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1、项目四 拉深工艺及模具设计,【能力目标】 能够进行一般复杂程度的拉深模的设计 【知识目标】 1.了解拉深变形过程及特点 2.熟悉拉深过程的起皱与破裂现象 3.熟悉拉深件的工艺性 4.了解圆筒形件拉深的工艺计算 5.掌握拉深模工作部分的设计 6.掌握拉深模的典型结构 一、项目引入 拉深是指利用模具将平板毛坯冲压成开口空心零件或将开口空心零件进一步改变形状和尺寸的一种冲压加工方法。拉深工艺广泛应用于汽车、拖拉机、仪表、电子、航空航天等各个工业部门和日常生活用品的生产中, 是冷冲压的基本工序之一，不仅可以加工旋转体零件,还可加工盒形零件及其他形状复杂的薄壁零件,如图4-1、4-2所示。,依据毛坯形状
2、划分拉深工艺：由平板毛坯塑变成带底的开口空心件的成形方法称之为平板（首道）拉深；由大口径空心件再塑变成为小口径空心件的成形方法称之为以后各次拉深。依据壁厚变化划分拉深工艺：拉深后制件的壁厚与毛坯厚度相比变化不大的拉深工艺称之为不变薄拉深；拉深后制件的壁厚与毛坯厚度相比明显变薄的拉深工艺称之为变薄拉深。不变薄拉深工艺在生产上广泛应用，本项目就其工艺分析与模具设计进行重点阐述。 本项目以图4-3所示的支座零件的拉深模设计为载体，综合训练学生确定拉深工艺和设计拉深模具的初步能力。 零件名称：支座 生产批量：大批量 材料：10钢 厚度：0.5mm 零件图：如图4-3所示。,二、相关知识 （一）圆筒形件
3、拉深工艺分析 1. 拉深变形过程及特点 图4-4是圆筒型件的拉深过程。直径为D、厚度为t的圆形平板毛坯经过拉深模具的拉深，得到具有内径为d、高度为h的开口直壁圆筒型件，并且h（D-d）/2。 那么圆形平板毛坯在模具的作用下到底产生了怎样的塑性流动而得到开口的空心件？图4-5表明了平板毛坯在拉深时的材料转移情况。如果不用模具，则只要去掉图8.3中的三角形阴影部分，再将剩余部分狭条沿直径的圆周弯折起来，并加以焊接就可以得到直径为d，高度 ，周边带有焊缝，口部呈波浪的开口筒形件。这说明圆形平板毛坯在成为筒形件的过程中必须去除“多余材料”。但圆形平板毛坯在拉深成形过程中并没有去除多余材料，而拉深获得的
4、工件高度大于了h，工件的壁厚增加了，因此只能认为三角形阴影部分材料是多余的材料，在模具的作用下产生了流动，发生了转移。,通过网格试验分析拉深时材料的转移，可进一步说明拉深时金属的流动情况，如图4-6所示。 拉深前，在圆形平板毛坯上画出由等间距为a的同心圆和等分度的辐射线组成的网格。拉深后，可以看到不同区域的网格发生了不同程度的变化，以下通过网格的变化分析金属在拉深过程中流动情况： （1）筒形件底部的网格基本上保持原来的形状，说明凸模底部的金属没有明显的流动。 （2）切向不等径的同心圆转变为筒壁上平行的同周长圆，间距a增大，愈靠近筒的上部增加越多 ，说明金属径向应变为拉应变，越靠近外圆的金属径向
5、流动越大。 （3） 径向等分度的同心辐射线转变为筒壁上平行的竖直线，且竖直线间距相等均为 b。说明切向应变为压应变，越靠近外圆的金属切向流动越大。 （）如图4-6b所示，若从网格取一单元体，在拉深前是扇形网格，面积为A1，拉深后变为矩形网格，面积为A2，相当于在一个楔形槽中拉着扇形网格通过一样，受到切向压应力和径向拉应力的作用，金属产生径向伸长变形和切向压缩变形形成矩形网格。,（）经测量获知，底部厚度略有变小（一般忽略不计），筒壁厚度由底部向口部逐渐增厚，如图4-7所示，说明筒壁口部变形程度大，转移金属量多。但因为获得拉深件的厚度平均值与毛坯厚度几乎相等，忽略微小的厚度变化可近似认为拉深前后小
6、单元的面积不变，即A1=A2，说明拉深前后毛坯与工件的表面积相等。 此外，由于毛坯各处的变形程度不同，加工硬化程度也不同，则沿高度方向筒壁各部分的硬度也不同，越到零件口部硬度越高，如图4-7所示。 综上所述，拉深变形时的变形特点为: （1）位于凸模下面的材料基本不变形，拉深后成为筒底，变形主要集中在位于凹模表面的平面凸缘区（即D-d的环形部分），该区是拉深变形的主要变形区。 （2）变形区的变形不均匀，沿切向受压而缩短，沿径向受拉而伸长，越往口部，压缩和伸长的越多。在口部板料的厚度增加。,2. 拉深过程中的应力与应变 通过分析板料在拉深过程中的应力与应变，将有助于拉深工作中工艺问题的解决和保证产
7、品质量。在拉深过程中，材料在不同的部位具有不同的应力状态和应变状态。筒形件是最简单、最典型的拉深件。图4-8是筒形件在有压边圈的首次拉深中某一阶段的应力与应变情况。图中： ，径向的应力与应变； ，厚度方向的应力与应变； ，切向的应力与应变。 图4-8 拉深过程中的应力与应变状态 根据应力与应变状态的不同，可将拉深毛坯划分为五个区域：区为凸缘部分，是拉深工艺的主要变形区；区为凹模圆角部分，是一个过渡区域；区为筒壁部分，起传递力的作用；区为凸模圆角部分，也是一个过渡区域；区是筒形件的底部，可认为没有塑性变形。,在筒壁与底部转角处稍上的地方，由于传递拉深力的截面积较小，因此产生的拉应力 较大。同时，
8、在该处所需要转移的材料较少，故该处材料的变形程度很小，加工硬化较低，材料的强度也就较低。而与凸模圆角部分相比，该处又不像凸模圆角处那样存在较大的摩擦阻力。因此在拉深过程中，在筒壁与底部转角处稍上的地方变薄便最为严重，成为整个零件强度最薄弱的地方，通常称此断面为“危险断面”。若危险断面上的应力 超过材料的强度极限，则拉深件将在该处拉裂。或者即使没有拉裂，但由于应力过大，材料在该处变薄过于严重，以致超差而使工件报废。 从上述分析可知，拉深时的主要质量问题是平面凸缘区的起皱和“危险断面”的拉裂。,3.拉深过程中的起皱与破裂 （1）起皱 在拉深时，由于凸缘材料存在着切向压缩应力 ，当这个压应力大到一定
9、程度时板料切向将因失稳而拱起，这种在凸缘四周沿切向产生波浪形的连续弯曲称为起皱，如图4-9(a)所示。当拉深件产生起皱后，轻者凸缘变形区材料仍能被拉进凹模，但会使工件口部产生波纹, 如图4-9(b)所示，影响工件的质量。起皱严重时，由于起皱后的凸缘材料不能通过凸、凹模间隙而使拉深件拉裂,如图4-7(c)所示。起皱是拉深中产生废品的主要原因之一。 拉深时是否起皱与 大小有关，也与毛坯的相对厚度t/D有关，而 与拉深的变形程度有关。当每次拉深的变形程度较大而毛坯的相对厚度t/D较小时就会起皱。防止起皱最有效的措施（也是生产中最常用的）是采用压边圈。当然减小拉深变形程度，加大毛坯厚度也可以降低起皱倾
10、向。,（2）破裂 起皱并不表示板料变形到达了极限，因为通过加压边圈等措施后变形程度仍然可以提高。随着变形程度的提高变形力也相应地增大，当变形力大于危险断面的承载能力时拉深件则被拉破,如图4-10所示，因此危险断面的承载能力是决定拉深能否顺利进行的关键。 拉深时危险断面是否被拉破，取决于材料的性能、变形程度的大小、模具的圆角半径、润滑条件等。生产实际中通常选用硬化指数大、屈强比小的材料进行拉深，采用适当增大拉深凸、凹模圆角半径，增加拉深次数，改善润滑等措施来避免拉裂的产生。,（3）硬化 拉深过程是一个毛坯发生塑性变形的过程，必然伴随有加工硬化发生，所以拉深后获得的工件相较于毛坯，硬度和强度有所增
11、加，塑性和韧性有所下降。通过网格试验，可知拉深过程中各个区域的毛坯变形是不均匀，由底部的小变形区向筒口凸缘的主要变形区过渡，因而拉深后变形材料的性能也是不均匀的，拉深件硬度的分布由底部向口部是逐渐增加的（见图 4-7），而且在凸模圆角附近出现了加工硬化最不充足的危险断面。这恰好与工艺要求相反，从工艺角度看，为防止拉深过程中出现拉裂现象，拉深件底部硬化要大，而口部硬化要小。 拉深件由于产生了加工硬化其强度和刚度高于毛坯材料，是有利于提高拉深件的使用寿命的。但在设计多次拉深时，拉深件塑性降低又使半成品毛坯进一步拉深时变形困难，所以应正确选择各次的变形程度，并考虑半成品件是否需要退火以恢复其塑性。特
12、别是对一些硬化能力强的金属（不锈钢、耐热钢等）更应注意，例如不锈钢1Cr18Ni9Ti在塑性变形中对冷作硬化非常敏感，发生了很小程度的变形，就会使其硬度和强度增加的很明显，所以往往不能选择此种类型的毛坯进行多次拉深。,（）突耳 筒形件拉深时，在拉深件口端出现有规律的高低不平的现象叫突耳。产生突耳的原因是板材的各向异性，在板厚方向性系数低的方向，板料变厚，筒壁高度较低；在板厚方向性系数高的方向，板料厚度变化不大，筒壁高度较高。拉深时，板平面方向性系数r越大，凸突耳现象越严重。 4. 拉深件的工艺性 拉深件的工艺性是指拉深件对拉深工艺的适应性，这是从拉深加工的角度对拉深产品设计提出的工艺要求。具有
13、良好工艺性的拉深件，能简化拉深模的结构，减少拉深的次数、提高生产效率。拉深件的工艺性主要从拉深件的结构形状、尺寸、精度及材料选用等方面提出。 （1）拉深件的公差等级 一般拉深件的尺寸精度不宜要求过高，应在IT13级以下，不宜高于IT11级。如果公差等级要求高，可增加整形工序达到尺寸要求。拉深件由于各处变形不均匀，上下壁厚变化可达 ，t为板料厚度。对于不变薄拉深，壁厚公差要求一般不应超出拉深工艺壁厚变化规律。,（2）拉深件的形状与尺寸 1） 设计拉深件时，不能同时标注内外形尺寸，产品图上的尺寸应注明必须保证外形尺寸或內形尺寸；带台阶的拉深件，其高度方向的尺寸标注一般应以底部为基准，若以上部为基准
14、，高度尺寸不容易保证；筒壁和底面连接处的圆角半径只能标注在內形。 2）拉深件形状应尽量简单、对称，尽可能一次拉深成形。轴对称拉深件在圆周方向上的变化是均匀的，模具加工容易，其工艺性最好；尽量避免采用非常复杂的和非对称的拉深件，并尽量避免急剧的轮廓变化；对半敞开的或非对称的空心件，应能组合成对进行拉深，然后将其切成两个或多个零件，如图4-11所示，以改善拉深时的受力状况 。 3）拉深件各部分尺寸比例要恰当。应该尽量避免设计宽凸缘和深度大的拉深件（即 ），因为这类零件需要较多的拉深次数，需要中间退火；拉深件凸缘的外形最好与拉深部分的轮廓形状相似 ；凸缘的宽度要保持一致，因为不一致不仅使拉深困难，增
15、加工序次数，还需放宽切边余量，增加金属消耗。,4）在凸缘面上有下凹的拉深件，如图4-12所示，如下凹的轴线与拉深方向一致，可以拉出。若下凹的轴线与拉深方向垂直，则只能在最后校正时压出。 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：ard+0.5t（rp+0.5t），如图4-12所示；,6）在保证装配的前提下，应允许拉深件侧壁有一定的斜度；需要多次拉深时，在保证必要的表面质量的前提下，应允许拉深件内外表面存在拉深过程中产生的印痕。除非零件有特殊要求，才通过整形或赶形的方法来消除印痕。 （3）拉深件的高度 设计拉深件时应尽量减少其高度，使其可能用一次或两次拉深工序来完成。对于各种形状的
16、拉深件，用一次工序可拉成的条件为： 1）圆筒件一次拉成的高度见表4-1。 2）对于盒形件一次拉成的条件为：当盒形件角部的圆角半径 （式中为盒形件的短边宽度）时，拉深件高度 。 3）对于凸缘件一次拉成的条件为：零件的圆筒形部分直径与毛坯的比值 。,（4）拉深件的圆角半径 拉深件凸缘与筒壁间的圆角半径应取 2 ，为便于拉深顺利进行，通常取 (48) ；当 2 时，需增加整形工序。 拉深件底与筒壁间的圆角半径应取 2 ，为便于拉深顺利进行，通常取 (35) ；当零件要求 时，需增加整形工序。 （5）拉深件的材料选用 用于拉深的材料一般要求具有较好的塑性、低的屈强比、大的板厚方向性系数和小的板平面方向性。 （二） 圆筒形件拉深的工艺计算 拉深工艺计算包括：毛坯尺寸的确定
