拉伸模具：拉伸工藝及拉伸模具的設計學習

拉深是利用模具將平板毛坯或半成品毛坯拉深成開口空心件的一種冷衝壓工藝。拉深工藝可製成的製品外形有：圓筒形、門路形、球形、錐形、矩形及其它各種不規則的開口空心零件。

拉深工藝與其它衝壓工藝結合，可製造外形複雜的零件，如落料工藝與拉深工藝組合在一起的落料拉深複合模。

日常生活中常見的拉深製品有：旋轉體零件：如搪瓷臉盆，鋁鍋；方形零件：如飯盒，汽車油箱；複雜零件：如汽車覆蓋件。

拉深的變形過程

用座標網格試驗法分析。拉深時壓邊圈先把中板毛坯壓緊，凸模下行，強迫位於壓邊圈下的材料（凸緣部分）產生塑性變形而流進凸凹模間隙形成圓筒側壁。觀察拉深後的網格發現：底部網格基本保持不變，筒壁部分發生較大變化。

1。 原間格相等的同心圓成了長度相等，間距增大的圓周線，越接近筒口，間距增大。

2。 原分度相等的輻射線變成垂直的平行線，而且間距相等。

3。 凸緣材料發生徑向伸長變形和切向壓縮變形。

總結：

拉深材料的變形主要發生在凸緣部分，拉深變形的過程實質上是凸緣處的材料在徑向拉應力和切向壓應力的作用下產生塑性變形，凸緣不斷收縮而轉化為筒壁的過程，這種變形程度在凸緣的最外緣為最大。

各種拉深現象

由於拉深時各部分的應力（受力情況）和變形情況不一樣，使拉深工藝出現了一些特有的現象：

起皺：

A。 拉深時凸緣部分的切向壓應力大到超出材料的抗失穩能力，凸緣部分材料會失穩而發生隆起現象，這種現象稱起皺。起皺首先在切向壓應力最大的外邊沿發生，起皺嚴重時會引起拉度。

B。 起皺是拉深工藝產生廢品的主要原因之一，正常的拉深工藝中是不答應的。常採用壓力圈的壓力壓住凸緣部分材料來防止起皺。

C。 起皺的影響因素：

a）相對厚度：t/D

其中t-毛坯厚度，D-毛坯直徑

判定是否起皺的條件：D-d<=2Zt，d-工件直徑。

b）拉深變形程度的大小

但是在拉深變形過程中，切向壓應力及凸緣的抗失穩能力都是隨著拉深進行，切向壓應力是不斷增大，變形區變小，厚度相對增加，變形失穩抗力增加，兩種作用的相互抵消，使凸緣最易起皺的時刻發生於拉深變形的中間階段，即凸緣寬度大約縮至一半左右時較易發生起皺現象。

變形的不均勻：

拉深時材料各部分厚度都發生變化，而且變化是不均勻的。凸緣外邊沿材料厚度變化最大，拉深件成形後，拉深件的坯口材料最厚，往裡逐漸減薄，而材料底部由於磨擦作用（拉深凸模與底部材料間）阻止材料的伸長變形而使底部材料變薄較小，而底部圓角部分材料拉深中始終受凸模圓角的頂力及彎曲作用，在整個拉深中一直受到拉應力作用，造成此處變薄最大。

所以拉深中厚度變薄主要集中於底部圓角部分及圓筒側壁部分，我們把這一變薄最嚴重的部位稱作危險斷面。

拉深過程中，圓筒側壁起到傳遞凸模拉力給凸緣的作用，當傳力區的徑向拉應力超出材料極限，便出現拉破現象。

材料硬化不均勻

：拉深後材料發生塑性變形，引起材料的冷作硬化。由於各部分變形程度不一樣，冷作硬化的程度亦不一樣，其中口部最大，往下硬化程度降低，拉近底部時，由於切向壓縮變形較小，冷作硬化最小，材料的屈服極限和強度都較低，此處最易產生拉裂現象。

切邊餘量

是由於模具間隙不均勻，板厚變化，磨擦阻力不等，定位不準及材料，機械效能的方向性等，造成拉深件口部高低不齊，對於要求高的拉深件，需增加一道切邊工序。而多次拉深就更明顯。

毛坯尺寸計算

主要根據塑變體積不變原理，並略往拉深中的壁厚的變化。拉深前後毛坯與工件表面積相等的原則進行，此種方法稱作等面積法。但這種計算方法只是近似的。若旋轉體毛坯料厚>0。5mm，計算時以料厚中線為準。

圓筒形件拉深係數

1.拉深係數的概念

拉深係數是指拉深後工件直徑d與拉深前毛坯直徑D之比。

M=d/D

A。（M<1）拉深係數M反映了拉深時材料變形程度的大小，M越小，表明變形程度越大。

B。 拉深係數M是拉深工藝中的一個重要引數，是拉深工藝計算和模具設計的重要依據。

C。 實際生產中，為減少拉深次數，M一般取最小值。

D。 當M小到一定值時，凸緣外邊沿便會出現起皺現象，但可用增加壓力圈的壓邊力防止起皺的出現。

E。 當M 小到一定值時，出現拉破現象，拉破一般出現在拉深力快出現峰值時，即拉深的初始階段。

F。 極限拉深係數，在危險斷面不被拉破的條件下所能採用的最小拉深係數。

2.影響拉深係數的因素

A。 材料的機械效能。材料的塑性好，屈服比σs/σb小的材料，m可小些，因σs小，說明材料易變形，σb大，說明危險斷面承載能力高，不易拉斷。

B。 毛坯的相對厚度t/D。

C。 拉深方式：有壓力圈時，拉深係數M可小些。

D。 模具結構：拉深模的凸，凹模圓角的大小，及凸，凹模之間的間隙大小，對拉深係數影響很大。

E。磨擦與潤滑條件：要求凹模、壓力圈與毛坯接觸面應光滑，要求潤滑，但凸模與毛坯接觸面要粗糙些好，不要潤滑，以增加磨擦力，減少拉裂的可能性。

3.拉深係數的確定

由於影響材料拉深係數的因素很多，理論計算與實際相差太大，各種材料的拉深係數都是由實驗方法獲得的。

拉深模的分類

1.再次拉深模

它是半成品毛坯套在壓力圈上定位，上模下降，下模上的凸模把半成品毛坯拉進凹模中，使半成品直徑減少，主要區別：是壓邊圈與首次拉深的壓邊圈不同。

2.複合拉深模

其中其拉深凹模又起到落料凸模的作用。

圓筒形拉深工藝計算

1.無凸緣筒形件拉深的工藝計算

（1） 拉深次數的確定

A。 求出工件的拉深係數：mz=d/D。

B。 假如mz>m1，則可一次拉深成形；如mz< m1，則需多次拉深（兩次或兩次以上）。

C。 求m1， m2， m3……mn直到體積小於mz為止，為時的n即是拉深的次數。

D。 另一種方法是由工件的相對高度H/d和相對厚度t/D確定。

E。 多次拉深的目的是防止拉裂。

（2）再次拉深的特點

變形仍然是依靠徑向拉應力和切向壓應力的聯合作用。使半成品的直徑發生收縮，增加高度。

它與首次拉深的不同主要表現在以下幾個方面：

A。 首次拉深，再次拉深。

B。 毛坯：平板（厚度均，機械效能均勻），半成品（厚度不均，各處效能不一）。

C。 變形區：整個凸緣部分始終參與變形，只有臺肩部分參與變形。

D。 拉深力：初始階段較大，以後逐漸減小。

F。 危險斷面：拉裂出現在初始階段，在凸模圓角處 拉裂出現在拉深未尾，在凸模圓角處。

G。 起皺：凸緣易起皺，起皺不易發生，只是在拉深末尾發生。

H。 拉深係數：最小→逐次增大。

（3）工藝計算程式

A。 確定切邊餘量δ。

B。 計算毛坯的直徑D。

C。 確定是否用壓邊圈。

D。 確定拉深係數與拉深次數。

E。 確定各次拉深的直徑

F。 確定各次拉深的凸凹模圓角半徑：

ra=0。8 （D-d）t

ran=（0。6～0。9）ran-1

rt=（0。6-1）ra

G。確定各次拉深半成品的高度。

2.帶凸緣筒形件拉深的工藝計算

（1）帶凸緣（法蘭邊）筒形件分類：

A。 凸緣相對直徑很小 dt/d=1。1～1。4，相對高度較大 H/d>1，可以按無凸緣筒形件進行工藝計算和拉深，即：首次拉深不留凸緣，再次拉深時留出錐形凸緣，最後工序把凸緣壓平。

B。 凸緣相對直徑很大 dt/d>4，並且高度H很低，這類零件的變形特點已起出拉深範圍，屬於脹形。

C。 凸緣相對半徑較大 dt/d>1。4，相對高度已較大，這類稱寬凸緣筒形件，即帶凸緣筒形件，它有兩種成形方法：第一種是每次拉深高度不變，改變達到要求；第二種是改變每次拉深的直徑來增加高度。

（2）帶凸緣筒形件的拉深特點：（原理與不帶凸緣筒形件相似）

A。 拉深係數

dt/d——凸緣相對直徑

H/d——工件相對高度r/d——底部及凸緣部分相對圓角半徑

m由以上三個尺寸因素確定，其中dt/d影響最大，而r/d影響最小，當毛坯直徑D及拉深係數一定時，dt/d和H/d不同，則材料的變形程度不同，dt/d越小，H/d越大，則變形程度越大。

B。帶凸緣筒形件拉深，凸緣不全轉變為筒壁，其可以看作是無凸緣拉深過程中的一箇中間狀態，因此，其首次拉深係數可小於或即是無凸緣形件的拉深。

由於極限拉深係數m的大小主要取決於最大拉深力出現時是否拉破。當拉到凸緣直徑為dt時，出現最大拉深力，則帶凸緣的拉深和不帶凸緣的拉深的極限拉深係數相同。如當拉到凸緣直徑為dt時，未達到最大拉深力（即拉深力未超出材料的屈服極限），則帶凸緣的拉深係數還可再小些，其拉深係數可小於不帶凸緣拉深時的拉深係數，

C。 首次拉深時，m1=d1/D一定時，dt/d1與H1/d1的關係一定，即dt減小，H1增大，由於d1不變，按體積不變原則，dt與H1的變化關係不變，即變形程度由H1/d1來表示，即可由材料的極限H1/d1（即m1為極限拉深值時）當工件的H/d

D。 帶凸緣筒形件的拉深中，dt是首次拉深中形成，在以後的各次拉深中不變，僅僅是靠減小直筒部分的直徑來增加筒形件的高度。凸緣部分由於首次拉深時的冷作硬化作用，在以後的拉深中已難以拉動變形，強行拉動會導致拉破。

使第一次拉深進凹模的材料比最後拉深部分實際所需材料多才多3%～5%，使多餘材料在以後的再次拉深中逐步分配，最後被留在凸緣上，防止由於材料不夠，在再次拉深中強行拉深。凸緣進凹模而出現工件拉破現象。

（3）帶凸緣筒形件拉深高度：

Hn-第n次拉深高度

D-平板毛坯直徑

dt-凸緣直徑

dn-第n次拉深直徑

Rn-第n次拉深上部圓角半徑

Rn-第n次拉深底部圓角半徑

拉深的模具結構

1.首次拉深模

（1） 模具結構簡單，使用方便，製造輕易。

（2） 壓邊圈即起壓邊作用，又起卸料作用和板料的定位作用。

（3） 凸模上開有氣孔，以防止拉深件緊吸附於凸模上而造成困難。

（4） 模具採用倒裝式，以便在下部空間較大的位置安裝和調節壓邊裝置。

2.再次拉深模

再次拉深模，半成品毛坯套在壓邊圈上定位，上模下降，下模上的凸模把半成品毛坯拉進凹模中，使半成品直徑減小，主要區別：是壓邊圈與首次拉深的壓邊圈不同。

3.複合拉深模

拉深的凹模又起到落料凸模的作用。

拉深模工作部分尺寸確定

其工作部分主要是指深凸模、凹模和壓邊圈。這些工作部件的結構尺寸對拉深件的變形和拉深件的質量有很大的影響。

1.拉深間隙

拉深間隙對拉深件筒形直壁部分有校正作用：間隙大，則校正作用減小，效果不明顯，形成口大底小的錐形；間隙減小，則拉深力增大，易造成拉破的現象，而且模具的磨損快。

考慮到拉深中外緣的變厚，除最後一次拉深間隙取即是或略小於板料厚度以外（以保證工件精度），其餘拉深都應把間隙取為稍大於材料厚度。對於不用壓邊圈的拉深，Z=（1～1。1）Zmax，未次拉深用小值，中間拉深用大值。

2.凸凹模圓角半徑

凹模圓角半徑對拉深件影響更大，凹模圓角不能小，但太大，易造成壓邊面積小而起皺，而且拉深過程中，凸緣較早離開壓邊圈，亦會引起起起皺現象。

凸模圓角小，圓角材料變薄嚴重，易拉裂：

ran=（0。6～0。9）tan-1

rt=（0。6～1）ra

最後工序rt=r工件>（1 ～2）t

3.凸凹模工作部分尺寸計算

拉深件尺寸精度主要取決於最後一道工序，拉深凸凹模尺寸，與中間工序尺寸無關，所以中間工序可直接取工序尺寸作為模具工作部分尺寸，而最後一道工序則要根據工件內（外）形尺寸要求和磨損方向來確定凸凹模工作尺寸及公差。

按尺寸標註方式：

標外形：Da=（D-0。75t）+ δn dt=（D-0。75-2Z）- δt

按內形標註：Da=（d+0。4t+2Z）+ δa dt=（d+0。4t） δt

其中δa和δt按IT8～9級精度。

拉深凸模出氣孔按d=（5～10）mm

4. 採用壓邊圈條件及壓邊圈型別

（1） 不產生起皺的條件是：D-d<22t

（2） 壓邊裝置的型別：剛性和彈性兩類。

剛性壓邊圈：是雙動壓力機上利用外滑塊壓邊，壓邊不隨拉深的行程變化而變化。

彈性壓邊裝置：用於單動壓力機上，壓邊力隨衝床的行程變化而變化

（3） 壓邊圈的型別：

平面壓邊圈：一般用於首次拉深。

帶弧形的壓邊圈：用於t/D<0。3帶有小凸緣圓角半徑的拉深。

帶限位裝置的壓邊圈：保持壓邊力均衡，防止壓邊圈把毛坯壓得太死。

拉深的質量分析

（1） 拉裂，起皺：由於壓邊力小，造成起皺，使拉進凹模型腔困難。

（2） 拉裂：徑向拉應力太大。

（3） 起皺：切向壓應力太小，失穩。

（4） 工件邊沿呈鋸齒狀：毛坯邊沿有毛刺。

（5） 工件邊沿高低不一：毛坯中心與模具中心不一致，或是由於材料壁厚不均，凹模圓角半徑，模具間隙不均。

（6） 危險斷面明顯變薄：圓角半徑（模具）太小，壓力力太大。

（7） 工件底部拉脫：凹模圓角太小。材料處於切割狀態。

（8） 工作凸緣折皺：凹模圓角半徑太大，拉深未了時壓力圈壓不到，起皺後被繼續拉進凹模。