冲压工艺与模具设计第四章

第4章拉深模4.1拉深变形过程的分析4.2拉深件的质量分析4.3回转体拉深件板料尺寸的确定4.4圆筒形件的拉深4.5带凸缘圆筒形件的拉深4.6特殊形状的制件拉深4.7变薄拉深4.8压边力和拉深力的确定4.9凸、凹模工作部分的设计4.10拉深模设计应用4.1拉深变形过程的分析4.1.1拉深的变形过程4.1.2拉深过程中板料的应力应变状态4.1.1拉深的变形过程拉深过程如图4.2所示。拉深所用的模具主要由凸模、凹模和压边圈三部分组成。与冲裁所不同的是，凸模刃口、凹模刃口部位的形状变成具有一定半径值的圆角，凸、凹模之间的间隙稍大于板料的厚度。拉深时，板料毛坯受到凸模、凹模和压边圈所产生的力作用，凸模使板料进入凹模型腔，将板料拉深成开口的圆筒形状。压边圈的作用是防止板料在拉深过程中四周翘起(起皱)。图4.2拉深过程凸模凹模压边圈制件4.1.2拉深过程中板料的应力应变状态从拉深件的纵截面上观察，厚度和硬度沿筒壁纵向是变化的，变化规律如图4.6所示。底部略有变薄，但基本上等于原板料的厚度；筒壁上端增厚，越接近上边缘厚度越大；筒壁下端变薄，越靠近圆角处变得越薄；由筒壁向底部转角偏上处，出现明显变薄，严重时可产生破裂。硬度沿高度方向也是变化的，越接近上边缘硬度越高，这说明，压缩变形和板料的冷作硬化越严重。图4.6硬度和壁厚沿筒壁纵向变化4.2拉深件的质量分析4.2.1起皱4.2.2拉裂4.2.1起皱1.影响起皱的主要因素(1)板料的相对厚度t/D(2)拉深系数m2.防皱措施(1)采用压边圈。(2)采用锥形凹模，如图4.10所示。(3)采用拉深筋(4)采用反拉深图4.10锥形凹模图4-10锥形凹模ψ=30°4.2.2拉裂1.拉裂原因如图4.14所示，在拉深过程某一时刻，凸缘上的拉应力在凹模入口处的达到最大值。由实验显示，在整个拉深过程中，当减小到(0.8～0.9)R0时，出现最大值。此时危险截面承受最大的拉应力，即2.影响拉深变薄和拉裂的因素(1)拉深系数m的影响(2)板料机械性能的影响(3)凹模圆角半径的影响(4)凸模圆角半径的影响(5)摩擦系数的影响(6)压边力的影响126.11πd21maxmax1tRFtfQBmAbb凹图4.14出现最大值的位置max1maxσR000r1maxmaxR=(0.8~0.9)Rtσσ1max4.3回转体拉深件板料尺寸的确定4.3.1计算方法4.3.2简单回转体拉深件的板料尺寸计算4.3.3复杂形状回转体拉深件板料直径的计算4.3.1计算方法常用的是等面积法，即假设拉深件表面积与板料面积相等，作为计算板料面积的依据。但由于板料的机械性能差异、模具工作条件的一致性差异等因素，使拉深后由板料边缘形成的制件的口部或凸缘周边部不齐，达不到制件的形状、尺寸要求，必须对边缘处再加工。因此，在计算板料尺寸时，要在拉深件的高度方向或带凸缘制件的凸缘半径上加一修边余量δ，如图4.16所示图4.16拉深件修边余量δδ4.3.2简单回转体拉深件的板料尺寸计算1.相加法由于拉深件是回转体形状，板料采用圆形。将回转体拉深件分成若干基本几何形体，按表4.6中的公式算出各部分的表面积，然后将各部分的表面积相加便得到所需要的板料面积。再计算出板料直径，即2.公式法对于常用的回转体拉深件，可按表4.7列出的公式求得板料直径D。ifFDπ4π4表4.7旋转体制件板料直径计算公式dhdD42hddD1224)(4221122hdhddD序号制件形状毛坯直径D1234.3.3复杂形状回转体拉深件板料直径的计算复杂形状回转体拉深件板料直径计算的关键是确定回转体拉深件的表面积。任何回转体表面积都可用形心法(久里金法则)求得。形心法如图4.18所示，回转体表面积F等于外形曲线(母线)长度与其重心绕轴旋转所得周长的乘积，即1.解析法2.作图累加法3.利用CAD软件求面积4.条线段已添加到多段线XLFπ2图4.18形心法求面积4.4圆筒形件的拉深4.4.1拉深系数4.4.2拉深次数的确定4.4.3拉深件工序尺寸的计算4.4.1拉深系数1.拉深系数的概念图4.24多次拉深变形情况2.极限拉深系数的主要影响因素(1)板料机械性能(2)板料的相对厚度t/D(3)模具结构组成即尺寸(4)拉深次数(5)润滑条件(6)拉深速度3.极限拉深系数的确定图4.24多次拉深变形情况4.4.2拉深次数的确定根据拉深件的相对厚度t/D，由表4.10查出相对应的各次拉深系数m1，m2，…，mn。由式(4.13)得知，总的拉深系数m和各次拉深系数mi的关系为。通过计算，使，从而得到拉深次数n。nnmmmmm121121121nnnmmmmmmmm4.4.3拉深件工序尺寸的计算无凸缘筒形拉深件相对高度h/d与拉深次数的关系如表4.13所列(1)选取修边余量δ(2)计算板料直径D(3)计算板料相对厚度(4)计算总的拉深系数，并判断能否一次拉深成(5)确定拉深次数n。(6)初步确定各次拉深系数(7)调整拉深系数，计算各次拉深直径(8)确定各次拉深凸模、凹模圆角半径(9)计算各次拉深半成品高度(10)绘制工序图表4.13无凸缘筒形拉深件相对高度h/d与拉深次数的关系(材料08F、10F)拉延次数毛坯相对厚度(t/D)×1002～1.51.5～1.01.0～0.60.6～0.30.3～0.150.15～0.0810.94～0.770.84～0.650.71～0.570.62～0.50.52～0.450.46～0.3821.88～1.541.6～1.321.36～1.11.13～0.940.96～0.830.9～0.733.5～2.72.8～2.22.3～1.81.9～1.51.6～1.31.3～1.145.6～4.34.3～3.53.6～2.92.9～2.42.4～2.02.0～1.558.9～6.66.6～5.15.2～4.14.1～3.33.3～2.72.7～2.04.5带凸缘圆筒形件的拉深4.5.1窄凸缘圆筒形件的拉深4.5.2宽凸缘圆筒形件的拉深4.5.1窄凸缘圆筒形件的拉深第一种方法是，在前几道工序中按无凸缘圆筒形件拉深及尺寸计算，而在最后两道工序中，将制件拉深成为口部带锥形的拉深件，最终将锥形凸缘校平，如图4.29所示。第二种方法是，一开始就拉深成带凸缘形状，凸缘直径为+t+2，以后各次拉深一直保持这样的形状，只是改变各部分尺寸，直至拉到所要求的最终尺寸和形状，凸d凹R图4.29窄凸缘圆筒形件第一种拉深方法4.5.2宽凸缘圆筒形件的拉深宽凸缘圆筒形件的首次拉深，如图4.31所示。相当于按无凸缘圆筒形件拉深，只是拉深到凸缘板料并未全部进入凹模而已。此时两者的应力状态和变形的特点是一致的。1.宽凸缘圆筒形件总的拉深系数、首次拉深系数2.宽凸缘圆筒形件的拉深方法3.宽凸缘圆筒形件拉深工序尺寸的计算图4.31宽凸缘圆筒形件的首次拉深4.6特殊形状的制件拉深4.6.1阶梯形件的拉深4.6.2球形制件的拉深4.6.3锥形件拉深4.6.4抛物线形件拉深4.6.1阶梯形件的拉深如图4.36所示，阶梯形回转体制件的拉深与圆筒形件的拉深很相似，阶梯制件的每一个直筒的拉深相当于一个圆筒形件的拉深。阶梯制件的主要问题是确定拉深次数，这可用下述的方法作近似判断，即以制件的高度与最小直径之比值h/d，按圆筒形件的相对拉深高度查表4.13，确定拉深次数。如果拉深次数为1，则可一次拉出。图4.36阶梯形回转体制件4.6.2球形制件的拉深对球形制件拉深，如图4.39所示，凸模形状是半球形。在拉深初始阶段，凸模与板料平面接触面积很小，接触处首先产生变形，易使该处的板料变薄。与此同时，接触面附近的板料未被压边圈压住，容易起皱(内皱)。由于间隙大，皱折不易消除。因此，球形制件的拉深难度较大。1.半球形制件的拉深2.浅球形制件的拉深3.带有圆筒的球面形制件的拉深图4.39球形制件dRdRRddRd4.6.3锥形件拉深锥形件的拉深情况与球形制件拉深类似，如图4.42所示。开始时，凸模与板料平面接触面积很小，接触处首先产生变形，易使该处的板料变薄。又由于未被压住的自由表面较大，压住的面积小，制件易起皱。同时，锥形制件底部与口部尺寸差别很大，拉深回弹严重。因此，拉深锥形件要比球形件难度更大。1.低锥形件2.中锥形件3.高锥形件图4.42锥形拉深件4.6.4抛物线形件拉深1．浅抛物线形件2．深抛物线形件(1)阶梯成形法图4.49阶梯成形法(2)曲面增大法(又称相似法)(3)反拉深法图4.49阶梯成形法4.7变薄拉深4.7.1变薄拉深的特点4.7.2变薄系数4.7.3变薄拉深工序计算4.7.1变薄拉深的特点(1)凸、凹模之间的间隙小于毛坯的厚度，而毛坯的直壁部分在通过间隙时受压，厚度显著变薄(图4.53)，同时侧壁高度增加，因此叫作变薄拉深。(2)变薄拉深的工件质量高，壁厚比较均匀，壁厚偏差在0.01mm以内。表面糙度达Ra＜0.2。并且，由于两向受压，晶粒细密，提高了强度。(3)与冷挤压相比，变薄拉深的变形区域小，拉深力较小，所需设备吨位小。略图4.53变薄拉深时的应力应变状态4.7.2变薄系数变形程度的计算。变形程度当采用第一种变薄拉深方法时，由于工件的基本内径不变(didi－1)，因此，可近似地作如下简化而无太大误差：常用材料的变薄系数列于表4.19。111ππiiiiiiitttdtd11iiiFFF表4.19变薄系数的极限值1n首次变薄系数中间工序变薄系数末次变薄系数材料铜、黄铜(H68、H80)铝低碳钢、拉深钢板中碳钢(0.25%～0.35%C)不锈钢0.45～0.550.50～0.600.53～0.630.70～0.750.65～0.700.58～0.650.62～0.680.63～0.720.78～0.820.70～0.750.65～0.730.72～0.770.75～0.770.85～0.900.75～0.804.7.3变薄拉深工序计算(1)毛坯尺寸的计算(2)计算拉深次数(3)确定各次变薄拉深工序的毛坯壁厚(4)确定各次变薄拉深工序的直径(5)确定各次变薄拉深工序的工件高度。图4.56变薄拉深件的高度计算图4.56变薄拉深件的高度计算4.8压边力和拉深力的确定4.8.1压边装置与压边力的确定4.8.2拉深力的确定4.8.3压力机的选取4.8.1压边装置与压边力的确定1.压边装置的应用2.压边装置的形式(1)压边圈形式图4.59斜底面压边圈和拉深筋压边圈(2)弹性压边装置(3)定距装置(4)刚性压边装置3.压边力的确定图4.59斜底面压边圈和拉深筋压边圈斜底面拉深筋4.8.2拉深力的确定首次拉深所采用的压边圈(N)后次拉深用的压边圈(N)无压边圈的首次拉深(N)无压边圈的后次拉深表4.22K3值b11πtdKPb2πtdKPib1)π(25.1tdDPb1)π(3.1tddPii表4.22K3值相对拉延高度H/B相对转角半径r角/B2～1.51.5～1.01.0～0.60.6～0.30.300.200.150.100.05相对厚度t/DK3值1.000.950.900.850.700.900.800.700.700.600.700.750.700.650.600.500.600.700.600.550.500.450.400.500.600.700.400.350.300.250.300.400.500.600.704.8.3压力机的选取1.压力机吨位的选取对于单动压力机用于浅拉深，即拉深施力行程小于压力机公称压力行程的拉深，所选压力机的吨位应大于拉深力和压边力的总和，即≥2.压力机功率的审核在选择压力机时，应满足压力机电机功率的要求。因此，首先按下式计算拉深功：图4.68拉深曲线机PQPP总1000maxHCPA图4.68拉深曲线凸模行程HPmaxP平均拉深深度h4.9凸、凹模工作部分的设计4.9.1凸、凹模的结构形式4.9.2凸、凹模间隙4.9.3凸、