冲压工艺与冲模设计第五章课件.ppt

1、冲压工艺与冲模设计 第2版 主编 翁其金 第五章拉深 第一节拉深基本原理 3H-4Q一、拉深变形过程及特点 图5-1为平板圆形坯料变为筒形件的变形过程示意图。拉深凸模和凹模与冲裁模不同,它们都有一定的圆角而不是锋利的刃口,其间隙一般稍大于板料厚度。3H-4Q图5-1拉深变形过程3H-4Q为了进一步说明拉深时金属变形过程,可以进行如下试验:在圆形平板坯料上画许多间距都等于a的同心圆和分度相等的辐射线,由这些同心圆和分度辐射线组成网格如图5-2a。拉深后网格变化情况如图5-2b所示,筒形件底部的网格基本上保持原来的形状(图5-2d),而筒壁上的网格与坯料凸缘部分(即外径为D、内径为d的环形部分)上

2、的网格比较,发生了很大的变化,原来直径不等的同心圆变为筒壁上直径相等的圆,其间距增大了,越靠近筒形件口部增大越多,即由原来的a变为a1、a2、a3,且a1a2a3a;原来分度相等的辐射线变成筒壁上的垂直平行线,其间距缩小了,越近筒形件口部缩小越多,即由原来的b1b2b3b变为b1=b2=b3=b。如果拿一个小单元来看,在拉深前是扇形(图5-2a),其面积为A1,拉深后变为矩形(图5-2b),其面积为A2。实践证明,拉深后,板料厚度变化很小,因此可以近似认为拉深前后小单元的面积不变,即A1=A2。3H-4Q图5-2拉深变形特点 3H-4Q二、拉深过程中坯料内的应力与应变状态 1.凸缘的平面部分(

3、图5-3a、b、c)这是拉深的主要变形区,材料在径向拉应力1和切向压应力3的共同作用下产生切向压缩与径向伸长变形而逐渐被拉入凹模。在厚度方向,由于压料圈的作用,产生了压应力2,通常1和3的绝对值比2大得多。厚度方向的变形决定于径向拉应力1和切向压应力3之间的比例关系,一般在材料产生切向压缩与径向伸长的同时,厚度有所增厚,越接近外缘,板料增厚越多。如果不压料(2=0),或压料力较小(2小),这时板料增厚比较大。当拉深变形程度较大,板料又比较薄时,则在坯料的凸缘部分,特别是外缘部分,在切向压应力3作用下可能失稳而拱起,形成所谓起皱。3H-4Q 2.凸缘的圆角部分(图5-3a、b、d)这是位于凹模圆

4、角部分的材料,切向受压应力而压缩,径向受拉应力而伸长,厚度方向受到凹模圆角的弯曲作用产生压应力。由于这里切向压应力值3不大,而径向拉应力1最大,而且凹模圆角越小,则弯曲变形程度越大,弯曲引起的拉应力越大,所以有可能出现破裂。该部分也是变形区,但它是变形次于凸缘的平面部分的过渡区。3H-4Q 这是拉深时形成的侧壁部分,是已经结束了塑性变形阶段的已变形区。这个区受单向拉应力作用,变形是拉伸变形。4.底部圆角部分(图5-3a、b、f)这是与凸模圆角接触的部分,它从拉深开始一直承受径向拉应力和切向拉应力的作用,并且受到凸模圆角的压力和弯曲作用,因而这部分材料变薄最严重,尤其与侧壁相切的部位,所以此处最

5、容易出现拉裂,是拉深的“危险断面”。3.筒壁部分(图5-3a、b、e)3H-4Q 这部分材料与凸模底面接触,在拉深开始时即被拉入凹模,并在拉深的整个过程保持其平面形状。它受双向拉应力作用,变形是双向拉伸变形。但这部分材料基本上不产生塑性变形或者只产生不大的塑性变形。筒壁、底部圆角、筒底这三部分的作用是传递拉深力、把凸模的作用力传递到变形区凸缘部分上,使之产生足以引起拉深变形的径向拉应力1,因而又称传力区。5.筒底部分(图5-3a、b、g)3H-4Q图5-3拉深过程的应力与应变状态3H-4Q从拉深过程坯料的应力与应变的分析中可见,值得注意的有以下两点:1)在拉深过程中,坯料各区的应力与应变是很不

6、均匀的。图5-4拉深件的壁厚和硬度的变化 2)拉深时,凸缘变形区的切向受压而“起皱”和筒壁传力区的受拉而“拉裂”是拉深工艺能否顺利进行的主要障碍。3H-4Q 三、拉深时凸缘区的应力分布与起皱1.拉深过程中某一瞬间,凸缘区的应力分布 由于凸缘区厚度方向压应力相对很小,可以忽略不计,因此,只需分析1和3的大小及变化规律即可。根据力学的平衡条件和塑性条件,可以求出拉深的某一瞬间,凸缘变形区内1和3的大小。其值按下式计算:1=1.1smln (5-1)3=1.1sm(1-ln)(5-2)3H-4Q 式中 sm 拉深过程中某一瞬间凸缘区变形抗力的平均值,其值与材料性质和变形程度有关;R t 拉深过程中某

7、一瞬间凸缘区的外缘半径;R拉深过程中凸缘任意点的半径。以不同的R值代入式(5-1)和式(5-2)即可得到拉深到Rt时,凸缘变形区切向压应力和径向拉应力的分布曲线(图5-5)。3H-4Q图5-5圆筒形件拉深凸缘区的应力分布 3H-4Q 从图5-5中可以看出,应力是按对数曲线的规律分布的。在R=r处(即凸缘区内缘),径向拉应力最大,其值为 1max=1.1smln(5-3)或 1max=1.1smln=1.1sm(lm-lnm)式中 R坯料的半径;r拉深件的半径。当拉深刚开始时,Rt=R,则 1max=1.1sm(ln1-lnm)=1.1smln 上式说明坯料变形区内边缘的拉应力1取决于材料的力学

8、性能和拉深系数,而且拉深系数越小,径向拉应力越大。3H-4Q 当R=Rt时(即凸缘区外缘),切向压应力最大,其值为3max=1.1sm(5-4)如果令|1|=|3|,可得到R=0.61Rt。这意味着由R=0.61Rt所作的圆,将凸缘分成两部分,由此圆向内到凹模口,这一部分的凸缘区拉应力占优势(|1|3|),拉应变为最大主应变,板料变薄;由此圆向外到外边缘,这部分的凸缘区压应力占优势(|3|1|),压应变为最大主应变,板料增厚。由此可见,拉深时凸缘变形区中以压应力为主的压缩变形部分比以拉应力为主的伸长变形部分大得多,甚至整个凸缘区都是压缩变形区,故拉深成形时,凸缘区变为侧壁后板料略有增厚。必须注

9、意,以上得出的1max和3max是指凸缘半径由R拉深到Rt时所出现的相应值。而从R拉深到r的整个拉深过程中,不同时刻下的Rt值所对应的1max和3max是不同的。3H-4Q 2.整个拉深过程中1max和3max的变化规律(1)1max的变化规律在一定的材料和拉深变形程度下,以不同的Rt代入式(5-3),即可计算出不同拉深瞬间的1max值,在直角坐标系上,将不同R t所对应的各个1max值连成曲线(图5-6曲线1),该曲线就是拉深过程凹模入口处坯料的径向拉应力1max的变化规律。(2)3max的变化规律由式(5-4)可知,3max只与sm有关,而sm与材料性质和变形程度有关。3H-4Q3.凸缘变

10、形区的起皱 图5-7a表示凸缘区起皱产生的原因,图5-7b表示起皱后的冲件。3H-4Q图5-6拉深过程凸缘区应力变化 11max的变化曲线23max的变化曲线3H-4Q图5-7拉深过程起皱 3H-4Q根据以上对凸缘变形区的应力分析,可归纳以下三个要点:1)在拉深过程中,凸缘区的变形性质是压缩变形和伸长变形这两类变形的综合。2)在拉深过程中,凸缘区切向压应力最大的部位是凸缘区的外缘,而发生起皱可能性最大的时刻是在凸缘宽度缩小到原来的一半左右的时刻,会不会发生起皱,还要看拉深变形程度和板料本身的抗失稳能力。3)拉深过程中,凸缘区径向拉应力最大的部位在凹模入口处,而且是发生在拉深到Rt=(0.8 0

11、.9)R的时刻,其值大小取决于材料性质和变形程度(拉深系数)。3H-4Q 四、筒壁传力区的受力分析与拉裂 图5-8拉深坯料各部分的受力关系及筒壁拉裂情况3H-4Q在拉深过程中,坯料内各部分的受力关系如图5-8a所示。筒壁所受的拉应力除了与径向拉应力1有关之外,还与由于压料力FY引起的摩擦阻力、坯料在凹模圆角表面滑动所产生的摩擦阻力和弯曲变形所形成的阻力有关。3H-4Q 为了克服上述各种阻力,筒壁必须传递的拉应力L值为L=(1+1.6)+=(1+1.6)+(5-5)式中 L拉深到某一瞬间的筒壁传力区的拉应力;FY 压料力;摩擦因数;d拉深后筒形件的直径,一般取中径;t板料厚度;b 材料的抗拉强度

12、;rA 凹模圆角半径;m拉深系数。3H-4Q 最大拉应力求出后,最大拉深力即可按下式计算:Fmax=dtLmax(5-6)筒壁传力区的拉裂是拉深工艺顺利进行的第二个障碍,会不会拉裂主要取决于两方面:一方面是筒壁传力区中的拉应力L;另一方面是筒壁传力区的抗拉强度。当筒壁拉应力L超过筒壁材料的抗拉强度时,拉深件壁部就产生破裂。3H-4Q 筒壁危险断面在凸模圆角与直壁相切处,正常情况下该危险断面上的有效抗拉强度K为 K=1.155b-(5-7)式中 rT凸模圆角半径。当LK,拉深件就要破裂,如图5-8b所示。3H-4Q负荷即可按下式计算:Fx=dtK (5-8)根据以上筒壁传力区的受力分析可以看出:

13、1)式(5-5)说明,筒壁拉应力大小决定于材料的力学性能、拉深系数、润滑情况、凹模圆角半径等因素。2)式(5-7)说明,筒壁抗拉强度与材料的力学性能、凸模的圆角半径等因素有关。3)拉深工艺顺利进行的必要条件是:筒壁传力区的最大拉应力Lmax应小 危险断面上的有效抗拉强度求出后,危险断面处所能承受的于危险断面的抗拉强度K。3H-4Q第二节旋转体拉深件坯料尺寸的确定 3H-4Q 一、坯料形状和尺寸确定的依据1)拉深时材料产生很大的塑性流动,但实践证明,拉深所需要的坯料形状与拉深件横截面轮廓形状一般是相同或近似的。2)拉深前后,拉深件与坯料重量不变、体积不变,对于不变薄拉深,虽然在拉深过程中板料的厚

14、度有增厚也有变薄,但实践证明,其平均厚度与原坯料的厚度差别不大,因而可以按坯料面积等于拉深件表面积的原则确定坯料尺寸。3H-4Q应该指出,用理论计算方法确定坯料尺寸不是绝对准确的,而是近似的,尤其是变形复杂的复杂拉深件。实际生产中,由于材料性能、模具几何参数、润滑条件、拉深系数以及零件几何形状等多种因素的影响,有时拉深的实际结果与计算值有较大出入,因此,应根据具体情况予以修正。对于形状复杂的拉深件,通常是先做好拉深模,以理论分析方法初步确定的坯料进行试模,反复修正,直至得到的冲件符合要求时,再将符合要求的坯料形状和尺寸作为制造落料模的依据。对于大型覆盖零件,一般是经过理论分析后,采用近似的坯料

15、形状,拉深后进行修边。3H-4Q表5-1无凸缘圆筒形拉深件的修边余量h(单位:mm)3H-4Q表5-2有凸缘圆筒形拉深件的修边余量R(单位:mm)3H-4Q 这类拉深件坏料的形状是圆的。首先将拉深件划分为若干个简单的便于计算的几何体,并分别求出各简单几何体的表面积。把各简单几何体面积相加即为零件总面积,图5-9圆筒形拉深件坯料尺寸计算图 二、简单旋转体拉深件坯料尺寸的确定 3H-4Q然后根据面积相等原则,求出坯料直径。图5-9为圆筒形拉深件坯料尺寸计算图。按图得 D2=A1+A2+A3=Ai 故 D=(5-9)A1=d(H-r)A2=2r(d-2r)+8r2 A3=(d-2r)2 3H-4Q把

16、以上各部分的面积相加后代入式(5-9),整理后可得坯料直径为 D=(5-10)式中 D坯料直径;d、H、r拉深件直径、高度、圆角半径。在计算中,零件尺寸均按厚度中线计算;但当板料厚度小于1mm时,也可以按外形或内形尺寸计算。常用旋转体拉深件坯料直径计算公式见表5-3。3H-4Q表5-3常用旋转体拉深件坯料直径的计算公式3H-4Q表5-3常用旋转体拉深件坯料直径的计算公式3H-4Q表5-3常用旋转体拉深件坯料直径的计算公式3H-4Q表5-3常用旋转体拉深件坯料直径的计算公式3H-4Q 三、复杂旋转体拉深件坯料尺寸的确定解析法和作图法求出。其表面积根据久里金法则求出,即任何形状的母线绕轴旋转一周所

17、得到的旋转体面积,等于该母线的长度与其形心绕该轴线旋转所得周长的乘积,如图5-10所示。3H-4Q图5-10旋转体表面积计算图示 3H-4Q据此,旋转体表面积为 A=2RxL 根据拉深前后面积相等的原则,坯料直径按下式求出=2RxL D=(5-11)式中 A旋转体面积;Rx 旋转体母线形心到旋转轴线的距离(称旋转半径);L旋转体母线长度;D坯料直径。3H-4Q解析法或作图解析法。1.解析法求旋转体坯料直径步骤(图5-11)1)沿厚度中线把零件轮廓线(包括切边余量)分成直线和圆弧,并算出各直线和圆弧的长度l1、l2、ln。3H-4Q2)找出每一线段的形心,并算出每一形心到旋转轴的距离Rx1、Rx

18、2、Rx3、Rxn。3)计算各线段长度与其旋转半径的乘积总和:4)按式(5-11)求坯料直径D。3H-4Q表5-4圆弧长度和形心到旋转轴的距离计算公式 3H-4Q例5-1如图5-11所示拉深件,板料厚度为1mm,求坯料直径。图5-11解析法计算坯料直径图示3H-4Q解:各直线段和圆弧长度为l1=27mm,l2=7.85mm,l3=8mm,l4=8.376mm,l5=12.564mm,l6=8mm,l7=7.85mm,l8=10mm3H-4Q 2.作图法求坯料尺寸步骤(图5-12)图5-12作图法确定坯料尺寸图示3H-4Q1)把旋转体母线分成几个简单的几何线段(直线和圆弧),计算它们的长度l1、

19、l2、l3、ln及其形心位置。2)由各线段的形心引出与旋转轴Y-Y的平行线1、2、3、n。3)在图形外任选一点作一射线与Y-Y轴平行,在其上按顺序量取长度l1、l2、l3、ln(可以按比例增大或缩小),总长AB即母线长度L。4)在射线外任选一点0,向l1、l2、l3、ln 各线段端点引出射线1、2、3、n、n+1。5)自线1上任一点A1作平行于射线1和2的两直线,直线2与线2相交一点,又自此交点作平行于射线3的直线,并与线3相交一点,以此类推,最后平行3H-4Q于射线n的直线与线n相交于B1点。6)过B1点作平行于n+1线的直线并与过A1点所作的平行于1的直线相交于x点,此点与旋转轴Y-Y轴的

20、距离即为母线形心旋转半径Rx。7)在AB延长线上量取长度等于2Rx的BC线 段,再以AC为直径作圆,然后自B点作AC的垂线与圆相交于D点,则线段BD即为坯料的半径D/2。=L2Rx3H-4Q 第三节圆筒形件的拉深系数 3H-4Q 一、拉深系数及其极限 拉深的变形程度大小可以用拉深件的高度和直径的比值即相对高度表示,比值小的变形程度小,而比值大的变形程度大。在设计冲压工艺过程与确定必要的拉深工序的数目时,通常用拉深系数作为计算的依据。本章第一节已谈及拉深系数的概念,从广义上说圆筒形零件的拉深系数是以拉深后的直径与拉深前的坯料(工序件)直径之比表示(图5-13),即3H-4Q第一次拉深系数 m1=

21、第二次拉深系数 m2=第n次拉深系数 mn=式中 D坯料直径;d1、d2、dn-1、dn 各次拉深后的直径(中径)。3H-4Q 从以上各式可以看出,拉深系数表示了拉深前后坯料直径的变化率,其数值永远小于1。拉深系数越小,说明拉深变形程度越大;相反,变形程度越小。拉深系数的倒数称为拉深程度或拉深比,其值为K=(5-12)从拉深时坯料凸缘变形区的应力分布与起皱和筒壁传力区的受力情况与拉裂的分析中已经知道,拉深变形程度对凸缘3H-4Q区的径向拉应力和切向压应力以及对筒壁传力区拉应力影响极大,为了防止在拉深过程中产生起皱和拉裂的缺陷,就应减小拉深变形程度(增大拉深系数),从而减小切向压应力和径向拉应力

22、,减小起皱和破裂的可能性。图5-14表示在同一模具上用同一材料、同一厚度的坯料,以逐步加大坯料直径(即逐步减小拉深系数)的办法进行试验的情况。图5-14a表示在无压料的情况下,当坯料尺寸较小时(即拉深系数较大时),拉深能够顺利进行;当坯料直径加大,拉深系数减小到一3H-4Q定数值(如m=0.75)时,会出现皱纹。如果增加压料装置(图5-14b),则能防止起皱。此时进一步加大坯料直径,减少拉深系数,拉深还可以顺利进行。直到坯料直径加大到一定数值、拉深系数减少到一定数值(如m=0.50)后,筒壁出现拉裂现象,拉深过程被迫中断。根据上述实验,可测出不同拉深系数下的拉深力变化曲线,如图5-14c所示。

23、从这一系列曲线可以看出,拉深力的变化规律是相似的。但当m=0.75且无压料拉深时,由于起皱,皱纹拉入3H-4Q图5-13圆筒形件的多次拉深3H-4Q凸、凹间隙中,造成拉深力的第二个峰值;当m=0.50时,其最大拉深力Fmax 大于筒壁危险断面所能承受的载荷Fx,所以拉深力尚未达到最大值Fmax,筒壁就产生破裂,拉深被迫中断。因此,为保证拉深工艺的顺利进行,就必须使拉深系数大于一定值,这个一定的数值即为在一定条件下的极限拉深系数。小于这个数值,就会使拉深件起皱、破裂或严重变薄而超差。3H-4Q 由上述可知,极限拉深系数的数值取决于筒壁传力区最大拉应力与危险断面的抗拉强度。因此,凡是影响筒壁传力区

24、的最大拉应力和危险断面的抗拉强度的因素都会影响极限拉深系数。二、影响极限拉深系数的因素5h图5-14拉深试验 a)无压料拉深b)有压料拉深c)拉深力变化曲线 5h归纳起来,影响极限拉深系数的因素有以下几个方面:(1)材料的组织与力学性能一般来说,材料组织均匀、晶粒大小适当、屈强比小、塑性好、板平面方向性(r值)小、板厚方向系数(r值)大、硬化指数(n值)大的板料,变形抗力小,筒壁传力区不容易产生局部严重变薄和拉裂,因而拉深性能好,极限拉深系数较小。(2)板料的相对厚度当板料相对厚度较小时,抵抗失稳起皱的能力小,容易起皱。5h图5-15凸凹模圆角半径对黄铜极限拉深系数的影响5h(3)拉深工作条件

25、1)模具的几何参数。但凸凹模圆角半径也不宜过大,过大的圆角半径,会减少板料与凸模和凹模端面的接触面积及压料圈的压料面积,板料悬空面积增大,容易产生失稳起皱。因此,凸、凹模圆角半径应适当取较大值。2)摩擦与润滑。3)压料圈的压料力。5h三、极限拉深系数的确定极限拉深系数值可以用理论计算方法确定,即使求传力区的最大拉应力公式与危险断面的抗拉强度公式相等,便可求出最小拉深系数理论值,此值即为极限拉深系数。但在实际生产中,极限拉深系数值一般是在一定的拉深条件下用实验方法得出的,见表5-5和表5-6。5h表5-5圆筒形件的极限拉深系数(带压料圈)5h表5-6圆筒形件的极限拉深系数(不带压料圈)5h第四节

26、圆筒形件的拉深次数及工序件尺寸的确定5h一、无凸缘圆筒形件的拉深次数及工序件尺寸的确定1.拉深次数的确定拉深次数通常用以下两种方法确定:(1)根据工件的相对高度即高度H与直径d之比值,从表5-7中查得。(2)推算方法d1=m1D;d2=m2d1;dn=mndn-1;直到dnd。即当计算所得直径dn小于或等于零件直径d时,计算的次数即为拉深次数。5h 表5-7拉深件相对高度H/d与拉深次数的关系(无凸缘圆筒形件)表5-7拉深件相对高度H/d与拉深次数的关系(无凸缘圆筒形件)2.小的H/d值适用于第一道工序的小凹模圆角rA(48)t。3.表中数据适用材料为08F钢、10F钢。5h2.各次拉深工序件

27、尺寸的确定(1)工序件直径的确定1)保证m1m2mn=2)使m1m21mm,故按板厚中线尺寸计算。(1)计算坯料直径=2.7(2)确定拉深次数=100%=2.03%2%5h(3)各次拉深工序件尺寸的确定各次工序件直径为图5-17拉深工序件尺寸5h二、有凸缘圆筒形件拉深方法及工序件尺寸的确定图5-18为有凸缘圆筒形件及坯料图。dt/d=1.11.4称为小凸缘筒形件;dt/d1.4则称为宽凸缘筒形件。图5-18有凸缘圆筒形件及坯料图5h1.有凸缘圆筒形件的拉深变形程度有凸缘圆筒形件的拉深系数为mt=式中 mt有凸缘筒形件的拉深系数;d零件筒形部分的直径;D坯料直径。当零件底部圆角半径r与凸缘处圆角

28、半径R相等,即r=R时,坯料直径为D=5h所以mt=(5-15)由上式可以看出,有凸缘圆筒形件的拉深系数取决于下列有关尺寸的三组相对比值:凸缘的相对直径;零件的相对高度;相对圆角半径。其中以dt/d影响最大,h/d次之,R/d影响较小。5h有凸缘圆筒形件首次拉深的极限拉深系数见表5-8。由表可以看出,dt/d1.1时,极限拉深系数与无凸缘圆筒形基本相同,dt/d大时,其极限拉深系数比无凸缘圆筒形的小。而且当坯料直径D一定时,凸缘相对直径dt/d越大,极限拉深系数越小。但这并不表明有凸缘圆筒形件的变形程度大。有凸缘圆筒形件拉深系数决定三个相对尺寸因素,尤其dt/d。在一定坯料直径D和圆筒形直径d

29、的情况下,有凸缘圆筒形件凸缘相对直径大,意味着只要将坯料直径稍加收缩即可达到零件凸缘外径,筒壁传力区的拉应力远没有达到许可值,因而可以减小其拉深系数。而无凸缘圆筒形件不存在dt/d值对拉深系数的影响,可以认为其dt/d恒等于1。5h表5-8有凸缘的筒形件首次拉深的极限拉深系数由式(5-15)可以看出,有凸缘圆筒形件的拉深系数取决于、和。因影响较小,因此当mt一定时,则与的关系也就基本定了。这样,就可5h用零件的相对高度来表示有凸缘圆筒形件的变形程度。首次拉深可能达到的相对高度见表5-9,也可查图5-19。表5-9有凸缘的圆筒形件首次拉深的极限相对高度h1/d15h注:1.表中大数值适于大的圆角

30、半径由=2%1.5%时的R=(1012)t到=0.3%0.10%时的R=(2025)t,小数值适用于底部及凸缘小的圆角半径,随着凸缘直径的增加及相对拉深深度的减小,其数值也跟着减小。2.表中数值适用于10钢,对于比10钢塑性好的材料取接近表中的大值;对于塑性差的材料,取表中小数值。5h图5-19有凸缘圆筒形件拉深计算曲线5h当有凸缘圆筒形件的总拉深系数mt(即零件的直径d与坯料直径D之比值)大于表5-8的极限拉深系数值,或零件的相对高度小于表5-9的极限值时,则凸缘圆筒形件可以一次拉深成形,否则,需要两次以上拉深成形。也可以根据图5-19左边曲线进行判断。如果由零件的dt/d和h/d决定的点位

31、于曲线下侧,则能一次拉深成形;如果位于曲线上侧,则要多次拉深。应注意的是,图中曲线系假定零件圆角半径为零得到的,当零件圆角半径较大时,其成形极限可以适当放宽。5hmi=(i=2、3、n)其值与凸缘宽度及外形尺寸无关,可以取与无凸缘圆筒形件的相应拉深系数相等或略小的数值,见表5-10。表5-10有凸缘的圆筒形件以后各次的极限拉深系数有凸缘圆筒形件以后各次拉深系数为5h(1)小凸缘圆筒形件的拉深可以将小凸缘圆筒形件当作无凸缘圆筒形件进行拉深,只是在最后两道拉深工序中才将工序件拉成具有锥形的凸缘,最后通过整形工序,压成平面凸缘。图5-20小凸缘圆筒形件的拉深a)小凸缘拉深件b)小凸缘件拉深过程第一次

32、拉深第二次拉深第三次拉深成品2.有凸缘圆筒形件的拉深方法5h(2)宽凸缘圆筒形件的拉深方法如果根据极限拉深系数或相对高度判断,拉深件不能一次拉深成形时,则需进行多次拉深。多次拉深必须遵循一个原则,即第一次拉深成有凸缘的工序件时,其凸缘的外径应等于成品零件的尺寸(加修边量),在以后的拉深工序中仅仅使已拉深成的工序件的直筒部分参加变形,逐步地达到零件尺寸要求,而第一次拉深时已经形成的凸缘外径必须保持不变,即在以后拉深工序中不再收缩。因为在以后的拉深工序中,即使凸缘部分产生很小的变形,筒壁传力区也会产生很大的拉应力,从而使其拉裂。为了防止这种情况的出现,在调节工作行程时,应严格控制凸模进入凹模的深度

33、。但对于多数普通5h压力机来说,要严格做到这一点有一定困难,而且尺寸计算还有一定误差,再加上拉深时板料厚度有所变化,所以在工艺计算时,除了应精确计算工序件高度外,通常有意把第一次拉入凹模的坯料面积加大3%5%,在以后各次拉深时,逐步减少这个额外多拉入凹模的面积,最后这部分多拉入凹模的面积转移到零件口部附近的凸缘上,使这里的板料增厚,但这不影响零件质量。用这种办法来补偿上述各种误差,以免在以后各次拉深时凸缘受力变形。这一工艺措施对于板料厚度小于0.5mm的拉深件,效果较为显著。5h图5-21宽凸缘筒形件的拉深方法5h2)第一次拉深后的工序件,其凸缘处和底部的圆角半径很大,在以后各次拉深中,高度保

34、持不变,逐步减少圆角半径和筒形部分直径而达到最终尺寸要求(图5-21b)。3.有凸缘圆筒形拉深工序件高度的计算根据有凸缘圆筒形件坯料直径的计算公式推导出高度的计算公式如下:h1=(D2-)+0.43(r1+R1)+(-)hn=(D2-)+0.43(rn+Rn)+(-)(5-16)式中 h1、hn各次拉深后工序件的高度;1)通过多次拉深,逐步缩小筒形部分直径以增加其高度(图5-21a)。d1、dn各次拉深后工序件的直径;5h D坯料直径;r1、rn各次拉深后工序件的底部圆角半径;R1、Rn各次拉深后工序件的凸缘处圆角半径。4.宽凸缘圆筒形件拉深工序计算程序有凸缘圆筒形件拉深与无凸缘圆筒形件拉深的

35、最大区别在于首次拉深,现结合实例说明其工艺计算程序。5h图5-22有凸缘拉深件例5-3试对图5-22所示零件的拉深工序进行计算。材料08钢,厚度2mm5h解:板料厚度大于1mm,按中线计算。(1)切边余量的确定根据零件尺寸查表5-3得切边余量R=2mm,故实际凸缘直径dt=(76+22)mm=80mm。(2)预算坯料直径D=(3)判断能否一次拉深成形 =2.145h(4)确定首次拉深工序件尺寸首先假定一个圆筒部分直径d,然后根据dt、D、t从图5-19两侧曲线分别求出相对高度h/d值,为使实际拉深系数稍大于极限拉深系数,图5-19右边所得的h/d应稍小于左边所得h/d。本例假定d=55mm,图

36、5-23首次拉深工序图5h(5)计算以后各次拉深工序件尺寸m2=0.73 m3=0.75 m4=0.78图5-24拉深工序件尺寸5h第五节圆筒形件拉深的压料力与拉深力5h一、拉深时的起皱与防皱措施在拉深过程中,凸缘变形区起皱情况如图5-25所示。如果凸缘区起皱严重,则不可能通过凸模与凹模之间间隙而进入凹模,导致坯料断裂(图5-25a);如果凸缘区轻微起皱,可能勉强通过凸、凹模之间间隙,但在拉深件的侧壁留下起皱的痕迹,影响了拉深件质量(图5-25b)。5h图5-25拉深过程坯料的起皱a)严重起皱导致破裂b)轻微起皱影响拉深件质量5h影响坯料起皱的主要因素有:(1)坯料的相对厚度t/D坯料的相对厚

37、度愈小,拉深变形区抗失稳能力越差,越容易起皱。(2)拉深系数从凸缘变形区的应力分析中已经知道,拉深系数越小,则切向压应力越大。(3)拉深模工作部分的几何形状与参数凸模和凹模圆角及凸、凹之间间隙过大,则容易起皱。5h图5-26锥形凹模的拉深5h表5-11采用或不采用压料圈的条件5h二、压料力的确定压料力FY值应适当,FY值太小,则防皱效果不好;FY值太大,则会增大传力区危险断面上的拉应力,从而引起严重变薄甚至拉裂。压料力对拉深力的影响可从图5-27中看出。因此,应在保证变形区不起皱的前提下,尽量选用小的压料力。拉深所需压料力的大小与影响坯料起皱的因素有关,拉深过程所需压料力如图5-28所示。由图

38、可以看出,随着拉深系数的减小,所需最小压料力是增大的。同时可以看出,在拉深过程中,所需最小压料力是变化的,一般起皱可能性最大的时刻所需压料力最大。5h图5-27拉深力与压料力的关系5h图5-28拉深过程所需最小压料力的实验曲线Rt拉深过程凸缘外缘半径R坯料半径5h应该指出,压料力的大小应允许在一定范围内调节,如图5-29所示。由图可以看出,随着拉深系数的减小,压料力许可调节范围减小,这对拉深工作是不利的,因为当压料力稍大些时,会产生破裂;压料力稍小些时,会产生起皱。这就是说,拉深工艺稳定性不好。相反,拉深系数增大,压料力可调节范围增大,工艺稳定性较好。5h在模具设计时,压料力可按下式计算:任何

39、形状的拉深件FY=Ap(5-17)圆筒形件首次拉深FY=D2-(d1+2rA1)2p(5-18)5h圆筒形件以后各次拉深FY=-(di+2rAi)2p (i=2、3、n)(5-19)式中 A压料圈下坯料的投影面积;p单位面积压料力,p值可查表5-12;D坯料直径;d1、di各次拉深工序件直径;rA1、rAi各次拉深凹模的圆角半径。5h图5-29压料力调节范围与拉深系数的关系5h表5-12单位面积压料力5h三、压料装置目前生产中使用的压料装置所产生的压料力难以符合图5-28所示的变化曲线。其常用的压料装置有两类:1.刚性压料装置图5-30为双动压力机用拉深模,件4即为刚性压料圈,固定在外滑块上。

40、在每次冲压行程开始时,外滑块带动压料圈下降,压在坯料的凸缘上,并在此停止不动,随后内滑块带动凸模下降,并进行拉深变形。图5-30的压料圈同时是落料凸模。5h刚性压料装置的压料作用是通过调整压料圈与凹模平面之间的间隙获得的,而压料圈与凹模之间间隙则靠调节压力机外滑块得到。考虑到拉深过程中坯料凸缘区有增厚现象,所以这一间隙应略大于板料厚度。图5-31是锥形刚性压料圈,这种压料圈使坯料凸缘部分在拉深之前变为锥形,并压紧在凹模锥面上。这在一定程度上相当于完成了一道拉深成形。所以用这种结构的压料圈时,极限拉深系数可以减小很多。使用时,角应根据坯料相对厚度确定,表5-13给出了 角与坯料相对厚度以及可能达

41、到的极限拉深系数的关系。5h图5-30双动压力机用拉深模刚性压料1凸模固定杆2外滑块3拉深凸模4落料凸模兼压料圈5落料凹模6拉深凹模5h图5-31锥形刚性压料圈的工作原理5h表5-13锥形刚性压料圈的角度、极限拉深系数及相对厚度刚性压料装置的特点是,压料力不随拉深的工作行程而变化,压料效果较好,模具结构简单。5h1)弹簧式压料装置(图5-32a)。2)橡胶式压料装置(图5-32b)。3)气垫式压料装置,即以压缩空气作用或空气液压联动作用防止起皱(图5-32c)。以上三种压料装置的压料力变化曲线如图5-33所示。2.弹性压料装置图5-32为单动压力机用弹性压料装置。这类压料装置还分三种:5h图5

42、-32弹性压边装置a)弹簧式压料装置b)橡胶式压料装置c)气垫式压料装置1凹模2凸模3压料圈4弹性元件(弹顶器)5h图5-33各种弹性压料装置的压料力曲线5h图5-34平面压料圈与弧形压料圈1凸模2顶板3凹模4压料圈5h图5-35有限位装置的压料圈5h四、拉深力的计算式(5-6)是拉深力的理论计算公式。在生产中常用以下经验公式进行计算:采用压料圈拉深时首次拉深F=d1tbK1(5-20)以后各次拉深F=ditbK2 (i=2、3、n)(5-21)5h首次拉深F=1.25(D-d1)tb(5-22)以后各次拉深F=1.3(di-1-di)tb (i=2、3、n)(5-23)式中 F拉深力;t板料

43、厚度;D坯料直径;d1、dn各次拉深后的工序件直径;b拉深件材料的抗拉强度;不采用压料圈拉深时 K1、K2修正系数,其值见表5-14。5h表5-14修正系数K1及K2之值5h 五、压力机公称压力的确定对于单动压力机,其公称压力应大于工艺总压力。工艺总压力为Fz=F+FY(5-24)式中 F拉深力;FY压料力。5h图5-36曲轴压力机的许用压力行程曲线1、4落料工艺变形力曲线2弯曲工艺变形力曲线3拉深工艺变形力曲线5h选择压力机公称压力时必须注意,当拉深工作行程较大,尤其落料拉深复合时,应使工艺力曲线位于压力机滑块的许用压力曲线之下。而不能简单地按压力机公称压力大于工艺力的原则去确定压力机规格,

44、如图5-36所示。5h浅拉深Fg(1.61.8)Fz(5-25)深拉深Fg(1.82.0)Fz(5-26)式中 Fg压力机公称压力。六、拉深功的计算拉深功按下式计算:W=(5-27)式中 W拉深功(J);在实际生产中可以按下式来确定压力机的公称压力:5h Fmax最大拉深力(包含压料力)(N);h凸模工作行程(mm);C系数,与拉深力曲线有关,C值可取0.60.8。压力机的电动机功率可按下式计算:P=(5-28)式中 P电动机功率(kW);5h K不均衡系数,K=1.21.4;1压力机效率,1=0.60.8;2电动机效率,2=0.90.95;n压力机每分钟行程数。若所选压力机的电动机功率小于计

45、算值,则应另选更大的压力机。5h第六节阶梯形件的拉深5h一、判断能否一次拉深成形判断所给阶梯形件能否一次拉深成形的方法是,先求出零件的高度h与最小直径dn之比(图5-37a),然后再根据坯料相对厚度查表5-7,如果拉深次数为1,则可一次拉深成形,否则就要多次拉深成形。5h图5-37阶梯形件a)阶梯形件b)阶梯形件实例5h例5-4如图5-37b所示的阶梯形件,材料为08钢,厚度为1.5mm。试判断能否一次拉深成形。解:按图尺寸,通过坯料尺寸计算求得坯料直径D=107mm,1.4%,=0.6。查表5-8可知,该零件可以一次拉深成形。5h二、阶梯形件多次拉深的方法1)当任意两相邻阶梯直径之比(di/

46、di-1)都不小于相应的圆筒形件的极限拉深系数时,其拉深方法为:由大阶梯到小阶梯依次拉出(图5-38a),这时拉深次数等于阶梯数目与最大阶梯成形之前的拉深次数之和。5h图5-38阶梯形件多次拉深方法5h例5-5如图5-39a所示的阶梯形件,材料为H62钢,厚度为1mm,试确定拉深方法及其工序顺序。解:按图求得坯料直径D=106mm,则t/D1.0%,d2/d1=24/48=0.5。其中从直径48mm拉深到直径24mm时,经查表5-5可知,拉深系数显然小于极限拉深系数,但由于小阶梯高度很小,实际生产中仍采用从大阶梯到小阶梯依次拉出。其拉深次数为3次,拉深工序顺序如图5-39b所示。其中工序件为整

47、形后切边工序得到的,工序实质上是带有局部胀形得到?2。2)如果某相邻两阶梯直径之比(di/di-1)小于相应圆筒形件的极限拉深系数时,则由直径di-1到di按凸缘件的拉深方法进行拉深,如图5-38b所示,因d2/d1小于相应的极限拉深系数,故用凸缘件的拉深方法拉深出d2,d3/d2不5h小于相应的极限拉深系数,故可直接从d2拉到d3,最后拉深出d1。图5-39阶梯形件多次拉深实例a)零件图b)拉深工序顺序5h图5-40阶梯形拉深件实例5h图5-41电喇叭底座的拉深5h第七节盒形件的拉深5h一、盒形件拉深的变形特点盒形件可以划分为4个长度分别为L-2r和B-2r的直边部分及4个半径均为r的圆角部

48、分(图5-42)。圆角部分是四分之一的圆柱面;直边部分是直壁平面。假设圆角部分与直边部分没有联系,则零件的成形可以假想为由直边部分的弯曲和圆角部分的拉深变形所组成。但实际上直边和圆角是一个整体,在成形过程中必然有互相作用和影响,两者之间也没有明显的界限。5h图5-42盒形件拉深的变形特点5h为了观察盒形件拉深的变形特点,在拉深成形之前将坯料表面的圆角部分按圆筒形件拉深试验的同样方法划网格;直边部分则划成由相互垂直的等距离平行线组成的网格(l1=l2=l3=b1=b2=b3),如图5-42所示。5h由以上试验分析可以看出,盒形件拉深变形有以下特点:1)盒形件拉深的变形性质与圆筒形件相同,坯料变形

49、区(凸缘)也是一拉一压的应力状态,如图5-43所示。2)与圆筒形件拉深的最大区别在于,盒形件拉深时,沿坯料周边上的应力和变形分布是不均匀的。直边部分除了承受弯曲力之外,还承受横向挤压力作用,但1和3比圆角处小得多,破裂和起皱趋向性很小。3)直边与圆角变形相互影响程度取决于相对圆角半径(r/B)和相对高度(H/B),r/B越小,直边部分对圆角部分的变形影响越显著。5h图5-43盒形件拉深时的应力分布5h二、盒形件坯料的形状和尺寸的确定实践证明,在盒形件拉深时,正确地确定坯料的形状和尺寸很重要,它不仅关系到节约原材料,而且关系到拉深时材料的变形状态和零件的质量。坯料形状及尺寸不适当,将进一步增大坯

50、料周边变形的不均匀程度,影响拉深工作的顺利进行,影响零件质量。口部要求不高的低盒形件,拉深后可以不切边;口部要求较高的或高盒形件一般都要经过切边。盒形件的修边余量见表5-15。5h5h表5-15盒形件的修边余量h盒形件坯料形状和尺寸的初步确定方法通常是根据零件的r/B和H/B两个尺寸参数。因为这两个参数对圆角部分材料向直边转移程度影响极大。以下例举两类典型盒形件的坯料形状和尺寸的确定方法:5h对于H/B和r/B均较小的盒形件,其坯料的形状和尺寸可以按下述步骤来确定(图5-44):1)首先将盒形件的直边按弯曲变形,圆角部分按四分之一圆筒形拉深变形,分别展开得ABCDEF轮廓的坯料。lz=H+0.