冲模设计第6章拉伸

第6章拉深工艺与拉深模具拉深是利用拉深模具将冲裁好的平板毛坯压制成各种开口的空心工件，或将已制成的开口空心件加工成其它形状空心件的一种冲压加工方法。拉深也叫拉延、压延、引伸等。拉深工艺可分为不变薄拉深和变薄拉深两种。拉深工艺可以在普通的单动压力机上进行（拉深较浅的工件），也可以在专用的双动、三动拉深压力机或液压机上进行。在冲压生产中，拉深的种类很多。各种拉深件按变形力学特点可以分为以下四种基本类型。1）圆筒形零件——指直壁旋转体；2）曲面形零件——指曲面旋转体；3）盒形零件——指直壁非旋转体；4）非旋转体曲面形状零件——指各种不规则的复杂形状零件。6.1拉深变形过程分析6.1.1拉深的变形过程圆筒形件的拉深过程如右图所示。直径为D、厚度为t的圆形毛坯经拉深模拉深，得到了具有内径为d、高度为h的开口圆筒形工件。

右图中表明在拉深过程中，圆形平板毛坯拉成筒形时，材料的转移情况。拉深后工件的高度增加了△h，所以h＞（D-d）/2，工件壁厚也略有增加。

金属的流动状态。在拉深后观察网格，在筒形件底部的网格基本上保持原来的形状，而筒壁部分的网格则发生了很大的变化。原来的同心圆变为筒壁上的水平圆周线，而且其间距a也增大了，愈靠近筒的上部增大愈多，原来等分度的辐射线变成了筒壁上的垂直平行线，其间距则完全相同。

在拉深过程中，毛坯的中心部分成为筒形件的底部，基本不变形，是不变形区。毛坯的凸缘部分是主要变形区。拉深过程实质就是将毛坯的凸缘部分逐渐转移到筒壁部分的过程。在转移过程中，凸缘部分材料由于拉深力的作用，在径向产生拉应力σ1，又由于凸缘部分材料之间相互的挤压作用，在切向产生压应力σ3。在σ1与σ3的共同作用下，凸缘部分材料发生塑性变形，其“多余三角形材料”将沿着径向被挤出，并不断地被拉人凹模洞口内，成为圆筒形的开口空心件。6.1.2拉深过程中坯料应力应变状态及分布根据应力、应变状态的不同，可将拉深毛坯划分为五个区域。I——凸缘部分这是拉深时的主要变形区。这部分材料径向受拉应力σ1

、切向受压应力σ3的作用。在压边圈作用下，板厚方向产生压应力σ2

。其应变状态为径向拉应变ε1、切向压应变ε3

。板厚方向产生拉应变ε2

，板料略有变厚。Ⅱ——凹模圆角部分这是由凸缘进入筒壁部分的过渡变形区。变形比较复杂。除有与凸缘部分相同的特点外，还由于承受凹模圆角的压力和弯曲作用而产生压应力σ2

。在这个区域，拉应力σ1的值最大，其相应的拉应变ε1的绝对值也最大，因此板厚方向产生压应变ε2

，板料厚度减薄。Ⅲ——筒壁部分这是已变形区。这部分材料已经形成筒形，基本不再发生变形，但是它又是传力区。由于此处是平面应变状态（+ε1与-ε2），且板厚方向的σ2为零，因此其切向应力σ3（中间应力）为轴向拉应力的一半，即σ3=σ1/2。Ⅳ——凸模圆角部分这是筒壁与圆筒底部的过渡变形区。它承受径向和切向拉应力σ1和σ3的作用，同时在厚度方向由于凸模的压力和弯曲作用而受到压应力σ2的作用。其应变状态与筒壁部分相同，但是其压应变引起的变薄现象比筒壁部分严重得多。Ⅴ——筒底部分这部分材料受双向平面拉伸作用,产生拉应力σ1与σ3

。其应变为平面方向的拉应变ε1与ε3和板厚方向的压应变ε2

。由于凸模圆角处摩擦的制约，筒底材料的应力与应变均不大，板料的变薄甚微，可忽略不计。6.1.3拉深过程的力学分析1、

凸缘变形区的应力分析在拉深过程中，作用在凸缘变形区的主要应力是径向拉应力σ1与切向压应力σ3

。当毛坯由R0被拉深到Rt时，凸缘变形区的与的大小可以根据力学的平衡条件与塑性条件通过数学方法导出。其值为：式中Rt—拉深过程中某时刻的凸缘半径；

R­­—凸缘区内任意处的半径；

—将毛坯由R0拉至Rt

时，凸缘变形区金属变形抗力的平均值；凸缘变形区内，与呈对数曲线规律分布。如右图所示。在R=r处，即在拉深凹模入口处的凸缘上，的值最大，其值为：在R=Rt处，即在凸缘的外边缘处的绝对值最大，其值为：拉深变形属于压缩类变形。

整个拉深过程中σ1max和σ3max的变化规律当毛坯从R0拉深到Rt时，凸缘变形区的外边缘处具有σ3max，而在凹模口处具有σ1max

。在拉深过程中，Rt是不断地由R0→r变化的，在不同的时刻，σ1max与σ3max的值也不相同。下面分析在整个拉深过程中，σ1max与σ3max是如何变化的？在什么时刻出现与？这对拉深过程有很大的影响。（1）

σ1max的变化规律

σ1max

的变化受两个因素的制约：与。随着拉深过程的进行，变形抗力也逐渐加大。凸缘变形区的大小，随着拉深过程的进行，也逐渐减小。σ1max的变化趋势决定于主导因素。由于拉深的初始阶段材料变形抗力增长较快而凸缘变形区的缩减较慢，σ1max增长很快，约当Rt=（0.8~0.9）R0左右就达到了最大值然后，后一个因素起主导作用，就逐渐减小，直至拉深过程结束，R0→r，为止。式中a、b为与材料性质有关的常数

a与b值注：表中ε1是指材料在刚出现细颈时的真实应变，若δ为材料的伸长率，则ε1=ln（1+δ）。ε10.100.150.200.250.300.350.40a0.650.680.710.730.750.750.75b0.520.590.650.700.750.780.79（2）σ3max的变化规律由可知随着拉深过程的不断进行，凸缘变形区的变形程度增加，变形抗力也随之增加，因此始终上升。直至拉深过程结束时，达到最大值。其变化规律与真实应力曲线相似，在拉深的初始阶段增加比较快，以后逐渐趋于平缓。6.2圆筒形件拉深主要质量问题6.2.1起皱凸缘部分是拉深过程中的主要变形区，而凸缘变形区的主要变形是切向压缩。当切向压应力σ3较大而板料又较薄时，凸缘部分材料便会失去稳定而在凸缘的整个周围产生波浪形的连续弯曲，如右图所示，这就是拉深时的起皱现象。由于σ3在凸缘的外边缘为最大，所以起皱也首先在最外缘出现。起皱是拉深时的主要质量问题之一。凸缘部分材料的失稳与压杆两端受压失稳相似，它不仅与切向压应力σ3的大小有关，而且与凸缘的相对厚度t/（Dt-d）（相当与压杆的粗细）有关。σ3愈大，t/（Dt-d）愈小，则愈易起皱。此外，材料的弹性模量E愈大，抵抗失稳的能力也愈大。在拉深过程中，σ3max随着拉深的进行而不断增加，但凸缘变形区却不断缩小，亦即凸缘相对厚度t/（Dt-d）不断增加。前者增加失稳起皱的趋势，后者却是提高抵抗失稳起皱的能力。以上两个相反作用的因素互相消长的结果是，在拉深的全过程中必有一阶段，凸缘失稳起皱的趋势最为强烈。实验证明：它的变化规律与σ1max的变化规律也很相似，凸缘最易失稳起皱的时刻基本上也就是

出现的时刻。为了防止起皱，在生产实践中通常采用压边圈。6.2.2拉裂1、拉深筒壁部的危险断面经过拉深后，筒形件壁部的厚度与硬度都会发生变化。筒壁的上部是由凸缘部分的外边缘转移而来，其切向压缩量大，壁部变厚，由于其变形程度大，加工硬化现象也显著，因此其硬度也比原来的板料高。在筒壁的底部靠近凸模圆角处，是由凸缘部分的内边缘转移而来，此处为“多余三角形材料”的尖部，其切向压缩量几乎没有，该处材料的变形程度很小。加工硬化现象较小，材料的屈服点也就较低，壁厚变薄。整个筒壁部，由上向下厚度逐渐变小，硬度逐渐降低。硬度变化厚度变化下图所示为某拉深件的厚度变化具体数值，其最大的增厚量可达板厚的20%～30%，其最大的变薄量可达板厚的10%～18%，在筒壁部分与凸模圆角相接处的地方，变薄最为严重，成为筒壁部最薄弱的地方，是拉深时最容易破裂的危险断面。2、

筒壁所受的拉应力分析

筒壁部分作为已变形区在拉深过程中又是传力区，凸模作用在工件上的拉深力是通过筒壁传递至凸缘变形区将其逐渐拉入凹模口内的。筒壁部分所受的拉应力有：1）凸缘变形区在拉深过程中产生的径向拉应力σ1

；2）由压边圈与毛坯之间和凹模与毛坯之间的摩擦引起的应力；3）由毛坯与凹模圆角处的摩擦引起的应力；4）由毛坯经过凹模时的弯曲和过凹模圆角后的变直引起的应力。在正常条件下拉深时（指合理的凹模圆角半径、间隙大小、压边力、润滑条件等等），凸缘变形区最大拉应力

在筒壁所受到的总拉应力σp中，约占65%～75%，因此：3、

拉裂

筒壁传力区危险断面上的有效抗拉强度σk为：σk=1.155σb-σw式中1.155σb考虑筒壁部的变形状态与薄壁筒的拉伸相仿，是平面应变状态，故筒壁传力区（危险断面处）的抗拉强度为1.155σb；式中σw是材料绕凸模圆角弯曲时所产生的弯曲应力，这一应力降低了危险断面处材料的抗拉强度，因此，危险断面上的实际有效抗拉强度σk应减去σw

。当拉深时的σp

＞σk时，拉深件就要被拉裂。拉深时，拉深极限变形程度的确定就是以不拉裂为前提的，因此成为制订拉深工艺参数的主要依据。6.2.3硬化拉深是一个塑性变形过程，拉深后材料必然发生加工硬化，其硬度和强度增加，塑性下降。但由于拉深时变形不均匀，从底部到筒口部塑性变形由小逐渐加大，因而拉探后材料的性能也是不均匀的，拉深件硬度分布由工件底部向口部是逐渐增加的。这恰好与工艺要求相反，从工艺角度看工件底部硬化要大，而口部硬化要小才有利。加工硬化的好处是使工件的强度和刚度高于毛坯材料，但塑性降低又使材料进一步拉深时变形困难。6.2.4拉深凸耳筒形件拉深，在制件口端出现有规律的高低不平现象就是拉深凸耳。6.2.5时效开裂所谓时效开裂是指制件拉深成形后，由于受到撞击或震动，甚至存放一段时间后出现的口部开裂现象，且一般是以口端先开裂，进而扩展开来。6.3圆筒形件拉深工艺计算6.3.1变形程度和拉深系数筒形件拉深的变形程度用拉深系数表示，拉深系数是拉深工艺的基本参数。在设计冲压工艺过程与确定拉深工序的数目时，通常也是用拉深系数作为计算的依据。圆筒形件的拉深系数m是以每次拉深后的直径与拉深前的坯料(工序件)直径之比表示。

······总拉深系数m总表示从毛坯D拉深至dn的总变形程度（成品工件），即工件所需要的实际拉深系数。即：拉深系数的倒数称为拉深程度或拉深比，其值为：将上式变换一下：······拉深系数也等于拉深后工件周长与拉深前毛坯（或半成品）周长之比。当工件不是圆筒件时，其拉深系数可通过拉深前后的周长来计算。极限拉深系数就是使拉深件不破裂的最小拉深系数。其值愈大，表示拉深前后毛坯直径变化愈小，即变形程度小。其值愈小，则毛坯直径变化愈大，即变形程度大。影响极限拉深系数的因素1．材料的力学性能材料的屈强比σs/σb，材料的伸长率δ，材料的板厚方向性系数γ值。2．板料的相对厚度t/D。3．拉深条件1）模具工作部分的结构参数。2）压边条件。3）摩擦与润滑条件除此以外，影响极限拉深系数的因素还有拉深方法、拉深次数、拉深速度、拉深件形状等。极限拉深系数的确定

由于影响拉深系数的因素很多，实际生产中应用的极限拉深系数，都是在一定的拉深条件下用试验方法求出。6.3.2各次拉深的特点1）首次拉深时，平板毛坯的厚度和力学性能都是均匀的，而以后各次拉深时，筒形件毛坯的壁厚与力学性能都不均匀。

2）首次拉深时，凸缘变形区是逐渐缩小的，而在以后各次拉深时，其变形区（dn-1-dn）保持不变，只在拉深终了以前，才逐渐缩小。首次拉深时，拉深力在开始阶段较快达到最大拉深力，然后逐渐减小为零。而以后各次拉深时，其变形区保持不变，但材料的硬度与壁厚都是沿着高度方向而逐渐增加，所以其拉深力在整个拉深过程中一直都在增加，直到拉深的最后阶段才由最大值下降至零。3）以后各次拉深时的危险断面与首次拉深时一样，都是在凸模圆角处，但首次拉深时最大拉深力发生在初始阶段，所以破裂也发生在拉深的初始阶段；而以后各次拉深的最大拉深力发生在拉深的最后阶段，所以破裂就往往出现在拉深的末尾。4）以后各次拉深的变形区，因其外缘有筒壁刚性支持，所以稳定性较首次拉深为好，不易起皱。只是在拉深的最后阶段，筒壁边缘进入变形区后，变形区的外缘失去了刚性支持才有起皱的可能。以后各次拉深的方法以后各次拉深可以有两种方法：正拉深与反拉深。正拉深的拉深方向与上一次技探方向一致。反拉深的拉深方向与上一次拉深方向相反。反拉深与正拉深相比较有如下特点：1）反拉深时，材料的流动方向与正拉深相反，有利于相互抵消拉深时形成的残余应力。反拉深与正拉深相比较有如下特点：2）反拉深时，材料的弯曲与反弯曲次数较少，加工硬化也少，有利于成形。当正拉深时，位于压边圈圆角部的材料，流向凹模圆角处，内圆弧成了外圆弧，而在反拉深时，位于内圆弧处的材料在流动过程中始终处于内圆弧地位。反拉深与正拉深相比较有如下特点：3）反拉深时，毛坯与凹模接触面比正拉深大，材料的流动阻力也大，材料不易起皱，因此一般反拉深可不用压边圈，这就避免了由于压边力不适当或压边力不均匀而造成的拉裂。反拉深与正拉深相比较有如下特点：4）反拉深时，其拉深力比正拉深力大20％左右。5）反拉深的拉深系数不能太大，否则凹模壁厚过薄，强度不足。反拉深与正拉深相比较有如下特点：反拉深方法主要用于板料较薄的大件和中等尺寸零件的拉深。反拉深后圆筒的最小直径，圆角半径。下图所示为一些典型的反拉深零件。6.3.3毛坯尺寸的确定1、

确定毛坯形状和尺寸的依据（1）体积不变原理拉深前和拉深后材料的体积不变。（2）相似原理毛坯的形状一般与工件截面形状相似。

其具体的方法有：等重量法，等体积法，等面积法，分析图解法和作图法等。①重量法式中M——毛坯重量；

M`——拉深件重量；

t——毛坯厚度；

ρ——材料密度。②体积法式中V——毛坯体积；

V`——拉深件体积。③面积法式中A——毛坯面积；

A`——拉深件面积。（3）修边量拉深件高度h拉深相对高度h/d附图>0.5~0.8>0.8~1.6>1.6~2.5>2.5~4≤10>10～20>20～50>50～100>100～150>150～200>200～250>2501.01.22345671.21.62.53.856.37.58.51.522.53.856.37.58.522.54681011126.3.4拉深次数和半成品尺寸的确定1、拉深次数的确定（１）查表法（２）推算方法

1）由表查得各次的极限拉深系数；

2）依次计算出各次拉深直径，即ｄ1＝ｍ1Ｄ；ｄ2＝ｍ2ｄ1；

…；ｄｎ＝ｍｎｄｎ－１；

3）当ｄｎ≤ｄ时，计算的次数即为拉深次数。（3）计算方法拉深次数式中d——冲件直径；

D——坯料直径；

m1——第一次拉深系数；

m均——第一次拉深以后各次的平均拉深系数。

2、各次拉深工序件尺寸的确定１）工序件直径的确定确定拉深次数以后，由表查得各次拉深的极限拉深系数，适当放大，并加以调整，其原则是：（１）保证ｍ1ｍ2…ｍｎ＝（２）使ｍ1＜ｍ2＜…ｍｎ最后按调整后的拉深系数计算各次工序件直径：ｄ1＝ｍ1Ｄｄ2＝ｍ2ｄ1

…ｄｎ＝ｍｎｄｎ－１2)各次工序件的圆角半径工序件的圆角半径r等于相应拉深凸模的圆角半径rp，即r=rp。但当料厚t≥1时，应按中线尺寸计算，这时r=rp+t/2。3）工序件高度的计算根据拉深后工序件表面积与坯料表面积相等的原则，可得到如下工序件高度计算公式。计算前应先定出各工序件的底部圆角半径。例：求图所示筒形件的坯料尺寸及拉深各工序件尺寸。材料为10钢，板料厚度ｔ＝2ｍｍ。解：因ｔ＞1ｍｍ，故按板厚中径尺寸计算。（１）计算坯料直径根据零件尺寸，其相对高度为查表6-4得切边量坯料直径为代已知条件入上式得Ｄ＝98.2ｍｍ

（２）确定拉深次数坯料相对厚度为可不用压料圈，但为了保险，首次拉深仍采用压料圈。根据ｔ/Ｄ＝2.03％，查表得各次极限拉深系数ｍ1＝0.50，ｍ2＝0.75，ｍ3＝0.78，ｍ4＝0.80，…。故ｄ1＝ｍ1Ｄ＝0.50×98.2ｍｍ＝49.2ｍｍｄ2＝ｍ2ｄ1＝0.75×49.2ｍｍ＝33．9ｍｍｄ3＝ｍ3ｄ2＝0.78×33．9ｍｍ＝28.8ｍｍｄ4＝ｍ4ｄ3＝0.8×28.8ｍｍ＝23ｍｍ此时ｄ4＝23ｍｍ＜28ｍｍ，所以应该用4次拉深成形。（３）各次拉深工序件尺寸的确定经调整后的各次拉深系数为：ｍ1＝0.52，ｍ2＝78，ｍ3＝0.83，ｍ4=0.846各次工序件直径为

……

各次工序件底部圆角半径取以下数值：ｒ1＝8ｍｍ，ｒ2＝5ｍｍ，ｒ3＝4ｍｍ各次工序件高度为

……（4）工序件草图6.4拉深工艺设计6.4.1拉深件工艺性分析(1)拉深件应尽量简单、对称，并能一次拉深成形。(2)拉深件壁厚公差或变薄量要求一般不应超出拉深工艺壁厚变化规律。(3)当零件一次拉深的变形程度过大时，为避免拉裂，需采用多次拉深，这时在保证必要的表面质量前提下，应允许内、外表面存在拉深过程中可能产生的痕迹。(4)在保证装配要求的前提下，应允许拉深件侧壁有一定的斜度。(5)拉深件的底部或凸缘上有孔时，孔边到侧壁的距离应满足a≥R+0.5t(或r+0.5t)，如图6-15所示。(6)拉深件的底与壁、凸缘与壁、矩形件的四角等处的圆角半径应满足：r≥t，R≥2t，r3≥3t，如图6-15所示。否则，应增加整形工序。一次整形的，圆角半径可取r≥(0.1～0.3)t，R≥(0.1～0.3)t。(7)拉深件的径向尺寸应只标注外形尺寸或内形尺寸，而不能同时标注内、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拉深件底部为基准，若以上部为基准高度尺寸不易保证。(8)一般情况下，拉深件的尺寸精度应在IT13级以下，不宜高于IT11级。对于精度要求高的拉深件，应在拉深后增加整形工序，以提高其精度。由于材料各向异性的影响，拉深件的口部或凸缘外缘一般是不整齐的，出现拉深凸耳现象，需要增加切边工序。(9)用于拉深件的材料，要求具有较好的塑性，屈强比小、板厚方向性系数r大，板平面方向性系数∆r小。屈强比值越小，一次拉深允许的极限变形程度越大，拉深的性能越好。6.4.2拉深工艺力计算1、压料装置及压边力1)压边力压料装置产生的压边力ＦＹ大小应适当：在保证变形区不起皱的前提下，尽量选用小的压边力。理想的压边力是随起皱可能性变化而变化。任何形状的拉深件：ＦＹ＝Ap式中Ａ――压料圈下坯料的投影面积；ｐ――单位面积压料力，ｐ值可查表2)压边装置(1)弹性压边装置(2)刚性压边装置２、拉深力的计算（1）拉深力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（2）压力机公称压力单动压力机，其公称压力应大于工艺总压力Fz。工艺总压力为注意：当拉深工作行程较大，尤其落料拉深复合时，应使工艺力曲线位于压力机滑块的许用压力曲线之下。

浅拉深深拉深在实际生产中，可以按下式来确定压力机的公称压力：

6.5拉深模具设计6.5.1拉深模的分类及典型结构1、

拉深模分类拉深模的结构一般较简单，但结构类型较多：按使用的压力机类型不同，可分为单动压力机上使用的拉深模与双动压力机上使用的拉深模；按工序的组合程度不同，可分为单工序拉深模、复合工序拉深模与级进工序拉深模；按结构形式与使用要求的不同，可分为首次拉深模与以后各次拉深模，有压边装置拉深模与无压边装置拉深模，顺装式拉深模与倒装式拉深模，下出件拉深模与上出件拉深模等。例1无压边圈首次拉深模2、

拉深模典型结构模具结构特点1）不采用标准模架，结构为敞开式，制造简单，成本较低。2）不采用压边圈，适合于拉深深度较浅和不易起皱的制件。3）凹模采用嵌套式结构，结构合理，有利于模具的使用寿命。4）模具间隙需要在压力机上安装时进行调整。例2有压边装置的倒装首次拉深模模具结构特点1）不采用标准模架，结构为敞开式，制造简单，成本较低。2）采用倒装式结构，压边圈压力调节的范围较大，有利于拉深较深的制件。3）拉深时，因提供压边圈压力的装置不同，对拉深工艺的效果会产生较大的影响。4）采用限位柱，有利于防止拉深时压边圈的压力过大。5）压边圈和凹模采用锥形样式，有利于拉深时材料流动。6）模具间隙需要在压力机上安装时进行调整。例3有压边装置的正装首次拉深模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

例4落料拉深复合模模具结构特点1）模架结构标准，精度较高，制造方便，使用和安装简单。2）采用复合式结构，生产效率高，制件质量较好。3）拉伸时，因提供压边圈压力的装置不同，对拉深工艺的效果会产生较大的影响。4）由于凸凹模的内外形状和功能不同，磨损速度有较大差异，给维修工作带来了较大难度。6.5.2拉深模工作零件的设计1、凸、凹模的结构(1)无压料时的凸、凹模(2)有压料时的凸、凹模2、凸、凹模的圆角半径(1)凹模圆角半径第一次(包括只有一次)拉深的凹模圆角半径：以后各次拉深时，凹模圆角半径应逐渐减小：rdi

=(0.6~0.9)rd(i-1)(i=2、3、…、n)(2)凸模圆角半径次拉深或多次拉深的第一次拉深可取：rp=(0.7~1.0)rd以后各次拉深的凸模圆角半径可取为各次拉深中直径减少量的一半，即：(i=3、4、…、n)

3、

凸、凹模间隙对于无压料装置的拉深模，其凸、凹模单边间隙可按下式确定：Z=(1～1.1)tmax

对于有压料装置的拉深模，其凸、凹模单边间隙可根据材料厚度和拉深次数参考表确定。对于盒形件拉深模，其凸、凹模单边间隙可根据盒形件精度确定，当精度要求较高时，Z