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拉深工艺及拉深模设计.doc

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工艺 拉深模 设计
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拉 深工艺 及拉深 模设计 本章内容简介: 本 章在 分析 拉深 变形 过程及 拉深 件质 量影 响因 素的基 础上 , 介绍 拉深 工 艺计算 、 工艺 方 案制定 和拉 深模 设计 。 涉 及拉深 变形 过程 分析 、 拉 深件质 量分 析 、 圆 筒形件 的工艺 计算 、 其 它形状 零件 的拉 深变 形特 点、 拉深 工艺 性分 析与 工 艺方案 确定 、 拉深 模典 型 结构 、 拉 深模 工 作零件 设计 、拉 深辅 助工 序等。 学习目的与要求: 1. 了解 拉深 变形 规律 、 掌握拉 深变 形程 度的 表示 ; 2.掌 握影 响拉 深件 质量 的 因素; 3. 掌 握拉 深工 艺性 分析 。 重点 : 1. 拉深变 形特 点及 拉深 变 形程度 的表 示; 2.影 响 拉 深件 质量 的因 素 ; 3.拉 深工 艺性 分析 。 难点: 1.拉 深变 形规 律及 拉深 变 形特点 ; 2.拉 深件 质量 分析 ; 3.拉 深件 工艺 分析 。 拉深: 利用 拉深 模将 一定 形状的 平面 坯料 或空 心件 制成开 口空 心件 的冲 压工 序。 拉 深工 艺可以 在普 通的 单动 压力 机上进 行, 也可 在专 用的 双动、 三动 拉深 压力 机或 液压机 上 进 行 。 拉深件 的种 类很 多, 按变 形力学 特点 可以 分为 四种 基本类 型, 如 图 5-1 所示 。 图 5-1 拉深件示意图 5.1 拉深变形过程分析 5.1.1 拉深变形过程及特 点 图 5-2 所示 为圆 筒形 件的 拉深过 程 。 直 径为 D 、 厚 度为 t 的 圆形 毛 坯经 过拉 深模拉 深, 得到具 有外 径 为 d、 高度 为 h 的 开口 圆筒 形工 件。 图 5-2 圆筒形件的拉深 1. 在 拉深 过程 中, 坯料 的中心 部分 成为 筒形 件的 底部, 基本 不变 形, 是 不 变形区 , 坯 料 的凸缘 部分 ( 即 D-d 的环 形部分 )是 主要 变形 区 。 拉深过 程实 质上 就是 将坯 料的凸 缘部 分 材料逐 渐转 移到 筒壁 的过 程。 2. 在 转移 过程 中 , 凸 缘 部分材 料由 于拉 深力 的作 用, 径向 产生 拉应 力 , 切 向产生 压应 力 。在 和 的 共 同作 用下 ,凸 缘 部分 金属 材料 产生 塑性 变 形, 其 多 余的 三角 形 材 料沿径 向伸 长, 切向 压缩 ,且不 断被 拉入 凹模 中变 为筒壁 ,成 为圆 筒形 开口 空心件 。 3.圆 筒形 件拉 深的 变形 程 度 ,通 常以 筒形 件直 径 d 与坯料 直 径 D 的 比值来 表 示,即 m=d/D (5-1) 其中 m 称为 拉深 系数,m 越小, 拉深 变形 程度 越大 ; 相反 ,m 越 大, 拉深 变 形程度 就越 小 。 5.1.2 拉深过程中坯料内 的应力与应变状态 拉深过 程是 一个 复杂 的塑 性变形 过程 , 其变形 区比 较大 , 金 属流 动大 , 拉 深 过程中 容易 发生凸 缘变 形区 的起 皱和 传力区 的拉 裂而 使工 件报 废。 因此 , 有 必要 分析 拉 深时的 应力 、 应 变状态 , 从 而找 出产 生起 皱、 拉 裂的 根本 原因 , 在 设计模 具和 制订 冲压 工艺 时引起 注意 , 以 提高拉 深件 的质 量。 根据应 力应 变的 状态 不同 , 可将 拉深 坯料 划分 为凸 缘平 面 区、 凸缘 圆角 区、 筒壁区 、 筒 底圆角 区、 筒底 区等 五个 区域。 1 .凸 缘平 面部 分(A 区) 这是拉 深的 主要 变形 区 , 材料在 径向 拉应 力 和切向 压应力 的共 同作 用下 产生 切向 压缩与 径向 伸长 变形 而被 逐渐拉 人凹 模 。 在 厚度 方向 , 由 于压 料圈 的作 用, 产生 了压应 力 , 但通常 和 的绝对 值比 大得 多。 厚 度方 向的 变形 决定 于径向 拉应 力 和切向 压 应 力 之 间的比 例关系 ,一般 板料 厚度有 所增厚 ,越接 近外 缘,增 厚越多 。如果 不压 料( = 0) ,或 压料 力较 小( 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 作用下可能 失稳而拱 起,形成所 谓起皱 。 图 5-3 拉深过程的应力与应变 状态 2 .凸 缘圆 角部 分(B 区) 这是位 于凹 模圆 角部 分的 材料, 径向 受拉 应力 而伸 长, 切 向受 压应 力 而压缩 , 厚 度方向 受到 凹模 圆角 的压 力和弯 曲作 用产 生压 应力 。 由 于这 里切 向压 应力 值 不大 , 而 径向拉应力 最大,且凹模圆角越小,由弯曲引起的拉应力越大,板料厚度有所减薄,所 以有可 能出 现破 裂。 3 .筒 壁部 分(C 区) 这部分 材料 已经 形成 筒形 , 材料 不再 发生 大的 变形 。 但是 , 在 拉深 过程 中, 凸 模的拉 深 力要经 由筒 壁传 递到 凸缘 区,因 此它 承受 单向 拉应 力 σ 1 的作用 ,发 生少 量的 纵向伸 长变 形 和厚度 减薄 。 4 .底 部圆 角部 分(D 区) 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 容易 出现拉 裂, 是拉 深的 危 险 断面 。 5 .筒 底部 分(E 区) 筒底区 在拉 深开 始时 即被 拉入凹 模 , 并 在拉 深的 整 个过程 中保 持其 平面 形状 。 它 受切 向 和径向 的双 向拉 应力 作用 , 变形 是双 向拉 伸变 形, 厚度弱 有减 薄。 但这 个区 域的材 料由 于受 到与凸 模接 触面 的摩 擦阻 力约束 ,基 本上 不产 生塑 性变形 或者 只产 生不 大的 塑性变 形。 上述筒 壁区 、 底 部圆 角区 和筒底 区这 三个 部分 的主 要作用 是传 递拉 深力 , 即 把凸模 的作 用力传递到变形区凸缘部分,使之产生足以引起拉深变形的经向拉应 力 σ 1 ,因而又叫传 力 区。 5.1.3 拉深件的主要质量 问题及控制 生产中 可能 出现 的拉 深件 质量问 题较 多, 但主 要的 是起皱 和拉 裂。 1 .起 皱 拉 深时 坯料 凸缘 区出 现 波纹状 的皱 折称 为起 皱。 起皱是 一种 受压 失稳 现象 。 (1) 起 皱产生的原因 凸缘部分是 拉深过程中的主要变形区 ,而该变形区受最大切向 压 应力作 用, 其主 要变 形是 切向压 缩变 形。 当切 向压 应力较 大而 坯料 的相 对厚 度 t/D (t 为 料厚 , D 为 坯料 ) 又 较小 时, 凸 缘部分 的料 厚与 切向 压应 力之间 失去 了应 有的 比例 关系, 从而 在 凸 缘的整 个周 围产 生波 浪形 的连续 弯曲 ,如 图 5-4a 所 示,这 就是 拉深 时的 起皱 现象。 通常 起 皱首先 从 凸 缘外 缘发 生, 因为这 里的 切向 压应 力绝 对值最 大。 出现 轻微 起皱 时, 凸 缘区 板料 仍有可 能全 部拉 入凹 模内 , 但 起皱 部位 的波 峰在 凸 模与凹 模之 间受 到强 烈挤 压, 从而 在拉 深 件侧壁 靠上 部位 将出 现条 状的挤 光痕 迹和 明显 的波 纹, 影响 工件 的外 观质 量 与尺寸 精度 , 如 图 5-4b 所 示。 起皱 严重 时 ,拉深 便无 法顺 利进 行, 这时起 皱部 位相 当于 板厚 增加了 许多 , 因而不 能在 凸模 与凹 模之 间顺利 通过 , 并使 径向 拉 应力急 剧增 大 , 继 续拉 深 时将会 在危 险断 面处拉 破, 如 图 5-4c 所示 。 图 5-4 拉深件的起皱破坏 (2) 影响 起皱 的主 要因 素 ① 坯 料的 相对 厚度 t/D 坯料的 相对 厚度 越小 , 拉 深变形 区抵 抗失 稳的 能力 越差, 因而 就越容 易起 皱。 相反 ,坯 料相对 厚度 越大 ,越 不容 易起皱 。 ② 拉 深系 数 m 根据拉 深 系数的 定 义 m=d/D 可 知, 拉深系 数 m 越小, 拉深 变 形程度 越 大, 拉深 变形 区内 金属 的 硬化程 度也 越高 , 因而 切 向压应 力相 应增 大 。 另 一 方面 , 拉 深系 数 越小, 凸缘 变形 区的 宽度 相对越 大, 其抵 抗失 稳的 能力就 越小 ,因 而越 容易 起皱。 有时, 虽然 坯料 的相 对厚 度较小 , 但 当拉 深系 数较 大时, 拉深 时也 不会 起皱 。 例如, 拉 深高度 很小 的浅 拉深 件时 , 即 属于 这一 种情 况。 这 说明 , 在 上述 两个 主要 影 响因素 中 , 拉 深 系数的 影响 显得 更为 重要 。 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、 凹模 之间 的间 隙过大 时, 则坯料 容易 起皱 。 用锥 形 凹模拉 深的 坯料 与用 普通 平端面 凹模 拉深 的坯 料相 比, 前者 不容 易 起皱, 如图 5-5 所示。 其 原因是 用锥 形凹 模拉 深时 ,坯料 形成 的曲 面过 渡形 状( 图 5-5b) 比平 面形状 具有 更大 的抗 压失 稳能力 。 而且 , 凹模 圆角 处 对坯料 造成 的摩 擦阻 力和 弯曲变 形的 阻力都减 到了 最低 限度 , 凹 模锥面 对坯 料变 形区 的作 用力也 有助 于使 它产 生切 向压缩 变形 , 因 此,其 拉深 力比 平端 面凸 模要小 得多 ,拉 深系 数可 以大为 减小 。 图 5-5 锥形凹模的拉深 (3) 控 制起皱的措施 为了防止起 皱,最常用的方法是在拉 深模具上设置压料装置, 使 坯料凸 缘区 夹 在 凹模 平面 与压料 圈之 间通 过 , 如 图 5-6 所示。 当 然并 不是 任何 情况下 都会 发 生起皱 现象 , 当变 形程 度 较小 、 坯 料相 对厚 度较 大 时, 一般 不会 起皱 , 这 时 就可不 必采 用压 料装置 。判 断要 否采 用压 料装置 可查 表确 定。 图 5-6 带压料圈的模具结构 2 .拉 裂 (1) 拉 裂产生的原因 在拉深过程 中,由于凸缘变形区应力 应变很不 均匀,靠近外边 缘 的坯料 压应 力大 于拉 应力 , 其压 应变 为最 大主 应变 , 坯料 有所 增厚; 而靠 近 凹模孔 口的 坯料 拉应力 大于 压应 力 , 其 拉 应变为 最大 主应 变 , 坯 料 有所变 薄 。 因 而, 当凸 缘区 转化为 筒壁 后, 拉深件 的壁 厚就 不均 匀, 口部壁 厚增 大, 底部 壁厚 减小, 壁部 与底 部圆 角相 切处变 薄最 严重 ( 见图 5-4) 。变薄最严重的 部位成为拉深时的危险断 面,当筒壁的最大拉应力 超过了该危险 断面材 料的 抗拉 强度 时, 便会产 生拉 裂, 如图 5-7 所示。 另外 , 当 凸缘 区起 皱时, 坯料 难以 或不能 通过 凸、 凹模 间隙 ,使得 筒壁 拉应 力急 剧增 大,也 会导 致拉 裂(见图 5-4c) 。 图 5-7 拉深件的拉裂破坏 (2) 控制 拉裂 的措 施 生产 实际中 常用 适当 加大 凸 、 凹模圆 角半 径 、 降 低拉 深 力、 增加 拉深次 数、 在压 料圈 底部 和凹模 上涂 润滑 剂等 方法 来避免 拉裂 的产 生。 5.2 拉深件的工艺性 5.2.1 拉深件的形状、尺 寸及精度 1. 拉 深件 的形 状与 尺寸 (1) 拉深 件应 尽量 简单 、对 称,并 能一 次拉 深成 形。 (2) 拉深 件壁 厚公 差或 变薄 量要求 一般 不应 超出 拉深 工艺壁 厚变 化规 律。 根据 统计, 不 变 薄 拉 深 工 艺的 筒 壁 最大增 厚 量 约 为(0.2 ~0.3)t , 最大 变 薄 量 约 为(0.1 ~0.18)t (t 为板料厚 度)。 (3) 当零 件一 次拉 深的 变形 程度过 大时 ,为 避免 拉裂 ,需采 用多 次拉 深, 这时 在保证 必要 的表 面质 量前 提下, 应允 许内 、外 表面 存在拉 深过 程中 可能 产生 的痕迹 。 (4) 在保 证装 配要 求的 前提 下,应 允许 拉深 件侧 壁有 一定的 斜度 。 (5) 拉深 件的 底部 或凸 缘上 有孔时 , 孔边 到侧 壁的 距 离应满 足 a R+0.5t( 或 r+0.5t) , 如图 5-8a 所示。 (6) 拉深 件的 底与 壁、 凸 缘 与壁、 矩形 件的 四角 等处 的 圆角半 径应 满足 : r t , R t , r g t , 如图 5-8 所 示。 否则 , 应增 加整形 工序 。 一次 整形 的 , 圆 角半 径可 取 r ~0.3)t ,R ~ 0.3)t 。 图 5-8 拉深件的孔边距及圆角 半径 (7) 拉深 件的 径向 尺寸 应只 标注 外 形尺 寸或 内形 尺寸 ,而不 能同 时标 注内 、外 形尺寸 。 带台阶 的拉 深件 ,其 高度 方向的 尺寸 标注 一般 应以 拉深件 底部 为基 准, 如图 5-9a 所示。 若 以上部 为基 准( 图 5-9b) ,高度尺 寸不 易保 证。 图 5-9 带台阶拉深件的尺寸标 注 2. 拉 深件 的精 度 一般情 况下 , 拉深 件的 尺 寸精度 应 在 IT13 级 以下 , 不宜高 于 IT11 级。 对于 精 度要求 高 的拉深 件 , 应 在拉 深后 增 加整形 工序 , 以提 高其 精 度。 由于 材料 各向 异性 的 影响 , 拉 深件 的 口部或 凸缘 外缘 一般 是不 整齐的 ,出 现 突耳 现象 ,需要 增加 切边 工序 。 5.2.2 拉深件的材料 用于拉 深件 的材 料, 要求 具有较 好的 塑性 ,屈 强 比 σ s / σ b 小、板厚 方向 性系 数 r 大, 板 平面方 向性 系数 r 小。 屈强 比 σ s / σ b 值越 小, 一次 拉深允 许的 极限 变形 程度 越大, 拉深 的性 能越 好。 例如 , 低 碳钢的 屈强 比 σ s / σ b , 其一次 拉深 的最 小拉 深系 数为 m=0.48~0.50 ; 65Mn 钢的 σ s / σ b , 其一次 拉深 的最 小拉 深系 数为 m=0.68~0.70 。 所以 有 关材料 标准 规定 ,作 为拉 深用的 钢板 , 其屈强 比不 大 于 0.66 。 板厚方 向性 系数 r 和板 平 面方向 性系 数 r 反映 了材 料的各 向异 性性 能。 当 r 较大或 r 较小时 , 材料 宽度的 变形 比厚度 方向 的变 形容 易, 板平面 方向 性能 差异 较小 , 拉 深过 程中 材 料不易 变薄 或拉 裂, 因而 有利于 拉深 成形 。 5.3 旋转体拉深件坯料尺寸的确定 5.4 圆筒形件的拉深工艺计算(1) 学习目的与要求: 1. 掌 握拉 深毛 坯形 状与 尺寸确 定的 原则 ; 2. 2 . 掌 握旋 转体 拉深 件坯料 尺寸 确定 的方 法; 3. 3 . 掌 握圆 筒形 拉深 工艺的 计算 。 重点 : 1。 拉深毛 坯形 状与 尺寸 确定的 原则 ; 2. 圆 筒形 拉深 工艺 的计 算。 难点: 圆筒形 拉深 工艺 的计 算。 5.3 旋转体拉深件坯料尺寸的确定 5.3.1 坯料形状和尺寸确 定的原则 1 .形 状相 似性 原则 拉深 件的 坯料 形状 一般与 拉深 件的 截面 轮廓 形状近 似相 同, 即当 拉深 件的截 面轮 廓是 圆 形、 方 形或 矩形 时, 相 应 坯料的 形状 应分 别为 圆形 、 近似 方形 或近 似矩 形。 另外, 坯料 周边 应光滑 过渡 ,以 使拉 深后 得到等 高侧 壁( 如果 零件 要求等 高时 )或 等宽 凸缘 。 2 .表 面积 相等 原则 对于 不变 薄拉 深, 虽然在 拉深 过程 中板 料的 厚度有 增厚 也有 变薄 ,但 实践证 明, 拉深 件 的平均 厚度 与坯 料厚 度相 差不大 。 由 于塑 性变 形前 后体积 不变 , 因 此, 可 以 按坯料 面积 等于 拉深件 表面 积的 原则 确定 坯料尺 寸。 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 , 对于 形状 复杂 的 拉深件 , 通常 是先 做好 拉 深模 , 并 以理 论 计算方 法初 步确 定的 坯料 进行反 复试 模修 正 , 直 至 得到的 工件 符合 要求 时 , 再将符 合实 际的 坯料形 状和 尺寸 作为 制造 落料模 的依 据。 由于金属板料 具有板平 面 方向性和受模 具几何形 状 等因素的影 响,制成 的拉 深件口部 一般不 整齐 , 尤其 是深 拉 深件 。 因 此在 多数 情况 下 还需采 取加 大工 序件 高度 或凸缘 宽度 的办 法, 拉深 后再 经过 切边 工 序以保 证零 件质 量 。 切 边 余量可 参考 表 。 但 当零 件 的相对 高 度 H/d 很小并 且高 度尺 寸要 求不 高时, 也可 以不 用切 边工 序。 5.3.2 简单旋转体拉深件 坯料尺寸的确定 旋转体 拉深 件坯 料的 形状 是圆形 , 所以 坯料 尺寸 的 计算主 要是 确定 坯料 直径 。 对 于简 单 旋转体 拉深 件 , 可 首先 将 拉深件 划分 为若 干个 简单 而又便 于计 算的 几何 体 , 并分别 求出 各简 单几何 体的 表面 积 , 再 把 各简单 几何 体的 表面 积相 加即为 拉深 件的 总表 面积 , 然 后根 据表 面 积相等 原则 ,即 可求 出坯 料直径 。 例如, 图 5-10 所示 的圆 筒 形拉深 件, 可分 解为 无底 圆筒 1、1/4 凹圆环 2 和圆 形板 3 三 部分, 每一 部分 的表 面积 分别为 : A 1 = πd(H-r) A 2 = π[2 πr(d-2r)+8r 2 ]/4 A 3 = π(d-2r) 2 /4 设坯料 直径 为 D , 则按 坯 料表面 积与 拉深 件表 面积 相等原 则有 : πD 2 /4=A 1 +A 2 +A 3分别 将 A 1 、A 2 、A 3 代入 上 式并简 化后 得: D= (5-2) 式中 D 坯料 直径 ; d、H 、r 拉 深件 的直 径 、高度 、圆 角半 径。 计算时 ,拉 深件 尺寸 均按 厚度中 线尺 寸计 算, 但当 板料厚 度小 于 1mm 时,也 可以按 零 件图标 注的 外形 或内 形尺 寸计算 。 图 5-10 圆筒形拉深件坯料尺寸计算图 常用旋 转体 拉深 件坯 料直 径的计 算公 式可 查表 。 5.3.3 复杂旋转体拉深件 坯料尺寸的确定 复杂旋 转体 拉深 件是 指母 线较复 杂的 旋转 体零 件 , 其母线 可能 由一 段曲 线组 成, 也可 能 由若干 直线 段与 圆弧 段相 接组成 。 复杂 旋转 体拉 深 件的表 面积 可根 据久 里金 法则求 出 , 即 任 何形状 的母 线绕 轴旋 转一 周所得 到的 旋转 体表 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 5-11 所示, 旋转 体表 面积 为 A=2πR x L 根据拉 深前 后表 面积 相等 的原则 ,坯 料直 径可 按下 式求出 : πD 2 /4=2 πR x L D = (5-3) 式中 A 旋 转体 表面 积 (mm 2 ); R x 旋 转体 母线 形心 到 旋转轴 线的 距离 (称 旋转 半径,mm ); L 旋转 体母 线长 度(mm) ; D 坯 料直 径(mm )。 图 5-11 旋转体表面积计算图 由式(5-3) 知, 只要 知道 旋 转体母 线长 度及 其形 心的 旋转半 径, 就可 以求 出坯 料的直 径 。 当母线 较复 杂时 , 可 先将 其 分成简 单的 直线 和圆 弧, 分 别求出 各直 线和 圆弧 的长 度 L 1 、 L 2 、 、 L n 和 其形 心到 旋转 轴的 距 离 R x1 、R x2 、 、R xn ( 直 线 的形心 在其 中点 ,圆 弧的 长度及 形心 位 置可按 表 5-7 计算) ,再 根 据下式 进行 计算 : D = (5-4) 例 5-1 如图 5-12 所示 拉深 件,板 料厚度为 1mm ,求坯料直 径。 解:经 计算 ,各 直线 段和 圆弧长 度为 : l 1 =27mm , l 2 =7.85mm , l 3 =8mm , l 4 =8.376mm , l 5 =12.564mm , l 6 =8mm , l 7 =7.85mm , l 8 =10mm 。 各直线 和圆 弧形 心的 旋转 半径为 : R x1 =13.5mm ,R x2 =30.18mm ,R x3 =32mm ,R x4 =33.384mm ,R x5 =39.924mm ,R x6 =42mm , R x7 =43.82mm ,R x8 =52mm 。 故坯料 直径 为: (mm) 图 5-12 用解析法计算坯料直径 5.4 圆筒形件的拉深工艺计算 5.4.1 拉深系数及其极限 前以述 及, 圆筒 形件 的拉 深变形 程度 一般 用拉 深系 数 表示 。 在 设计 冲压 工艺 过程与 确定 拉深工 序的 数目 时, 通常 也是用 拉深 系数 作为 计算 的依据 。 从广 义上说 , 圆 筒形件 的拉 深系 数 m 是 以每 次拉 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 第一次 拉深 系数 第二次 拉深 系数 ┇ 第 n 次 拉深 系数 总拉深 系数 表示 从坯 料直 径 D 拉 深至 的总 变形程 度 ,即 图 5-13 圆筒形件的多次拉 深 拉深变 形程 度对 凸缘 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( 即增 大拉深 系数) , 从而减 小切 向压 应力 和径 向拉应 力, 以减 小起 皱和 破裂的 可能 性。 图 5-14 为 用同 一材 料、 同 一厚度 的坯 料, 在凸 、凹 模尺寸 相同 的模 具上 用逐 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。 其中 , 图 a 表 示在 无压料 装置 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, 使拉 深系数 减小 到一 定数 值 ( 如 m=0.75 ) 时 , 会 出现 起 皱 。 如 果增 加压 料装置 ( 图 b) , 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 。 但当坯 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。 因 此, 为了 保证 拉深工 艺的 顺利 进行 ,就 必须使 拉深 系数 大于 一定 数值, 这个 一定 的 数 值即 为在 一定 条件下 的极 限拉 深系 数, 用符号 m 表 示。 小于 这个数 值,就 会使 拉深 件 起皱、 拉裂 或严 重变 薄而 超差。 另外, 在多 次拉 深 过程中 , 由 于材 料的 加工 硬化, 使得 变形 抗力不 断增 大, 所以 以后 各次极 限拉 深系 数必 须逐 次递增 ,即[m 1 ] <[m 2 ] <[m 3 ] < <[m n ] 。 图 5-14 拉深试验 影响极 限拉 深系 数的 因素 的因素 较多 ,主 要有 : (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 σ s / σ b 小、 塑性好 、板 平面 方向 性系 数 r 小、 板厚方 向系 数 r 大、硬 化指 数 n 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 t/D 当 板 料 的 相对 厚 度大 时 ,抗 失 稳 能 力较 强 ,不 易 起皱 , 可 以 不采用 压料 或减 少压 料力 ,从而 减少 了摩 擦损 耗, 有利于 拉深 ,故 极限 拉深 系数较 小。 (3) 摩 擦与润滑条件 凹模与压料 圈的工作表面光滑、润滑 条件较好,可以减小拉深 系 数。 但为避免在拉深过程 中凸模与板料或工序件之 间产生相对滑移造成危险 断面的过度变 薄或拉 裂 , 在 不影 响拉 深件 内表面 质量 和脱 模的 前提 下, 凸模 工作 表面 可以 比凹 模粗糙 一些 , 并避免 涂润 滑剂 。 (4) 模 具的几何参数 模具几何参 数中,影响极限拉深系数 的主要是凸、凹模圆角半 径 及间隙。 凸模圆角 半径 r T 太小,板 料绕凸模 弯曲的 拉应力增 加,易 造成局部 变薄严重 ,降 低危险 断面的 强度 ,因而 会降低 极限变 形程 度;凹 模圆角 半径 r A 太小, 板料 在拉深 过程 中 通过凹 模圆 角半 径时 弯曲 阻力增 加, 增加 了筒 壁传 力区的 拉应 力, 也会 降低 极限变 形程 度 ; 凸、 凹模 间隙 太小 , 板 料 会受到 太大 的挤 压作 用和 摩擦阻 力 , 增 大了 拉深 力 , 使 极限 变形 程 度减小 。因 此, 为了 减小 极限拉 深系 数, 凸、 凹模 圆角半 径及 间隙 应适 当取 较大值 。但 是 , 凸、 凹模 圆角 半径 和间 隙 也不宜 取得 过大 , 过大 的 圆角半 径会 减小 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; 过 大的凸 、 凹模 间 隙会影 响拉 深件 的精 度, 拉深件 的锥 度和 回弹 较大 。 除 此以 外, 影响极 限拉 深系 数的 因素 还有拉 深方 法、 拉深 次数 、拉深 速度 、拉 深件形 状等 。 由 于影 响因 素很 多 , 实 际生 产中 , 极 限拉 深 系数的 数值 一般 是在 一定 的拉深 条件 下用 试验方 法得 出的 ,可 查表 确定。 需 要指 出的 是, 在实 际生产 中, 并不 是所 有情 况下都 采用 极限 拉深 系数 。为了 提高 工 艺稳定 性, 提高 零件 质量 ,必须 采用 稍大 于极 限值 的拉深 系数 。 5.4.2 圆筒形件的拉深次 数与工序尺寸的计算 1. 无凸 缘圆 筒形 件的 拉 深次数 与工 序尺 寸的 计算 (1) 拉深 次数 的确 定 当拉深 件的 拉深 系 数 m =d/D 大 于第 一次 极限 拉深 系 数[m 1 ],即 m >[m 1 ] 时 , 则该拉 深 件只需 一次 拉深 就可 拉出 ,否则 就要 进行 多次 拉深 。 需要多 次拉 深时 ,其 拉深 次数可 按以 下方 法确 定: ① 推 算法 先 根据 t/D 和 是否压 料条 件可 查表 确定 ,并查 出[m 1 ] 、[m 2 ] 、[m 3 ] 、 ,然 后从第 一道 工序 开始 依次 算出各 次拉 深工 序件 直径 , 即 d 1 =[m 1 ]D 、 d 2 =[m 2 ]d 1 、 、 d n =[m n ]d n-1 ,直到 d n d。 即当 计算 所得 直径 d n 稍小 于或 等于 拉深 件所要 求的 直径 d 时 ,计 算的次 数 即 为 拉深的 次数 。 ② 查 表法 圆 筒形 件的 拉 深次数 还可 从各 种实 用的 表格中 查取 。 (2) 各次 拉深 工序 尺寸 的计 算 当圆筒 形件 需多 次拉 深时 , 就 必须 计算 各次 拉深 的 工序件 尺寸 , 以作 为设 计 模具及 选择 压力机 的依 据。 ① 各 次工 序件 的直 径 当 拉深次 数确 定之 后, 先从 表中查 出各 次拉 深的 极限 拉深系 数, 并加以 调整 后确 定各 次拉 深实际 采用 的拉 深系 数。 调整的 原则 是: a) 保证 m 1m 2 m n =d/D ; b) 使 m 1 m 1 ] ,m 2 m 2 ] , ,m n m n ],且 m 1 <m 2 < <m n 。 然后根 据调 整后 的各 次拉 深系数 计算 各次 工序 件直 径: d 1 =m 1 D d 2 =m 2 d 1┇ d n =m n d n-1 =d ② 各 次工 序件 的圆 角半 径 工序 件的 圆角 半径 r 等 于相应 拉深 凸模 的圆 角半 径 r T ,即 r=r T 。 但当 料 厚 t 时, 应 按中线 尺寸 计算 , 这 时 r=r T +t/2 。 凸模 圆角 半径 的确 定可参 考本 章 5.8.2 。 ③ 各次 工序 件的 高度 在各 工 序件 的直 径与 圆角 半径 确 定之 后, 可根 据圆 筒形 件 坯料 尺寸计 算公 式推 导出 各次 工序件 高度 的计 算公 式为 : ┇ (5-5 ) 式中 H 1 、H 2 、 、H n 各次 工序 件的 高度 ; d 1 、d 2 、 、d n 各次 工 序件的 直径 ; r 1 、r 2 、 、r n 各次 工 序件的 底部 圆角 半径 ; D 坯 料直 径。 例 5-2 计算图 5-15 所 示圆筒 形件 的坯 料尺 寸、 拉深系 数及 各次 拉深 工序 件尺寸 。 材 料为 10 钢 ,板 料厚 度 t=2mm 。 图 5-15 无凸缘圆筒形件 解:因 板料 厚 度 t >1mm , 故按板 厚中 线尺 寸计 算。 (1) 计算 坯料 直径 根 据拉 深件尺 寸 ,其 相对 高度 为 h/d=(76-1)/(30- ,查 表 5-4 得 切边余 量 h=6mm 。从表 5-6 中查得坯 料直 径计 算公 式为 D= 依图 5-15,d=30-2=28mm ,r=3+1=4mm ,H=76-1+6=81mm ,代入上式 得 D= (mm) (2) 确定 拉深 次数 根 据坯 料的相 对厚 度 t/D=2/98.3× 100%=2% , 按 表 5-1 可采 用 也可不 采用压 料圈 ,但 为了 保险 起见, 拉深 时采 用压 料圈 。 根据 t/D=2% , 查表 5-8 得 各次拉 深的 极限 拉深 系数 为[m 1 ]=0.50 , [m 2 ]=0.75 , [m 3 ]=0.78 , [m 4 ]=0.80 , 。故 d 1 =[m 1 ]D=0.50× 98.3=49.2(mm) d 2 =[m 2 ]d 1 =0.75× 49.2=36.9(mm) d 3 =[m 3 ]d 2 =0.78× 36.9=28.8(mm) d 4 =[m 4 ]d 3 =0.80× 28.8=23(mm) 因 d 4 =23mm <28mm ,所以需采 用 4 次拉 深成 形。 (3) 计算 各次 拉深 工序 件尺 寸 为 了使 第四 次拉 深的 直径与 零件 要求 一致 , 需 对极限 拉 深系数 进行 调整 。调 整后 取各次 拉深 的实 际拉 深系 数为 m 1 =0.52 ,m 2 = 0.78 ,m 3 =0.83 , m 4 =0.846 。 各次工 序件 直径 为: d 1 =m 1 D=0.52× 98.3=51.1(mm) d 2 =m 2 d 1 =0.78× 51.1=39.9(mm) d 3 =m 3 d 2 =0.83× 39.9=33.1(mm) d 4 =m 4 d 3 =0.846× 33.1=28(mm) 各次工 序件 底部 圆角 半径 取以下 数值 : r 1 =8mm ,r 2 =5mm ,r 3 = r 4 =4mm 把各次 工序 件直 径和 底部 圆 角半 径代 入式(5-5) ,得 各次工 序件 高度 为: (mm) (mm) (mm) (mm) 以上计 算所 得工 序件 尺寸 都是中 线尺 寸, 换算 成与 零件图 相同 的标 注形 式后 ,所得 各 工序件 的尺 寸如 图 5-16 所示 。 图 5-16 圆筒形件的各次拉深工序件尺寸 5.4 圆筒形件的拉深 工艺计算(2) 5.5 圆筒形件的拉深 力、压料力与压料装置 学习目的与要求: 1. 掌 握带 凸缘 圆筒 形件 的 拉深工 艺计 算; 2. 掌 握圆 筒形 件的 拉深 力和压 料力 的计 算, 拉深 时压力 机标 称压 力的 选择 ; 3. 熟 悉压 料装 置的 结构 ,了解 其优 缺点 。 重点 : 1.带凸 缘圆 筒形 件的 拉深 工艺计 算; 2.拉 深时 压力 机标 称压 力 的选择 ; 3.压 料装 置的 结构 。 难点: 1.带凸 缘圆 筒形 件的 拉深 工艺计 算; 2.拉 深时 压力 机标 称压 力 的选择 ; 3.压 料装 置的 结构 ,优 缺 点。 2. 带 凸缘 圆筒 形件 的拉 深 方法与 工序 尺寸 的计 算 图 5-17 所示 为带 凸缘 圆筒 形件及 其坯 料 。 通 常, 当 d t /d=1.1~1.4 时 , 称 为窄 凸 缘圆筒 形 件; 当 d t /d>1.4 时 ,称 为 宽凸缘 圆筒 形件 。 图 5-17 带凸缘圆筒形件及其坯料 带凸缘 圆筒 形件 的拉 深看 上去很 简单 , 好 象是 拉深 无凸缘 圆筒 形件 的中 间状 态。 但 当其 各部分 尺寸 关系 不同 时, 拉深中 要解 决的 问题 是不 同的 , 拉 深方 法也不 相同 。 当 拉深 件凸 缘 为非圆 形时 , 在 拉深 过程 中仍需 拉出 圆形 的凸 缘, 最后再 用切 边或 其他 冲压 加工方 法完 成工 件所需 的形 状。 (1) 拉深 方法 ① 窄凸缘 圆筒形件的 拉深 窄凸缘圆筒 形件是凸 缘宽度 很小的拉 深件,这类零件 需多 次拉深 时 , 由 于凸缘 很窄 , 可 先按 无凸 缘圆筒 形件 进行拉 深 , 再 在最后 一次 工序用 整形 的 方 法压成 所要 求的 窄凸 缘形 状。 为 了使
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