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1、冲压模具技术,第四章 拉深,拉深是利用拉深模将平板毛坯制成开口空心件的冲压工序。经拉深成形可得到筒形、阶梯形、盒形、球形、锥形及其他复杂形状的各类工件。由于几何形状不同，因而变形区的位置、变形的性质、坯料各部分的应力、应变状态都有相当大的差别。拉深件的分类见表4-1。,第一节 圆筒形件拉深变形分析,一、拉深变形过程及特点 如图4-1所示，将圆形毛坯置于凹模上，随凸模的下行，在拉深力的作用下，凹模口以外毛坯的环形部分逐渐被拉入凹模内，最终形成一个圆筒形件。图4-1a、b分别表示无压边和有压边的拉深过程。,为了了解变形时金属流动情况，而进行坐标网格试验。通过拉深时网格的变化来了解金属流动情况，如图
2、4-2所示。将直径为D的圆形毛坯拉深成直径为d的圆筒形工件，拉深前先在平板毛坯上画一些间距都为a的同心圆和分度相等的辐射线，形成一些小的扇形网格，拉深后小于d部分的坯料变成工件的底，D和d之间的环形部分成了筒体部分。筒底部分网格基本上没有变化，而环形部分即侧壁上的网格变化很大，同心圆变成了圆筒侧壁上互相平行、直径相同的圆，而且间距a也变大了。越靠近筒的上部越大，即,网格的上述变化说明，圆筒形件拉深时底部变形小，而处于凹模平面上的环形部分变形大，变形区主要集中在凸缘区，即D与d之间的环形部分。 工件高度大于 ，说明拉深时有一部分金属向上流到口部去增加了工件的高度。,辐射线在工件侧壁变成了相互平行
3、且垂直于底部的直线，且间距相等，即,二、拉深的主要工艺问题 在拉深过程中，由于毛坯各部分受到的应力、应变状态不同，且随着拉深过程的进行还在变化，因而出现的质量问题也不同。在实际生产中，拉深工艺出现质量问题的形式主要是拉深件厚度的变化、凸缘变形区的起皱和传力区的拉裂。 (一)拉深时厚度的变化 由于拉深过程中处于不同部分的材料其应力应变状态不同，从工件底部到口部厚度方向的变形，其性质和大小都是不同的。,变形区内各点受到切向压应力3和径向拉应力1的比例是变化的，在凹模口部径向拉应力1最大，在凸缘的外缘处切向压应力3最大。变形区厚度方向的变形决定于1和3之间的比例关系，越靠近凸缘外缘，变形程度越大，板
4、厚增加越多。因而当凸缘部分全部转化为侧壁时，拉深件在侧壁的上部厚度增加的最多。从凸缘区内某处开始一直到工件底部，厚度方向都是压缩变形，只是各点变形大小不同而已。从侧壁下部的某点开始，工件的厚度开始变薄，越接近圆角，工件变得越薄，筒壁与凸模圆角相切处板料变薄最严重，所以这里是拉深时最容易被拉断的地方，通常称此断面为危险断面。拉深件厚度变化如图4-3所示。,(二)起皱 拉深时凸缘区板料出现波纹状皱折称为起皱，如图4-4所示。起皱是一种受压失稳现象。拉深时，板料相对厚度t/D越小，越容易起皱。 通常起皱首先从凸缘外边缘产生，因为凸缘外边缘处的切向压应力绝对值最大。 图4-4a所示。起皱严重时，拉深便
5、无法顺利进行。起皱部位相当于板厚增加了许多，使其进入凸模与凹模之间时不能顺利通过，并使径向拉应力急剧增大，继续拉深，会在危险断面被拉破,如图4-4b所示。,(三)拉破 在拉深过程中，当筒壁处最大拉应力超过了危险断面处材料的抗拉强度时，将在危险断面处产生拉破，如图4-5所示。,三、解决拉深主要工艺问题的方法 (一)有效压料 压边防止起皱的实质是在板料刚出现弯曲时又由压边圈压平了。在单动压力机上进行拉深加工时，必须借助压边装置中的弹性元件，使工件在受压时提供压边力。弹性元件可以是橡胶块、弹簧或气压装置。压边装置的类型如图4-6所示。弹性压边装置所提供的压边力FY随行程h变化的情况如图4-7所示。
6、为克服采用橡胶垫或弹簧垫压边时在拉深后期由于压边力过大所带来的不利影响，可以在压边圈与凹模之间用限位柱控制两者之间的间隙，如图4-8所示。其中，图a用于首次拉深，图b用于再次拉深。再拉深时允许变形程度较小，采用限位柱更有必要。,(二)再拉深与反拉深 再拉深就是首次拉深以后再进行拉深，称多次拉深。多次拉深的次数与拉深变形程度有关，具体方法参考本章第四节。 图4-9反拉深工艺反拉深的工艺过程如图4-9所示。 反拉深是将前次拉成的圆筒形工序件倒扣在凹模上，凸模从工序件底部进行反向拉深的一种方法。当凸模进入凹模时，工序件的表面将发生翻转，外表面转为内表面，内表面转为外表面。 反拉深的特点： 1)反拉深
7、时，变形集中在rd区，主要变形仍是切向压缩变形，其应力应变状态也与正拉深时基本相同。但反拉深时板料与rd区包角为180，而正拉深时一般为90。,变形材料流经rd区所受的摩擦阻力比正拉深时大，因此径向拉应力也比正拉深时大，塑性变形所需的切向压应力值可相应减小，因此反拉深不易起皱，常可不用压边。当料厚t0.5mm时必须压边。 2)正拉深后再反拉深时，材料流经rd区时受到两次反复折弯，而反拉深时材料所受到的折弯要减少一半。因此反拉深时材料硬化程度要比正拉深时低些。 3)反拉深允许变形程度可大些,即拉深系数mt可小些。必要时可取mt=(0.850.9)m2，m2为第二次正拉深系数。 4)在正拉深时，拉
8、深系数越大，拉深越容易。而反拉深时，拉深系数却不能太大。因为反拉深系数mt直接影响凹模壁厚，mt越大，凹模壁厚将越小。因此受凹模强度限制，mt不能太大。作为特例，在板料塑性较好且板厚较薄时，不用凹模，以工序件侧壁进行支撑。用反拉深法制造双层侧壁工件，则不受上述限制。,(三)辅助工序 为了保证拉深工艺过程的顺利进行，解决拉深工艺问题，提高拉深工件的尺寸精度和表面质量，提高模具的使用寿命，需要安排一些必要的辅助工序，如坯料或工序件的热处理、酸洗和润滑等。 1.润滑 2.热处理 3.酸洗,第二节 拉深件坯料尺寸的计算,一、坯料形状和尺寸确定的原则 1.截面形状相似原则2.表面积相等原则 虽然在拉深过
9、程中板料的厚度有增厚，也有减薄，但实践证明，拉深件的平均厚度与原坯料的厚度差别不大，则按照拉深前后材料的体积不变，可以认为坯料的表面积等于拉深件的表面积。 3.坯料尺寸应包括修边余量 由于拉深时材料的力学性能有方向性、模具的间隙不均匀以及毛坯定位不准确等因素的影响，拉深后工件的口部不平齐，尤其是深拉深件，甚至出现“突耳”现象。为使工件整齐，应在拉深后进行切边。因而计算坯料尺寸时，应将修边部位增加一定的修边余量。修边余量可参考表4-2和表4-3。,二、简单旋转体拉深件坯料尺寸的确定 这类拉深件坯料的截面形状是圆的，首先将其划分为若干个简单的便于计算的几何体，并分别求出各个表面积，相加后即为工件总
10、面积，然后根据面积相等原则，求出坯料直径。 在计算中，工件尺寸均按厚度中线计算，但当板料厚度小于1mm时，也可以按外形或内形尺寸计算。常用旋转体工件坯料直径计算公式见表4-4。,第三节 压边力与拉深力,一、压边力的确定 采用压边装置的目的是为防止变形区板料在拉深过程中起皱。当板料相对厚度t/D较大，变形程度较小时，可不采用压边装置，以便使模具结构简单。是否采用压边装置的条件，见表4-5。如果工件的相对料厚t/D和拉深系数m在表中可用可不用的参数范围内，可依据板料的成形性能、模具参数等工艺条件的优劣来决定是否采用压边装置。,当采用压边装置时，压边力FY值应适当，FY值太小，则防皱效果不好；FY值
11、太大，则会增大传力区危险断面的拉应力，从而引起严重变薄甚至拉裂。因此，应在保证变形区不起皱的前提下，尽量选用小的压边力。 在模具设计时，压边力可按下式计算,二、拉深力的计算 在生产中常用以下经验公式进行拉深力计算： 采用压边圈拉深时，K1、K2修正系数，其值见表4-7。,三、压力机公称压力的确定 对于单动压力机，其公称压力应大于工艺总压力。工艺总压力为,第四节 无凸缘圆筒形件的拉深,进行拉深工艺设计时，拉深件的工艺计算是一个重要的环节，其中无凸缘圆筒形件的拉深是最简单的，主要内容包括计算坯料直径、决定拉深次数、确定各次拉深工序件的尺寸等。在工艺计算中，通常用拉深系数作为计算的依据。 一、拉深系
12、数 1.拉深系数 拉深系数是指拉深后工件的直径与拉深前坯料(工序件)直径之比。如图4-10所示是用直径为D的坯料拉深成直径为dn、高度为hn的工件的工艺顺序。第一次拉深成d1和h1，第二次拉深成d2和h2，最后一次即得工件的尺寸dn和hn。图4-10圆筒形件的多次拉深其各次的拉深系数为：,dn-1dn,从以上各式可以看出，拉深系数表示了拉深前后坯料直径的变化率，其数值永远小于1。拉深系数大，表示拉深前后坯料直径变化不大，即变形程度小；拉深系数小，则坯料直径变化大，即变形程度大。 拉深件的总拉深系数为,2.极限拉深系数,极限拉深系数就是使拉深件不破裂的最小拉深系数。 极限拉深系数的数值与材料的力
13、学性能、毛坯的相对厚度t/D、凸凹模间隙及其圆角半径、摩擦与润滑等有关，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、拉深件的形状等。 在实际生产中，极限拉深系数值一般是在一定的拉深条件下用实验方法得出的，见表4-8和表4-9。,表中的m1、m2、m3分别表示第一、二、三、次拉深工序的极限拉深系数。生产中为了提高工艺稳定性，提高工件质量，必须采用稍大于极限值的拉深系数。 二、拉深次数 拉深次数通常用以下两种方法确定： 1.推算方法 由已知条件，根据表中查得的各次的极限拉深系数，依次计算出各次拉深成的工序件直径，即,2.根据工件的相对高度查表得出 由于拉深的相对高度H/d也可以表示变形
14、程度，因此根据实际拉深件的相对高度H/d和毛坯的相对厚度t/D，可从表4-10中直接查出所需的拉深次数。当实际拉深件的H/d值处于n次与n+1次之间时，应认为所需拉深次数为n+1次。 表4-10拉深件相对高度H/d与拉深次数的关系(无凸缘拉深件),三、各工序件尺寸的计算 (一)工序件直径的确定 拉深次数确定后，由表中查得的各次拉深的极限拉深系数应适当地调整，调整的原则是：,第五节 有凸缘圆筒形件的拉深,有凸缘的圆筒形件拉深时，坯料凸缘部分不是全部进入凹模口部，而是只拉深到坯料外径等于工件凸缘外径为止。图4-12所示为有凸缘的圆筒形件及其坯料图。dt/d=1.11.4时，称为小凸缘圆筒形件；dt
15、/d1.4时，称为宽凸缘圆筒形件。 当工件各部分尺寸关系不同时，有凸缘的圆筒形件的拉深中要解决的问题是不同的。拉深成形过程和工艺计算与无凸缘的圆筒形件有一定的差别，主要差别在于首次拉深。,一、拉深系数 图4-12有凸缘圆筒 形件及坯料图有凸缘的圆筒形件及坯料如图4-12所示，其拉深系数,表4-11、表4-12给出了有凸缘圆筒形件首次拉深的极限拉深系数和极限相对高度h1/d1的值。表中数据可以作为判断有凸缘圆筒形件是否能一次拉深成形的依据。,当有凸缘圆筒形件的总拉深系数即d/D大于表4-10的极限拉深系数值，或工件的相对高度h/d小于表4-11的极限相对高度时，则有凸缘圆筒形件可以一次拉深成形，
16、否则，需要多次拉深才能成形。有凸缘圆筒形件以后各次拉深的变形特点与无凸缘圆筒形件是基本相同的，各拉深系数为,mn=dndn-1(i=2、3、n)其值与凸缘宽度及外形尺寸无关，可以取与无凸缘圆筒形件的相应拉深系数相等或略小的数值，即参考表4-8、表4-9。,二、拉深次数 有凸缘圆筒形件多次拉深时，首次拉深后得到的工序件筒部直径d1应尽量小，以减少拉深次数，同时又要能尽量多的将板料拉入凹模。能保证这个条件的最适宜的直径d1可从图4-13中的曲线求得。具体做法是：首先假定一个圆筒部分的直径d，然后根据dt、D、t从曲线的两侧分别求出相对高度h/d值，为使实际拉深系数稍大于极限拉深系数，右边所得的相对高度值应稍小于左边。若成立，则直径d可作为首次拉深后的圆筒部尺寸，否则应重新假定一个d值，直到合适。 图4-13有凸缘筒形件拉深用计算曲线 以后各次的工序件的直径可以按下式计算，第n次拉深后的直径为,三、有凸缘圆筒形件的拉深方法 (一) 小凸缘圆筒形件的拉深 对于dt/d1.4的小凸缘圆筒形件，多次拉深时由于凸缘很窄，可以将小凸缘圆筒形件当作无凸缘
