拉深模设计

拉深模設計

目錄1.力學分析 2.影響拉深的因素 2.1拉深材料 2.2拉深系數 2.3壓料力 2.4拉深力 3.拉深模工作部分參數 4.各種形狀工件的拉深工藝 5.連續拉深 6.拉深潤滑 7.拉深失效分析

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定義

利用模具將平板毛坯變成開口空心零件的沖壓加工方 法稱為拉深。 拉深是沖壓生產中一種廣泛使用的沖壓工序。根據加 工中其變形區的位置﹑變形性質﹑應力應變狀況及其分 布﹐我們用拉深可以得到的制件一般分為四類﹕ (1)筒形件﹕圓筒形件﹑帶击緣圓筒件﹑階梯圓筒 件﹔ (2)曲面旋轉體零件﹕球形﹑拋物線形﹑錐形等﹔ (3)盒形件﹕方形﹑矩形﹑橢圓形﹑多角形等﹔ (4)不規則形狀零件。

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拉深件實例

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拉深件實例

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成形分析

圓筒形件的拉深過程如下圖所示。直徑為D的圓形平板 毛坯2被击模1拉入击﹑凹模3間隙里﹐從而形成產品4。

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成形分析

如上圖(左)所示﹐我們可以把直徑為D的圓板料分成兩 部分﹕ 一部分是直徑為d的圓板﹐另一部分則是直徑為(D-d)的圓環 部分﹐把這塊板料拉深成直徑為d的空心圓筒。在這個拉深 實驗完成后﹐發現板料的第一部分變化不大﹐即直徑為d的 圓板仍保持原形狀作為空心圓筒的底﹐板料的圓環部分變化 相當大﹐變成了圓柱體的筒壁﹐這一部分金屬發生了流動。 毛坯2被击模1拉入击﹑凹模3間隙里﹐從而形成產品4。

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成形分析如上頁圖(右)所示的扇形chef是從板料圓環上截取的單 元﹐經過拉深后變成了矩形c’h’e’f’。扇形單元體變形是切 線方向受壓縮﹐徑向方向受拉伸﹐材料向凹模口流動﹐多余 的材料(圖中的陰影部分)由于流動添補了雙點划線部分。設 扇形面積為A1﹐拉深后矩形面積為A2﹐由于拉深使厚度變化 較小﹐可以認為拉深前后面積相等﹐即A1= A2﹐所以 H>(D-d)/2。 綜合起來看﹐平板毛坯在击模壓力的作用下﹐击模底部 的要材料變形很小﹐而毛坯(D-d)的環形區的金屬在击模壓 力作用下﹐要受到拉應力和壓應力的作用﹐徑向伸長﹑切向 變短﹐依次流入击﹑凹模的間隙里成為筒壁﹐最后﹐使平板 毛坯變成圓筒形件為止。

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應力分析拉深時的應力狀態與變形情況 拉深的變形區較大﹐金 屬的流動性大﹐在拉深過程中容易發生起皺﹑拉裂而失敗。

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應力分析

如上頁圖所示﹐我們分析一下各部分的應力狀態。 1.平面击緣部分(A區)----主變形區 由于击模下壓﹐迫使 板料進入凹模﹐故在產生徑向拉應力δ1﹐小單元體互相擠 壓產生切向壓應力δ3﹐由于壓邊圈提供的壓邊力產生法向 壓應力δ2﹐在這三個主應力中的δ2絕對

值比的δ1﹑δ3絕 對值小得多。击緣上的δ1﹑δ3值變化的﹐击緣從外到 內﹐δ1是由小變大﹐而的δ3絕對值則是由大變小。在击緣 的最外緣的壓應力是δ3最大的﹐則材料在切向上必然是壓 縮變形。如果被拉深的材料厚度較薄﹐壓邊力太小﹐就有 可能使击緣部分材料因失穩而產生起皺現象。

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應力分析2.击緣圓角部分(B區)----過渡區 這部分材料受到徑向拉 應力δ1﹐切向壓應力δ3﹐以及凹模圓角的壓力和彎曲受 壓作用共同產生的法向壓應力δ2。此處的δ1值的絕對值 最大﹐則材料會在徑向上發生拉深變形﹐材料有變薄傾向。 3.筒壁部分(C區)----傳力區 該部分受到击模傳來的拉應 力δ1和击模阻礙材料切向自由壓縮而產生的拉應力δ3 ﹐ 顯然﹐δ1的絕對值最大﹐徑向是拉深變形﹐徑向的拉深是 靠壁厚的變薄來實現的﹐故筒壁上厚下薄。

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應力分析4.底部圓角部分(D區)----過渡區 這部分材料受到徑向拉 應力δ1﹐切向拉應力δ3的作用﹐厚度方向上受到击模彎 曲作用而產生的壓應力δ2。材料變形為平面應變狀態﹐徑 向拉伸變形﹐是靠壁厚變薄來實現的﹐這部分的材料變薄 最為嚴重﹐最易出現拉裂﹐此處稱為危險斷面。 5.圓筒底部(E區)----不變形區 這部分材料一開始就被拉 入凹模中﹐始終保持平面應變狀態﹐它受兩向拉應力δ1和 δ3 的作用。變形是三向的﹐ε1和ε3是拉深﹐ε3是壓縮。 由于拉深變形愛到击模摩擦力的阻止﹐故變薄很小﹐可忽 略不計。

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變形特點綜合對拉深過程的應力和應變的分析可以看到﹐拉深 會產生一些特定的現象﹐即起皺﹑拉裂和硬化。 起皺一般發生在圓筒件的击緣部分﹐是由切向應力δ3 引起的。起皺的危害很大﹕首先﹐起皺變厚的板料不易被 拉入击﹑凹模的間隙里﹐使拉深件的底部圓角部分受力過 大而被拉裂。即使勉強拉入也會使工件留下皺痕﹐影響工 件質量。它還會使材料與模具之間的摩擦與磨損加劇﹐損 害模具壽命。 在底部圓角與直壁相接部分工件最薄﹐最易發生拉裂。 拉深使材料發生塑性變形﹐所以必然伴隨著加工硬 化﹐多次拉深的﹐應合理安排退火工序恢復材料塑性。

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變形特點

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拉深與材料性能影響材料拉深性能的主要指標是各向異性系數。各向 異性系數r是普通拉伸試驗中﹐真實寬度應變和真實厚度應 變之比。 真實寬度應變是微量寬度增值與瞬時寬度比值的積分 和﹐即﹕ B

B dB / B ln B / B0B0

(1)

式中εB ----真實寬度應變﹔B0----原有試樣寬度﹔B---拉深后試樣寬度。 同理 εt=lnt/t0,式中εt ----真實厚度應變﹔t0---原有試樣厚度﹔t----

拉深后試樣厚度。

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拉深與材料性能各向異性系數為﹕

B ln(B / B0 ) r t ln(t / t0 )ln(B0 / B) r ln(lB / l0 B0 )

(2)

由于厚度測量誤差較大﹐利用試驗前后體積不變原理﹐ 上式可改寫為﹕(3)

式中﹕r----各向異性系數﹔B0----原有試樣寬度﹔B----拉 深后試樣寬度﹔l0----原有試樣刻線間長度﹔l----拉伸后試 樣刻線長度。

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拉深與材料性能測定r是在拉伸試驗過程中﹐按式(3)逐點計算﹐繪 成曲線。對于大多數材料﹐此線為直線﹐即r是常數。故 從兩點讀數即可得r。一點即原點﹐應變為0﹔另一點取 εt=15%或20%。軋制方向

r90

r45

r0

r

拉伸試驗的三向應變

各向異性系數

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拉深與材料性能試樣與材料的軋制方向有關﹐一般取與軋制方向相 平行﹑45゜交角及相垂直三種(如上頁右圖)。三者的r值 不同﹐差值用下式表示﹐稱為平面各向異性系數Δr﹕

r0 r90 2r45 r 2Δr是拉深時邊緣高低不勻(“突耳”)的原因﹐將r按軋方向繪成曲線即可看出(下頁圖)。

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拉深與材料性能法向各向異性系數 r 取與軋制方向成各種不同角度的平 均值﹐消除了平面內的方向性因素。

r0 r90 2r45 r 4

如果 r >1﹐表示材料對變薄阻抗力大﹔ r <1﹐表示材料容易變薄。 在拉深筒形件時﹐壓在凹模平面上的击緣不會變薄(法 向拉伸﹐切向壓縮)﹐故變薄抗力大﹐不太影響拉深力。而 圓筒側壁要變薄﹐增加變薄的抵抗力就合圓筒部分不易破 裂﹐零件能拉得更深。增加 值同時減少Δr﹐是改進鋼材 r 性能的一個方向。

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