1拉深工艺基础Word格式文档下载.docx
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因此本模块的学习更强调发挥学生学习的主观能动性,在老师讲述完拉深变形过程及拉深成形要点之后,鼓励学生自己总结提出对拉深件的工艺要求。
在小组共同完成项目的过程中,对知识点进行梳理总结,巩固加深。
教学内容分析:
本模块属于拉深成型的第一部分知识内容,主要介绍拉深变形过程,拉深成形要点,以及指导学生对拉深件的工艺性进行分析。
就坯料在拉深过程中的塑性变形过程来说,主要通过坯料的塑性流动转移来说明,总结拉深变形的特点;
拉深件在受拉深过程中每个部分的应力应变状态有所不同,可将拉深坯料分为五个部分分别描述,为提出拉深件常见的质量问题和控制方法做铺垫。
课堂上需注意结合学生的接受能力调整教学内容,做到深浅适中,保证学生对教学内容的掌握水平。
由于该部分介绍基础原理知识,学生学习起来难免觉得枯燥无味,因此课程设计中需要考虑到如何调动学生的学习积极性,得到较好的教学效果。
教学目标分析:
采用项目式教学的突出优点就是以完成任务的形式引导学生学习知识,掌握知识,并转化为自身能力解决问题,完成项目任务。
本教学单元的主要任务是要求学生理解拉深变形过程,掌握拉深成型要点,对拉深件进行工艺性分析。
在冲裁和弯曲两个教学单元中,学生已经能够较好完成项目任务;
在本教学单元中,注重提高学生的自主能动性,项目实施过程中以辅导形式为主。
项目案例
工件名称:
金属保护筒
生产批量:
大批量
材料:
08钢
材料厚度:
2mm
项目任务:
1.试分析右图中的金属保护筒需要哪几步工序
完成?
2.试分析该制件的拉深变形过程?
3.预测制件拉深过程中可能发生的质量问题
以及影响因素。
4.对金属保护筒的工艺性进行分析?
5.提出拉深过程中需要的辅助工序?
图4-1金属保护筒
案例分析
1.分析图示拉深件的成型过程?
2.分析图示拉深件在拉深过程中坯料内的应力应变状态?
3.分析拉深过程中可能产生的质量问题及控制方式?
4.分析图示金属保护筒的冲裁工艺性?
教学过程
时间分配
教学环节及内容要点
教师活动
学生活动
一、项目导入(10分钟)
图中所示金属保护筒,要求大批量生产,采用冲压方式成型,需要经过几个工序?
这几个工序分别是什么?
拉深件在成型过程中可能会发生哪些质量问题,为了避免产生这些质量问题,对拉深件提出哪些工艺要求?
拉深过程中可采用哪些方法来尽可能避免产生质量问题?
在分析以上问题之前,我们需要了解拉深变形过程及拉深过程中坯料所受的应力应变状态。
知识讲解(90分钟)
4.1拉深工艺基础
拉深:
利用拉深模将一定形状的平面坯料或空心件制成开口空心件的冲压工序,又称拉延。
通过拉深可以制成圆筒形﹑球形﹑锥形﹑盒形﹑阶梯形﹑带凸缘的和其他复杂形状的空心件。
汽车车身﹑油箱﹑盆﹑杯和锅炉封头等都是常见的拉深件。
拉深设备主要是机械压力机。
拉深件的种类很多,按变形力学特点可以分为四种基本类型,如图4-1所示。
图4-2
拉深件示意图
4.1.1
拉深变形分析
1.拉深变形过程及特点
图4-2所示为圆筒形件的拉深过程。
直径为D、厚度为t的圆形毛坯经过拉深模拉深,得到具有外径为d、高度为h的开口圆筒形工件。
图4-3
圆筒形件的拉深图4-4拉深时材料的转移
若将图4-3中毛坯的三角形阴影部分材料去掉,然后沿直径为d的圆周折弯,并在缝隙处加以焊接,就可以得到直径为h,高度为h=(D-d)/2,周边带有焊缝的开口圆筒形件。
但圆形平板毛坯在拉深成形过程中并没有去除图示中三角形多余的材料,因此只能认为三角形多余的材料是在模具的作用下产生了流动。
为了了解材料是怎样流动的,可以从图4-4所示的网格试验,来说明这一问题。
即拉深前,在毛坯上画作出距离为a的等距离的同心圆与相同弧度b辐射线组成的网格(图4-4),然后将带有网格的毛坯进行拉深。
通过比较拉深前后网格的变化情况,来了解材料的流动情况。
我们发现,拉深后筒底部的网格变化不明显;
而侧壁上的网格变化很大,拉深前等距离的同心圆拉深后变成了与筒底平行的不等距离的水平圆周线,愈靠近口部圆周线的间距愈大,即:
a1>
a2>
a3>
…>
a;
原来分度相等的辐射线拉深后变成了相互平行且垂直于底部的平行线,其间距也完全相等,b1=b2=b3=…=b。
原来形状为扇形网格dA1,拉深后在工件的侧壁变成了矩形网格dA2,离底部越远矩形的高度越大。
测量此时工件的高度,发现筒壁高度大于(D—d)/2。
图4-5拉深件的网格实验
这说明材料沿高度方向产生了塑性流动:
1.在拉深过程中,坯料的中心部分成为筒形件的底部,基本不变形,是不变形区,坯料的凸缘部分(即D-d的环形部分)是主要变形区。
拉深过程实质上就是将坯料的凸缘部分材料逐渐转移到筒壁的过程。
2.在转移过程中,凸缘部分材料由于拉深力的作用,径向产生拉应力
,切向产生压应力
。
在
和
的共同作用下,凸缘部分金属材料产生塑性变形,其“多余的三角形”材料沿径向伸长,切向压缩,且不断被拉入凹模中变为筒壁,成为圆筒形开口空心件。
3.圆筒形件拉深的变形程度,通常以筒形件直径d与坯料直径D的比值来表示,即
m=d/D
(4-1)
其中m称为拉深系数,m越小,拉深变形程度越大;
相反,m越大,拉深变形程度就越小。
2
.拉深过程中坯料内的应力与应变状态
拉深过程是一个复杂的塑性变形过程,其变形区比较大,金属流动大,拉深过程中容易发生凸缘变形区的起皱和传力区的拉裂而使工件报废。
因此,有必要分析拉深时的应力、应变状态,从而找出产生起皱、拉裂的根本原因,在设计模具和制订冲压工艺时引起注意,以提高拉深件的质量。
根据应力应变的状态不同,可将拉深坯料划分为凸缘平面区、凸缘圆角区、筒壁区、筒底圆角区、筒底区等五个区域。
1.凸缘平面部分(A区)
这是拉深的主要变形区,材料在径向拉应力
和切向压应力
的共同作用下产生切向压缩与径向伸长变形而被逐渐拉人凹模。
在厚度方向,由于压料圈的作用,产生了压应力
,但通常
的绝对值比
大得多。
厚度方向的变形决定于径向拉应力
之间的比例关系,一般板料厚度有所增厚,越接近外缘,增厚越多。
如果不压料(
=0),或压料力较小(
小),这时板料增厚比较大。
当拉深变形程度较大,板料又比较薄时,则在坯料的凸缘部分,特别是外缘部分,在切向压应力
作用下可能失稳而拱起,形成所谓起皱。
图4-6
拉深过程的应力与应变状态
2.凸缘圆角部分(B区)
这是位于凹模圆角部分的材料,径向受拉应力
而伸长,切向受压应力
而压缩,厚度方向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
不大,而径向拉应力
最大,且凹模圆角越小,由弯曲引起的拉应力越大,板料厚度有所减薄,所以有可能出现破裂。
3.筒壁部分(C区)
这部分材料已经形成筒形,材料不再发生大的变形。
但是,在拉深过程中,凸模的拉深力要经由筒壁传递到凸缘区,因此它承受单向拉应力σ1的作用,发生少量的纵向伸长变形和厚度减薄。
4.底部圆角部分(D区)
这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
和切向拉应力
的作用,并且受到凸模圆角的压力和弯曲作用,因而这部分材料变薄最严重,尤其与侧壁相切的部位,所以此处最容易出现拉裂,是拉深的“危险断面”。
5.筒底部分(E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面形状。
它受切向和径向的双向拉应力作用,变形是双向拉伸变形,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,基本上不产生塑性变形或者只产生不大的塑性变形。
上述筒壁区、底部圆角区和筒底区这三个部分的主要作用是传递拉深力,即把凸模的作用力传递到变形区凸缘部分,使之产生足以引起拉深变形的经向拉应力σ1,因而又叫传力区。
3.拉深件的主要质量问题及控制
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。
(1)起皱
拉深时坯料凸缘区出现波纹状的皱折称为起皱。
起皱是一种受压失稳现象。
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(t为料厚,D为坯料)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4-6a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4-6b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4-6c所示。
图4-7拉深件的起皱破坏
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。
②拉深系数m
根据拉深系数的定义m=d/D可知,拉深系数m越小,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。
另一方面,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。
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,拉深高度很小的浅拉深件时,即属于这一种情况。
这说明,在上述两个主要影响因素中,拉深系数的影响显得更为重要。
③拉深模工作部分的几何形状与参数
凸模和凹模圆角及凸、凹模之间的间隙过大时,则坯料容易起皱。
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4-7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(图4-7b)比平面形状具有更大的抗压失稳能力。
而且,凹模圆角处对坯料造成的摩擦阻力和弯曲变形的阻力都减到了最低限度,凹模锥面对坯料变形区的作用力也有助于使它产生切向压缩变形,因此,其拉深力比平端面凸模要小得多,拉深系数可以大为减小。
图4-8
锥形凹模的拉深
3)控制起皱的措施
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,使坯料凸缘区夹在凹模平面与压料圈之间通过,如图4-8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。
判断要否采用压料装置可查表确定。
图4-9
带压料圈的模具结构
(2)拉裂
1)拉裂产生的原因
在拉深过程中,由于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变薄最严重(见图4-9)。
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(见图4-6c)。
图4-10
拉深件的拉裂破坏
2)控制拉裂的措施
生产实际中常用适当加大凸、凹模圆角半径、降低拉深力、增加拉深次数、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。
4.1.2拉深件的工艺性
1
.拉深件的形状、尺寸及精度
(1)拉深件的形状与尺寸
1)拉深件应尽量简单、对称,并能一次拉深成形。
2)拉深件壁厚公差或变薄量要求一般不应超出拉深工艺壁厚变化规律。
根据统计,不变薄拉深工艺的筒壁最大增厚量约为(0.2~0.3)t,最大变薄量约为(0.1~0.18)t(t为板料厚度)。
3)当零件一次拉深的变形程度过大时,为避免拉裂,需采用多次拉深,这时在保证必要的表面质量前提下,应允许内、外表面存在拉深过程中可能产生的痕迹。
4)在保证装配要求的前提下,应允许拉深件侧壁有一定的斜度。
5)拉深件的底部或凸缘上有孔时,孔边到侧壁的距离应满足a≥R+0.5t(或r+0.5t),如图4-10a所示。
6)拉深件的底与壁、凸缘与壁、矩形件的四角等处的圆角半径应满足:
r≥t,R≥2t,rg≥3t,如图4-10所示。
否则,应增加整形工序。
一次整形的,圆角半径可取r≥(0.1~0.3)t,R≥(0.1~0.3)t。
图4-11
拉深件的孔边距及圆角半径
7)拉深件的径向尺寸应只标注外形尺寸或内形尺寸,而不能同时标注内、外形尺寸。
带台阶的拉深件,其高度方向的尺寸标注一般应以拉深件底部为基准,如图4-11a所示。
若以上部为基准(图4-11b),高度尺寸不易保证。
图4-12
带台阶拉深件的尺寸标注
(2)拉深件的精度
一般情况下,拉深件的尺寸精度应在IT13级以下,不宜高于IT11级。
对于精度要求高的拉深件,应在拉深后增加整形工序,以提高其精度。
由于材料各向异性的影响,拉深件的口部或凸缘外缘一般是不整齐的,出现“突耳”现象,需要增加切边工序。
2.拉深件的材料
用于拉深件的材料,要求具有较好的塑性,屈强比σs/σb小、板厚方向性系数r大,板平面方向性系数∆r小。
屈强比σs/σb值越小,一次拉深允许的极限变形程度越大,拉深的性能越好。
例如,低碳钢的屈强比σs/σb≈0.57,其一次拉深的最小拉深系数为m=0.48~0.50;
65Mn钢的σs/σb≈0.63,其一次拉深的最小拉深系数为m=0.68~0.70。
所以有关材料标准规定,作为拉深用的钢板,其屈强比不大于0.66。
板厚方向性系数r和板平面方向性系数∆r反映了材料的各向异性性能。
当r较大或∆r较小时,材料宽度的变形比厚度方向的变形容易,板平面方向性能差异较小,拉深过程中材料不易变薄或拉裂,因而有利于拉深成形。
拓展知识:
4.1.3拉深的辅助工序
拉深坯料或工序件的热处理、酸洗和润滑等辅助工序,是为了保证拉深工艺过程的顺利进行,提高拉深零件的尺寸精度和表面质量,提高模具的使用寿命。
拉深过程中必要的辅助工序是拉深乃至其它冲压工艺过程不可缺少的工序。
拉深工艺中的辅助工序较多,可分为:
①拉深工序前的辅助工序,如毛坯的软化退火、清洗、喷漆、润滑等;
②拉深工序间的辅助工序,如半成品的软化退火、清洗、修边和润滑等;
③拉深后的辅助工序,如切边、消除应力退火、清洗、去毛刺、表面处理、检验等。
现将主要的辅助工序简介如下:
1.润滑
润滑在拉深工艺中,主要是改善变形毛坯与模具相对运动时的摩擦阻力,同时也有一定的冷却作用。
润滑的目的是降低拉深力、提高拉深毛坯的变形程度,提高产品的表面质量和延长模具寿等。
拉深中,必须根据不同的要求选择润滑剂的配方和选择正确的润滑方法。
如润滑剂(油),一般只能涂抹在凹模的工作面及压边圈表面。
也可以涂抹在拉深毛坯与凹模接触的平面上,而在凸模表面或与凸模接触的毛坯表面切忌涂润滑剂(油)等。
常用的润滑剂见有关冲压设计资料。
还须注意,当拉深应力较大且接近材料的强度极限
时,应采用含量不少于20%的粉状填料的润滑剂,以防止润滑液在拉深中被高压挤掉而失去润滑效果。
也可以采用磷酸盐表面处理后再涂润滑剂。
2.退火
拉深工艺中的热处理是指落料毛坯的软化处理、拉深工序间半成品的退火及拉深后零件的消除应力的热处理。
毛坯材料的软化处理是为了降低硬度,提高塑性,提高拉深变形程度,使拉深系数m减小,提高板料的冲压成形性能。
拉深工序间半成品的热处理退火,是为了消除拉深变形的加工硬化,恢复加工后材料的塑性,以保证后续拉深工序的顺利实现。
对某些金属材料(如不锈钢、高温合金及黄铜等)拉深成形的零件,拉深后在规定时间内的热处理,目的是消除变形后的残余应力,防止零件在存放(或工作)中的变形和蚀裂等现象。
中间工序的热处理方法主要有两种:
低温退火和高温退火(参见有关材料的热处理规范参看有关手册)。
拉深工序间的热处理,一般是使用在高硬化金属(如不锈钢、高温合金、杜拉等),是在拉深一、二次工序后,必须进行中间退火工序,否则后续拉深无法进行。
不进行中间退火工序能连续完成拉深次数的材料,可参见表4-11。
表4-1不需热处理能拉深的次数
材料
次数
08、10、15钢
3~4
铝
4~5
黄铜H68
2~4
不锈钢
1~2
镁合金
1
钛合金
3.酸洗
酸洗用于拉深前对热处理后的平板毛坯和中间退火工序后的半成品及拉深后的零件进行清洗的工序,目的在于清除拉深零件表面的氧化皮、残留润滑剂及污物等。
一般在对零件酸洗前,应先用苏打水去油,酸洗后还需要进行仔细的表面洗涤,以便将残留于零件表面上的酸洗掉。
其办法是,先在流动的冷水中清洗,然后放在60~80℃的弱碱液中中和,最后用热水洗涤再干燥。
有关酸洗溶液配方见冲压设计资料。
二、分组讨论(15分钟)
四、项目实施(60分钟)
1.试分析右图中的金属保护筒需要哪几
步工序完成?
3.预测制件拉深过程中可能发生的质量问
题以及影响因素。
解答:
1.零件的生产包括落料、拉深(需计算确定拉深次数)、切边等工序,为了提高生产效率,可以考虑工序的复合。
2.拉深过程中,圆形坯料的底部基本不发生变形,凸缘部位受径向拉应力和切向压应力的共同作用发生塑性变形成为筒壁。
3.拉深过程中常见的质量问题有起皱和拉裂。
起皱的主要影响因素有:
坯料的相对厚度t/D、拉深系数m、拉深模工作部分的几何形状与参数;
防止起皱最常用的方法是采用压料装置。
拉裂的控制措施有:
适当加大凸、凹模的圆角半径、降低拉深力、增加拉深次数、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。
4.零件工艺性分析
Ⅰ.材料分析:
08钢为优质碳素结构钢,属于深拉深级别钢,具有良好的拉深成形性能。
Ⅱ.结构分析:
零件为一无凸缘筒形件,结构简单,底部圆角半径为R3,满足筒形拉深件底部圆角半径大于一倍料厚的要求,因此,零件具有良好的结构工艺性。
Ⅲ.精度分析:
零件上尺寸均为未注公差尺寸,普通拉深即可达到零件的精度要求。
综合分析,此保护筒零件可以采用拉深成型加工方式进行生产。
五、师生项目评价(5分钟)
项目介绍
讲解
辅导
对项目进行点评
提出并讨论项目实施过程中问题
讨论训练
提出讨论项目实施过程中问题
项目评价
项目内容
要求
评定(3、2、1、0)
自评
组评
师评
拉深变形分析
了解拉深变形过程及拉深过程中坯料所受的应力应变状态
拉深件的主要质量问题及控制
掌握拉深件常见的质量问题及控制方法
拉深件的工艺性
掌握拉深件工艺性分析要点
拉深辅助工序
了解常用的拉深辅助工序及其作用
分组讨论
锻炼学生分析问题的思路及解决问题的能力
项目完成质量
独立完成项目案例
意见与反馈
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