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1、模块四模块四 拉深模设计拉深模设计本模块设计任务：完成下面两个拉深件模具设计任务。本模块设计任务：完成下面两个拉深件模具设计任务。 1. 无凸缘筒形件无凸缘筒形件 材料：08 钢 料厚：2mm2. 有凸缘筒形件有凸缘筒形件 材料：10 钢 料厚：1.5mm学习项目一学习项目一 拉深概述拉深概述 一、拉深的概念及应用一、拉深的概念及应用拉深（又称拉延）是利用拉深模在压力机的压力作用下，将平板坯料或空心工序件制成空心零件的加工方法，它是冲压生产中应用最广泛的工序之一。拉深可加工旋转体零件、盒形零件及其他形状复杂的薄壁零件如图1所示。它广泛用于汽车、拖拉机、仪表、电子、航空和航天等各种工业部门和日常
2、生活用品的生产中。二、拉深的分类二、拉深的分类拉深可分为不变薄拉深和变薄拉深。不变薄拉深成形后的零件，其各部分的厚度与拉深前坯料厚度相比，基本不变；而变薄拉深成形后的零件，其壁厚与原坯料厚度相比则有明显的变薄。在实际生产中，应用较多的是不变薄拉深。三、拉深模三、拉深模拉深成形所用的冲模叫拉深模。拉深模结构一般比较简单，它与冲裁模相比，凸模与凹模的工作部分均有较大的圆角，表面质量要求高，凸模与凹模的间隙一般略大于坯料厚度。图 1 拉深件示意图 a）轴对称旋转体拉深件 b）盒形件 c）不对称拉深件拉深模有许多分类方法。根据使用的压力机类型不同，可分为单动压力机上用的拉深模和双动压力机上用的拉深模；
3、根据拉深顺序可分为首次拉深模和以后各次拉深模；根据工序组合可分为单工序拉深模、复合工序拉深模、连续工序拉深模；根据压料情况可分为有压边装置和无压边装置拉深模。图2为一副有压边圈的首次拉深模，平板坯料放人定位板6内，当上模下行时，首先由压边圈5和凹模7将坯料压住，随后凸模10将坯料逐渐拉人凹模孔内进行拉深成形。成形完后，当上模回升时，弹簧4恢复，利用压边圈5将拉深件从凸模10上卸下，为了便于成形和卸料，在凸模10上开设有通气孔。在这副模具中，压边圈既起压边作用，又起卸料作用。学习项目二学习项目二 圆筒形拉深件的变形分析圆筒形拉深件的变形分析一、拉深变形过程一、拉深变形过程1宏观分析宏观分析图 3
4、 为平板圆形坯料变为筒形件的变性过程示意图。拉深凸模和凹模与冲裁不同，他们都有一定的圆角而不是锋利的刃口，其间隙一般大于板料厚度。为了说明拉深变形过程，在平板坯料上沿直径方向画出一个局部的扇形区域 oab。当凸模下压时，将坯料拉入凹模，扇形 oab 变成以下三部分：凸缘部分 abcd，变形后逐渐转化为筒壁，凸缘部分减少，筒壁部分逐渐增加，材料完成变形后由变形区转化为传力区。图 2 有压边圈的首次拉深模 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-凸模筒壁部分 cdef，在拉深过程中逐步所占比例逐步增加，其是传力区。筒底部分
5、oef，筒底部分基本不发生变形，在拉深过程中是传力区。2. 微观分析微观分析为了进一步说明拉深时金属变形过程，可进行如下实验：在圆形坯料上画许多间距都等于a的同心圆和分度相等的辐射线如图 4所示，由这些同心圆和辐射线组成网格。拉深后，在圆筒形件底部的网格基本保 持原来的形状，而在圆筒形件的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，越靠筒的上部增大越多，即aaaa321 另外，原来分度相等的辐射线变成了筒壁上的垂直平行线，其间距则完全相等，即图 3 拉深变形过程4321bbbb网格变化说明，拉深时坯料的外部环形部分是主要变形区，而与凸模底部接触的
6、部分是不变形区。如果拿网格中的一个小单元体来看，在拉深前是扇形（图4a），其面积是而在拉深后则变成矩形（图4b），其面积是。由于在拉深后，材料厚度变1A2A化很小，故可认为拉深前后小单元体的面积不变，即21AA 为什么原来是扇形的小单元体，在拉深后却变成矩形了呢？ 这是由于坯料在模具的作用下，金属内部产生了内应力，对于一个小单元来说（图 4c），径向受拉力 作用，切线方向受压应力作用，因而径向产生拉伸变形，切向产生压13缩变形，径向尺寸增加，切向尺寸减小，结果形状由扇形变成了矩形。当凸缘部分的材料变为筒壁时，外缘尺寸由初始的逐渐缩短变为；而径向尺寸由初Dd始的逐步伸长变为高度，。2/ )(dD
7、 H2/ )(dDH综上所述，拉伸变形过程可概括如下：在拉伸过程中，由于外力的作用，坯料凸缘区内部的各个小单元体之间产生了相互作用的内应力，径向为拉应力；切向为压应力。在和的共同作用下，凸缘部分金属材料产生塑性变113形，径向伸长，切向压缩，且不断被拉入凹模中变为筒壁，最后得到直径为 d图 4 拉深变形特点高度为H的筒形件。二、拉深过程中坯料内的应力与应变状态二、拉深过程中坯料内的应力与应变状态在实际生产中可发现拉深件各部分的厚度是不一致的（见图5）。一般是：底部略为变薄，但基本上等于原坯料的厚度；壁部上段增厚，越到上缘增厚越大；壁部下段变薄，越靠下部变薄愈多；在壁部向底部转角稍上处，则出现严
8、重变薄，甚至断裂。另外，沿高度方向，拉深件各部分的硬度也不一样，越到上缘硬度越高。这说明在拉深过程中的不同时刻，坯料内各部分由于所处的位置不同，它们的应力应变状态是不一样的。为了更加深刻地认识拉深过程，了解拉深过程中所发生的各种现象，有必要探讨拉深过程中材料各部分的应力应变状态。设在拉深过程中的某一时刻坯料已处于如图 6a)所示的状态。根据应力应变状态的不同，可将拉深坯料划分为五个区域，即：图 5 拉深件沿高度方向的硬度和壁厚的变化图 6 圆筒件拉深时各区的应力应变状态1.凸缘的平面部分（图6c） 这是小单元体由扇形变为矩形的区域，即拉深变形的主要区域。拉深过程主要在这区域内完成。如前所述，这
9、部分材料在径向拉应力和切向压应力的作用下，发生塑性变形而逐渐进人凹模。在厚13度方向，由于压边圈的作用，产生压应力，在一般情况下，和的绝对213值比大得多。厚度方向的变形决定于径向拉应力和切向压应力之间的213比例关系，一般材料在产生切向压缩和径向伸长的同时，厚度有所增加，越接近外缘，板料增厚越多。如果不压料或压料力较小，这时板料厚度比较大，当拉深变形程度较大，板料又比较薄时，则在坯料的凸缘部分，在切向压应力的作用下可能拱起而失稳，形成起皱现象。2. 凸缘的圆角部分（图6d） 这是位于凹模圆角部分的材料，切向受压应力而压缩，径向受拉应力而伸长，厚度方向受到凹模圆角的压力和弯曲作用。由于这里的切
10、向压应力值不大，而径向拉应力最大，而且凹模圆角越小，31则弯曲变形程度越大，弯曲引起的拉应力越大，所以有可能出现破裂。该部分也是变形区，但他是变形次于凸缘平面部分的过渡区。3.筒壁部分（图6e） 这是拉深时形成的侧壁部分，是已经结束了塑性变形阶段的已变形区。这个区受单向拉应力作用，变形是拉伸变形。4.底部圆角部分（图6f） 这是与凸缘圆角接触的部分，它从拉深开始一直承受径向拉应力和切向拉应力的作用，并且受到凸模圆角的压力和弯曲作用，因而这部分材料变薄最严重，尤其与侧壁相切的部位，所以此处最容易出现拉裂，是拉深的“危险断面”。5.筒底部分（图6g） 这部分材料与凸模底面接触，在拉深开始时即被拉入
11、凹模，并在拉深的整个过程保持其平面形状。它受双向拉应力作用，变形是双向拉伸变形。但这部分材料基本上不产生塑性变形或者只产生不大的塑性变形。筒壁、底部圆角、筒底这三部分的作用是传递拉深力，把凸模的作用力传递到变形区凸缘部分上，使之产生足以引起拉深变形的径向拉应力，因而又1叫传力区。学习项目三学习项目三 拉深件的主要质量问题拉深件的主要质量问题一、起皱一、起皱1. 起皱的概念：在拉深时，变形区压缩失稳导致起皱，是指凸缘上材料产生皱折（图7）。2. 起皱的危害：一旦失稳起皱发生，不仅拉深力、拉深功增大，而且会使拉深件质量降低，或者使拉深件过早破裂而拉深失败，有时甚至会损坏模具和设备。3. 影响拉深起
12、皱的主要因素（1）坯料的相对厚度 平板坯料在平面方向受压时，其厚度越薄Dt /越容易起皱，反之不容易起皱。在拉深中，更确切地说，坯料的相对厚度越小，变形区抗失稳起皱的能力越差，也越容易起皱。（2）拉深系数 根据拉深系数的定义m=d/D可知，拉深系数m越小，m拉深变形程度越大，拉深变形区内金属的硬化程度也越高，所以，切向压应力相应增大；另一方面，越小，拉深变形区的宽度越大，相对厚度越小，m其抗失稳能力越差。由于这两方面综合作用的结果，都使得拉深系数较小时坯料的起皱趋势加大。有时，虽然坯料的相对厚度较小，但由于拉深系数较大，拉深时并不会产生失稳起皱。例如，拉深高度很小的浅拉深件时，即属于这一种情况
13、。这就是说，在上述两个主要因素中，拉深系数显得更为重要。4. 起皱的判断 在分析拉深件的成形工艺时，必须判断该冲件在拉深过程中是否会发生起皱，如果不起皱，则可以采用不用压边圈的模具。否则，应该采用带压边装置的模具。如图8所示。在生产中常用书中表5-1来判断拉深过程是否起皱和采用压边圈。5. 防皱措施 通常的防皱措施是加压边圈，并施加合理的压料力。使坯图 7 拉深件起皱图 8 有无压边圈模具结构 a)无压边圈模具 b)带压边圈模具料可能起皱的部分被夹在凹模平面与压边圈之间，让坯料在两平面之间顺利地通过。6. 压边圈的结构（1）刚性压边圈 适用于双动压力机、液压机上拉深。也可以用于单动压力机上进行
14、拉深。双动压力机上的刚性压边圈如图9所示，其工作原理是：拉深凸模固定在压力机内滑块上，压边圈固定在外滑块上。每次冲压行程开始时，外滑块先带动压边圈下降，压在坯料的凸缘面上，并停于此位置。随后，内滑块再带动凸模下降，并进行拉深。当拉深结束后，紧跟着内滑块的回升，外滑块也带动压边圈回到上止点位置。然后，置于压力机工作台下部的顶出装置将零件从模具里顶出。刚性压边圈的适当作用，并不全是靠直接调整压边力来保证的，而要通过调整压边圈与凹模平面之间的间隙获得。当然，如果外滑块由液压缸控制，其液体压力可以调整选择，但仍应该考虑其间隙。压边圈的结构形式可有四种，如图10所示。图10a是普通平面形。图10b是平锥
15、形，这种压边圈中锥角的大小应与拉深件壁部增厚规律相适应，锥角a对边的高度一般取(0.20.5) t。平锥形压边圈不仅能使冲模的调整工作得到一定程度的简化，而且能提高拉深的极限变形程度。图10c是大锥角的锥形压边圈结构，其锥角与锥形凹模的锥角相对应，一般取其锥角。它能降低极限拉深系数，实际上是增加了坯料的中间变形4530过程，即等于增加一次中间成形锥形件的拉深工序，而这种锥形过渡使得 变形区具有更大的抗压缩失稳能力。此外，由于凸缘变形区变形的过程延长了，变形速度减慢了，有利于塑性变形的扩展和金属的流动，不易造成拉裂。图10d是圆弧形压边圈，它更适用于带凸缘筒形且凸缘直径较小而圆角半径较大的情况。
16、图 9 双动压力机用拉深模 1-凸模固定杆 2-外滑块 3-拉深凸模 4-落料 凸模兼压料板 5-落料凹模 6-拉深凹模（2）弹性压边圈 弹性压边圈结构适用于单动压力机。其工作原理如图11所示，压边圈由模具中的弹性系统托住，随着上模（拉深凹模）的下行，弹性压边圈的压边力急剧增大。这种结构产生的压边力曲线与拉深力曲线很不协调，而用气缸或液压缸的弹性压边系统，其压边力基本上是不变化的，调整也较方便些，后者的拉深效果好于前者。采用压料筋或拉深槛，同样能有效地增加径向拉应力和减少切向压应力的作用，也是防皱的有效措施。二、拉裂二、拉裂1.拉裂产生的原因与部位图12表示圆筒件拉深后的壁厚变化。在A、B两处可能产生缩颈，即拉深过程中坯料变薄最剧烈处。若径向拉应力大于材料的抗拉强度，便会在此处产生拉裂（图b13）。圆筒件拉深时产生破裂的原因，可能是由于凸缘起皱，坯料不能通过凸、凹模间隙，使增大；或者由于压边力过大，使增大；或者是变形程度太大，即拉11深系数
