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拉深工艺系数.doc

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工艺 系数
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1 拉 深件 坯料 形状 和尺寸 是以 冲件 形状 和尺 寸为基 础 , 按 体积 不变 原 则和相 似原 则确 定。 体积不 变原 则, 即对 于不 变薄拉 深, 假设 变形 前后 料厚不 变, 拉深 前坯 料表 面积与 拉深 后冲 件 表面积 近似 相等 ,得 到坯 料尺寸 ;相 似原 则, 即利 用拉深 前坯 料的 形状 与冲 件断面 形状 相似 , 得到坯 料形 状。 当冲 件的 断面是 圆形 、正 方形 、长 方形或 椭圆 形时 ,其 坯料 形状应 与冲 件的 断 面形状 相似 ,但 坯料 的周 边必须 是光 滑的 曲线 连接 。对于 形状 复杂 的拉 深件 ,利用 相似 原则 仅 能初步 确定 坯料 形状 ,必 须通过 多次 试压 ,反 复修 改,才 能最 终确 定出 坯料 形状, 因此 ,拉 深 件的模 具设 计一 般是 先设 计拉 深 模, 坯料 形状 尺寸 确定后 再设 计冲 裁模 。 由于金 属板 料具 有板 平面 方向性 和模 具几 何形 状等 因素的 影响 ,会 造成 拉深 件口部 不整 齐, 因 此在多 数情 况下 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4.3.1 和表 4.3.2 。 2 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。 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, 然后根 据表 面积 相等 原则 ,求出 坯料 直径 。 3 图 4.3.1 圆筒形拉深件 坯料尺寸 计算图 在 计算 中 , 零 件 尺寸均 按厚 度中 线计 算 ; 但当板 料厚 度小 于 1 mm 时, 也可 以按 外形 或 内形尺 寸计 算。 常用 旋转 体零件 坯料 直径 计算 公式 见表 4.3.3 。 4 5 该类 拉深 零件 的坯 料尺寸 ,可 用久 里金 法则 求出其 表面 积, 即任 何形 状的母 线绕 轴旋 转 一周所 得到 的旋 转体 面积 ,等于 该母 线的 长度 与其 重心绕 该轴 线旋 转所 得周 长的乘 积。 如图 4.3.2 所示 ,旋 转体 表面 积为 A 。 图4.3.2 旋转体表面 积计算图 6 1 .拉 深系 数的 定 义 7 图4.4.1 圆筒形件的 多次拉深 在 制定 拉深 工艺 时, 如拉 深系 数取 得过 小 , 就 会使 拉深 件起 皱、 断 裂或严 重变 薄超 差。 因此拉 深系 数减 小有 一个 客观的 界限 ,这 个 界 限就 称为极 限拉 深系 数。 极限 拉深系 数与 材料 性 能和拉 深条 件有 关。 从工 艺的角 度来 看, 极限 拉深 系数越 小越 有利 于减 少工 序数。 2 .影 响极 限拉 深系数 的因 素 (3)拉深工作 条件 8 图4.4.2 凸凹模圆角 半径对极限 拉深系数 的响 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 起趋 。 凸 、凹 模之 间间 隙也应 适当 ,太 小, 板料 受到太 大的 挤压 作用 和摩 擦阻力 ,增 大拉 深 力;间 隙太 大会 影响 拉深 件的精 度, 拉深 件锥 度和 回弹较 大。 2 )摩 擦润 滑 凹 模和压 料圈 与板 料接 触的 表面应 当光 滑, 润滑 条件 要好, 以减 少摩 擦 阻力和 筒壁 传力 区的 拉应 力。而 凸模 表面 不宜 太光 滑,也 不宜 润滑 ,以 减小 由于凸 模与 材料 的 相对滑 动而 使危 险断 面变 薄破裂 的危 险。 3 )压 料圈 的压 料 力 压 料是 为了 防止 坯料 起 皱,但 压料 力却 增大 了筒 壁传力 区的 拉应 力, 压 料力 太大, 可能 导 致拉裂 。 拉 深工 艺必须 正 确处理 这两 者关 系, 做 到 既不起 皱又 不拉 裂。 为此, 必须 正确 调整 压料 力,即 应在 保证 不起 皱的 前堤下 ,尽 量减 少压 料力 ,提高 工艺 的稳 定 性。 此 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 的形 状 等。采 用反 拉深 、软 模拉 深等可 以降 低极 限拉 深系 数;首 次拉 深极 限拉 深系 数比后 次拉 深极 限 拉深系 数小 ;拉 深速 度慢 ,有利 于拉 深工 作的 正常 进行, 盒形 件角 部拉 深系 数比相 应的 圆筒 形 件的拉 深系 数小 。 3 .极 限拉 深系 数的确 定 由 于影 响极 限拉 深系数 的因 素很 多, 目前 仍难采 用理 论计 算方 法准 确确定 极限 拉深 系 数。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 。 表 4.4.1 和表4.4.2 是圆 筒形 件在 不同条 件下 各次 拉深 的极 限拉深 系数 。 在 实际 生产 中, 并不是 在所 有情 况下 都采 用极限 拉深 系数 。为 了提 高工艺 稳定 性和 零 件质量 ,适 宜采 用稍 大于 极限拉 深系 数的 值。 1 .拉 深次 数的 确 定 9 注: 1. 表中拉深数据适用于 08 钢、10 钢和 15Mn 钢等普 通拉深碳钢及黄铜H62。对拉 深性能较差的材料, 如20 钢、25 钢、 Q215 钢、 Q235 钢、 硬铝等应比表中数值 大 1.5 %~2.0 %; 而对塑性较 好的材料, 如 05 钢、 08 钢、10 钢及软铝等应比表中 数值小 1.5 %~2.0 %。 2. 表中数据适用于未经 中间退火的拉深。若采用中间退火工序时,则取值应比表中数值小 2 %~3 %。 3. 表中较小值适用于大 的凹模圆角半径 〔rA= (8 ~15) t〕 , 较大值适用于 小的凹模圆角半径 〔r A=(4~8)t〕。 注:此表适用于 08 钢、10 钢及15Mn 钢等材料。其 余各项同表 4.4.1 之注。 (1 ) 查 表法 根 据工件 的相 对高 度即 高度 H与直 径d 之比 值 , 从 表4.4.3 中查 得该 工 件拉深 次数 。 10 注: 1.大的H/ d值适用于 第一道工序的大凹模圆角〔rA (8~15)t〕。 2.小的H/ d值适用于 第一道工序的小凹模圆角〔rA (4~8)t〕。 3.表中数据适用材料 为 08F钢、10F钢。 (3) 计算 方法 拉深次 数的 确定 也可 采用 计算方 法进 行确 定, 其计 算公式 如下 : 2 . 各次 拉深 工序 件尺寸 的确 定 ( 1) 工序 件直 径的确 定 确 定拉 深次 数以 后,由 表查 得各 次拉 深的 极限拉 深系 数, 适当 放大 ,并加 以调 整, 其 原则是 : 11 无凸 缘圆 筒 形 件拉深 工序 计算 流程 如 图4.4.3 所示 。 12 图4.4.3 无凸缘圆筒 形件拉深工 序计算流 程 例 4.4.1 求图 4.4.4 所示筒形件 的坯料尺寸及拉深各工序件尺寸。材料为 10 钢,板料厚度t =2 mm。 13 图4.4.4 无凸缘圆筒 形件 14 以 上计 算所 得工 序件有 关尺 寸都 是中 径尺 寸,换 算成 工序 件的 外径 和总高 度后 ,绘 制 的工序 件草 图如 图4.4.5 所示。 15 1. 压料 装置 与压 料力 为 了解 决拉 深过 程中的 起皱 问题 ,生 产实 际中的 主要 方法 是在 模具 结构上 采用 压料 装 置。 常用的 压料 装置 有刚 性压料 装置 和弹 性压 料装 置 两种 (详 见4.7 ) 。 是 否 采用压 料装 置主 要 看拉深 过程 中是 否可 能发 生起皱 ,在 实际 生产 中可 按表 4.4.4 来判 断拉 深过 程中是 否起 皱和 采 用压料 装置 。 图4.4.5 拉深工序件 草图 压 料装 置产 生的 压料力 FY 大小 应适 当, FY太 小, 则防 皱效 果不 好;F Y太 大, 则 会增大 传力 区危 险断 面上 的拉应 力, 从而 引起 材料 严重变 薄甚 至拉 裂。 因此 ,实际 应用 中, 在 保证变 形区 不起 皱的 前提 下,尽 量选 用小 的压 料力 。 随 着拉 深系 数的 减小, 所需 压料 力是 增大 的。同 时, 在拉 深过 程中 ,所需 压料 力也 是 变化的 ,一 般起 皱可 能性 最大的 时刻 所需 压料 力最 大。理 想的 压料 力是 随起 皱可能 性变 化而 变 化,但 压料 装置 很难 达 到 这样的 要求 。 16 2 .拉 深力 与压 力 机公称 压力 ( 1) 拉 深力 17 ( 2) 压力 机公 称压 力 单 动压 力机 ,其 公称压 力应 大于 工艺 总压 力。 18 该 类零 件的 拉深 过程, 其变 形区 的应 力状 态和变 形特 点与 无凸 缘圆 筒形件 是相 同的 。 但有凸 缘圆 筒形 件拉 深时 ,坯料 凸缘 部分 不是 全部 进入凹 模口 部, 当拉 深进 行到凸 缘外 径等 于 零件凸 缘直 径( 包括 切边 量)时 ,拉 深工 作就 停止 。因此 ,拉 深成 形过 程和 工艺计 算与 无凸 缘 圆筒形 件的 差别 主要 在首 次拉深 。 19 图4.5.1 有凸缘圆形 件与坯料图 1. 有凸 缘圆 筒形 件的拉 深变 形程 度 20 注: 1.表中大值适于大的 圆角半径[ 由 t/D=2% ~1.5% 时的 R= (10 ~12 ) t 到t/D=0.3% ~0.15 %时的R= (20 ~ 25)t ,小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 料取表中的大值;塑性差的材料,取表中小数值。 21 2. 有凸 缘圆 筒 形件的 拉深 方法 ( 1) 窄凸 缘圆 筒 形件的 拉深 可以 将窄 凸缘圆 筒形 件当 作无 凸缘 圆筒形 件进 行拉 深, 在最后 两道 工序 中将 工序 件拉成 具有 锥形 的凸 缘, 最后通 过整 形压 成平 面凸 缘。 图 4.5.2 为窄 凸缘圆 筒形 件及 其拉 深工 艺过程 ,材 料 为10 钢, 板 厚为 1 mm 。 ( 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 。 a) 窄凸缘拉深件 b) 窄凸缘件拉深过程 Ⅰ-第一次拉深 Ⅱ-第二次拉深 Ⅲ -第三次拉深 Ⅳ-成品 图4.5.2 窄凸缘圆筒 形件的拉深 22 第 一次 拉深 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,第 一次 拉深 时 已经形 成的 凸缘 外径 必须 保持在 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 将会 产生 很大 的拉应 力, 使危 险断 面拉 裂。为 此在 调节 工 作行程 时, 应严 格控 制凸 模进入 凹模 的深 度。 对 于多 数普 通压 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 % (有 时可 增大 至 10% ) , 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 后使 它们 转移到 零件 口部 附近 的凸 缘上。 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。 宽 凸缘 圆筒 形件 多次拉 深的 工艺 方法 通常 有两种 : 一种是 中小 型、 料薄 的零 件,采 用逐 步缩 小筒 形部 分直径 以增 加其 高度 的方 法( 图 4.5.3a)。 用这种 方法 制成 的零 件, 表面质 量较 差, 其直 壁和 凸缘上 保留 着圆 角弯 曲和 局部变 薄的 痕迹 , 需要在 最后 增加 整形 工序 。 另一种 方法 常用 在 > 200mm 较大 零件 ,零 件的 高度 在第一 次拉 深就 基本 形成 。在以 后各 次拉 深 中, 高 度保 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 4.5.3 b ) 。 用 这种方 法拉 深的 零件 ,表 面质量 较高 ,厚 度均 匀, 不 存在 上述 的圆 角弯 曲和 局部变 薄的 痕迹 。 适用于 坯料 的相 对厚 度较 大,采 用大 圆角 过渡 不易 起皱的 情况 。 3. 有凸 缘圆 筒形 拉深工 序件 高度 的计 算 23 图4.5.3 宽凸缘筒形 件的拉深方 法 24 图4.5.4 宽凸缘圆筒 形件拉深工 序计算流 程 阶梯 形件(图4.5.5) 的拉 深与 圆筒 形件 的 拉深基 本相 同, 也就 是说 每 一阶梯 相当 于相 25 应圆筒 形件 的拉 深。 而其 主要问 题是 要决 定该 阶梯 形件是 一次 拉成 ,还 是需 要多次 才能 拉成 。 图4.5.5 阶梯形件 1. 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 d n 之 比, 然后 查表4.4.3 ,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 。 2.阶 梯形 件多 次拉深 的方 法 图4.5.6 阶梯形多次 拉深方法 26 图4.5.7 电喇叭底座 的拉深 1. 拉深 变形 特 点 曲面 形状 零件 主要是 指球 面 、 锥 面、 抛 物面形 状冲 件以 及诸 如汽 车覆盖 件一 类冲 件。 这类零 件的 拉深 成形 ,其 变形区 、受 力情 况及 变形 特点并 不是 单一 的, 而是 属于复 合类 冲压 成 形工序 。 从电 动喇 叭罩 的成形 实验 中, 可以 大致 了 解这类 曲面 零件 的变 形特 点。 图 4.5.8 中标 明了电 动喇 叭罩 拉深 成形 后的变 形数 值, 括号 内的 是径向 拉应 变值 ,括 号外 是切向 应变 值, 上 段为压 ,下 段为 拉。 从拉 深成形 过程 及实 测的 结果 还可以 看出 :零 件的 曲面 由三部 分组 成, 即 ① 坯料 的凸 缘及 进入 凹模 中的一 部分 , 这一 变形 区 部分产 生拉 深变 形 ; ② 坯 料的中 间部 分, 也是 产生拉 深变 形 ; ③坯 料靠 近球形 冲头 顶部 的部 分, 这一部 分变 形区 产生 的是 胀形变 形。 后两 部 分的分 界点 在 图4.5.10 中 的第4 点位 置。 这一 典型 零件 拉深成 形的 变形 数值 表明 ,曲面 零件 拉深 成形 共同 特点是 由拉 深和 胀 形两种 变形 方式 的复 合。 显然, 不同 曲面 形状 零件 拉深成 形的 成形 极限 和成 形方法 的判 断是 不 同的。 27 材料:08 厚度 0.8mm 图4.5.8 电动喇叭罩 拉深成形应 变数值 曲 面形 状零 件在 开始拉 深成 形时,中 间部 分 坯料几 乎不 与模 具表 面接 触, 处于 “悬空 ” 状态。 随着 拉深 过程 的进 行,悬 空材 料逐 渐减 少, 但仍比 圆筒 形件 拉深 时大 得多。 坯料 处于 这 种悬空 状态 ,抗 失稳 能力 较差, 在切 向压 应力 作用 下很容 易起 皱。 所以 起皱 成为曲 面零 件拉 深 要解决 的主 要问 题。 为此 , 常常 采用 压边 装置 、 加 大凸缘 尺寸 、 带 压料 筋的 拉深模 ( 图 4.5.9)、 反拉深 ( 图4.5.10 )等 措 施防止 起皱 。但 需要 注意 的是, 这些 措施 虽然 减小 了起皱 的可 能性 , 却增大 了凸 模顶 部接 触的 中心部 位坯 料的 径向 拉应 力,使 之容 易变 薄而 破裂 。在实 际生 产中 必 须处理 好两 者关 系, 做到 既不起 皱又 不破 裂。 28 图4.5.9 带压料筋的 拉深模图 图4.5.10 反拉深模 2 . 球面 冲件 的拉 深所以, 在这 种情 况 下拉深 系数 不能 作为 工艺 设计的 根据 。 由于 球面 形 状零件 拉深 时的 主 要成形 障碍 是坯 料起 皱, 所以坯 料 的 相对 厚度 ( t/ D ×100 )成 为决 定拉 深难 易 和选定 拉深 方法 的主要 依据 。 在 实际 生产 中, 半球面 件( 图4.5.11a) 的 拉深方 法主 要有 以下 三种 : ①t/D ×100 >3 时, 不用压 边即 可拉 成。 不过 应注意 的是 :尽 管坯 料的 相对厚 度大 ,仍 然易 起小 皱,因 此必 须采 用 带校正 作用 的凹 模, 以便 对冲件 起校 正作 用。 拉深 这种冲 件最 好采 用摩 擦压 力机。 ②t/D ×100 =0.5 ~3 时 , 需采用 带压 边圈 的拉 深模 。 ③t /D× 1000.5 ~0.6 )。 其拉深 的难 度有 所提 高。 为了使 坯料 中间 部 分紧密 贴模 而又 不起 皱 , 必须加 大径 向拉 应力 。 但 这一措 施 往 往受 到坯 料顶 部承载 能力 的限 制, 所以在 这种 情况 下应 该采 用多工 序逐 渐成 形的 办法 ,特别 是当 零件 深度 大而 顶部的 圆角 半径 又 小时, 更应 如此 。多 工序 逐渐成 形的 主要 要点 是采 用正拉 深或 反拉 深的 方法 ,在逐 渐地 增加 深 度的同 时减 小顶 部的 圆角 半径。 为了 保证 冲件 的尺 寸精度 和表 面质 量, 在最 后一道 工序 里应 保 证一定 的胀 形成 分。 应使 最后一 道工 序所 用的 中间 毛坯的 表面 积稍 小于 成品 冲件的 表面 积。 4. 锥 面零 件的 拉 深 锥面零 件的 拉深 成形 机理 与球面 形状 零件 一样 ,具 有拉深 、胀 形两 种机 理。 由于锥 形冲 件各 部 分的尺 寸比 例关 系( 图4.5.12 ) 不同 , 其 冲压 难易 程度和 应采 用的 成形 方法 也有很 大差 别。 锥 形件拉 深成 形极 限表 现为 起皱与 破裂 ,起 皱出 现在 中间悬 空部 分靠 凹模 圆角 处,破 裂是 在胀 形 部分的 冲头 转角 处。 图4.5.12 锥形件示意 图4.5.13 盒形件拉深时 的金属 流动 锥 面零 件拉 深成 形方法 主要 依据 下列 参数 进行判 断: 30 1. 形 件拉 深变 形 特点 盒 形件 是非 旋转 体零件 ,与 旋转 体零 件的 拉深相 比, 其拉 深变 形要 复杂些 。盒 形件 的 几何形 状是 由四 个圆 角部 分和四 条直 边组 成, 拉深 变形时 ,圆 角部 分相 当于 圆筒形 件拉 深, 而 直边部 分相 当于 弯曲 变形 。但是 ,由 于直 边部 分和 圆角部 分是 联在 一块 的整 体,因 而在 变形 过 程中相 互受 到牵 制 , 圆 角 部分的 变形 与圆 筒形 件拉 深不完 全一 样 , 直 边变 形 也有别 于简 单弯 曲。 若 在盒 形件 毛坯 上画上 方格 网, 其纵 向间 距为 a ,横 向间 距为b,且 a=b 。拉 深后 方格 网的形 状和 尺寸 发生 变化 ( 图4.5.13 ) : 横 向间 距缩 小 , 而且 愈靠 近角 部缩 小愈 多 , 即b>b1>b2>b3 ; 纵向间 距增 大, 而且 愈向 上,间 距增 大愈 多, 即a1>a2>a3>a 。 这 说明 ,直 边部分 不是 单纯 的 弯曲, 因为 圆角 部分 的材 料要向 直边 部分 流动 ,故 使直边 部分 还受 挤压 。同 样,圆 角部 分也 不 完全与 圆筒 形零 件的 拉深 相同, 由于 直边 部分 的存 在,圆 角部 分的 材料 可以 向直边 部分 流动 , 这就减 轻圆 角部 分材 料的 变形 程度 (与 相同 圆角 半径的 圆筒 形冲 件比 )。 从 拉深 力观 点看 , 由 于直 边部 分和 圆角 部 分的内 在联 系 , 直 边部 分 除承受 弯曲 应力 外, 还承受 挤压 应力 ;而 圆角 部分则 由于 变形 程度 减小 (与相 应圆 筒形 件比 ), 则需要 克服 的变 形 抗力也 就减 小 。 可 以认 为: 由于直 边部 分分 担了 圆角 部分的 拉深 变形 抗力 , 而 使圆角 部分 所承 担 的拉深 力较 相应 圆筒 形件 的拉深 力为 小。 其应 力分 布如 图 4.5.14 所示 。 由以上 分析 可知 ,盒 形件 拉深的 特点 如下 : 31 图4.5.14 盒形件拉深时 的应力 分布 2. 盒形 件工 序计 算
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