《模具設(shè)計與制造李集仁》課件-第4章

第4章拉深工藝及拉深模設(shè)計4.1拉深的基本原理4.2圓筒形零件拉深的工藝計算4.3拉深模工作部分設(shè)計4.4拉深件的起皺及其防止措施4.5拉深模典型結(jié)構(gòu)4.6帶凸緣圓筒形件的拉深4.7盒形件的拉深4.8其它拉深方法拉深也稱拉延,它是利用模具使平面毛料變成開口的空心零件的沖壓工藝方法。

拉深工作示意圖如圖4－1所示。拉深模的主要零件有凸模1、凹模4和壓邊圈2。在凸模的作用下,原始直徑為D0的毛料,在凹模端面和壓邊圈之間的縫隙中變形,并被拉進(jìn)凸模與凹模之間的間隙里形成空心零件。零件上高度為H的直壁部分是由毛料的環(huán)形部分(外徑為D0、內(nèi)徑為d)轉(zhuǎn)化而成的,所以拉深時毛料的環(huán)形部分是變形區(qū),而底部通常認(rèn)為是不參與變形的不變形區(qū)。壓邊圈2的作用主要是防止拉深過程中毛料凸緣部分失穩(wěn)起皺。拉深模的凸模與凹模和沖裁模不同,它們的工作部分都沒有鋒利的刃口,而是做成一定的圓角半徑,凸、凹模之間的間隙大于沖裁模間隙且稍大于板料厚度。圖4－1拉深工作示意圖用拉深工藝可以制成筒形、階梯形、錐形、球形、方盒形和其它不規(guī)則形狀的薄壁零件,如果與其它沖壓成形工藝配合,還可以制造形狀極為復(fù)雜的零件。拉深件的可加工尺寸范圍也相當(dāng)廣泛,從幾毫米的小零件到輪廓尺寸達(dá)2~3米的大型零件,都可用拉深方法制成。因此,拉深工藝方法的應(yīng)用范圍十分廣泛,在電器、儀表、電子、汽車、航空等工業(yè)部門以及日常生活用品的沖壓生產(chǎn)中,拉深工藝占據(jù)著相當(dāng)重要的地位。圖4－2材料的轉(zhuǎn)移 4.1拉深的基本原理

4.1.1首次拉深變形

如圖4－1所示,直徑為D0,厚度為t的圓板毛料經(jīng)拉深模拉深,得到了直徑為d的開口圓筒形工件。

在拉深變形過程中,毛料的環(huán)形部分為變形區(qū),變形區(qū)內(nèi)金屬因塑性流動而發(fā)生了轉(zhuǎn)移。如圖4－2所示,如果將圓板毛料的三角形陰影部分b1、b2、b3…切除,留下狹條部分a1、a2、a3…,然后將這些狹條沿直徑為d的圓周彎折過來,再把它們加以焊接,就可以得到直徑為d的圓筒形工件。此時,圓筒形工件的高度h=(D-d)/2。但在實際拉深過程中,三角形陰影部分的材料并沒有切掉,而是在拉深過程中由于產(chǎn)生塑性流動而轉(zhuǎn)移了。這部分被轉(zhuǎn)移的三角形材料,通常稱為“多余三角形”。所以,拉深變形過程實際上是“多余三角形”因塑性流動而轉(zhuǎn)移的過程。

“多余三角形”材料轉(zhuǎn)移的結(jié)果,一方面要增加工件的高度,使工件的實際高度H＞(D-d)/2;另一方面要增加工件口部的壁厚。

為了進(jìn)一步分析金屬的流動情況,可先在毛料上畫出間距相等的同心圓和分度相等的輻射線所組成的網(wǎng)格。然后觀察拉深后網(wǎng)格的變化情況,如圖4－3所示。圖4－3拉深件的網(wǎng)格變化從圖中可以看出,圓筒底部的網(wǎng)格形狀在拉深前后基本上沒有變化,而圓筒形件壁部的網(wǎng)格則發(fā)生了很大的變化:原來的同心圓變成了筒壁上的等高線,而且其間距也增大了,愈靠筒的口部增大愈多,即

a1＞a2＞a3＞…＞a

另外,變形前分度相等的輻射線變成了筒壁上的豎直平行線,其間距則相等,即b1=b2=b3=…=b對于網(wǎng)格來說,是由變形前的扇形網(wǎng)格變成了長方形網(wǎng)格,即由F1變成了F2。這種網(wǎng)格的變化是由于應(yīng)力作用的結(jié)果,其應(yīng)力狀態(tài)如圖4－4所示。徑向受拉應(yīng)力σ1,切向受壓應(yīng)力σ3,如果有壓邊圈,則在厚度方向受壓應(yīng)力σ2。綜上所述,拉深過程中,變形區(qū)內(nèi)受徑向拉應(yīng)力σ1和切向壓應(yīng)力σ3的作用,產(chǎn)生塑性變形,將毛料的環(huán)形部分變?yōu)閳A筒形件的直壁。塑性變形的程度,由底部向上逐漸地增大,在圓筒頂部的變形達(dá)到最大值。該處的材料,在圓周方向受到最大的壓縮,高度方向獲得最大的伸長。拉深過程中,圓筒的底部基本上沒有塑性變形。4.1.2拉深過程中的應(yīng)力與應(yīng)變

分析板料在拉深過程中的應(yīng)力與應(yīng)變,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(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)。筒形件是最簡單、最典型的拉深件。圖4－5是筒形件在有壓邊圈的首次拉深中某一時刻的應(yīng)力與應(yīng)變情況。圖中,σ1、ε1——徑向的應(yīng)力與應(yīng)變;σ2、ε2——厚度方向的應(yīng)力與應(yīng)變;σ3、ε3——切向的應(yīng)力與應(yīng)變。圖4－5拉深過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的不同,可將拉深毛料劃分為五個區(qū)域:Ⅰ區(qū)為凸緣部分,是拉深工藝的主要變形區(qū);Ⅱ區(qū)為凹模圓角部分,是一個過渡區(qū)域;Ⅲ區(qū)為筒壁部分,起傳遞力的作用;Ⅳ區(qū)為凸模圓角部分,也是一個過渡區(qū)域;Ⅴ區(qū)是筒形件的底部,可認(rèn)為沒有塑性變形。

在筒壁與底部轉(zhuǎn)角處稍上的地方,由于傳遞拉深力的截面積較小,因此產(chǎn)生的拉應(yīng)力σ1較大。同時,在該處所需要轉(zhuǎn)移的材料較少,故該處材料的變形程度很小,加工硬化較低,材料的強度也就較低。圖4－6拉深件破裂而與凸模圓角部分相比,該處又不像凸模圓角處那樣存在較大的摩擦阻力。因此在拉深過程中,在筒壁與底部轉(zhuǎn)角處稍上的地方變薄便最為嚴(yán)重,成為整個零件強度最薄弱的地方,通常稱此斷面為“危險斷面”。若危險斷面上的應(yīng)力σ1超過材料的強度極限,則拉深件將在該處拉裂,如圖4－6所示。或者即使沒有拉裂,但由于應(yīng)力過大,材料在該處變薄過于嚴(yán)重,以致超差而使工件報廢。4.1.3拉深時的起皺、厚度變化及硬化

在拉深中經(jīng)常遇到的問題,除上述的拉破問題外,還會出現(xiàn)起皺、厚度變化及材料硬化等,這會使拉深工作不能順利進(jìn)行或造成廢品。

1.起皺

拉深時凸緣部分受切向壓應(yīng)力作用,如果材料較薄,凸緣部分剛度不夠,當(dāng)切向壓應(yīng)力足夠大時凸緣部分材料便會產(chǎn)生受壓失穩(wěn),在凸緣的整個周圍產(chǎn)生波浪形的連續(xù)彎曲,這就稱為起皺,如圖4－7所示。圖4－7拉深件起皺當(dāng)拉深件起皺后,輕者使工件口部產(chǎn)生浪紋,影響拉深件質(zhì)量。起皺嚴(yán)重時,由于起皺后的邊緣不能通過凸、凹模之間的間隙而使拉深件拉破。起皺是拉深中產(chǎn)生廢品的主要原因之一。

防止起皺的有效措施是采用壓邊圈,用以限制凸緣部分波浪的產(chǎn)生。此外,板料厚度的增加,可以提高凸緣部分抵抗受壓失穩(wěn)的能力,起皺的可能性會減小。

2.拉深時板料厚度的變化

拉深件的壁厚是不均勻的,壁厚沿高度方向的變化情況如圖4－8所示。由圖中可以看出,拉深件的上部變厚,愈靠近口部,變厚量愈大;拉深件的下部則變薄,在凸模圓角附近變薄最為嚴(yán)重,使該處成為危險斷面,很容易拉破。

拉深件壁厚不均勻的程度與拉深變形的變形程度有關(guān),變形程度越大,壁厚越不均勻。

3.拉深時的硬化現(xiàn)象

由于拉深時將產(chǎn)生很大程度的塑性變形,故毛料經(jīng)過拉深后,將引起加工硬化,強度和硬度顯著提高,塑性降低,從而給以后繼續(xù)拉深造成困難。圖4－8拉深件沿高度的壁厚和硬度變化硬度沿拉深件高度的變化情況如圖4－8所示。

對于需多次拉深成形的拉深件,一般要采用中間退火工序,以消除拉深過程中產(chǎn)生的加工硬化。

以上關(guān)于拉深時所產(chǎn)生的起皺、厚度變化和硬化現(xiàn)象,必須予以重視。起皺現(xiàn)象將會影響拉深件的質(zhì)量,甚至阻礙拉深工作的順利進(jìn)行或產(chǎn)生廢品。因此,必須設(shè)法避免產(chǎn)生起皺。厚度變化和硬化現(xiàn)象,在拉深工作中是不可避免的,但要設(shè)法加以控制,使其不至影響拉深件質(zhì)量或阻礙拉深工作的順利進(jìn)行。4.1.4以后各次拉深

通常,當(dāng)筒形件高度較大時,由于受板料成形極限的限制,不可能一次拉成,而需要二次或多次拉深。以后各次拉深,就是指由淺筒形件拉成更深筒形件的拉深。

以后各次拉深大致有兩種方法:一種是正拉深,如圖4－9(a)所示,為一般所常用;另一種是反拉深,如圖4－9(b)所示。反拉深就是將經(jīng)過拉深的半成品倒放在凹模上再進(jìn)行拉深。這時,材料的內(nèi)、外表面將互相轉(zhuǎn)換。圖4－9二次拉深方法

(a)正拉深;(b)反拉深反拉深時,由于毛料與凹模的包角為180°(一般拉深為90°),所以材料沿凹模流動的摩擦阻力及彎曲抗力明顯大于一般正拉深,這就使變形區(qū)的徑向拉應(yīng)力σ1大大增加,從而使切向壓應(yīng)力σ3的作用相應(yīng)減小,材料就不易起皺。圖4－10反拉深零件因此,一般反拉深可以不用壓邊圈,這就避免了由于壓邊力不適當(dāng)或壓邊力不均勻而造成的拉裂。所以,在某些情況下,反拉深的效果比一般正拉深更好一些。

反拉深可以用于圓筒形件的以后各次拉深,也可用于拉深如圖4－10所示的特殊零件。錐形、球形和拋物線形等復(fù)雜旋轉(zhuǎn)體零件,采用反拉深效果也較好。但是,由于模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜,這種方法主要用于板料較薄的大件和中等尺寸零件的拉深。這種方法的主要缺點是拉深凹模壁部的強度受拉深系數(shù)的限制。4.1.5拉深件的工藝性

1.拉深件的形狀應(yīng)盡量簡單對稱

旋轉(zhuǎn)體零件在圓周方向上的變形是均勻的,模具加工也較容易,所以其工藝性最好。其它形狀的拉深件,應(yīng)盡量避免輪廓的急劇變化,否則,變形不均勻,拉深困難。

2.拉深件凸緣的外輪廓最好與拉深部分的輪廓形狀相似

如果凸緣的寬度不一致(如圖4－11(a)所示),不僅拉深困難,需要添加工序,而且還需放寬修邊余量,增加材料損耗。

3.拉深件的圓角半徑要合適

如圖4－11(b)所示,一般取r1≥(2~3)t,r2≥(3~4)t。如最后一道工序是整形,則拉深件的圓角半徑可取:r1≥(0.1~0.3)t,r2≥(0.1~0.3)t。

4.拉深件底部孔的大小要合適

在拉深件的底部沖孔時,其孔邊到側(cè)壁的距離應(yīng)不小于該處圓角半徑加上板料厚度的一半,如圖4－11(b)中,a≥r1+0.5t。

5.拉深件的精度要求不宜過高

拉深件的精度包括拉深件內(nèi)形或外形的直徑尺寸公差、高度尺寸公差等。其精度等級如表4－1所示。圖4－11拉深件的工藝性4.2.1毛料尺寸的計算

由于拉深后工件的平均厚度與毛料厚度差別不大,厚度的變化可以忽略不計,因此,毛料尺寸的確定可依照拉深前后毛料面積與工件面積相等的原則計算。

由于板料性能的各向異性以及凸、凹模之間間隙不均等原因,拉深后工件口部一般都不平齊,而是在與板料輾壓方向成45°的方向上產(chǎn)生4個凸耳,通常都需要修邊,所以在計算毛料尺寸時,要考慮修邊余量,即在拉深件高度方向加一段修邊余量δ,如圖4－12所示。

修邊余量的數(shù)值根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗,可參考表4－2選取。4.2圓筒形零件拉深的工藝計算圖4－12圓筒形拉深件余量圖表4－2圓筒形零件的修邊余量δ圓筒形件為旋轉(zhuǎn)體零件,通常將旋轉(zhuǎn)體分成幾個便于計算的簡單部分,分別求出各部分的面積,然后相加即得到零件的總面積F。如圖4－13所示,將零件分成三部分,各部分的面積分別為零件總面積為F=F1+F2+F3=ΣF

圖4－13筒形件毛料尺寸的確定旋轉(zhuǎn)體零件的毛料形狀是圓形的,圓板毛料的面積為依據(jù)面積相等原則：F=F0，即因此,毛料直徑為(4－1)4.2.2拉深系數(shù)和拉深次數(shù)

1.拉深系數(shù)

對于圓筒形零件來說,拉深后零件的直徑d與毛料直徑D之比稱為拉深系數(shù)m,即m=d/D

(4－2)從上式可以看出,拉深系數(shù)表示了拉深前后毛料直徑的變化量,也就是說,拉深系數(shù)反映了毛料外邊緣在拉深時切向壓縮變形的大小,因此,拉深系數(shù)是拉深時毛料變形程度的一種簡便而實用的表示方法。對于第二次、第三次等以后各次的拉深,其拉深系數(shù)也可用類似的方法表示(見圖4－14):圖4－14多次拉深時工件尺寸的變化

2.極限拉深系數(shù)

由于受到板料成形極限的限制,每次拉深變形的變形程度不允許太大,即拉深系數(shù)不能太小,否則會引起工件的破壞。拉深過程中,工件的主要破壞形式是拉破和起皺,起皺問題可以通過防皺壓邊裝置加以控制,因此,工件在危險斷面上的破裂成了拉深工作中的首要問題。所謂極限拉深系數(shù),就是工件在危險斷面不至拉裂的條件下,所能達(dá)到的最小拉深系數(shù)。圖4－15最大拉深力與工件危險斷面承載能力的關(guān)系圖4－15是拉深時拉深力F和行程h的關(guān)系曲線。由圖可知,最大拉深力的大小與拉深系數(shù)有關(guān),拉深系數(shù)越小,拉深力曲線的峰值越高,即最大拉深力越大。當(dāng)拉深系數(shù)達(dá)到極限值m時,拉深力的最大值接近于工件危險斷面的承載能力,拉深仍可正常進(jìn)行。當(dāng)拉深系數(shù)小于極限拉深系數(shù),即m′＜m時,拉深力的最大值超過危險斷面的承載能力,此時,工件在危險斷面上會發(fā)生破裂。表4－3無凸緣筒形件用壓邊圈拉深時的拉深系數(shù)在實際生產(chǎn)中,并不是在所有的情況下都采用極限拉深系數(shù)。因為過小的接近極限值的拉深系數(shù)會引起毛料在凸模圓角部位的過分變薄,而且在以后的拉深工序中這部分變薄嚴(yán)重的缺陷會轉(zhuǎn)移到成品零件的側(cè)壁上,從而降低零件的質(zhì)量。所以,當(dāng)對零件質(zhì)量有較高的要求時,必須采用大于極限值的拉深系數(shù)。

3.影響極限拉深系數(shù)的因素

(1)材料的機械性能:σs/σb愈小,對拉深愈有利。因為σs小,材料容易變形,凸緣變形區(qū)的變形抗力減小;而σb大,則提高了危險斷面處的強度,減小破裂的危險。因此,σs/σb小的材料與σs/σb大的材料相比,其極限拉深系數(shù)值小一些。材料延伸率δ值小的材料,因容易拉斷,故極限拉深系數(shù)要大一些。一般認(rèn)為,σs/σb≤0.65,而δ≥28%的材料具有較好的拉深性能。

(2)材料的相對厚度t/D:相對厚度愈大,愈對拉深有利。因為t/D大,凸緣處抵抗失穩(wěn)起皺的能力提高,這樣壓邊力可以減小甚至不需壓邊,這就可相應(yīng)地減小甚至完全沒有壓邊圈對毛料的摩擦阻力,從而降低拉深力,減小工件拉破的可能性。

(3)潤滑:潤滑條件良好對拉深有利,可以減小拉深系數(shù)。

(4)模具的幾何參數(shù):凸、凹模的圓角半徑和凸、凹模之間的間隙值對拉深系數(shù)也有影響,因此,決定拉深系數(shù)和決定模具幾何參數(shù)要結(jié)合起來加以考慮。

4.拉深次數(shù)

實際上拉深系數(shù)有兩個不同的概念,一個是零件所需的拉深系數(shù)mΣ,即

多次拉深時的拉深次數(shù)，其確定方法如下所述：

1)查表法

筒形件的拉深次數(shù)，可根據(jù)零件的相對高度h/d和毛料的相對厚度(t/D×100)，查表4-5得出。

2）推算法

筒形件的拉深次數(shù)，也可根據(jù)極限拉深系數(shù)m1、m2、m3…(其值見表4-3、表4-4),然后從第一道工序開始依次求半成品直徑，即(4-3)式中d1、d2、…dn——各次半成品直徑（mm)；

m1、m2、…mn——各次拉深系數(shù)；

D——毛料直徑(mm)。

2)半成品高度

在設(shè)計和制造拉深模及選用合適的沖床時,還必須知道各道工序的拉深高度,因此,工藝計算中必須計算半成品的高度。其值可按下式計算:…(4－4)綜上所述,拉深系數(shù)是反映毛料變形程度的一種表示方法,拉深系數(shù)越小,意味著變形程度越大。拉深系數(shù)也是進(jìn)行工藝計算(如拉深次數(shù)的計算和半成品尺寸的計算)的依據(jù)。同時,拉深系數(shù)值的大小決定著拉深件的精度高低和質(zhì)量的好壞,拉深系數(shù)值取得過小,會使拉深件在凸模圓角處嚴(yán)重變薄,甚至出現(xiàn)起皺或破裂,影響拉深件質(zhì)量甚至出現(xiàn)廢品。一般來說,較大的拉深系數(shù)值有利于工件質(zhì)量的提高。顯而易見,拉深系數(shù)是拉深工作中十分重要的工藝參數(shù)。

4.3拉深模工作部分設(shè)計

4.3.1凹模和凸模的圓角半徑

凹模和凸模的圓角半徑對拉深工作影響很大,其中凹模圓角半徑rd的影響更為顯著。

如圖4-16所示,拉深過程中,板料在凹模圓角部位滑動時產(chǎn)生較大的彎曲變形,由凹模圓角區(qū)進(jìn)入直壁部分時又被重新拉直,或者在通過凸、凹模之間的間隙時受到校直作用。若凹模圓角半徑過小,則板料在經(jīng)過凹模圓角部位時的變形阻力以及在模具間隙里通過時的阻力都要增大,勢必引起總拉深力增大和模具壽命降低。例如,厚度為1mm的軟鋼零件的拉深試驗結(jié)果表明,當(dāng)凹模圓角半徑由6mm減到2mm時,拉深力增加將近一倍。因此,當(dāng)凹模圓角半徑過小時,必須采用較大的極限拉深系數(shù)。在生產(chǎn)中,一般應(yīng)盡量避免采用過小的凹模圓角半徑。

圖4－16凸、凹模圓角半徑凹模圓角半徑過大,使在拉深初始階段不與模具表面接觸的毛料寬度加大,因而這部分毛料很容易起皺。在拉深后期,過大的圓角半徑也會使毛料外緣過早地脫離壓邊圈的作用而起皺,尤其當(dāng)毛料的相對厚度小時,起皺現(xiàn)象十分突出。因此,在設(shè)計模具時,應(yīng)該根據(jù)具體條件選取適當(dāng)?shù)陌寄A角半徑值。凸模圓角半徑rD對拉深工作的影響不像凹模圓角半徑rd那樣顯著。但是過小的凸模圓角半徑會使毛料在這個部位上受到過大的彎曲變形,結(jié)果降低了毛料危險斷面的強度,這也使極限拉深系數(shù)增大。另外,即使毛料在危險斷面不被拉裂,過小的凸模圓角半徑也會引起危險斷面附近毛料厚度局部變薄,而且這個局部變薄和彎曲的痕跡經(jīng)過后道拉深工序以后,還會在成品零件的側(cè)壁上遺留下來,以致影響零件的質(zhì)量。在多工序拉深時,后道工序的壓邊圈的圓角半徑等于前道工序的凸模圓角半徑,所以當(dāng)凸模圓角半徑過小時,在后道的拉深工序里毛料沿壓邊圈的滑動阻力也要增大,這對拉深過程的進(jìn)行是不利的。

假如凸模圓角半徑過大,也會使在拉深初始階段不與模具表面接觸的毛料寬度加大,因而這部分毛料容易起皺。在一般情況下,可按以下方法選取。

(1)拉深凹模圓角半徑可按下式確定:(4－5)式中:D——毛料直徑(mm);

d——凹模內(nèi)徑(mm);

t——板料厚度(mm)。當(dāng)工件直徑d＞200mm時,拉深凹模圓角半徑應(yīng)按下式確定:rdmin＝0.039d+2(mm)(4－6)拉深凹模圓角半徑也可根據(jù)工件材料及其厚度來確定,見表4－6。一般對于鋼的拉深件,rd=10t;對于有色金屬的拉深件(鋁、黃銅、紫銅),rd=5t。表4－6拉深凹模圓角半徑rd

最好將上述rd值作為第一次拉深的rd值。以后各次拉深時，rd值應(yīng)逐漸減小，其關(guān)系為rdn=(0.6

~

0.8)rdn-1(4－7)但不應(yīng)小于材料厚度的兩倍。

(2)在生產(chǎn)實際中,凸模圓角半徑rp決定如下:

單次或多次拉深中的第一次:(4－8)多次拉深中的以后各次:(4－9)式中:dn-1、dn——前后兩道工序中毛料的過渡直徑(mm)。最后一次拉深的凸模圓角半徑即等于零件的圓角半徑,但不得小于(2~3)t。如零件的圓角半徑要求小于(2~3)t,則凸模圓角半徑仍應(yīng)取(2~3)t,最后用一次整形來得到零件要求的圓角半徑。

在生產(chǎn)當(dāng)中,實際的情況是千變?nèi)f化的,所以時常要根據(jù)具體條件對以上所列數(shù)值做必要的修正。例如,當(dāng)毛料相對厚度大而不用壓邊圈時,凹模圓角半徑還可以加大。當(dāng)拉深系數(shù)較大時,可以適當(dāng)?shù)販p小凹模的圓角半徑。在實際設(shè)計工作中,也可以先取比表中略小一些的數(shù)值,然后在試模調(diào)整時再逐漸地加大,直到拉深出合格零件為止。4.3.2凸、凹模結(jié)構(gòu)

凸、凹模結(jié)構(gòu)形式設(shè)計得合理與否,不但關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量,而且直接影響著拉深變形程度,亦即影響拉深系數(shù)的大小。下面介紹幾種常見的結(jié)構(gòu)型式。

1.不用壓邊圈的拉深

(1)淺拉深(即一次拉深的情況)如圖4－17所示。圖4－17不用壓邊圈的拉深凹模

(a)普通平端面凹模;(b)錐形凹模;(c)曲面凹模與普通的平端面凹模(見圖4－17(a))相比,用錐形凹模(見圖4－17(b))拉深時,毛料的極限變形程度大。因為用錐形凹模拉深時毛料的過渡形狀(見圖4－18)呈曲面形狀,因而具有更大一些的抗失穩(wěn)能力,結(jié)果就減小了起皺的趨向。另外,用錐形凹模拉深時,由于建立了對拉深變形極為有利的變形條件,如凹模圓角半徑造成的摩擦阻力和彎曲變形的阻力都減小到很低的程度,凹模錐面對毛料變形區(qū)的作用力也有助于使它產(chǎn)生切向壓縮變形等,這樣拉深所需的作用力要小些,因此可以采用較小的拉深系數(shù)。從不容易起皺的要求來看,錐形凹模的角度應(yīng)取30°~60°;而從減小拉深力出發(fā),凹模的角度應(yīng)為20°~30°,為了兼顧這兩方面的要求,通常采用30°。圖4－18錐形凹模拉深時毛料過渡形狀近年來,國內(nèi)外都在對無壓邊拉深凹?？诘某尚吻孢M(jìn)行深入的研究,出現(xiàn)了漸開線形凹模、橢圓曲線凹模、正弦曲線凹模、曳物線凹模以及由幾種曲線組合而成的凹模等,其中曳物線凹模具有最小的拉深力和最大的抗失穩(wěn)能力,從而能得到最小的拉深系數(shù)。與此同時,用優(yōu)化方法尋求最合理的成形曲面,近年也取得了顯著成效。

(2)深拉深(二次以上拉深),其結(jié)構(gòu)如圖4－19所示。圖4－19以后各次拉深無壓邊圈時的模具結(jié)構(gòu)

2.帶壓邊圈的拉深(見圖4－20)

(1)當(dāng)零件尺寸d≤100mm時的多次拉深用(a)型。圖4－20帶壓邊圈的拉深模

(2)當(dāng)零件尺寸d＞100mm時的多次拉深用(b)型。

圖4－20(b)的斜角形狀的結(jié)構(gòu),除具有一般的錐形凹模的特點外,還可能減輕毛料的反復(fù)彎曲變形,提高沖壓件側(cè)壁的質(zhì)量。4.3.3拉深模的間隙

拉深模的間隙(Z=(dd-dp)/2)是指單邊間隙。間隙的影響如下:

(1)拉深力:間隙愈小,拉深力愈大。

(2)零件質(zhì)量:間隙過大,容易起皺,而且毛料口部的變厚得不到消除。另外,也會使零件出現(xiàn)錐度。而間隙過小,則會使零件容易拉斷或變薄特別嚴(yán)重。故間隙過大或過小均會引起工件破壞。

(3)模具壽命:間隙小,則磨損加劇。

因此,確定間隙的原則為:既要考慮板料本身的公差,又要考慮毛料口部的增厚現(xiàn)象。間隙Z一般應(yīng)比毛料厚度略大一些。其值可按下式計算:

Z=tmax+ct(4－10)

式中dn-1、dn——前后兩道工序中毛料的過渡直徑(mm)。

Δ——板料的正偏差;

c——增大系數(shù),其值見表4－7。表4－7增大系數(shù)c值生產(chǎn)實際中,在不用壓邊圈拉深時,考慮到起皺的可能性,單邊間隙值取材料厚度上限值的1~1.1倍。間隙較小的數(shù)值用于末次拉深或用于精密拉深件,較大數(shù)值則用于中間的拉深或不精密的拉深件。4.3.4凹模和凸模的尺寸及其公差

對最后一道工序的拉深模,其凹模、凸模的尺寸及其公差應(yīng)按工件的要求來確定。

當(dāng)工件要求外形尺寸時(圖4－21(a)),以凹模為基準(zhǔn),凹模尺寸為(4－11)凸模尺寸為(4－12)當(dāng)工件要求內(nèi)形尺寸時(圖4－21(b)),以凸模為基準(zhǔn),凸模尺寸為Dp=(d+0.4Δ)-δp(4－13)凹模尺寸為Dd=(d+0.4Δ+2Z)+δd

(4－14)對于多次拉深時的中間過渡拉深,毛料的尺寸公差沒有必要予以嚴(yán)格限制,這時模具的尺寸只要等于毛料過渡尺寸即可。若以凹模為基準(zhǔn),則凹模尺寸為凸模尺寸為Dp=(D–2Z)-δp式中:δp(凸模制造公差)——一般按公差等級IT6~IT8選取;

δd(凹模制造公差)——一般按公差等級IT6~IT8選取。圖4－21工件尺寸與模具尺寸 4.4拉深件的起皺及其防止措施

4.4.1壓邊裝置的形式

目前在生產(chǎn)實際中常用的壓邊裝置有兩大類,即彈性壓邊裝置和剛性壓邊裝置。

1.彈性壓邊裝置

這種裝置多用于普通沖床。這一類通常有如下三種:

(1)橡皮壓邊裝置(見圖4－22(a));

(2)彈簧壓邊裝置(見圖4－22(b));

(3)氣墊式壓邊裝置(見圖4－22(c))。圖4－22彈性壓邊裝置橡皮及彈簧壓邊裝置的壓邊力隨拉深深度的增加而增大,尤以橡皮壓邊裝置更為嚴(yán)重。這種情況會使拉深力增大,從而導(dǎo)致零件斷裂。因此橡皮及彈簧壓邊裝置通常只用于淺拉深。

氣墊式壓邊裝置的壓邊效果較好,是國內(nèi)目前改進(jìn)沖床構(gòu)造的發(fā)展方向之一。彈簧與橡皮壓邊裝置雖有缺點,但結(jié)構(gòu)簡單,對于單動的中小型壓力機使用是很方便的。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗,只要正確地選擇彈簧規(guī)格及橡皮的牌號和尺寸,就能盡量減少它們的不利方面,充分發(fā)揮作用。圖4－23剛性壓邊裝置

2.剛性壓邊裝置(見圖4－23)

這種裝置的特點是壓邊力不隨行程變化,其大小可通過調(diào)節(jié)壓邊圈與凹模面之間的間隙來調(diào)整。這種壓邊裝置的拉深效果較好,且模具結(jié)構(gòu)簡單。這種結(jié)構(gòu)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。

2.剛性壓邊裝置(見圖4－23)

這種裝置的特點是壓邊力不隨行程變化,其大小可通過調(diào)節(jié)壓邊圈與凹模面之間的間隙來調(diào)整。這種壓邊裝置的拉深效果較好,且模具結(jié)構(gòu)簡單。這種結(jié)構(gòu)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。4.4.2壓邊力和拉深力

防皺壓邊圈的作用力應(yīng)在保證毛料凸緣部分不致起皺的前提下,選取盡量小的數(shù)值。壓邊力能夠引起毛料凸緣部分與凹模平面和壓邊圈表面之間的摩擦阻力,如果這項阻力過大,就可能引起毛料破裂。為了使壓邊圈能可靠地工作,通常取壓邊力Q之值稍大于防皺作用所需的最低值,并可用下式求得:(4－15)式中:Q——壓邊力(N);D——毛料直徑(mm);d——拉深件直徑(mm);q——單位壓邊力(N/mm2),其值決定于板料的機械性能(σb與σs)、拉深系數(shù)、板料的相對厚度和潤滑等。一般來說,當(dāng)板料的強度高、相對厚度小、拉深系數(shù)小時,所需的最小單位壓邊力q較大,反之,q值較小。在生產(chǎn)中可以參考表4－8選取單位壓邊力q之值,該表適用于圓筒形拉深件。表4－8單位壓邊力q之值圓筒形件拉深時的拉深力可按下述經(jīng)驗公式進(jìn)行計算:

·筒形件無壓邊拉深時,第一次拉深為F1=1.25πtσb(D-d1)(4－16)以后各次拉深為Fn=1.3πtσb(dn-1

–

dn)(4－17)·筒形件有壓邊圈時,第一次拉深為F1=πd1tσb

k1

(4－18)以后各次拉深Fn=πdntσbk2(4－19)式中:F——拉深力(N);

Q——壓邊力(N)。

當(dāng)拉深行程較大,特別是采用落料拉深復(fù)合模時,不能簡單地將落料力與拉深力疊加去選擇壓力機,因為壓力機的公稱壓力是指在接近下死點時的壓力機壓力。因此,應(yīng)注意壓力機的壓力曲線。一般可按下式概略計算:第一次拉深時為(4－21)以后各次拉深時(4-22)式中:F總——總的沖壓力,包括拉深力、壓邊力,采用落料拉深復(fù)合模時,還包括其它力;

F0——壓力機的公稱壓力。 4.5拉深模典型結(jié)構(gòu)

4.5.1首次拉深模

1.無壓邊裝置的簡單拉深模(見圖4－24)

這種模具的結(jié)構(gòu)簡單,上模往往是整體的。當(dāng)凸模直徑過小時,可以加上模柄,以增加上模與滑塊的拉觸面積。在凸模中應(yīng)有直徑3mm以上的小通氣孔,否則,工件有可能緊貼在凸模上難以取下。凹模下部裝有刮件環(huán),其作用是在凸模拉深完后回程時,將工件從凸模上刮下。這種結(jié)構(gòu)一般適用于毛料厚度較大(t＞2mm)及拉深深度較小的情況。圖4－24無壓邊的簡單拉深模

2.有壓邊圈的簡單拉深模(見圖4－25)

有壓邊圈的拉深模用于拉深材料薄及深度大易于起皺的工件。與無壓邊圈的簡單拉深模相比,上模部分多了一個彈性壓邊圈,凹模下部則無需刮件環(huán)。工作時,凸模下降,壓邊圈也一同下降,壓邊圈接觸毛料后停止下行,而凸模部分繼續(xù)下行,壓邊圈壓住毛料,使工件的環(huán)形部分在壓緊的狀態(tài)下變形,不易起皺。凸模回程時,壓邊圈在彈性力作用下可以將工件從凸模上刮下。

圖4－25所示的模具中,壓邊圈是通過螺釘與上模部分彈性聯(lián)接的,壓邊圈安裝在上模部分。由于上模的空間有限,不能安裝粗大彈簧,因而這種模具僅適用于壓邊力小的拉深件。圖4－25壓邊圈在上模的拉深模4.5.2以后各次拉深模

在大多數(shù)情況下,以后各次的拉深模具有壓邊裝置,以保證工件質(zhì)量。

有壓邊裝置的以后各次拉深模如圖4－26所示。模具的壓邊裝置裝在下模,毛料為第一次拉深后的半成品,拉深前套在壓邊圈上,實現(xiàn)定位。拉深時彈性壓邊裝置實現(xiàn)壓邊。拉深后頂料板將工件頂出凹模,與此同時,壓邊圈從凸模上把工件卸下。圖4－26有壓邊的以后各次拉深模4.5.3落料—拉深模

圖4－27落料—拉深模凸凹模2既是落料凸模,又起拉深凹模的作用。工作時,在凸凹模和落料凹模作用下進(jìn)行落料,接著由凸凹模與拉深凸模進(jìn)行拉深。拉深過程中,頂件器兼起壓邊圈的作用,可防止工件在拉深過程中產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。頂件器上部的壓邊圈在彈性元件作用下,通過頂桿獲得壓力,當(dāng)落料工作完成后,壓邊圈就將毛料壓緊在凸凹模面上,實現(xiàn)壓邊。當(dāng)拉深完畢上?；爻虝r,壓邊圈將工件頂出。如果工件卡在拉深凹模(凸凹模)內(nèi),則由卸料桿將工件擊落。 4.6帶凸緣圓筒形件的拉深

帶凸緣的圓筒形件如圖4－28所示,在沖壓生產(chǎn)中是經(jīng)常遇到的,它有時是成品零件,有時是形狀復(fù)雜的沖壓件的中間過渡半成品。圖4－28帶凸緣的圓筒形件4.6.1小凸緣件的拉深

對dp/d=1.1~1.4之間的凸緣件稱為小凸緣件。這類零件因凸緣很小，可以作一般圓筒形件進(jìn)行拉深，只在倒數(shù)第二道工序時才拉出凸緣或拉成具有錐形的凸緣，而最后通過整形工序壓成水平凸緣。若h/d≤1時，則第一次即可拉成口部具有錐形凸緣的圓筒形，而后整形即可。4.6.2寬凸緣件的拉深

對dp/d＞1.4的凸緣件稱為寬凸緣件。寬凸緣件的總的拉深系數(shù)用下式表示:(4-23)寬凸緣件的第一次拉深與圓筒形件的拉深相似,只是不把毛料邊緣全部拉入凹模,而在凹模面上形成凸緣。它是筒形件拉深的一種中間狀態(tài)。寬凸緣件允許的第一次極限拉深系數(shù)m1一般比相同內(nèi)徑的圓筒形件的拉深系數(shù)小些。這時因為一般寬凸緣工件拉深時，由于凸緣部分并未全部轉(zhuǎn)為筒壁，即當(dāng)凸緣區(qū)的變形抗力還未達(dá)到最大拉深力時，拉深工作就中止了。其理由從圖4-29中可以看出。在圖4-29中，m——圓筒形件拉深系數(shù)；m1、m2——凸緣件拉深系數(shù)，m1=m，m2＜m1；Fb——危險斷面所能承受的載荷。

從圖中可以看出，在取凸緣件的m1等于圓筒形件的極限拉深系數(shù)m時，凸緣件的拉深工作在拉深力曲線的A點就結(jié)束了，遠(yuǎn)未達(dá)到極限狀態(tài)。為了充分利用材料的塑性，可以將m1減小m2，即A1點。

寬凸緣件的變形程度m受dp/d和h/d的影響，特別是dp/d的影響較大。從圖4-29中可以看出，當(dāng)毛料直徑dp愈大，A點左移，則極限拉深系數(shù)可以取得更小一些。這從表4-10中也可看出來。另外，對于一定的凸緣件來講，總的拉深系數(shù)確定后，則dp/d與h/d

之間的關(guān)系也確定了，因此，也常用h/d來表示凸緣件的變形程度。其關(guān)系見表4-11。

寬凸緣件的拉深原則：苦零件所給的拉深系數(shù)m大于表4-10所給的第一次拉深系數(shù)極限值，零件的相對高度h/d

小于表4-11所給的數(shù)值，則該零件可一次拉成。

反之，若零件所給的拉深系數(shù)m值小于表4-10中所給值或其相對高度h/d大于表4-11中所給值，則該零件需要多次拉深。

多次拉深的方法：按表4-10所給的第一次極限拉深系數(shù)或表4-11所給的相對拉深高度拉成凸緣直徑等于零件尺寸dp的中間過渡形狀，以后各次拉深均保持dp不變，只按表4-12中的拉深系數(shù)逐步減小筒形部分直徑，直到拉成所需零件為止。圖4－29拉深力與拉深過程的關(guān)系以后各道工序的拉深系數(shù)按下式?jīng)Q定：(4-24)

從表4-10可以明顯看出，當(dāng)dp/d<1.1時，帶凸緣零件的極限拉深系數(shù)與拉深普通圓筒形件時相同，而當(dāng)dp/d=3時，帶凸緣零件的極限拉深系數(shù)很小(m=0.33)，但是這并不表示需要完成很大的變形，因為當(dāng)m=d/D=0.33時，可得出：即毛料的初始直徑等于凸緣直徑,這相當(dāng)于變形程度為零的情況,即毛料直徑在變形時不收縮,而靠局部變薄成形。生產(chǎn)實踐中,凸緣件多次拉深工藝過程通常有兩種具體情況。

(1)對于中小型零件(dp＜200mm),通?？繙p小筒形部分直徑、增加高度來達(dá)到,這時圓角半徑rp及rd在整個變形過程中基本上保持不變,如圖4－30(a)所示。

(2)對于大件(dp＞200mm),通常采用改變圓角半徑rd、rp,逐漸縮小筒形部分的直徑來達(dá)到。零件高度基本上一開始即已形成,而在整個過程中基本保持不變,如圖4－30(b)所示。此法對厚料更為合適。

自然也可以有以上兩種情況的結(jié)合。用第二種方法(見圖4－30(b))制成的零件表面光滑平整,而且厚度均勻,不存在中間拉深工序中圓角部分的彎曲與局部變薄的痕跡。但是,這種方法只能用于毛料相對厚度較大的情況。否則在第一次拉深成大圓角的曲面形狀時容易起皺,當(dāng)毛料的相對厚度小,而且第一次拉成曲面形狀具有起皺危險時,則應(yīng)采用圖4－30(a)所示的方法。用這種方法制成的零件,表面質(zhì)量較差,容易在直壁部分和凸緣上殘留有中間工序中形成的圓角部分彎曲和厚度的局部變化的痕跡,所以最后要加一道需要較大力的整形工序。當(dāng)零件的底部圓角半徑較小,或者當(dāng)對凸緣有不平度要求時,上述兩種方法都需要一道最終的整形工序。圖4－30凸緣件拉深方法在拉深寬凸緣件中要特別注意的是在形成凸緣直徑dp之后,在以后的拉深中,凸緣直徑dp不再變化,因為凸緣尺寸的微小變化(減小)都會引起很大的變形抗力,而使底部危險斷面處拉裂。這就要求正確計算拉深高度和嚴(yán)格控制凸模進(jìn)入凹模的深度。

各次拉深高度確定如下:

第一次拉深高度為(4－25)以后各次拉深高度為(4－26)

凸緣件拉深時,凸、凹模圓角半徑的確定與普通圓筒形件拉深一樣。

除了精確計算拉深件高度和嚴(yán)格控制凸模進(jìn)入凹模的深度以外,為了保證凸緣不受拉力,通常使第一次拉成的筒形部分金屬表面積比實際需要的多3%~5%。這部分多余的金屬逐步分配到以后各道工序中去,最后這部分金屬逐漸使筒口附近凸緣加厚,但這不會影響零件質(zhì)量。

4.7盒形件的拉深

4.7.1盒形件拉深的變形特點

圖4-31所示的盒形件可劃分為(A-2r)、(B-2r)的直邊和四個半徑為r的圓角(1/4圓柱面)。由平板毛料拉深成盒形件時，直邊相當(dāng)于彎曲變形，圓角相當(dāng)于圓筒拉深。但由于直邊與圓角連成為一個整體，變形時勢必互相制約，形成了盒形件拉深變形的特點。從圖4-31可知，毛料表面在變形前劃分的網(wǎng)格(圓角由同心圓和半徑線組成，直邊為矩形網(wǎng)格)，拉深后直壁網(wǎng)格發(fā)生橫向壓縮和縱向伸長，即變形前橫向尺寸為Δl1=Δl2=Δl3，變形后為Δl3′<Δl2′<Δl1′<Δl1，縱向尺寸則由Δh1=Δh2=Δh3，變?yōu)棣3′>Δh2′>Δh1′>Δh1。由此可知，直壁中間變形最小(接近彎曲變形)，靠近圓角的拉深變形最大。變形沿高度分布也不均勻，靠近底部最小，靠近口部最大。圓角變形與圓筒形件拉深相似，但其變形程度比圓筒小，即變形后的網(wǎng)格，不是與底面垂直的平行線，而是變?yōu)樯喜块g距大，下部間距小的斜線。這說明盒形件拉深時圓角的金屬向直邊流動，使直邊產(chǎn)生橫向壓縮，從而減輕了圓角的變形程度。

由于直邊與圓角的變形情況不同，直邊的金屬流入凹?？欤瑘A角的金屬流入凹模慢。因此，毛坯在這兩部分連接處產(chǎn)生了剪切變形和剪切應(yīng)力。這兩部分的相互影響程度，與盒形件相對圓角半徑r/B有關(guān)(r——圓角的半徑；B——短邊寬度)。圖4－31盒形件拉深變形特點4.7.2毛料尺寸的確定

盒形件拉深時,某些圓角部分的金屬被擠向直邊,r/B越小,這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。在決定毛料尺寸時,必須考慮這部分材料的轉(zhuǎn)移。

對于一次拉深成形的矩形盒,其毛料尺寸可計算如下:先將直邊按彎曲件展開計算,圓角部分按1/4圓筒拉深件展開計算,于是得出毛料外形(見圖4－32);然后過ab的中點c作圓弧R的切線,再以R為半徑作圓弧與切線和直邊相切,相切后毛料補充的面積與切除的面積近似相等便得最后修正的光滑過渡的毛料外形。L=h+0.57rp式中h——矩形盒高度(包括修邊余量Δh)；

rp——矩形盒底部圓角半徑。

Δh值可按表4-13選取。圖4－32盒形件拉深用毛料的概略計算4.7.2毛料尺寸的確定

盒形件拉深時,某些圓角部分的金屬被擠向直邊,r/B越小,這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。在決定毛料尺寸時,必須考慮這部分材料的轉(zhuǎn)移。

對于一次拉深成形的矩形盒,其毛料尺寸可計算如下:先將直邊按彎曲件展開計算,圓角部分按1/4圓筒拉深件展開計算,于是得出毛料外形(見圖4－32);然后過ab的中點c作圓弧R的切線,再以R為半徑作圓弧與切線和直邊相切,相切后毛料補充的面積與切除的面積近似相等便得最后修正的光滑過渡的毛料外形。按彎曲展開的直邊部分的長度為L=h+0.57rp

式中h——矩形盒高度(包括修邊余量Δh)；

rp——矩形盒底部圓角半徑。

Δh值可按表4-13選取。圓角部分按1/4圓筒拉深計算,得若矩形盒高度較大，需多次拉深，可采用圓形毛料(圖4-33)，其直徑

對于高度與角部圓角半徑較大的盒形件,可采用圖4－34所示的長圓形或橢圓形毛料。毛料窄邊的曲率半徑按半個方盒計算,即取R′=D/2。當(dāng)高度較大需要多次拉深時,也可采用圓形毛料。例如圖4－35所示的零件,雖然長寬比A/B≈2.3,但因高度大,也可用D=60mm的圓形毛料。圖4－33高方形盒的毛料形狀與尺寸圖4－34高矩形盒的毛料形狀與尺寸圖4－35矩形盒多工序拉深時半成品的形狀與尺寸4.7.3盒形件初次拉深的極限變形程度

盒形件初次拉深的極限變形程度,可用其相對高度h/r表示。由平板一次拉深成形的矩形盒,其最大相對高度值與r/B、t/B、板料性能等有關(guān),其值見表4－14。當(dāng)t/B<0.01,且A/B≈1時,取較小值;當(dāng)t/B>0.015,且A/B>2時,取較大值。表中數(shù)據(jù)適用于軟鋼板的拉深。

若h/r不超過表中極限值,則可一次拉深成形,否則需用多次拉深。4.7.4盒形件的多次拉深

圖4－36所示為方盒多次拉深時中間毛料尺寸的確定方法。將直徑D的毛料,經(jīng)中間多次拉深成圓筒形,最后一次拉深成零件尺寸。先計算倒數(shù)第二道即第(n-1)次拉深的中間毛料直徑為Dn-1=1.41B–0.82r+2δ

(4-27)式中:Dn-1——第n-1次拉深后的毛料直徑;

B——方盒寬度(按內(nèi)表面計算);

r——方盒角部內(nèi)圓角半徑;

δ——毛坯內(nèi)表面到零件內(nèi)表面在圓角處的距離,簡稱為角部壁間距離。

δ值對拉深變形程度和變形的均勻性有直接影響,當(dāng)采用圖4－36所示的成形方法時,合理的δ值由表4－15查取或按下式確定:

δ=(0.2~0.25)r

其它各道工序可按圓筒件拉深計算,即由直徑D的平板毛料拉深成直徑為Dn-1,高度為hn-1的圓筒。圖4－36方盒形件多工序拉深的半成品的形狀與尺寸圖4－35所示為矩形盒多次拉深時中間毛料的尺寸。計算由n-1次開始。n-1次拉深后的橢圓尺寸為Ra(n-1)=0.705A–0.41r+δRb(n-1)=0.705B–0.41r+δ

(4－28)式中:Ra(n-1)、Rb(n-1)——第n-1次拉深后的橢圓在其長、短軸上的曲率半徑;

A、B——分別為矩形盒的長度、寬度;

δ——第n次拉深的角部壁間距離,可由表4－15查取。表4－15角部壁間距離δ

圓弧Ra(n-1)和Rb(n-1)的圓心，可按圖4-35的方法確定，得出第(n-1)次拉深后的中間毛料尺寸后，用矩形盒初次拉深的計算方法檢查是否可由平板毛料一次拉成。若否，則須進(jìn)行第(n-2)次拉深計算。第(n-2)次拉深由橢圓變橢圓，這時應(yīng)保證(4－29)式中:a、b——前后橢圓之間在短、長軸上的壁間距離(見圖4－35)。求出a、b后,可在對稱軸上找到M、N點。然后選定半徑R,以R作圓弧過M、N點,使外形圓滑連接,并使Ra與Rb的圓比Ra(n-1)、Rb(n-1)的圓心更靠近中心O。得出第n-2次拉深后的毛料尺寸后,重新檢查是否可由平板毛料一次拉成。若否,則應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行前一道工序的毛料計算。依次類推,直到初次拉深為止。4.7.5凸、凹模尺寸設(shè)計

凹模圓角半徑可取Rd=(4~10)t

設(shè)計時取小值,以便在調(diào)模時修磨加大。凸、凹模間隙,圓角部分按零件尺寸精度選取。精度較高時,間隙Z=(0.9~1.05)t,精度較低時,Z=(1.1~1.3)t。因直邊部分壁厚增大比圓角部分小,故間隙Z在圓角處最大,直邊處最小,可做成均勻過渡。當(dāng)r/B<0.15時,直邊中點處間隙可按彎曲選取。當(dāng)零件高度大需要多次拉深時,前幾道工序的模具間隙,可按圓筒拉深選取。凸、凹模尺寸也可按圓筒件多次拉深方法決定。在第n-1次拉深后的毛料底面應(yīng)和零件底面尺寸相同,并用30°~45°的斜面過渡到側(cè)壁。此時,第n-1次的拉深凸模也要做成相應(yīng)的尺寸,而最后一次拉深凹模和壓邊圈尺寸應(yīng)與此毛料尺寸相適應(yīng)。

4.8其它拉深方法

4.8.1軟模成形

軟模成形是用橡膠、液體或氣體的壓力代替剛性凸?；虬寄Π宀倪M(jìn)行沖壓加工的方法。它可以完成彎曲、拉深、翻邊、脹形和沖裁等工序。由于該法使模具簡單和通用化,故在小批量生產(chǎn)中獲得廣泛使用。

1.軟凸模拉深

圖4－37所示為用高壓液體代替金屬凸模,在液體作用下,平板毛料中部產(chǎn)生脹形。當(dāng)壓力繼續(xù)增大使毛料法蘭產(chǎn)生拉深變形時,板材逐漸進(jìn)入凹模,形成筒壁。圖4－37液體凸模拉深的變形過程毛料法蘭拉深所需液體壓力,可由平衡條件求出。即式中:p0——開始變形時所需的液體壓力,［p0］為MPa;

t——板料厚度;

d——工件直徑;

p——板材拉深所需拉應(yīng)力。工件底部圓角半徑rp成形時所需液體壓力為用液體凸模拉深時,由于液體與板材之間無摩擦力,毛料容易偏斜,且毛料中部產(chǎn)生脹形變薄是其缺點。但模具簡單,甚至不需沖壓設(shè)備也能進(jìn)行拉深,故常用于大零件的小量生產(chǎn)。此外,也有采用聚氨酯橡膠凸模進(jìn)行拉深,適用于淺拉深件。圖4－38橡皮凹模拉深

2.軟凹模拉深

軟凹模拉深是用橡膠或高壓液體代替金屬凹模,拉深時,軟凹模將板材壓緊在凸模上,增加了凸模與板材之間的摩擦力,防止毛料變薄拉裂,從而提高了筒壁傳力區(qū)的能力。同時減少了毛料與凹模之間的滑動和摩擦,降低了徑向拉應(yīng)力。故能顯著降低極限拉深系數(shù),即m可達(dá)0.4~0.45,且使零件壁厚均勻,變薄率小,尺寸精確,表面光潔。

1)橡皮凹模拉深

圖4－38所示為橡皮凹模拉深。所需橡皮的單位壓力與工件材料、拉深系數(shù)和毛料相對厚度等有關(guān)。對硬鋁拉深可用表4－16中的數(shù)值,也可用聚氨酯橡膠代替普通橡皮。

2)強制潤滑拉深

圖4－39所示為強制潤滑拉深。拉深時是用高壓潤滑劑使板材緊貼凸模成形,并在凹模與毛料表面之間擠出,產(chǎn)生強制潤滑。采用本法可顯著提高極限變形程度。如厚度為0.5~1.2mm的08、08F鋼板,m=0.34~0.37。

強制潤滑拉深所需液體壓力與板材性質(zhì)、厚度、相對工件直徑d/t、變形程度等有關(guān)。表4－17給出了幾種材料所需的最高液體壓力,是由實驗得出的。圖4－39強制潤滑拉深表4－17幾種材料所需最高液體壓力

3)橡皮液囊凹模拉深

橡皮液囊凹模拉深過程如圖4－40所示,是在專用機床設(shè)備上裝有橡皮液囊充當(dāng)凹模,同時采用剛性凸模和壓邊圈。液體壓力可以調(diào)節(jié),隨工件形狀、材料性質(zhì)和變形程度而異。圖4－40橡皮液囊凹模拉深過程

(a)原始位置;(b)拉深過程中;

(c)拉深結(jié)束后(壓邊圈上升,推出工件)4.8.2差溫拉深

圓筒件拉深時,塑性變形環(huán)形區(qū)的寬度(D-d)/2受到筒壁承載能力的限制。若要進(jìn)一步減小拉深系數(shù),可用局部加熱拉深的方法(見圖4－41),即將壓邊圈與凹模平面之間的毛料加熱到某一溫度,使流動應(yīng)力降低,從而減少毛料拉深時的徑向拉應(yīng)力。由于凸模中心通水冷卻,毛料筒壁部分的溫度較低,故承載能力基本保持不變。采用這種方法,可使極限拉深系數(shù)減至0.3~0.35,即一次拉深可代替普通拉深2~3次。圖4－41局部加熱拉深由于受到模具鋼耐熱溫度的限制,此法主要用于鋁、鎂、鈦等輕合金零件的拉深。毛料局部加熱溫度:鋁合金為310~340℃,黃銅(H62)為480~500℃,鎂合金為300~350℃。

此外,也可采用局部冷卻拉深方法(見圖4－42),使毛料筒壁部分(傳力區(qū))局部冷卻到-160~-170℃。此時,低碳鋼強度可提高到原來的兩倍,18－8型不銹鋼強度可提高到原來的2~3倍。這樣,就顯著提高了筒壁的承載能力,使極限拉深系數(shù)可達(dá)0.35左右。

局部冷卻法一般是在空心凸模內(nèi)輸入液態(tài)氮或液態(tài)空氣,其汽化溫度為-183~-195℃。這種方法比較麻煩,生產(chǎn)率低,應(yīng)用較少,主要用于不銹鋼、耐熱鋼或形狀復(fù)雜的盒形件。圖4－42局部冷卻拉深4.8.3施加徑向壓力的拉深

圖4－43所示為加徑向壓力的拉深。隨著凸模下降,由高壓液體向毛料邊緣施加徑向壓力,使徑向拉應(yīng)力降低,從而減輕了筒壁傳力區(qū)的載荷,使極限變形程度提高。同時,由于高壓液體在毛料與模具接觸表面產(chǎn)生了強制潤滑,所以對拉深過程有良好作用。采用這種方法拉深時,極限拉深系數(shù)可降低到0.35以下。高壓液體可由高壓容器供給,或在模具內(nèi)由壓力機作用產(chǎn)生,可達(dá)幾千大氣壓。

這種方法因模具和設(shè)備比較復(fù)雜,目前的應(yīng)用范圍不廣。圖4－43施加徑向壓力的拉深法4.8.4爆炸成形

爆炸成形是高能成形方法之一。高能(或叫高速)成形包括爆炸成形、水電成形和電磁成形等方法,下面分別加以介紹。

圖4－44所示為爆炸成形示意圖。板料毛料固定在壓邊圈和凹模之間,整個模具埋在水中,毛料上部放置定量炸藥。起爆后,炸藥以2000~8000m/s的瞬間高速高壓沖擊波在水中傳播,使毛料成形。成形后的零件形狀取決于凹模型腔。圖4－44爆炸成形裝置爆炸成形用的模具簡單,且不需沖壓設(shè)備,對于批量小的大型殼體零件成形,具有顯著優(yōu)點,尤其對于某些塑性低的高強度特殊合金零件和形狀復(fù)雜的零件,更是一種理想的成形方法。

爆炸成形可用于板料的剪切、拉深、沖孔、翻邊、脹形、校形、彎曲、擴口和壓制花紋等工序。

爆炸成形所需藥量和炸藥分布,一般根據(jù)經(jīng)驗初步確定,最后通過試驗進(jìn)行調(diào)整。4.8.5水電成形

水電成形分為電極間放電成形與電爆成形。其工作原理如圖4－45所示。

利用升壓變壓器將網(wǎng)路電壓提高到20~40kV,經(jīng)整流后向電容器充電。當(dāng)充電電壓達(dá)某值時輔助間隙被擊穿,高電壓在瞬間加到兩電極上,產(chǎn)生高壓放電。于是在放電回路中形成強大的沖擊電流(可達(dá)三萬安培),在電極周圍的液體介質(zhì)中產(chǎn)生沖擊波,使金屬毛料成形。

水電成形可對板料和管料進(jìn)行拉深、脹形、校形