异型壳体深拉伸模设计

【摘要】分析了异型壳体深拉伸过程中的“拉伸绷紧力”，介绍了异型壳体深拉伸模结构、主要工作零件的设计加工及试模过程

关键词：异型壳体；深拉伸；拉伸绷紧力；模具结构设计；试模

如图 1 为一款多士炉的外壳，材料为 0.6mm 厚 单 光 片 深 拉 伸 料 ，外 型 尺 寸 为 长 280mm 宽 168mm 高 175mm。外壳表面镀亮鉻处理，要求达 到镜面效果。该外壳年产量大于 25 万个，模具总寿命要求大于 150 万次。这是一个异型壳体，形状 较复杂，要分多工序完成。壳体成形的难点在于拉 伸工序，如图 2 为壳体的拉伸工序图。由于该壳体上半部分形状难以采用多级拉伸，整个壳体只能一次拉伸成形，但因壳体拉伸深度为185mm，相对于壳体 外形尺寸而言深度比例非常大，是典型的异型深拉伸，拉伸难度很大。

图 1 多士炉外壳

图 2 拉伸工序图

2 模具结构及“拉伸绷紧力”

该壳体拉伸设备采用 300t 四柱双缸拉伸油压机， 主缸最大行程 500mm，顶缸最大行程 250mm。根据拉伸设备的构造特点，拉伸模设计成如图 3 的结构形式。

图 3 模具结构

1.上模板 2.上模垫脚 3、5、8、9、19、20、21、26、27、28.螺钉 4. 打料杆 6、7. 打料板组件 10. 压板 11、25. 弹簧 12. 导套 13.顶件 14.导柱 15、16.压料板 17.拉伸筋 18.压料板垫 板 19.导向件 22.凹模垫板 23.凹模 24.定位针 29.凸模 30.凸模垫块 31.下模板 32.顶杆 33.排气孔

图 4 外壳拉伸过程中受力分析

所有的壳体拉伸模开发成功，都要做到两点：一 是拉伸件不起皱，二是不破裂。对异型壳体深拉伸模 具要同时做到这两点是不容易的，所以先要理清楚起 皱和破裂的原因。

这里先约定一个名词——“拉伸绷紧力”：所谓的“拉伸绷紧力”（F 绷紧力），就是在拉伸过程中（见图 4）， 当材料流过凹模拉伸圆角后，切点 M 处 H-H 断面上 侧任意一点所受的垂直于断面、与材料流动方向相反的拉力。

为了保证壳体不起皱，那么在整个拉伸过程中， 先是要有足够的压边力保证毛坯板料（图 5 中 H-H断 面外围部分）平整，然后有足够的 F 绷紧力保证流过凹模 拉伸圆角的材料（即图 4 中 H-H断面上部分），在发生 塑性变形、贴近凸模成形的过程中始终处于绷紧状 态。F 绷紧力越大，拉伸时壳体起皱的机会越小且表面越 顺滑；但若“绷紧力”过大，对流过凹模拉伸圆角的材 料（即图 4 中 H-H 断面上部分）各点产生的拉应力也 越大，当材料某个点所受拉应力大于材料的抗拉强度 时，该点便会破裂，导致壳体拉伸失败。

所以开发异型壳体深拉伸模，关键是要解决“拉 伸绷紧力”的问题，即在拉伸过程中，考虑如何将 H-H 断面上侧任意一点所受的 F 绷紧力控制在一个合理的范 围内：F 绷紧力既有足够大防壳体起皱，又要保证壳体不 破裂。若 Fmin 绷紧力为 H-H 断面某一点保证壳体不起皱 的“最小绷紧力”，Fmax 绷紧力为 H-H断面某一点保证壳体 不破裂的“最大绷紧力”，那么在拉伸过程中，H-H 断 面任一点所受的 F 绷紧力必须在 Fmin 绷紧力与 Fmax 绷紧力之间。

需要说明的是，在同一拉伸高度，保证壳体不起皱时，H-H断面各点所需的F min绷紧力是不一样的，如图 5 所示 1、2、3 点；其次1、2、3各点在拉伸过程中，保证壳体不起皱所需要的 F min 绷 紧 力 是变化的。F min 绷紧力 大小与材料的塑性及壳体拉伸形状有关：塑性好则F min绷紧力 小，此壳体在拉伸过程中，由于凹模与凸模的间隙逐渐变小，且壳体越来越直，保证壳体不起皱各点所需的 Fmin 绷紧力也越来越小。

图 5 H-H断面图

Fmax 绷紧力大小主要决定于材料的抗拉强度，材料的 抗拉强度高，各点能承受的 Fmax 绷紧力也越大。

3 主要工作零件设计及加工

（1）压料板、拉伸筋、垫板如图 6 所示，为了便于模 具维修及调整拉伸筋高度，拉伸筋采用紧配镶嵌于压 料板 15、16 之间。压料板采用耐磨工具钢 SKD11，厚 度 35mm，热处理硬度为 60~62HRC。压料板 15、16 由 1 件板料快走丝线割而成，而后两板一起精磨平面，保证厚度一致及拉伸表面光滑。压料板 16 上装有 4 根 导柱，以保证合模时拉伸筋与凹模筋槽的位置关系。拉伸筋采用高韧性耐磨工具钢 DC53，热处理硬度为 61~63HRC，初步设计其剖面形状及尺寸如图6 所示（试模时其局部高度可能会作少量调整）。垫板采用 Cr12MoV，厚度 80mm，热处理硬度为 55~58HRC；垫板 上装有导向件 19，以防止压料板摆动过大，保证上下 模合模时导柱导套的对中。为防止导柱与导套卡死， 导柱与导套的双边间隙在 0.1~0.2mm 之间，且导柱与 导套的接触面不能太长，导套装有顶件 13（见图 3）。（2）凹模：依据拉伸筋设计凹模拉伸筋槽形状尺 寸如图 7 所示。凹模拉伸圆角很重要，太小拉伸时材 料会在拉伸圆角处断裂；但也不宜太大，太大了后面 的剪边等工序不易完成，按经验设计为 R8~R10mm 较 恰当。凹模采用 SKD11，厚度 50mm；先用 CNC 加工筋 槽及拉伸圆角（留出热处理后的精加工余量），而后淬火及回火，硬度保证 60~62HRC；拉伸面精磨光滑；凹 模型腔采用慢走丝加工，修 2 刀以上保证光滑；CNC 精 加工筋槽及拉伸圆角，而后抛光处理。

图 6 顶板

图 7 凹模

4 试模

对于异型壳体深拉伸模具，试模是非常重要的环节：一是毛坯板料的形状尺寸无法通过计算来确定，其形状尺寸会因为拉伸筋的形状尺寸的变化而变化，必须通过试模不断调整才能最终确定；二是通过试模调整拉伸筋局部的高度，来改变不同区域F 筋阻力 ，保证整个拉伸过程中 H-H 断面任一点所受的 F 绷 紧 力 在F min绷紧力 与F max绷紧力 之间，保证壳体不破裂且顺滑。异型深拉伸壳体毛坯板料的形状尺寸确定及拉伸筋局部的高度调整，过程较复杂，原因是毛坯板料的形状尺寸及大小与拉伸筋局部的高度相互影响。

试模过程及方法是：先凭经验大概估算毛坯形状尺寸（用CAD绘图存档，便于修改），估算毛坯形状尺寸遵循从小到大的原则，先毛坯小一些，确保壳体不破能拉出来（壳体起皱及深度没到位不要紧）。试模 时毛坯板材双面喷拉伸油，点动油压机，一点点往下 拉，同时压边力尽量小，以减小 F 摩擦力，但要保证凹模 与压料板之间的毛坯不起皱。每点动往下拉一次都 要开模观察拉伸结果，结果有两种可能：（1）拉伸过程中壳体破裂：如图 8 所示，M 处出现 裂口，说明裂口对应区域 F 绷紧力过大（圆圈范围内），只有通过降低对应区域拉伸筋的高度减小F 筋阻力，从而 减小该区域的 F 绷紧力，保证拉伸过程中壳体不破裂。（2）壳体不破裂：接着一点点往下拉，拉到某些区域毛坯拉完为止（如图 8 所示 N 处缺料）。此时壳体深 度可能没到位，那么依据 N 处缺料的大小，调整毛坯 形状尺寸，直至 N 处不缺料为止。

图 8 壳体拉伸试模结果

如此反复调整毛坯形状尺寸及某些区域拉伸筋 的高度，通过多次试模，当壳体深度达到要求又不破 裂时，可能某些地方会起皱，那么加高对应区域拉伸 筋的高度，最终解决起皱问题，拉出如图 1 所示的合格壳体。

5 结束语

异型壳体深拉伸是拉伸工艺中的难点，正确认识 并掌握如何控制调整“拉伸绷紧力”、熟悉异型深拉伸壳体的试模过程，对异型深拉伸件模具的开发成功是 非常有用的。