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1、冲压工艺与模具设计Stamping Technology and Mould Design,第4章 拉深工艺与模具设计,2,第4章 拉深工艺与模具设计,拉深利用专用模具将平板毛坯制成开口空心工件。拉深用拉深可以制得筒形、阶梯形、锥形、球形、方盒形以及其他形状复杂的零件：本章主要讨论圆筒形零件的拉深,3,第4章 拉深工艺与模具设计,【主要内容】拉深的变形过程 拉深过程的力学分析 拉深系数和影响拉深系数的因素 圆筒形件拉深工艺计算 拉深中辅助工序的安排【重点】拉深变形机理变形程度和拉深系数圆筒形件拉深工艺计算,4,4.1 拉深过程分析,一、拉深变形过程 拉深变形过程 凸缘材料的变形过程用坐标网格实
2、验法来说明拉深过程中金属的流动情况：,5,4.1 拉深过程分析,等间距同心圆和等分度辐射线划出的扇形网格底部网格基本保持原状，筒壁网格则变化很大：同心圆筒壁上的水平圆圈线，且间距增大，越靠近筒口间距越大（）径向伸长分度相等的辐射线筒壁上间距相等的垂直平行线（）切向压缩坯料变形情况：原始直径为D的平板毛坯圆筒毛坯环形部分（外径D内径d）工件直壁环形区域为变形区直径为d的圆盘部分圆筒底部不参加变形，为不变形区被拉入凸、凹模之间的直壁部分已完成变形的部分，为传力区,6,4.1 拉深过程分析,二、拉深时的应力、应变状态按应力、应变状态的不同分成五个部分：平面凸缘部分凹模圆角部分筒壁部分凸模圆角部分圆筒
3、底部,7,4.1 拉深过程分析,1、平面凸缘部分主要变形区应力状态：径向 拉应力 切向 压应力 厚向 压应力 三向应力状态 和 的绝对值要比 大得多，且从凸缘外边向内 和 的值是变化的：由0最大，而 由最大最小。,8,4.1 拉深过程分析,应变状态：可根据体积不变定律和全量理论来确定：在凸缘外区，是绝对值最大的主应力（压应力）是绝对值最大的压应变 为拉应变 在凸缘内区靠近凹模圆角处，是绝对值最大的主应力（拉应力）是绝对值最大的拉应变 为压应变,9,4.1 拉深过程分析,2、凹模圆角部分（凸缘圆角部分）过渡区应力状态：径向 拉应力 切向 压应力 厚向 压应力相当于拉弯应变状态：是绝对值最大的拉应
4、变 是压应变,10,4.1 拉深过程分析,3、筒壁部分传力区应力状态：径向 拉应力 切向 拉应力（切向收缩受凸模阻碍）厚向 压应力应变状态：径向 拉应变 切向（受凸模 阻碍，变形无法实现）厚向 压应变,11,4.1 拉深过程分析,4、凸模圆角部分（底部圆角部分）过渡区应力状态：径向 拉应力 切向 拉应力 厚向 压应力相当于拉弯应变状态：径向 拉应变 切向（受凸模 阻碍，变形无法实现）厚向 压应变,12,4.1 拉深过程分析,5、圆筒底部不变形区 应力状态：径向 拉应力 切向 拉应力 厚向 应变状态为：径向 拉应变 切向 拉应变 厚向 压应变 但由于凸模圆角及端面摩擦力的阻碍作用很大制约了底部的
5、拉伸圆筒底部变形很小，可忽略不计。,13,4.1 拉深过程分析,三、拉深变形中的特殊问题 1.起皱 受切向压应力 的作用，凸缘部分，特别是凸缘外边部分的材料可能会失稳，而沿切向形成高低不平的皱折(拱起)：类似于压杆的失稳 起皱,14,4.1 拉深过程分析,15,4.1 拉深过程分析,起皱的危害表现在三个方面：厚度尺寸加大，很难通过凸、凹模间隙拉入凹模，故容易使毛坯所受拉力过大而断裂报废。使模具磨损加剧，模具的寿命大为降低。皱纹在工件的侧壁上保留下来，影响零件的外观质量。拉深时会不会起皱，取决于下列几方面主要因素：(1)凸缘部分的相对厚度 凸缘部分相对厚度小，板料抗纵向弯曲能力小，就容易起皱。（
6、相当于压杆的直径小）(2)切向压应力的大小 的大小取决于变形程度。变形程度大，需要转移的剩余材料多，则 大，就容易起皱。,16,4.1 拉深过程分析,(3)凹模工作部分几何形状 与平端面凹模相比，锥形凹模允许用相对厚度较小的毛坯而不起皱：,17,4.1 拉深过程分析,锥形凹模拉深：,18,4.1 拉深过程分析,生产中可用下述条件概略估算无压边圈拉深时是否会起皱：用平端面凹模拉深时：首次拉深,以后各次拉深,用锥形凹模拉深时：首次拉深,以后各次拉深,19,4.1 拉深过程分析,若不满足上述条件就要起皱，须采取措施。生产中防止起皱的有效措施是采用压边圈：弹性压边装置刚性压边装置板料被强迫在压边圈和凹
7、模平面间的间隙中流动，稳定性得到加强。但加压边圈后拉深阻力增加了。,20,4.1 拉深过程分析,多道工序拉深时，也可用反向拉深防止起皱：反向拉深反向拉深时毛坯与凹模的包角为，板材沿凹模流动的摩擦阻力和变形抗力显著增大，从而使径向拉应力增大，切向压应力的作用相应减小，能有效防止起皱，但拉深力增大，易产生拉裂。,21,4.1 拉深过程分析,2.拉裂筒壁与底部转角稍上部位的材料易被拉断。拉裂拉深后得到的工件，其厚度沿底部向口部是不同的：,22,4.1 拉深过程分析,侧壁上部的厚度增加最多，约为30；筒壁与底部转角稍上的部位厚度最小，厚度减少了将近10，变薄最严重最容易被拉裂的地方称为“危险断面”。3
8、.硬化不均匀且与工艺要求相反 拉深中的主要问题是起皱和拉裂，但一般情况下起皱不是主要难题，只要采用压边圈后即可解决，主要的问题是拉裂。,23,4.2 拉深过程的力学分析,一、凸缘变形区的应力分析1.拉深中凸缘变形区的应力分布设用半径为 的板料毛坯拉深半径为 的圆筒形零件(图a)如 忽略不计，则只需求 和 的值，变形区的应力分布就清楚了。,24,4.2 拉深过程的力学分析,由平衡条件和塑性方程，可以求出：当拉深进行到某瞬时，凸缘变形区的外径为。把变形区内不同点的半径 代入上面公式，就可以得到各点的应力（图b)。,变形区材料的平均抗力,25,4.2 拉深过程的力学分析,可以发现：在变形区内边缘处（
9、）最大：而 最小，其值为：在变形区外边缘处（）最大：而 最小，其值为0。,26,4.2 拉深过程的力学分析,由上可知：从凸缘外边缘向里，由低到高变化，则由高到低变化，因而在凸缘区内必有一处 与 的绝对值相等(图b)。由得,27,4.2 拉深过程的力学分析,用 所作出的圆将凸缘区分成内区、外区两部分：在内区，拉应力占优势（），则拉应变 为绝对值最大的主应变，厚度方向的变形 是压缩变形。在外区，压应力占优势()，则压应变 为绝对值最大的主应变，厚度方向上的变形 是拉伸变形。2.拉深过程中、的变化规律了解拉深中 和 如何变化、何时出现最大值，这对防止拉深时起皱和破裂是很必要的。,28,4.2 拉深过
10、程的力学分析,(1)的变化规律把不同时刻的凸缘半径 及平均抗力 代入式就可求得不同时刻的。把不同 值所对应的 连成曲线，即为整个拉深过程中凹模入口处径向拉应力 的变化规律（图c):,29,4.2 拉深过程的力学分析,开始拉深时，则：随着拉深的进行 逐渐增大，大约进行到 时，便出现最大值，以后随着拉深的进行，又逐渐减小，直到拉深结束 时，减小为零。,30,4.2 拉深过程的力学分析,(2)的变化规律 只与材料有关，随着拉深的进行，变形程度增加，硬化加大，增大，则 也增大。毛坯有起皱的危险,31,4.2 拉深过程的力学分析,(3)拉深中起皱的规律拉深过程中何时凸缘会起皱取决于 和凸缘相对厚度这两个
11、因素综合的结果：凸缘外边缘的切向压应力在拉深中是不断增加的，这会增加失稳起皱的趋势；由于随着拉深的进行凸缘变形区不断缩小，材料厚度不断增大，凸缘的相对厚度是逐渐增大的，这又提高了材料抵抗失稳起皱的能力。实验证明：起皱的规律与 的变化规律相似，凸缘失稳起皱最强烈的时刻基本上也就是出现 的时刻即 时。,32,4.2 拉深过程的力学分析,二、筒壁传力区的受力分析拉深时除了变形区需要变形力 外，还需要克服其他一些附加阻力：压边力引起的摩擦力材料流过凹模圆角的摩擦阻力 可近似按皮带与带轮的滑动摩擦理论来计算：材料绕过凹模圆角的弯曲阻力,33,4.2 拉深过程的力学分析,由此，通过凸模圆角处“危险断面”所
12、传递的径向拉应力为：此式把影响拉深力的因素如拉深变形程度、材料性能、零件尺寸、凹模圆角半径、压边力及润滑条件等都反映出来了，有利于研究和改善拉深工艺。,34,4.2 拉深过程的力学分析,在拉深中是随 的变化而变化的。当凸缘的外缘半径 时，达到最大值。又故拉深中若 超过了危险断面的抗拉强度，便会产生拉裂。最大拉深力：,35,4.3 拉深系数和影响拉深系数的因素,一、概念和意义圆筒形件的拉深系数拉深后工件的直径与拉深前毛坯(半成品)的直径之比，即：对多次拉深的各次拉深系数分别为：总拉深系数（工件直径与毛坯直径之比）：拉深系数也等于拉深后工件周长与拉深前毛坯周长之比。,36,4.3 拉深系数和影响拉
13、深系数的因素,拉深时毛坯外边缘切向压缩变形量为：拉深系数的大小反映了拉深过程中的变形程度，拉深系数越小，表示拉深前后毛坯直径变化越大，即变形程度越大。作为衡量拉深时变形程度的指标，m是拉深工艺的一个重要的工艺参数，是拉深工艺计算的基础。极限拉深系数材料既能拉深成形又不被拉裂时的拉深系数。,37,4.3 拉深系数和影响拉深系数的因素,二、影响极限拉深系数的因素 1.材料的机械性能方面(1)塑性越好、屈强比越小对拉深越有利，极限拉深系数越小。原因：小材料容易变形，变形区抗力小；而 大则危险断面处强度高，不易破裂。(2)材料的厚向异性系数和硬化指数大时拉深性能好，极限拉深系数较小。原因：厚向异性系数
14、大时，板平面方向比厚度方向变形容易，拉深时变形力小，不易起皱，传力区不易拉破。硬化指数大则抗局部颈缩失稳能力强，变形均匀，板料总体成形极限提高。,38,4.3 拉深系数和影响拉深系数的因素,2.模具方面(1)模具间隙 间隙小时，材料进入间隙后的挤压力大，摩擦力增加，导致拉深力大。(2)凹模圆角半径 凹模圆角半径越小，材料沿圆角部分流动阻力越大拉深力加大。(3)凸模圆角半径 凸模圆角半径过小时，毛坯在此处弯曲变形大，使危险断面强度过多地削弱。,39,4.3 拉深系数和影响拉深系数的因素,(4)凹模形状 图示锥形凹模中，支撑材料变形区的部位是锥面而不是平面，防皱效果好，可以减小包角，从而减小材料流
15、过凹模圆角半径时的摩擦阻力和弯曲变形。,40,4.3 拉深系数和影响拉深系数的因素,3.拉深条件(1)有无压边圈 使用压边圈时，不易起皱，故有压边圈时的拉深系数可比无压边圈时的小。但压边力过大时，会增加拉深阻力，易产生拉裂。因此在确定压边力时，应在保证凸缘不起皱的前提下尽可能小。(2)拉深次数 需多次拉深的零件，由于拉深过程中存在加工硬化，所以当无中间退火工序时，拉深系数应逐渐增大。(3)润滑情况 润滑好时，板料与压边圈及凹模端面的摩擦小，拉深阻力小，因此极限拉深系数可小些。,41,4.3 拉深系数和影响拉深系数的因素,4.工件方面(1)板料的相对厚度-重要的影响因素相对厚度大时，凸缘抗失稳起
16、皱能力提高，因而压边力减小，甚至不要摩擦阻力减小，变形抗力减小，故极限拉深系数可减小。(2)工件形状工件形状不同，应力与应变状态不同，极限拉深系数也不同。工件形状越简单，极限拉深系数越小。,42,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,一、修边余量由于板料各向异性、模具间隙分布不均匀、摩擦阻力不匀及毛坯定位不准确等因素的影响，使拉深件的口部或凸缘周边不整齐，这就需要在拉深后安排修边工序加以修整。为此，需留出修边余量。修边量根据零件的高度查有关手册确定。,43,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,二、毛坯尺寸的计算1.计算原理 有两种：(1)体积不变原理拉深前后板料的体积不变对于不变薄拉深，可按拉深前后面积
17、相等计算等面积法。(2)相似原理毛坯的形状一般与工件截面形状相似2.筒形零件毛坯尺寸的计算计算方法有等重量法、等体积法、等面积法、分析图解法和作图法等，生产中应用最多的是等面积法。现介绍等面积法：(1)形状简单的旋转体拉深件按毛坯面积等于拉深件的中性层面积来确定毛坯尺寸。常用旋转体拉深件毛坯直径的计算公式可查有关手册。,44,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,(2)形状复杂的旋转体拉深件“久里金”法则任何形状的母线旋转一周所得旋转体的面积等于该母线的长度与其形心绕该轴线旋转一周周长的乘积。,母线 绕 轴旋转一周所得旋转体的面积为：,45,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,求旋转体拉深件毛坯尺寸的步
18、骤：(1)沿厚度中线把零件轮廓线分解成直线段、圆弧段或其它形状的曲线段（最简单要素，不能再分），并计算出各线段的长度。(2)确定每一线段的形心，并确定其到转轴的距离。(3)毛坯直径：,46,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,三、拉深次数及每次的拉深系数 两种方法：推算法和查表法1.推算法按各次拉深系数推算出拉深次数（1）计算毛坯相对厚度，按 查表得各次拉深的极限拉深系数（2）计算总拉深系数（3）比较 与 的大小:若，工件可以一次拉成；若，则需要多次拉深，可按下述步骤确定拉深次数及每次的拉深系数：,47,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,把毛坯直径依次乘以查出的极限拉深系数，得各次半成品的直径，直到
19、算出的直径 为止，则 的下标n即为拉深次数。按 对各次拉深系数进行调整，使实际采用的拉深系数大于极限拉深系数，即，且有：调整好后重新计算各次拉深后的直径2.查表法按相对高度 直接查表确定。,48,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,四、压边力和拉深力的计算1压边力的计算压边力大小应适当，太小时，坯料起皱；太大时，则增大了摩擦力，拉深力增大，易造成工件危险断面处严重变薄，甚至开裂：压边力的计算公式可查冲压手册。生产中，第一次拉深时的压边力也可按拉深力的14选取。,49,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,2拉深力的计算 经验公式：有压边拉深圆筒件：首次拉深 以后各次拉深、为修正系数，由表4-20查得。压
20、力机的总压力，且应满足：浅拉深时深拉深时,50,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,3拉深功拉深工序的工作行程通常都较长，因而消耗的功可能很大，时常也作为设备选择的依据。计算公式为：首次拉深 以后各次 平均变形力与最大变形力的比值 第一次和以后各次的拉深高度所需压力机的电机功率按下式计算：不均衡系数，取；压力机每分钟行程次数 电机功率应大于上述计算值。,51,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,五、拉深模工作部分的设计1凹模圆角半径 大的 可以降低极限拉深系数，而且还能提高拉深件质量。但 太大，会使圆角处在拉深初期毛坯不与模具表面接触，处于压边圈作用之外的毛坯宽度加大。由于这部分材料不受压边力作用，因
21、而容易起皱（外皱）；在拉深后期毛坯外边缘也会过早脱离压边圈作用而起皱，使拉深件质量变差。,52,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,首次拉深 最小值为:以后各次拉深:且,53,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,2凸模圆角半径 过小时，则毛坯在凸模圆角处弯曲变形大，使危险断面易产生裂纹，极限拉深系数增大；过大时，会使圆角处在拉深初期不与模具表面接触，处于压边圈作用之外的毛坯宽度增加，因而这部分材料也容易起皱(内皱)。经验公式：首次拉深以后各次最后一次拉深时取，但不得小于料厚。若，需通过增加镦圆角的整形工序获得。,54,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,3凸、凹模间隙(1)间隙的大小间隙过小时，变形阻力增
22、加，与模具表面之间的接触压力加大，摩擦磨损增大，从而引起拉深力增大，零件变薄严重，模具寿命降低。但间隙小时得到的零件侧壁平直而光滑，质量较好，精度较高。间隙过大时，对毛坯的校直和挤压作用变小，因而拉深力降低，模具的寿命提高。但零件的质量变差，侧壁不直，形成弯曲形状：,55,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,确定间隙大小的原则：既要考虑板料本身的尺寸公差，又要考虑板料在拉深过程中的增厚现象。因此，间隙一般比毛坯厚度略大一些。计算公式：无压边圈时有压边圈时 c增大间隙系数对精度要求高的零件，可采用负间隙拉深：注意：拉深力要比一般情况增大20，因此要加大拉深系数。,56,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算
23、,(2)间隙的方向 按下述原则确定：对于最后一道工序，当工件标注外形尺寸时，以凹模为基准件，间隙取在凸模上。当工件标注内形尺寸时，以凸模为基准件，间隙取在凹模上。对于其它各中间工序，间隙方向不作规定，通常取在凸模上。,57,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,4凸、凹模尺寸的确定应考虑模具的磨损和工件的回弹。拉深模磨损严重的是凹模，凸模磨损很小；工件的回弹趋势一般是口部向外扩张。分两种情况：(1)对多次拉深的中间工序，工件尺寸没有必要给以严格控制，此时模具的尺寸只要取等于该工序的工件尺寸即可，而且基准件可任选。若以凹模为基准件，则凹模尺寸凸模尺寸,58,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,(2)对于一
24、次拉深及多次拉深的最后工序当工件标注外形尺寸时（图a）：凹模为基准件 凸模尺寸当工件标注内形尺寸时（图b）：凸模为基准件 接近于平均值 凹模尺寸,59,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,5凸、凹模结构凸、凹模的结构形式对拉深时的变形情况和变形程度的大小以及产品的质量均有重要影响。(1)毛坯的相对厚度大、不易起皱，不用压边圈拉深时，应采用锥形凹模。(2)当毛坯的相对厚度小，必须采用压边圈时，模具应采用图示的结构：,60,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,a)为圆角结构形状，用于 的工件b)为斜角结构形状，用于 的工件,61,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,这种有斜角的模具不仅可改善金属的流动、减少变
25、形抗力、材料不易变薄，还可减轻毛坯反复弯曲变形、提高零件侧壁质量、使毛坯在下次工序中易定位。(2)为获得底部平整的拉深件，对圆角模，其最后拉深工序的凸模圆角的圆心应与前道拉深的凸模圆角的圆心位于同一条中心线上；对斜角模，则倒数第二道工序的凸模底部斜线应与最后拉深工序的凸模圆角相切，如图所示：,62,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,63,4.4 圆筒形零件拉深工艺计算,(3)拉深凸模应有通气孔：,64,4.5 拉深中辅助工序的安排,多工序拉深时，要适当安排一些辅助工序。较为重要的辅助工序有润滑、退火和酸洗。一、润滑拉深过程中，板料在凹模表面滑动时会产生很大的摩擦，增大了拉深力和工件侧壁上的拉应力
26、，因而对拉深过程是不利的，容易产生拉裂，同时还会加剧凹模的磨损，降低模具寿命。润滑对拉深工作影响很大，因此拉深时通常都需进行润滑，而且还要正确润滑：在凹模圆角、平面、压边圈表面及相应的毛坯表面应每隔一定周期均匀抹涂一层润滑剂，而在凸模表面及与凸模接触的毛坯表面则禁涂润滑剂。,65,4.5 拉深中辅助工序的安排,二、退火拉深中板料经受很大的塑性变形，因而会产生严重的加工硬化。同时，由于塑性变形不均匀，拉深后材料内部还存在残余应力。加工硬化在多次拉深时，使板料的进一步变形困难。残余应力使工件变形或龟裂。安排退火工序：工序间退火（去硬化）常采用低温退火（钢 左右，再结晶温度）或高温退火（钢 以上，高
27、于上临界点）。完工后退火（去应力）采用低温退火。,66,4.5 拉深中辅助工序的安排,拉深时是否需要工序间退火取决于材料性质及变形程度。对于普通硬化材料（如08、10、15及形变铝合金等），可以拉深 次而不进行工序间退火。对于硬化明显的金属（如不锈钢、耐热钢等），在拉深 次后就需进行中间退火。,67,4.5 拉深中辅助工序的安排,不论是工序间的退火，还是最后消除应力的退火，都应尽可能地立即进行。否则，由于存放时间太长，工件在内应力作用下易产生变形或开裂，特别是用不锈钢、耐热钢及黄铜生产的拉深件更是如此。值得注意的是，退火工序使生产周期延长，成本增加，因此应尽可能避免。生产中可以通过增加拉深次数
28、减小每次拉深的变形程度来减少退火工序。这样做尽管增加了工序数量，一般也比安排退火经济。（退火后还需酸洗）,68,4.5 拉深中辅助工序的安排,三、酸洗酸洗的目的是清除工件表面的氧化皮和其他污物。一般工件退火后都要安排酸洗工序。酸洗是在加热的稀酸液中浸蚀后，用冷水漂洗，再在弱碱溶液中和残留的酸液，然后用热水洗涤、烘干。酸洗液配方可由冲压手册查得。,69,第4章 拉深工艺与模具设计,思考题1.拉深中按应力、应变状态不同可把毛坯分成哪几个区域？为什么把与凸模圆角相接触的部分称为“危险断面”？2.什么是起皱现象？为什么会产生起皱现象？生产中防止起皱的有效措施是什么？3.凸缘变形区的应力分布有何特点？4.什么是拉深系数？其代表什么含义？5.影响极限拉深系数的因素有哪些？6.如何确定拉深次数及每次的拉深系数？7.拉深时凸、凹模间隙过大或过小时各造成什么后果？8.拉深时为什么要加润滑？如何正确润滑？,
