圆筒形零件的拉深

6．2．1 拉深变形过程

圆筒形零件拉深成形过程如图6．1所示。直径为D0的圆形平板毛坯2置于拉深凹模之上，拉深凸模1和凹模3分别装在压力机的滑块与工作台上。当凸模1向下运动时凸模的平底首先压住直径为d的坯料中间部分，凸模继续下行，即将坯料的环形法兰部分（D0－d）逐渐拉入凹模腔内，环形法兰部分材料便不断转化为零件的筒壁，形成直径为d高为H的工件4。

6．2．2 拉深变形的特点分析

为了更直观地了解金属的流动状态，可采用坐标网格试验法。如图6．2所示，在拉深前的圆形毛坯上画出间距相等的同心圆和分度相等的辐射线所组成的网格，毛坯拉深成筒形件后，研究这些网格的形状和尺寸的前后变化，可知圆筒件有以下变形特点：

图6．1 圆筒件拉深网格试验

图6．2 圆筒形零件拉深形成过程图1—凸模；2—毛坯；3—凹模；4—工件

①圆筒件筒底部由坯料的中心部分形成，观察圆筒底部b区的网格发现与拉深前基本没有变化，而且越靠近底部中心，网格变形情况越小，这说明拉深过程中底部没有产生塑性变形，底部属于不变形区。

②圆筒件筒壁部由毛坯圆环法兰（D0－d）部分流动而成，观察筒壁a区网格，发现与拉深前网格的形状和尺寸都产生了较大的变化，如图6．2所示中的网格由扇形F1变成矩形F2，而且越远离底部矩形的高度越大，即a1＞a2＞a3＞…＞a，这说明其塑性变形程度由底部向上部逐渐增大，坯料的圆环法兰（D0－d）部分属于主要变形区。

③任选变形区的一个扇形单元体，如图6．3所示。由图中可知，扇形单元体变形是切线方向受压缩，径向方向受拉伸，在两种应力的共同作用下，环形法兰（D0－d）部分的金属材料产生塑性变形，其虚线外侧的“三角形材料”沿径向伸长，切向压缩，扇形单元格就变成了矩形格子。

图6．3 扇形单元变形情况

④同时测量工件高度H＞（D0－d）／2，说明拉深时有一部分金属向上流动到口部，增加了筒壁的高度Δh（见图6．4）。同时也使筒壁底部减薄，筒壁顶部增厚和刚度增加（见图6．5）。

图6．4 筒壁高度测量

图6．5 拉深件沿高度方向硬度和壁厚的变化

由此可知，拉深成形的实质就是环形法兰（D0－d）部分的金属产生塑性流动，使坯料逐步收缩为零件筒壁的过程。

6．2．3 圆筒形拉深件的应力与应变

分析拉深过程圆筒形件各部分的应力与应变，对了解拉深时产生的各种现象（如起皱、拉裂等），解决出现的工艺问题和提高制件质量都是必要的。

以带压料装置的圆筒件为例，设在拉深过程的某一时刻，毛坯处于如图6．6所示的状态，运用金属塑性变形理论分析其拉深时5个区域的应力应变。

（1）凸缘平面区域

Ⅰ区是拉深成形的主要变形区。该区材料在凸模拉深力的作用下不断被拉入凹模腔内，同时其外缘直径不断缩小，因此，该处材料处于径向受拉、切向受压的应力状态，并在径向和切向分别产生伸长和压缩变形，板厚有增加，凸缘外边缘处板厚增加最大。当凸缘直径较大时，而板料又较薄时，往往由于切向压应力过大使凸缘失稳而拱起，即形成“起皱”现象。在这种情况，为防止凸缘起皱，就应该采用压料装置。

凸缘区域应力：径向σ1是拉应力，切向σ3及厚向σ2为压应力（在无压料装置时，σ2则为零）。

凸缘区域应变：径向ε1是伸长应变，切向ε3是压缩应变，厚向ε2无论有无压料力都是伸长应变（因厚度增加了）。

图6．6 圆筒形件拉深过程的应力与应变

σ1—径向应力；σ2—厚向应力；σ3—切向应力；

ε1—径向应变；ε2—厚向应变；ε3—切向应变

（2）凸缘圆角区域

Ⅱ区是过渡区。当凸缘材料向凹模腔内流动进入凹模圆角区域时，首先经受一次由直变弯的弯曲过程，以使坯料与凹模圆角贴合。当材料离开凹模圆角区域转化为筒壁的一部分时，材料又经历一次由弯曲变直的弯曲过程。这两次弯曲变形附加了弯曲阻力和摩擦阻力，造成拉深力大大增加。

凹模圆角区域应力：材料的应力状态为径向σ1受拉、切向σ3受压，厚向σ2受到凹模圆角的压力和弯曲作用产生压应力。由于这里切向压应力值σ3不大，而径向拉应力σ1最大，且凹模圆角越小，由弯曲引起的拉应力σ1越大，板料厚度有变薄倾向，因此有可能出现破裂。

凹模圆角区域应变：径向ε1拉伸、切向ε3压缩，厚度相对凸缘区减薄，但是相对板料仍增厚。

（3）筒壁区域

Ⅲ区为传力区。这部分材料已经形成筒形，直径基本不变了，材料也不再发生大的变形。但是，在拉深过程中，施加于凸模的拉深力要经由筒壁传递到Ⅰ区，因此它承受单向拉应力σ1的作用，处于少量的径向伸长变形和厚度减薄的平面应变状态，即ε1拉伸，ε3压缩。因为径向的拉伸是靠壁厚的逐渐变薄来实现的，故筒壁下薄上厚。

（4）底部圆角区域

Ⅳ区为过渡区。该区材料经历了两次弯曲，材料的变形流动方向为筒底流动到筒壁方向，该区域材料是与凸模圆角接触的部分，它从拉深开始一直承受径向拉应力σ1和切向拉应力σ3的作用，厚度方向上受到凸模圆角弯曲顶压作用而产生的压应力σ2，板厚减薄严重，可以说是整个圆筒形零件上变薄最严重的区域，拉深时成形极限就是由该区的承载能力决定的。

底部圆角区域应力：材料的应力状态是三维的，径向σ1为拉应力，切向σ3为拉应力，厚向σ2为压应力。

底部圆角区域应变：应变也是三维的，径向ε1和切向ε3拉伸变形，厚向ε2压缩变形。

在底部圆角转角处稍上一些位置（见图6．5中的危险断面处）是筒壁变薄最严重的地方，因而该处断面是拉深件的危险断面，拉深件的拉裂破坏多在此处发生。

（5）筒底部区域

Ⅴ区为不变形区或小变形区。筒底区在拉深开始时即被拉入凹模，并在拉深的整个过程中保持其平圆形状。它受切向σ3和径向σ1的双向拉应力作用，变形是三向的，径向ε1和切向ε3拉伸，厚向ε2压缩，厚度弱有减薄。但这个区域的材料由于受到与凸模接触面的摩擦阻力，约束了金属流动，基本上不产生塑性变形或者只产生不大的塑性变形。

6．2．4 拉深件的质量分析

生产中可能出现的拉深件质量问题较多，但主要的是起皱和拉裂。据统计，由于起皱、拉裂而导致的废品占总废品率的80％～90％，因此研究拉深过程中起皱、拉裂产生的原因及防止措施，对保证拉深工艺的顺利进行，以及保证拉深件的质量均有重要意义。

（1）起皱

拉深时坯料凸缘区出现波纹状的皱折称为起皱。

起皱实质是一种受压失稳现象。凸缘部分材料的失稳与压杆两端受压失稳相似，它不仅与凸缘切向压应力σ3有关，而且还与凸缘的相对厚度t／D（t为料厚，D为坯料直径），相当于压杆的粗细有关。

1）起皱产生的原因

凸缘部分是拉深过程中的主要变形区，而该变形区受最大切向压应力作用，其主要变形是切向压缩变形。当切向压应力较大而坯料的相对厚度t／D又较小时，凸缘部分的料厚与切向压应力之间失去了应有的比例关系，从而在凸缘的整个周围产生波浪形的连续弯曲，如图（6．7（a））所示，这就是拉深时的起皱现象。

通常起皱首先从凸缘外缘发生，因为这里的切向压应力绝对值最大。出现轻微起皱时，凸缘区板料仍有可能全部拉入凹模内，但起皱部位的波峰在凸模与凹模之间受到强烈挤压，从而在拉深件侧壁靠上部位将出现条状的挤光痕迹和明显的波纹，影响工件的外观质量与尺寸精度，如图（6．7（b））所示。

起皱严重时，拉深便无法顺利进行，这时起皱部位相当于板厚增加了许多，因而不能在凸模与凹模之间顺利通过，并使径向拉应力急剧增大，继续拉深时将会在危险断面处拉破，如图（6．7（c））所示。

2）影响起皱的主要因素

①坯料的相对厚度t／D。坯料的相对厚度越小，拉深变形区抵抗失稳的能力越差，因而就越容易起皱。相反，坯料相对厚度越大，越不容易起皱。此外，屈服应力σs越大，材料的弹性模量越小，抵抗失稳的能力越小，越易起皱。

②拉深系数m。拉深系数m是拉深后的圆筒零件直径d与拉深前毛坯直径D之比值，即m＝d／D。拉深系数是拉深前后毛坯直径的变化量，反映了毛坯边缘在拉深时切向压缩变形的大小。m越小，表示拉深变形程度越大，拉深变形区内金属的硬化程度也越高，因而切向压应力相应增大。另外，拉深系数越小，凸缘变形区的宽度相对越大，其抵抗失稳的能力就越小，因而越容易起皱。

图6．7 拉深件的起皱破坏

有时，虽然坯料的相对厚度较小，但当拉深系数较大时，拉深时也不会起皱。例如，浅拉深时，即属于这一种情况。这说明，在上述两个主要影响因素中，拉深系数m的影响更为显著。

3）控制起皱的措施

①为了防止起皱，最常用的方法是在拉深模具上设置压料装置。坯料凸缘区夹在凹模平面与压料圈之间通过，如图6．8所示。当然并不是任何情况下都会发生起皱现象，当变形程度较小、坯料相对厚度较大时，一般不会起皱，这时就可不必采用压料装置。判断是否采用压料装置可查表6．2确定。满足相对厚度t／D与拉深系数m中任一条件即为符合所对应的要求。

表6．2 压边圈采用条件

②采用反拉深。反拉深是一种拉深方法，其坯件是已经过拉深的空心毛坯。拉深时将空心毛坯翻转装在拉深模上，凸模从空心毛坯底部反向压下，使其内壁外翻。由于凸模对毛坯的拉深方向与上一道工序相反，故称为反拉深。其工作原理如图6．9所示。

采用反拉深，空心毛坯是扣装在凹模上，毛坯与凹模内的摩擦阻力较正拉深大，同时还增加了弯曲力，因而使变形区的径向拉应力增加较大，对防止冲压件的起皱有明显效果。但在毛坯外缘流经凹模入口处时，摩擦及弯曲等作用引起的阻力明显减小，故对大直径较薄材料的反拉深，还必须辅以压料，才能有效地防止冲压件起皱。

③采用锥形凹模。如图6．10所示为锥形拉深凹模简图。用锥形凹模拉深的坯料与用普通平端面凹模拉深的坯料相比，前者不容易起皱，如图6．10（a）所示。其原因是用锥形凹模拉深时，坯料形成的曲面过渡形状（见图6．10（b））比平面形状具有更大的抗压失稳能力。

采用锥形凹模拉深，还可降低凹模圆角半径处的摩擦阻力和弯曲变形阻力；凹模锥面对毛坯变形的作用力也有利于变形区的切向压缩变形，这就使得拉深力相应减小，拉深系数也较平面凹模小，有利于拉深成形。

为防止起皱，锥形凹模的锥形角应取30°～60°，为了减少拉深力，锥形角应取20°～30°。通常采用30°的锥形角以兼顾这两方面的要求。

图6．8 带压料装置的拉深图

图6．9 反拉深工作原理图

图6．10 锥形凹模的拉深简图

上面所介绍的防止起皱的措施，各有其特点。使用时应根据具体情况选择，有时往往是几种措施同时使用。

（2）拉裂

拉裂是拉深工艺中出现的主要问题之一。当筒壁处所受拉应力超过了材料的强度极限时，工件就会被拉裂（见图6．11），裂口一般出现在凸模圆角稍上一点筒壁处。

图6．11 拉深件的拉裂现象

1）拉裂产生的原因

在拉深过程中，因凸缘变形区应力应变很不均匀，靠近外边缘的坯料压应力大于拉应力，其压应变为最大主应变，坯料有所增厚；而靠近凹模孔口的坯料拉应力大于压应力，其拉应变为最大主应变，坯料有所变薄。因而，当凸缘区转化为筒壁后，拉深件的壁厚就不均匀，口部壁厚增大，底部壁厚减小，壁部与底部圆角相切处点（见图6．12位置3），变薄最严重。

变薄最严重的部位成为拉深时的危险断面，当筒壁的最大拉应力超过了该危险断面材料的抗拉强度时，便会产生拉裂。另外，当凸缘区起皱时，坯料难以或不能通过凸凹模间隙，使得筒壁拉应力急剧增大，也会导致拉裂。

2）导致拉裂的主要因素

影响筒壁强度的因素有：毛坯材料的力学性能、毛坯直径及厚度、拉深系数、凸凹模圆角半径、压料力及摩擦系数，因此，为了防止工件严重变薄、拉裂，在拟订拉深工艺、设计模具及进行生产时，应采取有效措施来预防拉裂。

图6．12 拉深件的厚度分布

3）防止拉裂的措施

生产实际中常用增加拉深次数、适当调整凸凹模圆角半径、降低拉深力、在压料圈底部和凹模上涂润滑剂等方法来避免拉裂的产生。

①多次拉深。拉深次数关系到拉深件的质量和经济性，为避免发生破裂，有的工件需要合理增加拉深次数才能出色完成。增加拉深次数意味着减轻了变形程度，选取了不至于过小的拉深系数，也减少了每次的拉深力，充分利用了材料的塑性变形性能。多次拉深示意图如图6．13所示。

图6．13 多次拉深示意图

②考虑板材的力学性能指标。用于拉深件的材料，要求具有较好的塑性，屈强比σs／σb要小。屈强比小，屈服应力σs小，凸缘材料易变形；强度极限σb高，材料不易破裂。

厚向异性指数r要大。r值越大，壁厚应变小，筒壁变薄小，不易破裂。

③正确确定凸凹模圆角半径。凹模圆角半径太小，材料在拉深成形过程中的弯曲阻力增加，从而使筒壁传力区的最大拉应力增加，危险断面易拉裂；凹模圆角半径太大，又会减小凸缘材料的有效压料面积，使凸缘材料易起皱。通常凹模圆角半径r凹可取r凹＝（6～10）t。薄料取上限，厚料取下限。

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，危险断面的强度降低。凸模圆角半径太大，则会减少传递凸模载荷的承载面积，还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。通常凸模圆角半径r凸可取：r凸＝（0．7～1．0）r凹。