拉深盒型件拉深工艺

盒形件盒形件属于非旋转体零件，包括方形盒、矩形盒和椭圆形盒等。与旋转体零件的拉深相比，盒形件拉深时，毛坯的变形分布从几何形状的特点，矩形盒状零件可以划分为2个长度为（A－2r）和2个长度为（B—2r）的直边，加4个半径为r的1／4圆筒部分组成(图4.4.1)。若将圆角部分和直边部分分开考虑，则圆角部分的变形相当于直径为2r、高为h的圆筒件的拉深，直边部分的变形相当于弯曲。但实际上圆角部分和直边部分是联系在一起的整体，因此盒形件的拉深又不完全等同于简单的弯曲和拉深复合，有其特有的变形特点，这可通过网格试验进行验证。图4.4.1盒形件拉深变形特点拉深前，在毛坯的直边部分画出相互垂直的等距平行线网格，在毛坯的圆角部分，画出等角度的径向放射线与等距离的同心圆弧组成的网格。变形前直边处的横向尺寸是等距的，即ΔL1=ΔL2=ΔL3，纵向尺寸也是等距的，拉深后零件表面的网格发生了明显的变化(如图4.4.1所示)。这些变化主要表现在：⑴直边部位的变形直边部位的横向尺寸ΔL1，ΔL2，ΔL3变形后成为ΔL1′，ΔL2′，ΔL3′，间距逐渐缩小，愈靠直边中间部位，缩小愈少，即ΔL1＞ΔL1′＞ΔL2′＞ΔL3′。纵向尺寸△h１，△h2，△h3变形后成为△h1′，△h2′，△h3′，间距逐渐增大，愈靠近盒形件口部增大愈多，即△h１＜△h1′＜△h2′＜△h3′。可见，此处的变形不同于纯粹的弯曲。(2)圆角部位的变形??拉深后径向放射线变成上部距离宽，下部距离窄的斜线，而并非与底面垂直的等距平行线。同心圆弧的间距不再相等，而是变大，越向口部越大，且同心圆弧不位于同一水平面内。因此该处的变形不同于纯粹的拉深。从以上可知，由于有直边的存在，拉深时圆角部分的材料可以向直边流动，这就减轻了圆角部分的变形，使其变形程度与半径r相同，高度h相等的圆筒形件比较起来要小。同时表明圆角部分的变形也是不均匀的，即圆角中心大，相邻直边处变形小。从塑性变形力学观点看，由于减轻了圆角部分材料的变形程度，需要克服的变形抗力也相应减小，危险断面破裂的可能性也减小。盒形件图4.4.2盒形件拉深时的应力分布（1）凸缘变形区内，径向拉应力σ1的分布不均匀(如图4—37)，圆角部分最大，直边部分最小。即使在角部，平均拉应力σ1m也远小于相应圆筒形件的拉应力。因此，就危险断面处的载荷来说，盒形件拉深要小得多。所以，对于相同材料，盒形件拉深的最大成形相对高度要大于相同半径的圆筒形零件。切向压应力σ3的分布也不均匀，圆角最大，直边最小。因此拉深变形时材料的稳定性较好，凸缘不易起皱。（2）由于直边和圆角变形区内材料的受力情况不同，直边处材料向凹模流动的阻力要远小于圆角处。并且直边处材料的径向（3当其相对圆角半径r/B越小，也就是直边部分所占的比例大，则直边部分对圆角部分的影响越显著。当r/B＝０时，盒形件实际上已成为圆形件，当相对高度H/B越大，在相同的r下，圆角部分的拉深变随着零件的r/B和H/B盒形零件拉深毛坯的形状与尺寸确定盒形件毛坯确定的原则是：保证毛坯的面积应等于加上修边余量后的零件表面积。另外，由于盒形件拉深时周边的变形不均匀，且圆角部分材料在变形中要转移到直边的特点，应按面积相等的原则，把毛坯形状和尺寸进行修正，使毛坯轮廓成光滑的曲线，在拉深以后尽可能保证零件口部高度的一致性。毛坯的形状和尺寸应根据零件的相对圆角半径r/B和相对高度H/B的值来进行设计，因这两个参数决定了圆角部分材料向直边部分转移的程度和直边高度的增加量。1.低盒形件毛坯尺寸与形状的确定(H≤0.3B，B为盒形件的短边长度)所谓低盒形件是指可以一次拉深成形或虽然要两次拉深，但第二次拉深工序仅用来整形以减小壁部转角及底部圆角的盒形件。对于r/B小的低盒形件，其变形时只有少量材料转移到直边相邻部位。拉深时直边部分可认为是简单弯曲变形，按弯曲展开；圆角部分只拉深变形，按圆筒形拉深展开；再用光滑曲线进行修正即得毛坯，该类零件常用图4.4.3所示的作图法。计算步骤如下：图4.3.3低矩形盒毛坯作图法（1）按弯曲计算直边部分展开长度l0l0＝Ｈ＋0.57rp（4.4.1）H＝H0＋△H(不修边时，不加△H)，修边余量见表4.4.1。2）将圆角部分当作直径为d=2r，高度为H的圆筒形件展开，其半径为：(4.4.2)r＝rp时，有（4.4.2)（3）通过作图用光滑曲线连接直边和圆角部分，即得毛坯的形状和尺寸。具体作图步骤如下：以ab线段中点c向圆弧R作切线，再以R为半径作圆弧与直边及切线相切，相切后毛坯补充的面积＋f与切除的面积－f近似相等。此方法，在模具设计合理时，拉深件高度尺寸精度要求不高，不需进行修边即可满足零件要求时可不加切边余量△h表4.4.1矩形盒切边余量△H（mm)（2）多次拉深高盒形件毛坯形状和尺寸的确定该类零件的变形特点是在多次拉深过程中，直边与圆角部分的变形相互渗透，其圆角部分将有大量材料转移到直边部分。毛坯尺寸仍根据工件表面积与毛坯表面积相等的原则计算。当零件为正方盒形且高度比较大，需要多道工序拉深时，图4.4.4，可采用圆形毛坯，其直径为：（4.4.3）公式中的符号见图4.4.4。当r=rp时：（4.4.4）对高度和圆角半径都比较大的长方形盒形件，如图4.4.5所示。将尺寸看作由两个宽度为B的半方形盒和中间为(A-B)的直边部分连接而成，这样，毛坯的形状就是由两个半圆弧和中间两平行边所组成的长圆形，长圆形毛坯的圆弧半径为：图4.4.4方盒件毛坯的形状与尺寸图4.4.5高盒形件的毛坯形状与尺寸Rb=D/2式中D是宽为B的方形件的毛坯直径，按式(4.4.3)计算。Rb的圆心距短边的距离为B/2。则长圆形毛坯的长度为：(4.4.5)长圆形毛坯的宽度为：(4.4.6)然后用R=K/2过毛坯长度两端作弧，既与Rb弧相切，又与两长边的展开直线相切，则毛坯的外形即为一长圆形1.盒形件初次拉深的成形极限在盒形件的初次拉深时，圆角部分侧壁内的拉应力大于直边部分。因此，盒形件初次拉深的极限变形程度受到圆角部分侧壁传力区强度的限制，这一点和圆筒形件拉深的情况是十分相似的。但是，由于直边部分对圆角部分拉深变形的减轻作用和带动作用，都可以使圆角部分危险断面的拉应力有不同程度的降低。因此，盒形件初次拉深可能成形的极限高度大于圆筒形零件。盒形件的相对圆角半径r／B越小(图4.4.1)，直边部分对圆角部分的影响越强，极限变形程度的提高越显著；反之，r／B越大，直边部分对圆角部分的影响越小，而且当r/B＝0.5时，盒形件变成圆筒形件，其极限变形程度也必然等于盒形件初次拉深的极限变形程度，可以用盒形件的相对高度Ｈ／r来表示。由平板毛坯一次拉深可能冲压成的盒形件的最大相对高度决定于盒形件的尺寸r／B、t／Ｂ和板材的性能，其值可查表4.4.2。当盒形件的相对厚度较小t／B＜0.01，而且Ａ／Ｂ≈1时，取表中较小的数值；当盒形件的相对厚度较大，即t／B＞0.015，而且Ａ／Ｂ≥2时，取表中较大的数值。表4.42中数据适用于拉深用软钢板。表4.4.2盒形件初次拉深的最大相对高度若盒形件的相对高度H／r不超过表4.4.2中所列的极限值，则盒形件可以用一道拉深工序冲压成功，否则必须采用多道工序拉深的方法进行加工。2.方形盒拉深工序形状和尺寸确定(图4.4.6)采用直径为D0的圆形毛坯，中间工序都拉深成圆筒形的半成品，在最后一道工序才拉深成方形盒的形状和尺寸。由于最后一道工序从圆形拉深为方形，材料的变形程度大而不均匀，特别是在方形圆角处，必然受到该处材料成形极限的限制。计算时，应采用从n－１道工序，即倒数第二次拉深开始，确定拉深半成品件的工序直径。Dn－1＝1.41B－0.82r＋2δ(4.4.7)式中:Dn－１—n－１道拉深工序所得圆筒形件半成品的直径(mm)；Ｂ—方形盒的内表面宽度(mm)r—方形盒角部的内圆角半径(mm)；δ—方形盒角部壁间距离(mm)。该值直接影响毛坯变形区拉深变形程度是否均匀的最重要参数。一般取δ＝（0.2～0.25)r。图4.4.6由于其它各道工序为圆筒形，所以可参照圆筒形零件的工艺计算方法，来确定其它各道工序尺寸。计算时由内向外Dn－2＝Ｄn－1／mn－1以此类推，直到算出的直径D≥D0为止。式中，拉深系数mn－1由表4.2.4确定。3.长方形盒拉深工序形状和尺寸长方形盒的拉深方法与正方形盒相似，中间过渡工序可拉深成椭圆形或长圆形，在最后一次拉深工序中被拉深成所要求的形状和尺寸，如图4.4.7所示。其计算与作图同样由n－1道(倒数第二次拉深)工序开始，由内向外计算。计算时可把矩形盒的两个边视为4个方形盒的边长，在保证同一角部壁间距离δ时，可采用由4段圆弧构成的椭圆形筒，作为最后一道工序拉深前的半成品毛坯(是n-1道拉深所得的半成品)。其长轴与短轴处的曲率半径分别用Ra（n－１）和Rb（n－１）表示，并用下式计算：图4.4.7高长方形盒多工序拉深的半成品形状和尺寸图4.4.8n－1道工序凸模形状（1）(n－１)道拉深工序的半成品是椭圆形，其曲率半Ra（n－１）＝0.707A－0.41r＋δ(4.4.8)Rb（n－１）＝0.707B－0.41r＋δ(4.4.9)Ra(n－１)和Rb(n－1)的圆心，由图4.4.7中的尺寸关系确定，分别为A／２和B/2（2）(n－1An－１＝2Rb(n－１）＋（Ａ－Ｂ）（４.4.10)Bn－１＝2Ra(n－１）－(A－Ｂ)(4.4.11)Hn－１≈0.88H（4.4.12）H为含修边余量在内的盒形件高度。（3）(n－2)①计算壁间距a和b是为了控制从(n－２)道工序拉深至(n－１)道工序的变形程度：(4.4.13)即a＝(0.18～0.33)Ｒa(n－１）(4.4.14）b＝(0.18～0.33)Ｒb(n－１）(4.4.15)②由a、b找出图上的M及N③选定半径Ra和Rb，使其圆弧通过M和N点，并且又能圆滑相接(其圆心靠近盒形件中心)④(nHn－２≈0.86Ｈn－１(4.4.16)⑤验算(n－２）道工序是否可以由平板毛坯拉深成形(即首次拉深)。如果不能，应按（n－２）道工序的计算方法再确定(n－３）道工序的有关尺寸，直到满足验算的要求。4）(n－１）次(倒数第二次)拉深凸模端面形状(n－１）次拉深凸模底部应具有与拉深零件相似的矩形，然后用45°斜角向壁部过渡，如图4.4.8所示，图中尺寸Y＝Ｂ－1.11rp(4.4.17)拉深工艺设计4.5.1拉深零件的结构工艺性分析拉深零件的结构工艺性是指拉深零件采用拉深成形工艺的难易程度。良好的工艺性应是坯料消耗少、工序数目少，模具结构简单、加工容易，产品质量稳定、废品少和操作简单方便等。在设计拉深零件时，应根据材料拉深时的变形特点和规律，提出满足工艺性的要求：（1）对拉深材料的要求拉深件的材料应具有良好塑性、低得屈强比、大的板厚方向性系数和小的板平面方向性。（2）对拉深零件形状和尺寸的要求①拉深件高度尽可能小，以便能通过1～2次拉深工序成形。圆筒形零件一次拉深可达到高度见表4.5.1。盒形件当其壁部转角半径r＝（0.05～0.20)B时，一次拉深高度h≤(0.3～0.8)B。表4.5.1一次拉深的极限高度②拉深件的形状尽可能简单、对称，以保证变形均匀。对于半敞开的非对称拉深件(如图4.5.1)，可采用成双拉深后再剖切成两件。图4.5.1组合拉深后剖切图4.5.2凸缘面上有下凹的拉深件③有凸缘的拉深件，最好满足d凸≥d＋12t，而且外轮廓与直壁断面最好形状相似。否则，拉深困难、切边余量大。在凸缘面上有下凹的拉深件(图4.5.2)，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。④为了使拉深顺利进行，凸缘圆角半径rd≥2t。对于rd＜0.5mm时，应增加整形工序；底部圆角半径rp≥t，不满足时应增加整形工序，每整形一次，rp可减小1/2；盒形拉深零件壁间圆角半径r≥3t，尽可能使r≥h/5。（3）对拉深零件精度的要求①由于拉深件各部位的料厚有较大变化，所以对零件图上的尺寸应明确标注是外壁尺寸还是内壁尺寸，