深拉101

介绍

什么是深拉

深拉是一种金属成型工艺,用于创建一端封闭且深度大于半径的无缝钣金零件。 深冲零件通过将金属拉入型腔而不是通过在模具上拉伸或变薄来实现其形状,因此原始板材厚度从头到尾基本保持不变。 深拉零件可以通过其深度和平滑的圆角来识别。 示例范围从罐子、罐子、小桶和压缩气瓶到孔眼、水槽和汽车车身面板。

简单的零件可以在一个步骤中绘制成最终形状,而复杂的形状,包括特别深的零件,可能需要多个步骤。 深拉通常与其他技术(例如下料和穿孔)结合使用以创建成品。 在某些情况下,所有步骤都可以使用一次印刷机完成。

深冲的优点

深绘图已经存在了几个世纪,而且是有充分理由的。 该过程准确且可重复,具有许多优点:

  • 无接缝:深拉产生均匀且无缝的形状,减少成品零件中的潜在弱点。
  • 强度:在某些情况下,材料在变形过程中硬化可以增加零件的强度。
  • 均匀性:深冲零件从生产运行开始到结束都具有高度的一致性。
  • 快速循环时间:设置为深拉的压力机可以快速循环,使其成为生产大量零件的非常有效的方法。
  • 减少技术劳动力:拉深可以自动化,显着降低劳动力成本。
  • 低维护:与竞争工艺相比,深拉设置需要的持续维护更少。
  • 更快的组装:深拉可以创建具有封闭端的形状,减少或消除制造或焊接作为辅助过程的需要。

何时使用深拉

深冲最适合延展性金属。 一般来说,任何可以冷轧成薄板的金属都应该具有足够的延展性才能进行深冲,但也可能需要考虑加工硬化或各向异性等材料特性。 合适的材料包括铝合金、黄铜、铜和铜合金、钛、冷轧低碳钢板和一些不锈钢。

深拉的理想形状包括矩形和轴对称结构,如圆柱或半球,但该过程也可以处理更复杂的形状。

根据生产的形状,工具和设置成本可能会有很大差异。 对于简单的形状,成本可能低于其他工艺,但随着复杂性的增加,成本也会增加。 在某些情况下,该成本可能会被深拉的最短停机时间、低维护和产品生命周期内减少的技术劳动力需求所抵消。 可能增加复杂性的因素包括:

  • 零件特征的存在和位置
  • 特征方向
  • 特征突出
  • 零件尺寸和比例,包括材料厚度
深拉不锈钢水槽

工艺注意事项

在设计深冲零件时,应考虑以下因素:

  • 过程
    • 年产量
    • 目标生产率
    • 目标定价
    • 成品零件形状和公差
    • 形成进程和阶段数
  • 材料类型和机械性能
    • 材料等级、热处理条件
    • 可拉伸性:塑性应变比和应变硬化
    • 各向异性
    • 毛坯尺寸、形状和厚度
  • 压力机
    • 多工位或单工位
    • 转移或渐进式
    • 单动或双动
    • 缓冲能力
  • 工装
    • 快速更换工具能力
    • 单动作死亡
    • 双动死
    • 复合模具
    • 渐进式模具
    • 具有转移机制的多个模具

替代流程

在某些情况下,可以使用其他过程来实现类似的结果。 这些过程包括:

  • 液压成型:一种先进的板材和管材成型工艺,它使用液压代替固定冲头来生产不适合深冲的几何形状,包括底切或凸出形状。
  • 旋压:一种适用于某些轴对称零件的工艺,它使旋转毛坯相对于成形的同心旋转心轴变形。 工具成本通常低于深拉,但周期时间更长,设置可能需要更熟练的机器程序员。
  • 制造:对于原型设计或小批量生产,可以通过焊接或其他连接工艺从多张板材生产零件。 在大多数情况下,仅当产量不足以证明专用工具的成本合理时,才适合制造。

深拉工艺

概述

在最基本的形式中,深冲使用冲头将金属板材坯料压入模腔,以生产出与坯料厚度相同的高、光滑、封闭的零件。 为促进金属流动,冲头和冲头的引入口必须成圆角,冲头的直径必须在材料可接受的尺寸范围内,并且冲头和冲头之间的间隙必须仔细调节。 间隙太大,零件会起皱。 太少,零件会撕裂。 许多深拉设置添加了一个压边和压力垫,以最大限度地减少缺陷并允许进行更深的拉深。

深拉设置

压边板是一块平面或异形板,其中心有一个用于冲头的开口。 在拉伸过程中,压边机施加压力以保持坯料与模具面接触。 这种压力有助于抵消金属板因在模腔导入半径周围形成的压缩环向应力而产生的褶皱倾向。 所需的压边力随材料厚度而变化。 厚径比为 0.03 或更大的厚坯料几乎不需要或不需要压边力,而薄坯料可能需要多达 30% 的拉伸载荷。

在某些情况下,还需要施加缓冲力以将坯料靠在冲头的前端,以防止变薄或撕裂。 在拉伸过程中,压力垫推压坯料,使其与冲头的鼻子保持接触。 这有助于抵消钣金件由于毛坯环绕冲头鼻部的拉伸应力而拉伸或撕裂的趋势。 压力垫力通常需要使用具有模具缓冲功能的双动压力机。

成功因素

对影响深冲的所有参数的全面检查超出了本文的范围。 相反,我们将着眼于几个关键因素:间隙、拉伸缩减率、冲头和压边力以及常见缺陷。

清除

无缺陷的深拉取决于适当的冲头和模具间隙。 太少,材料将被刺穿或撕裂,而不是流入模腔。 太多,工件会起皱。 在深冲中,间隙值往往介于板材厚度的 107% 和 115% 之间。 相比之下,切割操作中的间隙约为板材厚度的 3% 至 8%。

拉伸缩减率

将坯料压入模腔会减小坯料的直径,并随着坯料在模具的导入半径上变形而产生周向压应力。 直径减小得越多,应力越高。 应力越高,流动阻力越大。 如果流动阻力超过毛坯的拉伸强度,毛坯将在冲头的鼻子附近拉伸或撕裂。

为避免这种情况,必须设计该工艺以将坯料的直径减小至不超过材料所能承受的范围。 该极限拉伸比 (LDR) 因材料、厚度和零件已被拉伸的次数而异。 拉伸比通常包含在拉伸减少图表中的原材料规格中。 如果拉深过程中的减少量超过此限制,则零件需要分阶段进行拉深。

示例:计算圆柱形杯子的坯料尺寸和拉伸次数

为了说明这个概念,我们将逐步进行基本计算,以确定生产一个高 6 英寸、直径 4 英寸的无凸缘圆柱形杯子需要多少次拉伸。 带有保留法兰或更复杂形状的杯子需要更复杂的计算,但基本概念保持不变。

首先,计算毛坯尺寸。 由于在深拉过程中板材厚度基本保持不变,成品零件的表面积加上任何剩余的法兰材料将等于毛坯的表面积。 在我们的没有法兰的圆柱形杯子的示例中,我们可以使用以下公式计算所需的毛坯尺寸:

其中 R b = 毛坯半径,R c = 杯子半径,H = 杯子高度

对于 6 英寸 x 4 英寸的杯子,此计算返回的毛坯直径为 10.58 英寸。

接下来,计算实现最终零件直径所需的拉拔量。 为此,将零件直径除以毛坯直径,然后从 1 中减去该数字:

其中 D c = 杯子的直径,D b = 毛坯的直径。

我们示例杯的减少量约为 62%。 为便于计算,我们假设毛坯的 LDR 在第一次抽签时为 2.0,在第二次抽签时为 1.5,在第三次抽签时为 1.25。 这些转化为第一次抽奖减少 50%,第二次减少 30%,第三次减少 20%。 因为杯子需要超过 50% 的总减量,所以这个过程将需要一个以上的阶段。

在第一阶段,杯子直径可以减小 50%,从而产生 5.29″ 的中间部分直径。 在第二阶段,杯子直径最多可减少 30%。 拉伸到该限制将导致零件直径为 3.70 英寸。 该直径小于指定的 4″,因此可以安全地分 2 个阶段绘制杯子。

Macrodyne 100-150 吨深拉压机

在指定和配置压力机时,必须分别计算冲压力和压边力。 冲孔力在整个操作过程中会发生变化,但很可能在大约 1/3 的过程冲程处达到最大值。 通常,压边力不超过最大冲压力的 30% 到 40%。 可以在压边机上添加拉丝珠,以减少所需的力或调节材料流向模具特定区域的流量。

 

影响力计算的因素包括材料可拉伸性、毛坯形状和厚度、冲头和模具形状、压边面形状、角半径和减少量。 在设计过程时,在指定所需的力和输出时必须考虑这些因素。 在大多数情况下,双动压力机最能满足拉深的需求。

 

在计算所需的力和其他工艺参数时,深冲力计算器会很有帮助。

常见缺陷的原因和预防

在深冲中,通过仔细的零件设计可以避免许多缺陷。 设计策略包括:

  • 降低复杂性和不对称性
  • 规划毛坯几何形状以最大程度地减少多余材料
  • 调整晶粒方向以最大限度地减少非对称设计中的应力
  • 在制造工具之前使用 CAD 和有限元建模来优化进程和工具设计。 通过避免昂贵的试错过程修改,模拟可以节省大量的劳动力和工具成本。

成功的深拉需要了解延展性和金属流动原理。 较厚的材料比薄的材料更能耐受深冲,因为它们的体积和拉伸距离更远的能力;然而,太大的毛坯会限制金属流动。 大多数深冲缺陷是由以下一个或多个因素造成的:

  • 力分配不当
  • 未考虑空白材料特性
  • 不正确的拉伸比
  • 摩擦管理不当

下面是对常见缺陷和避免它们的方法的简要说明。

耳饰

拉制零件上的波浪形上边缘,耳边是使用各向异性毛坯材料的副作用。 如果片材在一个平面方向上比其他方向更坚固,则优先定向流动将在零件顶部形成耳朵。 最常见的解决方案是在拉伸零件上留下足够的额外材料以进行修整。 额外的材料处理也可以在增加成本的情况下减少各向异性。

起皱

零件法兰中的一系列径向脊,褶皱通常是由不一致的金属流动引起的。 如果脊被拉入模具中,则皱纹可能表现为垂直缺陷。 适当管理径向拉伸应力和圆周压缩应力可以减少或消除皱纹。 在某些情况下,可能需要多次减少。 可以通过使用压边器、修改冲头和模具半径、调整坯料尺寸或形状以及绘制坯料定位来避免起皱。 使用压边机时,压边力不足会导致起皱。 对于 0.5% 或更小的厚度比,压边机可能无效。

使用拉珠

拉珠可以帮助管理金属流动,而无需过度的压边力。 围绕模腔的凸起轮廓,拉延筋迫使坯料在接近型腔时弯曲和伸直,从而调节材料流动,而无需额外的压边力。

变薄和撕裂

当零件垂直壁中的应力没有得到适当考虑时,坯料可能会在冲头前缘附近变薄或撕裂。 变薄和撕裂通常是由于超出材料的极限拉伸比、压边力过大、冲头/模具间隙不足、毛坯形状不正确、润滑不良或工具缺陷(如表面划痕或凹坑会增加摩擦)造成的。 当拐角处出现撕裂时,可能表示毛坯几何形状或半径太小存在问题。

管理摩擦:润滑和表面处理

毛坯和工具表面之间的摩擦会对成品零件的质量产生重大影响。 降低摩擦系数可以促进材料流动,改善材料应变的分布,并增加刀具寿命。 为控制摩擦,应研磨和研磨模具和压边圈表面以确保它们尽可能光滑,并且在拉伸前应在坯料的两侧涂抹润滑剂。 用于深拉的常用润滑剂包括油、肥皂、乳液和蜡。 使用润滑剂时,可能需要增加压边力以增加金属流量。 确保所使用的润滑剂适合过程的温度和压力。

印刷机配置

要配置压力机以生产深冲零件,必须从该零件的制造过程开始。 在理想情况下,流程将基于材料类型、零件规格、生产量、生产速度和目标价格。 然后,这些因素对零件的成型进程产生直接影响,进而影响所需的压力机和工具的规格。

以下因素有助于确定零件的成型进程:

  • 阶段数:根据零件尺寸、材料和复杂性,可能需要多次减少。
  • 相关流程:一些深冲零件需要其他流程,如冲裁和穿孔以创建成品零件。
  • 转移方法:在成型过程中,零件需要从一个阶段移动到下一个阶段。 这可以在使用级进模或多个模具的单个压力机中完成。 使用级进模时,中间零件仍附着在废料骨架上并随板材移动。 对于多个模具,每个单独的零件都必须通过单独的传送机构从一个站移动到另一个站。 当使用多台压力机时,单个零件必须从一个压力机移动到另一个压力机。

一个进程可以以不同的方式实施,具有不同的优点和缺点。 最佳选择在经济因素和质量之间取得平衡。 其他注意事项包括:

  • 快速更换工具:对于将用于多种产品的压力机,快速更换工具可以减少从一个产品线转移到另一个产品线时代价高昂的停机时间。 另一方面,专用于单一产品的印刷机可能不需要此功能。
  • 高级功能:特别复杂的零件可能会受益于多点压边机或高精度、多点缓冲等功能。
深画概念图

基本参数

床尺寸

印刷机的床身必须能够容纳最大的预期工具集的足迹。 对于矩形或复杂的毛坯形状,床身内零件的方向将决定床身的整体尺寸。 如果级进模将用于执行多个同时操作,床身需要足够大以容纳整个模架并留有转移余量。

 

可以根据坯料尺寸粗略估计床尺寸。 由于深冲零件的材料厚度从头到尾保持不变,毛坯的表面积将等于零件的表面积加上任何剩余的法兰材料。 这种表面积关系可用于确定坯料尺寸。 有关使用无凸缘圆柱杯的基本示例,请参阅“计算坯料尺寸和拉拔量”。

吨位和速度

对于深拉,必须控制冲头速度以确保在拉深过程中坯料正确流动。 同样,施加在冲头、压边器和缓冲垫上的力也必须保持在毛坯可接受的范围内。 否则,材料可能会变薄、撕裂或起皱。 液压机凭借其一致的柱塞速度在该领域表现出色。

拉伸速度因材料而异,从 18 英寸/分钟到 200 英寸/分钟不等。 关闭和剥离速度可以高得多。 吨位也有很大差异,并且与印刷速度、坯料尺寸、形状和材料直接相关。 在大多数情况下,冲头、压边机和缓冲垫需要单独的力。

常见材料的深冲速度
材料 速度(英寸/分钟)
150-175
黄铜 175-200
125-150
18-50
不锈钢 30-40

中风和日光

对于需要脱模的法兰零件,在完全缩回的冲头和模具面之间必须有足够的日光,以便将成品零件从压力机中取出。 在实践中,这意味着日光是按压行程的两倍。 如果将使用压力机生产多个零件,行程和日光应适应最大的预期工具。 如果零件可以完全拉入/穿过模具,那么冲程可以缩短,以便在拉制完成后从模具下方取出。 对于多级压力机,必须考虑所有阶段。 在某些情况下,中间零件形状可能需要比成品零件更多的日光。

高级功能

多点毛坯夹持器和垫子

深拉零件通常需要使用压边器来防止起皱,并需要使用垫子来防止拉伸、变薄和撕裂。 根据零件的形状或复杂性,可能需要对毛坯的不同区域施加不同的力。 在这种情况下,压力机可以配备多点压边和/或缓冲系统,该系统采用多个液压回路,每个回路都有自己的控制,向压边和/或缓冲施加压差。 例如,一些矩形零件在其拐角处与沿其侧面需要明显不同的力。 多点压边机和/或垫子使这成为可能。 为了进一步提高异形零件的精度,可以将闭环控制添加到多点系统中。

缓冲选项

缓冲系统通常配置有可调节销以适应多种工具。 配备缓冲垫的印刷机可以在缓冲垫激活或不激活的情况下运行。 独立的座垫盒也可作为改装件提供,以扩展现有印刷机的能力。

Macrodyne 2000-400 吨单作用深拉压力机,带液压垫和滚压垫

在级进模应用中,还可以在启动期间使用缓冲垫来对模具施加阻力,并有助于避免在工位未均匀加载坯料/零件时出现显着的偏心加载。

下料和穿孔

对于渐进式工艺,压力机可以配置为具有连线下料和穿孔功能以及深拉。 在某些情况下,冲裁过程会产生显着的冲击和振动。 为了最大限度地减少这些因素并延长工具和压力机的使用寿命,可以为下料台配置液压阻尼器。