拉深模设计

出处：按学科分类—工业技术 江苏科学技术出版社《模具工实用技术手册第2版》第94页（13362字）

(一)拉深件的工艺性

1．拉深件的形状

①拉深件的形状设计应尽量简单、对称。

②过高或过深的空心零件需要多个冲压工序，所以应尽量减小零件高度。

③在零件的平面部分，尤其是在距离边缘较远位置上的局部凹坑和突起的高度不宜过大。

④应尽量避免曲面空心零件的尖底形状，尤其高度大时其工艺性更差。

在实际生产中，对冲压件的几何形状和尺寸作某些修改，既能使其性能不变，又可以使冲压加工得到很大的简化。如图1．2－41所示的汽车消声器后盖，在保证使用要求的前提下，对其形状作简化后，可以使冲压加工由8道工序减为2道工序，材料消耗也减少50%。

(a)改进前

(b)改进后

图1．2－41 消声器后盖的改进

2．拉深件的圆角半径(图1．2－42)

(a)筒形件

(b)带凸缘拉深件

(c)矩形件

图1．2－42 拉深件的圆角半径

拉深件的圆角半径应尽量大些，以利于成型和减少拉深次数。

①拉深件底与壁间的圆角半径r_p1应满足r_p1≥t，为使拉深工序顺利进行，一般应该使r_p1≥(3～5)t。增加整形工序时，可取r_p1≥(0．1～0．3)t。

②拉深件凸缘与壁侧间的圆角半径r_d2应满足r_d2≥2t，为使拉深工序顺利进行，一般应使r_d2≥(4～8)t。增加整形工序时，可取r_d2≥(0．1～0．3)t。

③带凸缘拉深件的直径应取D_p≥d_p+10t，以便在拉深时，用压料板压紧不起皱。

④矩形件四壁间的转角半径r₃应满足r₃≥3t。为了减少拉深次数，尽可能取Y_s≥0．2H，以便一次拉成功。

3．拉深件的精度

拉深件的制造精度包括直径方向的精度和高度方向的精度。

在一般情况下，拉深件的精度不应超过表1．2－56、表1．2－57和表1．2－58中所列的数值。

表1．2－56 拉深件直径的极限偏差 (mm)

注：拉深件外形要求取正偏差；内形要求取负偏差。

表1．2－57 圆筒拉深件高度的极限偏差 (mm)

注：本表为不切边情况所达到的数值。

表1．2－58 带凸缘拉深件高度的极限偏差 (mm)

注：本表为未经整形所达到的数值。

产品图上的尺寸应注明必须保证外部尺寸或是内腔尺寸，不能同时标注内外形尺寸。

(二)拉深件毛坯形状和尺寸的确定

(1)修边余量的确定

由于材料性能不同、模具间隙不均、板厚变化及定位不准等影响，使拉深件口部或凸缘周边不齐，必须进行修边。故在计算毛坯尺寸时应按加上修边余量后的零件尺寸进行展开计算。

修边余量的数值可查表1．2－59和表1．2－60。

表1．2－59 无凸缘圆筒形拉深件的修边余量δ (mm)

表1．2－60 有凸缘圆筒形拉深件的修边余量δ (mm)

(2)毛坯尺寸的计算

在拉深工艺中，如忽略毛坯在拉深过程中厚度的变化，可以按拉深前后面积不变的原则进行毛坯尺寸的计算。

根据面积不变原则，毛坯直径按下式确定：

式中 A₀——拉深件的表面积；

A——拉深件分解成简单几何形状的表面积，可由表1．2－61的公式求出。

表1．2－61 简单几何形状的表面积A的计算公式

例如图1．2－43所示有凸缘的筒形拉深件的毛坯尺寸计算，可先将该零件分解成5个简单几何形状，并按表1．2－61所列公式求得A₁、A₂、A₃、A₄、A₅，然后按上述公式求出毛坯直径D。

图1．2－43 筒形件毛坯尺寸的确定

对于常用的拉深件，可选用表1．2－62所列公式直接求得毛坯直径D。

表1．2－62 常用旋转体拉深件毛坯直径的计算公式

注：1．尺寸按工件材料厚度中心层尺寸计算。

2．对于厚度小于1mm的拉深件，可不按工件材料厚度中心层尺寸计算，而根据工件外壁尺寸计算。

3．对于部分未考虑工件圆角半径的计算公式，在计算有圆角半径的工件时计算结果要偏大，故此情形下，可不考虑或少考虑修边余量。

(三)拉深模的凸、凹模间隙

(1)不用压边圈拉深时

c=(1～1．1)t_max(末次拉深用小值，中间拉深用大值)

式中 t_max——材料厚度的最大极限尺寸(mm)。

(2)用压边圈拉深时

c=t_max+kt

式中 t_max——材料厚度的最大极限尺寸(mm)；

t——材料厚度的基本尺寸(mm)；

k——间隙系数，见表1．2－63。

表1．2－63 间隙系数k

注：1．表中数值适用于一般精度(未注公差尺寸的极限偏差)工件的拉深工作。

2．末道工序括号内的数字，适用于较精密拉深件(IT11级～IT13级)。

材料厚度公差小或工件精度要求较高的，应取较小的间隙，按表1．2－64选取。

表1．2－64 有压边圈拉深时单边间隙值 (mm)

注：1．t——材料厚度，取材料允许偏差的中间值。

2．当拉深精密工件时，最末一次拉深间隙取c=t。

(四)拉深件变形程度的计算

拉深件变形程度用拉深系数m表示：

式中 d——拉深后圆筒直径；

D——拉深前毛坯直径。

(五)拉深模凸、凹模工件尺寸的计算

(1)拉深模工件尺寸计算(表1．2－65)

表1．2－65 拉深模工件尺寸的计算公式

注：D_凹、d_凸——凹模、凸模尺寸(mm)；

D、d——拉深件外形、内形的基本尺寸(mm)；

c——凸模、凹模的单边间隙；

δ_凹、δ_凸——凹模、凸模的制造公差(见表1．2－66)。

表1．2－66 圆形拉深模凸模、凹模的制造公差 (mm)

注：1．表列数值用于未精压的薄钢板。

2．如用精压钢板，则凸模及凹模的制造公差等于表列数值的20%～25%。

3．如用有色金属，则凸模及凹模的制造公差等于表列数值的50%。

(2)拉深凸模的排气孔尺寸(表1．2－67)

表1．2－67 拉深凸模排气孔尺寸 (mm)

(3)拉深凸模与凹模的圆角半径

①拉深凸模的圆角半径r_凸 除最末一次拉深工序外，其他各拉深工序r_凸按下式计算：

r凸=(0．6～1)r_凹

最后一次拉深工序中，r_凸应与工件的圆角半径相等。如果工件要求的圆角半径很小，则在最后一次拉深工序以后，须进行整形。

②拉深凹模的圆角半径r_凹 可按经验公式确定：

式中 D——毛坯直径(mm)；

d——凹模内径(mm)；

t——材料厚度(mm)。

但当工件直径d＞200mm时，r_凹应按下式确定：

r_凹min=0．039d+2(mm)

(六)拉深时的压力计算

(1)拉深力的计算

①对于圆形拉深件，其最大拉深力可按下式计算：

F_max=3(σ_b+σ_s)(D－d－r_凹)t

式中 F_max——最大拉深力(N)；

σ_b——材料的抗拉强度(MPa)；

σ_s——材料的屈服强度(MPa)；

D——毛坯最大直径(mm)；

d——拉深凹模内径(mm)；

r_凹——凹模的圆角半径(mm)；

t——材料的厚度(mm)。

②对于方形拉深件，可用下列公式计算：

F_max=σ_bt(2πr_底C₁+LC₂)

式中 F_max——最大拉深力(N)；

r_底——工件底部圆角半径(mm)；

L——直边全长(mm)；

C₁=0．5(用于拉深很浅的工件)；

=2．5[用于拉深深度为(5～6)r_底的工件]；

C₂=0．2(用于间隙较大，且无压边圈时)；

=0．3(用于压边力为时)；

=1．0(用于拉深很困难时)。

(2)压边力的计算

压边力：

式中 q——各工序拉深系数的倒数；

σ_b——毛坯材料的抗拉强度(MPa)；

t——材料厚度(mm)；

D——毛坯直径(mm)。

(3)压床吨位的选择

对于单动压床：

F＞F_拉+F_压

对于双动压床：

F₁＞F_拉 F₂＞F_压

式中 F——压床的公称压力；

F₁、F₂——分别为内、外滑块的公称压力；

F_拉、F_压——分别为拉深力和压边力。

(4)拉深功和功率

①不变薄拉深的拉深功

A=k·F_max·h×10^－3

式中 A——拉深功(J)；

F_max——最大拉深力(N)；

h——拉深高度(mm)；

k——系数(查表1．2－68)。

表1．2－68 系数k与拉深系数的关系

②变薄拉深的拉深功

A=F·h×1．2×10^－3

式中 A——拉深功(J)；

F——变薄拉深力(N)；

h——拉深高度(mm)；

1．2——安全系数，考虑到由于摩擦所增加的能量消耗。

③功率

压力机电机功率按下式计算：

式中 N——压力机电机功率(kW)；

k——不平衡系数，k=1．2～1．4；

A——拉深功(J)；

η₁——压力机效率，η₁=0．6～0．8；

η₂——电动机效率，η₂=0．9～0．95；

n——压力机每分钟的行程次数；

1．36——由马力转换成千瓦的转换系数。

(七)拉深模的设计要点

1．拉深工序设置的原则

①在大批量生产中，在凹、凸模强度允许的条件下，应采用落料、拉深复合工艺。

②除底部孔有可能与落料、拉深复合冲压外，凸缘及侧壁的孔、槽均需在拉深工序完成后再冲出。

③当拉深件的尺寸精度要求高或带有小圆角半径时，需增加整形工序。修边工序一般安排在整形工序之后。

④修边、冲孔常可复合完成。

⑤窄凸缘零件应先拉成圆筒形，然后制成锥形凸缘，最后经校平获得平凸缘；宽凸缘零件应先按要求的尺寸拉出凸缘直径，并在以后的拉深工序中保持凸缘直径不变。

⑥阶梯形零件先拉深内部形状，然后再拉深外部形状；过渡部分以较大的圆角半径连接，零件的最终形状应在最后工序中压出。

⑦形状复杂的零件，一般先拉深内部形状，然后再拉深外部形状。

⑧多次拉深冷变形强化严重的材料时，需进行中间退火。

2．拉深工艺计算

(1)无凸缘筒形件拉深工艺计算

计算步骤：

①选定修边余量，确定毛坯直径(查表1．2－59，表1．2－62)。

②根据表1．2－69，确定是否采用压边圈。

表1．2－69 采用或不采用压边圈的条件

注：t——料厚；D₀——毛坯直径；d_n——拉深件直径；m_n——拉深系数。

③根据零件的相对高度和毛坯的相对厚度，查表1．2－70或图1．2－44确定拉深次数。

表1．2－70 无凸缘圆筒形拉深件的最大相对高度[]

注：1．大的比值适用于在第一道工序内大的凹模圆角半径(由时的r_凹=8t到时的r_凹=15t)；小的比值适用于小的凹模圆角半径(r_凹=4t～8t)。

2．表中拉深次数适用于08号及10号钢的拉深件。

图1．2－44 确定拉深次数及半成品尺寸的线图

④由表1．2－71、表1．2－72、表1．2－73查出各次的拉深系数m₁，m₂，…，m_n，并对各次拉深系数作适当调整，使d_n=d=m₁·m₂·…·m_nD₀。

表1．2－71 无凸缘筒形件用压边圈拉深时的拉深系数

注：1．凹模圆角半径大时(r_凹=8t～15t)，拉深系数取小值，凹模圆角半径小时(r_凹=4t～8t)，拉深系数取大值。

2．表中拉深系数适用于08号、10S、15S钢与软黄铜H62、H68。当拉深塑性更大的金属时(05、08Z及10Z钢、铝等)，应比表中数值减小1．5%～2%。而当拉深塑性较小的金属时(20、25、Q215、Q235、酸洗钢、硬铝、硬黄铜等)，应比表中数值增大1．5%～2%(符号S为深拉深钢；Z为最深拉深钢)。

表1．2－72 无凸缘筒形件不用压边圈拉深时的拉深系数

注：此表适用于08号、10号及15Mn等材料。

表1．2－73 其他金属材料的拉深系数

注：1．凹模圆角半径r_凹＜6t时拉深系数取大值；凹模圆角半径r_凹≥(7～8)t时拉深系数取小值。

2．材料相对厚度时拉深系数取小值；材料相对厚度时拉深系数取大值。

⑤由调整后的各次拉深系数m₁，m₂，…，m_n，确定各次的拉深直径d₁，d₂，…，d_n，并确定各次拉深圆角半径。

⑥根据下列公式算出各次拉深高度。

式中 h₁，h₂，…，h_n——各次拉深高度(mm)；

d₁，d₂，…，d_n——各次拉深直径(mm)；

r₁，r₂，…，r_n——各次拉深圆角半径(mm)。

⑦画出工序图。

(2)带凸缘筒形件拉深工艺计算

计算带凸缘筒形拉深件的工序尺寸有两个原则：

第一，对窄凸缘(，式中：d_F——凸缘直径；d——圆筒直径)筒形拉深件，在前几次拉深中不留凸缘，先拉成圆筒形；而在以后的拉深中形成锥形的凸缘，最后将其校成平凸缘。

第二，对宽凸缘(，式中符号含义同上)筒形拉深件，则应在第一次拉深时就拉成零件所要求的凸缘直径，而在以后各次拉深中，凸缘直径保持不变。

宽凸缘拉深件，为了保证在以后的拉深中凸缘不变形，首次拉入凹模的材料(第一次拉深时，除去凸缘的筒形件材料)应比零件最后拉深部分实际所需材料(零件除去凸缘外，筒形部分的材料)多3%～10%(按面积计算，拉深次数多时取上限值，拉深次数少时取下限值)，这些多余材料在以后各次拉深时，逐次将1．5%～3%的材料挤回到凸缘处，使凸缘增厚，从而避免拉裂。

带凸缘筒形件拉深工艺计算步骤：

①选定修边余量(查表1．2－60)，预算毛坯直径D₀(查表1．2－62)。

②算出和(d₁=d为零件圆筒处的直径)，从表1．2－74中查出第一次拉深允许的最大相对高度[]值，然后与零件的相对高度相比较，看能否一次拉成。

表1．2－74 带凸缘筒形件第一次拉深的最大相对高度[]

注：1．适用于08号、10号钢。

2．较大值相应于零件圆角半径较大情况，即r_凹、r_凸为(10～20)t；较小值相应于零件圆角半径较小情况，即r_凹、r_凸为(4～8)t。

若，则可以一次拉出来，这种情况的工序尺寸计算到此即结束。

若】，则一次拉不出来，需多次拉深。这时应计算各工序的尺寸。

③从表1．2－75查出第一次拉深系数m_F1，从表1．2－76查出以后各工序的拉深系数m₂，m₃，m₄……并预算各工序的拉深直径：d₁=m_F1D₀、d₂=m₂d₁、d₃=m₃d₂……通过计算，直到d_n≈d，即可知道所需的拉深次数。

表1．2－75 带凸缘筒形件第一次拉深时的拉深系数〔m_F1〕

注：适用于08号、10号钢。

表1．2－76 带凸缘筒形件以后各次的拉深系数

注：在应用中间退火的情况下，可以将以后各次的拉深系数减小5%～8%。

④确定拉深次数以后，对各工序的拉深系数进行调整，使各工序变形程度的分配更趋合理。

⑤根据调整后各工序拉深系数，再计算每道工序的拉深直径：d₁=mF₁D₀、d₂=m₂d₁，d₃=m₃d₂，…，d_n=d=m_nd_n－₁，并选定各工序的圆角半径。

⑥根据上述计算工序尺寸的第二个原则，重新修正毛坯直径。

⑦计算第一次拉深高度[利用公式：]，并校核第一次拉深的相对高度，若许可的最大相对高度[]大于计算出的，则安全。

⑧利用公式(公式中各符号含义与前面“无凸缘筒形件拉深工艺计算”部分相同)计算以后各次的拉深高度。

⑨画出工序图。

以上为圆筒件拉深工艺的计算，至于其他形状零件的拉深工艺计算，可参阅有关资料。

(3)压边圈的采用及其类型

①采用压边圈的条件

在拉深过程中，为防止工件边缘或凸缘起皱，应使毛坯(或半成品)在被拉入凹模圆角以前，保持稳定状态。其稳定程度主要取决于毛坯的相对厚度，或以后各次拉深半成品的相对厚度。拉深时是否采用压边圈，其条件列于表1．2－69；或根据图1．2－45来确定是否采用压边圈。如毛坯相对厚度和拉深系数值相交于区域Ⅰ内则应采用压边圈；在区域Ⅱ内可不采用压边圈。

图1．2－45 根据毛坯相对厚度和拉深系数确定是否采用压边圈

②压边装置的类型

a．刚性压边装置。在实际操作中常利用双动冲床上的外滑块作为刚性压边装置。这种压边的特点是压边力稳定，不随冲床行程而变化。

b．弹性压边装置。弹性压边装置一般用于单动冲床上，特点是压边力随冲床行程而变化。弹性压边有气动式、弹簧式及橡皮式三种(如图1．2－46)。气动式的压边力不随行程变化，因此压边效果好。而弹簧式和橡皮式，其压边力随行程增大而升高。但是气动式结构复杂，并需使用压缩空气，故一般压边装置均使用弹簧式和橡皮式。

(a)气动式

(b)弹簧式

(c)橡皮式

图1．2－46 弹性压边装置

③压边圈的型式

a．一般的拉深模均采用平面压边圈(图1．2－47)。第一次拉深相对厚度，且有小凸缘和很大圆角半径的工件时，应采用弧形压边圈(图1．2－48)。

图1．2－47 平面压边圈

图1．2－48 弧形压边圈

b．若在整个拉深行程中，压边力需保持均衡和防止压边圈将毛坯夹得过紧，特别是拉深较薄且有较宽凸缘的工件时，需采用带限位装置的压边圈。如图1．2－49所示。图(a)适用于第一次拉深工序，图(b)适用于第二次以后的拉深工序。

(a)第一次拉深

(b)第二次以后拉深

图1．2－49 带限位装置的压边圈

限位距离s的大小，应根据工件的形状及材料的不同，分别为：

拉深带凸缘的工件时 s=t+(0．05～0．1)(mm)

拉深铝合金工件时 s=1．1t(mm)

拉深钢制工件时 s=1．2t(mm)(t——料厚)

c．拉深带宽凸缘的工件时，压边圈与毛坯的接触面积要减小，常采用的压边方法有图1．2－50所示的两种。

图1．2－50 局部压边的压边圈

d．对凸缘特别小的工件，拉深时需加大拉应力，这时可采用带拉深筋的压边圈(如图1．2－51)。

图1．2－51 带拉深筋的压边圈

(4)拉深凸模的排气孔

其开设型式如图1．2－52，具体结构尺寸见表1．2－67。

图1．2－52 拉深凸模的排气孔