模具設計與制造第7章--拉深工藝與模具設計

1、模具設計與制造學習目標第7章 拉深工藝與模具設計了解拉深變形過程及特點熟悉拉深過程的起皺與破裂現(xiàn)象熟悉拉深件的工藝性了解圓筒形件拉深的工藝計算及用途掌握拉深模工作部分的設計掌握拉深模的典型結構 拉深是指利用模具將平板毛坯沖壓成開口空心零件，或?qū)㈤_口空心零件進一步改變形狀和尺寸的一種沖壓加工方法。 拉深工藝廣泛應用于汽車、拖拉機、儀表、電子、航空航天等各個工業(yè)部門和日常生活用品的生產(chǎn)中，是冷沖壓的基本工序之一，不僅可以加工旋轉體零件，還可加工盒形零件及其他形狀復雜的薄壁零件，如圖7-1所示。|7.1 概述|圖7-1拉深件的類型7.2.1 拉深變形過程及特點如圖7-2所示是圓筒形件的拉深過程。直徑

2、為D、厚度為t的圓形平板毛坯經(jīng)過拉深模具的拉深，得到具有內(nèi)徑為d、高度為h的開口直壁圓筒型件，并且h（Dd）/2。|7.2 圓筒形件拉深工藝分析|圖7-3拉深時材料轉移通過網(wǎng)格試驗分析拉深時材料的轉移，可進一步說明拉深時金屬的流動情況，如圖7-4所示。圖7-4拉深件的網(wǎng)格試驗圖7-5拉深件材料厚度與硬度的變化7.2.2 拉深過程中的應力與應變通過分析板料在拉深過程中的應力與應變，將有助于拉深工作中工藝問題的解決和保證產(chǎn)品質(zhì)量。在拉深過程中，材料在不同的部位具有不同的應力狀態(tài)和應變狀態(tài)。筒形件是最簡單、最典型的拉深件。如圖7-6所示是筒形件在有壓邊圈的首次拉深中某一階段的應力與應變情況。根據(jù)應力

3、與應變狀態(tài)的不同，可將拉深毛坯劃分為五個區(qū)域：區(qū)為凸緣部分，是拉深工藝的主要變形區(qū)；區(qū)為凹模圓角部分，是一個過渡區(qū)域；區(qū)為筒壁部分，起傳遞力的作用；區(qū)為凸模圓角部分，也是一個過渡區(qū)域；區(qū)是筒形件的底部，可認為沒有塑性變形。圖7-6拉深過程中的應力與應變狀態(tài)7.2.3 拉深過程中的起皺與破裂（1）起皺。在拉深時，由于凸緣材料存在著切向壓縮應力 ，當這個壓應力大到一定程度時，板料切向?qū)⒁蚴Х€(wěn)而被拱起，這種在凸緣四周沿切向產(chǎn)生波浪形的連續(xù)彎曲稱為起皺，如圖7-7（a）所示。當拉深件產(chǎn)生起皺后，輕者凸緣變形區(qū)材料仍能被拉進凹模，但會使工件口部產(chǎn)生波紋，影響工件的質(zhì)量，如圖7-7（b）所示。起皺嚴重時，

4、由于起皺后的凸緣材料不能通過凸、凹模間隙而使拉深件拉裂，如圖7-7（c）所示。起皺是拉深中產(chǎn)生廢品的主要原因之一。圖7-7拉深件的起皺破壞（2）破裂。起皺并不表示板料變形到達了極限，因為通過加壓邊圈等措施后，變形程度仍然可以提高。隨著變形程度的提高，變形力也相應地增大，當變形力大于危險斷面的承載能力時，拉深件則被拉破，如圖7-8所示，因此，危險斷面的承載能力是決定拉深能否順利進行的關鍵。圖7-8拉深件的破裂7.2.4 拉深件的工藝性（1）拉深件的公差等級。一般拉深件的尺寸精度不宜要求過高，應在IT13級以下，不宜高于IT11級。如果公差等級要求高，可增加整形工序達到尺寸要求。拉深件由于各處變形

5、不均勻，上下壁厚變化可達 ，t為板料厚度。對于不變薄拉深，壁厚公差要求一般不應超出拉深工藝壁厚變化規(guī)律。 （2）拉深件的形狀與尺寸。圖7-9拉深件的孔邊距（3）拉深件的高度。（4）拉深件的圓角半徑。（5）拉深件的材料選用。用于拉深的材料一般要求具有較好的塑性、較低的屈強比、較大的板厚方向性系數(shù)和較小的板平面方向性。7.3.1 毛坯尺寸的計算（1）確定修邊余量。由于板料存在著各向異性，實際生產(chǎn)中毛坯和凸、凹模的中心也不可能完全重合，因此，拉深件口部不可能很整齊，通常都要有修邊工序，以切去不整齊部分。為此，在計算毛坯尺寸時，應預先留有修邊余量，筒形件和凸緣件的修邊余量可分別查表7-1和表7-2，表

6、中符號如圖7-10所示。|7.3 圓筒形件拉深的工藝計算|拉深高度h拉深相對高度h/d或h/B0.50.80.81.61.62.52.54101.01.21.5210201.21.622.5205022.53.345010033.856100150456.5815020056.381020025067.591125078.51012表7-1 無凸緣拉深件的修邊余量h 單位：mm拉深高度h相對凸緣直徑dt/d或Bt/B1.51.5222.52.53251.81.61.41.225502.52.01.81.6501003.53.02.52.21001504.33.63.02.51502005.04

7、.23.52.72002505.54.63.82.82506.05.04.03.0表7-2 帶凸緣拉深件的修邊余量h 單位：mm（2）計算工件表面積。為了便于計算，把零件分解成若干個簡單幾何體，分別求出其表面積后相加。如圖7-10所示的零件可看成由圓筒直壁部分1，圓弧旋轉而成的球臺部分2以及底部圓形平板3三部分組成。圖7-10圓筒形件毛坯尺寸計算1圓筒直壁部分2球臺部分3底部圓形平板（3）求出毛坯尺寸。毛坯的直徑D可按以下公式計算。7.3.2 拉深次數(shù)的確定1拉深系數(shù)的概念和意義拉深的變形程度大小可以用拉深件的高度和直徑的比值來表示，比值小的變形程度小，可以一次拉深成形，而比值大的，需要兩次或

8、兩次以上拉深才能成形。但在設計拉深工藝過程與確定必要的拉深工序數(shù)目時，通常用拉深系數(shù)作為計算的依據(jù)。拉深系數(shù)是指拉深后圓筒形件的直徑與拉深前毛坯（或半成品）的直徑之比，如圖7-11所示，即第一次拉深系數(shù) 第二次拉深系數(shù) 第n次拉深系數(shù) 式中：D毛坯直徑；d1、d2、d、dn各次拉深后圓筒部分的中徑。圖7-11圓筒形件的多次拉深拉深件的中徑dn與毛坯直徑D之比稱為總拉深系數(shù)，即拉深件所需要的拉深系數(shù)，用m表示。極限拉深系數(shù)值一般是在一定的拉深條件下，用實驗方法得出的，如表7-3和表7-4所示。為了防止在拉深過程中產(chǎn)生起皺與拉裂的缺陷，應減小拉深變形程度，增大拉深系數(shù)，減小起皺和拉裂的可能性。拉深

9、系數(shù)表達了拉深工藝的難易程度。知道了每次拉深允許的極限拉深系數(shù)，就可以確定拉深次數(shù)了。極限拉深系數(shù)毛坯相對厚度（t/D）1002.01.51.51.01.00.60.60.30.30.150.150.08m10.480.500.500.530.530.550.550.580.580.600.600.63m20.730.750.750.760.760.780.780.790.790.800.800.82m30.760.780.780.790.790.800.800.810.810.820.820.84m40.780.800.800.810.810.820.820.830.830.850.850.

10、86m50.800.820.820.840.840.850.850.860.860.870.870.88表7-3圓筒形件帶壓邊圈的極限拉深系數(shù)極限拉深系數(shù)毛坯相對厚度（t/D）1001.52.02.53.03.0m10.650.600.550.530.50m20.800.750.750.750.70m30.840.800.800.800.75m40.870.840.840.840.78m50.900.870.870.870.82m60.900.900.900.85表7-4圓筒形件不帶壓邊圈的極限拉深系數(shù)2拉深次數(shù)的確定拉深次數(shù)通常只能概略進行估計，最后需通過工藝計算來確定。初步確定無凸緣圓筒件

11、拉深次數(shù)的方法有以下幾種。（1）推算法。（2）計算法。（3）查表法。拉深次數(shù)n毛坯相對厚度（t/D）10021.51.5110.60.60.30.30.150.150.0810.940.770.840.650.700.570.620.50.520.450.460.3821.881.541.601.321.361.11.130.940.960.830.90.733.52.72.82.22.31.81.91.51.61.31.31.145.64.34.33.53.62.92.92.42.42.02.01.558.96.66.65.15.24.14.13.33.32.72.72.0表7-5無凸緣筒形

12、拉深件的最大相對高度h/d7.3.3 工序件尺寸的計算工序件尺寸包括半成品的直徑dn 、筒底圓角半徑rn 和筒壁高度hn 。在拉深次數(shù)確定后，為使在允許的條件下產(chǎn)生更大程度的拉深變形，須調(diào)整拉深系數(shù)后，確定工序件直徑和工序件高度。（1）工序件直徑的確定。（2）工序件高度的確定。7.3.4 拉深力與壓邊力的確定1拉深力的計算從理論上計算拉深力在前面已推導過，但它在實際應用上并不方便，而且因為影響因素比較復雜，計算結果與實際拉深力往往有出入，所以生產(chǎn)中常用經(jīng)驗公式計算拉深力。拉深系數(shù)m10.550.570.600.620.650.770.700.720.750.750.80修正系數(shù)k11.000.

13、930.860.790.720.660.600.550.500.450.40拉深系數(shù)m20.700.720.750.770.800.850.900.95修正系數(shù)k21.000.950.900.850.800.700.600.50表7-6修正系數(shù)2壓邊力的計算（1）壓邊條件。解決拉深工作中的起皺問題的主要方法是采用防皺壓邊圈，并且壓邊力要適當。必須指出，如果拉深的變形程度比較小，毛坯的相對厚度比較大，則不需要采用壓邊圈，因為不會產(chǎn)生起皺。拉深中是否需要采用壓邊圈，可按表7-7的條件決定。拉深方法第一次拉深后續(xù)各次拉深（t/D）100m1（t/D）100m2用壓邊圈1.50.61.02.00.61

14、.50.8可用可不用1.52.00.61.01.50.8表7-7采用或不采用壓邊圈的條件（2）確定壓邊力。在模具設計時，通常是使壓邊力 稍大于防皺作用所需的最低值，即在保證毛坯凸緣變形區(qū)不起皺的前提下，盡量選用小的壓邊力，并按下列經(jīng)驗公式進行計算。 筒形件第一次拉深時筒形件后續(xù)各次拉深時材 料 名 稱單位壓邊力P材 料 名 稱單位壓邊力P鋁0.81.2鍍錫鋼板2.53.0硬鋁（已退火）、紫銅1.21.8高溫合金2.83.5黃銅1.52.0高合金鋼不銹鋼3.08.5軟鋼t0.5mm2.53.0t0.5mm2.02.5表7-8 單位壓邊力P 單位：MPa3壓力機公稱壓力的選擇對于單動壓力機，其公稱

15、壓力應大于工藝總壓力。工藝總壓力為拉深力 與壓邊力 之和。對于雙動壓力機，應分別考慮內(nèi)外滑塊的公稱壓力與對應的拉深力 與壓邊力 的關系。選擇壓力機公稱壓力時必須注意，當拉深行程較大，尤其是采用落料、拉深復合模時，應使工藝力曲線位于壓力機滑塊的許用壓力曲線之下，不能簡單地根據(jù)落料力與拉深力疊加之和小于壓力機公稱壓力去確定壓力機的規(guī)格，否則很可能由于過早地出現(xiàn)最大沖壓力而使壓力機超載損壞，如圖7-12所示。而應該考慮壓力機在落料、拉深的復合沖壓成形中所做的功，考慮壓力機電機能否負荷。圖7-12拉深力與壓力機的壓力曲線1壓力機的壓力曲線 2拉深力 3落料力7.4.1 凸、凹模結構設計拉深凸模與凹模的

16、結構形式取決于工件的形狀、尺寸以及拉深方法、拉深次數(shù)等工藝要求，不同的結構形式對拉深的變形情況、變形程度的大小及產(chǎn)品的質(zhì)量均有不同的影響。常見的凸凹模結構形式如下。（1）無壓料的拉深模結構形式。如圖7-13所示為不帶壓邊圈的一次拉深時所用的凸、凹模結構，其中圖7-13（a）所示的圓弧形凹模結構簡單，加工方便，是常用的拉深凹模結構形式；圖7-13（b）和圖7-13（c）所示的錐形凹模和漸開線形凹模對抗失穩(wěn)起皺有利，但加工復雜，主要用于拉深系數(shù)較小的拉深件；圖7-13（d）為等切面形結構。|7.4 拉深模工作部分設計|（2）有壓料的拉深模結構形式。圖7-14是帶壓邊圈的凸、凹模結構，其中圖7-14

17、（a）所示的凸、凹模具有圓角結構，用于拉深直徑d100 mm的拉深件；圖7-14（b）所示的凸、凹模具有錐角結構，用于拉深直徑d100 mm的拉深件，采用這種有錐角的凸模和凹模，除具有改善金屬的流動，減少變形抗力，使材料不易變薄等一般錐形凹模的特點外，還可減輕毛坯反復彎曲變形的程度，提高零件側壁質(zhì)量，使毛坯在下次工序中容易定位等。圖7-13無壓料拉深模的凹模結構形式圖7-14有壓料的拉深模工作部分的結構無論對于有無采用壓料裝置的拉深模，為了便于取出工件，拉深凸模都應鉆通氣孔，其尺寸如表7-9所示。凸模直徑5050100100200200出氣孔直徑56. 589.5表7-9 通氣孔尺寸 單位：m

18、m7.4.2 拉深模具間隙拉深模間隙指的是凸、凹模之間的雙面間隙。間隙的大小對拉深力、拉深件的質(zhì)量以及模具壽命都有很大的影響。間隙小時，拉深件回彈小，側壁平直而光滑，質(zhì)量較好，精度較高；若間隙值太小，拉深力增加，導致工件變薄嚴重，甚至拉裂，模具表面間的摩擦、磨損嚴重，模具壽命降低；間隙過大時，拉深力降低，模具的壽命提高，但毛坯容易起皺，拉深件錐度大，精度較差，因此，拉深模的間隙值應合理，確定時要考慮壓邊狀況、拉深次數(shù)和工件精度等。其原則是既要考慮板料本身的公差，又要考慮板料的增厚現(xiàn)象，間隙取值一般都比毛坯厚度略大一些。（1）無壓料裝置拉深。（2）有壓料裝置拉深。有壓料裝置的拉深模，其凸、凹模間

19、隙可按表7-10查取。總拉深次數(shù)拉深工序單邊間隙Z/2總拉深次數(shù)拉深工序單邊間隙Z/21一次拉深（11.1）t4第一、二次拉深1.2t第三次拉深1.1t2第一次拉深1.1t第四次拉深（11.05）t第二次拉深（11.05）t5第一、二、三次拉深1.2t3第一次拉深1.2t第四次拉深1.1t第二次拉深1.1t第五次拉深（11.05）t第三次拉深（11.05）t表7-10 有壓料裝置拉深時單邊間隙值 單位：mm7.4.3凸、凹模工作部分的尺寸和公差零件的尺寸精度由最后一次拉深的凸、凹模的尺寸及公差決定，而最后一次拉深中凹模及凸模的尺寸和公差又應按零件的要求來確定。一般除最后一道拉深模的尺寸公差需要

20、考慮外，首次及中間各道次的模具尺寸公差和拉深半成品的尺寸公差沒有必要作嚴格限制，這時模具的尺寸只要取等于毛坯的過渡尺寸即可。1凹模圓角半徑凹模圓角半徑的大小對拉深工作影響很大，影響到拉深件的質(zhì)量、拉深力的大小和拉深模的壽命，因此，合理選擇凹模圓角半徑是極為重要的。首次拉深凹模圓角半徑也可以參考表7-11的值選取。拉 深 方 式毛坯的相對厚度 （t/D）1002.01.01.00.30.30.1無凸緣（46）t（68）t（812）t有凸緣（612）t（1015）t（1520）t表7-11首次拉深凹模的圓角半徑rd12凸模圓角半徑凸模圓角半徑的大小對拉深影響沒有凹模圓角半徑的影響大，但其值也必須合

21、適，過小的rp會使危險斷面受拉力大，工件易產(chǎn)生局部變?。欢鴕p過大，則使凸模與毛坯接觸面小，易產(chǎn)生底部變薄和內(nèi)皺。3凸、凹模工作部分的尺寸和公差零件對外形、內(nèi)形的要求涉及拉深模的設計基準，所以應該嚴格分析，如圖7-15所示。圖7-15拉深零件尺寸與模具尺寸7.4.4壓邊裝置目前，在生產(chǎn)實際中常用的壓邊裝置有以下兩大類。（1）彈性壓邊裝置。這種裝置多用于普通沖床，通常有3種：橡皮壓邊裝置、彈簧壓邊裝置和氣墊式壓邊裝置，如圖7-16所示，這3種壓邊裝置壓邊力的變化曲線如圖7-17所示。另外，氮氣彈簧技術也逐漸在模具中使用。隨著拉深深度的增加，需要壓邊的凸緣部分不斷減少，故需要的壓邊力也就逐漸減小。

22、如圖7-17所示，可以看出橡皮及彈簧壓邊裝置的壓邊力卻恰好與需要的壓邊力相反，隨拉深深度的增加而增加，尤其以橡皮壓邊圈更為嚴重。這種情況會使拉深力增加，從而導致零件斷裂，因此，橡皮及彈簧結構通常只用于淺拉深。圖7-16彈性壓邊裝置圖7-173種壓邊裝置壓邊力的變化曲線 （2）剛性壓邊裝置。剛性壓邊裝置如圖7-18所示，這種結構用于雙動壓力機，凸模裝在壓力機的內(nèi)滑塊上，壓邊裝置裝在外滑塊上。在拉深過程中，外滑塊保持不動，所以其剛性壓邊力不隨行程變化，拉深效果好，模具結構簡單。圖7-18剛性壓邊裝置1曲軸2凸輪3外滑塊4內(nèi)滑塊5凸模6壓邊圈7凹模7.5.1首次拉深模如圖7-19所示為無壓邊圈的首次

23、拉深模具。半成品工件以定位板5定位，拉深凸模2向下運行，直至拉深凸模將板料壓入到拉深凹模3下面拉成工件，拉深結束。拉深凸模2向上運行，靠拉深凹模下部的卸件環(huán)4脫下拉深件。因為拉深凸模2要深入到拉深凹模3下面，所以該模具只適合于淺拉深。為使工件在拉深后不緊貼在凸模上難以取下，在拉深凸模2上開有通氣小孔。這種類型的模具結構簡單，常用于板料塑性好、相對厚度較大時的拉深。|7.5 拉深模的典型結構|圖7-19無壓邊圈的首次拉深模具 1模柄2凸模3凹模 4卸件環(huán) 6定位板7凹模8下模座圖7-20所示為帶上壓邊裝置的首次拉深模。拉深前，半成品工件以定位板6定位。拉深時，凸模10向下運行，半成品工件因受壓彈

24、簧4的作用，首先被壓邊圈5平整地壓在拉深凹模7表面，凸模10繼續(xù)向下運行，彈簧4繼續(xù)受壓，直至拉深成形出工件。拉深結束，凸模向上運行，壓邊圈在彈簧的作用下回復，并將包在拉深凸模上的工件刮下來。這種具有彈性壓邊裝置的首次拉深模是最廣泛采用的首次拉深模結構形式，壓邊力由彈性元件的壓縮產(chǎn)生。該種模具結構的凸模比較長，只適宜于拉深深度不大的工件。同時，由于上?？臻g位置受到限制，不可能使用很大的彈簧或橡皮，因此，上壓邊裝置的壓邊力小，這種裝置主要用于壓邊力不大的場合。圖7-20帶上壓邊裝置的首次拉深模1模柄2上模座3凸模固定板4彈簧5壓邊圈 6定位板7凹模8下模座9卸料螺釘10凸模7.5.2以后各次拉深

25、模各次各工序拉深模的定位方法常用的有3種：第1種采用特定的定位板；第2種是凹模上加工出供半成品定位的凹窩，如圖7-21所示；第3種為利用半成品內(nèi)孔，用凸模外形或壓邊圈的外形來定位，此時所用壓邊裝置已不再是平板結構，而應是圓筒形或錐形結構。圖7-21無壓邊裝置的以后各次拉深模1模柄2上模座3墊板4凸模固定板5凸模6定位板7凹模8凹模固定板9下模座7.5.3落料拉深復合模圖7-22為落料拉深復合模。在設計這類模具時要注意，必須保證沖壓時要先落料再拉深，所以拉深凸模12低于落料凹模6。此副模具的工作過程是：條形板材由前向后通過固定卸料板的定位槽送進定位，上模下行，拉深凸模12與落料凹模6首先完成落料

26、工序；上模繼續(xù)下行，拉深凸模開始接觸壓邊圈13壓住的落料毛坯，并將其壓入落料拉深凸凹模3孔內(nèi)，完成拉深工序；上?；爻虝r，剛性卸料板從落料拉深凸凹模上卸下廢料，壓邊圈在彈頂裝置的作用下將工件從拉深凸模上刮掉；若工件卡在落料拉深凸凹?？變?nèi)，可通過推件塊10在上?；爻痰揭欢ň嚯x后，在壓力機打料橫梁的阻止作用下，相對向上運行的上模向下運動，將工件推出。圖7-22筒形件落料拉深復合模 1模柄2上模座3落料拉深凸凹模4導套5導柱 6落料凹模7下模座8打桿 9定距塊10推件塊 11剛性卸料板12拉深凸模13壓邊圈14頂桿沖壓生產(chǎn)中，帶凸緣筒形件是經(jīng)常加工的，其拉深過程中各變形區(qū)的應力狀態(tài)和變形特點與無凸緣筒

27、形件的是相同的。帶凸緣筒形件的拉深是無凸緣筒形件拉深的某一中間狀態(tài)，坯料凸緣部分沒有被全部拉入凹模，當拉深進行到凸緣外徑等于零件凸緣直徑（包括修邊余量）時，拉深工作就可以結束，所以帶凸緣筒形件的拉深方法及計算方法與一般無凸緣的筒形件有一定的差別。凸緣件有小凸緣和寬凸緣之分，把dp/d1.4的凸緣件稱為小凸緣件，dp/d1.4的凸緣件稱為寬凸緣件，如圖7-23所示。|7.6 帶凸緣筒形件的拉深簡介|圖7-23兩種帶凸緣筒形件7.6.1窄凸緣筒形件的拉深（1）窄凸緣筒形件的拉深方法。若h/d大于一次拉深的許用值時，只在倒數(shù)第二道才拉出凸緣或者拉成錐形凸緣，最后校正成水平凸緣，如圖7-24所示；若h

28、/d較小，則第一次可拉成錐形凸緣，后校正成水平凸緣。（2）窄凸緣筒形件拉深的工藝計算。窄凸緣筒形件拉深時的工藝計算流程，完全按一般無凸緣筒形件的工藝計算方法。圖7-24窄凸緣件拉深7.6.2寬凸緣筒形件的拉深1寬凸緣圓筒件的拉深方法寬凸緣圓筒件的拉深方法可分為以下兩種。（1）中小型（df 200mm）、料薄的拉深件。（2）大型（ df200mm）的拉深件。圖7-25寬凸緣件的拉深方法1一次拉深2二次拉深3三次拉深4四次拉深2帶凸緣筒形件的工藝計算（1）毛坯尺寸計算。（2）判斷能否一次拉深成形。（3）拉深次數(shù)和半成品尺寸的確定。（4）各次拉深后的筒部高度計算。凸緣相對直徑df/d毛坯相對厚度t/D1000.060.20.20.50.51