第 4 章 拉 深

2. 第4章 拉 深 • 拉深(又称拉伸、拉延、压延、引伸等)：它是将一定形状的平板毛坯冲压成各种开口空心件，或以开口空心件为毛坯，减小直径，增大高度的一种冲压加工方法。 • 拉深的特点： • 生产率高，材料利用率高；具有一定的尺寸精度和较低的表面粗糙度。能够制造小到几毫米（如空心铆钉），大到几米（如汽车覆盖件）的拉深件和其它加工方法不易成形的薄壁且复杂的制件；在机械、电子、电器、仪表、汽车、航空、军工产品和人民日常生活用品的生产中占有很重要的地位。

3. 第4章 拉 深 • 拉深件的形状： • 可分为旋转体件拉深、盒形件拉深和复杂形状件拉深等三类。其中，旋转体拉深件又可分为无凸缘圆筒形件、带凸缘圆筒形件、半球形件、锥形件、抛物线形件、阶梯形件和复杂旋转体拉深件等。 • 拉深的变形方法： • 拉深工艺可分为不变薄拉深和变薄拉深。不变薄拉深通过减小毛坯或半成品的直径来增加拉深件高度，拉深过程中材料厚度的变化很小，可以近似认为拉深件壁厚等于毛坯厚度。变薄拉深是以开口空心件为毛坯，通过减小壁厚的方式来增加拉深件高度，拉深过程中筒壁厚度有显著变薄。 • 本章主要讨论圆筒形拉深件的不变薄拉深。

4. 图4-1 拉深工艺过程 1-凸模 2-压边圈 3-毛坯 4-凹模 5-拉深件 6-平面凸缘部分 7-凸缘圆角部分 8-筒壁部分 9-底部圆角部分 10-筒底部分 4.1 拉深变形分析 4.1.1 拉深变形过程 • 1、无凸缘圆筒形件的拉深过程。如图4-1所示

5. 4.1 拉深变形分析 • 2、无凸缘圆筒形件拉深的变形过程。 通过网络实验可以直观地观察、分析材料在拉深时的变形情况。 在圆形毛坯的表面上画上许多间距都等于a的同心圆和分度相等的辐射线，如图4-2（a）所示 图4-2 拉深网络试验 该毛坯拉深成无凸缘圆筒形件后网格的变化情况如图4-2（b）所示。 单元网格的变形情况为切向产生压缩变形，径向产生拉伸变形，故矩形单元网格的高度ai大于同心圆的间距a。越靠近筒壁的口部，矩形网格的高度越高，即a5>a4>a3>a2>a1>a，表明越靠近口部的筒壁材料在拉深时的变形程度越大。如图4-2（c）所示。

6. 图4-3 拉深时坯料的应力、应变状态 4.1 拉深变形分析 4.1.2 拉深变形过程中坯料的应力、应变状态 • 在拉深过程中，坯料可分为平面凸缘部分、凸缘圆角部分、筒壁部分、底部圆角部分、筒底部分等五个区域，如图4-1（b）所示。各部分材料在拉深过程中具有不同的应力应变状态，如图4-3所示。

7. 4.1 拉深变形分析 1．平面凸缘部分 • 平面凸缘部分为拉深时的主要变形区。材料产生径向拉应力s1。同时，材料在切向产生压缩变形，相邻材料之间由于相互挤压而产生切向压应力s3。当使用压边装置时，压边力使平面凸缘部分材料产生厚向压应力s2。 • 由于平面凸缘部分材料在拉深时径向拉长，切向缩短，分别产生径向拉应变e1和切向压应变e3。其中，切向压应变e3的绝对值大于径向拉应变e1，故根据体积不变原则，材料将产生厚向拉应变e2，厚度增加。 2．筒壁部分 • 筒壁部分为已变形区。在拉深过程中，该部分材料起到向变形区传递拉深力的作用，因而也称为传力区。筒壁部分在拉深时可近似认为受单向拉应力s1作用，应变状态为轴向产生拉应变e1，厚向产生压应变e3，厚度减薄。

8. 4.1 拉深变形分析 3．筒底部分 • 筒底部分为非变形区。该部分材料在拉深时受双向拉应力s1、s2作用，径向产生拉应变e1、e2，材料厚度将变薄，但变薄量很小，一般只有1~3%。 4．凸缘圆角部分 • 凸缘圆角部分为平面凸缘部分和筒壁部分的过渡区。材料在流经凸缘圆角部分时，除了有径向拉应力s1和切向压应力s3外，还有因承受凹模圆角的压力而产生的厚向压应力s2。其中，径向拉应力s1的绝对值最大，故径向拉应变e1的绝对值也最大，切向压应变e3和厚向压应变e2的量值较小。

9. 4.1 拉深变形分析 5．底部圆角部分 • 底部圆角部分为筒壁部分和筒底部分之间的过渡区，常称为第二过渡区。筒底部分材料主要受拉深力引起的径向拉应力s1，以及凸模的压力和材料的弯曲作用产生的厚向压应力s3。切向有拉应力s2，但量值较小。材料在径向产生拉应变e1，厚向产生压应变e2，厚度变薄。切向压应变e2很小，可忽略不计。

10. 4.1 拉深变形分析 4.1.3 拉深的变形特点 • 拉深时各部分材料的应力、应变状态有很大的差异，变形程度也各不相同。平面凸缘部分材料经拉深转化为筒壁时，变形程度很不一致，靠近口部的材料变形程度大，靠近底部的材料变形程度小。如图4-4所示。

11. 4.1 拉深变形分析 4.1.4 拉深工序的主要工艺问题 1．平面凸缘部分的起皱 • 平面凸缘部分的起皱是指在拉深过程中，该部分材料沿切向产生波浪形的拱起。起皱现象轻微时，材料在流入凸、凹模间隙时能被凸、凹模挤平。起皱现象严重时，起皱的材料无法被凸、凹模挤平，继续拉深时将因拉深力的急剧增加导致危险端面破裂，即使被强行拉入凸、凹模间隙，也会在拉深件筒壁留下折皱纹或沟痕，影响拉深件的外观质量。 • 起皱是平面凸缘部分材料在拉深时受切向压应力的作用而失去稳定性的结果。拉深时是否产生起皱与变形程度和拉深力的大小、材料的厚度和厚向异性指数、压边条件等因素有关。变形程度越大，则拉深力越大，起皱就越容易产生。材料的相对厚度（t/D）×100越大，表示材料的稳定性越好，起皱就越不容易产生。材料厚向异性指数r如大于1，则表明材料向宽度方向的变形比向厚度方向变形更容易，拉深时就不易产生起皱。r值越大，起皱的可能性越小。在拉深模上设计压边装置，拉深时对平面凸缘部分材料施加压边力，能够有效地防止起皱。

12. 图4-5 危险断面拉裂 4.1 拉深变形分析 2．筒壁危险断面的拉裂 • 筒壁部分在拉深过程中起到传递拉深力的作用，可近似认为受单向拉应力作用。当拉深力过大，筒壁材料的应力达到抗拉强度极限时，筒壁将被拉裂。由于在筒壁部分与底部圆角部分的交界面附近材料的厚度最薄，硬度最低，因而该处是发生拉裂的危险断面，拉深件的拉裂一般都发生在危险断面，如图4-5所示。

13. 4.2 拉深件的工艺性 拉深件在保证使用要求的前提下，应满足拉深的工艺要求，以便于保证拉深件的质量，减少拉深次数和模具数量，提高生产率。 一、拉深件材料 • 拉深件的材料应具有良好的拉深性能。 • 材料的硬化指数n值越大，径向比例应力s1/ sb（径向拉应力s1与强度极限sb的比值）的峰值越低，则传力区越不易拉裂，拉深性能越好。 • 材料的屈强比s s / s b越小，则一次拉深允许的极限变形程度越大，拉深性能越好。例如，低碳钢的屈强比s s / s b≈0.57，其一次拉深允许的最小拉深系数为m = 0.48 ~ 0.50；65Mn的屈强比s s / s b ≈ 0.63，其一次拉深允许的最小拉深系数为m = 0.68 ~ 0.70。用于拉深的钢板，其屈强比不宜大于0.66。 • 材料的厚向异性指标r>1时，说明材料在宽度方向上的变形比厚度方向上的变形容易，在拉深过程中不易变薄和拉裂。r值越大，表明材料的拉深性能越好。

14. 图4-6 拉深件圆角半径 4.2 拉深件的工艺性 二、拉深件的形状和尺寸 • 拉深件的形状应力求简单、对称，口部应允许稍有回弹，侧壁应允许有工艺斜度。筒壁部分的壁厚一般都有上厚下薄的现象，如不允许，则应注明，以便采取后续措施。 • 拉深件的圆角半径如图4-6所示。 • 底部的圆角半径应取rpg≥t 。为使拉深变形能顺利进行，常取rpg =（3~5）t。当rpg<t时，应先以较大的圆角半径拉深，然后增加整形工序逐渐缩小圆角半径。 • 凸缘圆角半径应满足r d f ≥ 2 t，一般取r d f =（4 ~ 8）t。当rdf< 2 t或rdf< 0.5mm时，也应增加整形工序。 • 矩形拉深件直壁之间的转角半径应取rpy≥3t。为了减少拉深次数，尽可能使rpy≥0.2H。

15. 4.2 拉深件的工艺性 三、拉深件的精度 • 横断面尺寸的精度一般要求在IT13级以下。如高于IT13级，应在拉深后增加整形工序或用机械加工方法提高精度。