拉深工艺及拉深模设计

拉深工艺及拉深模设计

本章内容简介：

本章在分析拉深变形过程及拉深件质量影响因素的基础上，介绍拉深工艺计算、工艺方案制定和拉深模设计。涉及拉深变形过程分析、拉深件质量分析、圆筒形件的工艺计算、其它形状零件的拉深变形特点、拉深工艺性分析与工艺方案确定、拉深模典型结构、拉深模工作零件设计、拉深辅助工序等。

学习目的与要求：

1．了解拉深变形规律、掌握拉深变形程度的表示；

2．掌握影响拉深件质量的因素；

3．掌握拉深工艺性分析。

重点：

1. 拉深变形特点及拉深变形程度的表示；

2．影响拉深件质量的因素；

3．拉深工艺性分析。

难点：

1．拉深变形规律及拉深变形特点；

2．拉深件质量分析；

3．拉深件工艺分析。

拉深：利用拉深模将一定形状的平面坯料或空心件制成开口空心件的冲压工序。拉深工艺可以在普通的单动压力机上进行，也可在专用的双动、三动拉深压力机或液压机上进行。

拉深件的种类很多，按变形力学特点可以分为四种基本类型，如图5-1所示。

图5-1 拉深件示意图

5.1 拉深变形过程分析

5.1.1 拉深变形过程及特点

图5-2所示为圆筒形件的拉深过程。直径为D、厚度为t的圆形毛坯经过拉深模拉深，得到具有外径为d、高度为h的开口圆筒形工件。

图5-2 圆筒形件的拉深

1．在拉深过程中，坯料的中心部分成为筒形件的底部，基本不变形，是不变形区，坯料的凸缘部分（即D-d的环形部分）是主要变形区。拉深过程实质上就是将坯料的凸缘部分材料逐渐转移到筒壁的过程。

2．在转移过程中，凸缘部分材料由于拉深力的作用，径向产生拉应力，切向产生压应

力。在和的共同作用下，凸缘部分金属材料产生塑性变形，其“多余的三角形”材料沿径向伸长，切向压缩，且不断被拉入凹模中变为筒壁，成为圆筒形开口空心件。3．圆筒形件拉深的变形程度，通常以筒形件直径d与坯料直径D的比值来表示，即

m=d/D（5-1）

其中m称为拉深系数，m越小，拉深变形程度越大；相反，m越大，拉深变形程度就越小。

5.1.2 拉深过程中坯料内的应力与应变状态

拉深过程是一个复杂的塑性变形过程，其变形区比较大，金属流动大，拉深过程中容易发生凸缘变形区的起皱和传力区的拉裂而使工件报废。因此，有必要分析拉深时的应力、应变状态，从而找出产生起皱、拉裂的根本原因，在设计模具和制订冲压工艺时引起注意，以提高拉深件的质量。

根据应力应变的状态不同，可将拉深坯料划分为凸缘平面区、凸缘圆角区、筒壁区、筒底圆角区、筒底区等五个区域。

1．凸缘平面部分(A区)

这是拉深的主要变形区，材料在径向拉应力和切向压应力的共同作用下产生切向压缩与径向伸长变形而被逐渐拉人凹模。在厚度方向，由于压料圈的作用，产生了压应力，但通常和的绝对值比大得多。厚度方向的变形决定于径向拉应力和切向压应力之间的比例关系，一般板料厚度有所增厚，越接近外缘，增厚越多。如果不压料(＝0)，或压料力较小(小)，这时板料增厚比较大。当拉深变形程度较大，板料又比较薄时，

则在坯料的凸缘部分，特别是外缘部分，在切向压应力作用下可能失稳而拱起，形成所谓起皱。

图5-3 拉深过程的应力与应变状态

2．凸缘圆角部分(B区)

这是位于凹模圆角部分的材料，径向受拉应力而伸长，切向受压应力而压缩，厚度方向受到凹模圆角的压力和弯曲作用产生压应力。由于这里切向压应力值不大，而

径向拉应力最大，且凹模圆角越小，由弯曲引起的拉应力越大，板料厚度有所减薄，所以有可能出现破裂。

3．筒壁部分(C区)

这部分材料已经形成筒形，材料不再发生大的变形。但是，在拉深过程中，凸模的拉深力要经由筒壁传递到凸缘区，因此它承受单向拉应力σ1的作用，发生少量的纵向伸长变形和厚度减薄。

4．底部圆角部分(D区)

这是与凸模圆角接触的部分，它从拉深开始一直承受径向拉应力和切向拉应力的作用，并且受到凸模圆角的压力和弯曲作用，因而这部分材料变薄最严重，尤其与侧壁相切的部位，所以此处最容易出现拉裂，是拉深的“危险断面”。

5．筒底部分(E区)

筒底区在拉深开始时即被拉入凹模，并在拉深的整个过程中保持其平面形状。它受切向和径向的双向拉应力作用，变形是双向拉伸变形，厚度弱有减薄。但这个区域的材料由于受到与凸模接触面的摩擦阻力约束，基本上不产生塑性变形或者只产生不大的塑性变形。

上述筒壁区、底部圆角区和筒底区这三个部分的主要作用是传递拉深力，即把凸模的作用力传递到变形区凸缘部分，使之产生足以引起拉深变形的经向拉应力σ1，因而又叫传力区。

5.1.3 拉深件的主要质量问题及控制

生产中可能出现的拉深件质量问题较多，但主要的是起皱和拉裂。

1．起皱

拉深时坯料凸缘区出现波纹状的皱折称为起皱。起皱是一种受压失稳现象。

(1) 起皱产生的原因凸缘部分是拉深过程中的主要变形区，而该变形区受最大切向压应力作用，其主要变形是切向压缩变形。当切向压应力较大而坯料的相对厚度t/D（t为料厚，D为坯料）又较小时，凸缘部分的料厚与切向压应力之间失去了应有的比例关系，从而在凸缘的整个周围产生波浪形的连续弯曲，如图5-4a所示，这就是拉深时的起皱现象。通常起皱首先从凸缘外缘发生，因为这里的切向压应力绝对值最大。出现轻微起皱时，凸缘区板料仍有可能全部拉入凹模内，但起皱部位的波峰在凸模与凹模之间受到强烈挤压，从而在拉深件侧壁靠上部位将出现条状的挤光痕迹和明显的波纹，影响工件的外观质量与尺寸精度，如图5-4b所示。起皱严重时，拉深便无法顺利进行，这时起皱部位相当于板厚增加了许多，因而不能在凸模与凹模之间顺利通过，并使径向拉应力急剧增大，继续拉深时将会在危险断面处拉破，如图5-4c所示。

图5-4 拉深件的起皱破坏

(2) 影响起皱的主要因素

①坯料的相对厚度t/D坯料的相对厚度越小，拉深变形区抵抗失稳的能力越差，因而就越容易起皱。相反，坯料相对厚度越大，越不容易起皱。

②拉深系数m根据拉深系数的定义m=d/D可知，拉深系数m越小，拉深变形程度越大，拉深变形区内金属的硬化程度也越高，因而切向压应力相应增大。另一方面，拉深系数越小，凸缘变形区的宽度相对越大，其抵抗失稳的能力就越小，因而越容易起皱。

有时，虽然坯料的相对厚度较小，但当拉深系数较大时，拉深时也不会起皱。例如，拉深高度很小的浅拉深件时，即属于这一种情况。这说明，在上述两个主要影响因素中，拉深系数的影响显得更为重要。

③拉深模工作部分的几何形状与参数凸模和凹模圆角及凸、凹模之间的间隙过大时，则坯料容易起皱。用锥形凹模拉深的坯料与用普通平端面凹模拉深的坯料相比，前者不容易起皱，如图5-5所示。其原因是用锥形凹模拉深时，坯料形成的曲面过渡形状(图5-5b)比平面形状具有更大的抗压失稳能力。而且，凹模圆角处对坯料造成的摩擦阻力和弯曲变形的阻