1、37680-5a 主编第一节拉深工艺及质量分析一、拉深变形过程图5-1拉深变形示意图 圆筒形容器的拉深毛坯为圆形，其拉深工艺最简单而又具有代表性，下面针对圆筒拉深工艺进行剖析。首先来看两个实验。图5-1所示的为第一个实验，在平板毛料上沿直径方向画出一个局部的扇形oab，当凸模下降时，便强迫毛坯拉入凹模，扇形oab即演变为三个主要区域：一、拉深变形过程图5-2拉深件质量与m值的关系和拉深力的变化 第二个实验，取同一种材料，同一副模具，只是不断地加大毛坯直径d0，来改变拉深系数m，并测出各次拉深力的变化，其结果如图5-2所示。二、拉深变形过程中毛坯的应力、应变状态 预先掌握毛坯在拉深变形过程中产生
2、的应力、应变状态和变形的板厚分布规律，对控制拉深制件的破裂、起皱、尺寸形状不佳等课题的研究，将是非常有用的。下面对拉深过程中某一瞬间，毛坯上各区域的应力、应变进行分析(图5-3)。1.突缘变形区(a区)此部分材料在压边圈及凸模作用下，切向受压缩2.筒壁传力区(b区)此部分材料在凸模作用下(主要起传力作用)，受单向拉应力，变形也是单向伸长，壁厚减薄，其结果使筒壁的上端材料变厚，下端材料变薄。图5-3拉深过程中的应力、应变分析3.筒底不变形区(c区)凸模底部的材料受切向()与径向(r)两向等拉应力，所以变形也是双向等拉伸变形，但拉伸变形因受凸模底部有效的摩擦阻力作用，故材料变薄很小。4.凸、凹模圆
3、角处(d、e区)凹模圆角处的材料(d区)，切向受压(-)，径向受拉(r)，一侧还受凹模圆角对材料的压力(-t)，另外此处还有弯曲变形，凹模圆角半径越小，弯曲变形越大，材料流动阻力也越大。三、拉深制件的质量分析1.起皱原因及其防止措施 在拉深过程中起皱可分为两种，一种是在压边圈下的突缘部分材料起皱，称为外皱；另一种是在材料的悬挂部分起皱，称为内皱。(1)外皱外皱是拉深过程中突缘部分的料厚与切向压应力(-)之间失去了应有的比例关系而造成的失稳起皱。在生产中常用下列公式判断不起皱的条件，即式中d制件直径。或将式(5-1)简单换算后可得1.起皱原因及其防止措施 滑块带动工作。它是利用材料在拉深变形过程
4、中有增厚现象的原理来设计的，实质上只控制T值(T表示压边滑块在下止点时，刚性压边圈下平面至凹模上平面间的距离)，便可达到压边，从而达到控制的目的。图5-4刚性压边装置a)普通结构b)锥面结构 当材料较薄时，即使采用上述压边装置，毛坯边缘仍可能产生轻度起皱。为了克服此弊病，可将压边圈底面加工成一个锥面，锥角大小应符合拉深时材料增厚的规律，这样可给模具的调整安装带来一定程度的方便(图5-4b)。1.起皱原因及其防止措施(2)内皱内皱现象发生与否同样取决于切向应力-与材料抗失稳的能力，但内皱真正发生的临界条件，还无法解释，目前只能凭经验判断处理。防止内皱发生的机理，仍是增加径向拉应力r来减小切向压应
5、力-。生产实际中常用加设拉深筋法(图5 5a)和反拉深法(图5 5b)来增大r值。图5-5防止内皱的方法2.筒壁拉裂原因和防止措施 拉深后壁厚与硬度的变化如图5-6所示。拉深件筒壁的最大变薄率为10%18%，增厚率为20%30%。筒壁直段与凸模圆角rp相切的部位为危险断面，其原因有两个，第一个是由于模具圆角的顶压，使其部位变薄最大；第二是因凸、凹模间有径向间隙存在.图5-6拉深制件硬度与壁厚的变化第二节拉深制件的结构工艺性一、拉深制件的形状要求1)拉深制件应明确注明保证外形尺寸还是保证内孔尺寸。2)对于半敞开或非对称空心件，模具设计时可将其成对组合，拉深成形后再切开分成两个或几个制件。3)拉深
6、制件的材料厚度应考虑拉深工艺的变形规律。4)拉深制件的口部允许稍有回弹，但必须保证整形或切边后能达到断面及高度的尺寸要求。二、拉深制件圆角半径的确定1)壁部与突缘连接的圆角半径应取rd2t，此圆角半径是决定拉深能否顺利进行的一个重要尺寸参数，一般是宁大勿小，常取rd=(58)t。2)筒底圆角半径，实际上相当于凸模圆角半径(rp)，常取rpt。3)矩(方)形件口部的圆角半径r，一般应取r3t，为了使拉深工序次数减少，应尽量使r0.15H(H值为拉深制件高度)，以便能一次拉深成功。图5-7拉深制件结构的改造a)修改前b)修改后三、拉深制件的公差 冲压实践中，在保证制件使用性能的前提下，经常对制件形
7、状及尺寸进行修改，使冲压加工的工序减少，以降低产品成本。如图5-7所示的消声器后盖，其结构形状经过修改后，冲压工序从8道工序减少到两道工序，材料消耗也减少了50%。第三节旋转体拉深制件的工艺计算一、旋转体拉深制件修边余量的确定表5-1筒形件的修边余量h表5-2有突缘拉深制件的修边余量d二、旋转体拉深制件毛坯尺寸的计算二、旋转体拉深制件毛坯尺寸的计算 在非变薄拉深中，不计板料厚度的变化。通常按产品制件的表面积加上修边余量的表面积，即得到毛坯的表面积。也就是说，用变形前后表面积相等作为拉深制件毛坯尺寸的计算原则。此外，还可用变形前后体积相等、质量相等的方法来求得毛坯尺寸。1.简单旋转体拉深制件的毛
8、坯尺寸计算 旋转体制件的毛坯形状是圆形，其直径可按面积相等法来计算。计算时通常将旋转体分成若干个简单的几何体，然后求各部分面积之和，如图5-8所示。1/4球环带面积筒底面积1.简单旋转体拉深制件的毛坯尺寸计算图5-8圆筒形拉深制件根据面积相等法，以上三部分面积之和应等于毛坯表面积毛坯直径1.简单旋转体拉深制件的毛坯尺寸计算表5-3常用旋转体拉深制件毛坯直径的计算公式1.简单旋转体拉深制件的毛坯尺寸计算表5-3常用旋转体拉深制件毛坯直径的计算公式1.简单旋转体拉深制件的毛坯尺寸计算表5-3常用旋转体拉深制件毛坯直径的计算公式2.复杂旋转体拉深制件的毛坯尺寸计算(1)古鲁金定律任何形状的母线，绕轴
9、旋转一周所得到的旋转面积，与该母线拉直后，通过重心且平行于该轴旋转一圈的面积相等，如图5-9所示。图5-9古鲁金定律图2.复杂旋转体拉深制件的毛坯尺寸计算图5-10曲面旋转体计算法(2)毛坯计算法图5-10所示的曲面旋转体拉深制件，计算时首先将复杂的母线分成直线和圆弧等各段线段，然后求出各线段展开长度和该线段重心到旋转轴的距离，再将展开长度和重心距相乘并求其总和，最后用古鲁金定律将毛坯直径求出2.复杂旋转体拉深制件的毛坯尺寸计算 (3)作图法如图5-11所求，作图法求拉深制件毛坯直径d0的方法，其原理仍然是古鲁金定律。图5-11曲面旋转体作图法1)将母线分段(直线与圆弧)，求出各段重心位置r1
10、、r2、rn，再求出展开长度l1、l2、ln。2)作力索多边形，求出整个曲线的重心到轴的距离r。3)以母线展开长度L、再加上2r为直径(AC)作半圆，过B点作垂线交半圆于D点，距离BD即为毛坯半径R0。三、旋转体拉深制件拉深时的变形特征及拉深方法1.无突缘筒形制件拉深的变形特征 用拉深系数来衡量无突缘筒形制件拉深时的变形程度。它是计算拉深工艺的基本依据。因此拉深系数实际上是拉深后制件直径与拉深前毛坯直径(或半成品直径)的比值。从=1-m可看出m是永久小于1的数值。图5-12断面收缩变形图1.无突缘筒形制件拉深的变形特征表5-4无突缘筒形制件使用压边圈时的许可拉深系数 无突缘筒形制件拉深系数的确
11、定，可根据拉深方式不同分为压边与不压边两种，见表5-4及表5-5。2.表中数据适用于未经中间退火的拉深。表5-5无突缘筒形制件不采用压边圈拉深时的极限拉深系数值2.表中数据适用于未经中间退火的拉深。图5-13宽突缘多次拉深的成形方法2.带突缘筒形制件的拉深方法和变形特征(1)拉深方法带突缘筒形制件一般分为两类，第一类为窄突缘筒形制件，即dt/d=1.11.4(dt表示突缘直径)；第二类为宽突缘筒形制件，即dt/d1.4。窄突缘筒形制件拉深与不带突缘筒形制件拉深基本一样，只是最后一次是用校正的方法形成窄突缘平面。(2)变形特征如图5-14所示，用直径d0的毛坯来拉深无突缘筒形制件(图5-14b)
12、和带突缘筒形制件(图5-14c)时，用前述方法来计算变形程度，圆筒形制件便会远远超过带突缘筒形制件。图5-14带突缘筒形制件第一次拉深系数与变形程度2.带突缘筒形制件的拉深方法和变形特征表5-6带突缘筒形制件第一次拉深的许可相对高度/第一次拉深系数的计算也必须考虑相对突缘尺寸、相对高度尺寸和圆角半径等因素，计算公式为2.带突缘筒形制件的拉深方法和变形特征表5-7带突缘筒形制件第一次拉深的许可拉深系数四、拉深次数的确定 当计算出的拉深系数m1小于表5-4中查得的极限拉深系数m1时，则需多次拉深，多次拉深的拉深次数由以下几种方法确定：1.推算法 筒形制件的拉深次数，可根据t/d0查出的m1、m2、
13、m3、mn，然后从第一道工序开始依次求各半成品直径，即突缘制件第一次拉深以后各次许可拉深系数mn可查表5-8。2.公式计算法表5-8突缘制件第一次拉深以后各次许可拉深系数图5-15确定拉深次数及半成品尺寸图3.图表法 如图5-15所示，先在横坐标上找到毛坯直径d0，向上作垂线，再从纵坐标上找到制件直径，并过该点作水平线，相交之点便可决定拉深次数。如交点位于两直线之间，则应取较大值。五、旋转体拉深制件多次拉深时各工序间的尺寸计算1.无突缘筒形制件各工序间半成品尺寸的确定(1)半成品直径半成品直径应根据各次拉深系数进行推算，d1=m1d0；d2=m2d1；d3=m3d2；dn=mndn-1(dn即
14、制件直径)。(2)半成品的圆角半径各次半成品圆角半径的计算，包括凸模圆角半径rp和凹模圆角半径rd两个计算内容。1.无突缘筒形制件各工序间半成品尺寸的确定表5-9无突缘圆筒形拉深制件的拉深高度计算公式(3)半成品的拉深高度各工序半成品的直径与圆角半径确定后，可根据筒形件不同底部形状计算出各工序的拉深高度(表5-9)。1.无突缘筒形制件各工序间半成品尺寸的确定表5-9无突缘圆筒形拉深制件的拉深高度计算公式2.带突缘筒形制件各次半成品尺寸的计算 带突缘筒形制件各次半成品尺寸的确定中，各工序拉深直径与圆角半径的确定与筒形制件计算基本相同，但不同之处有两点，第一是毛坯直径的计算，应根据变形第二特征重新
15、计算；第二是拉深高度的计算，第一次拉深高度确定后要进行校核，检查是否安全，然后再计算以后各次拉深高度，计算公式为例5-1如图5-16所示的无突缘筒形制件，材料厚度为2mm，材料为08钢。求毛坯尺寸、拉深次数及各次半成品尺寸。图5-16无突缘筒形制件6.求各次半成品制件的高度表5-10拉深参数值(单位：mm)表5-10拉深参数值(单位：mm)6.求各次半成品制件的高度图5-17带突缘筒形件例5-2如图5-17所示制件，试确定其拉深次数和各次半成品尺寸。5.求以后各次拉深半成品尺寸图5-18半成品第四节矩(方)形制件拉深的工艺计算一、矩(方)形制件的拉深特征及分类1.矩(方)形制件的拉深特征 矩(
16、方)形制件的拉深，在毛坯变形区(突缘上)也是径向受拉、切向受压的应力状态，因此从变形性质上来说，与圆筒形制件基本相同。但其最大的差别是在拉深制件周边上的变形是不均匀的，因此在冲压工艺与模具设计时，需要解决的问题和解决问题的方法也各不相同。图5-19矩(方)形制件拉深时的变形图5-20矩(方)形制件在不同的r/B拉深情况下的分区图2.分类 矩(方)形制件拉深时变形比较复杂，沿周边经常是不均匀分布的，其不均匀程度随着相对高度H/B及圆角部分相对圆角半径r/B的大小而变化，这两个比值决定了圆角部分材料向制件侧壁转移的程度及侧壁高度的增补量。二、矩(方)形件毛坯的尺寸计算1.矩(方)形制件修边余量的确
17、定 矩(方)形制件的拉深高度不高或拉深后容器口部要求不严时，可免除修边工序。一般来说，拉深后都需切边，所以在确定其毛坯尺寸和进行工艺计算前，应在制件高度或突缘宽度上加上修边余量。无突缘矩(方)形制件的修边余量h可查表5-12；带突缘矩形制件的修边余量可参考带突缘筒形制件的修边余量d(表5-2)，但必须将表中dt改为Bt(即矩形制件短边突缘宽度)，d改为B(即矩形制件短边宽度)。表5-12矩形制件的修边余量h2.一次拉深而成的矩(方)形制件的毛坯计算(1)a区域角部圆角半径较小的低矩形制件(r/(B-H)0.22)，毛坯尺寸的计算和作图程序如下：1)按压弯计算壁部展开长度l(图5-21)。无突缘
18、l=H+057r底2)按拉深计算角部毛坯半径R0。无突缘时3)从ab线段的中点向R0圆弧作切线，此线与直边相交处再用R0圆弧光滑连接。此四分之一的毛坯图形，根据矩形制件不同的H与r可以得到三种形式的图形，如图a、b、c所示。2.一次拉深而成的矩(方)形制件的毛坯计算图5-21低矩形制件毛坯作图法2.一次拉深而成的矩(方)形制件的毛坯计算(2)b区域角部圆角半径较大的低矩(方)形制件(0.22r/(B-H)t/B1%)表5-17高方形制件多次拉深计算程序和公式(2%t/B1%)3.m1的极限值查表5-14。表5-18高方形制件多次拉深计算程序和公式(t/B1%)3.m1的极限值查表5-14。表5
19、-18高方形制件多次拉深计算程序和公式(t/B1%)3.m1mn的极限值查表5-4。表5-19高矩形制件多次拉深计算程序和公式(t/B2%)3.m1mn的极限值查表5-4。表5-19高矩形制件多次拉深计算程序和公式(t/B2%)3.m1mn的极限值查表5-4。表5-20高矩形制件多次拉深计算程序和公式(t/B2)3.m1mn的极限值查表5-4。表5-20高矩形制件多次拉深计算程序和公式(t/B2)3.m1mn的极限值查表5-4。表5-21高矩形制件多次拉深计算程序和公式(2t/B1%)3.m1mn的极限值查表5-4。表5-21高矩形制件多次拉深计算程序和公式(2t/B1%)3.m1mn的极限值
20、查表5-4。表5-22高矩形制件多次拉深计算程序和公式(t/B1%)3.m1mn的极限值查表5-4。表5-22高矩形制件多次拉深计算程序和公式(t/B1%)3.m1mn的极限值查表5-4。表5-22高矩形制件多次拉深计算程序和公式(t/B3%时材料相对厚度较大，可以用不带压边圈的简单模具一次拉成，如图5-43所示。但需注意两点：第一，要采用带球形底的凹模；第二，冲压终了要进行一定程度的精压校形处理。这方法冲压的制件表面质量不高，因为毛坯贴模不好而使几何形状和尺寸精度均受影响。2.t/D03%时图5-44单动压力机上用的落料拉深复合模 拉应力增大，增大胀形成分，以防止毛坯中间部分起皱。其结构如图
21、5-44所示，此时压边力由气垫或弹簧垫提供。气垫的作用力在拉深过程中随着滑块的下行将升高5%10%，弹簧力升高更大，可能超过30%甚至50%。图5-45正反拉深法2.t/D03%时表5-35防止毛坯内部起皱必要的初始压力p(单位：MPa)三、抛物面制件的拉深 抛物面制件的拉深方法和所用模具结构与球面制件基本相似。但当抛物面制件的深度h较大、顶端圆角半径R1较小时，如图5-46所示,其成形难度远远超过球面制件拉深。这时，为了使毛坯中间部分紧密贴模而又不起皱，必须加大成形中的胀形成分和径向拉应力。图5-47为带两个环形拉深筋,用于较深抛物面制件的拉深模。图5-46抛物面制件图5-47深度较大的抛物
22、面制件拉深模三、抛物面制件的拉深1.当h/d=0.50.7材料相对厚度较大时图5-48抛物面制件多次拉深a)黄铜板(t=0.8mm，毛坯=98mm)b)冷轧板(t=0.8mm，毛坯=190mm)2.当h/d=0.50.7材料相对厚度较小时先拉深成粗形，将凸模头部做成锥形或圆角为r的平底筒形，然后再多次拉深，使制件接近大直径，如图5-48b所示。3.当t/D00.003,h/d=0.71时 采用阶梯制件拉深方法，拉深成近似的阶梯圆筒形，最后胀形成形，如图5-49a所示。或用反拉深法，先拉深成圆筒形，然后反拉深，最后用胀形成形，如图5-49b所示。图5-50锥形件各部分尺寸图5-49抛物面制件多次
23、拉深a)阶梯法b)反拉深法四、锥形制件的拉深1.锥形制件相对高度h/d2 由图5-51可以看出两种不同的h/d2情况的对比。假设条件相同，当锥形件高度h2较大时，如不产生胀形变形，则离中心相同距离上的B点紧靠凸模所需的径向收缩量21。2.相对锥顶直径d1/d2 当d1/d2较大时，即接近于圆筒形制件的拉深过程，成形比较容易。而d1/d2较小时，拉深时不仅毛坯中间部分的承载能力低，容易破裂，而且毛坯自由表面的宽度大，容易起皱。3.相对厚度t/d2 t/d2小时，中间部分容易起皱，需要增加工序数。图5-51高度不同的锥形件变形对比现将上述因素的具体影响，综合分析如下：1)当h/d20.2时，d1/
24、d2的影响较小，可根据t/d2的值确定拉深方法。当t/d20.02时，可以不用压边装置，用带底凹模一次拉成，但回弹比较严重，为了保证制件的尺寸精度，常需修正模具。如图5-51所示。3.相对厚度t/d2当相对厚度较大(t/d20.02)时，若d1/d20.5，且h/d20.43，可用带底凹模一次拉深成功，并在压力机行程终了时进行一定程度的整形。若d1/d2增大，一次拉深的高度也可相应增高。例如，d1/d2=0.60.7时，h/d2可达到0.5左右；d1/d2=0.80.9时,h/d2可达0.6或更大。图5-52相对厚度大的锥形件成形方法3.相对厚度t/d22)当h1/d1=0.30.5时，若t/
25、d21.5%2%,且d1/d20.5，一般采用两次拉深。当h/d2=0304，且d1/d2与r都较大时，也可采用球面制件的成形方法，用较强的压边装置增大径向拉应力和胀形成分，一次拉深成形。3)当h/d20.5，d1/d2较小时，必须采用多次拉深成形方法。第一种方法：如图5 54所示，先拉深成以大圆角半径过渡的阶梯形制件，然后整形成锥形制件，此方法将会在制件表面保留下阶梯形痕迹，故这种方法生产实践中很少采用。图5-53相对厚度较小的锥形制件成形方法图5-54高锥形制件的阶梯形过渡拉深方法3.相对厚度t/d2图5-55高锥形制件的逐步成形法第二种方法：如图5-55所示，为另一种逐次拉深成锥形制件的方法。每道工序中半成品的底部直径发生变化，可按圆筒形制件多工序拉深时的极限拉深系数选定。
