第4章1-2节(拉深工艺与拉深模具设计)

西华大学张晓洪第一节拉深变形过程分析一、板料拉深时的变形过程二、拉深过程中变形毛坯各部分的应力与应变状态三、拉深变形过程的力学分析四、拉深成形障碍及防止措施西华大学张晓洪一、板料拉深时的变形过程1、拉深过程2、网格分析法3、分析结论…西华大学张晓洪二、拉深过程中的应力与应变状态拉深件材料厚度和硬度的变化西华大学张晓洪二、拉深过程中的应力与应变状态1、平面凸缘区2、凹模圆角区3、筒壁部分4、凸模圆角部分5、筒底部分西华大学张晓洪三、拉深变形过程的力学分析（一）凸缘变形区的应力分析1、单元体的塑性平衡方程西华大学张晓洪（一）凸缘变形区的应力分析2、结果分析（1）σ10而σ30；（2）σ1的最小值在外边缘，为零，而最大值在内边缘；（3）压应力σ3在外边缘为最大，而在内边缘最小；（4）R=0.61Rt内外的厚度变化内：σ1最大主应力减薄外：σ3为最大主应力增厚西华大学张晓洪（二）拉深过程中σ1max和σ3max的变化规律1、σ1max的变化规律σ1max与2个因素有关：σs和ln(Rt/r)。试验得知：A、B和σb见下页表；m是拉深系数。2、σ3max的变化规律σ3max=1.1σs，即只与材料有关。σ3max因硬化而增大，失稳风险增加；另，外区变厚又可增加稳定性。故起皱与否取决于二者综合结果。西华大学张晓洪常见材料的A、B值Ψb（%）AB15～200.751.0025～300.81.1035～400.851.15～1.20材料σbΨb（%）1036025204102525480204560015铜22034黄铜42024材料σbΨb（%）铝LM8017LF21M11011LY12M20010镍50026锡3039锌1105西华大学张晓洪（三）筒壁传力区的受力分析1、筒壁受力构成由2部分构成：（1）克服凹模圆角的摩擦阻力（看成挠性带）（2）克服材料绕过凹模圆角的弯曲阻力2、筒壁应力受力均换算到应力，则筒壁的应力为：σp=σd+σw西华大学张晓洪四、拉深成形障碍及防止措施1、起皱及防皱措施起皱的危害起皱的原因及影响因素σ3、σ3max：拉深中，后者因硬化而略增，易失稳t/(Rt-r)：拉深中，该相对厚度增大，不易失稳2、起皱危险位置Rt=（0.8～0.9）R03、防皱措施（1）压边圈、拉深筋、拉深槛（2）合理设计零件形状西华大学张晓洪四、拉深成形障碍及防止措施（3）合理设计模具（4）改善冲压条件压边力的均衡、润滑（5）合理选材和确定适当的板厚低屈服限材料：防皱效果好薄板的失稳极限∝板厚的平方西华大学张晓洪四、拉深成形障碍及防止措施4、危险断面的拉裂与防止措施（1）危险断面（2）防拉裂措施减小变形抗力，包括：确定合理的m、压边力适当、较大的模具圆角半径、凸缘润滑条件、增大凸模的表面粗糙度、选较小屈强比材料、n和r值较大西华大学张晓洪第二节直壁旋转体零件拉深工艺设计内容包括：一、拉深件毛坯尺寸计算二、无凸缘圆筒形件的拉深三、有凸缘圆筒形件的拉深四、阶梯形零件的拉深西华大学张晓洪一、拉深件毛坯尺寸计算（一）拉深件毛坯尺寸计算的原则1、面积相等原则2、形状相似原则西华大学张晓洪“切边余量”表西华大学张晓洪一、拉深件毛坯尺寸计算（二）形状简单的旋转体拉深零件毛坯尺寸的确定西华大学张晓洪一、拉深件毛坯尺寸计算（三）形状复杂的旋转体拉深零件毛坯尺寸的确定1、方法解析法、作图法2、解析法原理任何形状的母线L，绕轴旋转一周所得到的旋转体表面积，等于该母线的长度与其重心绕该轴线旋转所得周长2πRs的乘积。当由多段构成时，可得到西华大学张晓洪西华大学张晓洪二、无凸缘圆筒形件的拉深（一）拉深系数与拉深次数1、拉深系数m1、m2、…m总=m1m2…mn2、影响极限拉深系数的因素（1）材料的内部组织与力学性能（2）毛坯的相对厚度t/D（3）模具的圆角半径rp和rd（4）凹模表面粗糙度及润滑条件（5）拉深方式（6）拉深速度3、常见材料的极限拉深系数…西华大学张晓洪1、圆筒形、有压边圈2、圆筒形、不用压边圈3、其它常见材料4、拉深次数的确定圆筒形件的极限拉深系数、拉深次数西华大学张晓洪（二）圆筒形拉深件的工序尺寸计算实例例：确定图中零件（材料10钢，料厚1mm）的拉深次数和各拉深工序尺寸。解：计算步骤为：1、确定切边余量2、计算毛坯直径3、初步确定拉深形式及拉深次数4、确定各次拉深系数5、计算各次拉深直径6、计算各次拉深工序半成品件高度7、画出各拉深工序的半成品图西华大学张晓洪圆筒形拉深件的工序尺寸计算实例解：1、确定切边余量根据H=68，H/d=68/20=3.4，查表的δ=4～6，取4.5mm2、计算毛坯直径3、初步确定拉深形式及拉深次数西华大学张晓洪圆筒形拉深件的工序尺寸计算实例左边t/D=1/77≈0.013右边=0.03×(1-20/77)≈0.022即：左边右边，必须采用压边圈H/d=72/20=3.6，t/D×100≈1.3查可得拉深次数为：n=45、计算各次拉深直径查m2～m4并计算“拉深相对高度H/d与拉深次数的关系”表“圆筒形件带压边圈的极限拉深系数”表西华大学张晓洪圆筒形拉深件的工序尺寸计算实例可适当增大前三次拉深系数，使变形程度分布合理。调整后为m1=0.53，m2=0.76，m3=0.79，m4=0.81调整后直径分别为：d1=0.53×77=40.81，取d1=41mmd2=0.76×41=31.16，取d2=31.2mmd3=0.79×31.2=24.64，取d3=24.6mmd4=0.81×24.6=19.926，取d4=20mm6、计算各次拉深工序半成品件高度根据拉深前后表面积相等的原则，可推导出计算高度的通用计算公式：西华大学张晓洪圆筒形拉深件的工序尺寸计算实例式中，rn是拉深凸模圆角半径。本例中选r1=7，r2=6，r3=5，r4=4r4即产品要求的尺寸。据此，计算各次拉深后的高度为：h1=…≈29.1h2=…≈43h3=…≈57h4=…≈72西华大学张晓洪圆筒形拉深件的工序尺寸计算实例7、画出各拉深工序的半成品图西华大学张晓洪三、有凸缘圆筒形件的拉深（一）有凸缘筒形件一次成形拉深极限与普通拉深的异同点1、定性分析在首次拉深系数m1=d1/D相同时，相同的d1和D，可以拉出不同的凸缘直径dΦ和高度h。也就是说，m1不能表达有凸缘零件在各种不同凸缘直径和高度下的实际变形程度。2、有凸缘圆筒形件拉深系数…西华大学张晓洪分析：影响首次拉深系数的参数的有：dφ/d1、h1/d1、r/d1三者的敏感度不一样：相对凸缘直径和相对高度使m1变小。推荐表…有凸缘圆筒形件拉深系数若圆角相同，毛坯直径为：故首次拉深系数为：西华大学张晓洪有凸缘圆筒形件第一次拉深的最大相对高度h1/d1西华大学张晓洪带凸缘圆筒形件第一次拉深的极限拉深系数m1西华大学张晓洪后续拉深变形与圆筒形件的拉深类同。即从第二次拉深起可用前面的“有压边圈圆筒形的极限拉深系数”。“有压边圈圆筒形的极限拉深系数”表西华大学张晓洪（二）窄凸缘圆筒形件零件拉深1、窄凸缘件指dφ/d≦1.4的凸缘件。2、拉深工艺拉深工艺计算与一般圆筒形零件相同。（1）H/d1时首次拉深成无凸缘的筒形件；后续拉深：锥形凸缘过渡；整形校平。（2）H/d≤1时首次拉深成口部带锥形凸缘筒形件、过渡、整形校正。西华大学张晓洪1、宽凸缘件指dφ/d1.4的凸缘件。2、宽凸缘件拉深特点首次拉深形成凸缘直径dφ后，以后各次拉深必须保证dφ值不再变化，否则易使其危险断面破裂。3、成形特点首次拉深，多拉3～10%材料进入筒体（工序多取上限，少则取下限），以后各次逐次将1.5～3%的材料反挤到凸缘部分增厚，防止危险断面破裂。4、拉深件表面质量筒口处凸缘部分变厚或形成微小波纹，返料所致；增校正工序消除。（三）宽凸缘圆筒形件零件的多次拉深西华大学张晓洪第一次拉深使筒部直径d1尽可能小，尽量多地将材料拉入凹模。拉深次数采用推算法得到：（1）初设dφ/d值；（2）根据相对厚度查“带凸缘圆筒形件第一次拉深的极限拉深系数”表，获得m1；（3）计算d1、h1；（4）查“带凸缘圆筒形件第一次拉深的最大相对高度“表，查验所得h1/d1是否小于规定要求；（5）满足则首次拉深确定，否则表示初选d1值太小即dφ/d值太大，需重设dφ/d值（减小）后重复以上过程，直到满足要求。5、首次拉深参数确定西华大学张晓洪（1）拉深次数上述首次拉深参数确定后，以后各次拉深可按一般圆筒形件的多次拉深方法进行，即第n次拉深后直径为dn=mndn-1mn可查表“圆筒形件带压边圈的极限拉深系数”表获得。当计算到dn≤d（工件直径）后，次数相应确定。（2）半成品尺寸计算上述过程完成后，对各次拉深系数进行调整、修正后，可相应计算出dn和hn。（3）拉深工序计算流程…6、拉深次数和半成品尺寸计算西华大学张晓洪有凸缘筒形件拉深工序计算流程图西华大学张晓洪（1）高度变化法适合薄料和中小型零件（dφ200）圆角半径rp、rd、dφ不变，逐次地高度增加而直径减小。特点：不易起皱、表面质量较差增设整形工序校正（2）高度不变法适合dφ200的较大型零件、厚料高度基本不变，而通过逐步减小rp、rd、dφ来缩小圆筒形直径。特点：表面光整、厚度均匀；首次拉深时易起皱7、宽凸缘件的拉深方法（变形顺序）西华大学张晓洪（四）有凸缘圆筒形件零件的拉深高度各次拉深高度按下式计算：其中：hn：第n次拉深件高度，mm；dn：第n次拉深件直径，mm；dΦ：拉深件凸缘直径（包括修边余量），mm；rn：第n次拉深件底部圆角半径，mm；rΦn：第n次拉深件凸缘根部圆角半径，mm；D：平板毛坯直径（考虑多拉入凹模的材料量后的假想毛坯直径），mm西华大学张晓洪（五）有凸缘圆筒形件的工艺计算实例例：计算右图所示拉深件（材料为08钢）的工序尺寸。解：计算步骤（尺寸按料厚中心线计算）如下：…西华大学张晓洪1、选取修边余量查“带凸缘零件切边余量”表dΦ/d=76/30=2.5,dΦ=76,查表取近似值δ=2，故带修边余量的拉深凸缘直径为：dΦ=76+2×2=80“切边余量”表西华大学张晓洪2、计算毛坯直径由得到：可得：上式中5104是最后两项的值，为拉深时凹模外的材料部分。或D≈113mm“常用旋转体拉深件坯料直径计算公式”表西华大学张晓洪3、确定能否一次拉出根据dΦ/d1=80/28=2.86，t/D=2/113=1.77%，查可知，h1/d1=0.22～0.18而此时实际h1/d1=60/28=2.14，远远超过允许值，故无法一次拉出来。也可查可查得，m1=0.32而此时m总=d/D=28/113≈0.25m1故无法一次拉出来。“有凸缘筒形件第一次拉深的最大相对高度h1/d1”表“带凸缘筒形件第一次拉深的极限拉深系数m1”表西华大学张晓洪工艺上，常将首次拉深按窄凸缘件处理，同时凸缘直径直接到位，以后不变。取dΦ/d1=1.1，查得m1=0.51首次拉深后凸缘部分在以后的工序中保持不变，故第一次拉入凹模的材料应比相应部分的面积多3～10%，取5%，则毛坯直径再次修正为：4、计算首次拉深尺寸首次拉深直径为：d1=m1D=0.51×114.5≈58计算拉深高度：计算拉深高度前需要知道相应拉深工序的圆角尺寸。根据首次拉深凹模和凸模圆角的经验公式代入计算得，rd=10.46，取rd=10.5令r1=rp=rΦ1=rd=10.5，可得h1=…≈37“带凸缘圆筒形件第一次拉深的极限拉深系数m1”表西华大学张晓洪5、验算m1选择是否正确验算首次拉深相对高度h1/d1，现dΦ/d1=80/58=1.38t/D=2/114.5=1.75%查表：得：h1/d1=0.70～0.58而实际h1/d1=37/58≈0.64，故合理。若实际值不在该范围内，则需重新确定较大的m1。“有凸缘圆筒形件第一次拉深的最大相对高度h1/d1”表西华大学张晓洪6、确定以后各次拉深系数及工序尺寸查获得m2～m4可得：m2=0.75，d2=m2d1=0.75×58=43.5m3=0.78，d3=m3d2=0.78×43.5=33.93，取