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1、,第5章 拉深工艺及拉深模设计 5.1 拉深工艺与拉深件的工艺性 5.2圆筒形拉深件的工艺计算 5.3 拉深模典型结构 5.4 拉深模主要工作零件设计 5.5 拉深模设计实例,模具设计与制造,5.1 拉深工艺与拉深件的工艺性,模具设计与制造,5.1.1 拉深工艺,拉深是利用模具将平板毛坯制成开口空心零件的一种冲压工艺方法。拉深工艺生产效率高，材料消耗少，零件具有较高的强度和刚度，同时其精度也较高，是冲压加工的主要工序之一。 根据拉深件的外形结构特点以及拉深变形过程的变形力学特点，拉深件可以分为直壁旋转体拉深件、曲面旋转体拉深件、盒形件和非旋转体曲面形状拉深件等四种基本类型。,图5-2所示为圆筒
2、形拉深件的拉深过程。原始直径为D、厚度为t的圆形平板毛坯，在凸模的作用下，毛坯在凹模端面和压边圈之间变形，并被拉入凸模与凹模之间的间隙，当毛坯全部进入凸、凹模间的间隙后，即形成内径为d、高度为H的开口空心筒形件。,5.1.2 拉深变形过程,零件上高度为H的部分是由毛坯上D-d间的环形部分变形产生的，该部分的金属材料因塑性流动发生了转移。图5-3说明了毛坯在拉深过程中材料转移的情况。如果将图中阴影三角形部分去除，再将剩余部分沿直径为d的圆周折弯并围起，可以得到一个直径为d、高度为（D-d）/2的筒形件。这说明拉深后工件高度增加的h部分是由被去除的阴影三角形部分的材料发生塑性流动而来。,（1）筒底
3、部分的网格基本上保持不变； （2）筒壁部分的网格发生了明显的变化，由扇形网格A1变成了矩形网格A2； （3）原来间距相等的同心圆变成筒壁上不等间距的水平圆周线，且越往上间距越大，即a1a2a3a5； （4）原来分度相等的辐射线变成筒壁上间距相等且相互平行的垂直线，即b1=b2=b3=b5。,其中，扇形网格之所以变成了矩形网格，是因为在拉深时，扇形网格受到切向压应力3和径向拉应力1的共同作用，这就相当于扇形网格被拉着通过一个楔形槽，在直径方向被拉长，在切向被压缩，如图 5-5所示。,综上所述，在拉深变形过程中，位于凸模下面的部分成为筒形件的底部，为不变形区；毛坯的凸缘部分（毛坯外径与凸模之间的环
4、形部分）在切向压应力3和径向拉应力1的作用下，产生塑性变形，变成筒形件的直壁部分，是主要变形区。拉深过程的实质就是将毛坯凸缘部分的材料逐渐转移到筒壁部分的过程。,5.1.3 拉深件的起皱与拉裂,起皱：拉深时，如果凸缘变形区部分承受的切向压应力3过大，凸缘部分的材料便会失去稳定，在凸缘的四周沿切向产生波浪形的连续弯曲的现象。,拉深时凸缘区是否起皱与该处所受的切向压应力3的大小以及毛坯的相对厚度t/D有关。切向压应力3值越大越容易失稳起皱，由于3在凸缘的外边缘最大，起皱首先在凸缘最外缘出现。此外，毛坯相对厚度越小，凸缘宽度越大，材料弹性模量和硬化模量越小，抵抗失稳能力越小，材料也越容易起皱。,起皱
5、是拉深时的主要质量问题之一，生产中常用的防止起皱的措施就是采用压边圈。加压边圈后，材料被限制在压边圈和凹模平面间的间隙内流动，稳定性增加，因而不容易发生起皱。,拉裂：当作用在直壁上的拉应力超过材料的屈服点时，危险断面处就会产生塑性变形而变薄，当拉应力超过强度极限时，拉深件就会在此断面破裂，这种现象称为拉裂。,拉裂也是拉深时的主要质量问题之一，与材料的力学性能、变形程度、模具圆角半径和润滑条件等因素有关。在实际生产中，通常采取选用硬化指数大、屈强比小的材料，适当增加拉深凸、凹模的圆角半径，增加拉深次数以及改善润滑条件等措施来防止拉裂的产生,5.1.4拉深件的工艺性,拉深件的工艺性指拉深件在拉深工
6、序中生产的难易程度。工艺性的好坏，不仅直接影响到该零件能否用拉深的方法生产出来，而且影响到工件的质量、成本和生产周期等；产品工艺性好，不仅能满足产品的使用技术要求，同时也能够用最简单、最经济和最快捷的方法生产出来。 包括： 1对拉深件形状的要求 2对拉深件尺寸的要求 3对拉深件尺寸精度的要求,1对拉深件形状的要求 （1）拉深件的形状应尽量简单对称。深度不大的圆筒形拉深件在圆周方向上变形均匀，易于拉深，工艺性最好。其他形状的拉深件，应尽量避免轮廓的急剧变化。 （2）对于半敞开的或非对称的拉深件，应合并成对称形状，待拉深后再将其剖切成两个或多个零件。 （3）拉深件的口部允许稍有回弹，但应保证整形或
7、剖切后能达到断面及高度的尺寸要求。 （4）对于外形复杂的拉深件，需要多次拉深时，应考虑工序间毛坯定位的工艺基准。,2对拉深件尺寸的要求 （1）尽量减少工件的高度。 （2）凸缘的外轮廓应与拉深部分的轮廓形状相似。 （3）拉深件的圆角半径应合适。 对于筒形件的圆角半径，底部与壁部的圆角半径应满足rdt（rd相当于凸模半径)；凸缘与壁部的圆角半径应满足R2t，否则应增加整形工序，对于盒形件角部分的圆角半径，应满足r3t。 （4）拉深件的尺寸标注应合理。直径尺寸应明确标注必须保证的是内形尺寸还是外形尺寸，不能同时标注。高度方向的尺寸标注一般以底部为基准；若以口部为基准，则尺寸难以保证，,3对拉深件尺寸
8、精度的要求 拉深件的制造精度包括直径方向的精度和高度方向的精度。在一般情况下，拉深件的精度不应该超过表5-1表5-3中所列出来的数值。,表5-1 拉深件直径的极限偏差,表5-1 拉深件直径的极限偏差,表5-3 带凸缘拉深件高度的极限偏差,5.2圆筒形拉深件的工艺计算,模具设计与制造,在拉深过程中，由于板料各向异性，凸、凹模之间间隙不均匀，板料厚度的波动，摩擦阻力的差异以及坯料定位误差等因素的影响，使拉深件口部或凸缘周边不整齐。为此，必须增加制件的高度或凸缘的直径，待拉深后通过切边除去，该增加的部分即为修边余量。,5.2.1 修边余量的确定,因此，毛坯尺寸的计算必须将加上修边余量后的制件尺寸作为
9、计算的依据,表5-4 无凸缘圆筒形件的修边余量h （mm）,表5-5 带凸缘圆筒形件的修边余量d （mm）,5.2.2 毛坯尺寸的计算,由于拉深后工件的平均厚度与毛坯厚度差别不大，厚度的变化可以忽略不计，因此，毛坯尺寸可以按照拉深前毛坯面积与拉深后工件面积相等的原则来计算。,（1）划分几何体 为便于计算，首先将拉深件划分为圆筒、1/4凹球带、筒底等简单的几何体。常用的简单几何形状的表面积计算公式可查表5-6或设计手册。,（2）计算各简单几何体的表面积 圆筒面积 A1d(H-r) 1/4凹球带面积A22r(d-2r)8r2 /4 筒底面积A3(d-2r )2/4,（3）计算工件总面积 以上三部分
10、面积之和等于工件的总面积，即 工件总面积A= A1A2A3 （4）计算毛坯尺寸 设毛坯直径为D，毛坯面积A=D2/4 根据面积相等原则，A= A，即 D2/4= d(H-r)2r(d-2r)8r2 /4(d-2r )2/4 因此，毛坯直径为,5.2.3 拉深系数和拉深次数的计算,1拉深系数 拉深系数是指拉深后工件直径与拉深前毛坯(或工件)直径的比值，用m表示，如图5-12所示，该图说明了直径为D的毛坯经过多次拉深制成直径为dn、高度为hn的圆筒形工件的过程，其各次拉深系数分别为：,工件直径dn与拉深前毛坯直径D的比值称为拉深件的总拉深系数，总拉深系数等于各次拉深系数的乘积，即,拉深系数反映了拉
11、深变形程度的大小，拉深系数越小，说明拉深变形程度越大，相反则越小。 拉深系数是拉深工艺计算的重要基础，根据拉深系数可以确定工件的拉深次数以及各次拉深时的半成品的工序尺寸。,表5-7 无凸缘圆筒形件采用压边圈时的拉深系数,表5-8 无凸缘圆筒形件不采用压边圈时的拉深系数,从工艺的角度来看，拉深系数越小越有利于减少工序数。 但是，如果拉深系数取得过小，会使拉深件起皱、断裂或严重变薄超差。我们把材料能够拉深成形而又不被拉裂的最小拉深系数称为极限拉深系数。通常情况下，使用压边圈时第一次拉深系数在0.480.63之间，以后各次拉深时的拉深系数一般在 0.730.88之间，并且以后各次拉深系数均大于前一次
12、的值，不使用压边圈的拉深系数要大于使用压边圈的拉深系数。,2拉深次数 确定拉深次数首先应判断能否一次拉深完成。当拉深件的总拉深系数大于第一次拉深系数，即当m总m1时，零件只需要一次就可以拉深成形，否则需要进行多次拉深，具体拉深次数可通过查表法、推算法或计算法等方法确定。,（1）查表法 拉深次数可根据拉深件的相对高度hd和毛坯的相对厚度（tD）100，由表5-9查出拉深次数。,表5-9 无凸缘圆筒形件的相对高度与拉深次数的关系,（2）推算法 圆筒形件的拉深次数也可以根据毛坯相对厚度（tD）100值从表5-7、表5-8中查出m1，m2，m3，mn，从第一道工序开始依次求出半成品直径，即 d1= m
13、1D d2= m2d1= m1m2D d3= m3d2= m1 m2m3D dn= mndn-1= m1 m2m3mnD 式中：d1、d2、dn各次半成品直径（mm）； m1、m2、mn各次拉深系数； D毛坯直径（mm）。 一直计算到得出的直径值dnd（工件直径）为止，此时的n即为拉深次数。使用该方法不仅可以求出拉深次数，还可知道中间工序的相关尺寸。,3圆筒形件各次拉深的半成品工序尺寸 圆筒形件各次拉深的半成品工序尺寸主要包括各次拉深得到的半成品直径、圆角半径和高度，如图5-13所示。,（1）半成品直径 由于根据表查出的拉深系数往往要小于实际拉深系数，因此拉深次数确定以后，由表查得各次拉深的拉
14、深系数，应适当放大，保证最后一次拉深直径dn=d（零件直径）。按照调整以后的拉深系数计算各次拉深的半成品直径： d1= m1D d2= m2d1 dn= mndn-1 调整拉深系数时，后一次拉深系数要大于前一次拉深系数，即m1m2m3mn，且都大于相应各次的极限拉深系数。,（2）半成品圆角半径 除了最后一次拉深时底部圆角半径等于工件底部的圆角半径外，中间各次半成品的圆角半径等于相应的拉深凸模圆角半径。 （3）半成品高度 各工序半成品的直径和圆角半径确定以后，可以根据公式5.3计算出各工序拉深高度。,式中： hn第n次拉深后工件的高度（mm）； D毛坯直径（mm）； dn第n次拉深后工件的直径（
15、mm）； rn第n次拉深时半成品底部的圆角半径（mm）。,5.2.4 拉深工艺力的计算,拉深工艺力包括拉深力和压边力，是压力机吨位选择的重要依据。,1压边力 为了防止拉深过程中毛坯边缘或凸缘部分起皱，可以使用压边圈。材料是否起皱主要取决于毛坯的相对厚度（t/D）100，或以后各次拉深半成品的相对厚度（tdn-1）100。,表5-10 采用或不采用压边圈的条件,在拉深过程中压边力起防止起皱的作用，如果压边力过小，就不能起到压边防皱的作用，然而压边力过大，则会增加危险断面处的拉应力，使工件容易拉裂。 在保证毛坯的凸缘变形区不起皱的前提下，尽量选用较小的压边力。拉深时压边力的大小可采用以下公式计算：
16、,式中：F压压边力（N）； A压边圈内毛坯的投影面积（mm2）； q单位压边力（MPa），见表5-11； D平板毛坯直径（mm）； d1、d2、dn各次拉深工序直径（mm）； rd1、rd2、rdn各次拉深凹模的圆角半径（mm）。,2拉深力 在实际生产中常用经验公式计算拉深力，对于圆筒形拉深件，采用压边装置时拉深力可用下式计算： 第一次拉深 F拉1 =d1tbk1 以后各次拉深 F拉n=dntbk2 式中：F拉1 、F拉n各次拉深力（N）； d1、dn各次拉深后工件直径（mm）； t板料厚度（mm）； b材料的抗拉强度（MPa） k1、k2修正系数，见表5-12；,3压力机公称压力的确定 对于单动压力机来说，拉深力和压边力是同时产生的，因此压力机的公称压力
