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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流冲压工艺与模具设计第4章拉深.精品文档.第4章 拉 深将金属板坯料外缘全部/部分转移到制件侧壁，使板料/浅的空心工序件成形为空心件/深的空心件(皿状制件)的冲压工序称为拉深。这种工序曾称为拉延、引伸、延伸、压延等，现国家标准定名为拉深。拉深工艺可以在普通的单动压力机上进行，也可以在专用的双动、三动拉深压力机或液压机上进行。实际生产中，拉深件的形状多种多样，按变形力学特点分为以下4种基本类型。(1)直壁旋转体制件(如图4.1(a)所示)母线为直角折线(平底直壁)的旋转体制件，一般包括无凸缘筒形件(简称筒形件)、有凸缘筒形件、阶梯筒形件等。(2)
2、曲面旋转体制件(如图4.1(b)所示)母线为非直角折线或曲线(平/凸底，曲/斜壁)的旋转体制件，一般包括球面制件、抛物面形状制件、锥形制件等。(3)平底直壁非旋转体制件(如图4.1(c)所示)以盒形件为典型，还包括有凸缘盒形件。(4)非旋转体曲面制件(如图4.1(d)所示)各种不规则的复杂形状制件。图4.1 拉深件的分类虽然这些制件都称为拉深件，但是在拉深过程中，它们的变形区位置、变形性质、坯料各部位的应力应变状态和分布规律都有相当大的、甚至是本质的差别。所以在确定工艺参数、工序数目与工序顺序以及模具设计原则与方法等方面都各有特点。本章首先讨论筒形件的拉深，在此基础上，再介绍其他各类形状制件的
3、拉深特点。4.1 筒形件的拉深变形分析拉深变形是一个较为复杂的塑性变形过程，本节主要通过分析筒形件的拉深变形过程所发生的各种现象来介绍拉深变形规律。4.1.1 筒形件的拉深变形过程图4.2为拉深变形过程示意图。典型拉深模具的工作部分应包含凸模、凹模、压边圈3个功能不同的零件。直径为D、厚度为t的圆形坯料，经拉深变形得到了具有直径为d、高度为h的筒形件。一张直径为D的圆纸片要变成一个直径为d的圆筒，外缘的纸有多余，若强制成形，侧壁就会起皱。假想按图4.3所示，把环形区阴影部分的三角形剪掉，则可成为一个侧壁没有多余料、也不会起皱的纸筒。但在金属板料的实际拉深过程中，并不是把坯料的“多余三角形”剪掉
4、，而是让“多余三角形”产生塑性变形转移，使得拉深后制件的高度增加了h即h(Dd)/2，同时，制件的侧壁厚度也略有增加。图4.2 筒形件的拉深图4.3 拉深时材料的转移1坯料；2凸模；3压边圈；4凹模；5制件为了说明金属的转移，还可以进行如下实验。在圆形坯料上画出许多直径差为2a的同心圆和等分度的辐射线组成网格(b1b2b3b，如图4.4所示)。拉深后，得到筒形件，其底部的网格基本保持原来的形状，而侧壁部分的网格则发生了很大的变化：原来在同一平面上的直径不相等的同心圆，变为侧壁上空间位置相互平行、直径相等的圆(各圆心都在圆筒的轴心线上)，但其间距增大了，愈靠近筒的口部增大愈多，即a变成a1，a2
5、，a3，且a1a2a3a；原来互成夹角的辐射线变成了侧壁上的平行线，其间距全相等(即b1，b2，b3，均变成b)。如果仅看网格中的1个小单元，由拉深前的扇形A，变为拉深后的矩形A。若忽略板料厚度的微小变化，则小单元的面积不变，即A=A。说明小单元在径向受到拉应力作用而变长，在切向受到压应力作用而缩短。图4.4 筒形件拉深的网格变化故拉深变形过程可以归纳如下：在拉深过程中，由于外力的作用，坯料凸缘区内部的各个小单元之间产生了内应力，径向产生拉应力，切向产生压应力，在这两种应力作用下，凸缘区的材料发生塑性变形并不断地被拉入凹模，成为筒形件。4.1.2 筒形件拉深过程中坯料的应力应变状态为了更深刻地
6、认识拉深变形，有必要深入探讨拉深过程中材料各部分的应力应变状态。图4.5所示为拉深过程中的某一时刻坯料所处状态。图中，分别表示材料径向的应力与应变；，分别表示板料厚度方向的应力与应变；，分别表示材料切向的应力与应变。图4.5 拉深过程中坯料各部分的应力应变状态根据应力应变状态的不同，拉深坯料可划分为5个区域。(1)平面凸缘区拉深变形主要发生在该区域，材料在和作用下，发生塑性变形而逐渐进入凹模。在压边圈的作用下，厚度方向存在，通常的绝对值要比、小很多，故材料的应变主要是和，板厚方向产生不大的。由于愈靠外缘需要转移的材料愈多，因此，愈到外缘材料变得愈厚，硬化也愈严重。(2)凹模圆角区这是材料由凸缘
7、进入筒壁的过渡变形区，变形比较复杂。除有与平面凸缘区相同的特点即径向受作用产生和切向受作用产生外，还由于承受凹模圆角的压力和弯曲的作用而产生较大的。该区域及相应的的绝对值最大。因此板厚方向产生，板料厚度减薄。(3)筒壁区该区域材料已完成变形，成为筒形，基本不再发生大的变形。但它是传力区，在继续拉深时，凸模作用的拉深力要经过筒壁传递到凸缘部分，故它承受单向拉应力的作用，发生少量径向伸长和厚度方向变薄。(4)凸模圆角区这是筒壁与筒底的过渡变形区，材料除承受和外(在外侧，作用更明显)，还由于凸模圆角的压力和弯曲作用，在厚度方向承受。其应变状态与筒壁部分相同，但是引起的变薄现象比筒壁部分严重得多。(5
8、)筒底区该区域材料基本不变形，但由于作用于凸模圆角区的拉深力，使材料承受双向拉应力 与，其应变为平面方向的和以及厚度方向的。由于凸模圆角处摩擦的制约，该区域的应力与应变均不大，可忽略不计。4.1.3 筒形件拉深变形的力学分析在拉深时，不仅坯料的不同区域具有不同的应力应变状态，而且其应力与应变的绝对值还随着拉深过程的进行而不断变化。因此必须从力学角度分析其变化规律。1. 凸缘变形区的应力分布拉深时，凸缘的应力状态为径向受拉，切向受压。当坯料由R0被拉深到Rt时，其数值可根据力学的平衡条件与塑性条件通过数学方法导出 (4-1)式中：Rt拉深过程中某时刻的凸缘半径；R凸缘区内任意处的半径；将坯料由R
9、0拉至Rt时，凸缘变形区金属变形抗力的平均值；，将坯料由R0拉深到Rt时，凸缘区内任意半径R处的径向拉应力与切向压应力的值。由式(4-1)可知，凸缘变形区内，与呈对数曲线规律分布(如图4.6所示)。在R = r0处(拉深凹模入口处的凸缘上)，的值最大，1max =1.1(Rt/r0)；在R=Rt处(凸缘的外边缘)，取最大值max =1.1。由外向内逐渐增加，由外向内，逐渐减小。令| = |，有R =0.61Rt。也就是说，由R =0.61Rt作一圆，可将凸缘分为2部分，由此圆向外到边缘的部分，|，为最大主应变，此处板厚方向为，板料略有增厚；由此圆向内到凹模口，|，为最大主应变，因此厚度方向为，
10、此范围的板料厚度略有减薄。就整个凸缘变形区来说，以压缩变形为主的区域比以拉伸为主的区域要大得多，因此拉深变形属于压缩类变形。2. 整个拉深过程中max和max的变化规律当坯料从R0拉深到Rt时，凸缘的外边缘具有max，而在凹模口具有max。在拉深过程中，Rt是不断由R0r0变化的，在不同的时刻，max和max的值也不相同。下面分析在整个拉深过程中，max与max是如何变化的，在什么时刻出现和。(1)max的变化规律由max=1.1ln(Rt/r0)可知，max的变化受因素与ln(Rt/r0)的制约。表示材料的变形抗力，随着拉深的进行，变形程度逐渐增加，也逐渐增大。ln(Rt/r0)反映了凸缘变
11、形区的大小，随着拉深的进行，凸缘变形区逐渐缩小，ln(Rt/r0)的数值也逐渐减小。如图4.7所示，将不同的Rt所对应的max值连成曲线即为整个拉深过程中max的变化情况。由图可知，拉深开始阶段，材料变形抗力增长较快而凸缘变形区的缩减较慢，max增长很快，当Rt=(0.80.9)R0左右达到最大值，而后，凸缘变形区缩减加快，max就逐渐减小，直到拉深过程结束，Rtr，max= 0为止。图4.6 筒形件拉深时凸缘上的应力分布图4.7 拉深过程中的变化图4.7所示曲线是在一定的材料和一定的拉深系数m(见4.1.4节)下作出的，经过大量的试验与计算，用数学归纳法得到如下形式的与拉深系数和材料性质的关
12、系：式中：a，b 与材料性质有关的常数。其值列于表4.1中。表4.1 a值与b值j0.100.150.200.250.300.350.40a0.650.680.710.730.750.750.75b0.520.590.650.700.750.780.79注：表中是指材料在刚出现细颈时的真实应变值，若为材料的伸长率，则 =ln(1+)。(2)max的变化规律由max=1.1可知，随着拉深过程的不断进行，凸缘变形区的变形程度增加，变形抗力也随之增加，因此，max始终上升。直至拉深过程结束时，max达到最大值。其变化规律与真实应力曲线相似，在拉深的初始阶段max增加比较快，以后逐步趋于平缓。3. 筒
13、壁部分受力分析筒壁部分作为已变形区在拉深过程中又是传力区。凸模作用在制件上的拉深力是通过筒壁传递至凸缘变形区将其逐渐拉入凹模口内的。图4.8 筒壁传力区的受力分析如图4.8所示，筒壁部分所受的最大拉应力主要有：(1)凸缘材料的变形抗力；(2)压边力PQ在凸缘表面产生的摩擦所引起的应力；(3)由坯料与凹模圆角处摩擦引起的应力；(4)坯料经过凹模时的弯曲和绕过凹模圆角后的变直引起的应力。理论和试验研究表明，在正常条件下拉深时(指合理的凹模圆角半径、间隙大小、压边力、润滑条件等)，凸缘变形区最大拉应力在筒壁所受到的总拉应力中，约占65%75%，因此= (4-2)式中：拉深效率，其值为0.650.75
14、。由此也可分析得出：在拉深过程中，筒壁部分所受的最大拉应力与同时出现。综上所述，拉深件侧壁愈高，需要转移的材料愈多，坯料边缘变形程度愈大，所需变形力愈大，传力区受到的力也就愈大；当变形力超过了传力区的许用强度，拉深就会失败。可见，每次拉深变形的量是有限的。为保证拉深过程顺利进行，必须保证变形区为弱区，传力区为强区，且强弱差别愈大，拉深过程愈稳定。4.1.4 筒形件的拉深系数与拉深次数在拉深工艺设计时，必须判断制件是否能一次拉深成形，或需要几道工序才能拉成。正确解决这个问题直接关系到拉深生产的经济性和拉深件的质量。1. 拉深系数每次拉深后的筒形件直径与拉深前坯料(或工序件/半成品)的直径之比称为
15、拉深系数，用符号m表示(符号右上标表示拉深次数，为避免混乱，一律加方括号，下同)，即首次拉深m1=d1/D以后各次拉深=/=d3/=/ (4-3)总拉深系数表示从坯料拉深至所需筒形件的总变形程度。即= (4-4)式中：，各次的拉深系数及总拉深系数；D坯料直径；，各次工序件/半成品(或最终制件)的直径(中径)(参考图4.9)。图4.9 多次拉深件示意图拉深系数m反映了拉深前后坯料直径的变化量，反映了坯料边缘在拉深时切向压缩变形的大小，m愈小表示拉深变形程度愈大。拉深系数的倒数称为拉深比，用符号K表示，即K=1/m。由式(4-2)可知，m愈小，筒壁传力区产生的最大拉应力愈大，当达到筒壁受力区的有效
16、抗拉强度，危险断面濒于拉断时，这一极限变形状态下的拉深系数即称为极限拉深系数mmin。mmin表示了拉深前后坯料直径的最大变化，是拉深工作中重要的工艺参数，它是进行拉深工艺计算和设计模具的基本出发点。如果mmin愈小，就意味着板料的拉深极限变形程度愈大。原来可能需要两次拉深才能成功的仅需要一次拉深就可以实现。因而其经济意义也很大。为此，应该从技术上去积极寻求降低mmin的措施。提高拉深成形的极限变形程度，应着眼于降低变形区的变形抗力及提高传力区的承载能力。围绕这个原则，可以通过以下途径，降低mmin。(1)材料性能方面提高板料塑性，尤其是板料的拉深性能，研制和选择组织均匀、晶粒大小适中、屈强比
17、/小、塑性应变比r大的材料。因为小，材料容易变形，凸缘变形区的变形抗力减小，筒壁传力区的拉应力也相应减小；而大，则提高了危险断面处的强度，减小破裂的危险。延伸率值大的材料在变形时不易出现缩颈，因而危险断面的严重变薄和拉断现象也相应推迟。一般认为/0.65，而28%的材料具有较好的拉深性能。r值大说明板料在厚度方向变形困难，危险断面不易变薄、拉断，因而对拉深有利，拉深系数可以减小。(2)制件设计方面在进行拉深件设计时，应该考虑到拉深成形的工艺性。从拉深变形特点出发，尽量使板料的相对厚度t/D大些，以增大其变形区抗压缩失稳的能力，这样可以减小压边力，也就可减小摩擦阻力，有利于减小拉深系数。同时，应
18、该注意拉深件底部的圆角半径不宜过小，以提高传力区危险断面的抗拉强度。(3)工艺与模具设计方面应设计合理的凸模圆角半径和凹模圆角半径以及选择合理的拉深间隙。因为过小的凸模圆角半径和过小的凹模圆角半径以及过小的拉深间隙会使拉深过程中摩擦阻力与弯曲阻力增加，危险断面的变薄加剧，而过大的凸模圆角半径和过大的凹模圆角半径以及过大的拉深间隙会减小有效压边面积，使板料的悬空部分增加，易于使板料失稳起皱。采用压边圈并配以合理的压边力对拉深有利，可以减小拉深系数。凹模(特别是其圆角入口处)与压边圈的工作表面应尽量光滑并采用润滑剂，以减小对板料变形流动的阻力，减小传力区危险断面的负担，可以减小拉深系数。对于凸模工
19、作表面，则不必做得很光滑，也不需要润滑，使其与板料之间有相当的摩擦力，有利于阻止危险断面变薄，因而有利于减小拉深系数。对速度敏感的金属(如钛合金、不锈钢和耐热钢等)采用液压机拉深，以降低拉深速度，减小极限拉深系数。但是，选用过小的拉深系数会引起底部圆角与直壁相切部分过分变薄，而且在以后的拉深工序中，这部分变薄严重的缺陷会转移到成品制件的侧壁上去，降低制件的质量。所以，在生产实际中，一般采用大于极限值的拉深系数。表4.2为筒形件用压边圈时的各次拉深系数；表4.3为筒形件不用压边圈时的拉深系数；表4.4为各种材料的拉深系数(所列为后续各次拉深系数的平均值)。表4.2 筒形件带压边圈时的拉深系数拉深
20、系数坯料相对厚度t / D(%)2.01.51.51.01.00.60.60.30.30.150.150.08m1minm2minm3minm4minm5min0.480.500.730.750.760.780.780.800.800.820.500.530.750.760.780.790.800.810.820.840.530.550.760.780.790.800.810.820.840.850.550.580.780.790.800.810.820.830.840.850.580.600.790.800.810.820.830.850.860.870.600.630.800.820.82
21、0.840.850.860.870.88注：1. 表中拉深数据适用于08、10和15Mn等普通拉深碳钢及软黄铜H62。对拉深性能较差的材料，如20、25、Q215、Q235、硬铝等应比表中数值大1.5%2.0%；而对塑性更好的，如05、08、10等拉深钢及软铝应比表中数据小1.5%2.0%。2. 表中数据适用于未经中间退火的拉深，若采用中间退火工序时，可取较表中数值小2%3%。3. 表中较小值适用于大的凹模圆角半径r凹(815)t，较大值适用于小的凹模圆角半径r凹(48)t。表4.3 筒形件不带压边圈时的拉深系数拉深系数坯料相对厚度t /D(%)1.52.02.53. 03.0m1minm2m
22、inm3minm4minm5minm6min0.650.800.840.870.900.600.750.800.840.870.900.550.750.800.840.870.900.530.750.800.840.870.900.500.700.750.780.820.85注：此表适用于08、10及15Mn等材料，其余各项同表4.2之注。表4.4 各种材料的拉深系数m材 料牌 号首次拉深m1后续各次拉深mn铝和铝合金杜拉铝8A06M、1035M、3A21M2A11M、2A12M0.520.550.560.580.700.750.750.80黄铜纯铜无氧铜H62H68T2、T3、T40.520
23、.540.500.520.500.550.520.580.700.720.680.720.720.800.750.82康铜(铜镍合金)镍、镁镍、硅镍0.500.560.480.530.740.840.700.75白铁皮酸洗钢板0.580.650.540.580.800.850.750.78不锈钢、耐热钢钢Cr13Cr18Ni1Cr18Ni9TiCr18Ni11Nb、Cr23Ni18Cr20Ni75Mo2AlTiNbCr25Ni60W15TiCr22Ni38W3TiCr20Ni80Ti30CrMnSiA0.520.560.500.520.520.550.520.550.460480.480.50
24、0.540.590.620.700.750.780.700.750.780.810.780.800.780.840.800.84可伐合金钼铱合金钽铌钛合金锌工业纯钛TA50.650.670.720.820.650.670.650.670.580.600.600.650.650.700.850.900.910.970.840.870.840.870.800.850.800.850.850.90注：1. 凹模圆角半径r凹6t时，拉深系数取大值；r凹(78)t时，取小值。2. 材料相对厚度t /D0.6%时，拉深系数取小值；t /D0.6%时，取大值。由表4.2表4.4可以看出，用压边圈首次拉深时，
25、m1约为0.50.6左右；后续各次拉深时，mn的平均值约为0.70.8左右。后续各拉深系数愈来愈大。不用压边圈的拉深系数大于用压边圈的拉深系数。2. 拉深次数当具体制件所需的拉深系数大于极限拉深系数时，该制件可一次拉成，否则，就需多次拉深。多次拉深的拉深次数可按以下方法确定。(1)计算法如果后续各次拉深系数为mn，由式(4-3)可知dn=mndn1=(mn)(n1)(m1D)由此可得对数方程式lgdn=(n1)lg(mn)+lg(m1D)即 n=1+lgdnlg(m1D)/ lg(mn) (4-5)式(4-5)中m1与mn由表4.4查取。注意，计算所得的拉深次数n小数部分应一律进位取整数，而不
26、得四舍五入。(2)推算法筒形件的拉深次数也可根据t /D值查出m1，m2，然后从首次拉深d 1向d n推算。即按式(4-3)一直算到所得的d n不大于制件所要求的直径d为止。此时的n即为所求的次数。(3)查图法由于拉深后的制件/工序件直径与拉深前工序件/坯料直径是线性关系，只是该直线的斜率分别是m1，m1m2，m1(mn)(n1)，所以，针对不同材料，可分别绘出一组斜线图。设计时直接查选，直观方便。(4)查表法前人对大量的生产实践进行了总结归纳，建立了各种行之有效的表格，如按坯料相对厚度t/D与制件相对高度h/d查拉深次数，按坯料相对厚度t /D与总拉深系数查拉深次数(表4.5)，等等。设计时
27、可直接查取。表4.5 总拉深系数与拉深次数的关系拉深次数n坯料相对厚度t /D(%)2.01.51.51.01.00.50.50.20.20.0620.330.360.360.400.400.430.430.460.460.4830.240.270.270.300.300.340.340.370.370.4040.180.210.210.240.240.270.270.300.300.3350.130.160.160.190.190.220.220.250.250.29注：表中数据适用于08及10钢的筒形件(用压边圈)。为了保证拉深工序的顺利进行和变形程度分布合理，应使每次拉深的实际拉深系数与
28、相应次数的极限拉深系数的差值尽量接近。设实际采用的拉深系数为m1，m2， m3，mn，应使m1m1m2m2m3m3mnmn=m3. 后续各次拉深的特点及方法后续各次拉深时所用的坯料与首次拉深不同，它不是平板而是筒形工序件/半成品。因此它与首次拉深相比，有许多不同之处。表4.6对二者进行了归纳比较。表4.6 首次拉深与后续拉深特点比较序号项 目首次拉深后续拉深1板料厚度t、材料性能/、均匀不均匀，已有加工硬化，坯料要经过2次弯曲才被拉入凹模2变形区逐渐缩小不变，最后阶段才缩小3拉深力(参见图4.10)开始阶段较快达到最大值，然后逐渐减小为零在整个拉深过程中一直都在增加，直到拉深最后阶段才由最大值
29、下降至零4破裂可能发生的时刻初始阶段末尾阶段5稳定性起皱容易发生在初始阶段较好，因为有筒壁刚性支持，起皱可能发生在最后阶段6拉深系数m1较小mn较大，且mnmn-1m2后续拉深有正拉深和反拉深两种方法，如图4.11所示。正拉深的拉深方向与上次拉深方向一致，而反拉深的拉深方向与上一次拉深方向相反。反拉深的特点如下：图4.10 首次拉深与第2次拉深的拉深力变化曲线1首次拉深；2第2次拉深(1)反拉深制件的内外表面相互转换，材料的流动方向有利于抵消拉深时形成的残余应力。(2)反拉深材料的弯曲与反弯曲的次数较少，加工硬化也少，有利于成形。(3)坯料与凹模的接触面大(包角达180)，材料流动阻力大，材料
30、不易起皱。因此一般可不用压边圈，这就避免了由于压边力不适当或者不均匀而造成的拉裂。(4)反拉深的拉深力比正拉深大20%左右。(5)反拉深极限拉深系数比正拉深时可降低10%15%。(6)拉深凹模壁厚不是任意的，它受到拉深系数的影响。如图4.11(b)所示，凹模壁厚为(d 1d 22t)/2。如果反拉深系数太大，凹模壁就会过薄，造成强度不足。同时，凹模的圆角半径不能大于(d1d22t)/4。图4.11 正拉深与反拉深反拉深方法主要用于厚度较薄的大件和中等尺寸筒形件的后续各次拉深，反拉深后圆筒的直径d 2(3090) t，凹模圆角半径r凹(26) t。反拉深方法也可用于锥形件、球形件、抛物曲面制件的
31、最终拉深成形(参见4.8节)。图4.12所示为一些典型的反拉深件。图4.12 一些典型的反拉深件4.2 筒形件拉深的主要质量问题及防止措施拉深成形的实质在于凸缘部分的压缩变形，拉深件质量问题的表现形式主要有起皱、拉裂、拉深凸耳、时效开裂、回弹、表面不良等。4.2.1 起皱拉深过程中，坯料凸缘在切向压应力作用下，可能产生失稳，其表征为起皱(凸缘边上材料产生皱折，如图4.13所示)。轻微的起皱坯料可通过凸-凹模间隙，仅在筒壁上留下皱痕，影响制件表面质量；而严重的起皱会使材料不能通过凸-凹模间隙而被拉裂。凸缘部分材料的失稳与压杆两端受压失稳相似，它不仅取决于切向压应力的大小，而且与凸缘相对厚度t /
32、(Dtd)有关。愈大，t /(Dtd)愈小，则愈易起皱。此外，材料弹性模量E愈大，抵抗失稳的能力也愈大。由4.1.3可知，在拉深过程中，max随着拉深的进行而不断增大，但与此同时，凸缘相对厚度t/(Dtd)也在不断增大。前者增加失稳起皱的趋势，后者却是提高抵抗失稳起皱的能力。这2个因素相互作用的结果，使凸缘失稳起皱趋势最为强烈的瞬间落在Rt=(0.80.9)R0时刻，即基本上也就是出现的时刻。防止起皱的主要措施有：(1)采用压边(料)装置，使坯料可能起皱的部分被一大小合适的力PQ压在凹模平面与压边圈之间进行拉深，如图4.2所示。压边力PQ的大小对拉深有很大影响，PQ过大，则使凸缘变形区坯料与凹
33、模、压边圈之间的摩擦力剧增，可能导致制件的过早拉裂；若PQ过小，则起不到防皱作用或作用很小(图4.14)。从理论上讲，拉深过程中PQ的大小最好与max的变化一致，当Rt=(0.80.9)R0时，压边力PQ亦应最大。对于拉深系数足够大，且坯料相对厚度也较大的制件(按表4.3)，也可不用压边。图4.13 起皱现象图4.14 压边力PQ的大小对拉深的影响(2)改善凸缘部分的润滑，选用屈强比/小、屈服点低的材料，尽量使板料的相对厚度t/D大些，以增大其变形区抗压缩失稳的能力。(3)在模具中选择设计合理的压边形式(参见4.3节)和适当的拉深筋(参见图4.22)，对防止起皱也有较好的效果。(4)采用反拉深
34、方法。4.2.2 拉裂由4.1.3节中筒壁传力区受力分析可知，当大于筒壁处材料的有效抗拉强度时，拉深件即被拉裂，如图4.15所示。拉裂一般发生在筒壁与筒底过渡部位的圆角与侧壁相切处。这是因为经拉深后，筒壁上部和下部的厚度和材料硬度是不一样的，上部材料是由凸缘外边缘转移而来，其切向压缩变形量大，厚度有增厚趋向，加工硬化现象显著(如图4.16所示)，因此有效抗拉强度较高。而下部靠近凸模圆角处的材料是由凸缘部分的内边缘转移而来的，情况正好与上部相反，由于受单向拉应力的影响，厚度有变薄的趋向，加之此处材料受凸模圆角弯曲时产生的弯曲应力影响，会进一步降低它的有效抗拉强度，所以此处成为拉深时最易拉裂的危险
35、断面。图4.15 拉裂破坏图图4.16 拉深后筒形件壁部厚度与硬度的变化筒形件拉深时产生拉裂的原因有可能是由于凸缘失稳起皱，坯料不能通过凸凹模间隙，使筒壁所受总拉应力异常增大所致。但如果在防皱措施到位的情况下产生拉裂，则是因为拉深变形程度太大，即拉深系数mmmin所致。因此，拉深系数mmin成为拉深的主要工艺参数，其值的确定就是以不拉裂为前提的。防止拉裂的主要措施有：(1)合理选取拉深系数。由式(4-2)可知，筒壁所受到总拉应力与拉深系数m成反比，即m愈小愈大，较小的拉深系数虽可加大拉深变形程度，但却大大增加了拉深力，使制件筒壁变薄拉裂。(2)合理选用材料。拉深板料除应满足制件使用要求外，还应
36、考虑工艺成形性能的要求。一般来说，选用材料应考虑这样几个指标：屈强比/要小(屈服应力小，材料变形容易；强度极限高，材料不易拉裂)，n值和值大。板料各项性能指标中对拉深影响最大的是塑性应变比r，由第1章1.5.1.1小节可知，r值大表明材料在切向径向变形比较容易，故mmin值小。同时，筒壁部分与底部圆角相切处受单向拉应力作用，当r值大时，板料厚度方向也不易变薄，危险断面有效截面积不易减小。因此，选用r1的材料进行拉深是防止拉裂的重要措施。(3)选择合理的凸、凹模圆角半径。如图4.8所示，凹模圆角半径太小，材料在拉深成形中弯曲阻力增加，从而使筒壁传力区的最大拉应力增加，危险断面易拉裂；凹模圆角半径
37、太大，又会减少有效压边面积，使凸缘材料易起皱。同样，凸模圆角半径虽然对筒壁传力区拉应力影响不大，但却影响危险断面的抗拉强度。凸模圆角半径太小，材料绕凸模弯曲的拉应力增加，危险断面抗拉强度降低；凸模圆角半径太大既会减少传递凸模载荷的承载面积又会减少凸模断面与材料的接触面积，增加坯料的悬空部分，易使悬空部分起皱。(4)合理进行润滑。拉深时采用必要的润滑，有利于拉深变形的顺利进行，且筒壁变薄得到改善，但必须注意润滑剂只能涂在凹模和压边圈与坯料接触的表面，而在凸模表面不要润滑，因为凸模与坯料表面的摩擦属于有益的摩擦，它可以防止制件在拉深过程中的滑动和变薄。但矩形件拉深不受此限制。4.2.3 拉深凸耳筒
38、形件拉深，在制件口端出现有规律的高低不平现象就是拉深凸耳(参见图1.18(a)。凸耳的数目一般为4个，产生拉深凸耳的原因见第1章1.5.1.1小节。需要指出的是，板料的塑性应变比r值愈大，拉深成形极限愈高，但一般r值大的材料，其也愈大，凸耳愈严重。这说明r值对拉深件质量有相互矛盾的2个方面的影响。欲消除凸耳获得口部平齐的拉深件，只有进行修边，修边余量应大于hmaxhmin(参见图1.18(a)。4.2.4 时效开裂所谓时效开裂，是指制件拉深成形后，由于经受到撞击或振动，甚至存放一段时间后出现的口部开裂现象，且一般是以口端先开裂，进而扩展开来，如图4.17所示。图4.17 拉深件时效开裂现象引起
39、时效开裂的原因主要有金属组织和残余应力两个方面。其中金属组织方面主要是金属中含有氢的作用，脱氢处理对解决某些不锈钢等材料拉深件的时效开裂问题是相当有效的。由板料拉深成筒形件后，筒壁每一个截面上内、外层金属存在不均匀变形；筒壁上下部金属变形量也有差别。由于不均匀变形的存在，使板料金属作为一个整体便产生相互牵制的应力。在变形过程中和变形完成后，就产生了附加应力和残余应力。预防时效开裂的措施有：拉深后及时修边；在拉深过程中及时进行中间退火；在多次拉深时尽量在其口部留一条宽度较小的凸缘边等。4.3 压边方式设计压边方式(压边装置和压边力)选择设计得当是防止凸缘变形区失稳、起皱的主要措施。4.3.1 压
40、边装置与压边圈形式压边装置是决定压边力大小和冲压过程中压边力变化规律的装置，压边圈形式合理与否直接关系到极限变形程度和进料阻力的大小。1. 采用压边装置的条件在生产实际中，可用表4.7的条件来判断是否在拉深模的设计中采用压边装置。表4.7 采用或不采用压边装置的条件拉深方法首次拉深后续各次拉深t /D(%)m1t /d n1(%)mn用压边圈可用可不用压边圈不用压边圈1.51.52.02.00.60.60.61.01.01.51.50.80.80.82. 压边装置设计压边装置时必须考虑便于调节压边力，生产中常用的压边装置分弹性和刚性两类。(1)弹性压边装置(图4.18)图4.18 弹性压边装置
41、弹性压边装置分弹簧垫、橡皮垫、气垫和液压垫等几类，如图4.18所示。弹簧垫和橡皮垫的压边力随行程增大而逐渐增大，产生的压边力曲线与拉深曲线不协调(参见图4.24)，显然对拉深不利，因而只适用于浅拉深。但这种装置结构较简单，使用较方便，因此在普通单动压力机上比较常用。气垫和液压垫的压边力基本不随行程变化，而且经过调节气压或液压能很方便地对压边力进行比较精确的调节，因此压边效果较好。其中，液压垫压边装置必须在液压机上才能实现。普通压力机加置专用拉深气垫可实现气垫压边，但还要求生产场所有专用气源。(2)刚性压边装置图4.19所示为双动压力机上的刚性压边装置。拉深凸模固定在内滑块上，而压边圈固定在外滑
42、块上，每次冲压行程开始时，在凸模尚未接触坯料之前，外滑块带动压边圈下降，直至压住坯料并停止于此位置上；接着内滑块再带动凸模下降，进行拉深。拉深结束后凸模紧跟内滑块回程；待凸模回升到某一高度后，外滑块也带动压边圈回程到上死点位置(参见图1.28(a)。显然，刚性压边圈的压边作用，并不是靠调节压边力来保证的，而是通过调整压边圈与凹模平面之间的间隙(外滑块的下死点)来获得的(压边力是由于坯料凸缘变形区在拉深过程中板厚会增大而产生的)，所以在拉深过程中具有压边平稳、压边力不随行程变化等特点，拉深效果好且模具结构简单。图4.19 双动压力机上的刚性压边1内滑块；2外滑块；3压边圈；4凹模；5凸模3. 压
43、边圈的形式图4.20所示是首次拉深模所用的4种压边圈形式。图4.20 首次拉深模所用的4种压边圈形式图4.20(a)所示为普通平面压边圈，是首次拉深最常用的压边圈形式。图4.20(b)所示为平锥压边圈，其中压边圈的锥角的大小应与拉深件壁部增厚规律相适应，实验研究表明锥角可按下式计算：= arctan式中：t 板料厚度(mm)；Z拉深件壁部增厚系数，取0.20.3；D坯料直径(mm)；d拉深件直径(mm)。平锥压边圈不仅能使压边力调整工作得到一定程度的简化，而且能提高拉深的极限变形程度。图4.20(c)所示为圆弧压边圈，它适用于有凸缘且凸缘直径较小、圆角半径较大的筒形件，可防止制件在拉深结束时起
44、皱。图4.20(d)所示为首次拉深有限位装置的压边圈，该形式使弹性压边力不随行程增大而增大，使压边力均衡和防止压边圈将坯料压得过紧。限止距离S=t(0.050.1)mm。图4.21为后续各次拉深有限位装置的压边圈。由于后续各次拉深时工序件均为筒形，其稳定性较好，在拉深过程中不易起皱，因此所需要的压边力较小，而后续各次拉深的高度一般都较大，显然弹性压边装置可能造成拉深末尾因压边力过大而破裂，所以大多数后续各次拉深模，在采用弹性压边装置时，都使用此种形式压边圈。通过调节限位杆的高低可调节压边间隙进而调节压边力的大小。图4.21 后续各次拉深有限位装置的压边圈图4.22为常用带拉深筋的压边圈。所谓拉深筋，就是在压边圈的压料面上设置突出的筋条，在凹模面上开有相应的凹槽。在拉深筋的作用下，板料在拉深过程中，可增大径向拉应力，减小切向压应力以防止起皱发生。拉深非旋转体曲面制件时，通