1、模具设计与制造学习目标第7章 拉深工艺与模具设计p了解拉深变形过程及特点p熟悉拉深过程的起皱与破裂现象p熟悉拉深件的工艺性p了解圆筒形件拉深的工艺计算及用途p掌握拉深模工作部分的设计p掌握拉深模的典型结构拉深是指利用模具将平板毛坯冲压成开口空心零件，或将开口空心零件进一步改变形状和尺寸的一种冲压加工方法。拉深工艺广泛应用于汽车、拖拉机、仪表、电子、航空航天等各个工业部门和日常生活用品的生产中，是冷冲压的基本工序之一，不仅可以加工旋转体零件，还可加工盒形零件及其他形状复杂的薄壁零件，如图7-1所示。|7.1 概述概述|图7-1拉深件的类型7.2.1 拉深变形过程及特点如图7-2所示是圆筒形件的拉
2、深过程。直径为D、厚度为t的圆形平板毛坯经过拉深模具的拉深，得到具有内径为d、高度为h的开口直壁圆筒型件，并且h（Dd）/2。|7.2 圆筒形件拉深工艺分析圆筒形件拉深工艺分析|图7-3拉深时材料转移通过网格试验分析拉深时材料的转移，可进一步说明拉深时金属的流动情况，如图7-4所示。图7-4拉深件的网格试验图7-5拉深件材料厚度与硬度的变化7.2.2 拉深过程中的应力与应变通过分析板料在拉深过程中的应力与应变，将有助于拉深工作中工艺问题的解决和保证产品质量。在拉深过程中，材料在不同的部位具有不同的应力状态和应变状态。筒形件是最简单、最典型的拉深件。如图7-6所示是筒形件在有压边圈的首次拉深中某
3、一阶段的应力与应变情况。根据应力与应变状态的不同，可将拉深毛坯划分为五个区域：区为凸缘部分，是拉深工艺的主要变形区；区为凹模圆角部分，是一个过渡区域；区为筒壁部分，起传递力的作用；区为凸模圆角部分，也是一个过渡区域；区是筒形件的底部，可认为没有塑性变形。图7-6拉深过程中的应力与应变状态7.2.3 拉深过程中的起皱与破裂（1）起皱。在拉深时，由于凸缘材料存在着切向压缩应力，当这个压应力大到一定程度时，板料切向将因失稳而被拱起，这种在凸缘四周沿切向产生波浪形的连续弯曲称为起皱，如图7-7（a）所示。当拉深件产生起皱后，轻者凸缘变形区材料仍能被拉进凹模，但会使工件口部产生波纹，影响工件的质量，如图
4、7-7（b）所示。起皱严重时，由于起皱后的凸缘材料不能通过凸、凹模间隙而使拉深件拉裂，如图7-7（c）所示。起皱是拉深中产生废品的主要原因之一。3图7-7拉深件的起皱破坏（2）破裂。起皱并不表示板料变形到达了极限，因为通过加压边圈等措施后，变形程度仍然可以提高。随着变形程度的提高，变形力也相应地增大，当变形力大于危险断面的承载能力时，拉深件则被拉破，如图7-8所示，因此，危险断面的承载能力是决定拉深能否顺利进行的关键。图7-8拉深件的破裂7.2.4 拉深件的工艺性（1）拉深件的公差等级。一般拉深件的尺寸精度不宜要求过高，应在IT13级以下，不宜高于IT11级。如果公差等级要求高，可增加整形工序
5、达到尺寸要求。拉深件由于各处变形不均匀，上下壁厚变化可达，t为板料厚度。对于不变薄拉深，壁厚公差要求一般不应超出拉深工艺壁厚变化规律。（2）拉深件的形状与尺寸。图7-9拉深件的孔边距（3）拉深件的高度。（4）拉深件的圆角半径。（5）拉深件的材料选用。用于拉深的材料一般要求具有较好的塑性、较低的屈强比、较大的板厚方向性系数和较小的板平面方向性。7.3.1 毛坯尺寸的计算（1）确定修边余量。由于板料存在着各向异性，实际生产中毛坯和凸、凹模的中心也不可能完全重合，因此，拉深件口部不可能很整齐，通常都要有修边工序，以切去不整齐部分。为此，在计算毛坯尺寸时，应预先留有修边余量，筒形件和凸缘件的修边余量可
6、分别查表7-1和表7-2，表中符号如图7-10所示。|7.3 圆筒形件拉深的工艺计算圆筒形件拉深的工艺计算|拉深高度拉深高度h拉深相对高度拉深相对高度h/d或或h/B0.50.80.81.61.62.52.54101.01.21.5210201.21.622.5205022.53.345010033.856100150456.5815020056.381020025067.591125078.51012表7-1 无凸缘拉深件的修边余量 h 单位：mm拉深高度拉深高度h相对凸缘直径相对凸缘直径dt/d或或Bt/B1.51.5222.52.53251.81.61.41.225502.52.01.8
7、1.6501003.53.02.52.21001504.33.63.02.51502005.04.23.52.72002505.54.63.82.82506.05.04.03.0表7-2 带凸缘拉深件的修边余量 h 单位：mm（2）计算工件表面积。为了便于计算，把零件分解成若干个简单几何体，分别求出其表面积后相加。如图7-10所示的零件可看成由圆筒直壁部分1，圆弧旋转而成的球台部分2以及底部圆形平板3三部分组成。图7-10圆筒形件毛坯尺寸计算1圆筒直壁部分2球台部分3底部圆形平板（3）求出毛坯尺寸。毛坯的直径D可按以下公式计算。22(2)4()2(2)8Ddrd Hrr drr 2241.72
8、0.56ddHdrr7.3.2 拉深次数的确定1拉深系数的概念和意义拉深的变形程度大小可以用拉深件的高度和直径的比值来表示，比值小的变形程度小，可以一次拉深成形，而比值大的，需要两次或两次以上拉深才能成形。但在设计拉深工艺过程与确定必要的拉深工序数目时，通常用拉深系数作为计算的依据。拉深系数是指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7-11所示，即第一次拉深系数第二次拉深系数第n次拉深系数式中：D毛坯直径；d1、d2、d、dn各次拉深后圆筒部分的中径。11dmD221dmd1nnndmd图7-11圆筒形件的多次拉深拉深件的中径dn与毛坯直径D之比称为总拉深系数，即拉深件所
9、需要的拉深系数，用m表示。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，如表7-3和表7-4所示。为了防止在拉深过程中产生起皱与拉裂的缺陷，应减小拉深变形程度，增大拉深系数，减小起皱和拉裂的可能性。拉深系数表达了拉深工艺的难易程度。知道了每次拉深允许的极限拉深系数，就可以确定拉深次数了。311212311221nnnnnnnddddd dmm m mmmDD d ddd极限拉深极限拉深系数系数毛坯相对厚度（毛坯相对厚度（t/D）1002.01.51.51.01.00.60.60.30.30.150.150.08m10.480.500.500.530.530.550.550.580.
10、580.600.600.63m20.730.750.750.760.760.780.780.790.790.800.800.82m30.760.780.780.790.790.800.800.810.810.820.820.84m40.780.800.800.810.810.820.820.830.830.850.850.86m50.800.820.820.840.840.850.850.860.860.870.870.88表7-3圆筒形件带压边圈的极限拉深系数极限拉深系数极限拉深系数毛坯相对厚度（毛坯相对厚度（t/D）1001.52.02.53.03.0m10.650.600.550.530
11、.50m20.800.750.750.750.70m30.840.800.800.800.75m40.870.840.840.840.78m50.900.870.870.870.82m60.900.900.900.85表7-4圆筒形件不带压边圈的极限拉深系数2拉深次数的确定拉深次数通常只能概略进行估计，最后需通过工艺计算来确定。初步确定无凸缘圆筒件拉深次数的方法有以下几种。（1）推算法。（2）计算法。（3）查表法。拉深次数拉深次数n毛坯相对厚度（毛坯相对厚度（t/D）10021.51.5110.60.60.30.30.150.150.0810.940.770.840.650.700.570.6
12、20.50.520.450.460.3821.881.541.601.321.361.11.130.940.960.830.90.733.52.72.82.22.31.81.91.51.61.31.31.145.64.34.33.53.62.92.92.42.42.02.01.558.96.66.65.15.24.14.13.33.32.72.72.0表7-5无凸缘筒形拉深件的最大相对高度h/d7.3.3 工序件尺寸的计算工序件尺寸包括半成品的直径dn、筒底圆角半径rn 和筒壁高度hn。在拉深次数确定后，为使在允许的条件下产生更大程度的拉深变形，须调整拉深系数后，确定工序件直径和工序件高度。（
13、1）工序件直径的确定。（2）工序件高度的确定。7.3.4 拉深力与压边力的确定1拉深力的计算从理论上计算拉深力在前面已推导过，但它在实际应用上并不方便，而且因为影响因素比较复杂，计算结果与实际拉深力往往有出入，所以生产中常用经验公式计算拉深力。拉深系数拉深系数m10.550.570.600.620.650.770.700.720.750.750.80修正系数修正系数k11.000.930.860.790.720.660.600.550.500.450.40拉深系数拉深系数m20.700.720.750.770.800.850.900.95修正系数修正系数k21.000.950.900.850.
14、800.700.600.50表7-6修正系数2压边力的计算（1）压边条件。解决拉深工作中的起皱问题的主要方法是采用防皱压边圈，并且压边力要适当。必须指出，如果拉深的变形程度比较小，毛坯的相对厚度比较大，则不需要采用压边圈，因为不会产生起皱。拉深中是否需要采用压边圈，可按表7-7的条件决定。拉深方法拉深方法第一次拉深第一次拉深后续各次拉深后续各次拉深（t/D）100m1（t/D）100m2用压边圈用压边圈1.50.61.02.00.61.50.8可用可不用可用可不用1.52.00.61.01.50.8表7-7采用或不采用压边圈的条件（2）确定压边力。在模具设计时，通常是使压边力稍大于防皱作用所需
15、的最低值，即在保证毛坯凸缘变形区不起皱的前提下，尽量选用小的压边力，并按下列经验公式进行计算。筒形件第一次拉深时筒形件后续各次拉深时F压FAp压221124FDdrp凹压（）221124nnnFddrp凹压（）材材 料料 名名 称称单位压边力单位压边力P材材 料料 名名 称称单位压边力单位压边力P铝铝0.81.2镀锡钢板镀锡钢板2.53.0硬铝（已退火）、紫铜硬铝（已退火）、紫铜1.21.8高温合金高温合金2.83.5黄铜黄铜1.52.0高合金钢高合金钢不锈钢不锈钢3.08.5软钢软钢t0.5mm2.53.0t0.5mm2.02.5表7-8 单位压边力P 单位：MPa3压力机公称压力的选择对于
16、单动压力机，其公称压力应大于工艺总压力。工艺总压力为拉深力与压边力之和。对于双动压力机，应分别考虑内外滑块的公称压力与对应的拉深力与压边力的关系。F拉F压FFF压拉压机F拉F拉选择压力机公称压力时必须注意，当拉深行程较大，尤其是采用落料、拉深复合模时，应使工艺力曲线位于压力机滑块的许用压力曲线之下，不能简单地根据落料力与拉深力叠加之和小于压力机公称压力去确定压力机的规格，否则很可能由于过早地出现最大冲压力而使压力机超载损坏，如图7-12所示。而应该考虑压力机在落料、拉深的复合冲压成形中所做的功，考虑压力机电机能否负荷。图7-12拉深力与压力机的压力曲线1压力机的压力曲线 2拉深力 3落料力7.
17、4.1 凸、凹模结构设计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。常见的凸凹模结构形式如下。（1）无压料的拉深模结构形式。如图7-13所示为不带压边圈的一次拉深时所用的凸、凹模结构，其中图7-13（a）所示的圆弧形凹模结构简单，加工方便，是常用的拉深凹模结构形式；图7-13（b）和图7-13（c）所示的锥形凹模和渐开线形凹模对抗失稳起皱有利，但加工复杂，主要用于拉深系数较小的拉深件；图7-13（d）为等切面形结构。|7.4 拉深模工作部分设计拉深模工作部分设计|（2）有压料的拉深模结
18、构形式。图7-14是带压边圈的凸、凹模结构，其中图7-14（a）所示的凸、凹模具有圆角结构，用于拉深直径d100mm的拉深件；图7-14（b）所示的凸、凹模具有锥角结构，用于拉深直径d100mm的拉深件，采用这种有锥角的凸模和凹模，除具有改善金属的流动，减少变形抗力，使材料不易变薄等一般锥形凹模的特点外，还可减轻毛坯反复弯曲变形的程度，提高零件侧壁质量，使毛坯在下次工序中容易定位等。图7-13无压料拉深模的凹模结构形式图7-14有压料的拉深模工作部分的结构无论对于有无采用压料装置的拉深模，为了便于取出工件，拉深凸模都应钻通气孔，其尺寸如表7-9所示。凸模直径凸模直径50501001002002
19、00出气孔直径出气孔直径56.589.5表7-9 通气孔尺寸 单位：mm7.4.2 拉深模具间隙拉深模间隙指的是凸、凹模之间的双面间隙。间隙的大小对拉深力、拉深件的质量以及模具寿命都有很大的影响。间隙小时，拉深件回弹小，侧壁平直而光滑，质量较好，精度较高；若间隙值太小，拉深力增加，导致工件变薄严重，甚至拉裂，模具表面间的摩擦、磨损严重，模具寿命降低；间隙过大时，拉深力降低，模具的寿命提高，但毛坯容易起皱，拉深件锥度大，精度较差，因此，拉深模的间隙值应合理，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，间隙取值一般都比毛坯厚度略大一些。（1）
20、无压料装置拉深。（2）有压料装置拉深。有压料装置的拉深模，其凸、凹模间隙可按表7-10查取。总拉深次数总拉深次数拉深工序拉深工序单边间隙单边间隙Z/2总拉深次数总拉深次数拉深工序拉深工序单边间隙单边间隙Z/21一次拉深一次拉深（11.1）t4第一、二次拉深第一、二次拉深1.2t第三次拉深第三次拉深1.1t2第一次拉深第一次拉深1.1t第四次拉深第四次拉深（11.05）t第二次拉深第二次拉深（11.05）t5第一、二、三次第一、二、三次拉深拉深1.2t3第一次拉深第一次拉深1.2t第四次拉深第四次拉深1.1t第二次拉深第二次拉深1.1t第五次拉深第五次拉深（11.05）t第三次拉深第三次拉深（1
21、1.05）t表7-10 有压料装置拉深时单边间隙值 单位：mm7.4.3凸、凹模工作部分的尺寸和公差零件的尺寸精度由最后一次拉深的凸、凹模的尺寸及公差决定，而最后一次拉深中凹模及凸模的尺寸和公差又应按零件的要求来确定。一般除最后一道拉深模的尺寸公差需要考虑外，首次及中间各道次的模具尺寸公差和拉深半成品的尺寸公差没有必要作严格限制，这时模具的尺寸只要取等于毛坯的过渡尺寸即可。1凹模圆角半径凹模圆角半径的大小对拉深工作影响很大，影响到拉深件的质量、拉深力的大小和拉深模的寿命，因此，合理选择凹模圆角半径是极为重要的。首次拉深凹模圆角半径也可以参考表7-11的值选取。拉拉 深深 方方 式式毛坯的相对厚
22、度毛坯的相对厚度（t/D）1002.01.01.00.30.30.1无凸缘无凸缘（46）t（68）t（812）t有凸缘有凸缘（612）t（1015）t（1520）t表7-11首次拉深凹模的圆角半径rd12凸模圆角半径凸模圆角半径的大小对拉深影响没有凹模圆角半径的影响大，但其值也必须合适，过小的rp会使危险断面受拉力大，工件易产生局部变薄；而rp过大，则使凸模与毛坯接触面小，易产生底部变薄和内皱。3凸、凹模工作部分的尺寸和公差零件对外形、内形的要求涉及拉深模的设计基准，所以应该严格分析，如图7-15所示。图7-15拉深零件尺寸与模具尺寸7.4.4压边装置目前，在生产实际中常用的压边装置有以下两大
23、类。（1）弹性压边装置。这种装置多用于普通冲床，通常有3种：橡皮压边装置、弹簧压边装置和气垫式压边装置，如图7-16所示，这3种压边装置压边力的变化曲线如图7-17所示。另外，氮气弹簧技术也逐渐在模具中使用。随着拉深深度的增加，需要压边的凸缘部分不断减少，故需要的压边力也就逐渐减小。如图7-17所示，可以看出橡皮及弹簧压边装置的压边力却恰好与需要的压边力相反，随拉深深度的增加而增加，尤其以橡皮压边圈更为严重。这种情况会使拉深力增加，从而导致零件断裂，因此，橡皮及弹簧结构通常只用于浅拉深。图7-16弹性压边装置图7-173种压边装置压边力的变化曲线（2）刚性压边装置。刚性压边装置如图7-18所示
24、，这种结构用于双动压力机，凸模装在压力机的内滑块上，压边装置装在外滑块上。在拉深过程中，外滑块保持不动，所以其刚性压边力不随行程变化，拉深效果好，模具结构简单。图7-18刚性压边装置 1曲轴2凸轮3外滑块4内滑块5凸模6压边圈7凹模7.5.1首次拉深模如图7-19所示为无压边圈的首次拉深模具。半成品工件以定位板5定位，拉深凸模2向下运行，直至拉深凸模将板料压入到拉深凹模3下面拉成工件，拉深结束。拉深凸模2向上运行，靠拉深凹模下部的卸件环4脱下拉深件。因为拉深凸模2要深入到拉深凹模3下面，所以该模具只适合于浅拉深。为使工件在拉深后不紧贴在凸模上难以取下，在拉深凸模2上开有通气小孔。这种类型的模具
25、结构简单，常用于板料塑性好、相对厚度较大时的拉深。|7.5 拉深模的典型结构拉深模的典型结构|图7-19无压边圈的首次拉深模具 1模柄2凸模3凹模 4卸件环 6定位板7凹模8下模座图7-20所示为带上压边装置的首次拉深模。拉深前，半成品工件以定位板6定位。拉深时，凸模10向下运行，半成品工件因受压弹簧4的作用，首先被压边圈5平整地压在拉深凹模7表面，凸模10继续向下运行，弹簧4继续受压，直至拉深成形出工件。拉深结束，凸模向上运行，压边圈在弹簧的作用下回复，并将包在拉深凸模上的工件刮下来。这种具有弹性压边装置的首次拉深模是最广泛采用的首次拉深模结构形式，压边力由弹性元件的压缩产生。该种模具结构的
26、凸模比较长，只适宜于拉深深度不大的工件。同时，由于上模空间位置受到限制，不可能使用很大的弹簧或橡皮，因此，上压边装置的压边力小，这种装置主要用于压边力不大的场合。图7-20带上压边装置的首次拉深模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7.5.2以后各次拉深模各次各工序拉深模的定位方法常用的有3种：第1种采用特定的定位板；第2种是凹模上加工出供半成品定位的凹窝，如图7-21所示；第3种为利用半成品内孔，用凸模外形或压边圈的外形来定位，此时所用压边装置已不再是平板结构，而应是圆筒形或锥形结构。图7-21无压边装置的以后各次拉深模1模柄2上模座3垫板4凸模
27、固定板5凸模6定位板7凹模8凹模固定板9下模座7.5.3落料拉深复合模图7-22为落料拉深复合模。在设计这类模具时要注意，必须保证冲压时要先落料再拉深，所以拉深凸模12低于落料凹模6。此副模具的工作过程是：条形板材由前向后通过固定卸料板的定位槽送进定位，上模下行，拉深凸模12与落料凹模6首先完成落料工序；上模继续下行，拉深凸模开始接触压边圈13压住的落料毛坯，并将其压入落料拉深凸凹模3孔内，完成拉深工序；上模回程时，刚性卸料板从落料拉深凸凹模上卸下废料，压边圈在弹顶装置的作用下将工件从拉深凸模上刮掉；若工件卡在落料拉深凸凹模孔内，可通过推件块10在上模回程到一定距离后，在压力机打料横梁的阻止作
28、用下，相对向上运行的上模向下运动，将工件推出。图7-22筒形件落料拉深复合模 1模柄2上模座3落料拉深凸凹模4导套5导柱 6落料凹模7下模座8打杆 9定距块10推件块 11刚性卸料板12拉深凸模13压边圈14顶杆冲压生产中，带凸缘筒形件是经常加工的，其拉深过程中各变形区的应力状态和变形特点与无凸缘筒形件的是相同的。带凸缘筒形件的拉深是无凸缘筒形件拉深的某一中间状态，坯料凸缘部分没有被全部拉入凹模，当拉深进行到凸缘外径等于零件凸缘直径（包括修边余量）时，拉深工作就可以结束，所以带凸缘筒形件的拉深方法及计算方法与一般无凸缘的筒形件有一定的差别。凸缘件有小凸缘和宽凸缘之分，把dp/d1.4的凸缘件称
29、为小凸缘件，dp/d1.4的凸缘件称为宽凸缘件，如图7-23所示。|7.6 带凸缘筒形件的拉深简介带凸缘筒形件的拉深简介|图7-23两种带凸缘筒形件7.6.1窄凸缘筒形件的拉深（1）窄凸缘筒形件的拉深方法。若h/d大于一次拉深的许用值时，只在倒数第二道才拉出凸缘或者拉成锥形凸缘，最后校正成水平凸缘，如图7-24所示；若h/d较小，则第一次可拉成锥形凸缘，后校正成水平凸缘。（2）窄凸缘筒形件拉深的工艺计算。窄凸缘筒形件拉深时的工艺计算流程，完全按一般无凸缘筒形件的工艺计算方法。图7-24窄凸缘件拉深7.6.2宽凸缘筒形件的拉深1宽凸缘圆筒件的拉深方法宽凸缘圆筒件的拉深方法可分为以下两种。（1）中
30、小型（df200mm）、料薄的拉深件。（2）大型（df200mm）的拉深件。图7-25宽凸缘件的拉深方法1一次拉深2二次拉深3三次拉深4四次拉深2带凸缘筒形件的工艺计算（1）毛坯尺寸计算。（2）判断能否一次拉深成形。（3）拉深次数和半成品尺寸的确定。（4）各次拉深后的筒部高度计算。凸缘相对直径凸缘相对直径df/d毛坯相对厚度毛坯相对厚度t/D 1000.060.20.20.50.5111.51.51.10.590.570.550.530.501.11.30.550.540.530.510.491.31.50.520.510.500.490.47 1.51.80.480.480.470.460.
31、45 1.82.00.450.450.440.430.42 2.02.20.420.420.420.410.40 2.22.50.380.380.380.380.37 2.52.80.350.350.340.340.33 2.83.00.330.330.320.320.31 表7-12带凸缘筒形件的首次极限拉深系数m1（适用于08钢，10钢）凸缘相对直径凸缘相对直径df/d毛坯相对厚度毛坯相对厚度t/D 1000.060.20.20.50.5111.51.51.10.450.520.500.620.570.700.600.800.750.901.11.30.400.470.450.530.50
32、0.600.560.720.650.801.31.50.350.420.400.480.450.530.500.630.580.701.51.80.290.350.340.390.370.440.420.530.480.581.82.00.250.300.290.340.320.380.360.460.420.512.02.20.220.260.250.290.270.330.310.400.350.452.22.50.170.210.200.230.220.270.250.320.280.352.52.80.160.180.150.180.170.210.190.240.220.272.83.00.100.130.120.150.140.170.160.200.180.22表7-13带凸缘筒形件的首次极限拉深高度h1/d1（适用于08钢，10钢）拉深系数拉深系数m毛坯相对厚度毛坯相对厚度t/D 1000.150.30.30.60.61.01.01.51.52.0m20.800.780.760.750.73m30.820.800.790.780.75m40.840.830.820.800.78m50.860.850.840.820.80表7-14带凸缘筒形件的以后各次拉深系数（适用于08钢，10钢）
