第四章拉深.docx

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第四章拉深

第4章拉深

拉深（又称拉延）是利用拉深模在压力机的压力作用下，将平板坯料或空心工序件制成开

口空心零件的加工方法。

拉深所使用的模具叫拉深模。

拉深是冲压基本工序之一，广泛应用于汽车、电子、日用品、仪表、舶空和航天等各种工业部门的产品生产中，不仅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，如图4.1所示。

拉深工艺可分为不变薄拉深和变薄拉深两种。

后者在拉深后零件壁厚与毛坯厚度相比较有明显变薄。

生产中主要应用不变薄拉深。

本章重点介绍不变薄拉深工艺与模具设计。

4.1拉深过程分析

4.1.1变形过程分析

如图4.2所示为将平板毛坯拉深成空心筒形件的过程。

拉深模的工作部分没有锋利的刃口，而是具有一定的圆角，其单边间隙稍大于毛坯厚度，当凸模向下运动时，即将圆的毛坯经凹模的孔口压下，而形成空心的筒形件。

拉深工艺的主要特征是金属产生了流动。

图4.3所示，是将一个直径为D的平板毛坯，作成一个直径为d，高度为h的筒形件。

如将毛坯与工件的形状和尺寸作一比较，就会发现毛坯中间直径为d的部分变为工件的底部，毛坯上（D—d）圆环部分变为工件的筒壁h，而且h>1/2（D—d），这说明在拉深过程中，金属产生了流动，可认为毛坯中阴影部分的金属被挤向上部，增加了工件的高度。

为更进一步了解金属的流动状态，可在圆形毛坯上画出许多等间距的同心圆和等度的辐射线，如图4.4所示，由这些同心圆和辐射线所组成的网格，经拉深后我们发现：

在筒形件底部的网格基本上保持原来的形状，而在筒形件的筒壁部分，网格则发生了很大的变化。

原来的同心圆变为筒壁上的水平圆筒线，而且其间距a也逐渐增大，愈靠近筒的上部图4.1拉深件的分类

图4.2圆筒件拉深图4.3拉深时材料流动示意图

1一凸模2一压边圈3一凹模

4一毛坯5一拉深件

图4.4拉深件的网格变化

增大愈多，即：

a1＞a2＞a3＞……a

另外，原来等分的辐射线变成了筒壁上的垂直平行线，其间距完全相等，即：

b1＝b2＝b3……≥b

如从筒壁取下网格中的一个小单元体来看，在拉深前为扇形的A1在拉深后变成了矩形A2，假如忽略很少的厚度变化，则小单元体的面积不变，即：

A1＝A2。

综上所述，拉深变形过程可以归纳如下：

1.在拉深过程中，其底部区域几乎不发生变化。

2.由于金属材料内部的相互作用，使金属各单元体之间产生了内应力，在径向产生拉伸应力σ1；在切向产生压缩应力σ3。

在σ1和σ3的共同作用下，凸缘区的材料在发生塑性变形的条件下不断地被拉人凹模内成为筒形零件的直壁。

3.拉深时，凸缘变形区内各部分的变形是不均匀的，外缘的厚度、硬度最大，变形亦最大。

4.1.2拉深中的起皱与破裂

1.起皱

拉深时凸缘部分受到切向压应力σ3的作用，由于材料较薄，当切向压应力σ3达到一定值时，凸缘部分材料便失去稳定而产生弯曲。

这种在凸缘的整个周围产生波浪形的连续弯曲就称为起皱，如图4.5所示。

当拉深件产生起皱后，轻则使工件口缘部分产图4.5拉深件的起皱

生波纹，影响拉深件的质量。

起皱严重时，则由于起皱后的边缘不能通过间隙而使工件拉破。

起皱是拉深过程产生废品的主要原因之一。

2.破裂

起皱并不表示板料变形达到了极限，因为通过加压边圈等措施后变形程度仍然可以提高。

随着变形程度的提高，变形力也相应地提高，当变形力大于传力区（筒形件的壁部）的承载能力时拉深件则被拉破，筒形件的破裂都发生在壁部凸模圆角切点稍上一点的位置，如

图4.6所示。

其原因如下：

越靠近毛坯的外缘，“多余”的金属也越多，即拉深过程中需要转移的金属也越多。

转移的金属一部分流往径向，使筒形件高度增加，一部分流向厚度方向，使筒形件壁厚增加；另一方面，由于金属变形量大，产生加工硬化也明显，所以靠近边缘处的工件（即拉深件的口部）厚度大，强度也高。

与该处形成鲜明对比的是，在拉深开始时处于凸、凹模间隙中的那个环形金属（拉深后变为凸模圆角稍上的筒壁），由于需要转移的金属极

图4.6拉深件的破裂图4.7拉深件壁厚的变化

少，因此该处壁厚不但没有增厚反而有所降低，其强度当然也是壁部最低的，如图4.7所示。

可见该部位的承载能力是最低的，因此破裂最易发生在此处。

在凸模圆角部位的金属承载能力也很低，但因为凸模的摩擦作用，一般不会发生破裂。

图4.7为用1mm厚的低碳钢拉深后各部位壁厚变化情况。

表4.1筒形件的修边余量Δhmm

注：

1.对正方形或矩形可用h／B代替相对高度，B为矩形件的短边高度；

2.对多次拉深件应有中间修边工序；

3.对材料厚度小于0.5mm的薄壁多次拉深件应按表值放大30％。

表4.2带凸缘件的修边余量Δdmm

为了保证拉深件的质量，目前主要采取如下措施：

1.根据材料的塑性选择合理的变形程度，凡是高度较大的拉深件都应多次拉深，并采

用中间退火的措施以消除变形毛坯的加工硬化，防止工件破裂。

2.防止起皱可以通过加压边圈来限制毛坯拱起。

当然，减小拉深变形程度、加大毛坯厚度也可以降低起皱倾向。

3.合理选择凸模与凹模的间隙及它们的圆角半径，并严格要求制造质量。

-

4.在拉深过程中选择合适的润滑剂，以减少工件和模具之间的摩擦，使其拉深过程正常进行。

4.2拉深工艺设计

4.2.1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，厚度变化可以忽略不计，所以拉深件毛坯尺寸的确定可以按照拉深前毛坯与拉深后工件的表面积不变的原则计算。

1.修边余量的确定

在计算毛坯尺寸前，还应考虑到：

由于板料具有方向性，材质的不均匀性和凸、凹模之间的间隙不均匀等原因，拉深后的工件顶端一般都不平齐，通常都要有修边工序，以切去不平齐部分。

所以，在计算毛坯尺寸之前，需在拉深件边缘（无凸缘拉深件为高度方向，有凸缘拉深件为半径方向）上加一段修边余量Δh。

修边余量值，可参考表4.1和表4.2选取，或根据生产实践经验确定。

2.简单旋转体拉深件毛坯尺寸的确定

首先将拉深件划分成若干个简单的几何形状，如图4.8所图4.8圆筒形拉深件坯料

示。

分别求出各部分的面积并相加，即得工件表面积S为：

尺寸计算图

S＝S1＋S2＋S3＝ΣSi（4—1）

毛坯表面积为S0：

S0＝

D2（4一2）

根据毛坯表面积等于工件表面积，求得毛坯直径D，其计算公式为：

D＝

（4—3）

简单几何形状的表面积的计算公式见表4.3，常用旋转体拉深件坯料直径的计算公式见表4.4。

表4.3简单几何形状的表面积计算公式

表4.4常用旋转体拉深件坯料直径的计算公式

注：

1.尺寸按工件材料厚度中心层尺寸计算；

2.对厚度小于1mm的拉深件，可不按工件材料厚度中心层尺寸计算，而根据工件外壁尺寸计算；

3.对于部分未考虑工件圆角半径的计算公式，在计算有圆角半径的工件时计算结果要偏大，故在此情形下，可不考虑或少考虑修边余量。

3.复杂旋转体拉深件毛坯尺寸的确定

该类拉深件的毛坯尺寸，可用久里金法则求出其表面积，其原理是：

任何形状的母线绕轴旋转一周所得到的旋转体的表面积，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4.9所示，旋转体表面积为

S＝2πRxL（4—4）

由于拉深前后面积相等，所以坯料直径可按下式求出

＝2πRxL（4—5）

D＝

（4—6）

式中：

S──旋转体表面积；

Rx──旋转体母线重心到旋转轴线的距离（称旋转半径）；

L──旋转体母线长度；

D──坯料直径。

由式（4—6）可知，只要知道旋转体母线长度及其重心的旋转半径，就可以求出坯料的直径。

图4.9旋转体表面积计算图示

4.2.2拉深系数

1.拉深系数的概念

在拉深工艺设计中，必须知道工件是否可以用一道拉深工序拉成，还是需要几道拉深工序才能拉成。

这个问题关系到拉深工作的经济性和拉深件的质量。

因此在决定拉深工序次数

时，既要使材料的应力不超过材料的强度极限，又要充分利用材料的塑性，使之达到最大可

能的变形程度。

通常以拉深系数m表示拉深的变形程度。

对筒形件而言，拉深系数为拉深后工件直径d与毛料直径D的比值。

多次拉深时，则为拉深后筒部外径与拉深前筒部外径之比值。

如图4.10

所示。

图4.10圆筒形件的多次拉深

m是小于1的系数，当m越小时，说明拉深时变形程度越大。

由于拉深过程中材料性能发生变化，故每次拉深系数不应相同。

以m1、m2、……mn-1、mn表示第1、2……（n—1）、n次拉深时的拉深系数，它们的大小各为：

第一次拉深m1＝d1/D

第二次拉深m2＝d2／d1

…………

第n次拉深mn＝dn/dn-1

2.影响拉深系数的因素

为了正确选择m值，必须对影响拉深系数的各方面因素进行分析。

影响拉深系数的主要因素是：

（1）材料的机械性能塑性好（即延伸率δ大）的材料，m可取小些。

（2）材料的相对厚度t／D当t／D值较大时，拉深过程中不易起皱，因此可取m值小些。

（3）拉深模具工作部分结构尺寸主要是凸、凹模圆角半径，一般地说，采用较大的圆

角半径时，拉深系数m就可以小些。

（4）拉深方式，如采用压边圈装置，可用较小的m值。

此外，工件形状和尺寸、拉深次数、拉深速度、毛坯准备与润滑情况均影响拉深系数m。

4.2.3拉深次数

当拉深件的直径与毛坯直径之比（总拉深系数）大于表4.5、表4.6中的m1时，说明该工件

只需一次拉深即可。

如果总拉深系数小于m1，则需要两次或两次以上拉深。

那么怎样计算拉深次数呢?

方法如下：

根据拉深系数与工件直径关系可得：

第一次拉深后工件直径d1＝m1D

第二次拉深后工件直径d2＝m2d1＝m1m2D

…………

第n次拉深后工件直径dn＝mndn-1＝m1m2m3……mnD

表4.5筒形件带压边圈的极限拉深系数

注：

1.表中的拉深系数适用于08F、10、15Mn等低碳钢及软化的H62黄铜。

对拉深性能较差的材料，如20、25、Q215、Q235钢及硬铝等应将表值增大1.5％~2.0％；而对塑性更好的材料，如05、08F、10钢和软铝等可将表值减小1.5％~2.0％。

2.表中数据适用于无中间退火的拉深，有中间退火时可将表值减小2％~3％。

3.表中较小值适用于凹模圆角半径rd＝（8~15）t，较大值适用于rd＝（4~8）t。

表4.6筒形件不带压边圈的极限拉深系数

注：

本表适用情况与表4.5相同。

已知拉深件尺寸即可计算出毛坯直径D，参考表4.5、表4.6中的极限拉深系数可计算出

各次拉深后的工件直径（选用m时应取各次m值大于表值），直到dn≤d（d为工件直径），这样n

即为拉深次数。

拉深次数也可根据拉深件相对高度或毛坯相对厚度（t／D）×100查表4.7得到。

表4.7毛坯相对厚度与拉深次数的关系

4.2.4各次工序尺寸的计算

1.半成品直径尺寸的计算

第一次d1＝m1D

第二次d2＝m2d1

…………

第n次dn＝mndn-1

2.半成品高度尺寸的计算

拉深后工件高度尺寸可按求毛坯尺寸的公式演变求得，其计算公式为：

hn＝0.25（

－dn）＋0.43

（dn＋0.32rpn）（4—7）

式中hn──第n次拉深后工件的高度，单位mm；

D──毛坯直径，单位mm；

dn──第n次拉深后工件的直径，单位mm；

rpn──第n次拉深时凸模的圆角半径，单位mm

例题计算图4.11所示，筒形件的毛坯展开尺寸，拉深次数，各次半成品尺寸。

材料厚为2mm，材料为10号钢。

解因t＝2>1，应按中线尺寸计算。

1.修边余量确定

根据工件尺寸，其相对高度为：

＝

＝

≈2.7

查表4.1得修边余量，Δh=6mm

2.毛坯直径计算

按表4.4中的第3项公式计算展开直径为，

D＝

图4.11筒形件

式中d＝30—2＝28mm

r＝3＋1＝4mm

H＝76—1＝75mm

将d、r、H数值代入上式得：

D＝98.2mm

3.确定拉深次数

毛坯相对厚度为

可不用压边圈，但为了安全起见，首次拉深仍采用压边圈。

根据

，查表4.5得极限拉深系数为m1＝0.5、m2＝0.75、m3＝0.78、m4＝0.8。

各次拉深直径为：

d1＝m1D＝0.5×98.3＝49.2mm

d2＝m2d1＝0.75×49.2＝36.9mm

d3＝m3d2＝0.78×36.9＝28.8mm

d4＝m4d3＝0.8×28.8＝23mm

因d4＝23mm＜28mm，结果说明3次拉不出来，所以应该用4次拉深。

4.确定各次拉深直径

对各次拉深系数作适当调整（加大），确定各次拉深系数为m1＝0.52、m2＝0.78、m3＝0.83、m4＝0.846，则各次拉深直径为：

d1＝0.52×98.2＝51.6mm

d2＝0.78×49.2＝39.9mm

d3＝0.83×39.4＝33.1mm

d4＝0.846×33.1＝28mm

5.圆角半径确定

各次半成品底部的圆角半径分别取：

r1＝8mm、r2＝5mm、r3＝4mm。

6.求各次半成品工件高度

将各次半成品工件的直径和圆角半径分别代入公式得：

h1＝0.25（

－d1）＋0.43

（d1＋0.32r1）

＝0.25（

－51.6）＋0.43×

（51.6＋0.32×8）＝37.7mm

h2＝0.25（

－d2）＋0.43

（d2＋0.32r2）

＝0.25（

－39.9）＋0.43×

（39.9＋0.32×5）＝52.7mm

h3＝0.25（

－d3）＋0.43

（d3＋0.32r3）

＝0.25（

－33.1）＋0.43×

（33.1＋0.32×4）＝66.3mm

h4＝81mm

以上计算所得工序尺寸都是中线尺寸。

换算成工序件的外径和总高度后如图4.12所示。

图4.12工序件草图

4.3拉深力与压边力的确定

4.3.1拉深力的计算

计算拉深力是为了正确地选择拉深设备。

在生产中，一般用经验公式进行计算。

这些经

验公式是根据变形抵抗力的平均值或试验值求得的。

求拉深力的经验公式如下：

1.筒形件无压边圈时，

第一次拉深F＝1.25π（D－d1）tσb

以后各次拉深F＝1.3π（dn-1－d1）tσb（4—8）

2.筒形件有压边圈时：

第一次拉深F＝πd1tσbK1

以后各次拉深F＝πdntσbK2（4—9）

式中F1……Fn──各次拉深力；

d1……dn──各次拉深直径；

D──毛坯直径；

t──材料厚度；

σb──材料的极限强度；

K1、K2──修正系数，查表4.8。

表4.8修正系数K1及K2值

m1

0.55

0.57

0.60

0.62

0.65

0.67

0.70

0.72

0.75

0.77

0.80

K1

1.0

0.93

0.86

0.79

0.72

0.66

0.60

0.55

0.50

0.45

0.40

m2、m3、…mn

0.70

0.72

0.75

0.77

0.80

0.85

0.90

0.95

K2

1.0

0.95

0.90

0.85

0.80

0.70

0.60

0.50

4.3.2压边力的计算

为了防止拉深时起皱，须采用压边圈。

压边圈应有一定的压边力。

压边力的大小，根据工件不起皱，又不产生破裂的原则来决定。

计算公式如下：

拉深任意形状工件的压边力：

F压＝Ap（4—10）

式中A──在压边圈上毛坯的投影面积，单位mm2

p──单位压边力，单位MPa，见表4.9。

4.3.3拉深功的计算

表4.9单位面积压边力

在拉深工作行程很大时，拉深功可能非常大，时常作为设备选择的依据。

在这种情况下，应进行拉深功及功率的计算。

在拉深过程中，拉深力并不是常数，而是随着凸模进入凹模的深度而变化的。

前面所讲拉深力的计算，是指最大拉深力。

在求拉深功数值时，不用最大拉深力Fmax计算，而是取其平均值F平均

F平均＝cFmax　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4—11）

式中c──系数，根据实验资料取0.6~0.8。

拉深功按下式进行计算，

Q＝cFmaxh（4—12）

式中Q──拉深功，单位Nm；

h──拉深深度，单位m；

压力机的电动机功率按下式计算：

N＝

（4—13）

式中N──冲床电动机功率，单位kwη；

K──不均衡系数K＝1.2~1.4；

η1──压力机效率η1＝0.6~0.8；

η2──-电动机效率η2＝0.9~0.95；

n──压力机每分钟的行程次数

1.36──由马力转换成千瓦的转换系数。

4.4拉深模典型结构

4.4.1首次拉深模

1.无压边装置的简单拉深模

如图4.13所示，模具没有压边装置，因此适用于拉深变形程度不大，相对厚度（t/D）较大的零件。

拉深凸模4直接用螺钉紧固在模柄上。

拉深凹模2采用硬质合金压套在凹模套圈6内，然后用锥孔压块1紧固在通用的下模座内。

毛坯在定位板5上定位。

模具没有专门的卸件装置，靠工件口部拉深后弹性恢复张开，在凸模上行时被凹模下底面刮落。

为使工件在拉深后不至于紧贴在凸模上难以取下，在拉深凸模4上开有通气孔。

图4.13无压边圈的首次拉深模

1—锥孔压块2—拉深凹模3—校模定位圈4—拉深凸模

5—定位板6—凹模套圈7—垫板

为了便于在装模时保证间隙均匀，该模具还附有一个备用的校模定位圈3（图中以双点划线表示）。

工作时，应将校模定位圈拿开。

图4.14带压边装置的拉深模

1—压边螺钉2—拉深凸模3—压边圈

4-—定位板5—拉深凹模

图4.15带锥形压边圈的倒装拉深模

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

2.有压边装置的拉深模

如图4.14所示为压边圈装在上模部分的正装拉深模。

由于弹性元件装在上模，因此凸模要比较长，适宜于拉深深度不大的工件。

图4.15所示为压边圈装在下模部分的倒装拉深模。

由于弹性元件装在下模座下压力机工作台面的孔中，因此空间较大，允许弹性元件有较大的压缩行程，可以拉深深度较大一些的拉深件。

这副模具采用了锥形压边圈6。

在拉深时，锥形压边圈先将毛坯压成锥形，使毛坯的外径已经产生一定量的收缩，然后再将其拉成筒形件。

采用这种结构，有利于拉深变形，所以可以降低极限拉深系数。

4.4.2以后各次拉深模

在以后各次拉探中，因毛坯已不是平板形状，而是己经拉深过的半成品，所以毛坯在

模具上的定位方法要与此相适应。

图4.16无压边装置的以后各次拉深模

图4.17有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

图4.16所示为无压边装置的以后各次拉深模，仅用于直径缩小量不大的拉深。

图4.17所示为有压边装置的以后各次拉深模，这是一般最常见的结构形式。

拉深前，毛坯套在压边圈4上，所以压边圈的形状必须与上一次拉出的半成品相适应。

拉深后，压边圈将冲压件从凸模3上托出，推件板l将冲压件从凹模中推出。

4.5拉深模工作部分设计

4.5.1凸、凹模的圆角半径

1.凸、凹模的圆角半径

凸、凹模的圆角半径对拉深工作影响很大。

尤其是凹模圆角半径，毛坯经凹模圆角进入凹模时，受弯曲和摩擦作用，凹模圆角半径rd过小，因径向拉力较大，易使拉深件表面划伤或产生断裂；rd过大，由于悬空面积增大，使压边面积减小，易起内皱。

因此，合理选择凹模圆角半径是极为重要的。

首次拉深凹模圆角半径可按下式计算：

rd

＝0.8

（4—14）

式中rd

──首次拉深凹模圆角半径，单位mm；

D──毛坯直径，单位mm；

d──凹模内径，单位mm；

t──工件料厚，单位mm。

首次拉深凹模圆角半径的大小，也可以参考表4.10的值选取。

表4.10首次拉深凹模的圆角半径rd

拉深方式

毛坯的相对厚度（t/D）×100

≤2.0~1.0

＜1.0~3.0

＜0.3~0.1

无凸缘

（4~6）t

（6~8）t

（8~12）t

无凸缘

（6~12）t

（10~15）t

（15~20）t

注：

材料性能且润滑好时取小值。

以后各次拉深的凹模圆角半径，可按下式确定：

rd

＝（0.6—0.8）rd

（4—15）

凸模圆角半径rp的大小，对拉深影响也很大。

rp过小，rp处弯曲变形程度大，“危险断面”受拉力大，工件易产生局部变薄；rp过大，凸模与毛坯接触面小，易产生底部变薄和内皱。

首次拉深凸模圆角半径按下式确定：

rp

＝（0.7—1.0）rd

（4—16）

以后各次拉深凸模圆角半径为：

rp

＝

（4—17）

式中dn-1、dn──各工序的外径，单位mm。

对于中间各次拉深工序、凹模和凸模的圆角半径可结合生产实际作适当调整。

如拉深系数大时，圆角半径可取小些，一般情况下可取rp＝rd。

4.5.2拉深模间隙

拉深模的凸、凹模之间间隙对拉深力、工件质量、模具寿命等都有影响。

间隙小，拉深力大、模具磨损大，过小的间隙会使零件严重变薄甚至拉裂；但间隙小，工件回弹小，精度高。

间隙过大，容易起皱，工件锥度大，精度差。

因此，生产中应根据板料厚度及公差、拉深过程板料的增厚情况、拉深次数、零件的形状及精度要求等，正确确定拉深模间隙。

1.无压料圈的拉深模，其间隙为

Z／2＝（1~1.1）tmax（4—18）

式中Z／2──拉深模单边间隙；

tmax──板料厚度的最大极限尺寸。

对于系数1~1.1，小值用于末次拉深或精密工件的拉深；大值用于首次和中间各次拉深

或精度要求不高工件的拉深。

2.有压边圈的拉深模，其间隙可按表4.11确定。

对于精度要求高的工件，为了减小拉深后的回弹，常采用负间隙拉深模。

其单边间隙

值为：

Z／2＝（0.9~0.95）（4—19）

表4.11有压边圈拉深时单边间隙值mm

4.5.3凸、凹模工作部分尺寸及公差

对于最后一道工序的拉深模，其凸、凹模工作部分尺寸及公差应按工件的要求来确定。

当工件尺寸标注在外形时，以凹模为基准，如图4.18（a）所示，工作部分尺寸为：

DA＝（Dmax一0.75△）

（4—20）

DT＝（Dmax一0.75△一Z）

（4—21）

当零件尺寸标注在内形时，以凸模为基准，如图4.18（b）所示，工作部分尺寸为：

dT＝（dmin＋0.4△）

（4—22）

dA＝（dmin＋0.4△＋Z）

（4—23）

式中DA、dA、DT、dT──凹、凸模的尺寸；

Dmax、dmin──拉深件外径的最大极限尺寸和内径的最小极限尺寸；

△──零件的公差；

δA、δT──凹、凸模制造公