拉深工艺与拉深模具设计

拉深工艺与拉深模具设计
概述 4.1 拉深变形过程分析 4.2 审图与拉深工艺性分析 4.3 拉深件毛坯尺寸计算 4.4 圆筒形件拉深计算 4.5 拉深凸、凹模结构设计 4.6 拉深件成形模具总体结构设计 4.7 其它旋转体件的拉深 4.8 盒形件的拉深 4.9 其它拉深方法 4.10拉深次品分析及拉深中的辅助工序
2 、拉裂
拉深时筒壁总拉应力超过筒壁最薄弱处的材料强度 时，拉深件产生破裂。
原因：
1）由于法兰起皱，坯料不能通过凸凹模间隙，使筒 壁拉应力增大 2）压边力过大，使径向拉应力增大 3）变形程度太大
防止拉裂的措施:
1）采用适当的拉深比和压边力 2）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 3）合理设计模具工作部分的形状 4）选用拉深性能好的材料.
1、作图法 任何形状的母线ＡＢ绕轴线ＹＹ旋转，所得 到的旋转体面积等于母线长度Ｌ与其重心旋转所 得周长２Ｘ的乘积（Ｘ是该段母线重心至轴线 的距离）。 旋转体面积： A 2 LX D2 毛坯面积： A0 4 因： A A0 故
D 8LX 8(l1 x1 l2 x2 l3 x3 ... ln xn ) 8 lx
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4.1
拉深变形分析
1 、拉深的基本概念 拉深－也称拉延，是利用模具使平板毛坯成为开口 空心零件的冲压加工方法。
2 、拉深件分类 (如图所示)
直壁旋转体－圆筒形零件 （无凸缘圆筒形件、有凸缘圆筒形件）、阶梯形 件 直壁非旋转体－盒形件 曲面旋转体－球面、锥面零件 曲面非旋转体－复杂形状零件
直壁旋转
4.1.2 拉深过程中毛坯的应力与应变状态
根据应力应变状态不同，可将拉深过程的毛坯分成 五个部分： 1 、平面凸缘区—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 、圆筒底部分—小变形区
拉深过程中某一瞬时毛坯变形和应力情况(如图4.1.4) 法兰部分－变形区：径向拉应力，切向压应力；材料主要 向径向流动，同时也向厚向流动而加厚 凹模圆角部位－过渡区：除与法兰部分相同特点外，还承 受凹模圆角的压力和弯曲作用而产生的压应力 侧壁部分－已变形区、传力区：继续拉深时，将凸模拉深 力传递到法兰区，受单向拉应力作用；发生少量的纵向伸 长和变薄 凸模圆角部位－过渡区：底部圆角稍上处，变薄最严重， 为零件的危险断面，直接影响极限变形程度 底部－不变形区、传力区：基本不变形，由于底部圆角部 分的拉深力，材料受两向拉应力作用，厚度略有变薄
1 d n1 kn mn dn
2、极限拉深系数 在保证侧壁不破坏的情况下所能得到的最小拉深系数称 为极限拉深系数（可查表）。拉深时，要保证拉深顺利 进行，每次拉深系数应大于极限拉深系数。
影响极限拉深系数的因素：
1）材料的内部组织和力学性能：
塑性好，组织均匀，晶粒大小适当；屈强比小，塑性应变比大，板 料的拉深性能好，极限拉深系数就小。
2）起皱的影响因素：
a:凸缘部分材料的相对厚度t/D b:切向压应力的大小 拉深时，变形程度越大，就越容易起皱。 c:材料的力学性能 板料的屈强比小，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
3）防皱措施：主要采用压边圈防皱
a:用于双动冲床的刚性压边圈,主要靠调整压边圈与 凹模表面间隙保证防皱。 b:用于单动冲床的弹性压边圈，常用动源为橡胶、 弹簧、气垫。

2rd 4
0 8r
2


4
2 d0
（ 2 ）求毛坯尺寸： D 2 d h 2rd 0 8r 2 d 02
4 4 4
所以：
D d02 4d (h ) 2rd 0 8r 2
δ=8mm D=282.12mm
4.3.2 复杂旋转体拉深件坯料尺寸的确定
电线插座外壳的冲压程序
课后思考
1、什么情况下会产生拉裂？拉深工艺顺利进 行的必要条件是什么？ 2、影响拉深时坯料起皱的主要因素是什么？ 防止起皱的方法有哪些？机理是什么？
4.3 拉深件毛坯尺寸计算
学习目标： 能够计算圆筒形拉深件的毛坯尺寸，了解复 杂旋转体拉深件的毛坯计算方法。
教学要求： 能够利用等面积法，计算圆筒形拉深件的毛 坯尺寸；能够查表确定常见的旋转体拉深件的毛 坯尺寸。
4.2.5 拉深件工序安排的一般原则 l）在大批量生产中，在凹、凸模壁厚强度允许 的条件下，应采用落科、拉深复合工艺； 2）除底部孔有可能与落料、拉深复合冲压外， 凸缘部分及侧壁部分的孔、槽均需在拉深工 序完成后再冲出； 3）当拉深件的尺寸精度要求高或带有小的圆角 半径时．应增加整形工序； 4）修边工序一般安排在整形工序之后； 5）修边冲孔常可复合完成。
4.4.1 拉深系数
1、拉深系数：拉深系数是指拉深后圆筒形件的直径与拉深前 毛坯（或半成品）的直径之比 。 m=d/D
工件的直径与毛坯直径D之比称为总拉深系数，即工 件所需要的拉深系数，mz
拉深系数表示了拉深前后毛坯直径的变化量，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。可用它作为衡量拉深变形程度的指标。 拉深系数的倒数称为拉深程度或拉深比，其值为：
4）拉深件口部尺寸公差应适当。
5）一般拉深件允许壁厚变化范围0.6t1.2t,若 不允许存在壁厚不均现象，应注明；
6）需多次拉深成形的工件，应允许其内、外壁 及凸缘表面上存在压痕；
4.2.2 拉深件圆角半径的要求 1.凸缘圆角半径rdΦ 凸缘圆角半径rdΦ ：指壁与凸缘的转角半径。 要求： 1）rdΦ ＞2t 一般取：rdΦ =（48）t 2）当rdΦ ＜0.5mm时，应增加整形工序。
2、解析法
4.4 圆筒形件拉深计算
学习目标： 了解拉深系数的概念，能够计算圆筒形件的 拉深次数及各次拉深的工序件尺寸；计算圆筒形 件的拉深力。 教学要求： 能够利用推算法或查表法确定无凸缘圆筒形 件的拉深次数及工序件尺寸；查表确定带凸缘圆 筒形件的拉深次数；分别掌握宽凸缘及窄凸缘圆 筒形件的多次拉深的工序计算步骤。
④材料流过凹模圆角时的摩擦阻力
所以，筒壁的拉应力总和为
p max M e 2 W

4.1.3 拉深成形过程中出现的问题及防止措施
1 、起皱 起皱主要是由于凸缘处的切向压应力超过了板料的临 界压应力所引起的。起皱首先产生在法兰外缘处。
1）起皱的影响 起皱不利于拉深变形 a、由于起皱，毛坯不能被拉过凸凹模间隙面而拉断 b、轻微起皱的毛坯即使拉过凸凹模间隙，也会在筒 壁上留下起皱痕迹而影响质量。
max

Rw 1.1 s ln ( r) r
max
1.1 s
( Rw )
筒壁传力区的受力分析 凸模的压力通过筒壁传递至法兰的内边缘，将变形区的 材料拉入凹模，筒壁区所受的拉应力由以下各部分组成 ①使变形区产生塑性变形所必须的拉应力 ②克服变形区上下两个表面的摩擦阻力所必须的力 ③克服毛坯沿凹模圆角运动必须克服的弯曲阻力
4.3.1 简单旋转体拉深件坯料尺寸的确定 计算原则：
a、形状相似原则：拉深毛坯的形状一般与拉深件横 截面形状相似。旋转体零件的拉深毛坯可采用圆形毛 坯。 b、面积相等原则：拉深前后材料的体积不变，对于 不变薄拉深，可按拉深前毛坯表面积等于拉深后工件 表面积进行计算。 c、在计算毛坯尺寸时，必须计入修边余量δ 。
pg
pg
py
4.2.2 拉深件上的孔位布置 1）孔位应与主要结构面（凸缘面）在同一平面， 或孔壁垂直该平面，便于冲孔与修边在同一 道工序中完成。
2）拉深件侧壁上的冲孔与底边或凸缘边的距离
h 2d t
3）拉深件凸缘上的孔距：
D1 (d1 3t 2r2 d )
4）拉深件底部孔距：
d d1 2r1 t
4.2.3wk.baidu.com拉深件的精度等级 主要指其横断面的尺寸精度；一般在IT13级 以下，不宜高于IT11级，高于IT13级的应增加整 形工序。
4.2.4 拉深件的材料 1）具有较大的硬化指数； 2）具有较低的径向比例应力σr/σb峰值； 3）具有较小的屈强比σs/σb； 4）具有较大的厚向异性指数r。
（1）计算工件表面积 圆筒直壁部分表面积为: 球台部分的表面积为 :
A1 d (h )
2r d A2 2 0 2rd 0 8r 2 2 4


底部表面积为：
A3

4
d 02
工件的总面积为 A1，A2和A3 部分之和，即 :
A d h
[m1]、[m2]…[mn]—第1、2、…n道工序的极限拉深系数； D—毛坯直径。
2）根据工件的相对高度h/d和毛坯的相对厚度 t/D，查表确定拉深次数n。
上表只适合08及10号钢的拉深件
无凸缘圆筒形件拉深工序计算流程
2、无凸缘圆筒件的工序计算步骤
1、修边余量： ∆h=8mm 2、计算毛坯直径： D=282mm 3、确定是否用压边圈： 由t D 100 2 100 282 0.7， 查表4-18知，应采用压边圈。 4、确定拉深次数
拉深模设计程序
审图
拉深工艺性分析 拉深工艺方案制定 毛坯尺寸计算 拉深次数确定 冲压力及压力中心计算
冲压设备选择 凸、凹模结构设计
总体结构设计 冲压模装配图绘制 非标零件图绘制
4.2 审图与拉深工艺性分析
学习目标： 掌握拉深件的结构工艺性要求，了解拉深件在 公差、材料上的要求，掌握拉深件工序安排的一般 原则。 教学要求： 根据弯曲件的结构工艺性要求改善拉深件的结 构设计；能够根据拉深件的工艺条件，确定拉深件 圆角半径，确定带孔拉深件的孔的位置。
pg
pg
py
2.底部圆角半径rpg 底部圆角半径rpg：指壁与底面的转角半径。 要求： 1）rpg≥t，一般取：rpg≥（35）t 2）rpg＜t，增加整形工序，每整形一次，rpg 可减小1/2。
pg
pg
py
3.矩形拉深件壁间圆角半径rpy
矩形拉深件壁间圆角半径rpy： 指矩形拉深件的四个壁的转角半径。 要求：rpy≥3t及rpy≥H/5
4.2.1 对拉深件形状尺寸的要求 1）拉深件形状应尽量简单、对称，尽可能一次拉 深成形。 2）尽量避免半敞开及非对称的空心件，应考虑设 计成对称（组合）的拉深，然后剖开；
3）在设计拉深件时，应注明必须保证外形或内形 尺寸，不能同时标注内外形尺寸；带台阶的拉 深件，其高度方向的尺寸标注一般应以底部为 基准。
曲面旋转
直壁非旋转
复杂形状零件
4.1 拉深变形分析
• 拉深变形过程
• 拉深过程中毛坯的应力应变状态
• 拉深过程中的力学分析 • 拉深过程中出现的问题及其防止措施
4.1 拉深变形过程的分析
4.1.1 拉深变形过程
1．金属的流动过程(如图所示) 工艺网格实验
2．拉深变形过程
在拉深力的作用下，毛坯内部的各个小单元体之间产 生了内应力，在径向产生拉应力，在切向产生压应力，在 这两种压力的作用下，凸缘区的材料发生塑性变形并不断 的被拉入凹模内,成为圆筒形零件。
2）毛坯相对厚度t/D：
t/D越小，极限拉深系数越大
3）拉深模具：凸模圆角半径、凹模圆角半径、凹模表面质量 4）拉深条件：压边圈、次数、润滑
4.4.2 圆筒形拉深件拉深次数及工序尺寸计算 1.拉深次数
当m=d/D>m极限时，可以一次拉深，否则需多次拉深。
1）推算法：根据极限拉深系数和毛坯直径，从第一道拉深 工序开始逐步向后推算各工序的直径，一直算到得出的直 径小于或等于工件直径，即可确定所需的拉深次数。 d1=[ m1]D d2=[ m2]d1 。。。。。。 dn=[ mn]dn-1 式中 d1、d2…dn-1、dn—第1、2、…（n-1）、n道工序的直径；
厚度变化：底部略有变薄，壁部上段增厚，下部变薄，
侧壁靠近底部圆角处最严重，甚至断裂，为危险断面
１ 、凸缘变形区的应力分析
1 1.1 s ln

Rw

3 1.1 s 1 ln
r Rw
Rw
其中Rw—瞬时法兰外半径