冷冲压工艺与模具设计经典课件第4章.ppt

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1、拉深是基本冲压工序之一。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、拉深系数及最小拉深系数影响因素、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、变薄拉深以及冲挤切口、辅助工序等。,本章内容：,第4章 拉 深,本章重点1 拉深变形规律及拉深件质量影响因素；2 拉深工艺计算方法；3 拉深工艺性分析与工艺方案制定；4 拉深模典型结构与结构设计；5 拉深工艺与拉深模设计的方法和步骤。难点1拉深变形规律及拉深件质量影响因素；2拉深工艺计算；3其他

2、形状零件的拉深变形特点；4拉深模典型结构与拉深模工作零件设计。,不变薄拉深：把毛坯拉压成空心体，或者把空心体拉压成外形更小而板厚没有明显变化的空心体的冲压工序。变薄拉深是指凸、凹模之间间隙小于空心毛坯壁厚，把空心毛坯加工成侧壁厚度小于毛坯壁厚的薄壁制件的冲压工序。它是冲压基本工序之一。可以加工旋转体零件，还可加工盒形零件及其它形状复杂的薄壁零件。,拉深,不变薄拉深,变薄拉深,拉深模：,拉深模特点：结构相对较简单，与冲裁模比较，工作部分有较大的圆角，表面质量要求高，凸、凹模间隙略大于板料厚度。,拉深工序所使用的模具。,拉深使用设备：单双三动压力机或液压机,4.1 拉深概述,拉深件示例,拉深件示例

3、,不变薄拉深,变薄拉深,4.2 圆筒形拉深件拉深变形过程及 拉深件的工艺性 4.2.1 拉深变形过程 1.毛坯受力分析,(1)变形现象,平板圆形坯料的凸缘弯曲绕过凹模圆角，然后拉直形成竖直筒壁。,变形区凸缘；,已变形区筒壁；,不变形区底部。,底部和筒壁为传力区。,2.变形过程,工艺网格实验,材料转移：高度、厚度发生变化。,3.材料的流动,扇形单元体的变形,1.凸缘部分,2.凹模圆角部分,3.筒壁部分,4.凸模圆角部分,5.筒底部分,坯料各区的应力与应变是很不均匀的。,4.2.2 拉深变形过程中材料的应力与应变状态,拉深过程中零件应力与应变状态,圆筒件拉深时凸缘变形区应力分布图,4.2.3 拉深

4、变形过程中凸缘变形区的应力分布,拉深过程中的质量问题：,主要是凸缘变形区的起皱和筒壁传力区的拉裂。,凸缘区起皱：,传力区拉裂：,由于切向压应力引起板料失去稳定而产生弯曲；,由于拉应力超过抗拉强度引起板料断裂。,4.2.4 拉深件主要质量问题,主要决定于：,一方面是切向压应力3的大小，越大越容易失稳起皱；,另一方面是凸缘区板料本身的抵抗失稳的能力。,凸缘宽度越大，厚度越薄，材料弹性模量和硬化模量越小，抵抗失稳能力越小。,最易起皱的位置：,凸缘边缘区域,起皱最强烈的时刻：,在Rt=（0.70.9）R0时,防止起皱：,压边,1.凸缘变形区的起皱,凸缘变形区的起皱,主要取决于：,一方面是筒壁传力区中的

5、拉应力；,另一方面是筒壁传力区的抗拉强度。,当筒壁拉应力超过筒壁材料的抗拉强度时，拉深件就会在底部圆角与筒壁相切处“危险断面”产生破裂。,防止拉裂：,一方面要通过改善材料的力学性能，提高筒壁抗拉强度；,另一方面通过正确制定拉深工艺和设计模具，降低筒壁所受拉应力。,2.筒壁的拉裂,筒壁的拉裂,拉深件厚度变化,(1）拉深时采用压边圈的条件见表4-1。(2）根据毛坯相对厚度和拉深系数确定是否采用压边圈。,3.采用压边圈的条件,拉深件工艺性指拉深件在拉深工序中生产的难易程度。,（1）对拉深件的外形尺寸的要求;（2）对拉深件形状要求:（3）拉深件的圆角半径;（4）尺寸公差等级及表面质量的要求(表4-2，

6、4-3，4-4）。,拉深件工艺性内容：,4.2.5 拉深件的工艺性,带台阶拉深件高度尺寸的标注,拉深件的圆角半径,拉深件结构的修改,体积不变原则:,若拉深前后料厚不变，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:,切边工序：,拉深前坯料的形状与冲件断面形状相似。,形状复杂的拉深件：,需多次试压，反复修改，才能最终确定坯料形状。,拉深件的模具设计顺序：,先设计拉深模，坯料形状尺寸确定后再设计冲裁模。,拉深件口部不整齐，需留切边余量。,但坯料的周边必须是光滑的曲线连接。,拉深件毛坯尺寸确定的原则：,4.3 旋转体拉深件毛坯尺寸计算 4.3.1 计算方法,1.等重量法：已有

7、拉深件样品时，使用等重量法来求毛坯直径会非常方便。2.等体积法：适用于变薄拉深件。3.等面积法：不变薄拉深工序用来计算毛坯尺寸的依据。,毛坯尺寸的计算必须将加上了修边余量后的制件尺寸作为计算的依据。,修边余量：拉深件口部或凸缘周边不整齐;特别是经过多次拉深后的制件，口部或凸缘不整齐的现象更为显著;因此必须增加制件的高度或凸缘的直径，拉深后修齐增加的部分即为修边余量。,表4-5为无凸缘圆筒件的修边余量；表4-6为带凸缘圆筒件的修边余量。,4.3.2 修边余量,1将拉深件划分为若干个简单的几何体；2分别求出各简单几何体的表面积；3把各简单几何体面积相加即为零件总面积；4根据表面积相等原则，求出坯料

8、直径。,4.3.3 简单旋转体拉深件毛坯尺寸计算,按图得：,故,整理后可得坯料直径为:,【例4-1】求无凸缘筒形件的毛坯直径尺寸。,久里金法则求其表面积：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。如右图所示，旋转体表面积为,因拉深前后面积相等，故坯料直径D：,4.3.4 复杂旋转体拉深件毛坯尺寸计算,适用于直线与圆弧相连接的形状,解析法,适用于曲线连接的形状,作图解析法,拉深系数m是以拉深后的直径d与拉深前的坯料D（工序件dn）直径之比表示。,1.拉深系数表示方法,第一次拉深系数：,第二次拉深系数：,第n次拉深系数：,4.4 圆筒件拉深工

9、艺计算 4.4.1 拉深系数,拉深系数m表示拉深前后坯料（工序件）直径的变化率。m愈小，说明拉深变形程度愈大，相反，变形程度愈小。,拉深件的总拉深系数等于各次拉深系数的乘积，即,如果m取得过小，会使拉深件起皱、断裂或严重变薄超差。极限拉深系数m,从工艺的角度来看，m越小越有利于减少工序数。,（1）材料的组织与力学性能,（2）板料的相对厚度,（3）拉深工作条件,模具的几何参数,摩擦润滑,压料圈的压料力,（4）拉深方法、拉深次数、拉深速度、拉深件的形状等,m,.影响极限拉深系数的因素,表4-8所示为无凸缘圆筒件采用压边圈时的拉深系数，表4-9为无凸缘圆筒件不采用压边圈时的拉深系数，表4-10为其他

10、金属材料的拉深系数（该表所列 mn为以后 各次拉深系数的平均值）。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m的值。,.极限拉深系数的确定,m时，拉深件可一次拉成，否则需要多次拉深。其拉深次数的确定有以下几种方法：（）查表（表4-11）法（）推算方法（3）计算方法,当,4.4.2 拉深次数,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：(）保证12,(）使12 最后按调整后的拉深系数计算各次工序件直径：11221,4.4.3 圆筒件各次拉深件的半成品工序尺寸计算 1.工序件直径的确定,根据拉深后工序件表面积与坯料表面积相等的原则，可得到各工序件

11、高度计算公式，表4-13。计算前应先定出各工序件的底部圆角半径（见4-15及4-16）。,2.工序件高度的计算,例4-3求图4-25所示筒形件的坯料尺寸及拉深各工序件尺寸。材料为08钢，板料厚度1。,解：因=1，按板厚中径尺寸计算。根据零件尺寸，其相对高度为,查表4-5得修边余量,坯料直径为,代已知条件入上式得78,1.修边余量,2.毛坯直径,4.4.4 圆筒件工序尺寸计算示例,坯料相对厚度为,3.确定是否使用压边圈：按表4-1应采用压料圈。,4确定拉深次数:先判断能否一次拉出。零件总的拉深系数m总：m总=d/D=20/78=0.256查表4-8得m1=0.500.53，mn=0.77(四次拉

12、深时)由于m总=0.256m1=0.500.53，因此不能一次拉出。（1）采用查表法确定拉深次数：由t/D100=1.28，h/D=3.7查表4-11得拉深次数n=4由m总=0.256，t/D100=1.28查表4-12得拉深次数n=4,（2）采用计算法确定拉深次数：由公式4-14得n=1+lg20-lg(0.5178)/lg0.77=3.66取拉深次数n=45确定各次拉深直径查表4-8取各次拉深极限拉深系数(小值)为m1=0.50、m2=0.75、m3=0.78、m4=0.80,则各半成品直径为：d1=0.578=39mm；d2=0.7539=29.3mm；d3=0.7829.3=22.8m

13、m；d4=0.8022.8=18.3mm。d4=18.3mm20mm，到第四次时，计算工序件直径已经小于成品零件直径，因此整个工序只需要四次拉深，即拉深次数n=4。,由于计算直径不等于零件成品直径，应对拉深系数作适当的调整，使其均大于相应的极限拉深系数。查表4-8调整拉深系数(大值)取m1=0.53、m2=0.76、m3=0.79、m4=0.82，则d1=0.5378=41mm；d2=0.7641=31mm；d3=0.7931=24.5mm；d4=0.8224.5=20mm。,6半成品底部圆角半径根据式4-15及4-16，取半成品圆角半径分别为：r1=5、r2=4.5、r3=4、r4=3.5。

14、7计算半成品拉深高度h1=30.4mm；h2=43.4mm；h3=58mm；h4=74mm。,（8）工序件草图,1.以后各次拉深特点2.以后各次拉深方法：正拉深与反拉深,4.4.5 圆筒件以后各次拉深特点及方法,压料装置产生的压料力压大小应适当：在保证变形区不起皱的前提下，尽量选用小的压料力。理想的压料力是随起皱可能性变化而变化。,具体压边力的计算见表4-14。,P值可以由经验公式求得：P=48（Z-1.1）b10-5 Mpa,P值也可以直接由表4-15或表4-16中查得。,4.5 压边力与拉深力的计算 4.5.1 压边力的计算,采用压料圈拉深时 首次拉深,以后各次拉深,（2、3、）,最大拉深

15、力可以用下式来进行计算：Fmax=3(b+s)(D-d-r凹)t,4.5.2 拉深力的计算,1.F压Fmax+F压,2.压力机压力与冲压变形力曲线,1压力机压力曲线;2拉深力曲 线;3落料力曲线,4.5.3 压力机吨位的选择,对于不变薄拉深的拉深功按下式计算：W=F平均h10-3=CFmaxh10-3,拉深功率P（KW）按下式计算：P=（Wn）/(607501.36),压力机的电机功率率P电（KW）按下式计算：P电=（KWn）/(607501.3612),4.5.4 拉深功与功率计算,拉深力-行程图,内容包括:凸、凹模圆角半径，拉深模凸、凹模间隙和凸、凹模工作部分尺寸。本节以圆筒件为例进行介绍

16、。,首次（包括只有一次）拉深凹模圆角半径可按下式计算：,或,以后各次拉深凹模圆角半径应逐渐减小，一般按下式确定：,（2、3、）,以上计算所得凹模圆角半径一般应符合rA2的要求。,1.凹模圆角半径R凹,4.6 拉深模工作部分结构参数确定461 凸、凹模圆角半径的确定,首次拉深可取：,中间各拉深工序凸模圆角半径可按下式确定：,（3、4、）,最后一次拉深凸模圆角半径rTn即等于零件圆角半径。但零件圆角半径如果小于拉深工艺性要求时，则凸模圆角半径应按工艺性的要求确定（即rT），然后通过整形工序得到零件要求的圆角半径。,2凸模圆角半径R凸,1.无压料圈的拉深模,其拉深间隙为：,2.有压料圈的拉深模,（1

17、1.1）,间隙值按表4-21选取。,3.精度要求较高的拉深件:间隙取值Z=（0.90.95）t。,4.最后一次拉深：尺寸标注在外径的拉深件，以凹模为准，间隙取在凸模上；尺寸标注在内径的拉深件，以凸模为准，间隙取在凹模上。,4.6.2 拉深模凸、凹模间隙,（1）工件要求外形尺寸，以凹模尺寸为基准进行计算。,D凹=,D凸=,（2）工件要求内形尺寸时，以凸模尺寸为基准进行计算。,d凸=,d凹=,（3）中间工序凸、凹模尺寸：取凸、凹模尺寸等于毛坯的过渡尺寸，若以凹模为基准则：,D凹=,D凸=,4.6.3 凸、凹模工作部分尺寸计算及凸、凹模制造公差1凸、凹模工作部分尺寸计算,根据工件的材料厚度与工件直径

18、来选定，如表4-22所示。,3拉深凸模排气孔尺寸：凸模排气孔直径的大小可查表4-23。,拉深凸模排气孔,2凸、凹模制造公差,不使用压边圈的拉深模的凹模结构,4.6.4 常用拉深凹模结构,不使用压边圈的多次拉深模的凹模结构,使用压边圈的拉深模的工作部分结构,带限制型腔拉深凹模结构,1按工艺特点可以分为：简单拉深模、复合拉深模、级进拉深模。2按工艺顺序可以分为：首次拉深模和以后各次拉深模。3按模具结构特点可以分为：带导柱，不带导柱、带压边圈和不带压边圈的拉深模。4按使用的压力机可以分为：单动压力机和双动压力机用拉深模。,4.7 拉深模结构4.7.1 拉深模分类,1.首次拉深模(1)无压边装置的首次

19、简单拉深模,1-定位板;2-下模座;3-凸模;4-凹模,4.7.2 拉深模结构,1-拉深凸模;2-上模座;3-推杆;4-推件块;5-拉深凹模;6-定位板;7-压边圈;8-下模座,（2）带压边装置的首次拉深模,1-上模座;2-推杆;3-推件板;4-锥形凹模;5-限位柱;6-锥形压边圈;7-拉深凸模;8-凸模固定板;9-下模座,压边装置,弹性压边装置,橡皮压边装置弹簧压边装置气垫式压边装置,带限位装置的压边圈,刚性压边装置：,带刚性压边装置的拉深模,2压边装置,弹性压边装置,(1)弹性压边装置,带限位装置的压边圈,双动压力机用刚性压边装置工作原理1-曲柄;2-凸轮;3-外滑块;4-内滑块;5-凸模

20、;6-压边圈;7-凹模,(2)刚性压边装置,1-固定板;2-拉深凸模;3-刚性压边圈;4-拉深凹模;5-下模座;6-固定螺钉,带刚性压边装置的拉深模,（1）无压边装置的以后各次拉深,1-上模座;2-垫板;3-凸模固定板;4-凸模;5-定位板;6-凹模;7-凹模固定板;8-下模座,3以后各次拉深模,（2）带压边装置的以后各次拉深模,1-推件板;2-拉深凹模;3-拉深凸模;4-压边圈;5-顶杆,(1)正装落料拉深复合模,(2)落料、正、反拉深模,(3)后次拉深、冲孔、切边复合模,切边的工作原理,(4)多工序复合模,4复合摸,1-顶杆;2-压边圈;3-凸凹模;4-推杆;5-推件板;6-卸料板;7-落

21、料凹模;8-拉深凸模,正装落料拉深复合模,1-落料拉深凸凹模;2-反拉深凸模;3-拉深凸凹模;4-卸料板;5-导料板;6-压边圈;7-落料凹模,落料、正、反拉深模,1-压边圈;2-凹模固定板;3-冲孔凹模;4-推件板;5-冲孔凸模固定板;6-垫板;7-冲孔凸模;8-拉深凸模;9-限位螺钉;10-螺母;11-垫柱;12-拉深、切边凹模;13-切边凸模;14-固定板,再次拉深、冲孔、切边复合模,筒形件切边原理,1-小压边橡皮;2-小件拉深冲孔凸模;3-上顶料器;4-落料拉深凸凹模;5-大件拉深切料凸模;6-卸料板;7-落料凹模;8-下顶料器,多工序复合模,本节在掌握圆筒形件拉深成形的基础之上，分析

22、其他形状零件的拉深，从中掌握方法。,4.8.1 带凸缘筒形件的拉深,变形特点：,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。但坯料凸缘部分不是全部拉入凹模。,4.8 其他形状零件的拉深,1.带凸缘圆筒形件的拉深变形程度及拉深次数,有凸缘圆筒形件的拉深系数取决于有关尺寸的三个相对比值：dt/(凸缘的相对直径)、1/(零件的相对高度)、r1/(相对圆角半径)。,根据拉深系数或零件相对高度，判断拉深次数。,（）窄凸缘圆筒形件的拉深,窄凸缘筒形件：,2.带凸缘筒形件的拉深方法,宽凸缘筒形件：,（2）宽凸缘圆筒形件的拉深,（1）选定修边余量（查表4-6）。（2）预算毛坯直径

23、D。（3）计算t/D（%）和dt/d1，判断能否一次拉出。（4）选取m、1m2、m3mn并预算：d1、d2、dn，通过计算即可知道拉深的次数。（5）调整各工序的拉深系数。（6）重新计算各工序的拉深直径。（7）确定各工序零件的圆角半径。（8）根据上面计算宽凸缘筒形件工序尺寸所述方法，重新计算毛坯直径。（9）计算第一次拉深高度，并校核第一次拉深的相对高度，检查是否安全。（10）计算以后各次拉深高度。(11)画出工序图。,3.带凸缘筒形件拉深工序计算程序,宽凸缘筒形件,4.工序计算实例,工序图,变形特点：,阶梯形件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应圆筒形件的拉深。,1.判断能

24、否一次拉深成形,使用经验公式：查表4-11近似进行判断。,判断示例：可以一次拉出。,4.8.2 阶梯形零件拉深特点,（1）当任意两相邻阶梯直径之比（dn/dn-1）都不小于相应的圆筒形件的极限拉深系数。,（2）若相邻两阶梯直径之比(dn/dn-1)小于相应圆筒形件的极限拉深系数。,拉深方法如图(b)）,拉深方法如图(a)）,2.多次拉深方法,浅阶梯形零件的拉深成形方法,（1）浅锥形零件；(2)中等深度锥形件；（3）深锥形零件（4）锥形件拉深次数确定：n=a/Z,锥形零件,由大圆弧过渡拉深成锥形件,4.8.3 曲面形状零件的拉深特点 1.锥形零件的拉深方法,锥形件反拉深成形,深锥形零件多次拉深,

25、求单面角部间隙,拉深系数为常数，不能作为工艺设计的根据。,2球形件的拉深方法,半球形件的拉深,抛物面形零件,汽车灯外罩拉深,3抛物面形零件的拉深方法,盒形件是非旋转体零件，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。,沿周边应力应变分布不均匀。,工艺计算复杂，准确性不高，必要时需要工艺试验。,模具间隙、圆角半径沿周边分布不均匀。,4.8.4 盒形件的拉深特点,盒形件分：低盒形件;高盒形件。,1-推件板;2-垫板;3-推件板;4-凸凹模;5-落料凹模;6-拉深凸模;7-垫板;8-压边圈;9-顶杆;10-固定挡料销;11-导料销,1-滑块;2-夹头连接座;3-内夹头;4-外夹

26、头;5-螺母;6-压板;7-模座;8、10-凹模;9、11-垫圈;12-弹簧;13-刮料模;14-凸模;15-工件,两道凹模结构的变薄拉深,49 变薄拉深与冲挤切口,1毛坯计算 2工艺计算（1）工艺断面缩减率F（2）变薄系数（3）计算拉深次数（4）各次变薄拉深工序的毛坯壁厚（5）各道变薄拉深工序的直径（6）各道工序的高度,4.9.1 变薄拉深工艺计算,变薄拉深件工序尺寸,4.9.2 变薄拉深工艺计算示例,4.9.3 变薄拉深模具结构1凹模结构,2.凸模结构形式,4.9.4 冲挤切口原理,4.10.1 退火 常用退火工艺如表4-32所示。4.10.2 酸洗 除去拉深件经过退火后在其表面所残存的污物和表面的氧化皮，以提高制件表面光洁度。4.10.3 润滑 常用的有色金属材料及不锈钢拉深时使用的润滑剂示例见表4-33。,4.10 拉深辅助工序,拉深过程中的摩擦情况,