拉伸工艺及拉伸模具设计.ppt

拉深概述4 1拉深变形过程的分析4 2直壁旋转体零件拉深工艺的设计4 3非直壁旋转体零件拉深成形的特点4 4盒形件的拉深4 5拉深工艺设计4 6拉深模具设计4 7其他拉深方法 1 拉深的基本概念拉深是利用拉深模具将冲裁好的平板毛坯压制成各种开口的空心件 或将已制成的开口空心件加工成其他形状空心件的一种冲压加工方法 如图4 0 1 2 典型的拉深件 如图4 0 2 3 拉深模具的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 4 1拉深变形过程的分析4 1 1板料拉深变形过程及其特点 如图4 1 1 在毛坯上画作出距离为a的等距离的同心圆与相同弧度b辐射线组成的网格 如图4 1 2 然后将带有网格的毛坯进行拉深 在拉深过程中 毛坯受凸模拉深力的作用 在凸缘毛坯的径向产生拉伸应力 切向产生压缩应力 在它们的共同作用下 凸缘变形区材料发生了塑性变形 并不断被拉入凹模内形成筒形拉深件 在拉深后我们发现如图4 1 2 工件底部的网格变化很小 而侧壁上的网格变化很大 以前的等距同心圆 变成了与工件底部平行的不等距的水平线 并且愈是靠近工件口部 水平线之间的距离愈大 同时以前夹角相等的半径线在拉深后在侧壁上变成了间距相等的垂线 如图4 1 3所示 以前的扇形毛坯网格变成了拉深后的矩形网格 4 1 2拉深过程中变形毛坯各部分的应力与应变状态拉深过程中某一瞬时毛坯变形和应力情况 如图4 1 5 1 平面凸缘部分主要变形区2 凹模圆角区过渡区3 筒壁部分传力区4 凸模圆角部分过渡区5 圆筒底部分小变形区 图4 1 5拉深中毛坯的应力应变情况 4 1 3拉深变形过程的力学分析 1 凸缘变形区的应力分析 1 拉深中某时刻变形区应力分布根据微元体的受力平衡可得因为取并略去高阶无穷小 得 塑性变形时需满足的塑性方程为 由上述两式 并考虑边界条件 当时 经数学推导就可以求出径向拉应力 和切向压应力的大小为 在变形区的内边缘 即处 径向拉应力最大 其值为 在变形区外边缘处压应力最大 其值为 凸缘外边向内边由低到高变化 则由高到低变化 在凸缘中间必有一交点存在 如右图所示 在此点处有所以 化简得 即 即交点在处 用R所作出的圆将凸缘变形区分成两部分 由此圆向凹模洞口方向的部分拉应力占优势 拉应变为绝对值最大的主变形 厚度方向的变形是压缩应变 2 拉深过程中的变化规律和是当毛坯凸缘半径变化到时 在凹模洞口的最大拉应力和凸缘最外边的最大压应力 2 筒壁传力区的受力分析 1 压边力引起的摩擦力该摩擦应力为 2 材料流过凹模圆角半径产生弯曲变形的阻力可根据弯曲时内力和外力所作功相等的条件按下式计算 3 材料流过凹模圆角后又被拉直成筒壁的反向弯曲力仍按式上式进行计算 拉深初期凸模圆角处的弯曲应力也按上式计算 即 4 材料流过凹模圆角时的摩擦阻力通讨凸模圆角处危险断面传递的径向拉应力即为 由上式把影响拉深力的因素 如拉深变形程度 材料性能 零件尺寸 凸 凹模圆角半径 压边力 润滑条件等都反映了出来 有利于研究改善拉深工艺 拉深力可由下式求出 4 1 4拉深成形的障碍及防止措施1 起皱 如图4 1 8 影响起皱的因素 1 凸缘部分材料的相对厚度凸缘部分的相对料厚 即为 2 切向压应力的大小拉深时的值决定于变形程度 变形程度越大 需要转移的剩余材料越多 加工硬化现象越严重 则越大 就越容易起皱 3 材料的力学性能板料的屈强比小 则屈服极限小 变形区内的切向压应力也相对减小 因此板料不容易起皱 4 凹模工作部分的几何形状平端面凹模拉深时 毛坯首次拉深不起皱的条件是 用锥形凹模首次拉深时 材料不起皱的条件是 如果不能满足上述式子的要求 就要起皱 在这种情况下 必须采取措施防止起皱发生 最简单的方法 也是实际生产中最常用的方法 是采用压边圈 2 拉裂拉深后得到工件的厚度沿底部向口部方向是不同的 如图4 1 9 防止拉裂 可根据板材的成形性能 采用适当的拉深比和压边力 增加凸模的表面粗糙度 改善凸缘部分变形材料的润滑条件 合理设计模具工作部分的形状 选用拉深性能好的材料 3 硬化拉深是一个塑性变形过程 材料变形后必然发生加工硬化 使其硬度和强度增加 塑性下降 加工硬化的好处是使工件的强度和刚度高于毛坯材料 但塑性降低又使材料进一步拉深时变形困难 4 2直壁旋转体零件拉深工艺的设计4 2 1拉深毛坯尺寸的确定拉深毛坯尺寸的确定原则 体积不变原理 拉深前毛坯表面积等于拉深后零件的表面积 相似性原理 毛坯的计算方法 等重量 等体积 分析图解法 作图法 1 确定修边余量由于材料的各向导性以及拉深时金属流动条件的差异 拉深后工件口部不平 通常拉深后需切边 因此计算毛坯尺寸时应在工件高度方向上 无凸缘件 或凸缘上增加修边余量 2 计算工件表面积圆筒直壁部分的表面积为 4 2 2无凸缘圆筒形件的拉深工艺计算1 拉深系数拉深系数是表示拉深后圆筒形件的直径与拉深前毛坯 或半成品 的直径之比 如图4 2 2 工件的直径与毛坯直径之比称为总拉深系数 即工件所需要的拉深系数 图4 2 2拉深工序示意图 拉深系数的倒数称为拉深程度或拉深比 其值为 拉深系数表示了拉深前后毛坯直径的变化量 反映了毛坯外边缘在拉深时切向压缩变形的大小 因此可用它作为衡量拉深变形程度的指标 拉深时毛坯外边缘的切向压缩变形量为 由此可知 拉深系数是一个小于1的数值 其值愈大表示拉深前后毛坯的直径变化愈小 即变形程度小 其值愈小则毛坯的直径变化愈大 即变形程度大 2 影响拉深系数的因素拉深材料 机械性能 料厚 表面质量 拉深模具 间隙 凸模圆角半径 凹模圆角半径 凹模形状 如图4 2 3 凹模表面质量 拉深条件 压边圈 次数 润滑 工件形状 3 拉深系数的值与拉深次数查表确定 4 后续拉深的特点压力行程曲线 如图4 2 4 图4 2 3锥形凹模 1 首次拉深 2 二次拉深图4 2 4首次拉深与二次拉深的拉深力 4 2 3无凸缘圆筒形拉深件的拉深次数和工序件尺寸的计算试确定如下图所示零件 材料08钢 材料厚度 2mm 的拉深次数和各拉深工序尺寸 计算步骤如下 1 确定切边余量 根据 查教材表4 2 1 并取 2 按教材表4 2 3序号1的公式计算毛坯直径 3 确定拉深次数 判断能否一次拉出对于图示的零件 由毛坯的相对厚度 从表4 2 4中查出各次的拉深系数 0 54 0 77 0 80 0 82 则该零件的总拉深系数 即 故该零件需经多次拉深才能够达到所需尺寸 2 计算拉深次数例如 可知该零件要拉深四次才行 半成品尺寸确定 1 半成品直径拉深次数确定后 再根据计算直径应等于的原则对各次拉深系数进行调整 使实际采用的拉深系数大于推算拉深次数时所用的极限拉深系数 零件实际需拉深系数应调整为 调整好拉深系数后 重新计算各次拉深的圆筒直径即得半成品直径 零件的各次半成品尺寸为 2 半成品高度各次拉深直径确定后 紧接着是计算各次拉深后零件的高度 式中 各次拉深的直径 中线值 各次半成品底部的圆角半径 中值 各次半成品底部平板部分的直径 各次半成品底部圆角半径圆心以上的筒壁高度 零件的以上各项具体数值代人上述公式 即求出各次高度为 各次半成品的总高度为 拉深后得到的各次半成品 如图4 2 6 图4 2 6零件各次拉深的半成品尺寸 4 2 4有凸缘圆筒件拉深方法及工艺计算有凸缘筒形件的拉深变形原理与一般圆筒形件是相同的 但由于带有凸缘 如图4 2 7 其拉深方法及计算方法与一般圆筒形件有一定的差别 1 有凸缘筒形件的拉深特点有凸缘筒形件的拉深系数该式说明 拉深系数决定三个因素 相对凸缘直径 相对高度 相对转角半径 影响程度为递减 图4 2 7有凸缘圆形件与坯料图 有凸缘筒形件分类窄凸缘 宽凸缘 有凸缘筒形件的拉深特点 宽凸缘变形程度不能用拉深系数来衡量 首次拉深系数比圆筒件要小 首次拉深极限变形程度与有关 2 宽凸缘圆筒件拉深工艺计算要点 1 毛坯尺寸计算毛坯尺寸的计算仍按等面积原理进行 参考无圆凸缘筒形零件毛坯的计算方法计算 2 判别能否一次拉成这只需比较工件实际所需的总拉深系数和与凸缘件第一次拉深的极限拉深系数和极限拉深相对高度即可 3 半成品尺寸计算宽凸缘件的拉深次数仍可用推算法求出 根据表中的拉深系数值进行计算 即第n次拉深后的直径为 各次拉深后的筒部高度可按下式计算 3 拉深方法宽凸缘件拉深方法有两种 如图4 2 10 一种是中小型 料薄的零件 如图a 二种是大型拉深件 如图b 图4 2 10宽凸缘零件的拉深方法 4 2 5阶梯圆筒形件的拉深1 拉深次数的确定 如图4 2 11 判断能否一次拉深2 拉深方法的确定 1 若任意两个相邻阶梯的直径比都大于或等于相应的圆筒形件的极限拉深系数 则先从大的阶梯拉起 如图4 2 12a 2 相邻两阶梯直径之比小于相应的圆筒形件的极限拉深系数 则按带凸缘圆筒形件的拉深进行 即由小阶梯拉深到大阶梯 如图4 2 12b 图4 2 11阶梯形零件 图4 2 12阶梯形多次拉深方法 3 若最小阶梯直径过小 即过小 又不大时 最小阶梯可用胀形法得到 4 若阶梯形件较浅 且每个阶梯的高度又不大 但相邻阶梯直径相差又较大而不能一次拉出时 可先拉成圆形或带有大圆角的筒形 最后通过整形得到所需零件 如图4 2 13 图4 2 13直径差较大的浅阶梯形件的拉深方法 4 3非直壁旋转体零件拉深成形的特点曲面形状 如球面 锥面及抛物面 零件的拉深 其变形区的位置 受力情况 变形特点等都与圆筒形零件不同 所以在拉深中出现的各种问题和解决方法亦与圆筒形件不同 对于这类零件就不能简单地用拉深系数衡量成形的难易程度 并把拉深系数作为制定拉深工艺和模具设计的依据 4 3 1曲面形状零件的拉深特点 1 拉深球面零件时 图4 3 1 毛坯的凸缘部分与中间部分都是变形区 而且在很多情况下中间部分反而是主要变形区 2 锥形零件的拉深与球面零件一样 除具有凸模接触面积小 压力集中 容易引起局部变薄及自由面积大 压边圈作用相对减弱 容易起皱等特点外 还由于零件口部与底部直径差别大 回弹特别严重 因此锥形零件的拉深比球面零件更为困难 3 抛物面零件 其拉深时和球面以及锥形零件一样 材料处于悬空状态 极易发生起皱 总之 球面零件 锥形零件和抛物面零件等其他旋转体零件的拉深是拉深和胀形两种变形方式的复合 其应力 应变既有拉伸类 又有压缩类变形的特征 4 3 2球面零件拉深方法球面零件可分为半球形件 图4 3 2a 和非半球形件 图4 3 2b c d 两大类 不论哪一种类型 均不能用拉深系数来衡量拉深成形的难易程度 对于半球形件 根据拉深系数的定义可知 其拉深系数是与零件直径无关的常数 即 4 3 3抛物面零件拉深方法抛物面零件常见的拉深方法有下面几种 1 浅抛物面形件 因其高径比接近球形 因此拉深方法同球形件 2 深抛物面形件 其拉深难度有所提高 这时为了使毛坯中间部分紧密贴模而又不起皱 通常需采用具有拉深筋的模具以增加径向拉应力 如汽车灯罩的拉深 如图4 3 3 就是采用有两道拉深筋的模具成形的 4 3 4锥形零件拉深方法 如图4 3 5 拉深锥形件的方法有如下几种 1 对于浅锥形件 可一次拉成 但精度不高 因回弹较严重 可采用带拉深筋的凹模或压边圈 或采用软模进行拉深 2 对于中锥形件 拉深方法取决于相对料厚 3 对于高锥形件 因大小直径相差很小 变形程度更大 很容易产生变薄严重而拉裂和起皱 这时常需采用特殊的拉深工艺 通常有下列方法 如图所示 阶梯拉深成形法 锥面逐步成形法 整个锥面一次成形法 图4 3 5锥形件 4 4盒形零件的拉深4 4 1盒形零件的拉深特点 如图4 4 1 根据网格的变化可知盒形件拉深有以下变形特点 1 盒形件拉深的变形性质与圆筒件一样 也是径向伸长 切向缩短 2 变形的不均匀导致应力分布不均匀 如图4 4 2 3 盒形件拉深时 直边部分除了产生弯曲变形外 还产生了径向伸长 切向压缩的拉深变形 图4 4 1盒形件拉深变形特点 图4 4 2盒形件拉深时的应力分布 4 4 2盒形零件拉深毛坯形状与尺寸确定1 一次拉深成形的低盒形件低盒形件是指一次可拉深成形 或虽两次拉深 但第二次仅用来整形的零件 图4 4 3 计算步骤如下 1 按弯曲计算直边部分的展开长度 2 把圆角部分看成是直径为d 2r 高为h的圆筒件 则展开的毛坯半径为 3 通过作图用光滑曲线连接直边和圆角部分 即得毛坯的形状和尺寸 图4 4 3低矩形盒毛坯作图法 2 多次拉深高盒形件毛坯形状和尺寸的确定该类零件的变形特点是在多次拉深过程中 直边与圆角部分的变形相互渗透 其圆角部分将有大量材料转移到直边部分 毛坯尺寸仍根据工件表面积与毛坯表面积相等的原则计算 当零件为正方盒形且高度比较大 需要多道工序拉深时 如图4 4 4 可采用圆形毛坯 其直径为 当时 图4 4 4方盒件毛坯的形状与尺寸 4 4 3盒形件多次拉深的工艺计算 1 盒形件初次拉深的成形极限 在盒形件的初次拉深时 圆角部分侧壁内的拉应力大于直边部分 因此 盒形件初次拉深的极限变形程度受到圆角部分侧壁传力区强度的限制 这一点和圆筒形件拉深的情况是十分相似的 但是 由于直边部分对圆角部分拉深变形的减轻作用和带动作用 都可以使圆角部分危险断面的拉应力有不同程度的降低 因此 盒形件初次拉深可能成形的极限高度大于圆筒形零件 2 方形盒拉深工序形状和尺寸确定 如图4 4 6 采用直径为的圆形毛坯 中间工序都拉深成圆筒形的半成品 在最后一道工序才拉深成方形盒的形状和尺寸 计算时 应采用从道工序 即倒数第二次拉深开始 确定拉深半成品件的工序直径 道拉深工序所得圆筒形件半成品的直径 mm 方形盒的内表面宽度 mm 方形盒角部的内圆角半径 mm 方形盒角部壁间距离 mm 该值直接影响毛坯变形区拉深变形程度是否均匀的最重要参数 图4 4 6方形盒多工序拉深的半成品形状和尺寸 3 长方形盒拉深工序形状和尺寸的确定 长方形盒的拉深方法与正方形盒相似 中间过渡工序可拉深成椭圆形或长圆形 在最后一次拉深工序中被拉深成所要求的形状和尺寸 如图4 4 7所示 其计算与作图同样由道 倒数第二次拉深 工序开始 由内向外计算 图4 4 7高长方形盒多工序拉深的半成品形状和尺寸 4 5拉深工艺设计4 5 1拉深零件结构工艺性分析拉深零件的结构工艺性是指拉深零件采用拉深成形工艺的难易程度 良好的工艺性应是坯料消耗少 工序数目少 模具结构简单 加工容易 产品质量稳定 废品少和操作简单方便等 在设计拉深零件时 应根据材料拉深时的变形特点和规律 提出满足工艺性的要求 4 5 2拉深工艺力的计算 1 压边力的计算 施加压边力是为了防止毛坯在拉深变形过程中的起皱 压边力的大小对拉深工作的影响很大 如图4 5 3 如果太大 会增加危险断面处的拉应力而导致破裂或严重变簿 太小时防皱效果不好 在生产中 一次拉深时的压边力可按拉深力的1 4选取 即 FQ 0 25F N 2 拉深力的计算圆筒形工件采用压边拉深时可用下式计算拉深力 第一次拉深 第二次拉深 图4 5 3压边力对拉深工作的影响 3 拉深功拉深功可按下式计算 第一次拉深 后续各次拉深 拉深所需压力机的电动机功率为 4 5 3拉深工艺的辅助工序1 润滑在凹模圆角 平面 压边圈表面及与这些部位相接触的毛坯表面 应每隔一定周期均匀抹涂一层润滑油 并保持润滑部位干净 2 热处理在多道拉深时 为了恢复冷加工后材料的塑性 应在工序中间安排退火 以软化金属组织 拉深工序后还要安排去应力退火 一般拉深工序间常采用低温退火 各种材料不需热处理可以拉深的次数 见表4 5 4 3 酸洗退火后工件表面必然有氧化皮和其他污物 在继续加工时会增加模具的磨损 因此必需要酸洗 否则使拉深不能正常进行 4 6拉深成形模具设计4 6 1拉深模具的分类及典型结构按拉深模使用的设备可分为 单动压力机 双动压力机 三动压力机按工序组合分为 单工序拉深模 级进式拉深模 复合模 1 首次拉深 1 无压边装置的首次拉深 如图4 6 1 图4 6 2 2 具有弹性装置压边的首次拉深模 如图4 6 3 图4 6 4 3 双动压力机上使用的首次拉深模因双动压力机有两个滑块 图4 6 5 在双动压力机上使用的首次拉深模 图4 6 6 其凸模1与拉深滑块 内滑块 相连接 而上模座2 上模座上装有压边圈3 与压边滑块 外滑块 相连 拉深时压边滑块首先带动压边圈压住毛坯 然后拉深滑块带动拉深凸模下行进行拉深 此模具因装有刚性压边装置 所以模具结构显得很简单 制造周期也短 成本也低 但压力机设备投资较高 图4 6 1无压边装置的简单拉深模 一 1 8 10 螺钉 2 模柄 3 凸模 5 凹模 6 刮料环 7 定位板 9 拉簧 11 下模座 图4 6 2无压边装置的简单拉深模 二 1 定位板 2 下模座 3 凸模 4 凹模 图4 6 3有压边装置倒装拉深模 图4 6 4有压边装置顺装拉深模 图4 6 5双动压力机工作原理 1 凸模 2 上模座 3 压边圈 4 凹模 5 下模座 6 顶件块图4 6 6双动压力机上使用的首次拉深模 2 后续各工序拉深模 1 无压边圈的后续工序拉深模 如图4 6 7 2 有压边圈的后续工序拉深模 如图4 6 8 3 落料拉深复合模 如图4 6 9 图4 6 7无压边装置的后续工序拉深模 图4 6 8有压边装置的后续各工序拉深模 图4 6 9高矩形盒落料首次拉深的顺装复合模 4 6 2拉深模工作零件的结构和尺寸拉深模工作部分的尺寸指的是凹模圆角半径 凸模圆角半径 凸 凹模的间隙c 凸模直径 凹模直径等 如图4 6 10 1 凹模圆角半径 1 拉深力的大小凹模圆角半径小时材料流过凹模时产生较大的弯曲变形 结果需承受较大的弯曲变形阻力 此时凹模圆角对板料施加的厚向压力加大 引起摩擦力增加 2 拉深件的质量当过小时 坯料在滑过凹模圆角时容易被刮伤 结果使工件的表面质量受损 而当太大时 拉深初期毛坯没有与模具表面接触的宽度加大 由于这部分材料不受压边力的作用 因而容易起皱 图4 6 10拉深模工作部分的尺寸 3 拉深模的寿命小时 材料对凹模的压力增加 摩擦力增大 磨损加剧 使模具的寿命降低 所以的值既不能太大也不能太小 通常可按经验公式计算 或查教材表4 6 1 2 凸模圆角半径凸模圆角半径对拉深工序的影响没有凹模圆角半径大 但其值也必须合适 3 凸模和凹模的间隙拉深模间隙是指单面间隙 间隙的大小对拉深力 拉深件的质量 拉深模的寿命都有影响 确定时要考虑压边状况 拉深次数和工件精度等 其原则是 既要考虑板料本身的公差 又要考虑板料的增厚现象 间隙一般都比毛坯厚度略大一些 采用压边拉深时其值可按下式计算 也可直接查教材表4 6 2 不用压边圈拉深时 考虑到起皱的可能性取间隙值为 4 凸模 凹模的尺寸及公差若以凹模为基准时 凹模尺寸为 凸模尺寸为 当工件的外形尺寸及公差有要求时 如图4 6 12a 所示 以凹模为基准 先确定凹模尺寸 因凹模尺寸在拉深中随磨损的增加而逐渐变大 故凹模尺寸开始时应取小些 其值为 凸模尺寸为 当工件的内形尺寸及公差有要求时 如图4 6 12b 所示 以凸模为基准 先定凸模尺寸 考虑到凸模基本不磨损 以及工件的回弹情况 凸模的开始尺寸不要取得过大 其值为 凹模尺寸为 5 凸 凹模的结构形式拉深凸模与凹模的结构形式取决于工件的形状 尺寸以及拉深方法 拉深次数等工艺要求 不同的结构形式对拉深的变形情况 变形程度的大小及产品的质量均有不同的影响 当毛坯的相对厚度较大 不易起皱 不需用压边圈压边时 应采用锥形凹模 如图4 2 3 当毛坯的相对厚度较小 必须采用压边圈进行多次拉深时 应该采用图4 6 13所示的模具结构 图a 中凸 凹模具有圆角结构 用于拉深直径d 100mm的拉深件 b 中凸 凹模具有斜角结构 用于拉深直径d 100mm的拉深件 图4 2 3锥形凹模 图4 6 13拉深凸模和凹模工作部分结构 4 7其它拉深法4 7 1软模拉深1 软凸模拉深 用液体 或粘性介质 代替凸模进行拉深 其变形过程如图4 7 1所示 2 软凹模拉深 1 液压凹模拉深 如图4 7 2 2 聚氨酯橡胶凹模拉深如图4 7 3所示聚氨酯橡胶凹模拉深 可分为带压边圈和不带压边圈拉深 图4 7 1液体凸模拉深的变形过程 1 凸模 2 压边圈 3 密封圈 4 凹模 5 溢流阀图4 7 2液压凹模拉深工作原理 1 容框 2 聚氨酯橡胶 3 毛坯 4 凸模 5 压边圈a 不带压边圈的拉深模 b 带压边圈的拉深模图4 7 3聚氨酯橡胶拉深模 4 7 2变薄拉深1 变薄拉深的变形特点 变簿拉深凸模与凹模的间隙小于毛坯材料厚度 其变形过程如图4 7 4所示 材料受切向和径向压应力及 轴向是拉应力 产生的应变是平面应变 从图中看出 变簿拉深过程的重要问题是传力区材料的强度和变形抗力之间的矛盾 2 工艺计算 毛坯尺寸按变形前后体积不变原则确定 变形程度 图4 7 5变薄拉深变形特点 4 本章结束 谢谢观看