拉深件的應力應變狀態(tài)分析

摘 要：拉深件的應力應變狀態(tài)十分復雜，由于拉深件的壁厚很不均勻，致使拉深件凸緣區(qū)在切向壓應力作用下極易起皺，筒壁上的危險斷面也很容易被拉裂。如何解決起皺和拉裂問題，是拉深成形能否順利完成的關鍵。起皺主要是由于凸緣的切向壓應力超過了材料臨界切向壓應力所引起的，在拉深過程中，凸緣變形區(qū)在不斷縮小，其厚度在不斷增加，這兩個因素對起皺都會產(chǎn)生影響；常見的防皺措施是采用便于調節(jié)壓邊力的壓邊圈，把凸緣緊壓在凹模表面上。防止拉裂的根本措施是減小拉深力和提高筒壁材料的強度，在設計拉深模時，首先應控制材料的變形程度，然后再采取其它各種措施防止危險斷面的拉裂。

關鍵詞：拉深成形；應力應變；起皺；拉裂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.023

拉深也叫拉延，是利用拉深模具將平板毛坯塑性成形為各種開口的空心零件的一種沖壓加工方法。在生產(chǎn)實際中，用拉深方法可以制成筒形、矩形、錐形、階梯形、球面形和其它不規(guī)則形狀的薄壁零件。如果與其它沖壓工藝配合，還可制造形狀更為復雜的零件。在拉深變形過程中，隨著凸模的不斷下行，留在凹模端面上的毛坯外徑不斷縮小，圓形毛坯逐漸被拉進凸、凹模之間的間隙中形成直壁，當板料全部進入凸、凹模間的間隙時，拉深過程結束。拉深件可加工的尺寸范圍很大，因此在工業(yè)領域和日用品加工中得到了廣泛應用。本文針對實際生產(chǎn)中的典型零件，基于塑性成形的基本理論，探討拉深過程中應力應變變化的內在規(guī)律，為實際生產(chǎn)中殼罩類零件拉深工藝的設計提供參考和借鑒。

1 拉深成形

拉深與沖裁的主要區(qū)別是：拉深模的凸模和凹模均有較大的圓角半徑，凸、凹模之間的間隙也較大，其間隙值一般大于板厚t。拉深是沖壓工藝中很重要的一種成形工序，應用很廣。如汽車、拖拉機的一些罩件、殼件、覆蓋件等，航空噴氣發(fā)動機上的許多零件以及儀表、電器上的許多殼體件，還有很多日用品等都是采用拉深制成的。拉深件的種類很多，大體可以劃分為旋轉體（軸對稱）類零件、矩形（盒形）類零件、復雜形狀零件等三類。

2 拉深變形過程

拉深過程如圖1所示。在凸模的作用下，原始直徑為D的毛坯被拉進凸、凹模之間的間隙里而形成圓筒的直壁。工件上高度為h的直壁部分是由毛坯的外形（外徑為D，內徑為d）部分轉變而成的，所以，拉深時毛坯的外部環(huán)形部分是變形區(qū)；底部一般不參加變形，稱為不變形區(qū)；被拉入凸、凹模之間的直壁部分已經(jīng)完成了變形，稱為傳力區(qū)[1]。

在拉深成形階段，凹模平面上的各單元體毛坯在圓周方向（切向）的長度，隨凸模的下行而不斷縮短，而毛坯的徑向（同心圓間距）長度不斷增長，直至單元體全部被拉入凹模型孔內。

圓形的平板毛坯究竟是怎樣變成圓筒形工件的？如果將平板毛坯的三角形陰影部分b1、b2、b3、…切去，留下、、、…這樣的一些狹條，然后將這些狹條沿直徑為d的圓周彎折過來，再把它們加以焊接，就可以成為一個圓筒形工件了。這個圓筒形工件的直徑d可按需要裁取，而其高度為。

但是，在實際拉深過程中，我們并沒有將陰影部分的三角形材料切掉，這部分材料是在拉深過程中由于產(chǎn)生塑性流動而轉移了。這部分被轉移的三角形材料，我們通常稱之為“多余三角形”。這部分“多余三角形”材料的轉移，一方面要增加工件的高度△h，使得，另一方面要增加工件的壁部厚度。

3 拉深件各部分的應力應變狀態(tài)分析

在實際生產(chǎn)中，我們發(fā)現(xiàn)拉深件各部分的厚度是不一致的。一般是底部略有變薄，但基本上等于原毛坯的厚度；壁部上段增厚，愈靠近上緣壁部增厚愈明顯；壁部的下段變薄，愈靠下部變薄愈多；由壁部向底部轉角的稍上處，則出現(xiàn)嚴重變薄，甚至斷裂。另外，沿高度方向，零件各部分的硬度也不一樣，愈到上緣硬度愈高。這說明，在拉深過程中的不同時刻，毛坯內各部分由于所處的位置不同，它們的應力應變狀態(tài)是不一樣的。為了更加深刻地認識拉深過程的本質，了解拉深過程中所發(fā)生的各種現(xiàn)象，必須分析拉深過程材料各部分的應力應變狀態(tài)[2]。

3.1 平面凸緣區(qū)為主要變形區(qū)

平面凸緣區(qū)也就是凹模口的凸緣部分即圖中的Ⅰ區(qū)。這是小單元體由扇形變?yōu)榫匦蔚膮^(qū)域，即拉深變形的主要區(qū)域。拉深過程主要在這個區(qū)域內完成。如前所述，這部分材料的徑向受拉應力的作用，切向受壓應力的作用，因而發(fā)生塑性變形，逐漸進入凹模。在厚度方向，由于壓邊圈的作用，產(chǎn)生壓應力。在一般情況下，由于和的絕對值比大得多。“多余三角形”材料的轉移主要是向徑向延展，同時也向毛坯厚度方向流動而增加厚度。這時厚度方向的應變是正值。由于愈到外緣，需要轉移的材料愈多，因此，愈到外緣材料變厚愈大，材料的硬化也愈嚴重[3]。

假若不用壓邊圈，自然=0，這時的要比有壓邊圈時大。而當“多余三角形”較大，板料又較薄時，則在凹模口的凸緣部分，特別是最外緣部分，在切向應力的作用下會失去穩(wěn)定而拱起，即形成所謂“起皺現(xiàn)象”。

3.2 凹模圓角區(qū)為過渡區(qū)

凹模圓角區(qū)指的是凹模圓角部分的區(qū)域，這是一個過渡區(qū)，材料的變形比較復雜，除有與Ⅰ區(qū)相同的特點（即在徑向受拉應力和切向受壓應力的作用）外，厚度方向上還由于承受凹模圓角的壓力和彎曲作用而產(chǎn)生的壓應力。

3.3 筒壁部分為傳力區(qū)

這一部分是由凸緣部分材料變形后轉化而成。這部分材料已經(jīng)形成筒形，材料不再發(fā)生大的變形。但是，在繼續(xù)拉深時，凸模的拉深力要經(jīng)由筒壁傳遞到凸緣部分。因此，它承受單向拉應力的作用，

發(fā)生少量的縱向伸長和變薄。

3.4 凸模圓角區(qū)為過渡區(qū)

這是筒壁和筒底的過渡區(qū)域，它承受徑向和切向拉應力、的作用，同時，在厚度方向由于凸模的壓力和彎曲作用而受壓應力的作用。

在這一區(qū)域中筒壁與底部轉角處稍上的地方，由于傳遞拉深力的截面積最小，因此產(chǎn)生的拉應力最大。同時，因為在該處所需要轉移的材料最少，故該處材料的變形程度最小，冷作硬化最低，材料的屈服極限也就最低。

3.5 圓筒底部為小變形區(qū)

這部分材料處于凸模下面。該區(qū)域直接接受凸模施加的力并將力傳給圓筒壁部，因此該區(qū)域也是傳力區(qū)。此處材料在拉深前后都是平的，不產(chǎn)生大的變形，但由于凸模拉深力的作用（主要作用在凸模圓角部分），材料承受兩向拉應力，厚度略有變薄。

綜上所述，在拉深中經(jīng)常遇到的主要問題是起皺和拉裂。一般情況下，起皺不是主要的，因為只要采用壓邊圈，即增加的作用即可解決。主要的破壞形式是拉裂。但在一定條件下，主次也是會相互轉化的。

4 拉深件質量問題及解決措施

綜上分析可知，拉深變形時的應力與應變十分復雜，拉深件的壁厚也很不均勻。因此，拉深件凸緣區(qū)在切向壓應力作用下將會起皺，筒壁上的危險斷面也有可能被拉裂。如何解決“起皺”和“拉裂”問題，是拉深成形能否順利完成的關鍵。

在進行拉深時，有許多因素會影響到拉深件的質量，嚴重時甚至關系到拉深成形能否順利進行。常見的拉深質量問題有平面凸緣部分的起皺、筒壁危險斷面的拉裂、凸緣或口部邊緣不整齊、筒壁表面拉傷、拉深件的形狀和尺寸誤差等。在這些質量問題中，拉深件平面凸緣部分的起皺和筒壁危險斷面的拉裂是拉深生產(chǎn)中的兩個主要工藝問題。

4.1 起皺及防止措施

起皺是指在拉深過程中，某一部分材料沿切向產(chǎn)生波浪形的拱起。起皺現(xiàn)象輕微時，材料在流入凸、凹模間隙時能被凸、凹模擠平。起皺現(xiàn)象嚴重時，起皺的材料無法被凸、凹模擠平，繼續(xù)拉深時會引起拉深力的急劇增加，導致危險斷面破裂。

在模具設計方面，應注意壓邊圈的位置和形狀，模具表面形狀不要過于復雜。多道工序拉深時，也可采用反拉深防止起皺。

4.2 拉裂及防止措施

筒壁部分在拉深過程中起到傳遞拉深力的作用，可近似認為受單向拉應力的作用。當拉深力過大時，筒壁將被拉斷。由于在筒壁與底部圓角交界處附近材料的厚度最小，硬度最低，因而該處是發(fā)生拉裂的危險斷面，拉深件很容易在此處被拉裂。

防止拉裂的根本措施是減小拉深力和提高筒壁材料的強度。在設計拉深模時，首先應控制材料的變形程度，然后再采取其它各種措施防止危險斷面的拉裂[3]。

為防止拉裂，應注意選用合適的材料進行拉深，材料的硬化指數(shù)越大，屈強比越小，拉深性能越好，越不易拉裂。拉深材料的拉深系數(shù)不能太小，以避免危險斷面處被拉裂；設計模具時，凸、凹模圓角半徑不能太小，以防止材料不易拉入凹模而使制件過早拉斷。

參考文獻：

[1]官英平.筒形件拉深起皺臨界厚度的計算[J].鍛壓技術，2014（06）

：79-81.

[2]柯旭貫.沖壓工藝與模具設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[3]李再參.筒形拉深件的壓邊力有限元分析[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2013（01）：104-106.

作者簡介：楊曉紅（1981-），女，甘肅會寧人，碩士，講師，研究方向：機械制造、材料成型。