拉深工艺及模具设计

冷冲压工艺与模具设计,第四章 拉深工艺与模具设计,冷冲压工艺与模具设计,定义： 利用专用模具将平板毛坯制成空心件的一种冲压工艺方法，又称拉延、压延、引伸等。 用途： 可以制成筒形、阶梯形、锥形和其它不规则形状的薄壁零件，如和其它冲压成形工艺配合，还可以制造形状极为复杂的工件。 优点： 拉深制造薄壁空心件生产效率高，材料消耗少，零件的强度和刚度高，而且零件的精度高。 分类： 圆筒形零件； 曲面形零件； 盒形零件； 非旋转体曲面形状零件。,第四章 拉深工艺与模具设计,冷冲压工艺与模具设计,4.1 拉深过程分析 4.2 筒形件拉深的主要质量问题及防止措施 4.3 圆筒形件拉深的有关尺寸的确定 4.4 拉深模设计计算 4.5 有凸缘圆筒形件的拉深 4.6 其它零件的拉深 4.7 拉深件的工艺性 4.8 拉深中的辅助工序 4.9 其他拉深方法,第四章 拉深工艺与模具设计,冷冲压工艺与模具设计,4.1 拉深过程分析,一、拉深变形过程及特点 坐标网格试验： 同心圆水平圆圈线 越靠近筒口，间距越大 表明： 金属的塑性流动 拉深件组成 变形区：环形部分 不变形区：凸模下的圆形底部 传力区：直壁部分 二、拉深过程中各部位的应力应变状态分析,冷冲压工艺与模具设计,4.1 拉深过程分析,一、拉深变形过程及特点 二、拉深过程中各部位的应力应变状态分析 取平板毛坯上的一个扇形作研究 根据拉深过程中毛坯各部分的应力状况不同，可划分为五个部分 1、 平面凸缘部分(主要变形区) P122 公式 2、凸缘圆角部分(过渡区) 切向被压缩，径向被拉伸 3、筒体部分(传力区) 单向受拉应力(厚度变薄)，筒壁上厚下薄 4、底部圆角部分(过渡区) 危险截面 5、筒体底部 双向拉伸变薄(类似于胀形),冷冲压工艺与模具设计,4.2 圆筒形件拉深的有关尺寸的确定,一、拉深件的修边余量 二、变形程度和拉深系数 三、拉深次数的确定 四、工艺计算 五、以后各次拉深的特点和方法,冷冲压工艺与模具设计,4.2 圆筒形件拉深的有关尺寸的确定,一、拉深件的修边余量 影响因素：材料的力学性能的各向异性，模具间隙分布不均，摩擦阻力不均，定位不准确等。 P129 表4-3 二、变形程度和拉深系数 三、拉深次数的确定 四、工艺计算 五、以后各次拉深的特点和方法,冷冲压工艺与模具设计,4.2 圆筒形件拉深的有关尺寸的确定,一、拉深件的修边余量 二、变形程度和拉深系数 1、变形程度：用拉深系数表示。 2、拉深系数 定义：拉深后与拉深前的圆筒形件的直径之比。 极限拉深系数：P133表4-5、4-6 影响拉深系数的因素： 材料力学性能的影响：塑性越好，极限拉深系数越小； 材料相对厚度的影响：相对厚度越大，极限拉深系数越小； 拉深次数的影响：冷作硬化的影响，次数越多，极限拉深系数越大； 拉深方式的影响：是否使用压边圈则m不同。 其他影响：间隙、凸凹模圆角半径、润滑条件等。 三、拉深次数的确定 四、工艺计算 五、以后各次拉深的特点和方法,冷冲压工艺与模具设计,4.2 圆筒形件拉深的有关尺寸的确定,一、拉深件的修边余量 二、变形程度和拉深系数 三、拉深次数的确定 根据极限拉深系数判定能否一次拉深成形； 多次拉深的拉深次数的确定： 计算法 查表法：P135表4-8 四、工艺计算 五、以后各次拉深的特点和方法,冷冲压工艺与模具设计,4.2 圆筒形件拉深的有关尺寸的确定,一、拉深件的修边余量 二、变形程度和拉深系数 三、拉深次数的确定 四、工艺计算 1、确定修边余量； 2、计算毛坯尺寸： 简单几何形状拉深件的毛坯尺寸 复杂旋转体拉深件的毛坯尺寸：作图法、解析法 3、确定是否使用压边圈； 4、确定拉深次数； 5、确定各次拉深直径； 6、选取各次半成品底部的圆角半径； 7、计算各次拉深高度 8、画出工序图 五、以后各次拉深的特点和方法,冷冲压工艺与模具设计,4.2 圆筒形件拉深的有关尺寸的确定,一、拉深件的修边余量 二、变形程度和拉深系数 三、拉深次数的确定 四、毛坯尺寸计算 五、以后各次拉深的特点和方法 特点： 1、圆筒形件毛坯的壁厚及力学性能都不均匀：加工硬化； 2、变形区(dn-1d n)保持不变，直至拉深终了之前，拉深力一直在增加，直至变形的最后阶段才下降至零； 3、破裂往往出现在拉深的末尾，而不是发生在初始阶段； 4、稳定性较首次拉深为好： 方法： 1、正拉深： 2、反拉深： 优点：材料的流动方向有利于相互抵消拉深时形成的残余应力；材料的弯曲与反弯曲次数较少，加工硬化也少，有利于成形；毛坯与凹模接触面大，材料的流动阻力也大，材料不易起皱，可不用压边圈，避免由于压边力不当或不均匀引起的拉裂。 缺点：当拉深系数很大而凹模壁厚不大时，凹模强度会不足,冷冲压工艺与模具设计,4.3 拉深模设计计算,一、拉深力和拉深功的计算 二、凸凹模工作部分尺寸的计算 三、凸凹模工作表面的技术要求 四、压边装置,冷冲压工艺与模具设计,一、拉深力和拉深功的计算,1、压边力的计算 1)采用压边的条件：P155公式或P156表4-18 2)压边力的计算：FQ=A p 2、拉深力的计算 无压边圈：FW=Kd t b 有压边圈：F=FW + FQ 选择压机时的注意事项：注意考察压力机的压力曲线，防止过载。一般地： 浅拉深：F0.7-0.8 F0 深拉深：F0.5-0.6 F0 3、拉深功的计算 拉深功：W=CFmaxhEXP-3 (J) 校核压机功率：P=k W n / 60100012,4.3 拉深模设计计算,冷冲压工艺与模具设计,二、凸凹模工作部分尺寸的计算,1、凸凹模间隙 定义：单边间隙 作用和影响：Z过小，则增加摩擦阻力，使工件易拉裂，易擦伤工件表面，降低模具寿命；Z过大，则对毛坯的校直作用小，影响工件尺寸精度。 确定原则：考虑板料本身的公差，又要考虑筒形件口部的增厚现象。 确定值： 不用压边圈：Z=1-1.1 tmax 使用压边圈：P159表4-21； 对于精度要求高的拉深件，为了减小拉深后的回弹，降低零件的表面粗糙度，常采用负间隙拉深，Z = 09-0.95 t 最后一道拉深的间隙计算视工件尺寸标注决定。 2、凸凹模圆角半径 3、凸凹模工作部分尺寸的确定,4.3 拉深模设计计算,冷冲压工艺与模具设计,二、凸凹模工作部分尺寸的计算,1、凸凹模间隙 2、凸凹模圆角半径 作用 凹模圆角半径过大，则易起皱，尤其是相对厚度较小状态下的拉深后期；凹模圆角半径过小，则增大变形阻力，引起拉深力增加、模具寿命降低。 凸模圆角半径影响不明显，但过大，会引起拉深初期产生内皱；过小，则降低筒壁传力区危险截面的有效抗拉强度。 计算 凹模： 首次拉深：P160公式； 以后各次拉深：rdi =0.6-0.8 rdi-1 凸模： 首次拉深：rp =0.7-1.0 rd 以后各次拉深，逐步减小，最后一道拉深与工件相等。 3、凸凹模工作部分尺寸的确定,4.3 拉深模设计计算,冷冲压工艺与模具设计,二、凸凹模工作部分尺寸的计算,1、凸凹模间隙 2、凸凹模圆角半径 3、凸凹模工作部分尺寸的确定 原则：考虑模具的磨损和拉深件的回弹 计算： 最后一次拉深：P163 工件标注外形尺寸：先确定凹模 Dd=(D-0.75) 工件标注内形尺寸：先确定凸模 Dp=(D+0.4) 多次拉深的中间工序： 半成品的尺寸公差没有必要予以严格限制，模具的尺寸只要取半成品的过渡尺寸即可。,4.3 拉深模设计计算,冷冲压工艺与模具设计,三、凸凹模工作表面的技术要求,目的：提高成形质量和成形极限，降低传力区最大拉力值，提高危险截面的承载能力。 要求： 无论凸、凹模，表面不允许有砂眼、缩孔、裂纹和机械损伤等缺陷。 凹模和型腔工作表面一般Ra0.8，圆角处Ra0.4； 凸模工作表面特别是圆角处Ra1.6-0.8即可。,4.3 拉深模设计计算,冷冲压工艺与模具设计,四、压边装置,1、类型 刚性压边圈：主要用于大型覆盖件的拉深模； 弹性压边圈：多用于中、小型拉深件使用的模具；(气压、液压、弹簧、橡皮等) 2、结构型式 平面压边圈：首次拉深用； 带凸边的压边圈：薄料件的拉深； 锥面压边圈：锥面凹模用； 带拉延肋的压边圈：大型覆盖件拉深； 3、尺寸及技术要求 尺寸：与凸模单面间隙取0.2-0.5mm； 技术要求：工作表面不允许开螺孔，应具有足够的刚度，顶杆分布应对称，保证压边圈在工作过程中能平稳地移动，与毛坯的接触表面Ra0.8，其余表面 Ra6.3- Ra3.2,4.3 拉深模设计计算,冷冲压工艺与模具设计,4.4 筒形件拉深的主要质量问题及防止措施,一、起皱 二、拉裂 三、拉深凸耳 四、时效开裂,冷冲压工艺与模具设计,4.4 筒形件拉深的主要质量问题及防止措施,表征：凸缘边上材料产生皱折 原因：坯料凸缘在切向压应力的作用下，可能产生失稳现象。 影响：轻微的起皱坯料可通过凸凹模间隙完成拉深，但在筒壁上留下皱痕，影响制件表面质量，而严重的起皱会使材料不能通过凸凹模间隙而出现拉裂现象。 防止措施： 1) 采用压边装置； 2) 改善凸缘部分的润滑，选用屈强比小、屈服点低的材料，尽量使板料相对厚度t/D大些，增大抗失稳能力； 3) 设计合理的压边形式和适当的拉深筋； 4) 采用反拉深方法,一、起皱,冷冲压工艺与模具设计,4.4 筒形件拉深的主要质量问题及防止措施,表征：筒壁与筒底过渡部位产生开裂。 原因：出现起皱现象导致异常；拉深变形程度太大，拉深力过大导致该部所受拉应力超过材料的有效抗拉强度。 影响：制件报废。 防止措施： 合理选取拉深系数，减小拉深变形程度，减小拉深力； 合理选用材料：屈强比小、屈服点低，硬化指数n值大； 选择合理的凸、凹模圆角半径； 合理进行润滑。,二、拉裂,冷冲压工艺与模具设计,4.4 筒形件拉深的主要质量问题及防止措施,表征： 在制件口端出现有规律的高低不平现象，凸耳的数目一般为4个； 原因： 材料的各向异性、纤维流线的影响； 影响： 制件口端不平齐，浪费材料； 防止措施： 修边,三、拉深凸耳,冷冲压工艺与模具设计,4.4 筒形件拉深的主要质量问题及防止措施,表征：制件拉深成形后，由于经受到撞击或振动，甚至存放一段时间后出现的口部开裂现象，一般是从口端先开裂，进而扩展开来。 原因： 金属组织：含有氢的作用(脱氢处理)； 残余应力：不均匀变形导致附加应力和残余应力。 影响：零件报废 防止措施： 拉深后及时修边； 拉深过程中及时进行中间退火； 在多次拉深时尽量在其口部留一条宽度较小的凸缘边等。,四、时效开裂,冷冲压工艺与模具设计,4.5 有凸缘圆筒形件的拉深,一、带凸缘筒形件的工艺计算与拉深方法 1、工艺计算 如能一次拉出，则无须计算与讨论； 如何判定能否一次拉深成形？ 2、拉深方法 窄凸缘筒形件：先拉深成无凸缘圆筒形件，然后形成锥形凸缘，再压平； 宽凸缘筒形件： 先拉到凸缘直径dt，以后逐步改变筒体，减小直径，增加高度，直到完成零件成形； 对大型零件，相对厚度较大时，可先形成dt和h尺寸，以后仅通过改变凸凹模圆角半径来改变筒体直径。 二、举例 P137-138 工艺计算示例,冷冲压工艺与模具设计,4.6 其它零件的拉深,一、盒形件的拉深特点 二、阶梯形件的拉深 三、半球形件的拉深 四、抛物面形拉深件 五、锥形件的拉深,冷冲压工艺与模具设计,4.6 其它零件的拉深,一、盒形件的拉深特点 1、凸缘变形区内径向拉应力的分布是不均匀的。在圆角部分最大，直边部分最小。(与圆筒形件相比，平均拉应力载荷要小很多) 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) 3、在毛坯外周边上，切向压应力的分布也是不均匀的，从角部到中间直边部位，压应力的数值逐渐减小。,冷冲压工艺与模具设计,4.6 其它零件的拉深,二、阶梯形件的拉深 1、原理与圆筒形件拉深基本相同； 2、判断一次拉深成形的方法：相对高度； 3、多次拉深工艺：相邻阶梯直径的比值大于相应的圆筒形件的极限拉深系数，则按从大阶梯到小阶梯的顺序拉深；相邻阶梯直径的比值小于相应的圆筒形件的极限拉深系数，则该对应的相邻阶梯拉深顺序颠倒；最小的阶梯超过极限时可以用胀形方法获得；浅拉深可是用球面件(大圆角件)+整形工序；,冷冲压工艺与模具设计,4.6 其它零件的拉深,三、半球形件的拉深 凸缘变形区与圆筒形件拉深基本相同，但中间部分比较复杂，顶点附近是胀形，受双向拉伸变形(应力)，随着与顶点距离的加大，逐渐过渡到压应力状态，存在应力界圆)； 易起皱，可采用带校整作用的有底凹模； 拉深系数为常数，常用毛坯的相对厚度作为判定拉深的难易的主要依据。,冷冲压工艺与模具设计,4.6 其它零件的拉深,四、抛物面形拉深件 极易起皱； 浅的抛物面拉深件的拉深方法与半球形件的拉深方法相同； 深的抛物面拉深件采用多工序逐渐成形。 可采用充液拉深，效果较好。,冷冲压工艺与模具设计,4.7 拉深件的工艺性,定义：指零件拉深加工的难易程度。 应尽量减少拉深件的高度，使其有可能用一次或两次拉深工序来完成。 一、拉深件结构形状的要求 二、拉深件圆角半径的要求 三、拉深件的公差 四、拉深件的材料,冷冲压工艺与模具设计,4.7 拉深件的工艺性,一、拉深件结构形状的要求 1、设计的拉深件应明确标注须保证的是内形尺寸还是外形尺寸，不可两者同时标注； 2、对工艺性较差的过高或过深的空心零件应尽量减少其高度。 3、应尽量避免曲面空心零件的尖底或尖转角； 4、多工序加工的复杂形状零件，应考虑多工序加工用的统一工艺基准； 5、应尽量避免异常复杂或非对称拉深件。,冷冲压工艺与模具设计,4.7 拉深件的工艺性,二、拉深件圆角半径的要求 凸缘圆角半径rd：应 rd2t，一般取rd =(4-8)t，当 rd 0.5mm时，应增加整形工序； 底部圆角半径rp ：应 rp t，一般取rp (3-5)t，当 rp t 时，应增加整形工序； 盒形拉深件壁间圆角半径r：应 r 3t，为减少拉深次数并简化拉深件的毛坯形状，尽可能使盒形件的高度小于或等于7 r。,冷冲压工艺与模具设计,4.7 拉深件的工艺性,三、拉深件的公差 拉深件横断面的尺寸公差，一般都在IT13级以下，如果零件公差要求高，则需增加整形工序。 四、拉深件的材料 应具有良好的拉深性能 1、硬化指数n：越大越好； 2、屈强比：越小越好； 3、塑性应变比：越大越好。反映了材料的厚向异性性能。,冷冲压工艺与模具设计,4.8 拉深中的辅助工序,一、润滑 二、热处理 三、酸洗,冷冲压工艺与模具设计,4.8 拉深中的辅助工序,一、润滑 润滑点：凹模，压边圈 目的和作用：减小板料与压边圈、板料与凹模平面、板料与凹模圆角、板料与凹模侧壁的摩擦力，防止拉裂。 切忌：不可润滑凸模 润滑剂要求： 1) 能形成高强度薄膜，以承高压； 2) 附着性能好，摩擦系数小、均匀； 3) 对模具、零件、人体无伤害或毒副作用； 4) 便于清洗，配制方便，价格低廉。,冷冲压工艺与模具设计,4.8 拉深中的辅助工序,二、热处理 作用：消除加工硬化和内应力 方法：低温退火(表面质量好)或高温退火(表面质量差) 必须及时进行，防止存放时间过长零件变形或裂纹。 三、酸洗 作用：去除热处理后的氧化皮或其他污物，便于再拉深或喷漆等后续工作。 过程：苏打水去油加热的稀酸液中浸泡冷水漂洗(或弱碱中和) 热水洗涤烘干。,冷冲压工艺与模具设计,4.9 其他拉深方法,一、软模拉深 二、差温拉深 三、脉动拉深 四、变薄拉深,冷冲压工艺与模具设计,4.9 其他拉深方法,一、软模拉深 软凸模拉深： 缺点是易拉偏，底部产生胀形变薄； 优点是模具简单，甚至不需冲压设备，常用于大零件的小批量生产。零件贴模性较好，对锥形件、半球形件和抛物面件，可得到尺寸精度高、表面质量好的零件。 软凹模拉深： 液体凹模拉深(强制润滑拉深)：材料变形阻力较小；零件底部不易变薄；毛坯定位也较容易。 橡皮液囊凹模拉深：液体不与工件直接接触。,冷冲压工艺与模具设计,4.9 其他拉深方法,二、差温拉深 局部加热和局部冷却毛坯的拉深： 加热变形区，以减小变形抗力；冷却传力区，以提高强度； 适用于低塑性材料(钛合金、镁合金)的零件及形状复杂的深拉深件。 深冷拉深： 传力区冷却到-160至-170，抗拉强度提高近2倍，显著降低拉深系数。,冷冲压工艺与模具设计,4.9 其他拉深方法,三、脉动拉深 优点：将压边圈的防皱作用改为消皱作用，可以得到更小的拉深系数。 缺点：拉深过程复杂，需要专用设备。,冷冲压工艺与模具设计,4.9 其他拉深方法,四、变薄拉深 主要是在拉深过程中改变拉深件筒壁的厚度，而毛坯的直径变化很小。 特点： 由于材料的变形是处于均匀压应力之下，材料产生很大的加工硬化，金属晶粒变细，增加了强度。 经塑性变形后，新的表面粗糙度小，Ra可达0.2以下。 因拉深过程的摩擦严重，故对润滑及模具材料的要求较高。,冷冲压工艺与模具设计,作业,P176 习题3 求图4-77所示圆筒形拉深件的毛坯直径及各次拉深直径。 本章结束，谢谢!,