单、对称，底部圆角半径2m m r =＞t ，凸缘处的圆角半径2mm 2R t ==，满足拉
深工艺对形状和圆角半径的要求；尺寸0.1020.1mm φ+为IT12级，其余尺寸为未注公差，满
足拉深工艺对精度等级的要求；零件所用材08钢的拉深性能较好，易于拉深成形。

综上所述，该零件的拉深工艺性较好，可用拉深工序加工。

图8.23 带凸缘筒形件
工艺方案确定
为了确定零件的成形工艺方案，先应计算拉深次数及有关工序尺寸。

板料厚度t =1mm ，按中线尺寸计算。

1. 计算坯料直径
根据零件尺寸查表7-5得切边余量 2.2mm R ∆=，故实际凸缘直径t (55.4d =+ 2 2.2)mm 59.8mm ⨯=。

由表7-6查得带凸缘圆筒件的坯料直径计算公式为
22222112243
6.2884 6.28 4.56D d rd r d h Rd R d d =++++++- 确定各参数为116.1mm d =， 2.5mm R r ==，221.1mm d =，27mm h =，326.1mm d =，459.8mm d =，代入上式得：32002895mm 78mm D =+≈。

式中：3200mm 2为筒形部位的外表积，2895 mm 2为凸缘部位的外表积。

2. 判断可否一次拉深成形
根据/1/78 1.28%t D ==，
t /59.8/21.1 2.83d d ==，
/32/21 1.52H d ==，
t /21.1/780.27m d D ===，
查表7-14可知1[]0.35m =，说明该零件不能一次拉深成形，需要屡次拉深。

3. 确定首次拉深工序件尺寸
初定t 1/ 1.3d d =，查表7-8得1[]0.51m =，取10.52m =，那么：
110.5278mm 40.5mm d m D =⨯=⨯=
取11 5.5mm r R ==
为了使以后各次拉深时凸缘不再变形，取首次拉入凹模的材料面积比最后一次拉入凹模的材料面积(即筒形部位的外表积)增加5%，故坯料直径修正为
3200105%2895mm 79mm D =⨯+≈
可得首次拉深高度为：
22221t 111111
0.250.14()0.43()()H D d r R r R d d =-+++- 220.25(7959.8)0.43(5.5 5.5)mm 21.2mm 40.5⎡⎤=⨯-+⨯+=⎢⎥⎣⎦
验算所取1m 是否合理：根据/1/78 1.28%t D ==，t 1/59.8/40.5 1.48d d ==查表7-12可知11[/]0.58H d =。

因为1111/21.2/40.50.52[/]H d H d ==<，因此所取1m 是合理的。

4. 计算以后各次拉深的工序件尺寸
查表7-8，得到2[]0.75m =，3[]0.78m =，4[]0.80m =，那么：
221[]0.7540.5mm 30.4mm d m d =⨯=⨯=
332[]0.7830.4mm 23.7mm d m d =⨯=⨯=
443[]0.8023.7mm 19.0mm d m d =⨯=⨯=
因为323.721.1d =>，419.021.1d =<，故共需四次拉深。

调整以后各次拉深系数，取2[]0.77m =，3[]0.80m =，4[]0.844m = (必须保证421.1d =)。

所以以后各次拉深工序件的直径为
2210.7740.5mm 31.2mm d m d =⨯=⨯=
3320.8031.2mm 25.0mm d m d =⨯=⨯=
4430.84425.0mm 21.1mm d m d =⨯=⨯=
以后各次拉深工序件的圆角半径取：
22 4.5mm r R ==，33 3.5mm r R ==，44 2.5mm r R ==
设第二次拉深时多拉入3%的材料(其余2%的材料返回到凸缘上)，第三次拉深时多拉入%的材料(其余%的材料返回到凸缘上)，那么第二次和第三次拉深的假想坯料直径分别为
3200103%2895mm 78.7mm D '=⨯+=
3200101.5%2895mm 78.4mm D ''=⨯+=
以后各次拉深工序件的高度为
22222222222
220.250.14()0.43()()0.25(78.759.8)0.43(4.5 4.5)mm 24.8mm 31.2t H D d r R r R d d '=-+++-⎡⎤=⨯-+⨯+=⎢⎥⎣⎦
22223333323
220.250.14()0.43()()0.25(78.459.8)0.43(3.5 3.5)mm 28.7mm 31.2t H D d r R r R d d ''=
-+++-⎡⎤=⨯-+⨯+=⎢⎥⎣⎦
最后一次拉深后到达零件的高度，上一道工序多拉入的%的材料全部返回到凸缘，拉深工序至此结束。

将上述中线尺寸计算的工序件尺寸换算成与零件图相同的标注形式后，所得各工序件的尺寸如图4所示。

图8.24 各次拉深工序尺寸
5. 工艺方案
根据上述计算结果，本零件需要落料(制成79mm φ的坯料)、四次拉深和切边(到达零件要求的凸缘直径55.4mm φ)共六道冲压工序。

考虑该零件的首次拉深高度较小，且坯料直径(79φmm)与首次拉深后的筒体直径(39.5φmm)的差值较大，为了提高生产效率，可将坯料的落料与首次拉深复合。

因此，该零件的冲压工艺方案为落料与首次拉深复合→第二拉深→第三次拉深→第四次拉深→切边。

以下仅以落料与首次拉深复合为例介绍拉深模设计过程。

8.6.3 落料与首次拉深复合工序力的计算
1. 落料力
取08钢的强度极限为b 400MPa σ=，因此：
落料力79π140099274N b F Lt σ==⨯⨯=100kN ≈。

板厚1mm t =，可以采用刚性卸料板卸料。

2. 拉深力与压料力
拉深力L 21b 0.70 3.1440.51400N 35608N 36kN F K d t σ==⨯⨯⨯⨯=≈
压料力2222Y 1π()/4 3.14(7940.5) 2.5/4N 9029N 9kN F D d p =-=⨯-⨯=≈
3. 初选压力机标称压力
确定机械式拉深压力机标称压力时必须注意，当拉深工作行程较大，特别是落料拉深复合时，由于滑块的受力行程大于压力机的标称压力行程(即曲柄开始受力时的工作转角α大于标称压力角)，必须使落料拉深力曲线位于压力机滑块的许用负荷曲线之下(见图8.25)，而不能简单地按压力机标称压力大于拉深力(或拉深力与压料力之和)的原那么去确定规格。

图8.25 许用负荷与实际负荷
实际生产中可以按下式初步确定拉深工序所需的压力机标称压力：
g F ≥L Y (1.8 2.0)()F F +～
本例拉深的高度不大(121.2mm H =)，因此有：
g F ≥L Y 1.8()N 81(kN)F F +=
由于此复合模工作时落料工序和拉深工序是先后进行的，并未产生落料力和拉深力的叠加。

按落料力初选的压力机标称压力为
g F ≥1.25125kN F =
综合以上两方面，初步确定所需压力机的标称压力：g F ≥125kN 。

待确定压力机型号后再校核。

模具工作局部尺寸的计算
落料凸模、凹模的刃口尺寸计算参见冲裁模设计计算过程。

拉深凸模、凹模工作局部尺寸计算如下：
1. 凸、凹模间隙
由(表7.9.2)查得凸、凹的单边间隙为(1 1.05)Z t =～，取 1.05 1.05mm Z t ==。

2. 凸、凹模圆角半径
由前述计算，凸模圆角半径p 5mm r =，凹模圆角半径d 5mm r =。

3. 凸、凹模工作尺寸及公差
由于此次拉深为中间工序，由凸、凹模工作尺寸及公差计算式，取凸模制造公差p 0.02δ=，凹模制造公差d 0.04δ=，有：
p 00p min 0.0239.5d d δ--==
d 0.040.04d min 000
(2)(39.52 1.05)41.6d d Z δ+++=+=+⨯= 4. 凸模通气孔
根据凸模直径大小，取通气孔直径为5mm φ。

模具的总体设计
图8.26 落料首次拉深复合模
压力机选择
根据标称压力g F ≥125kN ，滑块行程S ≥2221.2mm 42.4mm h =⨯=工件，及模具闭合
高度185mm ，确定选择型号为JC23—35型开式双柱可倾压力机。

校核过程如下：确定所选型号压力机的滑块许用负荷图，根据工艺安排、设备参数和模具结构确定模具工作过程中对应的落料拉深力曲线，假设落料拉深力曲线处于许用负荷曲线之下，那么所选设备符合工作要求；假设落料拉深力曲线超出许可范围(见图)，那么需选择标称压力更大型号的压力机，继续以上校核过程。

本例中，落料拉深力曲线处于JC23—35压力机滑块许用负荷曲线以下，符合设备平安工作要求。

模具零件设计
根据模具总装图结构、拉深工序要求及前述模具工作局部的计算，设计出模具各零件。

习题
1. 什么是拉深模？拉深模有哪几种类型？
2. 拉深模的工作过程及工作原理是什么？
3. 无凸缘拉深制件和有凸缘拉深制件在拉深中有何不同之处？
4. 比拟和说明旋转体直壁零件和半球形制品零件拉深模结构特征。

5. 首次拉深模和后次拉深模各有什么特点？为什么单动压
力机上使用的后次拉深模常常采用倒装结构形式？
6. 反拉深有什么特点？什么情况下可采用？
7. 什么情况下弹性压边装置中要设置限位柱？
8. 落料拉深复合模为何要设计成先落料后拉深？
9. 双动拉深模的结构特点是什么？
10. 图7所示圆筒形拉深件，材料为10钢，大批量生产。

试完成以下工作：
(1) 分析零件的工艺性。

(2) 计算零件坯料尺寸、拉深次数及各次拉深工序件尺寸。

(3) 计算各次拉深时的拉深力和压料力。

(4) 绘制各次拉深的模具结构草图。

(5) 确定最后一次拉深的凸、凹模工作局部尺寸，绘制凸、凹模零件图。

图8.27 圆筒形拉深件图8.28 宽凸缘拉深件
11. 图8所示宽凸缘拉深件，材料为08钢，大批量生产。

试完成以下内容：
(1) 计算零件坯料尺寸、拉深次数及各次拉深工序件尺寸。

(2) 绘制首次拉深和最后一次拉深的模具结构草图。