第4章拉深工艺及模具设计

1、2021-10-181第四章第四章 拉深工艺与模具设计拉深工艺与模具设计主讲：闫主讲：闫 洁洁2021-10-182变薄拉深变薄拉深不变薄拉深不变薄拉深2021-10-183学习目的与要求：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。2021-10-184 拉深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 变薄拉深拉深拉深2021-10-185

2、轴对称旋转体轴对称旋转体盒形件盒形件不对称拉深件不对称拉深件拉深件类型拉深件类型2021-10-186本章主要内容本章主要内容 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。2021-10-187本章的关键词：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2021-10-1881.拉深变形过程及其成形特点拉深变形过程及其成形特点圆筒形件是最典型

3、的拉深件。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平板圆形坯料拉深成为圆筒形 件的变形过程如图所示。件的变形过程如图所示。变形现象：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。 变形区变形区凸缘；已变形区已变形区筒壁；不变形区不变形区底部。传力区传力区底部和筒壁。 2021-10-1891.拉深变形过程及其成形特点拉深变形过程及其成形特点1.11.1拉深过程中坯料内的应力与应变状态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。 凸缘部分 凹模圆角部分 筒壁部分 凸模圆角部分 筒底

4、部分2021-10-18102021-10-18111.拉深变形过程及其成形特点拉深变形过程及其成形特点1.11.1拉深过程中坯料内的应力、应变状态拉深过程中坯料内的应力、应变状态拉深变形过程：拉深变形过程：凸缘产生内应力：径向拉应力1；切向压应力3凸缘塑性变形：径向伸长，切向压缩，形成筒壁直径为高度为的圆筒形件（H（D-d）/2）材料转移：高度、厚度发生变化。拉深单元变形动画外力外力2021-10-18121.21.2拉深的成形特点拉深的成形特点 拉深过程中出现质量问题主要是凸缘变形区的起皱凸缘变形区的起皱和筒壁传力区的拉裂筒壁传力区的拉裂。 凸缘区起皱是由于切向压应力引起板料失去稳定而产生

5、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。2021-10-18132.2.常见拉深件成形精度的影响因素常见拉深件成形精度的影响因素 2.1平面凸缘的起皱2021-10-1814 拉深过程中，凸缘区变形区的材料在切向压应力的作用下，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： 切向压应力切向压应力的大小的大小，越大越容易失稳起皱； 凸缘区板料本身的抵抗失凸缘区板料本身的抵抗失 稳的能力稳的能力，凸缘宽度越大，厚度越薄，材料弹性模

6、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。P1272021-10-1815 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。2021-10-18162.22.2筒壁危险断面的拉裂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

7、极限时，筒壁被拉裂。2021-10-1817 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。2021-10-1818 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。 2021-10-1819旋转体的坯料形状和尺寸确定的依据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。 2

8、021-10-18203.3.无凸缘园筒件的拉深成形方法无凸缘园筒件的拉深成形方法 3.1 3.1毛坯尺寸计算毛坯尺寸计算将拉深件划分为若干个简单的几何体，分别求出各简单几何体的表面积。各简单几何体面积相加即为零件总面积。根据表面积相等原则，求出坯料直径。2021-10-1821iAAAAD32124iAD423221)2(48)2(24)(rdArrdrArHdA222256. 072. 148)2(2)(4)2(rdrdHdrrdrrHdrdD按图得：故：整理后坯料的直径：2021-10-18223.23.2无凸缘圆筒形零件拉深系数的确定无凸缘圆筒形零件拉深系数的确定 拉深系数拉深系数m

9、m表示拉深前后坯料（工序件）直径的变化率变化率。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： 第二次拉深系数： 第n次拉深系数：Ddm11122ddm 1nnnddm2021-10-1823 拉深件的总拉深系数等于各次拉深系数的乘积，即 如果m 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。 nnnnnnnmmmmmddddddddDdDdm132112123121 2021-10-1824 3. 3.无凸缘园筒件的拉深成形方法无凸缘园筒件的拉深成形方法 3.33.3极限拉深系数的影响因素极限拉深系

10、数的影响因素材料的力学性能板料的相对厚度 m拉深工作条件 a.模具的几何参数 b.摩擦润滑 c.压料圈的压料力拉深方法、拉深次数、拉深速度、拉深件的形状Dt/2021-10-18253.3.无凸缘园筒件的拉深成形方法无凸缘园筒件的拉深成形方法3.43.4拉深次数的确定拉深次数的确定 当 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： 查表法 推算方法 计算方法总m2021-10-18263.3.无凸缘园筒件的拉深成形方法无凸缘园筒件的拉深成形方法3.43.4拉深次数的确定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

11、算出各次拉深直径，即 11；221； 3）当时，计算的次数即为拉深次数。2021-10-18274.4.有凸缘园筒件拉深的成形方法有凸缘园筒件拉深的成形方法窄凸缘窄凸缘宽凸缘宽凸缘有凸缘的拉深件根据相对凸缘直径d dt t/d/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。2021-10-1828窄凸缘的拉深方法窄凸缘的拉深方法 前几道工序先拉成无凸缘的圆筒形件； 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； 然后再用一道工序较平。 2021-10-1829宽凸缘的拉深方法宽凸缘的拉深方法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。

12、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。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。2021-10-1830中小零件：如图a）大型零件：如图b）2021-10-18314.4.有凸缘园筒件拉深的成形方法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。 2021-10-18324.4.有凸缘园筒件拉深的成形方法有凸缘园筒件拉深的成形方法 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

13、尺寸的三个相对比值：dt/（凸缘的相对直径）、/（零件的相对高度）、/（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。2021-10-18335.5.拉深力的计算拉深力的计算拉深力的经验公式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 首次拉深 以后各次拉深 11KtdFb2KtdFbibtdDF)(25. 11biitddF)(3 . 112021-10-18346.6.拉深模工作部分尺寸及其精度计算拉深模工作部分尺寸及其精度计算 拉深模拉深模特点特点： 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

14、模间隙略大于板料厚度。 拉深件的模具设计顺序：拉深件的模具设计顺序： 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。2021-10-18356.1 拉深凸模与凹模的间隙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=(11.1) （末次拉深取小值）2有压边圈拉深模具的单边间隙值 c=(1.11.2)t3拉深凸、凹模间隙取向拉深凸、凹模间隙取向按

15、下述原则决定。 除最后一次拉深外，其余各工序的拉深间隙不作规定。 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。2021-10-18366.2 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： (0.60.8) 2t2凸模圆角半径 rt首次拉深凸模圆角半径为： =(0.71.0)ra以后各次拉深凸模圆角半径为：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2021-10-1837图1 零件尺寸和模具

16、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2021-10-18382021-10-18396.3 拉深凸模与凹模的结构拉深凸模与凹模的结构1无压边圈的拉深模 图5（a）所示为圆弧洞口凹模； 图5 （b）所示为锥面形洞口凹模； 图5 （c）所示为渐开线形洞口凹模。2有压边圈的拉深模 圆角结构形式如图6 （a），拉深直径d100mm的零件。 有锥角的凸、凹模结构如图6 （b） ，拉深直径d100mm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）

17、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 首次拉深模用的压边圈常采用如图7所示的形式。 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：v拉深有凸缘的零件：s=t+(0.050.1)v拉深钢零件：s=1.5tv拉深铝合金：s=1.1t 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、弹簧和气垫三种。2021-10-1840图5 不用压边圈的拉深凹模结构2021-10-1841图6 有压边圈的拉深模工作部分形状和尺寸2021-10-1842图7 首次拉深

18、模用压边圈类型2021-10-1843图8 有限位柱的压边圈2021-10-1844典型拉深模结构图典型拉深模结构图 -模柄 -上模座 -凸模固定板 -弹簧 -压边圈 -定位板 -凹模 -下模座 -卸料螺钉 10-凸模 2021-10-1845典型拉深模结构图典型拉深模结构图 1.首次拉深模首次拉深模压边装置弹性压边装置刚性压边装置橡皮压边装置弹簧压边装置气垫式压边装置带限位装置的压边圈2021-10-1846典型拉深模结构图典型拉深模结构图2.以后各次拉深模以后各次拉深模2021-10-1847典型拉深模结构图典型拉深模结构图落料拉深模落料拉深模 正装落料拉深模正装落料拉深模 落料正、反拉深

19、模落料正、反拉深模 后次拉深、冲孔、切边复合模后次拉深、冲孔、切边复合模2021-10-18487.7.拉深零件工艺性分析拉深零件工艺性分析7.17.1拉深件材料拉深件材料 用于拉深的材料一般要求具有较好的塑性、低的屈强比、一般选用含碳量较低的钢板或塑性较好的铝板、铜板等；有色金属。材料的屈服比 越小，则一次拉深允许的极限变形程度越大，拉深性能越好。2021-10-18497.27.2拉深件的结构工艺性拉深件的结构工艺性 形状应尽量简单、对称，避免尖底形，以保证变形均匀。 拉深高度尽可能小，以便能通过12次拉深工序成形。 在保证装配的前提下，应允许拉深件侧壁有一定的斜度。 拉深件的园角半径尽可

20、能大一些，否则，应增加整形工序。 拉深件的底或凸缘上的孔边到侧壁的距离应满足： +0.5（或+0.5） 拉深件的尺寸标注，应注明保证外形尺寸，还是内形尺寸，不能同时标注内外形尺寸。2021-10-18507.37.3拉深件的公差等级拉深件的公差等级 一般情况下，拉深件的尺寸精度应在T13级以下，不宜高于IT11级。 拉深件壁厚公差要求一般不应超出拉深工艺壁厚变化规律。 据统计，不变薄拉深，壁的最大增厚量约为（0.20.3）；最大变薄量约为（0.100.18），（为板料厚度）。2021-10-1851无无压压边边装装置置的的首首次次拉拉深深模模1-定位板 2-下模板 3-拉深凸模 4-拉深凹模

21、2021-10-1852正正装装拉拉深深模模 模柄 上模座 凸模固定板 弹簧 压边圈 定位板 凹模 下模座 卸料螺钉 10凸模 2021-10-1853带带锥锥形形压压边边圈圈的的倒倒装装拉拉深深模模1上模座2推杆 3推件板4锥形凹模5限位柱6锥形压边圈7拉深凸模8固定板9下模座 2021-10-1854 弹簧压边装置弹簧压边装置a) 橡皮 b) 弹簧 c) 气垫2021-10-1855双动压力机用拉深模刚性压边装置动作原理双动压力机用拉深模刚性压边装置动作原理 2021-10-1856带限位装置在压边带限位装置在压边圈圈第一次拉深第二次拉深2021-10-1857带刚性压边装置拉深模带刚性压

22、边装置拉深模1-固定板 2-拉深凸模 3-刚性压边圈 4-拉深凹模 5-下模板 6-螺钉 2021-10-1858无压边装置的以后各次拉深模无压边装置的以后各次拉深模 2021-10-1859有有压压边边装装置置的的以以后后各各次次拉拉深深模模 1-推件板 2-拉深凹模 3-拉深凸模 4-压边圈 5-顶杆 6-弹簧 2021-10-18602021-10-18612021-10-18622021-10-18631-顶杆 2-压边圈 3-凸凹模 4-推杆 5-推件板 6-卸料板 7-落料凹模 8-拉深凸模 落落料料拉拉深深复复合合模模2021-10-18641-凸凹模 2-反拉深凸模 3-拉深凸

23、凹模 4-卸料板 5一导料板 6-压边圈 7-落料凹模 落落料、料、正、正、反反拉拉深深模模2021-10-18651-1-压边圈压边圈 2-2-凹模固定板凹模固定板 3-3-冲孔凹模冲孔凹模 4-4-推件板推件板 5-5-凸模固定板凸模固定板 6-6-垫板垫板 7-7-冲孔凸模冲孔凸模 8-拉深凸模拉深凸模 9-限位螺栓限位螺栓 10-螺母螺母 11-垫柱垫柱 12-拉深切边凹模拉深切边凹模 13-切边凸模切边凸模 14-固定块固定块 再次拉深、冲孔、切边复合模再次拉深、冲孔、切边复合模2021-10-1866拉拉深深筋筋2021-10-18672021-10-1868图1 落料制件图3 拉深制件 图4 拉裂缺陷件镁合金手机外壳图2 冲孔制件2021-10-18692021-10-1870由于手机外壳的拉深高度较小，拉深系数大,因此设计时采用了一次拉深成形工艺。在模具结构中，采用了带限位装置（的橡胶