Какво означава действително дизайна на дълбоко изтеглен матриц за прецизното производство

Когато имате задачата да произвеждате безшевни цилиндрични чаши, резервоари за кислород или автомобилни компоненти с изключително високо съотношение между дълбочина и диаметър, дизайна на дълбоко изтеглен матриц става най-важен фактор за успех. За разлика от конвенционалното клапиране, при което металът се реже или огъва, процесът на дълбоко изтегляне преобразява равен листов метал в кухи, триизмерни форми чрез контролирано пластично течение. Геометрията на матрицата, която задавате, определя дали материала ще се компресира гладко във форма или ще се скъса под прекомерно напрежение.

Определяне на дизайна на дълбоко изтеглен матриц в съвременното производство

Какво точно е дълбоко изтегляне? Това е металообработваща операция, при която един пунц принудява равен заготовк да премине през кухината на матрицата, създавайки дълбочина, която надхвърля диаметъра на детайла. Според Производителят , едно от най-големите заблуди е, че металът се разпъва при оформянето. В действителност правилно изпълнените операции за дълбоко изтегляне включват минимално разпъване. Металът всъщност се уплътнява чрез пластично течение, тъй като компресионните сили задвижват материала навътре към пуансона.

Тази разлика има значение за подхода ви към дизайна на матрицата. Проектирате инструменти, които контролират компресията и течението, а не разпъването. Всеки радиус, зазор, и спецификация за повърхностно качество влияят върху това колко ефективно металът преминава от равна заготовка към желаната геометрия.

Защо дизайна на матрицата определя качеството на детайла

Геометрията на матрицата директно контролира три ключови резултата:

• Шаблони на материалното течение - Радиусите на пуансона и матрицата определят къде металът се компресира или разпъва
• Точност на геометрията на детайла - Зазорите и конусностите определят размерната последователност
• Производствена ефективност - Правилният дизайн минимизира етапите на изтегляне и премахва скъпоструващи поправки

Връзката между позицията на пуансона и ръба на заготовката е особено решаваща. Металът в зоната на компресия се съпротива на деформацията. Ако тегличният пуансон е твърде далеч от ръба на заготовката, компресираната зона става прекалено голяма, съпротивлението на течението надвишава границата на якост на опън и се появява скъсване в близост до носа на пуансона.

Коефициентът на изтегляне – съотношението между диаметъра на заготовката и диаметъра на пуансона – е основен принцип, управляващ успеха при дълбокото изтегляне. Ако надвишите пределния коефициент на изтегляне за даден материал, никакво количество смазка или корекция на силата на пресата няма да предотврати повреда.

Този технически справочник предоставя специфичните параметри, формули и подходи за отстраняване на неизправности, необходими за успешен дизайн на матрици. Независимо дали изследвате идеи за дълбоко изтегляне при разработване на нови продукти или оптимизирате съществуващи инструменти, ще намерите практически насоки, подкрепени от проверени инженерни принципи. Следващите раздели обхващат ограничения за коефициент на изтегляне според материала, изчисления за размери на заготовката, спецификации за радиуси, планиране в няколко етапа и стратегии за отстраняване на дефекти, които превръщат вашите проекти от теоретични концепции в инструменти, готови за производство.

Ограничения за коефициент на изтегляне и проценти на редукция по материали

Вече установихте, че коефициентът на изтегляне определя успеха при операциите по дълбоко изтегляне. Но какви конкретни ограничения важат за дълбоко изтегляне на стомана в сравнение с алуминий или неръждаема стомана? Без точни числови параметри оставате да гадаете. Този раздел предоставя точните стойности, които са ви необходими за изчисляване на изискванията за етапи и предотвратяване на повреди по материала.

Максимални коефициенти на изтегляне според тип материала

Формулата за граничния коефициент на изтегляне (LDR) е проста:

LDR = D / d, където D е диаметърът на заготовката, а d е диаметърът на пуансона (вътрешен диаметър на купата)

Този коефициент показва колко голяма заготовка може успешно да бъде оформена с даден размер на пуансон. Според Toledo Metal Spinning тази формула служи като отправна точка за определяне на необходимия брой изтегляния. Важното обаче е, че стойностите на LDR варирали значително в зависимост от материала.

Когато процесът на штамповане на листов метал надхвърли тези граници, окръжното компресионно напрежение надвишава това, което материала може да поеме. Ако Macrodyne Press обяснява, намалението по време на дълбоко изтегляне надхвърли ли границата на материала, заготовката ще се разтегне или скъса в близост до носа на пуансона. Устойчивостта срещу течение просто надминава якостта на опън.

Ето какво трябва да знаете за параметрите, специфични за всеки материал:

Вид материал	Първоначален лимит на коефициента на изтегляне	Намаление при последващо изтегляне %	Препоръчителен праг за отпускане
Нисковъглеродна стомана (листова стомана за дълбоко изтегляне)	2.0 - 2.2	25% - 30%	След натрупано намаление от 40%
Неръждаема стомана (304/316)	1.8 - 2.0	20% - 25%	След 30% натрупано намаление
Алуминиеви сплави (1100, 3003)	1,9 - 2,1	20% - 25%	След 35% натрупано намаление
Медни сплави (C11000, C26000)	2,0 - 2,3	25% - 30%	След 45% натрупано намаление

Забележете, че дълбокото изтегляне на неръждаема стомана представя най-големите предизвикателства. Характеристиките ѝ за уплътняване при обработка означават по-ниски коефициенти при първоначалното изтегляне и по-ранно необходимост от отпускане в сравнение с въглеродната стомана или медта.

Изчисляване на процентите за намаление при многоетапни операции

Когато общото ви изискване за намаление надхвърля това, което може да бъде постигнато при едно изтегляне, ще са необходими няколко етапа. Процесът на изчисление следва системен подход, който The Fabricator описва като задължителен за избягване на напуквания, гънки и повърхностни дефекти.

Ето как да определите процента на редукция:

Редукция % = (1 - Dc/Db) × 100

Където Dc е диаметърът на чашата, а Db е диаметърът на заготовката.

Представете си, че произвеждате чаша с диаметър 4 инча от заготовка с диаметър 10,58 инча. Пресмятането показва, че е необходима общо редукция от приблизително 62%. Тъй като лимитът за първо изтегляне обикновено е максимум 50% за повечето материали, ще са ви необходими няколко етапа.

Разгледайте този практически пример от Macrodyne Press :

1. Първо изтегляне - Приложете 50% редукция (LDR 2,0), намалявайки заготовката от 10,58 инча до междинен диаметър от 5,29 инча
2. Второ изтегляне - Приложете до 30% редукция (LDR 1,5), постигайки диаметър от 3,70 инча
3. Трето изтегляне - Ако е необходимо, приложете 20% намаление (LDR 1,25) за окончателните размери

Тъй като целевият диаметър от 4 инча попада между възможностите за второ изтегляне и размера на заготовката, двуетапният процес завършва детайла успешно.

Как дебелината на материала влияе на тези коефициенти

По-дебелите материали обикновено позволяват леко по-високи коефициенти на изтегляне, тъй като по-ефективно се съпротивляват на огъване. Въпреки това, те изискват и по-голяма сила на задържане на заготовката, както и по-здрава инструментална оснастка. Тънколистовата стомана за дълбоко изтегляне може да достигне стойности на LDR само в долната част на публикувания диапазон.

Ключовият принцип, който трябва да запомните: цялата повърхност, необходима за крайния продукт, трябва да съществува още при първото изтегляне. Както подчертава The Fabricator, след първоначалната станция за изтегляне, повърхността остава постоянна. Разпределяте съществуващия материал, а не създавате нов материал чрез последващи операции.

След като са установени тези ограничения за коефициента на изтегляне, ще трябва да направите точни изчисления за размера на заготовката, за да се осигури достатъчно количество материал за желаната геометрия.

Методи и формули за изчисление на размера на заготовката

Познавате лимитите си по коефициент на изтегляне. Разбирате процентите на редукция. Но как определяте точния диаметър на заготовката, необходим за производството на желаната чаша или черупка? Ако заготовката е твърде малка, материалът ще ви стигне недостатъчно. Ако е твърде голяма, губите материал и създавате излишен фланец, който затруднява отрязването. Процесът на дълбоко изтегляне изисква прецизност още от първата стъпка.

Основният принцип, управляващ изчислението на размера на заготовката, е запазването на обема. Като SMLease Design пояснява, повърхнината на заготовката трябва да е равна на повърхнината на готовата детайл. Металът не изчезва и не се появява по време на формоването. Той просто се разпределя от плосък диск във вашата триизмерна геометрия.

Метод на повърхнината за разработване на заготовка

За цилиндрични чаши, най-често срещаните компоненти от ламарина с дълбоко изтегляне, математическият подход е елегантен. По същество се уравновесяват две повърхнини: плоската кръгла заготовка и формованата чаша с дъното и страничната стена.

Разгледайте проста цилиндрична чаша с радиус Rf и височина Hf. Радиусът на заготовката Rb може да се изчисли с това основно уравнение:

Rb = √[Rf × (Rf + 2Hf)]

Тази формула следва директно от уравняването на площта на заготовката (πRb²) с площта на чашата (πRf² + 2πRfHf). Когато решите уравнението за Rb, получавате зависимостта, показана по-горе.

Нека разгледаме практически пример. Представете си, че трябва да произведете чаша с диаметър 50 мм и дълбочина 60 мм. Следвайки процеса за изчисление при дълбоко изтегляне:

• Радиус на чашата (Rf) = 25 мм
• Височина на чашата (Hf) = 60 мм
• Радиус на заготовката = √[25 × (25 + 120)] = √[25 × 145] = √3625 = 60,2 mm
• Диаметър на заготовката = 60,2 × 2 = 120,4 mm

Този изчислителен метод дава теоретичния минимален размер на заготовката. На практика ще са необходими допълнителни материали за отрязване и компенсация на ефектите от разтъняване.

Отчитане на допуск за отрязване и разтъняване на материала

Изискванията към реалния процес на дълбоко изтегляне надхвърлят теоретичния минимум. Необходима е инженерна стойност за скрап за чисто отрязване, както и компенсация за промени в дебелината на стената по време на формоване.

Следвайте тези последователни стъпки за размерите на заготовката, готови за производство:

1. Изчислете повърхнината на готовата детайл - Използвайте геометрични формули за конкретната форма. За цилиндри: πd²/4 + πdh. За сложни геометрии софтуерът CAD осигурява точни измервания на повърхнината.
2. Добавете допуск за отрязване - В практиката на отрасъла се препоръчва добавянето на два пъти дебелината на метала към височината на чашата преди изчислението. За материал с дебелина 0,010 инча, оформящ чаша с височина 4 инча, изчислителната височина става 4,020 инча.
3. Вземете предвид оредяването на материала - Оредяването на стената обикновено е с 10-15% по страничните стени на чашата. Някои специалисти добавят 3-5% към изчислената площ на заготовката като компенсационен коефициент за оредяване.
4. Определете крайния диаметър на заготовката - Приложете формулата за повърхнина с поправените си размери, след което закръглете нагоре до практически осъществим размер за рязане.

Според Производителят , като се добавят два пъти дебелината на метала като допълнителен материал за тримване, представлява добра практика за осигуряване на чисти крайни размери след оформянето.

Когато опростените формули не са достатъчни

Горепосочените уравнения работят отлично за прости цилиндрични чаши. Но какво да кажем за стъпкови диаметри, части с фланци или неправилни напречни сечения? При сложните геометрии са необходими различни подходи.

Ще искате да преминете към изчисления на повърхнината въз основа на CAD, когато:

• Вашият компонент включва множество промени в диаметъра или конични участъци
• Радиусите на ъглите значително влияят на повърхнината (простата формула пренебрегва радиуса на носа на пуансона)
• Неосносиметричните форми изискват разработени заготовки вместо кръгли
• Тесни допуски изискват прецизност, надхвърляща корекциите по емпирични правила

За правоъгълни или неправилни дълбоко изтеглени части самата заготовка може да не е кръгла. Тези разработени заготовки изискват CAD анализ или симулация с крайни елементи, за да се определи оптималната начална геометрия. Анизотропията на материала от посоката на валцоване също влияе на оптимизацията на формата на заготовката за незакръглени части.

След като сте изчислили размера на заготовката и сте избрали материала, следващият важен проектантски параметър включва спецификациите за радиуса на пуансона и матрицата, които контролират плавността на теча на метала по време на оформянето.

Спецификации за радиуса на пуансона и матрицата за оптимален поток на материала

Изчислихте размера на заготовката и знаете коефициентите си на изтегляне. Сега идва параметърът, който може да направи или развали операцията ви по дълбоко изтегляне на метални форми: радиуси на инструмента. Радиусът на носа на пуансона и радиусът на входа на матрицата определят колко агресивно се огъва метала при прехода от фланеца към страничната стена. Ако тези спецификации са грешни, ще се сблъскате или с разкъсване поради прекомерна концентрация на напрежение, или с набръчкване поради недостатъчен контрол на материала.

Ето основния принцип: метала, преминаващ през остри ъгли, изпитва локализирано напрежение, което надхвърля границите на пластичност. От друга страна, твърде големи радиуси не насочват правилно материала, позволявайки компресионно изкъртване. Вашата задача е да намерите оптималното средно положение за всяка комбинация от материал и дебелина.

Ръководство за радиус на носа на пуансона за различни материали

Радиусът на ъгъла на пуансона определя разпределението на напрежението в най-уязвимото място на изтегления детайл. Според Анализа на DFM в Wikipedia за дълбоко изтегляне , ъгълът на пуансона трябва да бъде 4–10 пъти дебелината на листа. Намаляването на дебелината е най-голямо в близост до ъгъла на пуансона, тъй като металният поток намалява значително в този регион. Твърде остър ъгъл води до пукнатини в основата на пуансона.

Защо това местоположение е толкова важно? По време на изтегляне материала се разтяга над носа на пуансона, докато едновременно се компресира по периферията. Това двуосно напрегнато състояние се концентрира в прехода на радиуса. Недостатъчен радиус създава концентрация на напрежението, която предизвиква разкъсване, преди изтеглянето да е завършено.

Помислете какво се случва при различни стойности на радиуса:

• Твърде малък (под 4t) - Силна локализация на деформацията причинява разкъсване в носа на пуансона, особено при материали, които укрепват при пластична деформация, като неръждаема стомана
• Оптимален диапазон (4–10t) - Напрежението се разпределя в по-широката зона, позволявайки контролирано отслабване без разрушаване
• Твърде голям (над 10t) - Недостатъчно ограничение позволява дъното да се издуе или образуват гънки, а очертанието на страничната стена става неясно

При приложения за дълбоко изтегляне на метали с високоякостни материали, препоръчително е да се избира по-голямата стойност от този диапазон. По-меки материали като алуминий и мед могат да допускат радиуси близо до 4t.

Спецификации за радиуса на входа на матрицата и тяхното влияние

Радиусът на ъгъла на матрицата контролира прехода на метала от хоризонталната фланшова зона към вертикалната кухина на матрицата. Тук компресионните напрежения във фланшовата зона се преобразуват в опънни напрежения в стената. Както сочи Референцията на Wikipedia за дълбоко изтегляне радиусът на матрицата обикновено трябва да е между 5 и 10 пъти дебелината на ламарината. Ако този радиус е твърде малък, набраздаването около фланшовата зона става по-явно, а пукнатините възникват поради рязка промяна в посоката на течащия метал.

Радиусът на матрицата представлява различен предизвикателство спрямо радиуса на пуансона. Тук металът се огъва около външен ъгъл, докато е подложен на компресия от налягането на държача на заготовката. Недостатъчен радиус причинява:

• Твърде голямо триене и образуване на топлина
• Повърхностни драскотини и залепване
• Локално разкъсване при прехода на радиуса
• Увеличени изисквания за силата на изтегляне

Твърде голям радиус на матрицата обаче намалява ефективната площ на контакт с държателя на заготовката и допуска преждевременно освобождаване на материала от фланцевата зона, което предизвиква набръчкване.

Спецификации за радиус според дебелина на материала

Следната таблица съдържа конкретни препоръки за операциите по дълбоко изтегляне при често срещани диапазони дебелина на материала:

Диапазон на дебелина на материала	Препоръчителен радиус на пуансона	Препоръчителен радиус на матрицата	Бележки относно корекциите
0,010" - 0,030" (0,25-0,76 мм)	6-10 × дебелина	8-10 × дебелина	Тънките дебелини изискват по-големи кратности на радиуса, за да се предотврати скъсване
0.030" - 0.060" (0.76-1.52mm)	5-8 × дебелина	6-10 × дебелина	Стандартен обхват за повечето приложения
0.060" - 0.125" (1.52-3.18mm)	4-6 × дебелина	5-8 × дебелина	По-дебелите материали понасят по-малки кратности
0.125" - 0.250" (3.18-6.35mm)	4-5 × дебелина	5-6 × дебелина	Голяма дебелина; предвидете няколко изтегляния за дълбоки части

Видът на материала също влияе върху тези спецификации. Неръждаемата стомана обикновено изисква радиуси в горния край на всеки диапазон поради склонността ѝ към упрочняване при пластична деформация. Мек алуминий и мед могат да използват стойности към долния край.

Съотношение между зазора на матрицата и дебелината на материала

Освен радиусите, зазорът между пуансона и матрицата има решаващо значение за движението на материала. Според указанията за проектиране за производство (DFM) в Уикипедия, зазорът трябва да е по-голям от дебелината на метала, за да се избегне концентрация на метал в горната част на кухината на матрицата. Въпреки това, зазорът не бива да е толкова голям, че движението на метала да стане неконтролирано, което води до набръчкване на стените.

Практическо ръководство за зазора при изтегляне:

Зазор = Дебелина на материала + (10% до 20% от дебелината на материала)

За материал с дебелина 0,040", зазорът ще бъде в диапазона от 0,044" до 0,048". Това осигурява достатъчно пространство за естественото уплътняване на страничната стена, като в същото време запазва достатъчно ограничение, за да се предотврати огъване.

Някои операции целенасочено намаляват зазора, за да „изгладят“ страничната стена, което води до по-еднородна дебелина и по-добро повърхностно качество. Както обяснява Hudson Technologies, инструментите могат да бъдат проектирани така, че целенасочено да отслабват или изглаждат страничните стени повече от естествената тенденция, като по този начин се добавя размерна стабилност и се получава визуално по-привлекателен корпус.

Съображения за радиуса на ъглите при нецилиндрични части

Правоъгълни и квадратни дълбоко изтеглени части внасят допълнителна сложност. Вътрешните ъглови радиуси стават най-критичния проектен параметър. Според Hudson Technologies , общото правило е: дебелината на материала, умножена по два, е равна на най-малкия постижим ъглов радиус. По-големите ъглови радиуси са желателни и могат да намалят необходимия брой изтегляния.

Могат да се направят изключения чрез допълнителни операции по изтегляне, за да се намали още повече ъгловият радиус, но трябва да се действа внимателно. При достигане на границите на ъгловия радиус може да се наблюдава увеличено отслабване на материала и изкривяване на съседните странични стени.

За неокръглени части, имайте предвид следните насоки:

• Минимален вътрешен ъглов радиус = 2 × дебелина на материала (абсолютен минимум)
• Препоръчителен вътрешен ъглов радиус = 3-4 × дебелина на материала (намалява броя етапи при изтегляне)
• Радиус на долния ъгъл = Следвайте препоръките за радиуса на пуансона (4-10 × дебелина)

Модификации на радиуса при последващи операции по изтегляне

Когато детайлът изисква няколко етапа на изтегляне, спецификациите за радиуса се променят между отделните операции. Инструментите за първоначално изтегляне обикновено използват по-големи радиуси, за да се намали втвърдяването при деформация и да се осигури добро течение на материала. При последващите изтегляния могат да се прилагат все по-малки радиуси, тъй като детайлът доближава окончателните си размери.

Често срещана прогресия:

• Първо изтегляне - Радиус на матрицата 8-10 × дебелина; радиус на пуансона 6-8 × дебелина
• Второ изтегляне - Радиус на матрицата при 6-8 × дебелина; радиус на пуансона при 5-6 × дебелина
• Окончателно изтегляне - Радиус на матрицата при 5-6 × дебелина; радиус на пуансона при 4-5 × дебелина

Ако се извърши термична обработка между изтеглянията, можете да върнете по-агресивни радиуси, тъй като накърняването от формоване е премахнато. Без междинно термично лечение, всяко следващо изтегляне се извършва върху още по-твърд материал, което изисква по-консервативни радиуси, за да се предотврати пукане.

След като сте задали радиусите и зазорините на инструмите, следващото, което трябва да се вземе предвид, е колко етапа на изтегляне са необходими за детайла и как да се разпределят процентите на намаляване през тези операции.

Планиране на многостепенни операции по изтегляне и последователност на намалявания

Вече сте определили коефициентите на изтегляне, изчислили размерите на заготовката и задали радиусите на инструментите. Сега идва въпросът, който разделя успешните проекти за дълбоко изтегляне от скъпоструващи провали: колко етапа на изтегляне всъщност са необходими за вашата детайл? Подценете нуждите – и ще разкъсате материала. Надценете – и губите средства за инструменти и време в цикъла.

Отговорът се крие в системно планиране на редукциите. Като Библиотеката за производство обяснява, ако процентното намаление надвишава 50%, трябва да планирате операции по повтаряне на изтеглянето. Но това е само отправна точка. Свойствата на материала, геометрията на детайла и изискванията за производство всички влияят върху решението за етапите.

Изчисляване на необходимите етапи на изтегляне

Съотношението дълбочина-диаметър дава първия индикатор за сложността на етапите. Плоски части със съотношение под 0,5 обикновено се оформят с едно изтегляне. Но какво се случва, когато произвеждате дълбоки цилиндрични черупки, кутии за батерии или наляганеустойчиви съдове със съотношение дълбочина-диаметър над 2,0?

Следвайте този систематичен подход, за да определите изискванията си за стъпково изтегляне:

1. Определете необходимото общо намаление - Изчислете процентното намаление от диаметъра на заготовката до крайния диаметър на детайла, като използвате формулата: Намаление % = (1 - Dp/Db) × 100. Например, заготовка с диаметър 10 инча, оформяща чаша с диаметър 4 инча, изисква общо намаление от 60%.
2. Приложете ограничения за намаление според материала за всяка стъпка - Вземете предвид максималното допустимо намаление при първоначалното изтегляне за вашия материал (обикновено 45-50% за въглеродна стомана, 40-45% за неръждаема стомана). При последващи изтегляния се допускат по-малки намаления: 25-30% за второ изтегляне, 15-20% за трето изтегляне.
3. Планирайте междинно отпускане при нужда - Когато сумарното намаление надхвърли прага на упрочняване при деформация за вашия материал (30-45%, в зависимост от сплавта), планирайте термично отпускане между етапите, за да се възстанови дуктилността.
4. Проектирайте станции за прогресивни матрици - Свържете всеки етап на намаление с конкретна станция на матрицата, като отчетете манипулирането на материала, изискванията за смазване и точките за контрол на качеството.

Разгледайте един практически пример за дълбоко изтегляне: имате нужда от чаша с диаметър 3 инча и дълбочина 6 инча, изработена от нисковъглеродна стомана с дебелина 0,040 инча. Отношението на дълбочината към диаметъра е 2,0, което е далеч над възможностите за едноетапно изтегляне. Като се върнете назад от окончателните размери, може да планирате три етапа със съответно 48%, 28% и 18% намаление.

Планиране на намаленията през прогресивни операции

След като сте определили броя на етапите, правилното последователно разпределение на намаленията става от решаващо значение. Първото изтегляне извършва основната работа, докато следващите изтегляния усъвършенстват геометрията и постигат окончателните размери.

Ето какво разглеждат успешните операции за дълбоко изтегляне при всеки етап:

• Първо изтегляне - Създава цялата необходима повърхностна площ за готовата детайл. Тук се осъществява максимално намаление (обикновено 45–50%). Радиусите на инструмите са най-щедро избрани, за да се минимизира втвърдяването при натоварване.
• Второ изтегляне (преизтегляне) - Намалява диаметъра с 25-30%, като увеличава дълбочината. Материалът е навлякъл твърдост от първата операция, поради което силите нарастват, въпреки по-малките проценти на намаление.
• Трето и последващи изтегляния - Допълнителни намаления на диаметъра с 15-20% на етап. Оценете дали е необходимо отпускане въз основа на натрупаната деформация.

Според Библиотеката за производство , когато проектирате междинни форми, трябва да зададете повърхнините на заготовката, междинните части и крайното изтегляне да бъдат равни. Този принцип на постоянство на обема гарантира, че разпределяте съществуващия материал, а не се опитвате да създадете нова повърхнина.

Когато влезе в уравнението изглаждането

Понякога изискванията ви за производство чрез дълбоко изтегляне изискват стени с дебелина, по-малка от тази, която се получава при стандартното изтегляне. Тук идва ред на изглаждането. При стандартното дълбоко изтегляне стените естествено леко се уплътняват, докато материалът се компримира навътре. Изглаждането обръща този ефект, като целенасочено намалява зазора между пуансона и матрицата, за да отслаби стените.

Помислете за включване на изглаждане, когато:

• Еднородността на дебелината на стената е от решаващо значение за вашето приложение
• Необходими са ви стени по-тънки от първоначалната дебелина на заготовката
• Изискванията за повърхностната обработка изискват ефекта на изглаждане, който осигурява изравняването
• Постоянството на размерите по време на производствените серии е от първостепенно значение

Изравняването обикновено се извършва на последния етап на изтегляне или като отделна операция след изтеглянето. Този процес добавя размерна стабилност и осигурява по-естетично привлекателна повърхност, но изисква допълнителни инвестиции в инструменти и внимателно изчисляване на силите.

Прогресивни матрици срещу матрици с трансферна конфигурация

Вашата схема за стъпково производство трябва да отговаря на конфигурацията на пресата. Съществуват два основни варианта за многопозиционно дълбоко изтегляне: прогресивни матрици и трансферни матрици. Всяка от тях предлага свои предимства в зависимост от геометрията на детайла и обема на производството.

Според Die-Matic, при щамповката с постепенно въртящ се инструмент се използва непрекъсната метална лента, подавана през множество станции, където операциите се извършват едновременно. Този подход е отличен за производство в големи серии на по-прости геометрии. Лентата автоматично запазва позиционирането на детайлите, намалявайки сложността при работа с тях.

При щамповката с прехвърляне, напротив, отделни заготовки се преместват между станциите чрез механични или хидравлични системи за прехвърляне. Както пояснява Die-Matic, този метод е най-подходящ за сложни части, изискващи множество формовъчни операции или дълбоко изтегляне. Цикличният характер на процеса позволява прецизен контрол върху потока от материал на всяка станция.

Конфигурация	Най-добър за	Ограничения	Типични приложения
Прогресивна форма	Големи серии, по-прости геометрии, тънки материали	Ограничена дълбочина на изтегляне, ограничения по ширина на лентата	Електронни компоненти, малки корпуси, плитки чаши
Трансферен шанец	Сложни части, дълбоко изтегляне, тесни допуски	По-бавни цикли, по-голяма сложност на инструментите	Автомобилни панели, съдове под налягане, дълбоки цилиндрични черупки

При дълбоки изтегляния с отношение на дълбочина към диаметър, надвишаващо 1,0, обикновено по-добри резултати осигуряват преносни матрични конфигурации. Възможността точно да се позиционират заготовките на всяка станция позволява контролирания поток на материала, който е от съществено значение при многостепенни операции. Прогресивните матрици дават добри резултати, когато първото изтегляне постига голяма част от необходимата дълбочина, а последващите станции извършват тримване, пробиване или незначителни оформящи операции.

След като сте определили плана за стъпковост и конфигурацията на матрицата, следващият важен фактор е изчисляването на силите на държача на заготовката, които предотвратяват набраздаване, без да причиняват прекомерно триене, което води до разкъсване.

Изисквания за сила на държача на заготовката и регулиране на налягането

Вие сте планирали етапите на изтегляне и сте избрали конфигурацията на матрицата. Сега идва параметърът, който изисква прецизна калибриране: сила на държача на заготовката. Приложете твърде малко налягане и компресионните напрежения ще накарат фланеца да се набразди. Приложете твърде голямо и триенето ще попречи на материала да тече, което ще разкъса детайла в близост до носа на пуансона. Намирането на баланс изисква разбиране както на участващата физика, така и на променливите, които можете да контролирате.

Държачът на заготовката има една основна функция: задържане на областта на фланеца, като позволява контролирано течение на материала в полостта на матрицата. Според Модела за разходи при дълбоко изтегляне на FACTON , площта на държача на заготовката представлява материала, който трябва да бъде задържан по време на дълбокото изтегляне, за да се избегнат набраздявания. Налягането, приложено към тази област, комбинирано с триенето, създава съпротивлението, което контролира как металът навлиза в процеса на формоване.

Формули и променливи за налягане на държача на заготовката

Изчисляването на подходящата сила за държача на заготовката не е предположение. Връзката между налягане, свойствата на материала и геометрията следва установени принципи. Ето основния подход:

Сила на държача на заготовка = Площ на държача на заготовка × Налягане на държача на заготовка

Звучи просто? Сложността се крие в определянето на правилната стойност на налягането. Множество фактори влияят на необходимото налягане на държача на заготовка:

• Прочност на материал - Материали с по-висока якост на опън изискват по-голяма управляваща сила, за да се контролира течащостта. Както отбелязва FACTON, якостта на опън директно влиза в изчисленията за налягане на държача на заготовка.
• Диаметър на заготовката - По-големите заготовки създават по-големи компресионни сили във фланцевата зона, което изисква пропорционално по-високо ограничение.
• Дълбочина на изтегляне - По-дълбокото изтегляне изисква поддържане на налягането през по-дълъг ход, което влияе както на големината на силата, така и на конструкцията на системата.
• Коефициент на триене - Качеството на смазването директно влияе колко сила се преобразува в ограничаване на материала спрямо генериране на топлина.
• Коефициент на изтегляне - По-високите съотношения концентрират по-голямо компресионно напрежение в фланеца, което изисква увеличено налягане за задържане.

Често използвана начална формула за налягане на заготовката е в диапазона от 0,5 до 1,5 MPa за мека стомана, като се правят корекции според конкретния материал и геометрия. Неръждаемата стомана обикновено изисква по-високи стойности на налягане поради свойствата ѝ за упрочняване при студена обработка. Алуминиевите и медните сплави често работят добре при по-ниски налягания.

Самото изчисление на площта на държача на заготовката зависи от размера на заготовката и геометрията на матрицата. По същество се изчислява пръстеновидната област между отвора на матрицата и ръба на заготовката. Когато дълбочината на изтеглянето нараства, тази площ намалява, което обяснява защо системите с променливо налягане предлагат предимства при дълбоко изтегляне.

Балансиране на предпазването от набръчкване с риска от скъсване

Според проучване, публикувано в CIRP Annals , преобладаващите начини на повреда при дълбоко изтегляне са образуването на гънки и скъсване, и в много случаи тези дефекти могат да бъдат елинирани чрез подходящ контрол на силата на задържане на заготовката. Този извод подчертава защо калибрирането на силата на задържане на заготовката представлява толкова критичен параметър при проектирането.

Ето каква е физиката на процеса: по време на дълбоко изтегляне чрез метално щамповане, възникват циркумферентни компресивни напрежения във фланеца, докато материалът се движи радиално навътре. Без адекватно стесняване, тези напрежения причиняват фланеца да се изкриви нагоре, създавайки гънки. В същото време, прекомерното стесняване попречва напълно на материалът да се движи, като опънните напрежения в близост до матрицата надхвърлят якостта на материала, което води до скъсвания.

Проучването отбелязва, че гофрирането на стената е особено предизвикателно, тъй като листът не се поддържа от инструмента в този регион. Овладяването на гофрирането по стената чрез контрол на силата на държача на заготовката е по-трудно от предотвратяването на гофриране по фланеца. Това означава, че налягането трябва да се настройва с оглед на местата, където най-вероятно ще възникнат дефекти.

Как да разберете, че налягането на държача на заготовката е неправилно? Обърнете внимание на следните диагностични показатели:

• Модели на гофриране - Окръжни гънки в зоната на фланеца сочат недостатъчно налягане; гофриране по стената сочи по-сложни проблеми с контрола на теча
• Ръбно разкъсване - Пукнатини, започващи от ръба на заготовката, сигнализират за прекомерно триене поради твърде високо налягане
• Неравна дебелина на стената - Асиметрични модели на изтъняване показват нееднородно разпределение на налягането по повърхността на държача на заготовката
• Повърхностно набраздяване - Забележими следи от задиране по фланеца сочат прекомерно налягане в комбинация с недостатъчно смазване
• Пуансонен Нос Разкъсване - Пукнатини в близост до дъното на чашата показват, че материалът не може да тече достатъчно свободно, за да намали опънните напрежения

Ако забелязвате гънки, инстинктът ви може да е рязко да увеличите налягането. Устоявайте на това изкушение. Стъпкови корекции с 10-15% ви позволяват да достигнете оптималното налягане, без да го надвишите и да предизвикате разкъсване.

Системи с променливо налягане на държача на заготовката

За сложни металически части при дълбоко изтегляне постоянното налягане по цялата дължина на хода често се оказва недостатъчно. Както обяснява The Fabricator, системите за електронно регулиране предлагат най-голяма гъвкавост при контрола на заготовката и металния поток при операциите по дълбоко изтегляне. Тези системи позволяват налягането на държача на заготовката да се регулира навсякъде по периметъра на изтеглената форма и във всеки момент по време на хода на пресата.

Защо е важно променливото налягане? Помислете какво се случва по време на изтегляне:

• В началото на хода цялата площ на заготовката изисква ограничаване, за да се предотвратят гънки
• Докато материалът навлиза в матрицата, площта на фланеца постепенно намалява
• Поддържането на постоянна сила върху намаляваща площ означава, че ефективното налягане се увеличава
• Това нарастващо налягане може да попречи на материала да тече по време на критичната последна част от изтеглянето

Системите с променливо налягане решават този проблем, като намаляват силата по време на изтеглянето, поддържайки оптимално налягане, а не оптимална сила. Според The Fabricator, тези системи могат също да компенсират промените в дебелината на метала, които възникват по време на процеса на изтегляне, като по този начин отпада необходимостта от работещо петно върху държача на заготовката.

Изисквания за матрични възглавници и алтернативи на азотни пружини

Силата върху държача на заготовката трябва да идва отнякъде. Съществуват три основни варианта, всеки с различни характеристики за приложения при дълбоко изтегляне на метални шемати.

Пресови възглавници представляват традиционния подход. Както отбелязва The Fabricator, хидравличните въздушници могат да прилагат изключително големи сили за задържане на заготовката, необходими при издърпване на детайли като капаци на автомобили и външни панели на врати. Тези системи осигуряват сила чрез въздушни или въздушници, които предават налягане равномерно по цялата повърхност на държача на заготовката.

Въпреки това, въздушниците изискват постоянен контрол при поддръжката. The Fabricator предупреждава, че ако въздушните щифтове са повредени, навити или неравни, може да възникне деформация на обхвата, която води до лошо прилягане между лицето на матрицата и държача на заготовката и може да причини загуба на контрол върху метала. По същия начин вдлъбнати или мръсни повърхности на въздушниците компрометират равномерността на налягането, независимо от точността на щифтовете.

Азотни пружини предлагат самостоятелна алтернатива, която се монтира директно в матрицата. Тези цилиндри, заредени с газ, осигуряват постоянна сила по цялата дължина на хода и не изискват външен източник на налягане. За прецизни операции като оформяне на метал, класоване и подобни, азотните пружини осигуряват възпроизводимост, която понякога пневматичните системи не могат да постигнат.

Предимствата на азотните пружини включват:

• Компактна инсталация в структурата на матрицата
• Постоянен изходен силен независимо от състоянието на буфера на пресата
• Лесна замяна и поддръжка
• Предвидимо представяне при серийното производство

Каква е компромисната цена? Азотните пружини имат фиксирани силови характеристики. Не можете да регулирате налягането по време на хода, без да смените спецификациите на пружината. За детайли, изискващи променливи профили на силата на държача на заготовката, системите с буфер на пресата с програмируем контрол предлагат по-голяма гъвкавост.

Цилиндри за повдигане на складов материал представляват друга опция, особено за приложения с напредващи матрици. Според The Fabricator, тези готови за инсталиране газови пружини могат да абсорбират по-голямо странично натоварване и износване в сравнение с обикновените цилиндри. Те идват с предварително нарязани отвори за монтаж на релси за заготовки, което опростява изграждането на матриците.

При избора на система за налягане, съгласувайте сложността с изискванията. Не инвестирайте в скъпи електронни системи за регулиране, когато простите азотни пружини са достатъчни. Обратно, не очаквайте успешно изтегляне на сложни геометрии с базови уретанови системи за налягане, които нямат необходимата сила и прецизност на контрол за изискващи приложения.

С правилно калибрирана сила на държача на заготовката, сте в позиция да произвеждате последователни детайли. Но какво се случва, когато все пак възникнат дефекти? Следващата секция предоставя систематични подходи за диагностика и отстраняване на гънки, разкъсвания и проблеми с качеството на повърхността, които предизвикват дори добре проектирани инструменти.

Отстраняване на дефекти при дълбоко изтегляне и анализ на основните причини

Вече сте калибрирали силата на държача на заготовката, задали сте радиусите на инструмента и планирали стъпковата последователност. Въпреки това все още се появяват дефекти по детайлите. Какво не е наред? Отговорът се крие в систематичната диагностика. Всяка гънка, скъсване и повърхностен дефект разказват история за вашия процес. Научаването да разчитате тези модели на повреди превръща досадния брак в полезна информация за подобряване на конструкцията на матриците.

Дефектите при дълбоко изтеглено штамповане попадат в предвидими категории, като всяка от тях има характерни визуални признаци и основни причини. Според Metal Stamping O , повечето проблеми при дълбоко изтеглено штамповане идват от комбинация от дефекти на инструментите и проектирането. Чрез изследване на готовия продукт обученото око може ясно да разкаже история за качеството на процеса. Вашата задача е да развие това обучено око.

Диагностика на гънки и скъсвания

Гофрирането и разкъсването представляват противоположни краища на спектъра от движение на материала. Гофрите показват неконтролирана компресия. Разкъсванията сочат прекомерно напрежение. Разбирането на това къде всеки дефект се появява върху детайла Ви, сочи директно към причиняващия го параметър в конструкцията на матрицата.

Диагностика на гофриране: Къде се образуват гофрите върху детайла Ви? Гофри на фланеца, появяващи се на ръба на заготовката, обикновено сочат недостатъчно налягане на държача на заготовката. Както обяснява Metal Stamping O, ако държачът е неуравновесен, прекалено стегнат или ако заготовката има заострен ръб (буркане) по ръба за фиксиране, металът няма да се деформира правилно, образувайки характерни гофри по горния ръб. Гофри по страничната стена, възникващи в неподдържаната област между държача на заготовката и пуансона, сочат прекомерен зазор или недостатъчен радиус на матрицата.

Решения за дефекти от гофриране:

• Увеличете налягането на държача на заготовката постепенно (с корекции от 10-15%)
• Проверете паралелността на държача на заготовката и отстранете всякакво накланяне
• Проверете ръбовете на заготовката за буркане, които попречват на правилното поставяне
• Намалете междината за по-добра подкрепа на стената
• Потвърдете равномерното разпределение на налягане по цялата повърхност на държача на заготовка
• Разгледайте използването на тегловни ребра, за да увеличите материалното ограничение в проблемни зони

Диагностика на скъсвания: Мястото на скъсване показва източника на концентрация на напрежение. Пукнатини близо до носа на матрицата показват, че материалът не може да тече достатъчно свободно, за да намали опънното напрежение. Според Анализа на дефектите в ламаринения метал на AC , прекомерните сили за формоване на метал от матриците довеждат до прекомерна деформация, скъсвания и пукнатини в щампосаните части.

Ръбните скъсвания, идващи от периферията на заготовката, предполагат различни проблеми. Metal Stamping O отбелязва, че пукнатините от дъното се дължат основно на състоянието на заготовката и държача на заготовка. Надрасквания или залепване по повърхността могат да намалят потока на материала към матрицата, което води до образуване на пукнатини в дъното на купата.

Решения за дефектите от скъсване:

• Намалете налягането на държача на заготовка, за да се позволи по-свободно течение на материала
• Увеличете радиуса на носа на пуансона, за да разпределите напрежението в по-голяма област
• Увеличете радиуса на входа на матрицата, за да намалите триенето по време на прехода на материала
• Проверете дали зазоринът между пуансон и матрица не е твърде малък за дебелината на Вашия материал
• Подобрете смазването, за да намалите опънното напрежение, предизвикано от триене
• Помислете за отпускане, ако усилването при работа от предишни операции е намалило ковкостта
• Намалете коефициента на изтегляне, като добавите допълнителни етапи на изтегляне

Решаване на проблеми с ушите и качеството на повърхността

Не всички дефекти включват катастрофално разрушаване. Ушите водят до неравномерна височина на чашата, което изисква прекомерно тримване. Повърхностните дефекти компрометират външния вид и могат да повлияят на функцията на детайла. И двете се дължат на контролируеми процесни параметри.

Обяснение на явлението уши: Когато разгледате изтеглена чаша и забележите, че височината на ръба варира по периметъра, Вие виждате образуването на уши. Както обяснява Breaking AC, дефектът уши се отнася за неравномерна височина по ръба на изтегления детайл. Основната причина е пренебрегването на съвместимостта между работния инструмент и материала.

Въпреки това, материалната анизотропия играе първостепенна роля. Листовият метал от процесите на валцоване притежава насочени свойства. Зърната се удължават в посоката на валцоване, което създава различни механични свойства при 0°, 45° и 90° спрямо тази посока. При дълбокото изтегляне на метала, материала се деформира по-лесно в някои посоки отколкото в други, като се образуват характерни „уши“ на предвидими ъглови позиции.

Стратегии за намаляване на образуването на уши:

• Избиране на материали с ниски стойности на плоска анизотропия (r-стойност, близка до 1,0 във всички посоки)
• Използване на разработени форми на заготовки, които компенсират разликите в насочения поток
• Увеличаване на допуска за рязане, за да се компенсира очакваната вариация във височината на ушите
• Прилагане на кръстосано валцовани материали за критични приложения
• Регулиране на налягането на държача на заготовката, за да се повлияе равномерността на теча

Проблеми с качеството на повърхността: Драскотини, залепване, текстура като на портокалова кора и линии от матрицата сочат конкретни проблеми в процеса. Залепването възниква при недостатъчно смазване, което позволява метал към метал контакт между заготовката и инструментите. Текстурата като на портокалова кора сочи прекомерен растеж на зърнестостта вследствие прегряване или материал с неподходяща зърнеста структура за дълбочината на изтеглянето.

Решения за повърхностни дефекти:

• Подобрете качеството и покритието на смазването, особено в зоните с високо триене
• Полирайте повърхностите на матрицата и пуансона, за да намалите триенето и да предотвратите залепване на материала
• Изберете подходяща инструментална стомана и повърхностни обработки за вашия вид материал
• Проверете дали размерът на зърното на материала е подходящ за тежестта на изтеглянето
• Проверете за остатъци или замърсявания по повърхностите на държача на заготовката и матрицата
• Помислете за защитни филми при части, изискващи безупречна повърхност

Комплексна таблица с референтни дефекти

Следващата таблица обобщава диагностицирането на дефекти във формат за бързо справяне при дълбоко изтегляне на въглеродна стомана, неръждаема стомана и други чести материали:

Вид на дефекта	Визуални индикатори	Основни причини	Коригиращи мерки
Гофриране на фланеца	Окръжни гънки по ръба на заготовката; вълниста повърхност на фланеца	Недостатъчно налягане на държателя на заготовката; нецентриране на държателя; заострени ръбове по заготовката	Увеличете силата на държача (BHF); проверете успоредността на държателя; премахнете заострените ръбове от заготовките; добавете изтеглящи ролки
Гофриране на страничната стена	Гънки по страничната стена на купата между фланеца и носа на пуансона	Твърде голям зазор в матрицата; недостатъчен радиус на матрицата; тънък материал	Намалете зазора; увеличете радиуса на матрицата; разгледайте възможността за изравняваща операция
Пуансонен Нос Разкъсване	Пукнатини, започващи от радиуса на дъното на купата	Радиусът на пуансона е твърде малък; надвишено отношение при изтегляне; прекомерна сила на държача (BHF); недостатъчно смазване	Увеличете радиуса на пуансона; добавете стъпка при изтегляне; намалете BHF; подобрете смазването
Ръбно разкъсване	Пукнатини, започващи от периферията на заготовката	Прекомерно налягане от държателя на заготовката (BHF); ръбове с накъсвания по ръба на заготовката; залепване върху държателя на заготовката	Намалете BHF; премахнете накъсванията по заготовките; полирате държателя на заготовката; подобрете смазването
Образуване на уши	Неравна височина на ръба на купата; характерни върхове през 45°	Плоска анизотропия на материала; непостоянно налягане от държателя на заготовката	Изберете изотропен материал; използвайте развити заготовки; увеличете допуска за тримване
Неравна дебелина на стената	Локализирани тънки участъци; асиметрично разпределение на дебелината	Нецентрираност между матрица и пуансон; нееднородно BHF; вариации в материала	Подравняване на инструментите; проверка за еднородност на налягането на халката; проверка за съгласуваност на материала
Залепване/драскотини	Линейни драскотини; залепване на материал върху инструментите	Недостатъчно смазване; несъвместим материал на инструмента; прекомерно налягане	Подобряване на смазката; нанасяне на повърхностни покрития; намаляване на контактното налягане
Апелсинова кора	Грапава, структурирана повърхност, напомняща цитрусова кожа	Прекомерна големина на зърното; прекомерно отпускане; сериозна деформация	Уточняване на материал с по-фини зърна; контрол на параметрите при отпускането
Връщане след извиване	Размерите на детайла се различават от геометрията на матрицата; стените извити навън	Еластично възстановяване след формоване; високопрочни материали	Прекомерно огъване на инструмента за компенсация; увеличаване на времето за задържане в долната точка на хода

Систематичен диагностичен подход

Когато възникнат дефекти при дълбоко изтегляне на стомана или други материали, сдържайте се от правенето на множество едновременни корекции. Вместо това, следвайте методичен процес:

1. Проверете точно местоположението на дефекта - Документирайте точно къде върху детайла се появява дефектът. Снимайте модела на повредата за справка.
2. Анализирайте модела на повредата - Дали е симетричен или локализиран? Дали се появява на постоянни ъглови позиции? Дали се проявява на една и съща позиция на хода?
3. Проследете към параметъра на матрицата - Използвайте таблицата с дефекти по-горе, за да определите вероятните основни причини, базирани на тип и местоположение на дефекта.
4. Правете корекции с единична променлива - Променяйте само един параметър наведнъж, за да се изолира ефектът. Документирайте всяка корекция и резултата.
5. Проверете стабилността на корекцията - Пуснете достатъчно части, за да потвърдите, че поправката работи последователно в серийното производство, а не само на няколко пробни екземпляра.

Според Metal Stamping O , получаването на познания за метода за дълбоко изтегляне, както и разбирането как се анализира готова детайл, е от съществено значение за процеса на вземане на решения. Тази диагностична способност се оказва безценна както при първоначалното развитие на матриците, така и при отстраняване на неизправности по време на производството.

Имайте предвид, че някои дефекти взаимодействат. Увеличаването на силата на държача на заготовката, за да се премахнат гънките, може да насочи процеса към скъсване. Целта е да се намери работният диапазон, в който се избягват и двата вида откази. При трудни геометрии този диапазон може да е тесен, което изисква прецизни системи за управление и постоянни свойства на материала.

С установените основи на отстраняване на неизправности, съвременното проектиране на матрици все повече разчита на симулационни инструменти за прогнозиране и предотвратяване на дефекти преди рязането на стоманата. Следващата секция разглежда как CAE анализът потвърждава вашите проектни решения и ускорява пътя към производствено готови инструменти.

Интеграция на CAE симулация за валидиране на съвременно проектиране на матрици

Овладяхте коефициентите на изтегляне, зададохте радиусите на инструментите и придобихте експертност в отстраняването на неизправности. Но представете си, че можете да предвидите всеки дефект, преди да сте отрязали един-единствен парче инструментална стомана. Точно това предоставя CAE симулацията. Съвременното проектиране на штампи за листова метална обработка се е развило далеч от метода проба-грешка. Анализът чрез крайни елементи сега валидира вашите проектни решения виртуално, като идентифицира проблеми с гънки, скъсвания и отслабване, докато матрицата съществува само като цифрова геометрия.

Защо това има значение за вашите дълбоки изтегляния? Според проучване, публикувано в International Journal of Engineering Research & Technology , намаляването на броя изпитания директно влияе на цикълното време за развитие. По-кратко цикълно време може да се планира чрез подходящо използване на софтуерни инструми, които предсказват резултатите от изпитанията, без да ги провеждат в действителност. Симулацията, предложена по време на процеса на щампиране, осигурява важни прозрения за модификации, необходими в конструкцията на матри и компонент.

Интегриране на симулация във валидирането на конструкцията на матри

Анализът с крайни елементи трансформира работния процес на конструкцията на матри за метално щампиране от реактивен в предиктивен. Вместо да изграждате инструменти, да провеждате изпитания, да откривате дефекти, да модифицирате стоманата и да повтаряте процеса, вие итерирате цифрово, докато симулацията потвърди успеха. Само тогава се ангажирате с физически инструменти.

Физиката зад симулацията на дизайна при штамповане включва разделянето на заготовката на хиляди елемента, като всеки проследява напрежението, деформацията и преместването, докато виртуалният пуансон напредва. Софтуерът прилага механичните свойства на материала, коефициентите на триене и граничните условия, за да изчисли как всеки елемент се деформира по време на хода.

Какво може да предвиди симулацията, преди да сте изградили нещо?

• Шаблони на материалното течение - Визуализирайте точно как металът се движи от фланеца в полостта на матрицата, като идентифицирате зони с прекомерно компресиране или опъване
• Разпределение на отслабването - Проследяване на промените в дебелината по цялата част, за да се установят потенциални зони на повреда, преди да доведат до брак
• Склонност към гофриране - Откриване на компресионно изкъртване във фланци и неподдържани странични области, които биха изисквали модификации на инструментите
• Прогноза за връщане след формоване - Изчисляване на еластичното възстановяване след формоване, за да се проектира компенсация в геометрията на матрицата
• Оптимизация на силата на държача на заготовка - Определяне на идеални профили на налягане, които предотвратяват както набръчкване, така и разкъсване
• Ефективност на протягането - Тестване на конфигурациите за ограничаване във виртуална среда, преди да бъдат направени промени по инструментите

Проучването потвърждава, че този подход работи. Както се отбелязва в изследването на IJERT, виртуалната валидация на матрицата чрез софтуер за симулации трябва да отстрани дадени проблеми още в етапа на проектиране. Докато матрицата се произвежда, пробите и тестовете решават валидирането, като физическият инструмент се изпробва за проверка на качеството на компонента.

Разбиране на диаграмите за граница на формоване

Сред резултатите от симулациите диаграмата за граница на формоване е най-мощният инструмент за прогнозиране на дефекти. Според Симулация на штамповане , основната цел на всяка симулация на формоване е да се провери как се държи материала преди изработването на штамповия инструмент. Първоначално проект за дипломна работа през 1965 г., целта на FLD е била да се определи какво предизвиква локализирано стесняване и разделяне при формоването на листови метали и дали разделянето може да бъде предвидено напред.

Ето как работи FLD анализът: симулацията изчислява деформацията в две посоки (голяма и малка ос) за всеки елемент от формирания компонент. Тези двойки деформации се нанасят като точки върху графика. Кривата на граница на формоване, уникална за конкретния материал и дебелина, разделя безопасната област от зоните на повреда.

Какво ви показва FLD диаграмата за настройката на вашите преси за дълбоко изтегляне?

• Точки под кривата - Безопасни условия на формоване с достатъчен запас
• Точки, приближаващи се към кривата - Зона на риск, изискваща внимание при проектирането
• Точки над кривата - Повредата е сигурна; ще се появят пукнатини в тези места
• Точки в компресионната зона - Склонност към гофриране, която може да изисква увеличено налягане на държача на заготовката

Както пояснява референцията за симулация на штамповане, кривата на гранично формоване се определя предимно от n-стойността и дебелината на даден материал. Резултатите илюстрират изчислени области на пластична деформация, степента на стесняване и зони под компресия, където могат да възникнат гънки и набръчквания. С тази информация могат да бъдат предприети мерки за коригиране на дизайна на матрицата, преди да бъде нарязана стоманата.

От CAE анализ до инструменти, готови за производство

Симулацията не заменя физическата валидация. Тя ускорява процеса ви към успешна физическа валидация. Работният поток следва итеративен цикъл на оптимизация:

1. Създаване на първоначален дизайн на матрицата - Разработване на геометрия въз основа на изчислени коефициенти на изтегляне, спецификации за радиуси и размер на заготовката
2. Пускане на симулация на формоване - Прилагане на свойства на материала, коефициенти на триене и параметри на процеса
3. Анализ на резултатите - Преглед на FLD графики, карти на разпределение на дебелината и индикатори за набръчкване
4. Идентифициране на проблемни области - Откриване на елементи, надхвърлящи безопасните граници или приближаващи се към праговете на повреда
5. Модифициране на проектните параметри - Регулиране на радиуси, междинни разстояния, налягане на държача на заготовката или конфигурация на изтеглителните ребра
6. Повторно стартиране на симулацията - Проверка дали модификациите са отстранили проблемите, без да създават нови
7. Повтаряне до постигане на приемливо решение - Продължаване на оптимизацията, докато всички елементи попаднат в безопасните граници за формоване
8. Освобождаване за производство на инструменти - Пристъпване към физическо изграждане на матрицата с увереност

Според изследването на IJERT, матрицата би се считала за валидирана след проверка на физически пробни компоненти за наличие и степен на дефекти. Ниско срещане и последователност в желаните характеристики ще бъдат основата за валидиране. Симулацията значително намалява броя на итерациите, необходими за достигане на този етап на валидиране.

Ключови етапи за симулация в процеса на проектиране

Не всяко проектно решение изисква пълен анализ чрез симулация. Въпреки това, определени етапи се възползват значително от виртуална валидация:

• Проверка на разработката на заготовката - Потвърдете, че изчисленият размер на заготовката осигурява достатъчно материално количество без излишно отпадъчно образуване
• Възможност за първоначално изтегляне - Потвърдете, че първоначалното намаляване остава в границите на възможностите на материала
• Анализ на преходите при многоетапен процес - Потвърдете, че състоянието на материала между етапите на изтегляне остава подходящо за формоване
• Оценка на ъгловите радиуси - Проверете концентрацията на деформации при малки радиуси на некръгови части
• Компенсиране на възстановяване с пролетно действие - Изчисляване на огъване, необходимо за постигане на целевите размери
• Оптимизация на силата на държача на заготовка - Определяне на профили на налягане, които максимизират процесния прозорец
• Положение на тегловна лента - Тестване на конфигурации за ограничаване при сложни геометрии

Бележките на ресурса за симулация на щампиране посочват, че виртуалните кръгови мрежови графики могат да бъдат сравнени с реални експерименти с кръгови мрежи, за да се определи точността на симулацията. Тази корелация между виртуални и физически резултати укрепва доверието в симулация-ръководените проектиране.

Използване на професионални симулация-интегрирани услуги

Въпреки че софтуерът за симулация е станал по-достъпен, постигането на максимална стойност изисква експерти във възможностите на софтуера и задълбочени познания по процеса на дълбоко изтегляне. Компаниите за дълбоко изтегляне чрез щампиране се диференцират винаги повече чрез компетентност в симулация.

Какво трябва да търсите при производители на дълбоки штамповки от метал, предлагат услуги с интегрирана симулация? Показателят за одобрение от първи опит е конкретен критерий. Когато партньор по дизайн на матрици постига 93% одобрение от първи опит, вие виждате реалния резултат от проект, потвърден чрез симулация. Този процент директно означава по-кратко време за разработка, по-ниски разходи за модификация на инструменти и по-бързо влизане в производство.

Сертификатите за качество също имат голямо значение. Сертификатът IATF 16949 гарантира, че валидирането чрез симулация е част от по-широката система за управление на качеството с документирани процедури и последователно изпълнение. Самата симулация има стойност само ако е извършена правилно и с реалистични параметри.

За автомобилни приложения и други изискващи проекти за дълбоко изтегляне, професионални услуги по проектиране на матрици, които използват симулация преди рязането на стоманата, представляват стратегическо предимство. Решенията на Shaoyi за автомобилни штамповъчни форми демонстрират този подход, като комбинират напреднали възможности за компютърно моделиране (CAE) с бързо прототипиране за срок от само пет дни. Инженерният им екип осигурява инструменти, валидирани чрез симулации и съобразени с изискванията на производителите на оригинални оборудвания (OEM), което намалява скъпоструващите повторения, характерни за традиционното разработване по метода проба-грешка.

Проучването на IJERT заключава, че симулациите предоставят важни прозрения относно необходимите модификации в матрицата и компонента, за да се постигне опростена и продуктивна матрица. Обикновено за оформяща матрица се изискват прецизни проектни параметри, за да се гарантира гладко минаване през фазата на проби. Симулациите предоставят тези прецизни параметри преди да инвестираме във физически инструменти.

Когато възможностите за симулиране са интегрирани в работния процес на проектиране на матрици, Вие сте отстранили най-значимия източник на забавяния и разходи при разработката. Последният елемент от пъзела включва избора на подходящи материали за матриците и повърхностни обработки, които гарантират, че валидираният Ви дизайн ще осигурява последователна производителност при серийното производство.

Ръководство за избор на материали и обработки на повърхности

Вие сте валидирали конструкцията на матрицата чрез симулация и оптимизирали всеки параметър на формоване. Сега идва решението, което определя дали инструментът ще осигурява постоянни резултати за хиляди детайли или ще се повреди преждевременно: изборът на материал за матрицата. Материалите за пуансона, матрицата и държача на заготовката, които посочвате, директно влияят на скоростта на износване, качеството на повърхностния финиш и в крайна сметка на разходите ви за детайл през производствените серии.

Според ASM Handbook на металообработката , изборът на материал за матрица за дълбоко изтегляне има за цел производството на желаното качество и количество детайли с възможно най-ниски разходи за инструменти на детайл. Този принцип ръководи всяко решение за избор на материал, което ще вземете. Най-устойчивият към износване вариант не винаги е оптимален. Вие балансирате първоначалните разходи, изискванията за поддръжка и очаквания обем на производството.

Избор на инструментална стомана за компоненти на матрица за дълбоко изтегляне

Операциите за дълбоко изтегляне при металоштамповането подлагат инструментите на изключително тежки условия. Държачите на заготовки изпитват абразивен контакт при всеки ход. Пробойниците понасят компресионни натоварвания, като същевременно запазват прецизна геометрия. Матриците трябва да насочват потока на материала, като в същото време устояват на залепването, което възниква при контакт между подобни метали под налягане.

Какви фактори трябва да определят избора ви на стомана за инструменти? Помислете за следните променливи:

• Производствен обем - Прототипни серии с малък обем оправдават използването на различни материали в сравнение с автомобилни програми от милион части
• Материал на заготовката - Дълбокото изтегляне на неръждаема стомана причинява по-голям износ на инструментите в сравнение с въглеродна стомана или алуминий
• Сложност на част - Сложните геометрии концентрират напрежението в определени точки, което изисква по-висока устойчивост на износване
• Изисквания за повърхностна отделка - Декоративните части изискват инструменти, които запазват полирания си вид през целия производствен процес
• Възможности за поддръжка - Някои материали изискват специализирана топлинна обработка или шлифоване за възстановяване

Справочникът ASM за матрици при формоване под налягане разглежда производствените променливи, които влияят върху избора между черни, цветни метали и дори пластмасови материали за матрици. За приложения с дълбоко изтегляне на метал, инструменталните стомани доминират, но конкретният клас има огромно значение.

Материал на изработката	Приложение	Диапазон на твърдостта (HRC)	Устойчивост на износване	Най-добри случаи на употреба
D2 инструментална стомана	Матрици, пуансоны, държачи на заготовки	58-62	Отлично	Производство с голям обем; абразивни материали; дълбоко изтегляне на стоманени листове
Инструментална стомана A2	Пуансоны, матрици с умерено износване	57-62	Добре	Среден обем производство; добра ударна якост при натоварване от удари
M2 високолегирана стомана	Пуансоны, изискващи топлоустойчивост	60-65	Много Добро	Операции с висока скорост; приложения при повишени температури
Карбид (Волфрамов карбид)	Вложки с високо износване, гладки пръстени	75-80 (еквивалент HRA)	Впечатляващ	Производство в милионни серии; дълбоко изтегляне на неръждаема стомана; прецизни размери
О1 Инструментална стомана	Прототипни матрици, пробивни пуансоны за малки серии	57-62	Умерена	Кратки производствени серии; лесна обработваемост; гъвкави метални листове за занаятчийски приложения

Обърнете внимание как обемът на производството влияе върху всеки избор. За прототипно оборудване или кратки серии, включващи гъвкави метални листове за занаяти или подобни приложения с малки обеми, може да бъде достатъчна О1 или дори обикновена стомана с повърхностно втвърдяване. При автомобилни обеми на производство D2 или карбидни вметки се оправдават икономически, въпреки по-високите първоначални разходи.

Съображения за комбиниране на материали между пробивен пуансон и матрица

Само изборът на отделни компоненти не е достатъчен. Начинът, по който материали за пуансон и матрица взаимодействат, влияе върху устойчивостта към зацепяне, износването и общия живот на инструмента. Според ASM Handbook зацепянето е типична причина за износ при инструменти за дълбоко изтегляне. Когато подобни материали се допират под високо налягане и при плъзгащи условия в процеса на штамповане на метал, възникват микроскопично заваряване и откъртване.

Предвидете тези принципи за комбиниране:

• Избягвайте еднаква твърдост - Когато пуансонът и матрицата имат еднаква твърдост, и двата компонента бързо се износват. Уточнете разлика от 2-4 HRC между компонентите.
• По-твърдият компонент допира критичната повърхност на заготовката - Ако външният вид на детайла е най-важен, направете матрицата по-твърда. Ако критична е вътрешната повърхност, затвърдете пуансона.
• Предвидете разнородни материали - Държачи на листов материал от бронз или алуминиев бронз, комбинирани с матрици от инструментална стомана, намаляват склонността към зацепяне при изтегляне на алуминиеви сплави.
• Съгласувайте коефициентите на разширение - За прецизно дълбоко изтегляне при метално щамповане, подобно топлинно разширение между матрица и пуансон запазва зазорините по време на производствените серии.
• Съобразяване със съвместимостта на покритията - Някои повърхностни обработки имат по-добра производителност спрямо определени стоманени основи на матрици.

Повърхностни обработки и покрития за удължен живот на матриците

Дори най-добрата инструментална стомана има полза от повърхностно подобрение. Според ASM Handbook , опциите включват повърхностни покрития като хромиране и повърхностни обработки като карбурция или карбонитриране за нисколегирани стомани, както и нитриране и покрития чрез физическо изпарение (PVD) за инструментални стомани. Всяка обработка се насочва към конкретни механизми на износване.

Азотиране дифундира азот в стоманената повърхност, създавайки твърда обвивка без промяна в размерите. Както AZoM обяснява, нитрирането подобрява устойчивостта срещу износване и твърдостта на инструментовата повърхност. Това е особено подходящо за приложения с абразивни материали. За матрици при дълбоко изтегляне, нитрирането значително удължава живота при формоване на покрити стомани или високопрочни сплави.

Хромова обвивка нанася твърд, малко триещ повърхностен слой. Според AZoM, хромовото покритие значително увеличава твърдостта на повърхността, достигайки стойности до 68 HRC. То е особено полезно при формоване на стомани от конструкционна класа, мед, въглеродни стомани и месинг. Гладката хромирана повърхност също подобрява отделянето на детайлите и намалява нуждата от смазка.

Титаниев нитрид (TiN) покритието се нанася чрез физическо утаяване от парна фаза, като се получава керамичен слой с златист цвят. AZoM отбелязва, че високата твърдост в комбинация с нискотриещи свойства гарантира значително по-дълъг срок на служба. TiN рязко намалява склонността към задиране, което го прави ценен за дълбоко изтегляне на неръждаема стомана, където адхезивният износ предизвиква необработен инструмент.

Титанов въглероднитрид (TiCN) предлага по-твърда и по-малко триеща алтернатива на TiN. Според AZoM, то притежава добра устойчивост на износ, комбинирана с твърдост и якост. За метални приложения с дълбоко изтегляне, изискващи както устойчивост на абразивен износ, така и ударна якост, TiCN осигурява отличен баланс.

Титанов алуминиев нитрид (TiAlN) се представя отлично при изискващи условия. Според AZoM притежава висока устойчивост на оксидация и здравина, подходяща за по-високи скорости, като удължава живота на инструмента. При производството на дълбоко изтеглени метални части в големи обеми, където топлинното отделяне е значително, TiAlN запазва работните си качества там, където други покрития се разграждат.

Когато карбидните пластинки оправдават по-високата си цена

Инструментите от карбид струват значително повече от инструменталната стомана. Кога тази инвестиция се изплаща? Има няколко сценария, при които карбидът е икономически по-добрият избор:

• Обеми на производството над 500 000 броя - По-дългият живот на карбида разпределя първоначалната цена върху достатъчно много детайли, намалявайки разходите за инструменти на брой
• Строги размерни толеранции - Устойчивостта на карбида към износване запазва критичните размери значително по-дълго в сравнение със стоманата, намалявайки честотата на настройките
• Абразивни материали на заготовката - Високопрочните нисковъглеродни стомани и неръждаемите видове рязко ускоряват износването на стоманени матрици
• Операции по изглаждане (иронинг) - Силният плъзгащ контакт по време на изглаждане на стените бързо унищожава стоманените инструменти
• Чувствителност към простои - Когато прекъсванията в производството струват повече от инструментите, надеждността на карбида оправдава по-високата цена

Карбидите със стоманено основа предлагат компромисно решение. Според ASM Handbook, карбидите със стоманено основа осигуряват устойчивост на износване, приближаваща тази на целия карбид, с по-добра якост и обработваемост. За сложни форми на матрици, които биха били прекалено скъпи при изработка от цял карбид, алтернативите със стоманено основа осигуряват отлична производителност.

Обем на производството и икономика на избора на материали

Очакваното количество за производство принципно определя решенията за материали. Помислете за следната прогресия:

Прототип и нисък обем (под 1000 броя): Меки инструментални материали като мека стомана или алуминий са подходящи за първоначални изпитвания. Дори неуплътнена инструментална стомана O1 може да бъде достатъчна. Целта е проверка на конструкцията на детайла, а не максимизиране на живота на инструмента.

Среден обем (1000–100 000 броя): Утвърдените инструментални стомани A2 или D2 стават стандарт. Повърхностните обработки като нитриране или хромиране удължават живота без прекомерни първоначални инвестиции.

Голям обем (100 000 - 1 000 000 броя): Премиум D2 с PVD покрития или вложими пластини от твърдосплав при критични места на износване. Разходите за модификации на инструментите по време на производствени серии оправдават по-високата първоначална инвестиция в материала.

Сериено производство (над 1 000 000 броя): Твърдосплавни вложими пластини, множество резервни матрици и всеобхватни програми за повърхностна обработка. Инструментите стават капиталов актив, изискващ анализ на разходите през целия жизнен цикъл.

Партньорство за всеобхватни решения за материали на матрици

Изборът на материал за матрици не съществува изолирано. Той се интегрира с всички други проектиращи решения: спецификации за радиуси, сила на държача на заготовката, изисквания за повърхностна отделка и производствено разписание. Опитните партньори по проектиране на матрици разглеждат избора на материал като част от холистични инструментални решения, като балансират първоначалната цена с производствените постижения.

Какво отличава компетентните партньори? Обърнете внимание на инженерни екипи, които отчитат избора на материали по време на разработването на дизайна, а не като второстепенен въпрос. Възможностите за бързо прототипиране за срок от само пет дни демонстрират гъвкавостта в производството, необходима за практически оценка на различните материали. Икономически ефективни форми, адаптирани към стандарти на производител, отразяват опита за съгласуване на инвестицията в материали с реалните производствени изисквания.

Комплексните възможности на Shaoyi за проектиране и изработка на форми илюстрират този интегриран подход. Тяхната сертификация по IATF 16949 гарантира, че решенията за избор на материали се вземат според документирани процедури за качество. Независимо дали вашето приложение изисква карбидни вложки за производство на милион части от неръждаема стомана или икономична закалена стомана за валидиране на прототип, всеобхватните услуги за проектиране на матрици предлагат подходящи материални решения, съобразени с вашите специфични изисквания.

Изборът на материала завършва вашата уеб страница с указания за проектиране на дълбоко изтегляне. От изчисления на коефициента на изтегляне чрез валидиране с имитационно моделиране и до спецификацията на материала, вече разполагате с техническа основа за разработване на инструменти, които последователно произвеждат безупречни детайли при серийно производство.

Често задавани въпроси относно проектирането на матрици за дълбоко изтегляне

1. Какъв е правилният процеп на матрицата за операции по дълбоко изтегляне?

Процепът на матрицата трябва да е с 10-20% по-голям от дебелината на материала, за да се предотврати концентрация на метала в горната част на матрицата, като същевременно се осигури контрол върху стените. За материал с дебелина 0,040", задайте процеп 0,044"-0,048". По-малките процепи целенасочено изглаждат страничните стени за еднаква дебелина, докато прекомерно големите процепи причиняват набръчкване на стените. Професионални проектиращи на матрици като Shaoyi използват CAE имитационно моделиране, за да оптимизират процепа за конкретни материали и геометрии, постигайки нива на одобрение при първоначалната проверка от 93%.

2. Как се изчислява размерът на заготовката за дълбоко изтегляне?

Изчислете размера на заготовката, използвайки принципа за постоянство на обема: повърхнината на заготовката е равна на повърхнината на готовата детайл. За цилиндрични чаши използвайте формулата Rb = √[Rf × (Rf + 2Hf)], където Rb е радиусът на заготовката, Rf е радиусът на чашата, а Hf е височината на чашата. Добавете 2× дебелината на материала за коригиране при рязане и още 3-5% за компенсация на отслабване. При сложни геометрии са необходими изчисления на повърхнината въз основа на CAD за по-голяма точност.

3. Какви са причините за набръчкване и разкъсване при дълбоко изтеглени части?

Набръчкването се получава при недостатъчно налягане на държача на заготовката, което позволява компресионно изкривяване в зоната на фланеца. Разкъсването възниква, когато прекалено голямото налягане на държача или недостатъчно големи радиуси на инструмента попречат на течащия материал, като предизвикат опънно напрежение, превишаващо якостта на материала в близост до носа на пуансона. Решенията включват стъпково регулиране на силата на държача на заготовката, увеличаване на радиусите на пуансона/матрицата до 4–10× дебелината на материала и подобряване на смазването. Проекти, потвърдени чрез симулация, предотвратяват тези дефекти преди производството на инструменти.

4. Колко етапа на изтегляне са необходими за дълбоко изтегляне?

Изискванията за етапи зависят от общия процент на редукция. Първите изтегляния постигат редукция от 45-50%, следващите – 25-30% и 15-20% съответно. Изчислете броя етапи, като определите необходимата обща редукция (от диаметъра на заготовката до крайния диаметър), а след това разделете на материално-специфичните лимити за всеки етап. Детайлите с отношение на дълбочина към диаметър над 1,0 обикновено изискват няколко етапа. Предвижда се междинно отпускане, когато сумарната редукция надхвърли 30-45%, в зависимост от материала.

5. Какви са препоръчителните спецификации за радиуса на пуансона и матрицата?

Радиусът на носа на пуансона трябва да бъде 4-10 пъти дебелината на материала, за да се разпредели напрежението и да се предотврати скъсване. Радиусът на входа на матрицата изисква 5-10 пъти дебелината за гладко преминаване на материала. По-тънките калибри изискват по-големи кратни стойности на радиуса. За материал с дебелина 0,030"-0,060", задайте радиус на пуансона 5-8 пъти и радиус на матрицата 6-10 пъти дебелината. При некръгови части се изисква минимален вътрешен ъглов радиус от 2 пъти дебелината, като предпочитано е 3-4 пъти, за да се намалят етапите на изтегляне.