第4章拉深工藝及模具設(shè)計

1、2021-10-181第四章第四章 拉深工藝與模具設(shè)計拉深工藝與模具設(shè)計主講：閆主講：閆 潔潔2021-10-182變薄拉深變薄拉深不變薄拉深不變薄拉深2021-10-183學習目的與要求：學習目的與要求：1 了解拉深變形規(guī)律及拉深件質(zhì)量影響因素；2 掌握拉深工藝計算方法；3 掌握拉深工藝性分析與工藝設(shè)計方法；4 掌握拉深模典型結(jié)構(gòu)及特點；5 掌握拉深工藝與拉深模設(shè)計的方法和步驟。2021-10-184 拉深拉深是將一定形狀的平板毛坯通過拉深模具沖壓成各種開口空心件開口空心件或以開口空心件為毛坯，通過拉深進一步改變其形狀和尺寸的沖壓工藝方法。 不變薄拉深 變薄拉深拉深拉深2021-10-185

2、軸對稱旋轉(zhuǎn)體軸對稱旋轉(zhuǎn)體盒形件盒形件不對稱拉深件不對稱拉深件拉深件類型拉深件類型2021-10-186本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 1.拉深變形過程及其成形特點 2.常見拉深件成形精度的影響因素 3.無凸緣園筒件的拉深成形方法 4.有凸緣園筒件的拉深成形方法 5.拉深力的計算。 6.拉深模工作部分尺寸及其精度計算。 7.拉深零件工藝性分析。2021-10-187本章的關(guān)鍵詞：本章的關(guān)鍵詞： 拉深、壓邊圈、 起皺、筒壁危險斷面拉裂 拉深系數(shù)、極限拉深系數(shù) 拉深次數(shù)、窄凸緣、 寬凸緣 拉深工藝性、硬化指數(shù)、屈服比2021-10-1881.拉深變形過程及其成形特點拉深變形過程及其成形特點圓筒形件是最典型

3、的拉深件。圓筒形件是最典型的拉深件。 平板圓形坯料拉深成為圓筒形平板圓形坯料拉深成為圓筒形 件的變形過程如圖所示。件的變形過程如圖所示。變形現(xiàn)象：變形現(xiàn)象：平板圓形坯料的凸緣彎曲繞過凹模圓角然后拉直形成豎直筒壁。 變形區(qū)變形區(qū)凸緣；已變形區(qū)已變形區(qū)筒壁；不變形區(qū)不變形區(qū)底部。傳力區(qū)傳力區(qū)底部和筒壁。 2021-10-1891.拉深變形過程及其成形特點拉深變形過程及其成形特點1.11.1拉深過程中坯料內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)拉深過程中坯料內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài) 圖中所示為拉深過程中某一瞬間坯料所處的狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)不同，可將坯料劃分為五個部分。 凸緣部分 凹模圓角部分 筒壁部分 凸模圓角部分 筒底

4、部分2021-10-18102021-10-18111.拉深變形過程及其成形特點拉深變形過程及其成形特點1.11.1拉深過程中坯料內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)拉深過程中坯料內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)拉深變形過程：拉深變形過程：凸緣產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力：徑向拉應(yīng)力1；切向壓應(yīng)力3凸緣塑性變形：徑向伸長，切向壓縮，形成筒壁直徑為高度為的圓筒形件（H（D-d）/2）材料轉(zhuǎn)移：高度、厚度發(fā)生變化。拉深單元變形動畫外力外力2021-10-18121.21.2拉深的成形特點拉深的成形特點 拉深過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題主要是凸緣變形區(qū)的起皺凸緣變形區(qū)的起皺和筒壁傳力區(qū)的拉裂筒壁傳力區(qū)的拉裂。 凸緣區(qū)起皺是由于切向壓應(yīng)力引起板料失去穩(wěn)定而產(chǎn)生

5、彎曲；傳力區(qū)的拉裂是由于拉應(yīng)力超過抗拉強度引起板料斷裂。 同時，拉深變形區(qū)板料有所增厚，而傳力區(qū)板料有所變薄。 這些現(xiàn)象表明，在拉深過程中，坯料內(nèi)各區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)是不同的，因而出現(xiàn)的問題也不同。2021-10-18132.2.常見拉深件成形精度的影響因素常見拉深件成形精度的影響因素 2.1平面凸緣的起皺2021-10-1814 拉深過程中，凸緣區(qū)變形區(qū)的材料在切向壓應(yīng)力的作用下，可能會產(chǎn)生失穩(wěn)起皺。 凸緣區(qū)是否起皺，主要決定于兩個方面： 切向壓應(yīng)力切向壓應(yīng)力的大小的大小，越大越容易失穩(wěn)起皺； 凸緣區(qū)板料本身的抵抗失凸緣區(qū)板料本身的抵抗失 穩(wěn)的能力穩(wěn)的能力，凸緣寬度越大，厚度越薄，材料彈性模

6、量和硬化指數(shù)越小，抵抗失穩(wěn)能力越小。常見的防止起皺的方法常見的防止起皺的方法：采用便于調(diào)節(jié)壓邊力的壓邊圈和拉深筋把凸緣壓緊在凹模表面。P1272021-10-1815 硬化指數(shù)n（n值）是評定板料伸長類成形性能的一個重要參數(shù)。 n值大，則拉伸失穩(wěn)時的極限應(yīng)變極限應(yīng)變大。這對于脹形、擴孔、內(nèi)凹曲線翻邊等伸長類成形來說，可以在一次成形中獲得較大的極限變形程度。 n值對復雜形狀零件的成形也有影響，在以脹形為主的成形工藝中，n值大的板料，成形性能好。2021-10-18162.22.2筒壁危險斷面的拉裂筒壁危險斷面的拉裂 筒壁部分在拉深過程中起傳遞拉深力的作用，在單向拉應(yīng)力作用下，當達到材料的抗拉強度

7、極限時，筒壁被拉裂。2021-10-1817 筒壁部分與底部園角部分的交界面附近材料的厚度最薄，硬度最低，因而該處是發(fā)生拉裂的危險斷面。 是否拉裂取決于拉深力的大小和筒壁材料的強度。2021-10-1818 防止拉裂： 一方面要通過改善材料的力學性能，提高筒壁抗拉強度； 另一方面通過正確制定拉深工藝和設(shè)計模具，降低筒壁所受拉應(yīng)力。 2021-10-1819旋轉(zhuǎn)體的坯料形狀和尺寸確定的依據(jù)旋轉(zhuǎn)體的坯料形狀和尺寸確定的依據(jù) 體積不變原則：若拉深前后料厚不變，拉深前坯料表面積與拉深后沖件表面積近似相等，得到坯料尺寸 相似原則：拉深前坯料的形狀與沖件斷面形狀相似。但坯料的周邊必須是光滑的曲線連接。 2

8、021-10-18203.3.無凸緣園筒件的拉深成形方法無凸緣園筒件的拉深成形方法 3.1 3.1毛坯尺寸計算毛坯尺寸計算將拉深件劃分為若干個簡單的幾何體，分別求出各簡單幾何體的表面積。各簡單幾何體面積相加即為零件總面積。根據(jù)表面積相等原則，求出坯料直徑。2021-10-1821iAAAAD32124iAD423221)2(48)2(24)(rdArrdrArHdA222256. 072. 148)2(2)(4)2(rdrdHdrrdrrHdrdD按圖得：故：整理后坯料的直徑：2021-10-18223.23.2無凸緣圓筒形零件拉深系數(shù)的確定無凸緣圓筒形零件拉深系數(shù)的確定 拉深系數(shù)拉深系數(shù)m

9、m表示拉深前后坯料（工序件）直徑的變化率變化率。m愈小，說明拉深變形程度愈大，相反，變形程度愈小。 第一次拉深系數(shù)： 第二次拉深系數(shù)： 第n次拉深系數(shù)：Ddm11122ddm 1nnnddm2021-10-1823 拉深件的總拉深系數(shù)等于各次拉深系數(shù)的乘積，即 如果m m取得過小，會使拉深件起皺、斷裂或嚴重變薄超差。極限拉深系數(shù)極限拉深系數(shù)m從工藝的角度來看，m越小越有利于減少工序數(shù)。 nnnnnnnmmmmmddddddddDdDdm132112123121 2021-10-1824 3. 3.無凸緣園筒件的拉深成形方法無凸緣園筒件的拉深成形方法 3.33.3極限拉深系數(shù)的影響因素極限拉深系

10、數(shù)的影響因素材料的力學性能板料的相對厚度 m拉深工作條件 a.模具的幾何參數(shù) b.摩擦潤滑 c.壓料圈的壓料力拉深方法、拉深次數(shù)、拉深速度、拉深件的形狀Dt/2021-10-18253.3.無凸緣園筒件的拉深成形方法無凸緣園筒件的拉深成形方法3.43.4拉深次數(shù)的確定拉深次數(shù)的確定 當 m時，拉深件可一次拉成，否則需要多次拉深。 其拉深次數(shù)的確定有以下幾種方法： 查表法 推算方法 計算方法總m2021-10-18263.3.無凸緣園筒件的拉深成形方法無凸緣園筒件的拉深成形方法3.43.4拉深次數(shù)的確定拉深次數(shù)的確定推算方法 1）由表4.4.1或表4.4.2中查得各次的極限拉深系數(shù)； 2）依次計

11、算出各次拉深直徑，即 11；221； 3）當時，計算的次數(shù)即為拉深次數(shù)。2021-10-18274.4.有凸緣園筒件拉深的成形方法有凸緣園筒件拉深的成形方法窄凸緣窄凸緣寬凸緣寬凸緣有凸緣的拉深件根據(jù)相對凸緣直徑d dt t/d/d 的大小，分為窄凸緣和寬凸緣拉深件，它們的拉深方法是不同的。2021-10-1828窄凸緣的拉深方法窄凸緣的拉深方法 前幾道工序先拉成無凸緣的圓筒形件； 最后兩次拉深拉成口部帶錐度和較大凸緣圓 角的帶凸緣件； 然后再用一道工序較平。 2021-10-1829寬凸緣的拉深方法寬凸緣的拉深方法凸緣直徑應(yīng)在首次拉深中確定，以后各次拉深只是將首次拉深拉入凹模的材料作重新分配。

12、帶凸緣拉深件首次拉深的變形程度比拉深系數(shù)相同的無凸緣件的拉深變形程度小，因而允許取更小的拉深系數(shù)。首次拉深拉入凹模的材料應(yīng)比實際需要的量多5%10%，多拉入的材料在以后各次拉深中逐次回到凸緣上。2021-10-1830中小零件：如圖a）大型零件：如圖b）2021-10-18314.4.有凸緣園筒件拉深的成形方法有凸緣園筒件拉深的成形方法 變形特點：該類零件的拉深過程，其變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)和變形特點與無凸緣圓筒形件是相同的。但坯料凸緣部分不是全部拉入凹模。 2021-10-18324.4.有凸緣園筒件拉深的成形方法有凸緣園筒件拉深的成形方法 4.1拉深系數(shù)的確定 有凸緣圓筒形件的拉深系數(shù)取決于有關(guān)

13、尺寸的三個相對比值：dt/（凸緣的相對直徑）、/（零件的相對高度）、/（相對圓角半徑）。 4.2拉深次數(shù)的確定根據(jù)拉深系數(shù)或零件相對高度，判斷拉深次數(shù)。2021-10-18335.5.拉深力的計算拉深力的計算拉深力的經(jīng)驗公式拉深力的經(jīng)驗公式采用壓料圈拉深時 首次拉深 以后各次拉深不采用壓料圈拉深時 首次拉深 以后各次拉深 11KtdFb2KtdFbibtdDF)(25. 11biitddF)(3 . 112021-10-18346.6.拉深模工作部分尺寸及其精度計算拉深模工作部分尺寸及其精度計算 拉深模拉深模特點特點： 結(jié)構(gòu)相對較簡單，與沖裁模比較，工作部分有較大的圓角，表面質(zhì)量要求高，凸、凹

14、模間隙略大于板料厚度。 拉深件的模具設(shè)計順序：拉深件的模具設(shè)計順序： 先設(shè)計拉深模，坯料形狀尺寸確定后再設(shè)計沖裁模。如果拉深件口部不整齊，需留切邊余量 ，增加切邊工序。2021-10-18356.1 拉深凸模與凹模的間隙拉深凸模與凹模的間隙間隙過大：拉深件口部有小的皺紋，零件回彈變形大，有錐度，精度差。間隙過小：摩擦阻力增大易出現(xiàn)拉裂，同時模具磨損加大，壽命低。確定間隙的原則是既要考慮板料本身的公差，又要考慮板料在變形中的增厚現(xiàn)象。1無壓邊圈拉深模具的單邊間隙 c=(11.1) （末次拉深取小值）2有壓邊圈拉深模具的單邊間隙值 c=(1.11.2)t3拉深凸、凹模間隙取向拉深凸、凹模間隙取向按

15、下述原則決定。 除最后一次拉深外，其余各工序的拉深間隙不作規(guī)定。 最后一道拉深，當零件要求外形尺寸時，間隙取在凸模上；當零件要求內(nèi)形尺寸時，間隙取在凹模上。2021-10-18366.2 拉深凸模與凹模的圓角半徑1凹模圓角半徑 當 較小時， 危險斷面材料嚴重變薄甚至破裂， 還會使拉深件表面刮傷。 太大時（如圖3）容易 起皺。 拉深凹模圓角半徑可按以下經(jīng)驗公式計算： (0.60.8) 2t2凸模圓角半徑 rt首次拉深凸模圓角半徑為： =(0.71.0)ra以后各次拉深凸模圓角半徑為：最后一次拉深時，凸模圓角半徑應(yīng)等于零件圓角半徑， t，否則應(yīng)加整形工序2021-10-1837圖1 零件尺寸和模具

16、工作尺寸圖2 拉深模工作部分 圖3 拉深初期毛坯與凸、凹模的位置關(guān)系2021-10-18382021-10-18396.3 拉深凸模與凹模的結(jié)構(gòu)拉深凸模與凹模的結(jié)構(gòu)1無壓邊圈的拉深模 圖5（a）所示為圓弧洞口凹模； 圖5 （b）所示為錐面形洞口凹模； 圖5 （c）所示為漸開線形洞口凹模。2有壓邊圈的拉深模 圓角結(jié)構(gòu)形式如圖6 （a），拉深直徑d100mm的零件。 有錐角的凸、凹模結(jié)構(gòu)如圖6 （b） ，拉深直徑d100mm的零件。3拉深凸模必須設(shè)計通氣孔（防止形成真空狀態(tài)）4.7.5 拉深模壓邊裝置的結(jié)構(gòu)1采用壓邊裝置的條件（可見表4-9） 壓邊裝置的作用就是在凸緣變形區(qū)施加軸向（材料厚度方向）

17、壓力，提高毛坯變形的穩(wěn)定性，而防止起皺。2常用壓邊圈的結(jié)構(gòu)形式 首次拉深模用的壓邊圈常采用如圖7所示的形式。 后續(xù)拉深工序用壓邊圈如圖8所示。圖中限位柱（固定式和可調(diào)節(jié)式）高度的設(shè)計應(yīng)保證模具在拉深過程中，保持壓邊圈和凹模圓角間的距離為s值。其值分別為：v拉深有凸緣的零件：s=t+(0.050.1)v拉深鋼零件：s=1.5tv拉深鋁合金：s=1.1t 在單動壓力機上進行拉深，常采用通用性強的壓邊裝置，其彈性元件一般使用橡皮、彈簧和氣墊三種。2021-10-1840圖5 不用壓邊圈的拉深凹模結(jié)構(gòu)2021-10-1841圖6 有壓邊圈的拉深模工作部分形狀和尺寸2021-10-1842圖7 首次拉深

18、模用壓邊圈類型2021-10-1843圖8 有限位柱的壓邊圈2021-10-1844典型拉深模結(jié)構(gòu)圖典型拉深模結(jié)構(gòu)圖 -模柄 -上模座 -凸模固定板 -彈簧 -壓邊圈 -定位板 -凹模 -下模座 -卸料螺釘 10-凸模 2021-10-1845典型拉深模結(jié)構(gòu)圖典型拉深模結(jié)構(gòu)圖 1.首次拉深模首次拉深模壓邊裝置彈性壓邊裝置剛性壓邊裝置橡皮壓邊裝置彈簧壓邊裝置氣墊式壓邊裝置帶限位裝置的壓邊圈2021-10-1846典型拉深模結(jié)構(gòu)圖典型拉深模結(jié)構(gòu)圖2.以后各次拉深模以后各次拉深模2021-10-1847典型拉深模結(jié)構(gòu)圖典型拉深模結(jié)構(gòu)圖落料拉深模落料拉深模 正裝落料拉深模正裝落料拉深模 落料正、反拉深

19、模落料正、反拉深模 后次拉深、沖孔、切邊復合模后次拉深、沖孔、切邊復合模2021-10-18487.7.拉深零件工藝性分析拉深零件工藝性分析7.17.1拉深件材料拉深件材料 用于拉深的材料一般要求具有較好的塑性、低的屈強比、一般選用含碳量較低的鋼板或塑性較好的鋁板、銅板等；有色金屬。材料的屈服比 越小，則一次拉深允許的極限變形程度越大，拉深性能越好。2021-10-18497.27.2拉深件的結(jié)構(gòu)工藝性拉深件的結(jié)構(gòu)工藝性 形狀應(yīng)盡量簡單、對稱，避免尖底形，以保證變形均勻。 拉深高度盡可能小，以便能通過12次拉深工序成形。 在保證裝配的前提下，應(yīng)允許拉深件側(cè)壁有一定的斜度。 拉深件的園角半徑盡可

20、能大一些，否則，應(yīng)增加整形工序。 拉深件的底或凸緣上的孔邊到側(cè)壁的距離應(yīng)滿足： +0.5（或+0.5） 拉深件的尺寸標注，應(yīng)注明保證外形尺寸，還是內(nèi)形尺寸，不能同時標注內(nèi)外形尺寸。2021-10-18507.37.3拉深件的公差等級拉深件的公差等級 一般情況下，拉深件的尺寸精度應(yīng)在T13級以下，不宜高于IT11級。 拉深件壁厚公差要求一般不應(yīng)超出拉深工藝壁厚變化規(guī)律。 據(jù)統(tǒng)計，不變薄拉深，壁的最大增厚量約為（0.20.3）；最大變薄量約為（0.100.18），（為板料厚度）。2021-10-1851無無壓壓邊邊裝裝置置的的首首次次拉拉深深模模1-定位板 2-下模板 3-拉深凸模 4-拉深凹模

21、2021-10-1852正正裝裝拉拉深深模模 模柄 上模座 凸模固定板 彈簧 壓邊圈 定位板 凹模 下模座 卸料螺釘 10凸模 2021-10-1853帶帶錐錐形形壓壓邊邊圈圈的的倒倒裝裝拉拉深深模模1上模座2推桿 3推件板4錐形凹模5限位柱6錐形壓邊圈7拉深凸模8固定板9下模座 2021-10-1854 彈簧壓邊裝置彈簧壓邊裝置a) 橡皮 b) 彈簧 c) 氣墊2021-10-1855雙動壓力機用拉深模剛性壓邊裝置動作原理雙動壓力機用拉深模剛性壓邊裝置動作原理 2021-10-1856帶限位裝置在壓邊帶限位裝置在壓邊圈圈第一次拉深第二次拉深2021-10-1857帶剛性壓邊裝置拉深模帶剛性壓

22、邊裝置拉深模1-固定板 2-拉深凸模 3-剛性壓邊圈 4-拉深凹模 5-下模板 6-螺釘 2021-10-1858無壓邊裝置的以后各次拉深模無壓邊裝置的以后各次拉深模 2021-10-1859有有壓壓邊邊裝裝置置的的以以后后各各次次拉拉深深模模 1-推件板 2-拉深凹模 3-拉深凸模 4-壓邊圈 5-頂桿 6-彈簧 2021-10-18602021-10-18612021-10-18622021-10-18631-頂桿 2-壓邊圈 3-凸凹模 4-推桿 5-推件板 6-卸料板 7-落料凹模 8-拉深凸模 落落料料拉拉深深復復合合模模2021-10-18641-凸凹模 2-反拉深凸模 3-拉深凸

23、凹模 4-卸料板 5一導料板 6-壓邊圈 7-落料凹模 落落料、料、正、正、反反拉拉深深模模2021-10-18651-1-壓邊圈壓邊圈 2-2-凹模固定板凹模固定板 3-3-沖孔凹模沖孔凹模 4-4-推件板推件板 5-5-凸模固定板凸模固定板 6-6-墊板墊板 7-7-沖孔凸模沖孔凸模 8-拉深凸模拉深凸模 9-限位螺栓限位螺栓 10-螺母螺母 11-墊柱墊柱 12-拉深切邊凹模拉深切邊凹模 13-切邊凸模切邊凸模 14-固定塊固定塊 再次拉深、沖孔、切邊復合模再次拉深、沖孔、切邊復合模2021-10-1866拉拉深深筋筋2021-10-18672021-10-1868圖1 落料制件圖3 拉深制件 圖4 拉裂缺陷件鎂合金手機外殼圖2 沖孔制件2021-10-18692021-10-1870由于手機外殼的拉深高度較小，拉深系數(shù)大,因此設(shè)計時采用了一次拉深成形工藝。在模具結(jié)構(gòu)中，采用了帶限位裝置（的橡膠