第4章 拉深工艺与模具设计

Biblioteka Baidu2018/1/5
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拉深是将一定形状的平板毛坯通过拉深模具冲压成 各种开口空心件或以开口空心件为毛坯，通过拉深 进一步改变其形状和尺寸的冲压工艺方法。 不变薄拉深 拉深 变薄拉深
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拉深件类型
轴对称旋转体
盒形件
不对称拉深件
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本章主要内容
1.拉深变形过程及其成形特点 2.常见拉深件成形精度的影响因素 3.无凸缘园筒件的拉深成形方法 4.有凸缘园筒件的拉深成形方法 5.拉深力的计算。 6.拉深模工作部分尺寸及其精度计算。 7.拉深零件工艺性分析。
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3.无凸缘园筒件的拉深成形方法 3.3极限拉深系数的影响因素
⑴材料的力学性能
⑵板料的相对厚度 t/ D ［m］ ⑶拉深工作条件 a.模具的几何参数
b.摩擦润滑 c.压料圈的压料力 ⑷拉深方法、拉深次数、拉深速度、拉深件的形状
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3.无凸缘园筒件的拉深成形方法 3.4拉深次数的确定
4.1拉深系数的确定 有凸缘圆筒形件的拉深系数取决于有关尺寸的 三个相对比值：dt/ｄ（凸缘的相对直径）、ｈ/ ｄ（零件的相对高度）、Ｒ/ｄ（相对圆角半 径）。 4.2拉深次数的确定
根据拉深系数或零件相对高度，判断拉深次数。
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5.拉深力的计算
拉深力的经验公式
采用压料圈拉深时 首次拉深 以后各次拉深 不采用压料圈拉深时
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1.拉深变形过程及其成形特点
1.1拉深过程中坯料内的应力、应变状态
拉深变形过程：
凸缘产生内应力：径向拉应力σ1；切向压应力σ3
外力
凸缘塑性变形：径向伸长，切向压缩，形成筒壁 直径为ｄ高度为Ｈ的圆筒形件（H>（D-d）/2） 材料转移：高度、厚度发生变化。
拉深单元变形动画
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A1 d ( H r )

Ai
A2 A3

2r (d 2r ) 8r 4
2
整理后坯料的直径：
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( d 2r ) 2
D (d 2r ) 2 4d ( H r ) 2r (d 2r ) 8r 2 d 2 4dH 1.72dr 0.56r 2
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中小零件：如图a）
大型零件：如图b）
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宽凸缘的拉深方法
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4.有凸缘园筒件拉深的成形方法
变形特点：该类零件的拉深过程，其变形区的应 力状态和变形特点与无凸缘圆筒形件是相同的。 但坯料凸缘部分不是全部拉入凹模。
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4.有凸缘园筒件拉深的成形方法
拉深件的总拉深系数等于各次拉深系数的乘积， 即
d n d1 d 2 d 3 d n1 d n m m1m2 m3 mn1mn D D d1 d 2 d n2 d n1
如果m取得过小，会使拉深件起皱、断裂或严重 变薄超差。极限拉深系数［m］从工艺的角度来 看，［m］越小越有利于减少工序数。
⑴前几道工序先拉成无凸缘的圆筒形件； ⑵最后两次拉深拉成口部带锥度和较大凸缘圆 角 的带凸缘件； ⑶然后再用一道工序较平。
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宽凸缘的拉深方法
⑴凸缘直径应在首次拉深中确定，以后各次拉深只 是将首次拉深拉入凹模的材料作重新分配。
⑵带凸缘拉深件首次拉深的变形程度比拉深系数相 同的无凸缘件的拉深变形程度小，因而允许取更 小的拉深系数。 ⑶首次拉深拉入凹模的材料应比实际需要的量多 5%～10%，多拉入的材料在以后各次拉深中逐次 回到凸缘上。
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2.2筒壁危险断面的拉裂
• 筒壁部分在拉深过程中起传递拉 深力的作用，在单向拉应力作用 下，当达到材料的抗拉强度极限 时，筒壁被拉裂。
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筒壁部分与底部园角部分的交界面附近 材料的厚度最薄，硬度最低，因而该处 是发生拉裂的危险断面。 是否拉裂取决于拉深力的大小和筒壁材 料的强度。
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2.常见拉深件成形精度的影响因素
2.1平面凸缘的起皱
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拉深过程中，凸缘区变形区的材料在切向压应力σ 的作用下，可能会产生失稳起皱。 凸缘区是否起皱，主要决定于两个方面： ⑴ 切向压应力σ的大小，越大越容易失稳起皱； ⑵ 凸缘区板料本身的抵抗失 稳的能力，凸缘宽度 越大，厚度越薄，材料弹性模量和硬化指数越小， 抵抗失稳能力越小。 常见的防止起皱的方法：采用便于调节压边力的压 边圈和拉深筋把凸缘压紧在凹模表面。
已变形区—筒壁； 不变形区—底部。
传力区－底部和筒壁。
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1.拉深变形过程及其成形特点
1.1拉深过程中坯料内的应力与应变状态
图中所示为拉深过程中某一瞬间坯料所处的 状态。根据应力与应变状态不同，可将坯料 划分为五个部分。 • • • • • ⑴ ⑵ ⑶ ⑷ ⑸ 凸缘部分 凹模圆角部分 筒壁部分 凸模圆角部分 筒底部分
第四章
拉深工艺与模具设计
主讲：闫 洁
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不变薄拉深
变薄拉深
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学习目的与要求：
1． 了解拉深变形规律及拉深件质量影响因素； 2． 掌握拉深工艺计算方法； 3． 掌握拉深工艺性分析与工艺设计方法； 4． 掌握拉深模典型结构及特点； 5． 掌握拉深工艺与拉深模设计的方法和步骤。
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1.2拉深的成形特点
拉深过程中出现质量问题主要是凸缘变形区的起皱 和筒壁传力区的拉裂。 凸缘区起皱是由于切向压应力引起板料失去稳定而 产生弯曲；传力区的拉裂是由于拉应力超过抗拉强 度引起板料断裂。 同时，拉深变形区板料有所增厚，而传力区板料有 所变薄。 这些现象表明，在拉深过程中，坯料内各区的应力、 应变状态是不同的，因而出现的问题也不同。
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• 硬化指数n（n值）是评定板料伸长类成形性能的 一个重要参数。 • n值大，则拉伸失稳时的极限应变大。这对于胀形、 扩孔、内凹曲线翻边等伸长类成形来说，可以在 一次成形中获得较大的极限变形程度。 • n值对复杂形状零件的成形也有影响，在以胀形为 主的成形工艺中，n值大的板料，成形性能好。
F d1t b K1
F d i t b K 2
F 1.25 ( D d1 )t b
首次拉深
以后各次拉深
F 1.3 (d i 1 d i )t b
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6.拉深模工作部分尺寸及其精度计算
拉深模特点： 结构相对较简单，与冲裁模比较，工作部分 有较大的圆角，表面质量要求高，凸、凹模间 隙略大于板料厚度。 拉深件的模具设计顺序：
ｄ1＝ｍ1Ｄ；ｄ2＝ｍ2ｄ1；…；ｄｎ＝ｍｎｄｎ－１；
3）当ｄｎ≤ｄ时，计算的次数即为拉深次数。
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4.有凸缘园筒件拉深的成形方法
有凸缘的拉深件根据相对凸缘直径dt/d 的大小，分为 窄凸缘和宽凸缘拉深件，它们的拉深方法是不同的。
窄凸缘
宽凸缘
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窄凸缘的拉深方法
先设计拉深模，坯料形状尺寸确定后再设计 冲裁模。
如果拉深件口部不整齐，需留切边余量 ，增 加切边工序。
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6.1 拉深凸模与凹模的间隙
间隙过大：拉深件口部有小的皱纹，零件回弹变形大，有锥度，精 度差。 间隙过小：摩擦阻力增大易出现拉裂，同时模具磨损加大，寿命低。 确定间隙的原则是既要考虑板料本身的公差，又要考虑板料在变形 中的增厚现象。 1．无压边圈拉深模具的单边间隙 c=(1～1.1) （末次拉深取小值） 2．有压边圈拉深模具的单边间隙值 c=(1.1～1.2)t 3．拉深凸、凹模间隙取向 拉深凸、凹模间隙取向按下述原则决定。 ① 除最后一次拉深外，其余各工序的拉深间隙不作规定。 ② 最后一道拉深，当零件要求外形尺寸时，间隙取在凸模上；当 零件要求内形尺寸时，间隙取在凹模上。 2018/1/5 35
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• 防止拉裂： • 一方面要通过改善材料的力学性能，提高筒 壁抗拉强度； • 另一方面通过正确制定拉深工艺和设计模具， 降低筒壁所受拉应力。
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旋转体的坯料形状和尺寸确定的依据
• 体积不变原则：若拉深前后料厚不变， 拉深前坯料表面积与拉深后冲件表面积 近似相等，得到坯料尺寸 • 相似原则：拉深前坯料的形状与冲件断 面形状相似。但坯料的周边必须是光滑 的曲线连接。
6.2 拉深凸模与凹模的圆角半径
1．凹模圆角半径 当 较小时， 危险断面材料严重变薄甚至破裂， 还会使拉深件表面刮伤。 太大时（如图3）容易 起皱。 拉深凹模圆角半径可按以下经验公式计算： (0.6～0.8) 2．凸模圆角半径 rt 首次拉深凸模圆角半径为： 以后各次拉深凸模圆角半径为： =(0.7～1.0)ra ≮2t
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3.无凸缘园筒件的拉深成形方法
3.1毛坯尺寸计算
⑴将拉深件划分为若干个简单的几何体， ⑵分别求出各简单几何体的表面积。 ⑶各简单几何体面积相加即为零件总面积。 ⑷根据表面积相等原则，求出坯料直径。
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按图得：

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故： D
D 2 A1 A2 A3 Ai
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本章的关键词：
拉深、压边圈、 起皱、筒壁危险断面拉裂 拉深系数、极限拉深系数 拉深次数、窄凸缘、 宽凸缘 拉深工艺性、硬化指数、屈服比
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1.拉深变形过程及其成形特点
圆筒形件是最典型的拉深件。 平板圆形坯料拉深成为圆筒形 件的变形过程如图所示。
变形现象：
平板圆形坯料的凸缘—弯曲绕过凹模 圆角然后拉直—形成竖直筒壁。 变形区—凸缘；
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3.2无凸缘圆筒形零件拉深系数的确定
拉深系数m表示拉深前后坯料（工序件）直径的 变化率。m愈小，说明拉深变形程度愈大，相反， 变形程度愈小。
第一次拉深系数： m1 第二次拉深系数：m2
d1 D
d2 d1
dn 第n次拉深系数： mn d n 1
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当 m总 ＞［m］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：
⑴查表法 ⑵推算方法 ⑶计算方法
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3.无凸缘园筒件的拉深成形方法 3.4拉深次数的确定
推算方法 1 ）由表 4.4.1 或表 4.4.2 中查得各次的极限拉深 系数； 2）依次计算出各次拉深直径，即
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最后一次拉深时，凸模圆角半径应等于零件圆角半径，
≮t，否则应加整形工序
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图1 零件尺寸和模具工作尺寸
图2 拉深模工作部分 图3 拉深初期毛坯与凸、凹模的位置关系
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6.3 拉深凸模与凹模的结构
1．无压边圈的拉深模 ①图5（a）所示为圆弧洞口凹模； ②图5 （b）所示为锥面形洞口凹模； ③图5 （c）所示为渐开线形洞口凹模。 2．有压边圈的拉深模 ①圆角结构形式如图6 （a），拉深直径d≤100mm的零件。 ②有锥角的凸、凹模结构如图6 （b） ，拉深直径d＞100mm的零件。 3．拉深凸模必须设计通气孔（防止形成真空状态） 4.7.5 拉深模压边装置的结构 1．采用压边装置的条件（可见表4-9） 压边装置的作用就是在凸缘变形区施加轴向（材料厚度方向）压力，提高毛坯变形的稳定性， 而防止起皱。 2．常用压边圈的结构形式 ① 首次拉深模用的压边圈常采用如图7所示的形式。 ② 后续拉深工序用压边圈如图8所示。图中限位柱（固定式和可调节式）高度的设计应保证模具 在拉深过程中，保持压边圈和凹模圆角间的距离为s值。其值分别为： 拉深有凸缘的零件：s=t+(0.05～0.1) 拉深钢零件：s=1.5t 拉深铝合金：s=1.1t ③ 在单动压力机上进行拉深，常采用通用性强的压边装置，其弹性元件一般使用橡皮、弹簧和 39 2018/1/5 气垫三种。
图5 不用压边圈的拉深凹模结构
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图6 有压边圈的拉深模工作部分形状和尺寸
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图7 首次拉深模用压边圈类型
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图8 有限位柱的压边圈
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典型拉深模结构图
１-模柄 ２-上模座 ３-凸模固定板 ４-弹簧 ５-压边圈 ６-定位板 ７-凹模 ８-下模座 ９-卸料螺钉 10-凸模