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1、冷沖壓工藝與模具設(shè)計,第四章 拉深工藝與模具設(shè)計,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,定義： 利用專用模具將平板毛坯制成空心件的一種沖壓工藝方法，又稱拉延、壓延、引伸等。 用途： 可以制成筒形、階梯形、錐形和其它不規(guī)則形狀的薄壁零件，如和其它沖壓成形工藝配合，還可以制造形狀極為復(fù)雜的工件。 優(yōu)點： 拉深制造薄壁空心件生產(chǎn)效率高，材料消耗少，零件的強度和剛度高，而且零件的精度高。 分類： 圓筒形零件； 曲面形零件； 盒形零件； 非旋轉(zhuǎn)體曲面形狀零件。,第四章 拉深工藝與模具設(shè)計,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.1 拉深過程分析 4.2 筒形件拉深的主要質(zhì)量問題及防止措施 4.3 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定 4.4
2、 拉深模設(shè)計計算 4.5 有凸緣圓筒形件的拉深 4.6 其它零件的拉深 4.7 拉深件的工藝性 4.8 拉深中的輔助工序 4.9 其他拉深方法,第四章 拉深工藝與模具設(shè)計,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.1 拉深過程分析,一、拉深變形過程及特點 坐標網(wǎng)格試驗： 同心圓水平圓圈線 越靠近筒口，間距越大 表明： 金屬的塑性流動 拉深件組成 變形區(qū)：環(huán)形部分 不變形區(qū)：凸模下的圓形底部 傳力區(qū)：直壁部分 二、拉深過程中各部位的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.1 拉深過程分析,一、拉深變形過程及特點 二、拉深過程中各部位的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析 取平板毛坯上的一個扇形作研究 根據(jù)拉深過程中毛坯各部分的
3、應(yīng)力狀況不同，可劃分為五個部分 1、 平面凸緣部分(主要變形區(qū)) P122 公式 2、凸緣圓角部分(過渡區(qū)) 切向被壓縮，徑向被拉伸 3、筒體部分(傳力區(qū)) 單向受拉應(yīng)力(厚度變薄)，筒壁上厚下薄 4、底部圓角部分(過渡區(qū)) 危險截面 5、筒體底部 雙向拉伸變薄(類似于脹形),冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.2 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定,一、拉深件的修邊余量 二、變形程度和拉深系數(shù) 三、拉深次數(shù)的確定 四、工藝計算 五、以后各次拉深的特點和方法,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.2 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定,一、拉深件的修邊余量 影響因素：材料的力學(xué)性能的各向異性，模具間隙分布不均，摩擦阻力不均，定
4、位不準確等。 P129 表4-3 二、變形程度和拉深系數(shù) 三、拉深次數(shù)的確定 四、工藝計算 五、以后各次拉深的特點和方法,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.2 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定,一、拉深件的修邊余量 二、變形程度和拉深系數(shù) 1、變形程度：用拉深系數(shù)表示。 2、拉深系數(shù) 定義：拉深后與拉深前的圓筒形件的直徑之比。 極限拉深系數(shù)：P133表4-5、4-6 影響拉深系數(shù)的因素： 材料力學(xué)性能的影響：塑性越好，極限拉深系數(shù)越??； 材料相對厚度的影響：相對厚度越大，極限拉深系數(shù)越?。?拉深次數(shù)的影響：冷作硬化的影響，次數(shù)越多，極限拉深系數(shù)越大； 拉深方式的影響：是否使用壓邊圈則m不同。 其他影響：間
5、隙、凸凹模圓角半徑、潤滑條件等。 三、拉深次數(shù)的確定 四、工藝計算 五、以后各次拉深的特點和方法,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.2 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定,一、拉深件的修邊余量 二、變形程度和拉深系數(shù) 三、拉深次數(shù)的確定 根據(jù)極限拉深系數(shù)判定能否一次拉深成形； 多次拉深的拉深次數(shù)的確定： 計算法 查表法：P135表4-8 四、工藝計算 五、以后各次拉深的特點和方法,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.2 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定,一、拉深件的修邊余量 二、變形程度和拉深系數(shù) 三、拉深次數(shù)的確定 四、工藝計算 1、確定修邊余量； 2、計算毛坯尺寸： 簡單幾何形狀拉深件的毛坯尺寸 復(fù)雜旋轉(zhuǎn)體拉深件的毛
6、坯尺寸：作圖法、解析法 3、確定是否使用壓邊圈； 4、確定拉深次數(shù)； 5、確定各次拉深直徑； 6、選取各次半成品底部的圓角半徑； 7、計算各次拉深高度 8、畫出工序圖 五、以后各次拉深的特點和方法,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.2 圓筒形件拉深的有關(guān)尺寸的確定,一、拉深件的修邊余量 二、變形程度和拉深系數(shù) 三、拉深次數(shù)的確定 四、毛坯尺寸計算 五、以后各次拉深的特點和方法 特點： 1、圓筒形件毛坯的壁厚及力學(xué)性能都不均勻：加工硬化； 2、變形區(qū)(dn-1d n)保持不變，直至拉深終了之前，拉深力一直在增加，直至變形的最后階段才下降至零； 3、破裂往往出現(xiàn)在拉深的末尾，而不是發(fā)生在初始階段； 4、穩(wěn)
7、定性較首次拉深為好： 方法： 1、正拉深： 2、反拉深： 優(yōu)點：材料的流動方向有利于相互抵消拉深時形成的殘余應(yīng)力；材料的彎曲與反彎曲次數(shù)較少，加工硬化也少，有利于成形；毛坯與凹模接觸面大，材料的流動阻力也大，材料不易起皺，可不用壓邊圈，避免由于壓邊力不當或不均勻引起的拉裂。 缺點：當拉深系數(shù)很大而凹模壁厚不大時，凹模強度會不足,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.3 拉深模設(shè)計計算,一、拉深力和拉深功的計算 二、凸凹模工作部分尺寸的計算 三、凸凹模工作表面的技術(shù)要求 四、壓邊裝置,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,一、拉深力和拉深功的計算,1、壓邊力的計算 1)采用壓邊的條件：P155公式或P156表4-18 2)
8、壓邊力的計算：FQ=A p 2、拉深力的計算 無壓邊圈：FW=Kd t b 有壓邊圈：F=FW + FQ 選擇壓機時的注意事項：注意考察壓力機的壓力曲線，防止過載。一般地： 淺拉深：F0.7-0.8 F0 深拉深：F0.5-0.6 F0 3、拉深功的計算 拉深功：W=CFmaxhEXP-3 (J) 校核壓機功率：P=k W n / 60100012,4.3 拉深模設(shè)計計算,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,二、凸凹模工作部分尺寸的計算,1、凸凹模間隙 定義：單邊間隙 作用和影響：Z過小，則增加摩擦阻力，使工件易拉裂，易擦傷工件表面，降低模具壽命；Z過大，則對毛坯的校直作用小，影響工件尺寸精度。 確定原則
9、：考慮板料本身的公差，又要考慮筒形件口部的增厚現(xiàn)象。 確定值： 不用壓邊圈：Z=1-1.1 tmax 使用壓邊圈：P159表4-21； 對于精度要求高的拉深件，為了減小拉深后的回彈，降低零件的表面粗糙度，常采用負間隙拉深，Z = 09-0.95 t 最后一道拉深的間隙計算視工件尺寸標注決定。 2、凸凹模圓角半徑 3、凸凹模工作部分尺寸的確定,4.3 拉深模設(shè)計計算,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,二、凸凹模工作部分尺寸的計算,1、凸凹模間隙 2、凸凹模圓角半徑 作用 凹模圓角半徑過大，則易起皺，尤其是相對厚度較小狀態(tài)下的拉深后期；凹模圓角半徑過小，則增大變形阻力，引起拉深力增加、模具壽命降低。 凸模圓角
10、半徑影響不明顯，但過大，會引起拉深初期產(chǎn)生內(nèi)皺；過小，則降低筒壁傳力區(qū)危險截面的有效抗拉強度。 計算 凹模： 首次拉深：P160公式； 以后各次拉深：rdi =0.6-0.8 rdi-1 凸模： 首次拉深：rp =0.7-1.0 rd 以后各次拉深，逐步減小，最后一道拉深與工件相等。 3、凸凹模工作部分尺寸的確定,4.3 拉深模設(shè)計計算,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,二、凸凹模工作部分尺寸的計算,1、凸凹模間隙 2、凸凹模圓角半徑 3、凸凹模工作部分尺寸的確定 原則：考慮模具的磨損和拉深件的回彈 計算： 最后一次拉深：P163 工件標注外形尺寸：先確定凹模 Dd=(D-0.75) 工件標注內(nèi)形尺寸：先
11、確定凸模 Dp=(D+0.4) 多次拉深的中間工序： 半成品的尺寸公差沒有必要予以嚴格限制，模具的尺寸只要取半成品的過渡尺寸即可。,4.3 拉深模設(shè)計計算,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,三、凸凹模工作表面的技術(shù)要求,目的：提高成形質(zhì)量和成形極限，降低傳力區(qū)最大拉力值，提高危險截面的承載能力。 要求： 無論凸、凹模，表面不允許有砂眼、縮孔、裂紋和機械損傷等缺陷。 凹模和型腔工作表面一般Ra0.8，圓角處Ra0.4； 凸模工作表面特別是圓角處Ra1.6-0.8即可。,4.3 拉深模設(shè)計計算,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,四、壓邊裝置,1、類型 剛性壓邊圈：主要用于大型覆蓋件的拉深模； 彈性壓邊圈：多用于中、小型拉
12、深件使用的模具；(氣壓、液壓、彈簧、橡皮等) 2、結(jié)構(gòu)型式 平面壓邊圈：首次拉深用； 帶凸邊的壓邊圈：薄料件的拉深； 錐面壓邊圈：錐面凹模用； 帶拉延肋的壓邊圈：大型覆蓋件拉深； 3、尺寸及技術(shù)要求 尺寸：與凸模單面間隙取0.2-0.5mm； 技術(shù)要求：工作表面不允許開螺孔，應(yīng)具有足夠的剛度，頂桿分布應(yīng)對稱，保證壓邊圈在工作過程中能平穩(wěn)地移動，與毛坯的接觸表面Ra0.8，其余表面 Ra6.3- Ra3.2,4.3 拉深模設(shè)計計算,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.4 筒形件拉深的主要質(zhì)量問題及防止措施,一、起皺 二、拉裂 三、拉深凸耳 四、時效開裂,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.4 筒形件拉深的主要質(zhì)量問
13、題及防止措施,表征：凸緣邊上材料產(chǎn)生皺折 原因：坯料凸緣在切向壓應(yīng)力的作用下，可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。 影響：輕微的起皺坯料可通過凸凹模間隙完成拉深，但在筒壁上留下皺痕，影響制件表面質(zhì)量，而嚴重的起皺會使材料不能通過凸凹模間隙而出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。 防止措施： 1) 采用壓邊裝置； 2) 改善凸緣部分的潤滑，選用屈強比小、屈服點低的材料，盡量使板料相對厚度t/D大些，增大抗失穩(wěn)能力； 3) 設(shè)計合理的壓邊形式和適當?shù)睦罱睿?4) 采用反拉深方法,一、起皺,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.4 筒形件拉深的主要質(zhì)量問題及防止措施,表征：筒壁與筒底過渡部位產(chǎn)生開裂。 原因：出現(xiàn)起皺現(xiàn)象導(dǎo)致異常；拉深變形程度太大，拉
14、深力過大導(dǎo)致該部所受拉應(yīng)力超過材料的有效抗拉強度。 影響：制件報廢。 防止措施： 合理選取拉深系數(shù)，減小拉深變形程度，減小拉深力； 合理選用材料：屈強比小、屈服點低，硬化指數(shù)n值大； 選擇合理的凸、凹模圓角半徑； 合理進行潤滑。,二、拉裂,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.4 筒形件拉深的主要質(zhì)量問題及防止措施,表征： 在制件口端出現(xiàn)有規(guī)律的高低不平現(xiàn)象，凸耳的數(shù)目一般為4個； 原因： 材料的各向異性、纖維流線的影響； 影響： 制件口端不平齊，浪費材料； 防止措施： 修邊,三、拉深凸耳,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.4 筒形件拉深的主要質(zhì)量問題及防止措施,表征：制件拉深成形后，由于經(jīng)受到撞擊或振動，甚至存
15、放一段時間后出現(xiàn)的口部開裂現(xiàn)象，一般是從口端先開裂，進而擴展開來。 原因： 金屬組織：含有氫的作用(脫氫處理)； 殘余應(yīng)力：不均勻變形導(dǎo)致附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力。 影響：零件報廢 防止措施： 拉深后及時修邊； 拉深過程中及時進行中間退火； 在多次拉深時盡量在其口部留一條寬度較小的凸緣邊等。,四、時效開裂,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.5 有凸緣圓筒形件的拉深,一、帶凸緣筒形件的工藝計算與拉深方法 1、工藝計算 如能一次拉出，則無須計算與討論； 如何判定能否一次拉深成形？ 2、拉深方法 窄凸緣筒形件：先拉深成無凸緣圓筒形件，然后形成錐形凸緣，再壓平； 寬凸緣筒形件： 先拉到凸緣直徑dt，以后逐步改變筒體
16、，減小直徑，增加高度，直到完成零件成形； 對大型零件，相對厚度較大時，可先形成dt和h尺寸，以后僅通過改變凸凹模圓角半徑來改變筒體直徑。 二、舉例 P137-138 工藝計算示例,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.6 其它零件的拉深,一、盒形件的拉深特點 二、階梯形件的拉深 三、半球形件的拉深 四、拋物面形拉深件 五、錐形件的拉深,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.6 其它零件的拉深,一、盒形件的拉深特點 1、凸緣變形區(qū)內(nèi)徑向拉應(yīng)力的分布是不均勻的。在圓角部分最大，直邊部分最小。(與圓筒形件相比，平均拉應(yīng)力載荷要小很多) 2、由于直邊和圓角變形區(qū)內(nèi)材料的受力情況不同，直邊處材料向凹模流動的阻力要遠小于圓角處)
17、 3、在毛坯外周邊上，切向壓應(yīng)力的分布也是不均勻的，從角部到中間直邊部位，壓應(yīng)力的數(shù)值逐漸減小。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.6 其它零件的拉深,二、階梯形件的拉深 1、原理與圓筒形件拉深基本相同； 2、判斷一次拉深成形的方法：相對高度； 3、多次拉深工藝：相鄰階梯直徑的比值大于相應(yīng)的圓筒形件的極限拉深系數(shù)，則按從大階梯到小階梯的順序拉深；相鄰階梯直徑的比值小于相應(yīng)的圓筒形件的極限拉深系數(shù)，則該對應(yīng)的相鄰階梯拉深順序顛倒；最小的階梯超過極限時可以用脹形方法獲得；淺拉深可是用球面件(大圓角件)+整形工序；,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.6 其它零件的拉深,三、半球形件的拉深 凸緣變形區(qū)與圓筒形件拉深基
18、本相同，但中間部分比較復(fù)雜，頂點附近是脹形，受雙向拉伸變形(應(yīng)力)，隨著與頂點距離的加大，逐漸過渡到壓應(yīng)力狀態(tài)，存在應(yīng)力界圓)； 易起皺，可采用帶校整作用的有底凹模； 拉深系數(shù)為常數(shù)，常用毛坯的相對厚度作為判定拉深的難易的主要依據(jù)。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.6 其它零件的拉深,四、拋物面形拉深件 極易起皺； 淺的拋物面拉深件的拉深方法與半球形件的拉深方法相同； 深的拋物面拉深件采用多工序逐漸成形。 可采用充液拉深，效果較好。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.7 拉深件的工藝性,定義：指零件拉深加工的難易程度。 應(yīng)盡量減少拉深件的高度，使其有可能用一次或兩次拉深工序來完成。 一、拉深件結(jié)構(gòu)形狀的要求
19、 二、拉深件圓角半徑的要求 三、拉深件的公差 四、拉深件的材料,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.7 拉深件的工藝性,一、拉深件結(jié)構(gòu)形狀的要求 1、設(shè)計的拉深件應(yīng)明確標注須保證的是內(nèi)形尺寸還是外形尺寸，不可兩者同時標注； 2、對工藝性較差的過高或過深的空心零件應(yīng)盡量減少其高度。 3、應(yīng)盡量避免曲面空心零件的尖底或尖轉(zhuǎn)角； 4、多工序加工的復(fù)雜形狀零件，應(yīng)考慮多工序加工用的統(tǒng)一工藝基準； 5、應(yīng)盡量避免異常復(fù)雜或非對稱拉深件。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.7 拉深件的工藝性,二、拉深件圓角半徑的要求 凸緣圓角半徑rd：應(yīng) rd2t，一般取rd =(4-8)t，當 rd 0.5mm時，應(yīng)增加整形工序； 底部
20、圓角半徑rp ：應(yīng) rp t，一般取rp (3-5)t，當 rp t 時，應(yīng)增加整形工序； 盒形拉深件壁間圓角半徑r：應(yīng) r 3t，為減少拉深次數(shù)并簡化拉深件的毛坯形狀，盡可能使盒形件的高度小于或等于7 r。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.7 拉深件的工藝性,三、拉深件的公差 拉深件橫斷面的尺寸公差，一般都在IT13級以下，如果零件公差要求高，則需增加整形工序。 四、拉深件的材料 應(yīng)具有良好的拉深性能 1、硬化指數(shù)n：越大越好； 2、屈強比：越小越好； 3、塑性應(yīng)變比：越大越好。反映了材料的厚向異性性能。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.8 拉深中的輔助工序,一、潤滑 二、熱處理 三、酸洗,冷沖壓工藝與
21、模具設(shè)計,4.8 拉深中的輔助工序,一、潤滑 潤滑點：凹模，壓邊圈 目的和作用：減小板料與壓邊圈、板料與凹模平面、板料與凹模圓角、板料與凹模側(cè)壁的摩擦力，防止拉裂。 切忌：不可潤滑凸模 潤滑劑要求： 1) 能形成高強度薄膜，以承高壓； 2) 附著性能好，摩擦系數(shù)小、均勻； 3) 對模具、零件、人體無傷害或毒副作用； 4) 便于清洗，配制方便，價格低廉。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.8 拉深中的輔助工序,二、熱處理 作用：消除加工硬化和內(nèi)應(yīng)力 方法：低溫退火(表面質(zhì)量好)或高溫退火(表面質(zhì)量差) 必須及時進行，防止存放時間過長零件變形或裂紋。 三、酸洗 作用：去除熱處理后的氧化皮或其他污物，便于再
22、拉深或噴漆等后續(xù)工作。 過程：蘇打水去油加熱的稀酸液中浸泡冷水漂洗(或弱堿中和) 熱水洗滌烘干。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.9 其他拉深方法,一、軟模拉深 二、差溫拉深 三、脈動拉深 四、變薄拉深,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.9 其他拉深方法,一、軟模拉深 軟凸模拉深： 缺點是易拉偏，底部產(chǎn)生脹形變?。?優(yōu)點是模具簡單，甚至不需沖壓設(shè)備，常用于大零件的小批量生產(chǎn)。零件貼模性較好，對錐形件、半球形件和拋物面件，可得到尺寸精度高、表面質(zhì)量好的零件。 軟凹模拉深： 液體凹模拉深(強制潤滑拉深)：材料變形阻力較??；零件底部不易變??；毛坯定位也較容易。 橡皮液囊凹模拉深：液體不與工件直接接觸。,冷沖壓工藝
23、與模具設(shè)計,4.9 其他拉深方法,二、差溫拉深 局部加熱和局部冷卻毛坯的拉深： 加熱變形區(qū)，以減小變形抗力；冷卻傳力區(qū)，以提高強度； 適用于低塑性材料(鈦合金、鎂合金)的零件及形狀復(fù)雜的深拉深件。 深冷拉深： 傳力區(qū)冷卻到-160至-170，抗拉強度提高近2倍，顯著降低拉深系數(shù)。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.9 其他拉深方法,三、脈動拉深 優(yōu)點：將壓邊圈的防皺作用改為消皺作用，可以得到更小的拉深系數(shù)。 缺點：拉深過程復(fù)雜，需要專用設(shè)備。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,4.9 其他拉深方法,四、變薄拉深 主要是在拉深過程中改變拉深件筒壁的厚度，而毛坯的直徑變化很小。 特點： 由于材料的變形是處于均勻壓應(yīng)力之下，材料產(chǎn)生很大的加工硬化，金屬晶粒變細，增加了強度。 經(jīng)塑性變形后，新的表面粗糙度小，Ra可達0.2以下。 因拉深過程的摩擦嚴重，故對潤滑及模具材料的要求較高。,冷沖壓工藝與模具設(shè)計,作業(yè),P176 習(xí)題3 求圖4-77所示圓筒形拉深件的毛坯直徑及各次拉深直徑。 本章結(jié)束，謝謝!,
拉深工藝及模具設(shè)計
