中压工艺与模具设计 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)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,材料不易起皱。因此 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-d}-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(d1-dr2)/4。 (a)正拉深 (b)反拉深 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≥(30-90),凹模圆角半径r>(2-6)l。反拉深方法也可用于锥形件、球形件、 抛物曲面制件的最终拉深成形(参见48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
126 冲压工艺与模具设计 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 [1]－d [2]－2t )/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(d [1]－d [2]－2t )/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]≥(30~90) t，凹模圆角半径 r 凹＞(2~6) t。反拉深方法也可用于锥形件、球形件、 抛物曲面制件的最终拉深成形(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
第4章拉深 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 42.1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413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σ,的大小 而且与凸缘相对厚度1(D-④有关。σ愈大,I/D-d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41.3可知,在拉深过程中,σ;mx随着拉深的 进行而不断增大,但与此同时,凸缘相对厚度D-d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R=(0.8-0.9)R时刻,即基本上也就是σm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42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模、压边圈之间的摩擦力剧增,可能导致制件的过早拉裂;若Po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a1mx 的变化一致,当R=(0.8-0.9)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43),也可不用压边。 断裂区 最大压边力Pomx 最小压边力P 00.90.80.70.60.5 /Imin n 图4.13起皱现象 图414压边力R的大小对拉深的影响 (2)改善凸缘部分的润滑,选用屈强比σ/σ小、屈服点G低的材料,尽量使板料的 相对厚度U/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43节)和适当的拉深筋(参见图422),对 防止起皱也有较好的效果 (4)采用反拉深方法
第 4 章 拉深 127 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 3 的大小， 而且与凸缘相对厚度 t /(Dt－d)有关。 3 愈大，t /(Dt－d)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， 3 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/(Dt－d)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=(0.8~0.9)R0 时刻，即基本上也就是 max 1max 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 1 max 的变化一致，当 Rt=(0.8~0.9)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 s / b 小、屈服点 s 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) 采用反拉深方法
中压工艺与模具设计 42.2拉裂 由41.3节中筒壁传力区受力分析可知,当σ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σ,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 险断面。 (a)筒形件剖面示意图(b)厚度的变化 (c)硬度的变化 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,坯料不能通过凸一凹模间 隙,使筒壁所受总拉应力σp异常増大所致。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m<mmin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ap与拉深系数m成反比, 即m愈小σ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a,要小屈服应力σ,小,材料变 形容易;强度极限σ高,材料不易拉裂),n值和r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mm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r>1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
128 冲压工艺与模具设计 4.2.2 拉裂 由 4.1.3 节中筒壁传力区受力分析可知，当 p 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 1 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 p 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 m＜mmin 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 p 与拉深系数 m 成反比， 即 m 愈小 p 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 s / b 要小(屈服应力 s 小，材料变 形容易；强度极限 b 高，材料不易拉裂)，n 值和 r 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 r＞1 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
第4章拉深 半径太大,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 42.3拉深凸耳 筒形件拉深,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hnax-hmin(参见 图1.18(a) 424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417所示 引起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,就产生了附加应图417拉深件时效开裂现象 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
第 4 章 拉深 129 半径太大，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 Vr 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 hmax－hmin(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。 引起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。 图 4.17 拉深件时效开裂现象
中压工艺与模具设计 4.31压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47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 首次拉深 后续各次拉深 拉深方法 用压边圈 <1.5 <0.6 可用可不用压边圈 1.5~2.0 1.0~1.5 不用压边圈 2.0 >0.6 >0.8 2.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418) (a)弹簧垫或橡皮垫 (b)气垫或液压垫 图4.18弹性压边装置 弹性压边装置分弹簧垫、橡皮垫、气垫和液压垫等几类,如图418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424), 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 装置必须在液压杋上才能实现。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
130 冲压工艺与模具设计 4.3.1 压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(%) m [1] t /d [n－1] (%) m [n] 用压边圈 可用可不用压边圈 不用压边圈 ＜1.5 1.5～2.0 ＞2.0 ＜0.6 0.6 ＞0.6 ＜1.0 1.0～1.5 ＞1.5 ＜0.8 0.8 ＞0.8 2. 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 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