拉深工艺设计

圆筒形零件是最典型的拉深件，掌握了它的工艺设计方法后，其他零件的工艺计算可以借鉴其计算方法。下面介绍如何计算简单圆筒形零件毛坯尺寸、拉深次数、半成品尺寸以及如何确定压边力和拉深力等。

6．4．1 拉深工艺的计算

（1）计算拉深件毛坯尺寸的理论依据

1）面积相等原理

根据塑性变形体积不变定律，拉深前和拉深后材料的体积不变。由于拉深前和拉深后材料的体积不变，对于不变薄拉深，假设材料厚度拉深前后不变，拉深毛坯的尺寸按“拉深前毛坯表面积等于拉深后零件的表面积”的原则来确定。

2）相似原理

拉深毛坯的形状一般与拉深件的横截面形状相似。即零件的横截面是圆形、椭圆形时，其拉深前毛坯展开形状也基本上是圆形或椭圆形。对于异形件拉深，其毛坯的周边轮廓必须采用光滑曲线连接，应无急剧的转折和尖角。

3）余量原则

由于拉深材料厚度有公差，板料具有各向异性；模具间隙和摩擦阻力的不一致以及毛坯的定位不准确等原因，拉深后零件的口部将出现凸耳（口部不平）。为了得到口部平齐，高度一致的拉深件，需要拉深后增加切边工序，将不平齐的部分切去。因此在计算毛坯之前，应先在拉深件上增加切边余量δ（表6．4）。

表6．4 无凸缘拉深件切边余量／mm

（2）毛坯尺寸的确定

由表面积相等原理可知，圆筒拉深件采用平板毛坯的表面积为πD2／4，这样，只要求解出拉深后的表面积，便可得到毛坯直径D的大小。

可首先将拉深件划分为若干个简单而又便于计算的几何体，并分别求出各简单几何体的表面积，再把各简单几何体的表面积相加即为拉深后的总表面积。

若毛坯厚度t≥1mm，则应区分各外形尺寸和内形尺寸。

如图6．16所示的圆筒形拉深件，可分解为无底圆筒1、1／4凹圆环2和圆形板3三部分几何体，每一部分的表面积分别为：

A1＝πd（h＋δ）

A2＝π（2πrd0＋8r2）／4

工件的总面积为A1、A2和A3部分之和，即

设毛坯的直径为D，根据表面积相等原则：

图6．16 筒形件毛坯尺寸计算

（3）拉深系数m和拉深次数n

拉深系数m是指拉深后圆筒形件的直径与拉深前毛坯的直径之比，如图6．17所示。

图6．17 拉深系数的计算

总拉深系数m总表示从毛坯D拉深至dn的总变形程度，即

拉深系数是拉深工艺的重要参数，它表示拉深变形过程中坯料的变形程度，m值越小，拉深时坯料的变形程度越大。根据前述力学分析知，拉深系数的减少有一个限度，这个限度称为极限拉深系数，见表6．5。超过这一限度，会使变形区的危险断面产生破裂。

当拉深件的拉深系数m总大于第一次极限拉深系数［m1］时，则该拉深件只需一次拉深就可拉出，否则就要进行多次拉深。

在工艺计算中，只要筛选出每次拉深工序的拉深系数值，就可以计算出各次拉深工序的半成品件的尺寸，并确定出该拉深件工序次数。

先根据适用条件查表，并查出［m1］、［m2］、［m3］、…，然后从第一道工序开始依次算出各次拉深工序件直径，即d1＝［m1］D、d2＝［m2］d1、…、dn＝［mn］dn－1，直到dn≤d。即当计算所得直径dn稍小于或等于拉深件所要求的直径d时，计算的次数即为拉深的次数n。

表6．5 无凸缘圆筒形工件用压料圈时的极限拉深系数

注：表中拉深系数适用于08、10和l5Mn、H62。

（4）半成品尺寸的确定

半成品尺寸包括半成品的直径dn、筒底圆角半径rn。和筒壁高度hn。在这里我们主要介绍半成品的直径dn的计算。

拉深次数确定后，再根据计算的直径dn应等于工件要求的直径d的原则，对推算拉深次数时所用的极限拉深系数［mn］进行修正。设修正系数为K，则

mn＝K×m[ ]n（6．3）

再将mn代入计算，便可得到准确的各次拉深半成品直径尺寸。

（5）是否需要压料圈

拉深时若不用压料圈，变形区起皱的倾向增加，每次拉深时变形不能太大，故极限拉深系数应增大。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。当可采用也可不采用压料圈时，为了保险起见，拉深时宜采用压料圈。

（6）拉深计算实例

【例6．1】 计算如6．18所示筒形制件的板料直径D、拉深次数n及各半成品尺寸直径di （注：材料为08F）。

图6．18 拉深计算图

1）确定切边余量δ

h／d＝69．5／21≈3．31mm，由表6．4查得：取δ＝6mm。

2）计算板料直径D

代入式（6．1）

3）毛坯相对厚度

t／D×100＝1／83×100＝1．2，查表6．2，首次拉伸和以后各次拉深必须采用压边圈。4）确定拉深次数n

按表6．5取拉深系数：

m1＝0．515 m2＝0．755 m3＝0．785 m4＝0．805

各次拉深直径：

d1＝m1D＝0．515×83mm＝42．75mm

d2＝m2d1＝0．755×42．75mm＝32．27mm

d3＝m3d2＝0．785×32．27mm＝25．33mm

d4＝m4d3＝0．805×25．33mm＝20．39mm

需要n＝4次拉深。

5）确定各次拉深半成品尺寸

代入式（6．2），dn＝20．39 d＝21 n＝4故K＝1．00735，则

d1＝0．515×83×1．00735mm＝43．06mm

d2＝0．755×42．75×1．00735mm＝32．75mm

d3＝0．785×32．27×1．00735mm＝25．90mm

d4＝0．805×25．33×1．00735mm＝21mm

6．4．2 压料力和拉深力

压料力是为了防止起皱保证拉深过程顺利进行而施加的力，它的大小直接关系到拉深能否顺利进行。

拉深力从广义上包括拉深力与压料力两部分，拉深力与压料力生产中常用经验公式计算，具体可查有关冲压手册。

拉深力和压料力对拉深的影响如图6．19所示。

压料力的大小可采用以下公式计算

FQ＝A·q

式中 FQ——压料力，N；

A——拉深开始时压料面积，mm2；

q——单位压料力，MPa；可按表6．6选用。

图6．19 拉深力和压料力对拉深的影响

表6．6 单位压料力q

6．4．3 拉深辅助工艺

（1）润滑

拉深时毛坯与模具表面接触时相互之间产生很大的压力，使毛坯在拉深时与接触表面产生摩擦力。在凸缘部分和凹模入口处的有害摩擦不仅会降低拉深的许用变形程度，而且会导致零件表面的擦伤，降低模具寿命，这种情况在拉深不锈钢、高温合金等黏性大的材料时更加严重。

为此，在凹模圆角、平面、压边圈表面及与这些部位相接触的毛坯表面，应每隔一定周期均匀抹涂一层润滑油，并保持润滑部位干净。而在凸模表面或与凸模接触的毛坯表面则切忌涂润滑剂。当拉深应力较大时，应采用含大量粉状填料的润滑剂，否则拉深中润滑剂易被挤掉，润滑效果不好。当拉深应力不大时，可采用不带填料的油质润滑剂。

（2）热处理

在拉深过程中，除铅和锡外，所有金属都要产生加工硬化，使金属强度指标σs、σb增加，而塑性指标降低。同时，由于塑性变形不均匀，拉深后材料内部还存在残余应力。

在多次拉深时，为了恢复冷加工后材料的塑性，应在工序中间安排退火，以软化金属组织。拉深工序后还要安排去应力退火。一般在拉深工序间常采用低温退火，如低温退火后的效果不够理想，也可采用高温退火。拉深完后则采用低温退火。退火使生产周期延长，成本增加，应尽可能避免。

（3）酸洗

退火后工件表面必然有氧化皮和其他污物，在继续加工时会增加模具的磨损，因此必须要酸洗，否则使拉深不能正常进行。有时酸洗也在拉深前的毛坯准备工作中进行。酸洗前工件应用苏打水去油，酸洗后用冷水冲洗，以温度为60～80℃的弱碱溶液中和酸性，并用热水洗涤，不能让酸液残留在工件表面上。