板材液压拉深实验

板材液压拉深实验

实验目的

（1）

通过实验学会液压-机械拉深的实验方法；并初步掌握液压-机械拉深的原理。 （2）

了解成形条件（如凸、凹模间隙、圆角、压边力、润滑等）对拉深工艺的影响。 （3）

测量AZ31B 镁合金板的拉深极限（拉深高度）。 （4）

观察AZ31B 镁合金板在拉深过程中表现的现象。 （5） 观察断口，比较不同厚度AZ31B 镁合金板的拉深性能。

实验设备

拉深模具、液压系统、压力机、游标卡尺。

实验原理

板材液压拉深(Hydromechanical deep drawing ，简称HDD)是液压成形技术与拉深工艺相结合的产物，是利用液体部分或全部地替代普通拉深中压边圈、凸模或凹模的功能实现零件拉深过程[1]。板材液压拉深工艺由于具有显著降低拉深系数、提高工件的形位公差和表面质量、能成形复杂工件等优点，在汽车、军工、航空、航天等行业具有很高的应用价值。 1 拉深模具

1.1 模具的结构及其工作原理

模具结构示意图如图1所示，主要由凸模、压边圈、螺钉、O 形密封圈，凹模，底板等组成。

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液液

图1 液压拉深模具主要结构

1.凸模

2.压边圈

3.3×M8内六角螺钉 4-5. O 型密封圈

6.板材

7.凹模

8.进液口

9.底板 10.细长通液孔

其工作原理为：安装固定好液压供给系统后，将凹模型腔注满液体（20号液压油）以排除凹模型腔内空气，之后将板坯6放置好在凹模上表面；将压边圈2固定好并调整所需的压边力Q 后，试验机压头下行，当压头接触凸模1上端后，通过手动液压泵向凹模腔内供

液，当液压力P达到所需值后保持其恒定；凸模1以一定的速度下行，圆形板材被拉深成形。

1.2 模具的优点

结构上：①采用配合准则简单实现压边圈和凸模的定位和导向，不需要专门的导柱导套装置；②不需要提供特殊的压边设备，压边圈上用螺钉拧紧即可实现板材压边；③凹模表面划有板材定位同心圆，板材定位方便。

工艺上：凸模下行对圆形镁合金板坯进行拉深时，凹模型腔内充满一定压力的液体。液体将板材紧紧的包在凸模上，形成良好的“摩擦保持效应”，增大了有益摩擦；在板材的周向上由于液压力的作用，产生一个径向推力，提高了板材径向流动性；足够大的内压力使得液体从板材与凹模上表面间流过，实现液体循环流动，形成了良好的“液体润滑效果”，如图1中局部放大视图所示。

2 液压控制系统

根据图1所示的板材液压拉深原理，板材成形过程中只有模具下模封闭腔中需要施加液压力，故只需自制一个简单、方便的手动液压泵即可满足要求，如图2所示。在拉深成形过程中，凹模型腔容积不断减小，为了保持其内液压力恒定不变，回路中安装溢流阀11，对液压力大小进行合理控制。液压力值的大小可从压力表7读取。当需要卸载时，手动开启截止阀8将高压油放回油箱即可。

此外，液压控制系统的泵体采用活塞结构代替传统的柱塞结构，当需要向凹模型腔输液时，活塞往返运动，可以从正反两个方向连续供油，即当压下手柄1时，活塞的无杆腔供油，有杆腔进油；当抬起手柄1时，活塞的有杆腔供油，无杆腔进油，由此实现全程供油[7]。

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（a）回路原理图（b）手动液压泵

图2 液压控制系统

1.手柄

2.活塞泵3-6.单向球阀7.压力表8.截止阀9.过滤器

10.油箱11.溢流阀12.溢流阀调节旋钮13.油管

3 影响极限拉伸高度的条件

（1）液压力对极限拉深高度的影响

在液压拉伸时，由于高压液体将工件和凹模完全脱离接触，使工件和凹模端面、凹模圆角半径与凹模直臂处的摩擦损失有相当程度的降低，大大地减少拉伸变形阻力；同时，高压液体使工件紧紧地贴住在凸模的侧表面上，增加了毛坯的传力区—侧壁与凸模表面的摩擦力，也减轻了毛坯侧壁内的拉应力，使传力区的承载能力得到很大程度的提高，减少了冲件筒壁的减薄变形，并且避免在冲件直壁与底部圆角半径处出现危险断面，因而导致液压拉伸要比普通拉伸的极限变形程度要大得多。

在通常情况下，随着液压力的增大，所得工件的极限拉伸高度也增大，工件的壁厚均匀

性等性能也将越来越好。

（2）凸模圆角半径对极限拉深高度的影响

凸模圆角半径Rp 值虽然对筒壁传力区的最大拉伸力影响不大，但是却影响危险断面的强度。如果Rp 过小，则使板料绕凸模弯曲的拉应力增加，降低了危险断面的强度；但是，当Rp 过大时，又减小传递拉伸力的承载面积，同时还会减少凸模端面与板料的接触面积，增加板料的悬空不分，易于产生内皱现象。通常Rp=（4~6）t 0时能取得较好的拉伸性能。

（3）板材的相对厚度对极限拉深高度的影响

板料的厚度、毛坯尺寸的大小对极限拉伸高度也有较大的影响，但通常都是以二者的综合作用——相对厚度（t/ D0）来反映其对变形程度的影响的。板料的相对厚度（t/ D0）越大，拉伸时抵抗失稳起皱的能力就越大。因而可以减小压边力，减小摩擦损失，有利于极限拉高度的提高。

由板料的相对厚度为t/D0有，当板料厚度t 不变，改变板料直径D0时，其相对厚度也发生改变。因而，板料的厚度t 为定值的情况下，随着板料直径D0的增大，板料的相对厚度减小，其极限拉伸高度也减小。

影响极限拉伸高度的因素还有拉伸方法、拉伸次数、拉伸速度、拉伸件的形状等。在实际生产中，应尽量采取有利于增大极限拉伸高度的措施，以减小拉伸次数，提高生产率，降低成本。

实验步骤

1、液压力对极限拉深高度的影响

采用厚度为0.6 mm ，直径为40mm 的AZ31B 镁合金板，选用圆角半径为5mm 的凸模。

（1） 用内六角扳手松开装置压边圈上的三个螺钉。小心取下压边圈。

（2） 将装置与液压控制系统连接，确保连接紧密。

（3） 将试样对中放置于装置正中。打开液压控制系统，缓慢向装置内的凹模腔注入液压

油，确保凹模腔与试样间充满液压油，没有残留空气。

（4） 将压边圈与与凹模正确连接，三个螺钉均匀拧紧，在拧紧过程中注意不要破坏试样

的对中性。

（5） 将装置放置于压力机上，将圆角半径为5mm 的凸模垂直放置于压边圈导向孔内。

（6） 将压力控制系统的溢流压力值设定为0Mpa 。

（7） 启动压力机，进行实验。

（8） 当试样破裂瞬间有液压油溢出时，停止压力机并卸荷，取下试样并测量拉伸高度，

在表1中记录实验数据。

（9） 依次将压力控制系统的溢流压力值设定为4Mpa ，8Mpa 。重复以上操作，分别记录

数据。

表1

2、凸模圆角半径对极限拉深高度的影响

采用厚度为0.6 mm ，直径为40mm 的AZ31B 镁合金板，液压控制系统的溢流值设定为4Mpa 。

（1） 用内六角扳手拆卸装置压边圈上的三个螺钉。小心取下压边圈。

设定压力 极限拉深高度 0Mpa 4Mpa 8Mpa