冲压工艺学第四章拉深工艺及模具设计.pdf

拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 第四章第四章 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.1 4.1 拉深工艺分析拉深工艺分析 4.2 4.2 圆筒形零件拉深的工艺计算圆筒形零件拉深的工艺计算 4.3 4.3 拉深模工作部分设计拉深模工作部分设计 4.4 4.4 拉深模的典型结构拉深模的典型结构 4.5 4.5 带凸缘圆筒形零件的拉深简介带凸缘圆筒形零件的拉深简介 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 拉深又称拉延，它是利用模具使平面毛坯变成开口的空心零件的冲压工艺方法。拉深如图4-1所示。拉深模的主要零件有凸模1、凹模4和压边圈2。在凸模的作用下，原始直径为的毛坯，在凹模端面和压边圈之间的缝隙中变形，并被拉进凸模与凹模之间的间隙里形成空心零件。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 a）无压边圈拉深模结构 b）有压边圈拉深模结构 图4-1 拉深工作示意图 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 零件上高度为H的直壁部分是由毛坯的环形部分（外径为、内径为d）转化而成的，所以拉深时毛坯的环形部分是变形区，而底部通常认为是不参与变形的不变形区。压边圈2的作用主要是防止拉深过程中毛坯凸缘部分失稳起皱。其凸模与凹模和冲裁时不同，它们的工作部分都没有锋利的刃口，而是做成一定的圆角半径，凸、凹模之间的间隙稍大于板料厚度。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 用拉深工艺可以制成筒形、阶梯形、锥形、球形、方盒形和其它不规则形状的薄壁零件，如果与其它冲压成形工艺配合，还可以制造形状极为复杂的零件。拉深件的可加工尺寸范围也相当广泛，从几毫米的小零件到轮廓尺寸达23米的大型零件，都可用拉深方法制成。因此，拉深工艺方法的应用范围十分广泛，在电器、仪表、电子、汽车、航空等工业部门以及日常生活用品的冲压生产中，拉深工艺占据相当重要的地位。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.1 4.1 拉深工艺分析拉深工艺分析 4.1.1 4.1.1 拉深变形分析拉深变形分析 4.1.1.1 首次拉深变形 如图4-2所示，直径为，厚度为t的圆板毛坯经拉深模拉深，得到了直径为d的开口圆筒形工件。在拉深变形过程中，毛坯的环形部分为变形区，变形区内金属因塑性流动而发生了转移。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 如图4-2，如果将圆板毛坯的三角形阴影部分b1、b2、b3切除，留下狭条部分a1、a2、a3，然后将这些狭条沿直径为d的圆周弯折过来，再把它们加以焊接，就可以得到直径为d的圆筒形工件。此时，圆筒形工件的高度为：。但在实际拉深过程中三角形阴影部分的材料并没有切掉，而是在拉深过程中由于产生塑性流动而转移了。这部分被转移的三角形材料，通常称之为“多余三角形”。所以，拉深变形过程，实际上是“多余三角形”因塑性流动而转移的过程。“多余三角形”材料转移的结果，一方面要增加工件的高度，使工件的实际高度 ；另一方面要增加工件口部的壁厚。()/2hDd()/2HDd拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-2 材料的转移 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 拉深过程中，变形区内受径向拉应力和切向压应力的作用，产生塑性变形，将毛坯的环形部分变为圆筒形件的直壁。塑性变形的程度，由底部向上逐渐地增大，在圆筒顶部的变形达到最大值。该处的材料，在圆周方向受到最大的压缩，高度方向获得最大的伸长。拉深过程中，圆筒的底部基本上没有塑性变形。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.1.1.2 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。图4-3是筒形件在有压边圈的首次拉深中某一阶段的应力与应变情况。图中 径向的应力与应变；厚度方向的应力与应变；切向的应力与应变。11、22、33、拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-3 拉深过程中的应力应变状态 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 根据应力应变状态的不同，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。在筒壁与底部转角处稍上的地方，由于传递拉深力的截面积较小，因此产生的拉应力 较大。1拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 同时，在该处所需要转移的材料较少，故该处材料的变形程度很小，加工硬化较低，材料的强度也就较低。而与凸模圆角部分相比，该处又不像凸模圆角处那样存在较大的摩擦阻力。因此在拉深过程中，在筒壁与底部转角处稍上的地方变薄便最为严重，成为整个零件强度最薄弱的地方，通常称此断面为“危险断面”。若危险断面上的应力 超过材料的强度极限，则拉深件将在该处拉裂，如图4-4所示。或者即使没有拉裂，但由于应力过大，材料在该处变薄过于严重，以致超差而使工件报废。1拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-4 拉深件破裂 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.1.1.3 拉深时的起皱、厚度变化及硬化 在拉深过程中，由于出现起皱、材料厚度变化以及材料硬化均导致工件破裂，成为拉深工作不能顺利进行的主要原因。(1)起皱起皱 拉深时凸缘部分受切向压应力作用，如果材料较薄，凸缘部分刚度不够，当切向压应力足够大时，凸缘部分材料便会产生受压失稳，在凸缘的整个周围产生波浪形的连续弯曲，这就称为起皱，如图4-5所示。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-5 拉深件起皱 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 起皱时，工件口部会产生波浪，影响拉深件质量。起皱严重时，由于起皱后的边缘不能通过凸、凹模之间的间隙而使拉深件拉破。起皱是拉深中产生废品的主要原因之一。采用压边圈的方法是防止起皱的有效措施。它可以限制凸缘部分波浪的产生。此外，可通过增加板料厚度，也可以提高凸缘部分抵抗受压失稳的能力，这样，起皱的可能性就会减小。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 (2)拉深时板料厚度的变化拉深时板料厚度的变化 拉深件的壁厚是不均匀的，壁厚沿高度方向的变化情况如图4-6所示。由图中可以看出，拉深件的上部变厚，愈靠近口部，变厚量愈大；拉深件的下部则出现变薄，在凸模圆角附近变薄最为严重，使该处成为危险断面，很容易拉破。拉深件壁厚的均匀性与拉深变形的变形程度有关，变形程度越大，壁厚越不均匀。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-6 拉深件沿高度的壁厚和硬度变化 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 (3)拉深时的硬化现象拉深时的硬化现象 由于拉深时将产生很大程度的塑性变形，毛坯经过拉深后，将引起加工硬化，强度和硬度显著提高，塑性降低，从而给以后继续拉深造成困难。硬度沿拉深件高度的变化情况如图4-6所示。对于需多次拉深成形的拉深件，一般要采用中间退火工序，以消除拉深过程中产生的加工硬化。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.1.2 以后各次拉深以后各次拉深 通常，当筒形件高度较大时，由于受板料成形极限的限制，不可能一次拉成，而需要二次或二次以上拉深。以后各次拉深，就是指由浅筒形件拉成更深筒形件的拉深。以后各次拉深大致有两种方法：一种是正拉深，如图4-7(a)所示，另一种是反拉深，如图4-7(b)所示。反拉深就是将经过拉深的半成品倒放在凹模上再进行拉深。这时，材料的内、外表面将互相转换。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计(a)正拉深；(b)反拉深 图4-7 二次拉深方法 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 反拉深时，由于毛坯与凹模的包角为180(一般拉深为90)，所以材料沿凹模流动的摩擦阻力及弯曲抗力明显大于一般正拉深，这就使变形区的径向拉应力 大大增加，从而使切向压应力 的作用相应减小，材料就不易起皱。因此，一般反拉深可以不用压边圈，这就避免了由于压边力不适当或压边力不均匀而造成的拉裂。所以，在某些情况下，反拉深的效果比一般正拉深更好一些。13拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 反拉深可以用于圆筒形件的以后各次拉深，也可用于拉深如图4-8所示的特殊零件。锥形、球形和抛物线形等复杂旋转体零件，采用反拉深效果也较好。但是，由于模具结构复杂，这种方法主要用于板料较薄的大件和中等尺寸零件的拉深。反拉深的主要缺点是拉深凹模壁部的强度受拉深系数的限制。图4-8 反拉深零件 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.1.3 4.1.3 拉深件的工艺性拉深件的工艺性 为了提高拉深时的变形程度，提高劳动生产率和产品质量，降低成本，拉深件应具有以下工艺要求：（1）拉深件的形状应尽量简单对称 旋转体零件在圆周方向上的变形是均匀的，模具加工也较容易，所以其工艺性最好。其它形状的拉深件，应尽量避免轮廓的急剧变化，否则，变形不均匀，拉深困难。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 （2）拉深件凸缘的外轮廓最好与拉深部分的轮廓形状相似 如果凸缘的宽度不一致，如图4-9(a)，拉深比较困难，就需要添加工序，而且还需放宽修边余量，增加材料损耗。（3）拉深件的圆角半径要合适 如图4-9(b)所示，一般取r1(23)t，r2(34)t。如最后一道工序是整形，则拉深件的圆角半径可取：r1(0.10.3)t，r2(0.10.3)t。（4）拉深件底部孔的大小要合适 在拉深件的底部冲孔时，其孔边到侧壁的距离应不小于该处圆角半径加上板料厚度的一半，如图4-9(b)中，ar1+0.5t。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计（a）（b）图4-9 拉深件的工艺性 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 （5）拉深件的精度要求不宜过高 拉深件的精度包括拉深件内形或外形的直径尺寸公差、高度尺寸公差等，一般合适的精度在GB6（IT11）级以下，其精度等级如表4-1所示。（6）拉深件的尺寸标注应合适 拉深件直径尺寸应明显注明必须保证外部尺寸或是必须保证内部尺寸，不能同时标注内、外径尺寸，其高度尺寸最好以底部为基准，尺寸易保证。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 表4-1 拉深件的精度要求 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.2 4.2 圆筒形零件拉深的工艺计算圆筒形零件拉深的工艺计算 4.2.1 4.2.1 毛坯尺寸的计算毛坯尺寸的计算 由于拉深后工件的平均厚度与毛坯厚度差别不大，厚度的变化可以忽略不计，因此，毛坯尺寸的确定可依照拉深前后毛坯面积与工件面积相等的原则计算。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 序号 工件形状 坯料直径/mm 1 2 3 24Dddh2214Ddd h221 1224()Ddd hd h表4-2 拉深件展开尺寸计算公式 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4 5 6 2111242()Ddd hl dd2121242()Ddd hl dd21122()Ddl dd表4-2 拉深件展开尺寸计算公式(二）拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 表4-2 拉深件展开尺寸计算公式(三）7 8 9 222112322()Ddl dddd2112(4)Ddrdr222211326.288)Ddrdrdd拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 表4-2 拉深件展开尺寸计算公式(四）10 11 12 221212212246.28841.720.56Ddd hrdrDdd Hrdr或222221212212143122222121243212228424.5642()443.44Ddr drd hrdrddrrrDdd hr ddrddDdd Hr d若时，则或2221212212112322121228424.5642()4Ddr drd hrdrrrrDdd hr ddr若时，则拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 表4-2 拉深件展开尺寸计算公式(五）13 14 15 22121234282()Ddd hrdrL dd221122()4Ddr ddr2284DRhDSh或拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 表4-2 拉深件展开尺寸计算公式(六）16 17 18 2224Ddh221.414Ddd22124Ddd拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 表4-2 拉深件展开尺寸计算公式(六）19 20 22124()Ddhdh21.41422DddhDdH或拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 由于板料性能的各向异性以及凸、凹模之间间隙不均等原因，拉深后工件口部一般都不平齐，而是在与板料辗压方向成45的方向上产生4个凸耳，通常都需要修边，所以在计算毛坯尺寸时，要考虑修边余量，即在拉深件高度方向加一段修边余量，如图4-10所示。修边余量的数值，根据生产经验，可参考表4-3选取。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 表4-3 圆筒形零件的修边余量 单位：mm 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-10 圆筒形拉深件余量图 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 圆筒形件为旋转体零件，通常将旋转体分成几个便于计算的简单部分，分别求出各部分的面积，然后相加即得到零件的总面积F。如图4-11所示，将零件分成三部分，各部分面积分别为 12223()2(2)84(2)4Fd HrFr drrFdr 零件总面积为 123FFFFF 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 旋转体零件的毛坯形状是圆形的，圆板毛坯的面积为 依据面积相等原则：，即 因此，毛坯直径为 （4-1）应该注意：在计算中，工件的直径按厚度中线计算；但当板厚t t/Dm 900.31290dmD拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4确定各次拉深系数，计算各次拉深直径。(1)选取各次的拉深系数，初步计算各次拉深直径。查表得 m1=0.54；m2=0.77；m3=0.80；m4=0.82。初步计算各次拉深直径：d1=m1D=0.54290=157（mm）d2=m2d1=0.77157=121(mm)d3=m3d2=0.80121=97(mm)d4=m4d3=0.8297=80(mm)拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 (2)调整各次拉深系数，计算各次拉深直径。调整后的各次拉深系数为：m1=0.55；m2=0.80；m3=0.82；m4=0.85。各次拉深直径为：d1=m1D=160（mm）d2=m2d1=128（mm）d3=m3d2=105（mm）d4=m4d3=90（mm）拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 5确定各次拉深凸模圆角半径 由公式4-13计算得凸模各次拉深圆角半径为：rp1=9mm；rp2=6mm；rp3=4mm；rp4=2mm；6计算各次拉深高度 各次拉深高度hn可按下式计算：20.25()0.43(0.32)nnnnnnnrDhddrdd 式中 dn各次拉深后的直径，mm；拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 rn各次拉深后的圆角半径，即各次拉深时的凸模圆角半径。因此，各次拉深的高度为：2122234290100.25(160)0.43(1600.32 10)95.6mm16016029070.25(128)0.43(1280.32 7)=135mm16012829050.25(105)0.43(1050.32 5)=175.8mm105105212mm.hhhh拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.2.3拉深力和压边力的计算拉深力和压边力的计算 4.2.3.1 拉深力的计算 计算拉深力的目的在于选择设备和设计模具。圆筒形件拉深时的拉深力可按下述经验公式进行计算：筒形件无压边拉深时：第一次拉深 （4-3）以后各次拉深 （4-4）111.25()bFtDd 11.3()bnnFtdd 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 第一次拉深 （4-5）以后各次拉深 （4-6）式中 各次拉深的拉深力，N；各次拉深后的直径，mm；111bFd tk2nnbFd tk1nFF1ndd拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 D毛坯直径，mm；t材料厚度，mm；材料的强度极限，N/mm2；修正系数，见表4-7。b12,k k表4-7 修正系数 之值 12,k k拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.2.3.2 压边力 压边力的大小必须适当。过小，则不能防止起皱；过大，则增加了拉深力，甚至引起工件破裂。防皱压边圈的作用力应在保证毛坯凸缘部分不致起皱的前提下，选取尽量小的数值。压边力能够引起毛坯凸缘部分与凹模平面和压边圈表面之间的摩擦阻力，如果这项阻力过大，就可能引起毛坯破裂。为了使压边圈能可靠地工作，通常取压边力Q之值稍大于防皱作用所需的最低值，并可用下式求得：22()4QDdq（4-7）拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 式中 Q压边力，N；D毛坯直径，mm；d拉深件直径，mm；q单位压边力，N/mm2，其值决定于板料的力学性能（b与s）、拉深系数、板料的相对厚度和润滑等。一般来说，当板料的强度高、相对厚度小、拉深系数小时，所需的最小单位压边力q较大，反之，q值较小。在生产中可以参考表4-9选取单位压边力q之值，该表适用于圆筒形拉深件。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 表4-8 采用不采用压边圈的条件 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 表4-9 单位压边力q之值 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.2.3.2 压力机的选择 选择压力机的总压力应根据拉深力与压边力的总和进行选择，即 （4-8）式中 F拉深力，N；Q压边力，N。当拉深行程较大，特别是采用落料拉深复合模时，不能简单地将落料力与拉深力叠加去选择压力机，因为压力机的公称压力是指在接近下死点时的压力机压力。因此，应注意压力机的压力曲线。一般可按下式概略计算：FFQ总拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 浅拉深时 （4-9）深拉深时 （4-10）式中 总的冲压力，包括拉深力、压边力，采用落料拉深复合模时，还包括其它力；F0压力机的公称压力。0(0.70.8)FF总0(0.50.6)FF总F总拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.34.3拉深模工作部分设计拉深模工作部分设计 4.3.1 4.3.1 凸、凹模结构设计凸、凹模结构设计 4.3.1.1 凹模和凸模的圆角半径（图4-15）凹模和凸模的圆角半径对拉深工件影响很大，其中凹模圆角半径rd的影响更为显著。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 拉深过程中，板料在凹模圆角部位滑动时产生较大的弯曲变形，由凹模圆角区进入直壁部分时又被重新拉直，或者在通过凸、凹模之间的间隙时受到校直作用。若凹模圆角半径过小，则板料在经过凹模圆角部位时的变形阻力以及在模具间隙里通过时的阻力都要增大，势必引起总拉深力增大和模具寿命降低。因此，当凹模圆角半径过小时，必须采用较大的极限拉深系数。在生产中，一般应尽量避免采用过小的凹模圆角半径。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-15 凸、凹模圆角半径 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 凹模圆角半径过大，使在拉深初始阶段不与模具表面接触的毛坯宽度加大，因而这部分毛坯很容易起皱。在拉深后期，过大的圆角半径也会使毛坯外缘过早地脱离压边圈的作用而起皱，尤其当毛坯的相对厚度小时，起皱现象十分突出。因此，在设计模具时，应该根据具体条件选取适当的凹模圆角半径值。凸模圆角半径rp对拉深工作的影响不像凹模圆角半径rd那样显著。但是过小的凸模圆角半径会使毛坯在这个部位上受到过大的弯曲变形，结果降低了毛坯危险断面的强度，这也使极限拉深系数增大。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 另外，即使毛坯在危险断面不被拉裂，过小的凸模圆角半径也会引起危险断面附近毛坯厚度局部变薄，而且这个局部变薄和弯曲的痕迹经过后道拉深工序以后，还会在成品零件的侧壁上遗留下来，以致影响零件的质量。在多工序拉深时，后道工序的压边圈的圆角半径等于前道工序的凸模圆角半径，所以当凸模圆角半径过小时，在后道的拉深工序里毛坯沿压边圈的滑动阻力也要增大，这对拉深过程的进行是不利的。假如凸模圆角半径过大，也会使在拉深初始阶段不与模具表面接触的毛坯宽度加大，因而这部分毛坯容易起皱。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 在一般情况下，可按以下方法选取。(1)拉深凹模圆角半径可按下式确定：（4-11）式中 D毛坯直径，mm；d凹模内径，mm；t板料厚度，mm。0.8()drDd t拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 当工件直径d200mm时，拉深凹模圆角半径应按下式确定：拉深凹模圆角半径也可根据工件材料及其厚度来确定，见表4-10。一般对于钢的拉深件，rd=10t；对于有色金属的拉深件（铝、黄铜、紫铜），rd=5t。（4-12）0.0392drd拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 最好将上述rd值作为第一次拉深的rd值。以后各次拉深时，rd值应逐渐减小，其关系为 （4-13）但不应小于材料厚度的两倍。1(0.6 0.8)dndnrr表4-10 拉深凹模圆角半径rd 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计(2)在生产实际中，凸模圆角半径rp决定如下：单次或多次拉深中的第一次：（4-14）多次拉深中的以后各次：（4-15)(0.7 1.0)pdrr1122nnpnddtr 式中 、前后两道工序中毛坯的过渡直径，mm。1ndnd拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 最后一次拉深的凸模圆角半径即等于零件的圆角半径，但不得小于(23)t。如零件的圆角半径要求小于(23)t，则凸模圆角半径仍应取(23)t，最后用一次整形来得到零件要求的圆角半径。在实际生产当中，情况是千变万化的，所以时常要根据具体条件对以上所列数值做必要的修正。例如，当毛坯相对厚度大而不用压边圈时，凹模圆角半径还可以加大。当拉深系数较大时，可以适当地减小凹模的圆角半径。在实际设计工作中，也可以先取比表中略小一些的数值，然后在试模调整时再逐渐地加大，直到冲成合格零件为止。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.3.1.2 凸、凹模结构 凸、凹模结构形式设计得合理与否，不但关系到制件质量，而且直接影响拉深变形程度，亦即影响拉深系数的大小。下面介绍几种常见的结构形式。(1)不用压边圈的拉深 浅拉深（即一次拉深的情况）如图4-16所示。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计（a）普通平端面凹模；（b）锥形凹模；（c）曲面凹模 图4-16 不用压边圈的拉深凹模 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 与普通的平端面凹模相比，如图4-16(a)，用锥形凹模拉深时，如图4-16(b)，毛坯的极限变形程度大。因为用锥形凹模拉深时，毛坯的过渡形状(图4-17)呈曲面形状，因而具有更大一些的抗失稳能力，结果就减小了起皱的趋向。另外，用锥形凹模拉深时，由于建立了对拉深变形极为有利的变形条件，如凹模圆角半径造成的摩擦阻力和弯曲变形的阻力都减小到很低的程度，凹模锥面对毛坯变形区的作用力也有助于使它产生切向压缩变形等，拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-17 锥形凹模拉深时毛坯过渡形状 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 这样拉深所需的作用力要小些，因此可以采用较小的拉深系数。从不容易起皱的要求来看，锥形凹模的角度应取30o60，而从减小拉深力出发，凹模的角度应为20o30o，为了兼顾这两方面的要求，通常采用30o。深拉深（二次以上拉深），其结构如图4-18所示。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 1凸模；2定位环；3凹模 图4-18 以后各次拉深无压边圈时的模具结构 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计（2）带压边圈的拉深（图4-19）当零件尺寸d100mm时的多次拉深用(a)型。当零件尺寸d100mm时的多次拉深用(b)型。图4-19(b)的斜角形状的结构，除具有一般的锥形凹模的特点外，还可能减轻毛坯的反复弯曲变形，提高冲压件侧壁的质量。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 1凸模；2压边圈；3凹模 图4-19 带压边圈的拉深模 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.3.2 4.3.2 拉深模的间隙拉深模的间隙 拉深模的间隙Z=（dddp）/2是指单边间隙。拉深模的间隙大小影响如下：1.拉深力：间隙越小，摩擦力增加，拉深力越大。2.零件质量：间隙过大，容易起皱，而且毛坯口部的变厚得不到消除。另外，也会使零件出现锥度，影响零件精度。而间隙过小，则会使零件容易拉断或变薄特别严重。因此间隙过大或过小均会会造成制件的质量问题，甚至引起工件破坏。3.模具寿命：间隙小，则磨损加剧、降低模具寿命。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 因此，拉深模间隙应根据拉深方式，工件的尺寸精度要求合理确定，其原则为：既要考虑板料本身的公差，又要考虑毛坯口部的增厚现象。间隙Z一般应比板料厚度略大一些。其值可按下式计算：(4-16)式中 tmax材料的最大厚度，tmax=t+；板料的正偏差；c增大系数，其值见表4-11。maxZtct拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 表4-11 增大系数c值 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 表中数值适用于一般精度零件的拉深。具有分数的地方，分母的数值适于精密零件（IT10IT12）的拉深。生产实际中，在不用压边圈拉深时，考虑到起皱的可能性，单边间隙值取材料厚度上限值的11.1倍。间隙较小的数值用于末次拉深或用于精密拉深件，较大数值则用于中间的拉深或不精密的拉深件。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.3.3 4.3.3 凹模、凸模的尺寸及公差凹模、凸模的尺寸及公差 对最后一道工序的拉深模，其凹模、凸模的尺寸及其公差应按工件的要求来确定。当工件要求外形尺寸时，如图4-20(a)，以凹模为基准，凹模尺寸为 凸模尺寸为 （4-17）（4-18）34ddDD324PpDDZ拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 当工件要求内形尺寸时，如图4-20(b)，以凸模为基准，凸模尺寸为 （4-19）凹模尺寸为 （4-20）(0.4)ppDd(0.42)ddDdZ拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-20 工件尺寸与模具尺寸 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 对于多次拉深时的中间过渡拉深，毛坯的尺寸公差不需严格限制，这时模具的尺寸只要等于毛坯过渡尺寸即可。若以凹模为基准时，凹模尺寸为 （4-21）凸模尺寸为 （4-22）式中 凸模制造公差一般按公差等级IT6IT8选取。凹模制造公差一般按公差等级IT6IT8选取。ddDD(2)ppDDZ拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.3.4 4.3.4 拉深件的起皱及其防止措施拉深件的起皱及其防止措施 在拉深过程中，假如毛坯的相对厚度较小，则拉深毛坯的变形区（即凸缘部分）在切向压应力的作用下，很可能因为失稳而发生起皱现象。毛坯严重起皱后，由于不可能通过凸模与凹模之间的间隙而被拉断，造成废品。即使轻微起皱的毛坯，可能勉强能通过间隙，但也还会在零件的侧壁上遗留下起皱的痕迹，影响拉深件的表面质量。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 因此，一般来说，拉深过程中的起皱现象是不允许的，必须设法消除。最常用的防止拉深毛坯变形区起皱的方法是在拉深模上设置压边圈。压边装置的形式 目前在生产实际中常用的压边装置有两大类，即弹性压边装置和刚性压边装置。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 1弹性压边装置 这种装置多用于普通冲床。这一类通常有如下三种：（1）橡皮压边装置，如图4-21(a)；（2）弹簧压边装置，如图4-21(b)；（3）气垫式压边装置，如图4-21(c)。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 1凹模；2凸模；3下模板；4上托板；5橡皮；6下托板；7凹模；8压边圈；9下模座；10凸模；11压力机工作台；12气缸 图4-21 弹性压边装置 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 橡皮及弹簧压边装置的压边力随拉深深度的增加而增大，尤以橡皮压边装置更为严重。这种情况会使拉深力增大，从而导致零件断裂。因此橡皮及弹簧压边装置通常只用于浅拉深。气垫式压边装置的压边效果较好，是国内改进冲床构造的发展方向之一。弹簧与橡皮压边装置虽有缺点，但结构简单，对单动的中小型压力机采用橡皮或弹簧装置是很方便的。根据生产经验，只要正确地选择弹簧规格及橡皮的牌号和尺寸，就能尽量减少它们的不利方面，充分发挥作用。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 2刚性压边装置（图4-22）这种装置的特点是压边力不随行程变化，其大小可通过调节压边圈与凹模之间的间隙来调整。这种压边装置的拉深效果较好，且模具结构简单。这种结构用于双动压力机，凸模在压力机的内滑块上，压边装置在外滑块上。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 1压边圈；2凸模；3凹模；4顶件块；5定位销 图4-22 刚性压边装置 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.4 4.4 拉深模典型结构拉深模典型结构 4.4.1 4.4.1 首次拉深模首次拉深模 4.4.1.1 无压边装置的简单拉深模（图4-23）这种模具的结构简单，上模往往是整体的。当凸模直径过小时，可以加上模柄，以增加上模与滑块的拉触面积。在凸模中应有直径 3mm以上的小通气孔，否则，工件有可能紧贴在凸模上难以取下。凹模下部装有刮件环，其作用是在凸模拉深完后回程时，将工件从凸模上刮下。这种结构一般适用于毛坯厚度较大（t2mm）及拉深深度较小的情况。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 1模柄；2凸模；3凹模；4卸件环；5定位板；6拉簧；7下模板 图4-23 无压边的简单拉深模 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 2有压边圈的简单拉深模（图4-24）有压边圈的拉深模用于拉深材料薄及深度大易于起皱的工件。与无压边圈的简单拉深模相比，上模部分多了一个弹性压边圈，凹模下部则无需刮件环。工作时，凸模下降，压边圈也一同下降，压边圈接触毛坯后停止下行，而凸模部分继续下行，压边圈压住毛坯，使工件的环形部分在压紧的状态下变形，不易起皱。凸模回程时，压边圈在弹性力作用下可以将工件从凸模上卸下。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 1模柄；2上模板；3凸模固定板；4凸模；5弹簧；6压边圈；7定位板；8凹模；9下模板 图4-24 压边圈在上模的拉深模 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-24所示的模具中，压边圈是通过螺钉与上模部分弹性连接的，压边圈安装在上模部分。由于上模的空间有限，不能安装粗大弹簧，因而这种模具仅适用于压边力小的拉深件。拉深大而厚的工件，需要有较大的压边力，这时，应将压边装置安装在下模部分，压边装置的结构如图4-21（c）所示。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.4.2 4.4.2 多次拉深模多次拉深模 在大多数情况下，首次拉深后以后各次的拉深模具有压边装置，以保证工件质量。有压边装置的以后各次拉深模如图4-25所示。模具的压边装置装在下模，毛坯为第一次拉深后的半成品，拉深前套在压边圈上，实现定位。拉深时弹性压边装置实现压边。拉深后顶料板将工件顶出凹模，与此同时，压边圈从凸模上把工件卸下。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-25 有压边的以后各项拉深模 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.4.3 4.4.3 其他结构的拉深模其他结构的拉深模 4.4.3.1 落料一拉深模 图4-26所示为落料一拉深模。凸凹模2既是落料凸模，又起拉深凹模的作用。工作时，在凸凹模和落料凹模作用下进行落料，接着由凸凹模与拉深凸模进行拉深。拉深过程中，顶件器兼起压边圈的作用，可防止工件在拉深过程中产生起皱现象。顶件器上部的压边圈在橡皮6的作用下，通过顶杆获得压力，当落料工作完成后，压边圈就将毛坯压紧在凸凹模面上，实现压边。当拉深完毕上模回程时，压边圈将工件顶出。如果工件卡在拉深凹模（凸凹模）内，则由卸料杆1将工件击落。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-26 落料拉深模 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 1推件块；2凸凹模；3压边圈；4压料板；5凸模；6凹模 图4-27 半球形零件拉深模 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-27所示半球形件采用正、反两次拉深成形。正拉深时采用刚性压边，即用可移式的压边圈，装、出料时需将压边圈提起，这种结构虽在装、出料时有所不便，但结构简单，当产量不大时常采用。1凸模；2压料板；3凹模 图4-28 拉深翻孔复合模 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.4.3.2 拉深翻孔复合模 图4-28拉深翻孔复合模完成制件的 38mm圆柱形和 44 mm凸缘的拉深工序，17mm的内翻口由上道工序的连续模中完成。工序件用 17mm的内翻口放人凸模1的槽内定位。为了放件方便，槽口做成30斜度。本工序完成后，并不影响制件 17mm的内翻口尺寸。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.5 4.5 带凸缘圆筒形件的拉深简介带凸缘圆筒形件的拉深简介 带凸缘的圆筒形件如图4-27所示，在冲压生产中是经常遇到的，带凸缘圆筒形件的拉深与无凸缘圆角形件的拉深，它们在变形区内的应力状态与变形特点是相同的。带凸缘圆角件的拉深是无凸缘筒形件拉深的某一中间状态，它有时是成品零件，有时是形状复杂的冲压件的中间过渡形状。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-27 带凸缘的圆筒零件 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.5.1 4.5.1 小凸缘件的拉深小凸缘件的拉深 对dp/d=1.11.4之间的凸缘件称为小凸缘件。这类零件因凸缘很小，可以作一般圆筒形件进行拉深，只在倒数第二道工序时才拉出凸缘或拉成具有锥形的凸缘，而最后通过整形工序压成水平凸缘，若h/d1时，则第一次即可拉成口部具有锥形凸缘的圆筒形，而后整形即可。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 4.5.2 4.5.2 宽凸缘件的拉深宽凸缘件的拉深 对dp/d1.4的凸缘件称为宽凸缘件。宽凸缘件的总的拉深系数用下式表示：2222141.720.56pdpdpmdrrrrhdddd（4-23）式中 m圆筒形件拉深系数；m1、m2凸缘件拉深系数，m1=m，m2m1；Fb危险断面所能承受的载荷。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 宽凸缘件的第一次拉深与圆筒形件的拉深相似，只是不把毛坯边缘全部拉入凹模，而在凹模面上形成凸缘。它是筒形件拉深的一种中间状态。宽凸缘件允许的第一次极限拉深系数m1一般比相同内径的圆筒形件的拉深系数小些。这时因为一般宽凸缘工件拉深时，由于凸缘部分并未全部转为筒壁，即当凸缘区的变形抗力还未达到最大拉深力时，拉深工作就中止了。其理由从图4-28可以看出。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 图4-28 拉深力与拉深过程的关系 拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 从图中可以看出，在取凸缘件的m1等于圆筒形件的极限拉深系数m时，凸缘件的拉深力选在拉深力曲线的A点就结束了，远未达到极限状态。为了充分利用材料的塑性，可以将m1减小到m2，即A1点。宽凸缘件的变形程度m受到 和 的影响，特别是 的 影响较大。从图4-28中可以看出，当毛坯直径一定时，若凸缘直径dp越大，A点左移，则极限拉深系数可以取得更小一些。这从表4-12中也可以看出来。pddhdpdd拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 表4-12 凸缘件第一次拉深的拉深系数（适用于08、10钢）拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 另外，对于一定的凸缘件来讲，总的拉深系数确定后，则dp/d与h/d之间的关系也确定了，因此，也常用h/d来表示凸缘件的变形程度。其关系见表4-13。宽凸缘件的拉深原则：若零件所给的拉深系数m大于表4-12所给的第一次拉深系数极限值，零件的相对高度h/d小于表4-13所给的数值，则该零件可一次拉成。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 表4-13 凸缘件第一次，拉深的最大相对高度h/d（适用于08、10钢）拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 反之，若零件所给的拉深系数m值小于表4-12中所给值或其相对高度h/d大于表4-13中所给值，则该零件需要多次拉深。多次拉深的方法：按表4-12所给的第一次极限拉深系数或表4-13所给的相对拉深高度拉成凸缘直径等于零件尺寸的中间过渡形状，以后各次拉深均保持不变，只按表4-14中的拉深系数逐步减小筒形部分直径，直到拉成所需零件为止。拉深工艺及模具设计拉深工艺及模具设计 以后各道工序的拉深系数按下式决定：（4-24）1nnndmd表4-14 凸缘件以后各次的拉深系数（适用于08、10钢）拉深