拉深盒型件拉深工艺.doc

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 盒形件

盒形件属于非旋转体零件, 包括方形盒、 矩形盒和椭圆形盒等。与旋转体零件的拉深相比, 盒形件拉深时, 毛坯的变形分布要复杂得多。
盒形件拉深变形特点
    从几何形状的特点, 矩形盒状零件能够划分为2个长度为( A－2r) 和2个长度为( B—2r) 的直边, 加4个半径为r的1／4圆筒部分组成(图4.4.1)。若将圆角部分和直边部分分开考虑, 则圆角部分的变形相当于直径为2r、 高为h的圆筒件的拉深, 直边部分的变形相当于弯曲。但实际上圆角部分和直边部分是联系在一起的整体, 因此盒形件的拉深又不完全等同于简单的弯曲和拉深复合, 有其特有的变形特点, 这可经过网格试验进行验证。

图4.4.1 盒形件拉深变形特点

    拉深前, 在毛坯的直边部分画出相互垂直的等距平行线网格, 在毛坯的圆角部分, 画出等角度的径向放射线与等距离的同心圆弧组成的网格。变形前直边处的横向尺寸是等距的, 即ΔL1=ΔL2=ΔL3, 纵向尺寸也是等距的, 拉深后零件表面的网格发生了明显的变化(如图4.4.1所示) 。这些变化主要表现在:
    ⑴直边部位的变形直边部位的横向尺寸ΔL1, ΔL2, ΔL3变形后成为ΔL1′, ΔL2′, ΔL3′, 间距逐渐缩小, 愈靠直边中间部位, 缩小愈少, 即ΔL1＞ΔL1′＞ΔL2′＞ΔL3′。纵向尺寸△h１, △h2, △h3变形后成为△h1′, △h2′, △h3′, 间距逐渐增大, 愈靠近盒形件口部增大愈多, 即△h１＜△h1′＜△h2′＜ △h3′。可见, 此处的变形不同于纯粹的弯曲。
    (2) 圆角部位的变形 ??拉深后径向放射线变成上部距离宽, 下部距离窄的斜线, 而并非与底面垂直的等距平行线。同心圆弧的间距不再相等, 而是变大, 越向口部越大, 且同心圆弧不位于同一水平面内。因此该处的变形不同于纯粹的拉深。
    从以上可知, 由于有直边的存在, 拉深时圆角部分的材料能够向直边流动, 这就减轻了圆角部分的变形, 使其变形程度与半径r相同, 高度h相等的圆筒形件比较起来要小。同时表明圆角部分的变形也是不均匀的, 即圆角中心大, 相邻直边处变形小。从塑性变形力学观点看, 由于减轻了圆角部分材料的变形程度, 需要克服的变形抗力也相应减小, 危险断面破裂的可能性也减小。盒形件的拉深特点如下: 

图4.4.2 盒形件拉深时的应力分布

( 1) 凸缘变形区内, 径向拉应力σ1的分布不均匀(如图4—37), 圆角部分最大, 直边部分最小。即使在角部, 平均拉应力σ1m也远小于相应圆筒形件的拉应力。因此, 就危险断面处的载荷来说, 盒形件拉深要小得多。因此, 对于相同材料, 盒形件拉深的最大成形相对高度要大于相同半径的圆筒形零件。切向压应力σ3的分布也不均匀, 圆角最大, 直边最小。因此拉深变形时材料的稳定性较好, 凸缘不易起皱。
( 2) 由于直边和圆角变形区内材料的受力情况不同, 直边处材料向凹模流动的阻力要远小于圆角处。而且直边处材料的径向伸长变形小, 而圆角处材料的径向伸长变形大, 从而使变形区内两处材料的位移量亦不同。
( 3) 直边部分和圆角部分相互影响的程度, 随盒形件形状不同而异。
    当其相对圆角半径r/B越小, 也就是直边部分所占的比例大, 则直边部分对圆角部分的影响越显著。当r/B＝０时, 盒形件实际上已成为圆形件, 上述变形差别也就不再存在了。　当相对高度H/B越大, 在相同的r下, 圆角部分的拉深变形大, 转移到直边部分的材料越多, 则直边部分也必定会多变形, 因此圆角部分的影响也就越大。
    随着零件的r/B和H/B的不同, 则盒形件毛坯的计算和工序计算的方法也就不同。

盒形零件拉深毛坯的形状与尺寸确定
    盒形件毛坯确定的原则是: 保证毛坯的面积应等于加上修边余量后的零件表面积。另外, 由于盒形件拉深时周边的变形不均匀, 且圆角部分材料在变形中要转移到直边的特点, 应按面积相等的原则, 把毛坯形状和尺寸进行修正, 使毛坯轮廓成光滑的曲线, 在拉深以后尽可能保证零件口部高度的一致性。
   毛坯的形状和尺寸应根据零件的相对圆角半径r/B和相对高度H/B的值来进行设计, 因这两个参数决定了圆角部分材料向直边部分转移的程度和直边高度的增加量。
1.低盒形件毛坯尺寸与形状的确定( H≤0.3B, B为盒形件的短边长度)
    所谓低盒形件是指能够一次拉深成形或虽然要两次拉深, 但第二次拉深工序仅用来整形以减小壁部转角及底部圆角的盒形件。对于r/B小的低盒形件, 其变形时只有少量材料转移到直边相邻部位。拉深时直边部分可认为是简单弯曲变形, 按弯曲展开; 圆角部分只拉深变形, 按圆筒形拉深展开; 再用光滑曲线进行修正即得毛坯, 该类零件常见图 4.4.3 所示的作图法。计算步骤如下:

图4.3.3 低矩形盒毛坯作图法

( 1) 按弯曲计算直边部分展开长度l0
l0＝Ｈ＋0.57rp                                                  ( 4.4.1)
式中, H＝H0＋△H (不修边时, 不加△H), 修边余量见表4.4.1。
( 2) 将圆角部分当作直径为d=2r, 高度为H的圆筒形件展开, 其半径为:
                                (4.4.2)
当r＝rp时, 有( 4.4.2)
( 3) 经过作图用光滑曲线连接直边和圆角部分, 即得毛坯的形状和尺寸。具体作图步骤如下:
  以ab线段中点c向圆弧R作切线, 再以R为半径作圆弧与直边及切线相切, 相切后毛坯补充的面积＋f与切除的面积－f近似相等。此方法, 在模具设计合理时, 拉深件高度尺寸精度要求不高, 不需进行修边即可满足零件要求时可不加切边余量△h。

表4.4.1矩形盒切边余量△H( mm)

( 2) 多次拉深高盒形件毛坯形状和尺寸的确定
    该类零件的变形特点是在多次拉深过程中, 直边与圆角部分的变形相互渗透, 其圆角部分将有大量材料转移到直边部分。毛坯尺寸仍根据工件表面积与毛坯表面积相等的原则计算。当零件为正方盒形且高度比较大, 需要多道工序拉深时, 图4.4.4, 可采用圆形毛坯, 其直径为:
   ( 4.4.3)
公式中的符号见图4.4.4 。
当r=rp时:            ( 4.4.4)
    对高度和圆角半径都比较大的长方形盒形件, 如图 4.4.5 所示。将尺寸看作由两个宽度为 B 的半方形盒和中间为 (A-B) 的直边部分连接而成, 这样, 毛坯的形状就是由两个半圆弧和中间两平行边所组成的长圆形, 长圆形毛坯的圆弧半径为:

图 4.4.4 方盒件毛坯的形状与尺寸　图 4.4.5 高盒形件的毛坯形状与尺寸

Rb=D/2
    式中 D 是宽为 B 的方形件的毛坯直径, 按式 (4.4.3) 计算。 Rb的圆心距短边的距离为 B/2 。则长圆形毛坯的长度为:
                                     (4.4.5)
长圆形毛坯的宽度为:
                           (4.4.6)
    然后用 R=K/2 过毛坯长度两端作弧, 既与 Rb弧相切, 又与两长边的展开直线相切, 则毛坯的外形即为一长圆形

 盒形件多次拉深的工艺计算
1.盒形件初次拉深的成形极限
    在盒形件的初次拉深时, 圆角部分侧壁内的拉应力大于直边部分。因此, 盒形件初次拉深的极限变形程度受到圆角部分侧壁传力区强度的限制, 这一点和圆筒形件拉深的情况是十分相似的。可是, 由于直边部分对圆角部分拉深变形的减轻作用和带动作用, 都能够使圆角部分危险断面的拉应力有不同程度的降低。因此, 盒形件初次拉深可能成形的极限高度大于圆筒形零件。盒形件的相对圆角半径r／B越小(图4.4.1), 直边部分对圆角部分的影响越强, 极限变形程度的提高越显著; 反之, r／B越大, 直边部分对圆角部分的影响越小, 而且当 r/B ＝0.5时, 盒形件变成圆筒形件, 其极限变形程度也必然等于圆筒形件。
    盒形件初次拉深的极限变形程度, 能够用盒形件的相对高度Ｈ／r来表示。由平板毛坯一次拉深可能冲压成的盒形件的最大相对高度决定于盒形件的尺寸r／B、 t／Ｂ和板材的性能, 其值可查表4.4.2。当盒形件的相对厚度较小t／B＜0.01, 而且Ａ／Ｂ≈1时, 取表中较小的数值; 当盒形件的相对厚度较大, 即t／B＞0.015, 而且Ａ／Ｂ≥2时, 取表中较大的数值。表4.42中数据适用于拉深用软钢板。

表4.4.2盒形件初次拉深的最大相对高度

    若盒形件的相对高度H／r不超过表4.4.2中所列的极限值, 则盒形件能够用一道拉深工序冲压成功, 否则必须采用多道工序拉深的方法进行加工。
2.方形盒拉深工序形状和尺寸确定(图4.4.6)
    采用直径为D0的圆形毛坯, 中间工序都拉深成圆筒形的半成品, 在最后一道工序才拉深成方形盒的形状和尺寸。由于最后一道工序从圆形拉深为方形, 材料的变形程度大而不均匀, 特别是在方形圆角处, 必然受到该处材料成形极限的限制。计算时, 应采用从n－１道工序, 即倒数第二次拉深开始, 确定拉深半成品件的工序直径。
D n－1＝1.41B－0.82r＋2δ　(4.4.7)
式中: D n－１—n－１道拉深工序所得圆筒形件半成品的直径(mm);
Ｂ—方形盒的内表面宽度(mm); 
r—方形盒角部的内圆角半径(mm);
δ—方形盒角部壁间距离(mm)。该值直接影响毛坯变形区拉深变形程度是否均匀的最重要参数。一般取δ＝( 0.2～0.25)r。

图4.4.6 方形盒多工序拉深的半成品形状和尺寸
    由于其它各道工序为圆筒形, 因此可参照圆筒形零件的工艺计算方法, 来确定其它各道工序尺寸。计算时由内向外反向计算, 即
D n－2＝Ｄn－1／mn－1
以此类推, 直到算出的直径D≥D0为止。式中, 拉深系数mn－1由表4.2.4确定。
3.长方形盒拉深工序形状和尺寸的确定
    长方形盒的拉深方法与正方形盒相似, 中间过渡工序可拉深成椭圆形或长圆形, 在最后一次拉深工序中被拉深成所要求的形状和尺寸, 如图4.4.7所示。其计算与作图同样由n－1道(倒数第二次拉深)工序开始, 由内向外计算。计算时可把矩形盒的两个边视为4个方形盒的边长, 在保证同一角部壁间距离δ时, 可采用由4段圆弧构成的椭圆形筒, 作为最后一道工序拉深前的半成品毛坯(是n-1道拉深所得的半成品 ) 。其长轴与短轴处的曲率半径分别用R a( n－１) 和R b( n－１) 表示, 并用下式计算:

图4.4.7 高长方形盒多工序拉深的半成品形状和尺寸　图4.4.8  n－1道工序凸模形状

( 1) (n－１)道拉深工序的半成品是椭圆形, 其曲率半径用下式计算: 
R a( n－１) ＝0.707A－0.41r＋δ　(4.4.8)
R b( n－１) ＝0.707B－0.41r＋δ　(4.4.9)
式中, 圆弧R a(n－１)和R b(n－1)的圆心, 由图4.4.7中的尺寸关系确定, 分别为A／２和B/2。
( 2) (n－1) 道工序椭圆形半成品件的长、 短边与高度尺寸为
An－１＝2Rb(n－１) ＋( Ａ－Ｂ) 　( ４.4.10)
Bn－１＝2Ra(n－１) －(A－Ｂ)　(4.4.11)
Hn－１≈0.88H　( 4.4.12)
H为含修边余量在内的盒形件高度。
( 3) (n－2)道工序依然是椭圆形半成品, 其形状和尺寸的确定方法如下: 
①计算壁间距a和b是为了控制从(n－２)道工序拉深至(n－１)道工序的变形程度:
                                (4.4.13)
即a＝(0.18～0.33)Ｒa(n－１) 　                                   (4.4.14)
b＝(0.18～0.33)Ｒb(n－１) 　                                  (4.4.15)
②由a、 b找出图上的M及N点。
③选定半径R a和R b, 使其圆弧经过M和N点, 而且又能圆滑相接(其圆心靠近盒形件中心)。
④(n－２) 道工序半成品高度概算为
H n－２≈0.86Ｈn－１　(4.4.16)
⑤验算(n－２) 道工序是否能够由平板毛坯拉深成形(即首次拉深)。如果不能, 应按( n－２) 道工序的计算方法再确定(n－３) 道工序的有关尺寸, 直到满足验算的要求。
( 4) (n－１) 次(倒数第二次)拉深凸模端面形状
为了有利于最后一次拉深成盒形件的金属流动, (n－１) 次拉深凸模底部应具有与拉深零件相似的矩形, 然后用45°斜角向壁部过渡, 如图4.4.8所示, 图中尺寸
Y＝Ｂ－1.11rp　(4.4.17)
 拉深工艺设计
4.5.1 拉深零件的结构工艺性分析
    拉深零件的结构工艺性是指拉深零件采用拉深成形工艺的难易程度。良好的工艺性应是坯料消耗少、 工序数目少, 模具结构简单、 加工容易, 产品质量稳定、 废品少和操作简单方便等。在设计拉深零件时, 应根据材料拉深时的变形特点和规律, 提出满足工艺性的要求:
( 1) 对拉深材料的要求
    拉深件的材料应具有良好塑性、 低得屈强比、 大的板厚方向性系数和小的板平面方向性。
( 2) 对拉深零件形状和尺寸的要求
①拉深件高度尽可能小, 以便能经过1～2次拉深工序成形。圆筒形零件一次拉深可达到高度见表4.5.1。 盒形件当其壁部转角半径r＝( 0.05～0.20)B时, 一次拉深高度h≤(0.3～0.8)B。
表 4.5.1 一次拉深的极限高度

②拉深件的形状尽可能简单、 对称, 以保证变形均匀。对于半敞开的非对称拉深件(如图4.5.1), 可采用成双拉深后再剖切成两件。

图4.5.1 组合拉深后剖切

图4.5.2 凸缘面上有下凹的拉深件

③有凸缘的拉深件, 最好满足d凸≥d＋12t, 而且外轮廓与直壁断面最好形状相似。否则, 拉深困难、 切边余量大。在凸缘面上有下凹的拉深件 (图 4.5.2) , 如下凹的轴线与拉深方向一致, 能够拉出。若下凹的轴线与拉深方向垂直, 则只能在最后校正时压出。
④为了使拉深顺利进行, 凸缘圆角半径rd≥2t。对于rd＜0.5mm时, 应增加整形工序; 底部圆角半径r p≥t, 不满足时应增加整形工序, 每整形一次, rp可减小1/2; 盒形拉深零件壁间圆角半径r≥3t, 尽可能使r≥h/5。
( 3) 对拉深零件精度的要求
①由于拉深件各部位的料厚有较大变化, 因此对零件图上的尺寸应明确标注是外壁尺寸还是内壁尺寸, 不能同时标注内外尺寸。
②由于拉深件有回弹, 因此零件横截面的尺寸公差, 一般都在IT12级以下。如果零件公差要求高于IT12级时, 应增加整形工序来提高尺寸精度。
③多次拉深的零件对外表面或凸缘的表面, 允许有拉深过程中所产生的印痕和口部的回弹变形, 但必须保证精度在公差之内。
拉深工艺力的计算
1. 压边力的计算
    施加压边力是为了防止毛坯在拉深变形过程中的起皱, 压边力的大小对拉深工作的影响很大(如图4.5.3所示)。如果FQ太大, 会增加危险断面处的拉应力而导致破裂或严重变簿, FQ太小时防皱效果不好。从理论上, 压边力FQ的大小最好按图4.5.4所示规律变化, 即拉深过程中, 当毛坯外径减小至Rt＝0.85R０时, 是起皱最严重的时刻, 这时压边力FQ应最大, 随之FQ逐渐减小。但在实际上是很难做到。

图4.5.3 压边力对拉深工作的影响　  图4.5.4 首次拉深压边力Q的理论曲线
    生产中, 压边力FQ都有一个调节范围, 它的确定是建立在实践经验基础上, 其大小可按下式计算, 即表4.5.2。

表4.5.2 计算压边力的公式

式中q为单位压边力MPa见表4.5.3; A为压边面积。

表4.5.3单位压边力q/MPa

生产中也可根据第一次的拉深力F１, 计算压边力:
FQ＝0.25F１( N) ( 4.5.1)
当前在生产实际中常见的压边装置有以下两大类:
(1) 弹性压边装置 这种装置多用于普通冲床。一般有三种:
橡皮压边装置( 图 4.5.5a) ; 弹簧压边装置( 图 4.5.5b) ; 气垫式压边装置( 图 4.5.5c) 。这三种压边装置压边力的变化曲线如图 4.5.7d 所示。另外氮气弹簧技术也逐渐在模具中使用。
    随着拉深深度的增加, 需要压边的凸缘部分不断减少, 故需要的压边力也就逐渐减小。从图 4.5.7d 能够看出橡皮及弹簧压边装置的压边力恰好与需要的相反, 随拉深深度的增加而增加。因此橡皮及弹簧结构一般只用于浅拉深。

图 4.5.5 弹性压边装置
    气垫式压边装置的压边效果较好, 但它结构复杂, 制造、 使用及维修都比较困难。弹簧与橡皮压边装置虽有缺点, 但结构简单, 对单动的中小型压力机采用橡皮或弹簧装置还是很方便的。根据生产经验, 只要正确地选择弹簧规格及橡皮的牌号和尺寸, 就能尽量减少它们的不利方面, 充分发挥它们的作用。
    当拉深行程较大时, 应选择总压缩最大、 压边力随压缩量缓慢增加的弹簧。橡皮应选用软橡皮( 冲裁卸料是用硬橡皮 )。橡皮的压边力随压缩量增加很快, 因此橡皮的总厚度应选大些, 以保证相对压缩量不致过大。建议所选取的橡皮总厚度不小于拉深行程的5倍。
    在拉深宽凸缘件时, 为了克服弹簧和橡皮的缺点, 可采用图4.5.6所示的限位装置(定位销、 柱销或螺栓), 使压边圈和凹模间始终保持一定的距离。

a) 第一次拉深; b) 后续拉深
图4.5.6 有限位的压边装置

(2) 刚性压边装置 这种装置的特点是压边力不随行程变化, 拉深效果较好, 且模具结构简单。这种结构用于双动压力机, 凸模装在压力机的内滑块上, 压边装置装在外滑块上。

2．拉深力的计算
    前面已在拉深变形过程的力学分析中对拉深力进行了分析, 圆筒形零件拉深时拉深力理论上是由变形区的变形抗力、 摩擦力和弯曲变形力等组成。但它使用很不方便, 生产中常见经验公式计算拉深力。圆筒形拉深件采用带压边圈的拉深时可用下式计算拉深力:
第一次拉深                                          (4.5.2)
第二次拉深                                          (4.5.3)
式中为材料的抗拉强度; 为系数, 查阅有关的冲压设计资料。
    当拉深行程较大, 特别是采用落料、 拉深复合工序的模具结构时, 不能简单地将落料力与拉深力迭加来选择压力机, ( 因为压力机的公称压力是指在接近下死点时的压力机压力 ) 。因此, 应该注意压力机的压力曲线。否则很可能由于过早地出现最大冲压力而使压力机超载损坏 (图 4.5.7) 。一般可按下式作概略计算:
    当拉深行程较大, 特别是采用落料、 拉深复合模时, 不能简单地将落料力与拉深力迭加来选择压力机, ( 因为压力机的公称压力是指在接近下死点时的压力机压力 ) 。因此, 应该注意压力机的压力曲线。否则很可能由于过早地出现最大冲压力而使压力机超载损坏 ( 图 4.5.9) 。一般可按下式作概略计算:
浅拉深时:  
深拉深时:
式中　ΣF为拉深力和压边力的总和, 在用复合冲压时, 还包括其它力; F0　为压力机的公称压力。

1. 压力机的压力曲线 2. 拉深力 3. 落料力
图 4.5.9 拉深力与压力机的压力曲线

4.5.3 拉深成形过程中的辅助工序
    拉深工艺中的辅助工序较多, 可分为: ①拉深工序前的辅助工序, 如毛坯的软化退火、 清洗、 喷漆、 润滑等; ②拉深工序间的辅助工序, 如半成品的软化退火、 清洗、 修边和润滑等; ③拉深后的辅助工序, 如切边、 消除应力退火、 清洗、 去毛刺、 表面处理、 检验等。
现将主要的辅助工序简介如下:
1．润滑
    润滑在拉深工艺中, 主要是改进变形毛坯与模具相对运动时的摩擦阻力, 同时也有一定的冷却作用。润滑的目的是降低拉深力、 提高拉深毛坯的变形程度, 提高产品的表面质量和延长模具寿等。拉深中, 必须根据不同的要求选择润滑剂的配方和选择正确的润滑方法。如润滑剂(油), 一般只能涂抹在凹模的工作面及压边圈表面。也能够涂抹在拉深毛坯与凹模接触的平面上, 而在凸模表面或与凸模接触的毛坯表面切忌涂润滑剂(油)等。常见的润滑剂见有关冲压设计资料。还须注意, 当拉深应力较大且接近材料的强度极限时, 应采用含量不少于20%的粉状填料的润滑剂, 以防止润滑液在拉深中被高压挤掉而失去润滑效果。也能够采用磷酸盐表面处理后再涂润滑剂。
2.热处理
    拉深工艺中的热处理是指落料毛坯的软化处理、 拉深工序间半成品的退火及拉深后零件的消除应力的热处理。毛坯材料的软化处理是为了降低硬度, 提高塑性, 提高拉深变形程度, 使拉深系数m减小, 提高板料的冲压成形性能。拉深工序间半成品的热处理退火, 是为了消除拉深变形的加工硬化, 恢复加工后材料的塑性, 以保证后续拉深工序的顺利实现。对某些金属材料(如不锈钢、 高温合金及黄铜等)拉深成形的零件, 拉深后在规定时间内的热处理, 目的是消除变形后的残余应力, 防止零件在存放(或工作)中的变形和蚀裂等现象。中间工序的热处理方法主要有两种: 低温退火和高温退火( 参见有关材料的热处理规范参看有关手册) 。
拉深工序间的热处理, 一般是使用在高硬化金属(如不锈钢、 高温合金、 杜拉等), 是在拉深一、 二次工序后, 必须进行中间退火工序, 否则后续拉深无法进行。不进行中间退火工序能连续完成拉深次数的材料, 可参见表45.4。

表4.5.4 不需热处理能拉深的次数

3.酸洗
    酸洗用于拉深前对热处理后的平板毛坯和中间退火工序后的半成品及拉深后的零件进行清洗的工序, 目的在于清除拉深零件表面的氧化皮、 残留润滑剂及污物等。一般在对零件酸洗前, 应先用苏打水去油, 酸洗后还需要进行仔细的表面洗涤, 以便将残留于零件表面上的酸洗掉。其办法是, 先在流动的冷水中清洗, 然后放在60～80℃的弱碱液中中和, 最后用热水洗涤再干燥。有关酸洗溶液配方见冲压设计资料。