第4章-第四讲-拉深工艺与拉深模设计

1第四讲拉深工艺与拉深模设计东北大学现代设计与分析研究所24.1、概述拉深：又称拉延，是利用拉深模在压力机的压力作用下，将平板坯料或空心工序件制成开口空心零件的加工方法。它是冲压基本工序之一。可以加工旋转体零件，还可加工盒形零件及其它形状复杂的薄壁零件。34.1、概述拉深模：拉深模特点：结构相对较简单，与冲裁模比较，工作部分有较大的圆角，表面质量要求高，凸、凹模间隙略大于板料厚度。拉深所使用的模具。１-模柄２-上模座３-凸模固定板４-弹簧５-压边圈６-定位板７-凹模８-下模座９-卸料螺钉10-凸模44.2、圆筒形件拉深变形分析圆筒形件是最典型的拉深件。一、拉深变形过程拉深变形过程及特点1．变形现象平板圆形坯料的凸缘——弯曲绕过凹模圆角然后拉直——形成竖直筒壁。变形区——凸缘；已变形区——筒壁；不变形区——底部。底部和筒壁为传力区。实质：凸缘部分逐步缩小转变为筒壁的过程。54.2、圆筒形件拉深变形分析•圆形平板成为筒形零件的过程，必须去除材料。2．金属的流动过程•金属进行了塑性流动而发生转移。•结果：•增加工件的高度•增加工件口部的壁厚64.2、圆筒形件拉深变形分析工艺网格实验可先在毛料上画出间距相等的同心圆和分度相等的辐射线所组成的网格。总体：1.底部无变化2.等距同心圆变为不等距圆环线。3.等分辐射线变为等距平行线。局部：扇形变为矩形74.2、圆筒形件拉深变形分析3．拉深变形过程1.变形集中于凸缘上。2.凸缘产生内应力：径向拉应力σ1；切向压应力σ3。3.径向伸长，切向压缩，形成筒壁。4.拉深时各部分变形不均匀。84.2、圆筒形件拉深变形分析二、拉深过程中坯料内的应力状态94.2、圆筒形件拉深变形分析三、拉深件的起皱与拉裂拉深过程中的质量问题：主要是凸缘变形区的起皱和筒壁传力区的拉裂。凸缘区起皱：传力区拉裂：由于切向压应力引起板料失去稳定而产生弯曲；由于拉应力超过抗拉强度引起板料断裂。104.2、圆筒形件拉深变形分析一方面是切向压应力σ3的大小，越大越容易失稳起皱；另一方面是凸缘区板料本身的抵抗失稳的能力。凸缘宽度越大，厚度越薄，材料弹性模量和硬化模量越小，抵抗失稳能力越小。最易起皱的位置：凸缘边缘区域起皱最强烈的时刻：在Rt=0.85R0时防止起皱：压边1.凸缘变形区的起皱主要决定于：114.2、圆筒形件拉深变形分析2.筒壁的拉裂主要取决于：一方面是筒壁传力区中的拉应力；另一方面是筒壁传力区的抗拉强度。当筒壁拉应力超过筒壁材料的抗拉强度时，拉深件就会在底部圆角与筒壁相切处——“危险断面”产生破裂。防止拉裂：一方面要通过改善材料的力学性能，提高筒壁抗拉强度；另一方面通过正确制定拉深工艺和设计模具，控制好变形程度，降低筒壁所受拉应力。124.3、圆筒形件拉深工艺计算拉深系数m是以拉深后的直径d与拉深前的坯料D（工序件dn）直径之比表示。一、拉深系数与极限拉深系数1.拉深系数的定义第一次拉深系数：第二次拉深系数：第n次拉深系数：Ddm11122ddm1nnnddm拉深系数m表示拉深前后坯料（工序件）直径的变化率。m愈小，说明拉深变形程度愈大，相反，变形程度愈小。134.3、圆筒形件拉深工艺计算拉深件的总拉深系数等于各次拉深系数的乘积，即如果m取得过小，会使拉深件起皱、断裂或严重变薄超差。如果m取得过大，材料的塑性潜力未充分利用，拉深次数增加，成本增加。极限拉深系数［m］就是工件在危险断面不致拉破的条件下，所能达到的最小拉深系数。nnnnnnnmmmmmddddddddDdDdm132112123121从工艺的角度来看，［m］越小越有利于减少工序数。144.3、圆筒形件拉深工艺计算（1）材料的组织与力学性能：屈强比越小，拉深越有利。2.影响极限拉深系数的因素（2）板料的相对厚度（3）拉深工作条件Dt/Dt/1）模具的几何参数：半径越小，m越大。2）摩擦润滑3）压边圈［m］3.极限拉深系数的确定：查表4－3和表4－4极限拉深系数与材料、相对厚度有关系154.3、圆筒形件拉深工艺计算二、拉深次数拉深次数的确定＞［m］时，拉深件可一次拉成，否则需要多次拉深。其拉深次数的确定有以下几种方法：（１）查表4－5，根据相对厚度确定。（２）推算方法1）由表4－3或表4－4中查得各次的极限拉深系数；2）依次计算出各次拉深直径，即d1＝m1D；d2＝m2d1；…；dｎ＝mｎdｎ－１；3）当dｎ≤d时，计算的次数即为拉深次数。总m164.3、圆筒形件拉深工艺计算三、圆筒拉深件坯料尺寸的确定体积不变原则:1.坯料形状和尺寸确定的依据若拉深前后料厚不变，拉深前坯料表面积与拉深后冲件表面积近似相等，得到坯料尺寸。形状相似原则:切边工序：拉深前坯料的形状与冲件断面形状相似。形状复杂的拉深件：需多次试压，反复修改，才能最终确定坯料形状。拉深件口部不整齐，最后都要加入切边工序，需留切边余量，查表4-2确定。但坯料的周边必须是光滑的曲线连接。174.3、圆筒形件拉深工艺计算a．将拉深件划分为若干个简单的几何体；b．分别求出各简单几何体的表面积；c．把各简单几何体面积相加即为零件总面积；d．根据表面积相等原则，求出坯料直径。2.简单旋转体拉深件坯料尺寸的确定184.3、圆筒形件拉深工艺计算按图得：故21234iDAAAAiAD423221)2(48)2(24)(rdArrdrArHdA222256.072.148)2(2)(4)2(rdrdHdrrdrrHdrdD整理后可得坯料直径为:194.3、圆筒形件拉深工艺计算四、圆筒拉深件工序尺寸的确定（１）工序件直径的确定确定拉深次数以后，由表查得各次拉深的极限拉深系数，适当放大，并加以调整，其原则是：１）保证ｍ1ｍ2…ｍｎ＝２）使ｍ1＜ｍ2＜…ｍｎ最后按调整后的拉深系数计算各次工序件直径：ｄ1＝ｍ1Ｄｄ2＝ｍ2ｄ1…ｄｎ＝ｍｎｄｎ－１Dd204.3、圆筒形件拉深工艺计算根据拉深后工序件表面积与坯料表面积相等的原则，可得到如下工序件高度计算公式。计算前应先定出各工序件的底部圆角半径。（２）工序件高度的计算nnnnnnnrddrddDhrddrddDhrddrddDh32.043.025.0...32.043.025.032.043.025.022222222211111121拉深高度是拉深模设计的重要依据，是产品质量的主要控制指标。2256.072.14rdrdHdD214.3、圆筒形件拉深工艺计算例求图示筒形件的坯料尺寸及拉深各工序件尺寸。材料为10钢，板料厚度ｔ＝2ｍｍ。（１）计算坯料直径根据零件尺寸，其相对高度为7.22875230176dH查表得切边量mmh6坯料直径为2228428(756)1.722830.563D代已知条件入上式得Ｄ＝98.2ｍｍ2256.072.1)(4rdrhHddD224.3、圆筒形件拉深工艺计算（3）确定拉深次数坯料相对厚度为根据t/D＝2.03％，查表4－3得各次极限拉深系数ｍ1＝0.50，ｍ2＝0.75，ｍ3＝0.78，ｍ4＝0.80，…。故ｄ1＝ｍ1Ｄ＝0.50×98.2ｍｍ＝49.2ｍｍｄ2＝ｍ2ｄ1＝0.75×49.2ｍｍ＝36.9ｍｍｄ3＝ｍ3ｄ2＝0.78×36.9ｍｍ＝28.8ｍｍｄ4＝ｍ4ｄ3＝0.8×28.8ｍｍ＝23ｍｍ此时ｄ4＝23ｍｍ＜28ｍｍ，所以应该用4次拉深成形。%2%03.2%1002.982Dt（2）判断能否一次拉深成形5.029.02.98281mDdm总零件无法一次拉深成形234.3、圆筒形件拉深工艺计算（4）各次拉深工序件尺寸的确定经调整后的各次拉深系数为：ｍ1＝0.52，ｍ2＝0.78，ｍ3＝0.83，ｍ4=0.846各次工序件直径为……各次工序件底部圆角半径取以下数值：ｒ1＝8ｍｍ，ｒ2＝5ｍｍ，ｒ3＝4ｍｍ各次工序件高度为……244.3、圆筒形件拉深工艺计算弹性压边装置①橡皮压边装置②弹簧压边装置③气垫式压边装置1.压料装置与压料力五、圆筒形件拉深的压料力与拉深力254.3、圆筒形件拉深工艺计算压料装置产生的压料力ＦＹ大小应适当：在保证变形区不起皱的前提下，尽量选用小的压料力。任何形状的拉深件：ＦＹ＝Ap式中:Ａ――压料圈下坯料的投影面积；ｐ――单位面积压料力，ｐ值可查表4－8；圆筒形件首次拉深圆筒形件以后各次拉深prdDFAY2112)2(4prddFAiiiY212)2(4（ｉ＝2、3、…、ｎ）264.3、圆筒形件拉深工艺计算２．拉深力与压力机公称压力（1）拉深力采用压料圈拉深时首次拉深以后各次拉深11KtdFb2KtdFbi（ｉ＝2、3、…、ｎ）不采用压料圈拉深时首次拉深以后各次拉深（ｉ＝2、3、…、ｎ）btdDF)(25.11biitddF)(3.11274.3、圆筒形件拉深工艺计算（2）压力机公称压力单动压力机，其公称压力应大于工艺总压力Fz。工艺总压力为注意：当拉深工作行程较大，尤其落料拉深复合时，应使工艺力曲线位于压力机滑块的许用压力曲线之下。浅拉深YzFFF深拉深在实际生产中，可以按下式来确定压力机的公称压力：gFzgFF)8.1~6.1(zgFF)0.2~8.1(284.4、有凸缘圆筒形件拉深工艺计算4.1~1.1/ddt一、有凸缘圆筒形件的拉深变形特点：该类零件的拉深过程，其变形区的应力状态和变形特点与无凸缘圆筒形件是相同的。但坯料凸缘部分不是全部拉入凹模。a、窄凸缘件的拉深b、宽凸缘件的拉深/1.4tdd294.4、有凸缘圆筒形件拉深工艺计算（１）窄凸缘圆筒形件的拉深这类零件因凸缘很小，可以作为一般圆筒形件进行拉深，只在倒数第二道工序时才拉出凸缘或拉成具有锥形的凸缘，而最后通过整形工序压成水平凸缘。二、有凸缘圆筒形件的拉深方法：304.4、有凸缘圆筒形件拉深工艺计算（2）宽凸缘圆筒形件的拉深中小零件：对于中小型零件(dp200mm)，通常靠减小筒形部分直径、增加高度来达到，这时圆角半径rp及rd在整个变形过程中基本保持不变。大型零件：对于大件(dp200mm)，通常采用改变圆角半径rd、rp，逐渐缩小筒形部分的直径来达到。零件高度基本上一开始即以形成，而在整个过程中基本上保持不变。只要凸缘尺寸微量减小，则筒壁产生较大的拉应力增量。314.4、有凸缘圆筒形件拉深工艺计算•1.宽凸缘的拉深变形程度不能仅用圆筒件拉深系数的大小来衡量。当凸凹模圆角半径相等时：•2.有凸缘圆筒形件的拉深系数取决于有关尺寸的三个相对比值：dt/ｄ（凸缘的相对直径）、ｈ/ｄ（零件的相对高度）、Ｒ/ｄ（相对圆角半径）。•3.首次极限拉伸系数•比圆筒件要小。•按表4-10，4-11计算。三、有凸缘圆筒形件的拉深变形特点及工艺计算方法243.44tDddhdr21()43.44tdmDdhrddd324.4、有凸缘圆筒形件拉深工艺计算•计算方法：•一次拉深：若零件的拉深系数m大于表4-10所给的第一次拉深极限系数值，零件的相对高度h/d小于表4-11所给的数值，则零件可一次拉成。•多次拉伸：•1.计算坯料直径。确定切边余量，并初选相对直径dt/ｄ并按表4-10相对厚度初选第一次极限拉深系数，并计算拉深高度。•2.按表4-11校核相对拉深高度，确定所选的拉伸系数是否合适。•3.按表4-3依次确定各次拉伸系数。•4.调整后的拉深系数计算各次工序件直径。•ｄ2＝ｍ2ｄ1…ｄｎ＝ｍｎｄｎ－１22221110.250.14()0.43()()tpdpdhDdrrrrdd243.44tDddhdr334.4、有凸缘圆筒形件拉深工艺计算•5.计算各次拉深深度，画工序图。22220.250.14()0.43()()ntpndnpndnnnhDdrrrrdd243.44tDddhdr