深拉伸加工的拉伸力模拟器

参数设置

毛坯直径 D

压力机前的平圆板直径

冲头直径（杯子直径）d

成形的杯子内径

板厚 t

材料抗张强度 σ_u

MPa

软钢板约340，不锈钢约600

计算结果

—

拉伸比 DR

—

拉伸力 (kN)

—

压边力 (kN)

—

杯子高度 (mm)

—

至临界拉伸比的余度

—

拉伸判定

—

深拉伸加工的截面图 — 冲头行程动画

冲头按下毛坯中心，凸缘向内侧被引入，同时杯子被成形。毛坯夹持器按住凸缘以防褶皱。

拉伸力 vs 毛坯直径 D

拉伸力 vs 板厚 t

理论·主要公式

$$\text{DR}=\frac{D}{d},\qquad F=\pi\,d\,t\,\sigma_u\left(\frac{D}{d}-0.7\right)$$

拉伸比 DR 和拉伸力 F。D：毛坯直径，d：冲头直径（杯子直径），t：板厚，σ_u：材料抗张强度。括号内越大，拉伸力越大。

$$F_{\text{BH}}=0.35\,F,\qquad h=\frac{D^{2}-d^{2}}{4\,d}$$

压边力 F_BH（拉伸力的约35%）和面积守恒得出的杯子高度 h（毛坯面积分配到底部和侧壁）。

拉伸比超过约2.0时，一次拉伸杯壁会破断，必须分多次再拉伸工程处理。

深拉伸加工是什么

🙋

「深拉伸加工」就是把平的金属板一下子变成杯子形状的那种压力机加工吧？

🎓

没错，正是这样。饮料罐、厨房水槽、锅、汽车车身、油箱、子弹壳——身边大多数「无缝中空制品」都是用深拉伸制造的。原理就是把平圆板（称为「毛坯」）放在模具的孔上方，用「冲头」按下中心，把金属引入孔内，成形为杯子。

🙋

只是按下去，好像很简单啊…真的那么难吗？

🎓

很难。关键在「凸缘部的变形」。毛坯的外周（凸缘）被引入内侧时，必须在圆周方向缩小。一边在半径方向被拉伸，一边在圆周方向受压——正是这圆周方向的压缩，导致凸缘屈曲形成「褶皱」。就像把纸往漏斗里塞，会皱巴巴的一样。

🙋

明白了，所以会出现褶皱。怎样才能防止褶皱呢？

🎓

深拉伸模具上必须装有「毛坯夹持器（压边环）」。它用适当的压力从上方压住凸缘，保持平整，防止褶皱。不过压得太紧，材料就流不进孔里了，会产生另一种问题。左边滑块会算出「拉伸力」，压边力约是它的35%为目安。

🙋

压得太紧会怎样？

🎓

会破裂。这是另一种损坏方式。已经成形、加工硬化的杯子「壁」，承受全部的拉伸力。引入凸缘所需的力超过杯壁能承受的极限，壁就会在冲头肩部的R处撕裂。所以「拉伸比 DR = 毛坯直径÷杯子直径」是最重要的数字。它表示需要引入多少材料，一次拉伸通常能成形的拉伸比约1.8～2.0。超过这个就会破裂，只能分多次「再拉伸」工程，逐步使杯子更深更细。

常见问题

圆筒形杯子的拉伸力标准概估公式是 F = π·d·t·σ_u·(D/d − 0.7)。其中d是冲头直径（杯子直径），t是板厚，σ_u是材料抗张强度，D是毛坯直径。括号内(D/d − 0.7)是拉伸比D/d减去经验常数0.7的项，拉伸比越大、板厚和抗张强度越大，拉伸力越大。本工具用此公式计算拉伸力，以kN为单位表示。

压边力经验上约为拉伸力的30～40%，本工具按35%计算。凸缘部被引入内侧时会在圆周方向受压，容易产生褶皱（屈曲），需要毛坯夹持器压住。力度太弱则凸缘褶皱，太强则材料无法流入，杯壁破裂。实际需在褶皱和破裂都不出现的中间压力调整。

拉伸比是毛坯直径除以杯子直径的值（DR = D/d），表示需要引入内侧的材料量。一次拉伸能成形的拉伸比，根据材料和润滑情况，通常限制在约1.8～2.0左右。超过此值，杯壁会因拉伸而破断，必须分多次进行再拉伸工程，逐步使杯子更深、更细。拉伸比是决定深拉伸加工成败的最重要数值。

裂纹在冲头肩部的R处，即杯子底部和壁交界附近发生。凸缘被引入的力完全通过杯壁传递，所以壁承受最大的拉伸荷载。已经成形并加工硬化的壁，如果无法承受凸缘引入所需的力，就会在冲头肩部撕裂。拉伸比太大、压边力太强、润滑不足、冲头肩部R太小等条件下易发生破裂。

实际应用

饮料罐·食品容器：铝或钢制饮料罐是深拉伸的代表例。从一张薄圆板一次性成形为罐体，无缝接合。实际罐生产中还结合「缩口（整形）」工程，进一步将壁拉薄拉长。以年数千亿个的生产规模，拉伸比、润滑、工具寿命的优化直接关系到成本。

汽车车身板·油箱：门板、翼子板、车顶、油箱等大型零件是用巨型压力机深拉伸成形的。由于形状是复杂的3次曲面，同时避免褶皱、裂纹、回弹很困难，现在的设计已离不开FEM分析（成形模拟）。本工具之类的圆筒杯的概估，可用于前期当量计算。

厨具·烹饪器：不锈钢水槽、锅、碗、茶壶等都由深拉伸制造。不锈钢的抗张强度比软钢高，加工硬化也大，所以拉伸力也更大，润滑和工具选型更为关键。深杯制品需经多道再拉伸工程，逐步达到目标深度和直径。

子弹壳·电池外壳·电机壳：子弹壳、圆筒形锂电池外壳、小型电机壳等也都是深拉伸的典型。这些产品对尺寸精度和壁厚均一性要求很高，需要精密设计毛坯直径、拉伸比和工程数。深拉伸的「无缝、强度高、量产性好」的优点，在这些产品上得到充分发挥。

常见误区和注意事项

首先有个大误区：「只要拉伸力够大，就能选压力机」。深拉伸加工时，压力机需要的能力不仅是拉伸力（冲头荷载），还需要压住凸缘的压边力（垫圈力），这可达拉伸力的3～4成。此外还要脱出制品的顶出力。本工具算出的拉伸力和35%的压边力只是概估，实际选压力机时还要考虑加工速度、行程、模具垫圈规格等。

再有一个误解：「拉伸力公式能算出精确值」。F = π·d·t·σ_u·(D/d − 0.7) 是经验式，定数0.7和抗张强度用法因文献而异。实际拉伸力会因润滑状态、冲头肩R和模具肩R、压边力、加工速度、材料的r值（兰克福特值）和加工硬化指数n值等因素大幅变化。这个公式只是用来「概估荷载等级和拉伸比是否可行」，最终数值需通过成形FEM或试制来确认。

最后是「拉伸比在限界以内就一定能成形」的误会。拉伸比即使在1.8～2.0以内，如果压边力不合适，凸缘还是会褶皱，或杯壁还是会破裂。而且深拉伸的成败还受润滑、工具R形状、板料表面性状、结晶方位导致的「耳（不均匀凸）」等多种因素影响。进行再拉伸时，有时还需要加工间隙退火（中间退火）来消除加工硬化。拉伸比虽是最重要指标，但不能单独用来保证成形性，这一点要注意。

深拉伸加工是什么

常见问题

实际应用

常见误区和注意事项

使用指南

具体计算例子

实务要点