拉深件的应力应变状态分析

摘 要：拉深件的应力应变状态十分复杂，由于拉深件的壁厚很不均匀，致使拉深件凸缘区在切向压应力作用下极易起皱，筒壁上的危险断面也很容易被拉裂。如何解决起皱和拉裂问题，是拉深成形能否顺利完成的关键。起皱主要是由于凸缘的切向压应力超过了材料临界切向压应力所引起的，在拉深过程中，凸缘变形区在不断缩小，其厚度在不断增加，这两个因素对起皱都会产生影响；常见的防皱措施是采用便于调节压边力的压边圈，把凸缘紧压在凹模表面上。防止拉裂的根本措施是减小拉深力和提高筒壁材料的强度，在设计拉深模时，首先应控制材料的变形程度，然后再采取其它各种措施防止危险断面的拉裂。

关键词：拉深成形；应力应变；起皱；拉裂

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

拉深也叫拉延，是利用拉深模具将平板毛坯塑性成形为各种开口的空心零件的一种冲压加工方法。在生产实际中，用拉深方法可以制成筒形、矩形、锥形、阶梯形、球面形和其它不规则形状的薄壁零件。如果与其它冲压工艺配合，还可制造形状更为复杂的零件。在拉深变形过程中，随着凸模的不断下行，留在凹模端面上的毛坯外径不断缩小，圆形毛坯逐渐被拉进凸、凹模之间的间隙中形成直壁，当板料全部进入凸、凹模间的间隙时，拉深过程结束。拉深件可加工的尺寸范围很大，因此在工业领域和日用品加工中得到了广泛应用。本文针对实际生产中的典型零件，基于塑性成形的基本理论，探讨拉深过程中应力应变变化的内在规律，为实际生产中壳罩类零件拉深工艺的设计提供参考和借鉴。

1 拉深成形

拉深与冲裁的主要区别是：拉深模的凸模和凹模均有较大的圆角半径，凸、凹模之间的间隙也较大，其间隙值一般大于板厚t。拉深是冲压工艺中很重要的一种成形工序，应用很广。如汽车、拖拉机的一些罩件、壳件、覆盖件等，航空喷气发动机上的许多零件以及仪表、电器上的许多壳体件，还有很多日用品等都是采用拉深制成的。拉深件的种类很多，大体可以划分为旋转体（轴对称）类零件、矩形（盒形）类零件、复杂形状零件等三类。

2 拉深变形过程

拉深过程如图1所示。在凸模的作用下，原始直径为D的毛坯被拉进凸、凹模之间的间隙里而形成圆筒的直壁。工件上高度为h的直壁部分是由毛坯的外形（外径为D，内径为d）部分转变而成的，所以，拉深时毛坯的外部环形部分是变形区；底部一般不参加变形，称为不变形区；被拉入凸、凹模之间的直壁部分已经完成了变形，称为传力区[1]。

在拉深成形阶段，凹模平面上的各单元体毛坯在圆周方向（切向）的长度，随凸模的下行而不断缩短，而毛坯的径向（同心圆间距）长度不断增长，直至单元体全部被拉入凹模型孔内。

圆形的平板毛坯究竟是怎样变成圆筒形工件的？如果将平板毛坯的三角形陰影部分b1、b2、b3、…切去，留下、、、…这样的一些狭条，然后将这些狭条沿直径为d的圆周弯折过来，再把它们加以焊接，就可以成为一个圆筒形工件了。这个圆筒形工件的直径d可按需要裁取，而其高度为。

但是，在实际拉深过程中，我们并没有将阴影部分的三角形材料切掉，这部分材料是在拉深过程中由于产生塑性流动而转移了。这部分被转移的三角形材料，我们通常称之为“多余三角形”。这部分“多余三角形”材料的转移，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 拉深件各部分的应力应变状态分析

在实际生产中，我们发现拉深件各部分的厚度是不一致的。一般是底部略有变薄，但基本上等于原毛坯的厚度；壁部上段增厚，愈靠近上缘壁部增厚愈明显；壁部的下段变薄，愈靠下部变薄愈多；由壁部向底部转角的稍上处，则出现严重变薄，甚至断裂。另外，沿高度方向，零件各部分的硬度也不一样，愈到上缘硬度愈高。这说明，在拉深过程中的不同时刻，毛坯内各部分由于所处的位置不同，它们的应力应变状态是不一样的。为了更加深刻地认识拉深过程的本质，了解拉深过程中所发生的各种现象，必须分析拉深过程材料各部分的应力应变状态[2]。

3.1 平面凸缘区为主要变形区

平面凸缘区也就是凹模口的凸缘部分即图中的Ⅰ区。这是小单元体由扇形变为矩形的区域，即拉深变形的主要区域。拉深过程主要在这个区域内完成。如前所述，这部分材料的径向受拉应力的作用，切向受压应力的作用，因而发生塑性变形，逐渐进入凹模。在厚度方向，由于压边圈的作用，产生压应力。在一般情况下，由于和的绝对值比大得多。“多余三角形”材料的转移主要是向径向延展，同时也向毛坯厚度方向流动而增加厚度。这时厚度方向的应变是正值。由于愈到外缘，需要转移的材料愈多，因此，愈到外缘材料变厚愈大，材料的硬化也愈严重[3]。

假若不用压边圈，自然=0，这时的要比有压边圈时大。而当“多余三角形”较大，板料又较薄时，则在凹模口的凸缘部分，特别是最外缘部分，在切向应力的作用下会失去稳定而拱起，即形成所谓“起皱现象”。

3.2 凹模圆角区为过渡区

凹模圆角区指的是凹模圆角部分的区域，这是一个过渡区，材料的变形比较复杂，除有与Ⅰ区相同的特点（即在径向受拉应力和切向受压应力的作用）外，厚度方向上还由于承受凹模圆角的压力和弯曲作用而产生的压应力。

3.3 筒壁部分为传力区

这一部分是由凸缘部分材料变形后转化而成。这部分材料已经形成筒形，材料不再发生大的变形。但是，在继续拉深时，凸模的拉深力要经由筒壁传递到凸缘部分。因此，它承受单向拉应力的作用，

发生少量的纵向伸长和变薄。

3.4 凸模圆角区为过渡区

这是筒壁和筒底的过渡区域，它承受径向和切向拉应力、的作用，同时，在厚度方向由于凸模的压力和弯曲作用而受压应力的作用。

在这一区域中筒壁与底部转角处稍上的地方，由于传递拉深力的截面积最小，因此产生的拉应力最大。同时，因为在该处所需要转移的材料最少，故该处材料的变形程度最小，冷作硬化最低，材料的屈服极限也就最低。

3.5 圆筒底部为小变形区

这部分材料处于凸模下面。该区域直接接受凸模施加的力并将力传给圆筒壁部，因此该区域也是传力区。此处材料在拉深前后都是平的，不产生大的变形，但由于凸模拉深力的作用（主要作用在凸模圆角部分），材料承受两向拉应力，厚度略有变薄。

綜上所述，在拉深中经常遇到的主要问题是起皱和拉裂。一般情况下，起皱不是主要的，因为只要采用压边圈，即增加的作用即可解决。主要的破坏形式是拉裂。但在一定条件下，主次也是会相互转化的。

4 拉深件质量问题及解决措施

综上分析可知，拉深变形时的应力与应变十分复杂，拉深件的壁厚也很不均匀。因此，拉深件凸缘区在切向压应力作用下将会起皱，筒壁上的危险断面也有可能被拉裂。如何解决“起皱”和“拉裂”问题，是拉深成形能否顺利完成的关键。

在进行拉深时，有许多因素会影响到拉深件的质量，严重时甚至关系到拉深成形能否顺利进行。常见的拉深质量问题有平面凸缘部分的起皱、筒壁危险断面的拉裂、凸缘或口部边缘不整齐、筒壁表面拉伤、拉深件的形状和尺寸误差等。在这些质量问题中，拉深件平面凸缘部分的起皱和筒壁危险断面的拉裂是拉深生产中的两个主要工艺问题。

4.1 起皱及防止措施

起皱是指在拉深过程中，某一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，继续拉深时会引起拉深力的急剧增加，导致危险断面破裂。

在模具设计方面，应注意压边圈的位置和形状，模具表面形状不要过于复杂。多道工序拉深时，也可采用反拉深防止起皱。

4.2 拉裂及防止措施

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的作用。当拉深力过大时，筒壁将被拉断。由于在筒壁与底部圆角交界处附近材料的厚度最小，硬度最低，因而该处是发生拉裂的危险断面，拉深件很容易在此处被拉裂。

防止拉裂的根本措施是减小拉深力和提高筒壁材料的强度。在设计拉深模时，首先应控制材料的变形程度，然后再采取其它各种措施防止危险断面的拉裂[3]。

为防止拉裂，应注意选用合适的材料进行拉深，材料的硬化指数越大，屈强比越小，拉深性能越好，越不易拉裂。拉深材料的拉深系数不能太小，以避免危险断面处被拉裂；设计模具时，凸、凹模圆角半径不能太小，以防止材料不易拉入凹模而使制件过早拉断。

参考文献：

[1]官英平.筒形件拉深起皱临界厚度的计算[J].锻压技术，2014（06）

：79-81.

[2]柯旭贯.冲压工艺与模具设计[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]李再参.筒形拉深件的压边力有限元分析[J].机电产品开发与创新，2013（01）：104-106.

作者简介：杨晓红（1981-），女，甘肃会宁人，硕士，讲师，研究方向：机械制造、材料成型。