模具第四章拉深模

5)圆筒底部（E区）＿不变形区 这部分材料一开始就被拉入凹模中，始
终保持平圆形状，它受两向拉应力σ1和σ3的作用。变形是三向的，
ε1和ε3是拉伸，ε2是压缩。由于拉伸变形受到凸模摩擦力的阻止，
故变薄很小，可忽略不计。
见图4-4
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模具第四章拉深模
图4-4
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模具第四章拉深模
模具第四章拉深模
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2020/11/20
模具第四章拉深模
第一节 拉深模的设计基础
拉深是把一定形状的平板毛坯或空心件通过拉 深模制成各种空心零件的工序。在冲压生产中 拉深是一种广泛使用的工序，用拉深工序可得 到的制件一般可分为三类：
1、旋转体零件：如搪瓷脸盆、铝锅等。 2、方形零件：如饭盒、汽车油箱等。 3、复杂形状零件：如汽车覆盖件等。
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四、拉深工件工序尺寸的计算
n 1、无凸缘的圆筒形工件的工序尺寸计算 要计算无凸缘的圆筒
形工件的拉深次数，就要知道每次拉深的变形程度，并由此来计算出每次 拉深的直径，依次与工件的直径相比较，当半成品的直径小于或等于工件 的直径时，所计算的次数就是所需的拉深次数；也就是由表4－1、表4－2 查得：
n 1、修边余量Δh 由于金属流动条件和材料的各向异性，毛坯
拉深后，工件边口不齐。一般情况拉深后都要修边，因此在计算毛坯 的尺寸时，必须把修边余量计入工件。修边余量用Δh来表示。无凸 缘的圆筒形工件的修边余量见表4－3；无凸缘的矩形工件的修边余量 见表4－5；有凸缘的圆筒形工件的修边余量见表4－4。
的绝对值则是由大变小，在凸缘的最 外缘σ3的压应力是最大的，则材料 在切向上必然是压缩变形。如果被拉 深的材料厚度较薄，压边力太小，就 有可能是凸缘部分的材料失稳而产生 起皱现象。
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2)凸缘圆角部分（B区）＿过渡区 这部分的材料受到径向拉应力σ1， 切向压应力σ3，以及凹模圆角的压力和弯曲受压作用共同产生法
且应采用润滑剂，以有利于拉深，可使极限拉深因数减小些。
n ③压边条件：拉深时采用压边装置，会减小工件起皱的可能。
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④拉深次数：
n
n n n
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材料第一次拉深时由于材料无硬化现象，塑性好，则 材料的第一次极限拉深因数较小。每次拉深都要加剧 材料的硬化，变形越来越困难，因此，第二次极限拉 深因数要比第一次极限拉深因数大得多，并且后一次 拉深因数总比前一次大。
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3)拉深后工件在各个部分的厚 度是不同的如图4－6所示。
2)在底部圆角与直壁相 接部分工件最薄，最易发生 拉裂，如图4－7所示。
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n 拉深使材料发生塑性变形，所以必然伴随着 加工硬化，如果工件需多次拉深才能成形， 或工件是硬化效应强的金属，则应合理安排 退火工序以恢复材料的塑性，降低其硬度和 强度。
向压应力σ2，,此处的σ1值的绝对值最大,则材料会在径向上发生拉 伸变形，材料有变薄的倾向。
3)筒壁部分（C区）＿传力区 该部分受到凸模传来的拉应力σ1和凸模 阻碍材料切向自由压缩而产生的拉应力σ3，显然, σ1的绝对值大,径 向是拉伸变形,径向的拉伸是靠壁厚的变薄来实现的，故筒壁上厚下 薄。
4)底部圆角部分（D区）＿过渡区 该部分受到径向拉应力σ1和切向拉应 力σ3的作用，厚度方向上受到凸模的弯曲作用而产生压应力σ2 。材 料变形为平面应变状态，径向拉伸变形，是靠壁厚变薄来实现的，这 部分材料变薄最为严重，最易出现拉裂，此处称为危险断面。
⑶材料的相对厚度t/D:
材料的相对厚度愈大，拉深就愈不易起皱。
⑷工件的形状：
工件的几何形状不同，拉深变形过程中就会有各自 不同的特点，极限拉深因数也不同。
一般来说，当一个拉深工件的形状、尺寸、材料确定 之后，主要应考虑相对厚度t/D，其次要考虑凹模圆角 半径，另外，还要注意润滑，使极限拉深因数减小， 以减小拉深工件的拉深次数，提高经济效益。
n 总之，了解拉深工艺的这些特点后，在制订 工艺、设计模具时，应考虑如何在保证最大 变形程度下避免毛坯起皱和工件被拉裂。
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二、拉深因数
１、拉深因数的概念和意义
对于旋转类工件来说，拉深因数是指 拉深后工件的直径与拉伸前毛坯（或 半成品）的直径之比，拉深因数用ｍ 表示。如图4－8中：
n 3）凸模圆角半径rp 凸模圆角半径适当大些，会减低板料绕凸模
的弯曲拉应力，工件不易拉裂，极限拉伸因数也会变小． n Z、rb、rp的增大都有个适量的问题，因为Z过大，会影响工件质量；
rb过大会引起压边面积减小，易起皱；rp过大，也亦产生内皱。有关 Z、rb、rp值的选取将在后面作介绍。
n ②摩擦与润滑条件：凹模与压边圈的工作表面应制作的比较光滑，
第一次拉深因数m1为：m1＝d1/ D；
第二次拉深因数m2为：m2＝d2/d1；
……第n次拉深因数mn＝dn/dn－１。
工件直径dn与毛坯直径D之比称为总 拉深因数，即：工件成形所需要的拉 深因数。总的拉深因数：
m总＝ dn/ D＝m1·m2·····mn
若工件是非圆形件，则总的拉深因数 m总＝工件周长/毛坯周长
化很小，可认为拉深前后
面积相等，即A1= A2，所
以，H> （D－d）/2。
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综合起来看，平板毛坯在凸模压力的 作用下，凸模底部的材料变形很小， 而毛坯（D－d）的环形区的金属在 凸模压力的作用下，要受到拉应力和 压应力的作用，径向伸长、切向缩短， 依次流入凸、凹模的间隙里成为筒壁， 最后，使平板毛坯完全变成圆筒形工 件为止。
1)平面凸缘部分（A区）＿主变形区
由于凸模向下压，迫使板料进入
凹模，故在凸缘产生径向拉应力σ1， 小单元体互相挤压产生切向压应力 σ3，由于压边圈提供的压边力产生 法向压应力σ2，在这3个主应力中
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σ2的绝对值比σ1 、σ3的绝对值小 得多。凸缘上σ1 、σ3是变化的，是 凸缘外到内， σ1是由小变大，而σ3
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一、拉深变形过程 的分析
1、拉深变形过程及特点
圆筒形件的拉深过程如图4－1所示。 直径为D的圆形平板毛坯2被凸模1拉 入凸、凹模的间隙里，形成直径为d 高为H的空心圆柱体4。在这一过程 中，板料金属是如何流动的呢？
如图4－2所示，把直径为D的圆板料 分成两部分：一部分是直径为d的圆 板，另一部分是直径为（D－d）的 圆环部分，把这块板料拉深成直径为 d的空心圆筒。在这个拉伸试验完成 后，发现板料的第一部分变化不大， 即直径为d的圆板仍保持原形状作为 空心圆筒的底，板料的圆环部分变化 相当大，变成了圆柱体的筒壁，这一 部分的金属发生了流动。
三、拉深工件毛坯尺寸的确定
n 拉深工件毛坯的形状一般与工件的横截面形状相似，如工 件的横截面是圆形、椭圆形、方形，则毛坯的形状基本上 也相应是圆形、椭圆形、近似方形的。
n 毛坯尺寸的确定方法很多，有等重量法、等体积法、等面 积法等。拉深工件的毛坯尺寸仅用理论方法确定并不十分 精确，特别是一些复杂形状的拉深件，用理论方法确定十 分困难，通常是在已作好的拉深模中对一由理论分析初步 确定的毛坯来试压、修改，直到工件合格后才将毛坯形状 确定下来，再做落料模。注意毛坯的轮廓周边必须制成光 滑曲线，且无急剧转折。
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⑵拉深条件
①模具的几何参数：
n １）凸、凹模的间隙Z 模具的间隙适当大些，材料被拉入间隙
后的挤压小，摩擦阻力也小，拉深力也会减小，极限拉深因数亦减小。
n 2）凹模圆角半径rd 凹模圆角半径rd适当大些，材料沿凹模圆角
部分的流动阻力小，拉深力也会减小，则极限拉深因数会随之减小。
2、影响极限拉深因数的因数 在制定拉深工艺时，拉深次
数愈少愈好．亦即希望尽可能的降低极限拉深因数．在不同的条件下极 限拉深因数是不同的，影响极限拉深因数的因数有以下几个方面：
n ⑴材料力学性能 在材料的力学性能指标中，影响极限拉
深因数的主要指标是材料的屈强比、硬化指数、厚向异性因数、 伸长率δ。 n 屈强比σs/σb（材料的屈服点与抗拉强度值比）越小，即 σs 值小而σb值大，材料易发生塑性变形而不易被拉裂，对拉深越 有利，可使拉深极限因数越小。 n 硬化指数n值愈大，材料变形愈均匀，愈不易发生拉深细颈，因 此拉裂和危险截面变薄也会推迟出现，可使极限拉深因数减小。 n 厚向异性因数γ大，板平面方向比厚度方向变形容易，则主变 形区不易起皱，危险截面不易变薄、拉裂，可使板料极限拉深 因数减小。 n 材料的深长率δ是材料的塑性指标， δ值愈小，塑性变形能力 愈差，则极限拉深因数也会增大。
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3、极限拉深因数的确定
n 在理论上，可根据拉深时材料拉应力不超过危险截面 的强度来计算出第一次理想的极限拉深因数。但实际 上，由于影响极限拉深因数的因素很多，所以每次拉 深的拉深因数，一般都是在一定的拉深条件下用试验 的方法得到的。
n 无凸缘圆筒形工件的拉深因数可见表4－1和表4－2。 n 总结利用拉深因数确定拉深次数的方法是：
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图4－3所示的扇形chef是从板料圆环上截 取的单元，经过拉深后变成了矩形c´h´e´f´。
扇形单元体变形是切
线方向受压缩，径向方向
受拉伸，材料向凹模口流
动，多余的材料（图中阴
影部分）由于流动填补了
双点划线部分。设扇形面
积为A1，拉深后矩形面积
为A2，由于拉深时厚度变
n 在多次拉深时，根据验算：
m总=m1、m2、m3、……mn。
即零件制品的总拉深因数等于各拉深系数 的乘积，只要算出m总，然后在表4－1、4－2中 查得各次拉深因数，通过估算可求得所需的拉 深次数。
n 需注意的事，在实际生产中应取的极限拉深因 数稍大于表中的值，以保证工件的质量。
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2、拉深时的应力 状态和变形情况
拉深的变形区比较大，金属流动性大， 拉深过程中容易发生起皱、拉裂而失 败。因此，有必要分析拉深时的应力 状态和变形特点，找出发生起皱、拉 裂的根本原因，在制订工艺和设计模 具时注意它，以提高拉深件的质量。
设在拉深过程的某一时刻，毛坯处于 如图4－4所示情况，分析各部分的 应力状态。
⑴首先计算拉深件坯料尺寸和相对厚度（t/D）×100。
⑵计算总拉深因数M总： M总＝d/D
d:零件直径； D：坯料直径； t：材料厚度。
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⑶根据相对厚度t/D×100值，从表4－1、4－2中查 得各次拉深因数，若查得第一次拉深系数m1<m总时， 则制品零件可一次拉深成形。若m1>m总时，则需进行 多次拉深。
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3、拉深变形的特点
n 综合对拉伸过程的应力和变形的分析可以看到，拉深会产 生一些特定的现象，即起皱、拉裂和硬化。
1)起皱发生在圆筒形凸缘部分，如图4－5所示，是由切向压应力引起 的。起皱的危害很大，首先，起皱变厚的板料不易被拉入凸、凹模的间 隙里，使拉深件底部圆角部分受力过大而被拉裂。即使勉强拉入也会使 工件留下皱痕，影响工件的质量。它还会使材料与模具之间的摩擦与磨 损加剧，损害磨具的寿命。
m1，m2，m3，…，mn，来计算d1=m1D，d2=m2d1，…，
dn＝mndn－1，di≤d（工件的直径）为止，即得到了拉深次数。
n 确定了拉深次数之后，以工件的直径为最后一次拉深的直径，合理的调整 各次拉深因数（应大于、等于极限拉深因数表中的值），确定各次拉深半
成品的直径dn。无凸缘的圆筒形工件毛坯直径公式，经变换可得到各次拉
深后半成品的高度公式：
n Hn=0.25[（D²/dn)-dn]+0.43rn/dn(dn+0.32rn)
Hn—第n次拉深后的高度；D—平板毛坯直径； dn—第n次拉深后的直径；
显然，拉深因数永远小于1，且m越小， 变形程度越大。
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变形程度是有限的，也就是存在极 限拉深因数，它是由危险截面的强 度来决定的。极限拉深因数是使拉 伸工件不破裂的最小拉深因数。
注：当总拉深因数<极限拉深因数，就必 须进行多次拉深。合理的分配每次 拉深因数是很关键的，一般希望在 保证极限拉深因数的前提下，尽可 能取小的拉深因数，这样就可以减 少拉深次数模具，第提四章高拉经深模济效益。