第4章拉深工艺与模具设计课件

第4章 拉深工艺与模具设计 4.1 拉深加工概述 拉深（又称拉延）是利用拉深模在压力机的作用下，将平板坯料或空心件制成开口空心零件的加工方法。用拉深方法不仅可以加工旋转体零件、盒形零件及其他形状复杂的薄壁零件。拉深成形所用的冲模叫做拉深模。图42 有压边圈的首次拉深模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 4.2 拉深变形特点4.2.1 拉深变形过程图43 圆筒形件拉深变形过程1凸模；2压边圈；3坯料；4凹模 图44 拉深件的网格试验拉深变形过程可以归纳如下 在拉深过程中，其底部区域几乎不发生变化。在拉深过程中，由于金属材料内部的相互作用，使金属各单元体之间产生了内应力：在径向产生拉伸应力，在切向产生压缩应力。在和的共同作下，凸缘区的材料屈服，产生塑性变形并不断地被拉入凹模内，成为圆筒形件。拉深时，坯料凸缘变形区内各部分的变形是不均匀的，外缘的厚度、硬度最大，变形也最大。4.2.2 拉深过程中的应力应变状态4.2.3 拉深件质量分析 1.凸缘起皱 拉深过程中，凸缘变形区的材料在切向压应力的作用下，可能会失去稳定性，而在凸缘的整个周围产生波浪形的连续弯曲，这就是拉深时的起皱现象。2.筒壁拉裂 起皱与拉裂是拉深过程中的两大障碍，是拉深时的主要质量问题。在一般情况下，起皱的问题可以通过使用压边圈等方法加以解决，但拉裂的问题就要复杂得多。4.3 拉深工艺计算4.3.1 圆筒形零件拉深工艺1坯料尺寸的计算简单形状的旋转体拉深件坯料尺寸的确定复杂形状的旋转体拉深件坯料尺寸的确定 形状复杂的旋转体拉深件坯料尺寸和确定可利用久里金法则，即任何形状的母线AB绕轴线OO旋转一周所得到的旋转体表面积，等于该母线展开长度L与其重心绕轴线旋转所得周长的乘积 复杂形状的旋转体拉深件坯料直径的计算方法 2.拉深系数的确定拉深系数 对于圆筒形件的拉深系数m是每次拉深后圆筒形件的直径与该次拉深前坯料（或半成品）直径的比值。拉深系数的数值小于1。拉深系数可用来表示拉深过程中的变形程度 极限拉深系数 影响极限拉深系数的主要因素 材料的力学性能 板料的相对厚度 模具结构 拉深次数 摩擦与润滑条件 极限拉深系数的确定由于影响极限拉深系数的因素很多，目前仍难采用理论计算方法准确确定极限拉深系数，实际采用的极限拉深系数是根据材料的相对厚度，在一定的拉深条件下用试验方法得出来的。目前在生产实践中采用的各种材料的极限拉深系数见表45、表46和表47。3.拉深次数的确定 需要多次拉深时，其拉深次数可按以下方法确定：（1）推算法（2）计算法 计算所得的拉深次数，其小数部分的数值，不得按照四舍五入法，而应取较大整数值，因表中的拉深系数已经是极限值。（3）查表法 圆筒形件的拉深次数还可直接由各种实用的表格中查取。如表48是根据坯料相对厚度t/D与零件的相对高度h/d查取拉深次数，表49则是根据坯料相对厚度与拉深件的总拉深系数查取拉深次数。4.圆筒形件拉深半成品尺寸的计算各次半成品的直径 确定拉深次数之后，根据多次拉深时变形程度应逐次减小（即后继拉深系数应逐次增大，大于表中所列数值）的原则，重新调整各次拉深系数。然后根据调整后的各次拉深系数计算各次拉深后的半成品直径，直到等于工件直径为止。各次拉深后半成品的高度 各次拉深半成品的高度可根据半成品零件的面积与坯料面积相等的原则求得 5.圆筒形件以后各次拉深以后各次拉深的特点 圆筒形件进行多次拉深时，以后各次拉深时所用坯料的形状与首次拉深时不同，它不是平板而是圆筒形。以后各次拉深的方法 大致有两种方法：正拉深与反拉深 4.3.2 有凸缘圆筒形件的拉深有凸缘圆筒形件拉深的变形程度 有凸缘圆筒形件的拉深变形程度应该用dt 和h（或dt/d和h/d）来表示。有凸缘圆筒形件的拉深方法（1）窄凸缘圆筒形件的多次拉深 窄凸缘圆筒形件多次拉深时，前几次可当作无凸缘圆筒形件拉深，不留凸缘。直到最后几道拉深工序才形成锥形凸缘，最后将其压平。（2）宽凸缘圆筒形件的多次拉深 宽凸缘圆筒形件在第一次拉深时，就将凸缘直径拉深到零件所需要的尺寸。以后各次拉深时，凸缘直径保持不变，仅改变筒体的形状和尺寸。为了保证在以后多次拉深时已拉出的凸缘外部不再发生变形，宽凸缘圆筒形件首次拉入凹模的材料表面积应比零件实际需要量多3%5%，这些多余的材料在以后各次拉深中再逐次转移到凸缘部分，使凸缘增厚，从而避免底部拉裂。4.3.3 拉深力与压边力1拉深力2.压边力3.拉深时压力机标称压力的选择在选择压力机的标称压力时必须注意：当拉深行程较大，特别是采用落料拉深复合模时，不能简单地将落料力与拉深力迭加去选择压力机吨位。准确的选择压力机的原则应是：工作行程中的实际变形力曲线必须在压力机的压力曲线所允许的范围内。4.拉深功与功率计算拉深功 拉深功率 4.4 拉深模典型结构 4.4.1 单动压力机用拉深模1.首次拉深模图433 无压边圈的首次拉深模1锥孔压块；2拉深凹模；3凸模定位圈；4拉深凸模；5定位板；6凹模套圈；7垫板图434 有压边装置的拉深模 图435 有锥形压边圈的倒装拉深模1压边螺钉；2拉深凸模；1上模座；2推杆；3推件板；3压边圈；4定位板；4 锥形凹模5限位柱；6锥形压边圈；5拉深凹模；7拉深凸模；8凸模固定板；9下模座 压边装置弹性压边装置 刚性压边装置 图438 带限位装置装置的压边圈图439 双动压力机用拉深模刚性压边装置动作原理 1曲轴；2凸轮；3外滑块；4内滑块；5凸模；6压边圈；7凹模 图440 带刚性压边装置的拉深模 1固定板；2拉深凸模；3刚性压边圈；4拉深凹模；5下模座；6螺钉 2再次拉深模 图441 无压边装置的以后各次拉深模图442 有压边装置的再次拉深模1推件板；2拉深凹模；3拉深凸模板；4压边圈；5顶杆；6弹簧 图443 落料拉深复合模1顶杆；2压边圈；3凸凹模；4推杆；5推件块；6卸料板；7落料凹模；8拉深凸模图444 落料、正、反拉深模1凸凹模；2反拉深凸模；3拉深凸凹模；4卸料板；5导料板；6压边圈；7落料凹模 图445 再次拉深、冲孔、切边复合模1压边圈；2凹模固定板；3冲孔凹模；4推件板；5凸模固定板；6垫板；7冲孔凸模；8拉深凸模；9限位螺栓；10螺母；11垫柱；12拉深切边凹模；13切边凸模；14固定块4.4.2 双动压力机用拉深模 图447 双动压力机首次工序拉深模1、2导板；3顶板；4大顶杆；5小顶杆；6凹模；7凸模；8压边圈；9垫片；10螺钉；11凸模固定板4.4.拉深模闭合高度计算单动压力机拉深模闭合高度的计算如下 H=hh1（Lrd）由于双动压力机的模具安装及工作方式与单动压力机有所不同，所以应分为外滑块闭合高度与内滑块闭合高度的计算。其通用计算公式如下 H=hh1L4.5 拉深件的工艺性拉深件形状的要求拉深件圆角半径的要求 拉深件的精度 拉深件的材料 4.6 拉深模工作部分结构尺寸4.6.1 拉深凸模与凹模的结构1.不用压边圈的拉深凸模和凹模 图452 不用压边圈的拉深凹模结构 图454 无压边圈的多次拉深模工作部分结构 2.用压边圈的拉深凸模和凹模图455 带压边圈的多次拉深模工作部分结构3.带限制型腔的拉深凹模 图456 不带限制型腔与带限制型腔的凹模4.6.2 拉深凹模与凸模的圆角半径1凹模圆角半径圆筒形件首次拉深时的凹模圆角半径可由下式确定：或2凸模圆角半径 凸模圆角半径，除最后一次应取与零件底部圆角半径相等的数值外，中间各次可以取得和相等或比略小一些，并且各次拉深凸模圆角半径应逐次减小。选定的拉深凸、凹模的圆角半径应比计算值略小一点，在试模调整时再逐渐加大，直到试拉出合格零件时为止。4.6.3 拉深模的间隙拉深模的间隙是指单边间隙，即 确定间隙的原则是既要考虑板料厚度的公差，又要考虑圆筒形件口部的增厚现象，根据拉深时是否采用压边圈，以及零件要求的尺寸精度合理确定。圆筒形件拉深时，间隙可按下列方法确定 不用压边圈时，为了校直可能产生的起皱，间隙不宜过大，一般可取 用压边圈时，其间隙按表421选取。对于精度要求较高的拉深件，为了减小拉深后的回弹，提高零件的光洁度，常采用小于板厚的间隙，其间隙值取 3拉深模间隙取向的原则 对于最后一次拉深工序规定如下：当工件外形尺寸要求一定时，以凹模为准，凸模尺寸按凹模减小以取得间隙。当工件内形尺寸要求一定时，以凸模为准，凹模尺寸按凸模放大以取得间隙。除最后一次工序外，对其他工序间隙的取向不作规定。4.6.4 拉深凸模与凹模工作部分尺寸 对于最后一道工序的拉深模，其凸模和凹模尺寸及其公差应按工件尺寸的标注方式来确定。当工件要求外形尺寸时，以凹模尺寸为基准进行计算，即凹模尺寸 凸模尺寸 当工件要求内形尺寸时，以凸模尺寸为基准进行计算。即凸模尺寸凹模尺寸 4.6.5 拉深凸模的通气孔 工件在拉深时，由于拉深力的作用或润滑油等因素，使得工件很容易被粘附在凸模上，在工件与凸模间形成真空，会增加卸件的困难，造成工件底部不平。为此，凸模应设计有通气孔，以便拉深后的工件容易卸脱。4.7 拉深中的辅助工序润滑 润滑剂在拉深工作中所起的作用，不仅是降低摩擦系数而使拉深力降低（实践证明，与无润滑剂相比，它能降低拉深力达30），从而提高材料的极限变形程度（降低极限拉深系数），而且还能保护模面及工件表面不受刮伤，从而提高模具寿命和工件质量。表424列出拉深的摩擦系数与润滑条件的关系。常见润滑剂见表425。热处理 对于硬化不显著的金属，若工艺过程制订得正确，模具设计合理，一般可不需要进行中间退火。而对于高度硬化的金属，一般在一、二次拉深工序之后即需要进行中间热处理。酸洗 工件退火之后，表面有氧化皮及其他污物，必须进行酸洗清理。4.8 拉深模设计实例 无凸缘圆筒形件的首次拉深 材料：08钢板；料厚：lmm；大批量。1工艺分析（1）计算坯料直径D（2）判断拉深次数 零件只需一次拉深。=1162确定工艺方案（1）本零件首先需要落料，制成直径D=116mm的圆片，然后拉深成为无凸缘圆筒形，最后按h=29.5mm进行修边。（2）进行必要的计算。计算压边力、拉深力 计算拉深力 计算压力机的公称压力3模具工作部分尺寸的计算（1）拉深模的间隙 Z=1.1t=1.11mm=1.1mm（2）拉深模的圆角半径 凹模的圆角半径，选取8mm，凸模的圆角半径等于工件的内圆角半径，即8mm。（3）凸、凹模工作部分的尺寸和公差 (4)凸模的通气孔直径为6.5mm。4模具的总体设计 图460 无凸缘圆筒形件首次拉深模1打杆；2挡环；3模柄；4、15螺钉；5上模板；6垫板；7中垫板；8凹模；9打板；10、21销钉；11压边圈；12凸模；13凸模固定板；14下模板；16、19托板；17橡胶板；18螺柱