拉深工艺及模具设计（项目四）——模具行业从业者必备知识手册
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项目四 拉深工艺及模具设计
【能力目标】
能够进行一般复杂程度的拉深模的设计
【知识目标】
1.了解拉深变形过程及特点
2.熟悉拉深过程的起皱与破裂现象
3.熟悉拉深件的工艺性
4.了解圆筒形件拉深的工艺计算
5.掌握拉深模工作部分的设计
6.掌握拉深模的典型结构
一、项目引入
拉深是指利用模具将平板毛坯冲压成开口空心零件或将开口空心零件进一步改变形状和尺寸的一种冲压加工方法。拉深工艺广泛应用于汽车、拖拉机、仪表、电子、航空航天等各个工业部门和日常生活用品的生产中, 是冷冲压的基本工序之一，不仅可以加工旋转体零件,还可加工盒形零件及其他形状复杂的薄壁零件,如图4-1、4-2所示。
依据毛坯形状划分拉深工艺：由平板毛坯塑变成带底的开口空心件的成形方法称之为平板（首道）拉深；由大口径空心件再塑变成为小口径空心件的成形方法称之为以后各次拉深。依据壁厚变化划分拉深工艺：拉深后制件的壁厚与毛坯厚度相比变化不大的拉深工艺称之为不变薄拉深；拉深后制件的壁厚与毛坯厚度相比明显变薄的拉深工艺称之为变薄拉深。不变薄拉深工艺在生产上广泛应用，本项目就其工艺分析与模具设计进行重点阐述。
本项目以图4-3所示的支座零件的拉深模设计为载体，综合训练学生确定拉深工艺和设计拉深模具的初步能力。
零件名称：支座
生产批量：大批量
材料：10钢
厚度：0.5mm
零件图：如图4-3所示。
二、相关知识
（一）圆筒形件拉深工艺分析- 拉深变形过程及特点
图4-4是圆筒型件的拉深过程。直径为D、厚度为t的圆形平板毛坯经过拉深模具的拉深，得到具有内径为d、高度为h的开口直壁圆筒型件，并且h＞（D-d）/2。
那么圆形平板毛坯在模具的作用下到底产生了怎样的塑性流动而得到开口的空心件？图4-5表明了平板毛坯在拉深时的材料转移情况。如果不用模具，则只要去掉图8.3中的三角形阴影部分，再将剩余部分狭条沿直径的圆周弯折起来，并加以焊接就可以得到直径为d，高度 ，周边带有焊缝，口部呈波浪的开口筒形件。这说明圆形平板毛坯在成为筒形件的过程中必须去除“多余材料”。但圆形平板毛坯在拉深成形过程中并没有去除多余材料，而拉深获得的工件高度大于了h，工件的壁厚增加了，因此只能认为三角形阴影部分材料是多余的材料，在模具的作用下产生了流动，发生了转移。
通过网格试验分析拉深时材料的转移，可进一步说明拉深时金属的流动情况，如图4-6所示。
拉深前，在圆形平板毛坯上画出由等间距为a的同心圆和等分度的辐射线组成的网格。拉深后，可以看到不同区域的网格发生了不同程度的变化，以下通过网格的变化分析金属在拉深过程中流动情况：
（1）筒形件底部的网格基本上保持原来的形状，说明凸模底部的金属没有明显的流动。
（2）切向不等径的同心圆转变为筒壁上平行的同周长圆，间距a增大，愈靠近筒的上部增加越多 ，说明金属径向应变为拉应变，越靠近外圆的金属径向流动越大。
（3） 径向等分度的同心辐射线转变为筒壁上平行的竖直线，且竖直线间距相等均为 b。说明切向应变为压应变，越靠近外圆的金属切向流动越大。
（４）如图4-6b所示，若从网格取一单元体，在拉深前是扇形网格，面积为A1，拉深后变为矩形网格，面积为A2，相当于在一个楔形槽中拉着扇形网格通过一样，受到切向压应力和径向拉应力的作用，金属产生径向伸长变形和切向压缩变形形成矩形网格。
（５）经测量获知，底部厚度略有变小（一般忽略不计），筒壁厚度由底部向口部逐渐增厚，如图4-7所示，说明筒壁口部变形程度大，转移金属量多。但因为获得拉深件的厚度平均值与毛坯厚度几乎相等，忽略微小的厚度变化可近似认为拉深前后小单元的面积不变，即A1=A2，说明拉深前后毛坯与工件的表面积相等。
此外，由于毛坯各处的变形程度不同，加工硬化程度也不同，则沿高度方向筒壁各部分的硬度也不同，越到零件口部硬度越高，如图4-7所示。
综上所述，拉深变形时的变形特点为:
（1）位于凸模下面的材料基本不变形，拉深后成为筒底，变形主要集中在位于凹模表面的平面凸缘区（即D-d的环形部分），该区是拉深变形的主要变形区。
（2）变形区的变形不均匀，沿切向受压而缩短，沿径向受拉而伸长，越往口部，压缩和伸长的越多。在口部板料的厚度增加。 - 拉深过程中的应力与应变
通过分析板料在拉深过程中的应力与应变，将有助于拉深工作中工艺问题的解决和保证产品质量。在拉深过程中，材料在不同的部位具有不同的应力状态和应变状态。筒形件是最简单、最典型的拉深件。图4-8是筒形件在有压边圈的首次拉深中某一阶段的应力与应变情况。图中：
，——径向的应力与应变；
，——厚度方向的应力与应变；
，——切向的应力与应变。
图4-8 拉深过程中的应力与应变状态
根据应力与应变状态的不同，可将拉深毛坯划分为五个区域：Ⅰ区为凸缘部分，是拉深工艺的主要变形区；Ⅱ区为凹模圆角部分，是一个过渡区域；Ⅲ区为筒壁部分，起传递力的作用；Ⅳ区为凸模圆角部分，也是一个过渡区域；Ⅴ区是筒形件的底部，可认为没有塑性变形。
在筒壁与底部转角处稍上的地方，由于传递拉深力的截面积较小，因此产生的拉应力 较大。同时，在该处所需要转移的材料较少，故该处材料的变形程度很小，加工硬化较低，材料的强度也就较低。而与凸模圆角部分相比，该处又不像凸模圆角处那样存在较大的摩擦阻力。因此在拉深过程中，在筒壁与底部转角处稍上的地方变薄便最为严重，成为整个零件强度最薄弱的地方，通常称此断面为“危险断面”。若危险断面上的应力 超过材料的强度极限，则拉深件将在该处拉裂。或者即使没有拉裂，但由于应力过大，材料在该处变薄过于严重，以致超差而使工件报废。
从上述分析可知，拉深时的主要质量问题是平面凸缘区的起皱和“危险断面”的拉裂。
3.拉深过程中的起皱与破裂
（1）起皱
在拉深时，由于凸缘材料存在着切向压缩应力 ，当这个压应力大到一定程度时板料切向将因失稳而拱起，这种在凸缘四周沿切向产生波浪形的连续弯曲称为起皱，如图4-9(a)所示。当拉深件产生起皱后，轻者凸缘变形区材料仍能被拉进凹模，但会使工件口部产生波纹, 如图4-9(b)所示，影响工件的质量。起皱严重时，由于起皱后的凸缘材料不能通过凸、凹模间隙而使拉深件拉裂,如图4-7(c)所示。起皱是拉深中产生废品的主要原因之一。
拉深时是否起皱与 大小有关，也与毛坯的相对厚度t/D有关，而 与拉深的变形程度有关。当每次拉深的变形程度较大而毛坯的相对厚度t/D较小时就会起皱。防止起皱最有效的措施（也是生产中最常用的）是采用压边圈。当然减小拉深变形程度，加大毛坯厚度也可以降低起皱倾向。
（2）破裂
起皱并不表示板料变形到达了极限，因为通过加压边圈等措施后变形程度仍然可以提高。随着变形程度的提高变形力也相应地增大，当变形力大于危险断面的承载能力时拉深件则被拉破,如图4-10所示，因此危险断面的承载能力是决定拉深能否顺利进行的关键。
拉深时危险断面是否被拉破，取决于材料的性能、变形程度的大小、模具的圆角半径、润滑条件等。生产实际中通常选用硬化指数大、屈强比小的材料进行拉深，采用适当增大拉深凸、凹模圆角半径，增加拉深次数，改善润滑等措施来避免拉裂的产生。
（3）硬化
拉深过程是一个毛坯发生塑性变形的过程，必然伴随有加工硬化发生，所以拉深后获得的工件相较于毛坯，硬度和强度有所增加，塑性和韧性有所下降。通过网格试验，可知拉深过程中各个区域的毛坯变形是不均匀，由底部的小变形区向筒口凸缘的主要变形区过渡，因而拉深后变形材料的性能也是不均匀的，拉深件硬度的分布由底部向口部是逐渐增加的（见图 4-7），而且在凸模圆角附近出现了加工硬化最不充足的危险断面。这恰好与工艺要求相反，从工艺角度看，为防止拉深过程中出现拉裂现象，拉深件底部硬化要大，而口部硬化要小。
拉深件由于产生了加工硬化其强度和刚度高于毛坯材料，是有利于提高拉深件的使用寿命的。但在设计多次拉深时，拉深件塑性降低又使半成品毛坯进一步拉深时变形困难，所以应正确选择各次的变形程度，并考虑半成品件是否需要退火以恢复其塑性。特别是对一些硬化能力强的金属（不锈钢、耐热钢等）更应注意，例如不锈钢1Cr18Ni9Ti在塑性变形中对冷作硬化非常敏感，发生了很小程度的变形，就会使其硬度和强度增加的很明显，所以往往不能选择此种类型的毛坯进行多次拉深。
（４）突耳
筒形件拉深时，在拉深件口端出现有规律的高低不平的现象叫突耳。产生突耳的原因是板材的各向异性，在板
你们厂里是怎么处理的？来评论区聊聊。
- 拉深变形过程及特点