Разбиране на образуването на гънки при дълбоко изтегляне чрез штамповане

Когато изтегляте плоска метална заготовка в тримерна форма, нещо трябва да се промени. Материалът се компресира, разтяга и тече в кухината на матрицата. Когато този процес протече неправилно, възникват гънки: вълнообразни неравности, които компрометират както външния вид, така и структурната цялост на детайлите ви. Този дефект остава един от най-устойчивите предизвикателства в формиране на листов метал дълбокото изтегляне чрез штамповане

Образуването на гънки при дълбоко изтегляне чрез штамповане е по същество локално огъване. То възниква, когато компресионните напрежения в листовия метал надхвърлят способността на материала да устои на деформация извън равнината. Резултатът? Гънки, вълни или набръчквания, които правят детайлите негодни за употреба или изискват скъпи вторични операции за коригиране.

Какво представлява образуването на гънки при дълбоко изтегляне чрез штамповане

В основата си този дефект е проблем с нестабилността. Докато пуансонът принуждава заготовката да навлезе в кухината на матрицата, фланцовата област изпитва радиално опънно напрежение, което я дърпа навътре, едновременно с това подлагайки я на окръжно компресивно напрежение, докато диаметърът ѝ намалява. Когато това компресивно хоризонтално напрежение стане твърде голямо, листът се огъва.

Гъненето започва, когато окръжното компресивно напрежение във фланцовата област надвиши локалната устойчивост на материала към огъване, което води до извънравнинно огъване на листа.

Този механичен принцип обяснява защо по-тънките листове се гънат по-лесно от по-дебелите и защо определени марки материали са по-склонни към този дефект в сравнение с други. Държачът на заготовката прилага надолишно налягане специално за противодействие на тази склонност към огъване, но намирането на правилния баланс е истинската инженерна предизвикателство.

Гънене на фланеца срещу гънене на стената — два различни режима на разрушение

Не всички бръчки са еднакви. Разбирането на това къде се образуват, е първата стъпка към решаването им. Проучване, публикувано в Journal of Materials Processing Technology класифицира този дефект в два механично различни типа:

• Бръчкането по фланеца възниква в равната част на заготовката, която остава между държача на заготовката и матрицата по време на изтегляне. Тази област изпитва директно компресивно напрежение, докато материала тече навътре.
• Бръчкането по стената възниква в изтеглената странична стена или стената на чашата след като материала е преминал през радиуса на матрицата. Тази област е относително неподдържана от инструментите, което я прави по-податлива на огъване при по-ниски нива на напрежение.

Тези два режима на отказ имат една и съща основна причина — компресивно окръжно напрежение, но изискват различни коригиращи мерки. Гънките по стената възникват значително по-лесно от гънките по фланеца, тъй като страничната стена няма директното ограничение, осигурявано от държача на заготовката.

Ето ключовия въпрос, който трябва да насочва вашето диагностициране: къде се образуват гънките? Отговорът определя диагностичния ви път и мерките за отстраняване, които трябва да разгледате. Гънка по периферията на фланеца сочи недостатъчна сила на държача на заготовката или прекалено голяма заготовка. Гънка по изтеглената стена показва прекомерен зазор между пуансона и матрицата или недостатъчна подкрепа на стената. Трактоването на тези проблеми като взаимозаменяеми води до загуба на време и продължаващо производство на брак.

През цялата тази статия ще се връщаме към този диагностичен подход, базиран на местоположението. Независимо дали работите в стоманена конструкция или произвеждате прецизни метални компоненти, физическите закономерности остават едни и същи. Дефектът ви показва къде да търсите; вашата задача е да разберете какво ви казва той.

Механиката зад образуването на гънки

Разбирането на причините за образуване на гънки изисква анализ на това, което се случва с метала по време на процеса на дърпане. Представете си фланеца на заготовката като кръгообразен пръстен, който се издърпва навътре към пуансона. Докато външният диаметър намалява, обиколката също трябва да се намали. Този материал трябва да отиде някъде и, когато не може да се движи гладко, извива се нагоре или надолу, образувайки гънки.

Звучи сложно? Всъщност е доста просто, след като го разгледате поетапно. Фланецът изпитва едновременно два противоположни напрежения: радиално опънато напрежение, което дърпа материала към кухината на матрицата и окръжно компресионно напрежение, което стиска материала, докато периметърът му се свива. Когато окръжното компресионно напрежение надвиши способността на листа да устои на деформация извън равнината, започва изпъкване.

Окръжно компресионно напрежение и изпъкване — механичната основна причина

Представете си, че притискате празна алуминиева кутия отгоре. Цилиндричната й стена изпъква навън, защото компресионната товарна сила надвишава съпротивлението на тънката стена към латерално отклонение. Същият принцип се прилага и към фланеца по време на дълбоко изтегляне, но в този случай компресията действа окръжно, а не осево.

Три геометрични и материални фактора определят колко лесно един лист ще изпъкне под това компресионно напрежение:

• Дебелина на листа: По-тънките листове изпъкват по-лесно, тъй като съпротивлението на изпъкване е пропорционално на куба от дебелината. Лист с половината дебелина има само една осма от съпротивлението на изпъкване.
• Твърдост на материала (еластичен модул): Материалите с по-висок модул по-ефективно се съпротивляват на еластично изкършване. Затова алуминиевите сплави, които имат приблизително една трета от еластичния модул на стоманата, са по принцип по-склонни към образуване на гънки при еднаква дебелина.
• Широчина на неподдържания фланец: Разстоянието между отвора на матрицата и ръба на заготовката определя колко материал е свободен да се изкърши. По-голямата неподдържана площ означава по-ниска устойчивост към изкършване, подобно на това как по-дългата колона се изкършва под по-малка товарна сила в сравнение с по-късата.

Проучване от Държавен университет в Охайо демонстрираха тази зависимост експериментално, като използваха алуминиеви заготовки от сплав AA1100-O. Когато силата на държащия пръстен беше зададена на нула, фланецът се набръчка почти веднага след започване на формоването. С увеличаване на ограничителната сила образуването на гънки се отлагаше, а когато тя надхвърлеше критична стойност, гънките бяха напълно потиснати.

Как свойствата на материала определят риска от образуване на гънки

Тук вашата карта с данни за материала се превръща в диагностичен инструмент. Три свойства директно влияят върху начина, по който един материал реагира на компресивните напрежения, които предизвикват образуване на гънки: граница на текучестта, показател на упрочняване при пластична деформация (n-стойност) и пластична анизотропия (r-стойност).

Границата на текучестта определя нивото на напрежение, при което започва пластичната деформация. Материалите с по-ниска граница на текучестта навлизат по-рано в пластичен поток по време на хода на изтегляне, което всъщност може да помогне за преразпределение на напрежението и отлагане на огъването. Експериментални изследвания върху търговски чисти алуминиеви марки показаха, че сплавите с по-ниско напрежение на текучестта проявяват по-добра устойчивост срещу образуване на гънки, стига другите свойства да са благоприятни.

Стойността n, или експонентът на упрочняване при деформация, описва колко бързо материалът се упрочнява при деформация. Материалите с по-висока стойност n разпределят деформацията по-равномерно по фланеца, вместо да концентрират деформацията в локализирани зони. Това равномерно разпределение на деформацията намалява вероятността от локализирано изместване (бъклане). Както обяснява списание MetalForming, упрочняването при пластична деформация, характеризирано със стойността n, намалява склонността към локализирано изтъняване в силно деформирани области. Същият принцип важи и за образуването на гънки: материалите, които се упрочняват равномерно, противодействат на локализираните нестабилности, които предизвикват бъклане.

Стойността r, или коефициентът на пластична анизотропия, показва как един материал се съпротивлява на изтъняване спрямо деформация в равнината. Материалите с по-висока стойност r се деформират предимно в равнината на листа, а не през дебелината му. Това е важно за образуването на гънки, тъй като запазването на дебелината на фланеца осигурява устойчивост срещу огъване през целия ход на изтегляне. Материалът, който бързо изтънява, губи способността си да се съпротивлява на огъване под натиск по време на процеса.

Насоките на зависимостта са ясни:

• По-висока стойност n = по-равномерно разпределение на деформацията = по-добра устойчивост срещу образуване на гънки
• По-висока стойност r = по-малко изтъняване = запазена устойчивост срещу огъване през целия ход
• По-ниска граница на текучест (при адекватна стойност n) = по-ранно пластично течение = по-добра преразпределба на напреженията

Тези взаимовръзки обясняват защо изборът на материал не е просто въпрос на якост. Високоякостна стомана с ограничено удължение и ниска стойност на показателя n може всъщност да е по-склонна към образуване на гънки от по-нискоякостен клас с превъзходни характеристики на формоустойчивост. Същата логика се прилага и при сравнение на стомана с алуминий: дори когато заваряването или свързването на алуминия не представлява проблем, по-ниският модул на еластичност на алуминиевите сплави означава, че са необходими различни технологични подходи за потискане на образуването на гънки.

След като са установени тези механични основи, следващият въпрос става практически: как коефициентът на дълбочина на изтегляне и геометрията на заготовката влияят върху момента и мястото, където започва образуването на гънки?

Коефициентът на дълбочина на изтегляне и геометрията на заготовката като променливи, определящи образуването на гънки

Сега, когато сте разбрали натисковите напрежения, които предизвикват образуването на гънки, следващият въпрос е практически: колко материал всъщност можете да изтеглите, преди тези напрежения да станат неуправляеми? Отговорът се крие в две взаимосвързани променливи, които много инженери пренебрегват, докато проблемите не се появят на производствената площадка: отношение на изтегляне и геометрия на заготовката .

Представете си, че се опитвате да издърпате голяма кръгла покривка през малък пръстен. Колкото повече плат имате в началото спрямо диаметъра на пръстена, толкова повече материал се сгъва и натрупва. Дълбокото изтегляне работи по същия начин. Връзката между първоначалния размер на заготовката и крайния диаметър на пуансона определя колко циркулярно (околно) натискане трябва да поеме фланецът и дали това натискане остава в управляеми граници или предизвиква огъване.

Отношение на изтегляне и неговото влияние върху началото на образуване на гънки

The гранично отношение на изтегляне (LDR) определя максималното съотношение между диаметъра на заготовката и диаметъра на изтеглящия бутал, което може да бъде успешно изтеглено без повреждение. Когато този праг се надвиши, обемът на материала във фланеца, който се компресира, става твърде голям. Резултиращото хоризонтално напрежение надвишава устойчивостта на листа към огъване и се образуват гънки, независимо от приложената сила на държача на заготовката.

Ето защо това има значение: с увеличаване на съотношението на изтегляне по-голямо количество материал трябва да се движи навътре при всеки ход. Този допълнителен материал предизвиква по-високо циркулярно (хоризонтално) компресионно напрежение във фланеца. Ако изтеглящото бутал е достатъчно голямо спрямо ръба на заготовката, компресията остава ограничена и материалът се движи гладко. Но когато заготовката е твърде голяма спрямо диаметъра на бутала, излишната компресия поражда съпротива срещу течението, която процесът не може да преодолее.

Силата на деформация, необходима за вкарване на материала в матрицата, нараства с коефициента на изтегляне. В даден момент радиалното опънно напрежение, необходимо за преодоляване на компресионното натоварване върху фланеца, надвишава това, което материала може да поеме, без да се изтъни прекомерно или да се разкъса в областта около носа на пуансона. Преди достигането на този праг на разкъсване обаче най-често първо се появява гънене, тъй като фланецът извива под действието на прекомерно компресионно натоварване.

Затова е от решаващо значение изчисляването на размерите на заготовката чрез методи, основани на повърхностната площ, а не чрез линейни измервания. Кръглата чаша, формирана предимно чрез компресия, изисква диаметър на заготовката, значително по-малък от линейното разстояние през готовата детайла. Преувеличаването на размерите на заготовката въз основа на габаритите на детайла, а не въз основа на изискванията към течението на материала, е един от най-често срещаните причинители на проблеми с гъненето.

Оптимизация на формата на заготовката за контролиране на течението на материала

За кръгли чаши връзката между заготовката и пуансона е пряка. Но какво се случва, когато извличате правоъгълни кутии, контурни панели или асиметрични форми? Точно тук оптимизирането на формата на заготовката става мощен инструмент за контролиране на образуването на гънки и именно тук много операции по штамповане оставят потенциалната производителност неизползвана.

Проучване, публикувано в International Journal of Advanced Manufacturing Technology показва, че оптимизирането на първоначалната форма на заготовката за правоъгълни детайли намалява отпадъците и подобрява ефективността на формоването. В проучването е установено, че включването на анизотропните свойства на материала в оптимизирането на заготовката намалява грешката по контура от 6,3 мм до 5,6 мм, като по този начин общата грешка се снижава под 4 процента.

Принципът е прост: нециркулярните заготовки за несиметрични части контролират количеството материал, който влиза в матрицата във всяка точка. Заготовка с форма, която следва линията на отваряне на пуансона, тече по-свободно в сравнение с правоъгълна или трапецовидна заготовка с излишен материал в ъглите. Както обяснява FormingWorld, допълнителният материал извън областите за дърпане в ъглите ограничава течността на материала, докато заготовката с форма, която следва геометрията, тече по-свободно.

Разгледайте B-колоната или подобен автомобилен структурен компонент. Трапецовидната изсечена заготовка може да е по-евтина за производство, тъй като не изисква специална матрица за изсичане. Въпреки това излишният материал в ъгловите области създава допълнително ограничение за течността на метала. Заготовката с форма, която по-точно следва отварянето на пуансона, намалява ограничението и позволява на материала да тече в ъглите, което подобрява формоустойчивостта и намалява риска от образуване на гънки.

Прекалено големите заготовки са честа причина за образуване на гънки, която производствените екипи понякога пропускат. Когато заготовката е по-голяма от очакваното, материалът по-малко ефективно се придвижва към ъглите и има по-голям контакт с държача. Това увеличава ограничението както от силата на държача на заготовката, така и от триенето. Резултатът е по-високо компресионно напрежение в фланеца и по-голяма склонност към образуване на гънки. Обратно, прекалено малките заготовки могат да се придвижват твърде лесно, което намалява желаното разтягане и потенциално води до изплъзване през изтеглящите ребра преди достигане на дъното.

Няколко фактора, свързани с геометрията на заготовката, директно влияят върху риска от образуване на гънки:

• Диаметър на заготовката спрямо диаметъра на пуна: По-високите съотношения означават повече материал под компресия и по-голяма склонност към образуване на гънки. Спазвайте стойността на LDR (лимитно съотношение на диаметъра) за класа на вашия материал.
• Симетрия на формата на заготовката спрямо геометрията на детайла: Заготовки с форма, която следва контурите на отвора на пуна, намаляват излишния материал в зоните с висока компресия.
• Обем на ъгловия материал в правоъгълни заготовки: Ъглите изпитват по-високо компресивно напрежение в сравнение с правите страни. Излишният материал в ъглите усилва този ефект.
• Еднородност на широчината на фланеца: Неравномерната ширина на фланеца води до неравномерно разпределение на компресията, което предизвиква локално набръчкване в по-широките зони.

Материалът, подложен на упрочняване чрез пластична деформация при предишни формовъчни операции, също влияе върху отговора на заготовките при компресия. Ако материала вече е получил упрочняване чрез пластична деформация при предишна обработка, способността му да се деформира равномерно намалява. Това може да стесни интервала между началото на набръчкването и разрушението от разкъсване, което прави оптимизирането на геометрията на заготовката още по-критично за многостепенни операции.

Практическият извод? Геометрията на заготовката не е само въпрос на ефективността на използване на материала. Тя директно управлява разпределението на компресивните напрежения във фланеца ви и определя дали вашият процес протича безопасно в рамките на прага за образуване на гънки или постоянно се бори с дефекти от огъване. След като сте разбрали влиянието на коефициента на изтегляне и геометрията на заготовката, следващата стъпка е да проучите как параметрите на инструментите осигуряват директен контрол върху образуването на гънки по време на самата операция по формоване.

Параметри на инструментите, които контролират или предизвикват образуване на гънки

Вие сте оптимизирали геометрията на заготовката си и сте избрали материал с благоприятни характеристики за формоване. Какво следва? Самият инструмент става основният ви механизъм за контрол над образуването на гънки по време на действителната операция по формоване. Всеки зададен параметър — от силата на държача на заготовката до геометрията на радиуса на матрицата — директно влияе върху това дали фланецът ви ще се огъне или ще се деформира гладко в кухината на матрицата.

Ето предизвикателството, с което се сблъскват повечето инженери: същите настройки, които потискат образуването на гънки, могат да предизвикат разкъсване, ако бъдат прекалено усилени. Това не е задача за оптимизация по един-единствен параметър. Това е балансиране, при което всеки параметър на инструментария се намира в диапазон между два вида откази. Разбирането на това къде се намира вашият процес в този диапазон и как да се движи в него, е това, което разграничава стабилното производство от хроничните проблеми с качеството.

Сила на държащото устройство за заготовката — балансиране между гънки и разкъсване

Силата на държащото устройство за заготовката (BHF) е основният регулиращ параметър за образуването на гънки по фланеца. Държащото устройство прилага надолишно налягане върху фланеца, създавайки триене, което ограничава притока на материала и генерира радиално опънно напрежение в листа. Това опънно напрежение противодейства на окръжностното компресионно напрежение, което предизвиква извиване.

Когато силата на държащото устройство за заготовката е твърде ниска, фланецът няма достатъчно ограничение. Компресионното окръжностно напрежение надвишава устойчивостта на листа към извиване и се образуват гънки. Като Производителят бележки: недостатъчното налягане на държача на заготовката позволява на метала да се набръчква при компресия, а набръчканият метал предизвиква съпротива на течението, особено когато е затворен в страничната стена.

Когато налягането на държача на заготовката (BHF) е твърде високо, възниква противоположният проблем. Излишното налягане ограничава течението на метала навътре, което кара материала да се опъва вместо да се изтегля. Това опъване намалява дебелината на листа в радиуса на върха на пуансона и в крайна сметка води до пукнатини. Същият източник подчертава, че излишното налягане на държача на заготовката ограничава течението на метала и предизвиква неговото опъване, което може да доведе до пукнатина.

Практическото значение? Налягането на държача на заготовката трябва да е достатъчно високо, за да потисне огъването, но достатъчно ниско, за да позволи течението на материала. Този диапазон варира в зависимост от класа на материала, дебелината на листа и дълбочината на изтеглянето. За материали с ограничена удължимост, като например напредналите високопрочни стомани, този диапазон значително се стеснява. Имате по-малко възможности за грешка, преди да преминете от областта на набръчкването към областта на разкъсването.

Разпределението на налягането има същото значение като общата сила. Лошо поддържаните пресови възглавници или повредените възглавнични пинове създават неравномерно налягане по повърхността на държача на заготовката. Това води до локализирано прекалено силно стягане в някои области и недостатъчно стягане в други, което предизвиква както гънки, така и разкъсвания върху една и съща детайл. Уравнителите помагат за поддържане на зададен зазор между лицето на матрицата и държача на заготовката независимо от вариациите в налягането, но изискват редовна калибрация, за да функционират правилно.

Радиус на матрицата, радиус на пуансона, зазор и конструкция на изтеглящия ребрист елемент

Освен контрола върху силата на държане на заготовката (BHF), четири допълнителни параметъра на инструментите директно влияят върху тенденцията към образуване на гънки: радиусът на входа на матрицата, радиусът на върха на пуансона, зазорът между пуансона и матрицата и конструкцията на изтеглящия ребрист елемент. Всеки от тях предлага собствен компромис между риска от гънки и риска от разкъсване.

Радиусът на входа на матрицата определя колко остро се огъва материала при преминаването му от фланеца към изтеглената стена. По-голям радиус намалява остротата на огъването, което води до по-ниска сила на изтегляне и по-нисък риск от разкъсване. В същото време обаче увеличава площта на неподдържания фланец между ръба на държача на заготовката и отвора на матрицата. Тази по-голяма неподдържана зона има по-ниска устойчивост на огъване, което увеличава склонността към образуване на гънки. Toledo Metal Spinning обяснява, че ако радиусът на матрицата е твърде малък, материала няма да тече лесно, което води до разтягане и разкъсване. Ако радиусът на матрицата е твърде голям, материала ще образува гънки след напускане на точката на стискане.

Радиусът на пробива в носа следва подобна логика. По-голям радиус на пробива разпределя формователното напрежение върху по-голяма площ, намалявайки риска от локално изтъняване и разкъсване. В същото време обаче той позволява на повече материал да остане без подкрепа по време на началния етап на дърпането, което потенциално увеличава риска от образуване на гънки в преходната зона между контактната повърхност на пробива и входа на матрицата.

Зазорът между пробива и матрицата е променлива, свързана с образуването на гънки по стената, а не с гънките по фланеца. Когато зазорът надвишава дебелината на материала с прекалено голяма стойност, издърпваната стена няма латерална подкрепа. Това позволява на страничната стена да се деформира (изкривява) независимо от състоянието на фланеца, водейки до образуване на гънки по стената дори когато фланецът остава свободен от гънки. Правилният зазор обикновено се задава като процент над номиналната дебелина на листовия материал, като се взема предвид уплътняването (увеличаването на дебелината), което възниква по време на процеса на дърпане.

Изтеглящите гребени осигуряват прецизен контрол, който равномерната регулировка на силата на държащия фланец (BHF) не може да осигури. Тези издадени елементи по повърхността на матрицата или на държащия фланец създават локализирана удръжна сила чрез огъване и разгъване на листовия материал, докато той преминава покрай тях. Проучване, проведено в Университета Оукланд, установило, че удръжната сила на изтеглящите гребени може да се варира приблизително четири пъти само чрез регулиране на дълбочината на проникване на гребена. Това предоставя на конструкторите на матрици значителна гъвкавост за контролиране на разпределението на материала около периметъра на заготовката, без да се увеличава равномерно силата на държащия фланец по целия фланец.

Стратегически разположените изтеглящи гребени решават локализирани проблеми с образуване на гънки, които глобалната настройка на силата на прихващането (BHF) не може да отстрани. За правоъгълни части, при които ъглите изпитват по-високо компресивно напрежение в сравнение с правите страни, изтеглящите гребени в ъгловите участъци увеличават локалното ограничение, без да прекомерно ограничават правите участъци. Необходимата сила на прихващането (BHF), за да се постигне необходимата ограничителна сила, е значително по-ниска при използване на изтеглящи гребени, което означава, че преса с по-малка мощност може да осигури еквивалентен контрол върху металната плоча.

Параметри на инструментариума	Влияние върху образуването на гънки	Влияние върху разкъсването	Настройка за намаляване на гънките
Сила на държача на заготовката (BHF)	Ниска BHF позволява изпъкване на фланеца	Висока BHF ограничава течността и предизвиква пукнатини	Увеличете BHF в рамките на границата за разкъсване
Радиус на входа на матрицата	Голям радиус увеличава неподдържания участък	Малък радиус концентрира напрежението	Намалете радиуса, докато следите за разкъсване
Радиус на носа на пуансона	Голям радиус намалява подкрепата в началния етап на изтегляне	Малък радиус предизвиква локално изтъняване	Балансирайте въз основа на дълбочината на изтегляне
Зазор между пуансона и матрицата	Прекомерният зазор позволява огъване на стената	Недостатъчният зазор предизвиква напрежение при изравняване	Намалете зазора, за да подкрепите стената
Пенетрация на изтеглящия ръб	Плоските ръбове осигуряват недостатъчно ограничение	Дълбоките гънки ограничават прекалено силно потока	Увеличаване на проникването в зоните, склонни към образуване на гънки

Ключовото наблюдение от тази таблица е, че всяка корекция на параметрите води до компромис. Придвижването в една посока потиска образуването на гънки, но увеличава риска от разкъсване. Придвижването в противоположната посока има обратен ефект. Успешното проектиране на матрица изисква намирането на работния диапазон, при който се избягват и двете вида повреди, а този диапазон варира в зависимост от материала, геометрията и степента на дълбочината на изтегляне.

Разбирането на тези взаимовръзки между инструментите подготвя вас за следващата предизвикателство: осъзнаването, че различните материали реагират по различен начин при една и съща инструментална настройка. Матрица, оптимизирана за мека стомана, може да образува гънки при алуминий или да причини разкъсване при напреднали високопрочни стомани без съответни корекции на параметрите.

Поведение при образуване на гънки при често използваните материали за шампиране

Диезът, който работи безупречно с мека стомана, може да произвежда набръчкани детайли веднага щом превключите към алуминий. Защо? Защото същите параметри на инструментария взаимодействат по различен начин с механичните свойства на всеки материал. Разбирането на това как се изменят пределът на текучест, модулът на еластичност и поведението при упрочняване под деформация сред често използваните материали за штамповане е от съществено значение за прогнозиране на риска от набръчкване и съответната корекция на процеса.

Таблицата по-долу сравнява склонността към набръчкване сред шест групи материали, често използвани при дълбоко изтегляне. Всяка оценка отразява как вродените свойства на материала влияят върху устойчивостта му към огъване при компресивно напрежение върху фланеца.

Склонност към набръчкване според класа на материала

Материал	Склонност към гофриране	Препоръчителен подход за контрол на силата на задържащия хидравличен прес (BHF)	Ключови технологични чувствителности	Поведение при упрочняване под деформация
Мека стомана (DC04, SPCC)	Ниско	Умерено, стабилно през целия ход	Толерантен; широк технологичен диапазон	Умерена стойност на показателя n; постепенно упрочняване
HSLA стомана	Ниска до средна	Умерена до висока; следете риска от разкъсване	По-висока якост при опън стеснява работния диапазон на обратното държащо усилие (BHF)	По-ниска стойност на показателя n в сравнение с меката стомана
Високоякостни стомани (AHSS) – двойно фазови (DP) и с трансформационно индуцирано пластично течение (TRIP)	Среден до висок	Високо начално обратно държащо усилие (BHF); променливо по време на хода	Ограничено удължение; тесен диапазон между образуването на гънки и разкъсването	Висока начална якост при опън; ограничена способност за упрочняване при деформация
Алуминиеви сплави от серия 5xxx	Висок	По-ниско в сравнение със стоманата; изисква се прецизен контрол	Нисък модул на еластичност; чувствителен към скоростта на дърпане	Умерена стойност на показателя n; упрочнява се при деформация
Алуминиеви сплави от серия 6xxx	Висок	По-ниско от стоманата; зависи от термичната обработка	Поддаващи се на термична обработка; формоустойчивостта варира в зависимост от състоянието след термична обработка	По-ниска стойност на показателя n от сплавите от серия 5xxx; по-малко равномерно утвърдяване
Стъкани от стомана	Среден	Високо; трябва да се увеличава по време на хода	Бързо утвърдяване при пластична деформация; виско триене; чувствително към скоростта	Много висока стойност на показателя n; агресивно утвърдяване

Оценките по-горе отразяват начина, по който свойствата на всеки материал взаимодействат с натисковите напрежения, които предизвикват изпъкване. Нека разгледаме по-подробно защо тези разлики имат значение в практиката.

Защо алуминиевите сплави и високоякостните стомани изискват различни технологични подходи

Алуминиевите сплави представляват уникален предизвикателство поради ниския си модул на еластичност. Модулът на еластичност на стоманата е около 200 GPa, докато този на алуминия е около 70 GPa. Това означава, че алуминият притежава приблизително една трета от естествената твърдост на стоманата. Тъй като устойчивостта към изпъкване зависи директно от твърдостта на материала, алуминиев лист с еквивалентна дебелина ще изпъкне значително по-лесно от стоманения под същата натискова товарна сила.

Това по-ниско съпротивление на огъване обяснява защо алуминият се държи по-различно от неръждаемата стомана по време на дълбоко изтегляне. За разлика от неръждаемата стомана, която може да тече и да преразпределя своята дебелина под въздействието на сила, алуминият не може да бъде прекалено изтеглен или силно деформиран. Материалът се деформира локално при ограничено удължение и няма способността за разтягане, която предлага стоманата. Успешното изтегляне на алуминий зависи от поддържането на правилното съотношение на изтегляне и точното балансиране на растягането, компресията и силата на държащото устройство за заготовката.

Алуминиевите сплави от серия 5xxx (като 5052 и 5182) имат по-добра формоваемост в сравнение със сплавите от серия 6xxx поради по-високата си стойност на показателя n. Този показател на упрочняване при деформация позволява на сплавите от серия 5xxx да разпределят деформацията по-равномерно по фланеца, което забавя началото на локализирано огъване. Сплавите от серия 6xxx (като 6061 и 6063), макар и да осигуряват отлична якост след термична обработка, имат по-ниски стойности на показателя n в отжитото си състояние. Това ги прави по-склонни към локализирана концентрация на деформация и по-ранно възникване на гънки.

Напредналите високопрочни стомани представляват противоположния проблем. Класовете АВСС, като двойната фаза (DP) и стоманите с пластичност, индуцирана от трансформация (TRIP), имат висока граница на текучест, често надвишаваща 500 MPa. Това високо напрежение при текучест означава, че материала устойчиво се противопоставя на пластичното течение и изисква по-високо усилие на подпорната плоча (BHF), за да се потисне образуването на гънки. В същото време обаче класовете АВСС имат ограничено общо удължение в сравнение с меката стомана. Както отбелязва The Fabricator, гънките, разкъсванията и еластичното връщане, които възникват по време на формоването на АВСС, създават предизвикателства за цялата верига от доставчици.

Практическият резултат? АВСС значително стеснява работния диапазон на BHF. Необходимо е по-голямо усилие, за да се потиснат гънките, но материала се разкъсва при по-ниски нива на деформация в сравнение с меката стомана. Това оставя по-малък запас за грешка. Технологията на серво-преси с програмируеми профили на усилието помага за решаване на този проблем, като позволява на производителите на штампи да променят усилието на подпорната плоча по време на хода — прилагайки агресивно ограничаване там, където е необходимо, и намалявайки го там, където се увеличава рискът от разкъсване.

Неръждаемата стомана 304 внася още една променлива: бързо упрочняване при обработка. Тази аустенитна марка има много висока стойност на показателя n, което означава, че се упрочнява рязко при деформация. Неръждаемата стомана се упрочнява по-бързо от въглеродната стомана и изисква почти два пъти по-голямо налягане за разтягане и формоване. Повърхностната оксидна пленка от хром също увеличава триенето по време на формоване, което означава, че инструментите трябва да бъдат покрити със специално покритие и внимателно смазвани.

Какво означава това за образуването на гънки? Бързото упрочняване при обработка всъщност помага за съпротивата срещу огъване (извиване), докато продължава процесът на дърпане, тъй като материалът непрекъснато става по-твърд. Високото триене и изискванията към налягането обаче означават, че силата на задържащото налягане (BHF) трябва да се увеличава по време на хода, за да се осигури контрол. Ако BHF остане постоянно, в началото на хода може да се образуват гънки, докато в края му материалът може да се скъса. Колкото по-тежък е процесът на дърпане, толкова по-бавно трябва да протича той, за да се вземат предвид тези фактори.

Връзката между напрежението при текучест и якостта при текучест също има значение тук. Материалите с по-ниска начална якост при текучест навлизат в пластичен поток по-рано, което позволява преразпределение на напреженията преди започване на изпъкване. Материалите с по-висока якост при текучест се противопоставят на този ранен поток, концентрирайки напрежението в локализирани зони, където изпъкването може да започне преди материалът да достигне равномерна текучест.

За заготовки, изрязани чрез електроерозионно фрезоване с жица, или за части с прецизна обработка, при които качеството на ръба влияе върху течността на материала, тези разлики в материала стават още по-изразени. Чистият ръб тече по-предсказуемо от ръб, получен чрез рязане с ножици и съдържащ уплътнени бурми, а този ефект варира според класа на материала.

Основният извод? Не можете да прехвърлите параметрите на процеса директно от един материал върху друг. Матрица, оптимизирана за мека стомана, вероятно ще причини образуване на гънки при алуминий и може да разкъса високопрочни стомани с усилена дуктилност (AHSS). Всяка група материали изисква собствена стратегия за контрол на силата на задържащото устройство (BHF), оптимизация на скоростта на изтегляне и подход за смазване. Разбирането на тези специфични за материала поведения преди изработването на инструментите спестява значително време и разходи по време на пробното изпитание на матрицата.

След като поведението на материала е разбрано, следващият въпрос става геометричен: как формата на детайла променя мястото и причината за образуване на гънки?

Как формата на детайла променя мястото и причината за образуване на гънки

Вие сте избрали подходящия материал и сте настроили параметрите на инструментите си. Но има нещо, което много инженери откриват по трудния начин: процес, който работи безупречно за цилиндрични чашки, може напълно да се провали при прилагането му върху правоъгълни кутии или конични обвивки. Геометрията на детайла фундаментално променя къде се образуват гънките, защо се образуват и кои коригиращи мерки действително дават резултат.

Помислете за това по следния начин. Цилиндрична чаша има равномерна симетрия около целия си периметър. Материалът се движи навътре равномерно от всички посоки, а компресивното напрежение се разпределя равномерно около фланеца. Правоъгълна кутия? Напълно различна история. Ъглите изпитват радикално различни условия на напрежение в сравнение с правите страни. Конична обвивка? Неподдържаната площ на стената между пуансона и матрицата създава рискове от образуване на гънки, които контролите, насочени само към фланеца, не могат да преодолеят.

Разбирането на тези геометрично-специфични механични особености е съществено за правилната диагностика на проблемите и прилагането на подходящите решения.

Цилиндрични, правоъгълни и конични детайли — различни механизми на образуване на гънки

За цилиндрични чаши образуването на гънки протича предсказуемо. Този дефект е симетричен и предимно се проявява в областта на фланеца. Както обяснява изданието The Fabricator, цилиндърът започва като прост кръгъл заготовка, а за да се превърне по-голямата по диаметър заготовка в по-малкия по размер цилиндър, тя трябва да се свие радиално. Металът се движи навътре към централната ос едновременно с неговото радиално свиване. Контролираното свиване води до плосък фланец; неконтролираното свиване предизвиква силни гънки.

Основните параметри, които се контролират при цилиндрични детайли, са силата на държащия пръстен и коефициентът на изтегляне. Тъй като разпределението на напреженията е равномерно, глобалната корекция на силата на държащия пръстен работи ефективно. Ако се появят гънки, увеличаването на силата на държащия пръстен по целия фланец обикновено решава проблема, стига да не се надвишава прагът на разкъсване. Коефициентът на изтегляне определя количеството свиване, което фланецът трябва да поеме; следователно спазването на граничния коефициент на изтегляне за дадения материал предотвратява прекомерното компресивно натоварване.

Правоъгълните и квадратните кутийни части внасят асиметрия, която променя всичко. Ъглите на квадратна тегленка по същество представляват една четвърт от кръгла тегленка и изпитват радиално компресиране, подобно на цилиндрични чаши. Но правите страни се държат по различен начин. Както се отбелязва в същия източник, страничните стени на теглената кутия се деформират чрез огъване и изправяне с малко или никакво компресиране. Металът тече навътре с много малко съпротивление по правите участъци.

Тази асиметрия създава критичен проблем: ъгловите области изпитват по-високо компресионно напрежение в сравнение с правите страни, което прави образуването на гънки в ъглите основната загриженост. Ако прекалено голяма повърхностна площ от метал бъде принудена да изпита радиално компресиране в ъглите, това предизвиква значително съпротивление на течението, водейки до прекомерно разтягане и възможна разкъсване. Ъглите имат тенденция да се набръчкват, докато страните имат тенденция да текат свободно.

Основните инструменти за правоъгълни детайли са изтеглящи гребени в ъглите и оптимизиране на формата на заготовката. Изтеглящите гребени увеличават локалната устойчива сила в ъгловите участъци, без да ограничават прекомерно праволинейните участъци. Оптимизирането на формата на заготовката намалява излишното количество материал в ъгловите области. При използване на квадратна заготовка за производство на квадратна черупка е препоръчително да се разположи под ъгъл 45 градуса спрямо ориентацията на детайла. Това повишава съпротивлението на течението по страничните повърхности, където се изисква по-голямо напрежение, и намалява количеството материал в ъглите, за да се осигури максимално течение по радиалния профил.

Коничните черупки представляват още една предизвикателна задача. Според списание MetalForming изтеглянето на дълбоки конични форми е значително по-трудно в сравнение с цилиндричните чаши, тъй като деформацията не е ограничена само до фланцовата област. При тези форми деформацията протича и в неподдържаната област между матрицата и пуансона, където компресивните напрежения могат да предизвикат образуване на гънки.

Гъненето описва гънките, които се образуват при разтягането на тялото на заготовката, в противоположност на гънките при изтегляне, които възникват по ръба на заготовката. Това е гънене по стената, а не по фланеца, и изисква различни мерки за отстраняване. Неподдържаната стена между пуансона и матрицата е значително по-голяма при конични изтегляния, поради което гъненето по стената е доминиращият вид дефект. Гъненето трябва да се избягва, тъй като тези гънки обикновено не могат да бъдат премахнати.

За конични корпуси отношението дебелина на листа към диаметър на заготовката (t/D) оказва по-силно влияние върху граничното изтегляно съотношение, отколкото при изтегляне на чаша. При t/D, по-голямо от 0,25, обикновено може да се постигне еднократно изтегляне при номинално налягане на държача на заготовката. При t/D между 0,15 и 0,25 еднократното изтегляне все още може да е възможно, но изисква значително по-високо налягане на държача на заготовката. При t/D по-малко от 0,15 заготовката става много податлива на гънене и изисква многократни стъпки на изтегляне.

Сложни панели с контурна форма, често използвани в автомобилните кузовни приложения, комбинират елементи от всички тези геометрии. Гънките са специфични за геометрията и зависят от местоположението, като се променят по повърхността на детайла в зависимост от локалната кривина, дълбочината на изтегляне и моделите на материалния поток. Тези детайли обикновено изискват моделиране на формовъчния процес, за да се предвиди къде ще се образуват гънки и кои технологични корекции ще бъдат ефективни.

По-долу са посочени геометрично обусловените аспекти, свързани с образуването на гънки, за всеки тип детайл:

• Цилиндрични чаши: Гънките са симетрични и доминират във фланците. Основни параметри за контрол са силата на уравновесяващото натоварване (BHF) и коефициентът на изтегляне. Ефективно е глобалното регулиране на BHF. Спазвайте максималния коефициент на изтегляне (LDR) за вашата марка материала.
• Правоъгълни/кутиевидни детайли: В ъгловите области се наблюдава по-високо компресивно напрежение в сравнение с правите страни. Основната загриженост е образуването на гънки в ъглите. Използвайте изтеглящи ребра в ъглите и оптимизирайте формата на заготовката, за да намалите обема на материала в ъглите. Разгледайте възможността за ориентация на заготовката под ъгъл 45 градуса.
• Конични обвивки: Голямата неподдържана площ на стената води до набръчкване (пукане) на стената като доминиращ режим. Съотношението t/D критично влияе върху склонността към набръчкване. Тънките заготовки спрямо диаметъра изискват множество намалявания при изтегляне или междинни поддържащи пръстени.
• Сложни панели с контурна форма: Набръчкването зависи от местоположението и е специфично за геометрията. За прогнозиране на местата на набръчкване е необходимо моделиране. Локалната вариация на силата на задържащото усилие (BHF) и разположението на изтеглящите ребра трябва да се адаптират според конкретните зони с риск.

Ефекти от многостепенно изтегляне и междинно отжигане

Когато една единствена операция по изтегляне не може да постигне необходимата дълбочина без набръчкване или разкъсване, стават необходими последователности от многостепенно изтегляне. Това е особено често срещано при дълбоки конични обвивки, силно конусовидни форми и детайли, изискващи общо намаляване, което надвишава възможностите на единичен ход.

Успешното изтегляне на силно конични корпуси с височина към диаметър по-голямо от 0,70 изисква подхода със стъпенчеста чаша. Дълбокото изтегляне на стъпенчести чаши по същество имитира изтеглянето на цилиндрични чаши, като намаляването при изтегляне за съседните стъпени е еквивалентно на съответните диаметри на чашите. Операцията по вторично изтегляне се спира на част от пътя, за да се оформи съответната стъпен, след което корпусът на стъпенчестата част се изтегля в конус при финалните стъпки на вторично изтегляне.

Но тук възниква предизвикателството: всяка стъпка на изтегляне натрупва деформационно напрежение в материала. Хладната обработка по време на първото изтегляне увеличава плътността на дислокациите и намалява пластичността. До втората или третата стъпка на изтегляне материала може да е претърпял толкова силно увличане (работно овъстяване), че вече не може да се деформира равномерно. Това натрупано напрежение от увличане стеснява границите между образуването на гънки и разкъсването, което прави последващите стъпки на изтегляне все по-трудни.

Междинното отжигане решава този проблем, като възстановява пластичността между етапите на изтегляне. Този термичен процес нагрява материала до определена температура, задържа го там в продължение на предварително определено време и след това го охлажда по контролиран начин. Отжигането осигурява топлинна енергия, която позволява движението, пренареждането и анехилацията на дислокациите, ефективно „нулирайки“ упрочняването на материала поради пластична деформация.

Този процес е съществен при производствени операции, които изискват значителна деформация, тъй като предотвратява прекомерното утвърдяване и потенциалното пукане по време на последващите стъпки на формоване. Междинното отжигане позволява на производителите да постигнат по-големи общи намалявания, отколкото биха били възможни при единична деформационна последователност.

За приложения с дълбоко изтегляне междинното отжигане намалява риска от образуване на гънки, причинени от материал, който е станал по-твърд в резултат на пластична деформация и е загубил способността си да се деформира равномерно. Когато материалът е претърпял усилена пластична деформация в предходни процеси, неговата стойност n ефективно намалява. Материалът вече не разпределя деформацията равномерно по фланеца, а концентрира деформацията в локализирани зони, където може да започне огъване. Отжигането възстановява първоначалното поведение на стойността n, което позволява равномерно разпределение на деформацията при последващи операции по изтегляне.

Практическото следствие? Многостепенни последователности от изтегляне с междинно отжигане позволяват производството на сложни геометрии без разрушаване на материала. Производството на тънка стоманена жица често изисква 5–10 прохода на изтегляне с междинно отжигане, за да се постигнат окончателните диаметри без прекъсване на жицата. Същият принцип се прилага и за детайли, получени чрез дълбоко изтегляне: множество стъпки с отжигане между тях могат да осигурят дълбочина на изтегляне, която би била невъзможна при еднократна операция.

Обаче междинното отжигане увеличава разходите и времето за цикъл. Инженерите трябва да балансират параметрите на отжигането спрямо ефективността на производствения процес и разходите за енергия. Недостатъчното отжигане води до трудности при обработката, докато прекомерното отжигане води до загуба на ресурси и може да предизвика нежелан растеж на зърната, който влияе на повърхностната отделка при последващото формоване.

Геометрия-ориентираният подход за предотвратяване на набръчквания признава, че няма универсално решение, което да е ефективно за всички форми на детайли. Цилиндричните чаши реагират на глобална корекция на силата на уравновесяване (BHF). Правоъгълните кутии изискват контроли, специфични за ъглите. Коничните обвивки изискват внимание към подкрепата на стените и може да се наложи прилагането на многостепенни последователности. Сложните панели изискват разработка на процеса, базирана на симулации. Съгласуването на диагностичния подход с геометрията на детайла е първата стъпка към ефективен контрол върху набръчкванията.

След като са разбрани механичните особености, свързани с конкретната геометрия, следващата стъпка е анализът на начина, по който инструментите за симулация на формоването прогнозират тези рискове от набръчкване още преди изработването на каквито и да било шаблони.

Използване на симулация на формоване за прогнозиране на образуването на гънки преди изработването на инструментите

Какво би станало, ако можехте да видите точно къде ще се образуват гънките, преди да отрежете дори едно парче стомана за вашата матрица? Точно това предлага софтуерът за симулация на формоване. Инструменти като AutoForm, Dynaform , и PAM-STAMP позволяват на инженерите по процесите виртуално да тестват своите проекти на матрици, да идентифицират зоните с риск от образуване на гънки и да оптимизират параметрите, преди да се пристъпи към скъпата изработка на инструментите.

За всеки производител на инструменти и матрици тази възможност трансформира целия работен процес при разработката. Вместо да откриват проблеми с образуването на гънки по време на пробното производство, когато промените изискват физическа корекция или напълно нова изработка на матрицата, симулацията улавя тези проблеми още в проектантската фаза. Резултатът? По-малко пробни цикли, по-кратки срокове за разработка и значително по-ниски разходи.

Тази технология използва метода на крайните елементи за моделиране на поведението на листовия метал при формовъчни условия. Както обяснява AutoForm Engineering, симулацията позволява да се откриват грешки и проблеми, като например бръчки или пукнатини в детайлите, още на компютъра в ранен етап на формоването. Това елиминира необходимостта от производство на реални инструменти само за провеждане на практически изпитания.

Какви входни данни определят точността на симулацията

Симулацията е толкова добра, колкото са данните, които й се подават. Принципът „лоши входни данни – лоши резултати“ важи тук също толкова, колкото и навсякъде другаде в инженерството. Точността на прогнозите за образуване на бръчки зависи директно от това, колко добре моделът ви отразява реалните условия на процеса.

Типичните параметри за симулация на формоване включват геометрията на детайла и инструмента, материалните свойства, силите на пресата и триенето. Всеки от тези входни параметри влияе върху начина, по който софтуерът изчислява напреженията и деформациите по време на виртуалния формовъчен процес. Ако ги зададете неправилно, резултатите от симулацията няма да съответстват на това, което се случва на пресата.

Ето ключовите входни параметри за симулацията, които влияят върху точността на прогнозирането на образуване на гънки:

• Свойства на изходния листов материал: Границата на текучест и напрежението при текучест определят момента, в който започва пластичната деформация. Стойността n (експонент на упрочняване при деформация) определя степента, в която материалът разпределя деформацията равномерно. Стойността r (пластична анизотропия) показва съпротивлението на материала към намаляване на дебелината. Пълната крива „напрежение-деформация“ отразява поведението на материала в целия диапазон на формоване.
• Геометрия на изходния листов материал: Формата, размерите и дебелината на изходния лист директно влияят върху количеството материал, който навлиза в матрицата във всяка точка. За да се предскаже правилно разпределението на компресивното напрежение в фланеца, симулацията изисква точни размери на изходния лист.
• Геометрия на инструментите: Радиусът на входа на матрицата, радиусът на върха на пуансона и зазорът между пуансона и матрицата всички оказват влияние върху течността на материала и съпротивлението му към огъване. Тези размери трябва да съответстват точно на действителната конструкция на инструментите, за да се получат значими резултати.
• Модул и разпределение на силата на държащото устройство: Силата на държащото устройство (BHF) е основният контролиран параметър за образуване на гънки по фланеца. За симулацията са необходими точни стойности на тази сила и, при сложни матрици, пространственото ѝ разпределение по повърхността на държащото устройство.
• Условия на триене: Коефициентът на триене между листовия материал, матрицата и държащото устройство влияе върху начина, по който материала се деформира по време на изтегляне. Типът смазка и методът на нанасяне значително влияят върху тези стойности.

Данните за материала заслужават специално внимание. Много грешки при симулациите се дължат на използването на обобщени свойства на материала вместо действителни резултати от изпитания за конкретната рула или партида, която се формова. Разликата между номиналните стойности от техническите характеристики и реалното поведение на материала може да бъде значителна, особено при зависимостта между границата на текучест и напрежението при текучест за високопрочни класове.

Интерпретиране на резултатите от симулацията за прогнозиране и предотвратяване на гънки

Веднъж, когато стартирате симулация, софтуерът генерира резултати, които показват къде ще възникнат проблеми. Но умението да се интерпретират тези изходни данни разделя инженерите, които използват симулациите ефективно, от тези, които ги използват само като формална стъпка.

Симулацията изчислява напреженията и деформациите по време на процеса на формоване. Освен това симулациите позволяват идентифицирането на грешки и проблеми, както и получаването на резултати като якост и намаляване на дебелината на материала. Дори пружинирането — еластичното поведение на материала след формоването — може да се предвиди предварително.

По-специално за образуването на гънки, ето ключовите изходни параметри, които инженерите трябва да анализират:

• Индикатори за склонност към образуване на гънки: Повечето софтуерни пакети за симулация показват риска от образуване на гънки чрез цветови карти, наложени върху геометрията на детайла. Областите, в които се наблюдават компресивни напрежения, надвишаващи граничните стойности за изкършване, се отбелязват с предупредителни цветове — обикновено сини или лилави зони върху диаграмата за гранични деформации (FLD).
• Разпределение на намаляване на дебелината: Прекомерното намаляване на дебелината показва, че материала се удължава, а не се изтегля, което може да означава, че силата на задържащия хидравличен прес (BHF) е твърде висока. От друга страна, участъците с минимално намаляване на дебелината може да са недостатъчно ограничени и подложни на образуване на гънки.
• Близост до диаграмата на граничните деформации (FLD): Диаграмата на граничните деформации отразява главната деформация спрямо второстепенната деформация за всеки елемент в симулацията. Състоянията на деформация в компресивната област (лявата страна на диаграмата) указват риск от образуване на гънки. FLD осигурява лесно разбираем общ преглед на множество възможни критерии за отказ едновременно, което я прави идеална за първоначални проверки на осъществимост.
• Патерни на движение на материала: Визуализирането на начина, по който материала се движи по време на процеса на изтегляне, разкрива дали потокът е равномерен или ограничена. Неравномерният поток често предшества локализирано образуване на гънки.

Истинската мощ на симулацията се проявява, когато свържете тези резултати с конкретни корекции в процеса. Представете си, че вашата симулация показва образуване на гънки в ъгъла на фланеца на правоъгълна част. Преди да бъде отрязано каквото и да е метално парче, вие можете да тествате решенията виртуално: увеличаване на локалното усилие за задържане на заготовката (BHF) в тази зона, добавяне на изтегляща гънка (draw bead) в ъгъла, намаляване на размера на заготовката, за да се намали обемът на материала, или коригиране на геометрията на радиуса на матрицата. Всяка промяна отнема минути за симулиране, а не дни за физическо прилагане.

Както отбелязва ETA, софтуерът за симулация на дизайна на повърхността на матрицата позволява на инженерите да разпознават проблеми като намаляване на дебелината, пукнатини, повторно формоване, фланцовка, еластично връщане (springback) и проблеми с контурите за рязане. Макар софтуерът все още да изисква инженерен опит, операторите могат да го използват за експериментиране с различни решения, без ненужно да губят време, усилия или материал.

Това итеративно виртуално тестване е причината симулацията да стане стандартна практика при съвременното разработване на шаблони. Вместо да са принудени да прекарат няколко седмици в опити и грешки, дизайнерите могат да симулират повърхността на шаблона за дни или дори часове. Те могат по-бързо да оценят осъществимостта на проекта, което позволява на оценителите да издават оферти по-бързо и, от своя страна, увеличава вероятността да спечелят конкурентни търгове.

Доставчиците, които интегрират напреднали CAE симулации в процеса си за разработка на шаблони, последователно постигат по-добри резултати. Shaoyi , например, използва дизайн, воден от симулация, като част от работния си процес за разработка на шаблони за автомобилно шампиране. Този подход допринася за тяхната 93% първоначална стопроцентова приемственост, като идентифицира риска от образуване на гънки и други дефекти още преди производството на инструментите. Когато симулацията засече проблема рано, коригирането струва само дробна част от разходите, необходими за физическа преработка.

Интеграцията на работния процес е толкова важна, колкото и самото софтуерно решение. Симулациите за формообразуване се използват през цялата верига от процеси при формообразуването на листов метал. Дизайнерът на детайл може да оцени формоустойчивостта още по време на фазата на проектиране, което води до детайли, по-лесни за производство. Инженерът по технологичния процес може да анализира процеса по време на планирането и да оптимизира алтернативните варианти чрез симулация, което впоследствие намалява необходимостта от фината настройка на инструмента за формообразуване.

За сложните автомобилни панели, при които поведението на образуване на гънки варира в зависимост от местоположението и геометрията, симулацията не е по избор. Това е единственият практически начин да се предвиди къде ще възникнат проблеми и кои комбинации от параметри ще ги предотвратят. Алтернативата — откриването на тези проблеми по време на пробното изпитване на преса за гънене или по време на серийното производство — води до значително по-високи разходи по отношение на време, материали и доверие от страна на клиентите.

С имитацията, която осигурява виртуална валидация на проекта на вашия процес, следващата стъпка е да разберете как да диагностицирате проблемите с образуването на гънки, когато те възникнат в производствения процес, като свържете наблюдаваните места на дефектите с тяхната основна причина и коригиращите действия.

Диагностика на основната причина

Вие сте изпълнили своята имитация, оптимизирали сте геометрията на заготовката и сте задали параметрите на инструментите. И все пак върху вашите детайли продължават да се появяват гънки. Какво следва сега? Отговорът се крие в един-единствен диагностичен въпрос, който трябва да ръководи всяка сесия по отстраняване на неизправности: къде се образуват гънките?

Този въпрос е от съществено значение, защото местоположението на гънката директно разкрива основната причина. Гънка по периферията на фланеца разказва напълно различна история в сравнение с гънка, която се появява по изтеглената стена или в зоната на ъглов радиус. Трактоването на всички гънки като един и същи проблем води до безполезни настройки и продължаващо отпадане. Диагностичният подход напълно се различава в зависимост от мястото, където се проявява дефектът.

Опитът от производството потвърждава този принцип. Според Yixing Technology основната причина за образуването на гънки в шампираните детайли е натрупването на материал по време на процеса на дълбоко изтегляне и прекомерната скорост на локалното движение на материала. Обаче мястото, където се случва това натрупване, определя кой механизъм е отговорен и коя коригираща мярка ще даде действителен резултат.

Място на образуване на гънките като отправна точка за диагностика

Представете си местоположението на гънките като първата ви улика при диагностичното разследване. Всяка зона на изтеглената част изпитва различни напрегнати състояния, различни ограничения от страна на инструментите и различни условия на материалния поток. Разбирането на тези зоново-специфични механични особености превръща отстраняването на неизправностите от случайно предположение в системно решаване на проблеми.

Периферията на фланеца се намира между държача на заготовката и повърхността на матрицата. В тази зона действа директно компресивно хоризонтално напрежение, докато материала тече навътре. Когато тук се появят гънки, това означава, че държачът на заготовката не осигурява достатъчно ограничение, за да се противопостави на тази компресия. Материалът се изкривява, защото нищо не му пречи да го направи.

Изтеглената стена, напротив, вече е минала през радиуса на матрицата и е влязла в кухината на матрицата. Този регион няма директното ограничение, което осигурява държачът на заготовката. Гънките по стената показват, че материалът се изкривява в неподдържана зона, най-често поради прекалено голям зазор между пуансона и матрицата или поради липса на латерална подкрепа на стената по време на формоването.

Областите около ъгловите радиуси при правоъгълни или кутиевидни детайли изпитват концентрирано компресивно напрежение. Материалът, който тече към ъглите, трябва да се компресира по-силно от материала, който тече по правите страни. Гънките в ъглите показват, че локалното ограничение е недостатъчно, за да се управлява тази концентрирана компресия.

Долната преходна зона на детайла, където материала се огъва над радиуса на върха на пуансона, изпитва напълно различно напрегнато състояние. Бръчките в тази област често показват, че материала не се разтяга достатъчно по повърхността на пуансона, което позволява излишният материал да се натрупва в преходната зона.

Всяко местоположение сочи към конкретен механизъм на повреда. Разпознаването на активния механизъм определя кое коригиращо действие ще даде резултат.

Свързване на основните причини с коригиращите действия по зони

В таблицата по-долу са свързани наблюдаваните местоположения на бръчките с най-вероятните им основни причини и препоръчителните първи коригиращи действия. Този диагностичен подход отразява начина, по който опитните инженери по процеси решават проблемите на производствената площадка.

Местоположение на бръчката	Най-вероятни основни причини	Препоръчителни първи коригиращи действия
Периферия на фланеца	Недостатъчна сила на държача на заготовката; прекалено голям диаметър на заготовката; прекалено голям радиус на входа на матрицата, водещ до обширна неподдържана област	Увеличете постепенно силата на държащия пресовъч (BHF), като наблюдавате за разкъсване; намалете диаметъра на заготовката, за да намалите обема на материала при компресия; проверете дали радиусът на матрицата е подходящ за дебелината на материала
Стенка на изтеглената част (странична стенка)	Твърде голям зазор между пуансона и матрицата, който позволява напречно огъване; недостатъчна подкрепа на стенката; твърде голям радиус на матрицата, който позволява образуването на гънки от фланеца	Намалете зазора между пуансона и матрицата, за да осигурите напречна подкрепа на стенката; добавете междинни поддържащи елементи за дълбоко изтегляне; намалете входния радиус на матрицата, като наблюдавате риска от разкъсване
Област на ъгловия радиус (кутийни детайли)	Недостатъчно ограничение в ъглите; излишен обем материал в ъгловите области; равномерната сила на държащия пресовъч (BHF) е недостатъчна за нееднородното разпределение на напреженията	Добавете изтеглящи гребени в ъгловите области, за да увеличите локалното ограничение; оптимизирайте геометрията на ъглите на заготовката, за да намалите обема на материала; разгледайте възможността за ориентация на заготовката под ъгъл 45° за квадратни корпуси
Преход в дъното на детайла	Недостатъчно разтягане по цялата повърхност на пуансона; натрупване на материал в радиуса на върха на пуансона; радиусът на пуансона е твърде голям, което позволява сгъване на материала	Увеличете триенето между пуансона и заготовката, за да се насърчи разтягането; намалете количеството смазка върху повърхността на пуансона; проверете дали радиусът на върха на пуансона е подходящ за дълбочината на изтегляне

Обърнете внимание как коригиращите действия се различават значително според зоната. Увеличаването на силата на удръжка на фланеца (BHF) отстранява бръчките по периферията на фланеца, но не влияе върху бръчките по стената, причинени от прекомерен зазор. Добавянето на изтеглящи ребра в ъглите решава локализираните проблеми с ограничаването, но не може да компенсира прекалено голяма заготовка. Съответствието между корекцията и местоположението ѝ е от съществено значение.

Връзката между границата на текучест и точката на текучест също влияе върху това колко агресивно можете да коригирате параметрите. Материалите с голяма разлика между точката на текучест и предела на якостта при опън предоставят повече възможности за коригиране на силата на удръжка на фланеца (BHF), преди да започне разкъсване. При материали, при които тези стойности са близки една до друга — което е често срещано при уморени от обработка условия — са необходими по-внимателни корекции.

Утвърдяването при деформиране по време на процеса на дърпане също влияе върху диагностичната интерпретация. Материал, който е значително утвърден чрез пластична деформация, може да показва гънки в участъци, където при свеж материал те биха отсъствали. Ако гънките се появят след няколко последователни стъпки на дърпане без междинно отжигане, натрупаното утвърдяване при деформиране може да е намалило способността на материала да се деформира равномерно. Решението в този случай не е корекция на параметрите, а промяна на последователността на процеса.

При сравняване на предела на якост при опън и предела на текучест за вашия материал имайте предвид, че разликата между тези две стойности представлява диапазона на утвърдяване при деформиране. По-голям диапазон означава по-голяма способност за преразпределение на деформацията преди разрушение. По-малък диапазон означава, че материала бързо преминава от състоянието на текучест към счупване, като оставя по-малък резерв за корекция на технологичния процес.

Горната диагностична рамка предоставя отправна точка, а не пълно решение. Реалното диагностициране на проблеми често изисква многократно прилагане на различни корекции, проверка на резултатите след всяка промяна и уточняване на разбирането кой механизъм е доминиращ. Започването обаче с локационно-базирана диагностика гарантира, че коригирате правилните променливи, а не преследвате симптомите с несвързани поправки.

След като са разбрани диагностиката на коренните причини, последната стъпка е интегрирането на тези принципи в комплексна стратегия за предотвратяване, която обхваща целия процес на разработка на матрицата — от първоначалния дизайн до производството.

Предотвратяване на образуване на гънки през целия процес на разработка на матрицата

Сега вие разбирате механиката, материалните променливи, геометрично-специфичните предизвикателства и диагностичната рамка. Но как обединявате всичко това в практически стратегия за предотвратяване? Отговорът се крие в организирането на вашия подход според инженерния етап. Всеки етап от развитието на матрицата предлага конкретни възможности за елиминиране на риска от образуване на гънки, преди той да се превърне в производствен проблем.

Представете си предотвратяването на гънките като многослойна защита. Решенията, взети по време на проектирането, ограничават възможностите по време на разработването на инструментариума. Изборът на инструментариум определя процесния диапазон, наличен по време на производството. Ако пропуснете възможност в ранен етап, ще трябва да полагате по-голямо усилие за компенсиране по-късно. Ако обаче направите правилния избор от самото начало, производството протича гладко с минимално вмешателство.

Следващите действия, подредени по етапи, представляват най-добрите практики, извлечени от производствен опит и от механичните принципи, разгледани в настоящата статия.

Най-добри практики при проектирането и подготовката на заготовката

Фазата на проектиране установява основата за всичко, което следва. Изборът на материал, геометрията на заготовката и решенията относно коефициента на изтегляне, взети по време на тази фаза, определят дали вашият процес ще протича спокойно в рамките на прага на образуване на гънки или постоянно ще се бори с дефекти от тип „изкършване“.

1. Изберете клас материала с подходящи стойности на коефициента n и коефициента r за вашата дълбочина на изтегляне. Материалите с по-висока стойност на коефициента n разпределят деформацията по-равномерно и по този начин се противопоставят на локализираното изкършване. Материалите с по-висока стойност на коефициента r запазват дебелината си през целия ход, което поддържа устойчивостта им към изкършване. При дълбоко изтегляне или сложни геометрии приоритет имат характеристиките на формоустойчивост, а не суровата якост. Диаграмата на граничната формоустойчивост за избрания от вас клас материала предоставя визуална справка за безопасни комбинации от деформации.
2. Оптимизиране на формата на заготовката според геометрията на детайла. Заготовки с форма, която следва контурите на отвора на пуансона, намаляват излишния материал в зоните с високо компресионно напрежение. За правоъгълни детайли разгледайте ориентация на заготовката под ъгъл 45 градуса, за да се постигне баланс между течността в ъглите и ограничението по страните. Избягвайте прекалено големи заготовки, които увеличават компресионното напрежение в фланеца.
3. Проверете дали коефициентът на изтегляне е в границите на критичния коефициент на изтегляне за вашия материал. Изчислете размера на заготовката чрез методи, основани на повърхнината, а не чрез линейни измервания. Когато коефициентът на изтегляне доближи прага на критичния коефициент на изтегляне, планирайте многостепенна процедура на изтегляне с промеждутъчно отжигане, за да се възстанови пластичността между стадиите.
4. Вземете предвид вариациите в свойствата на материала. Модулът на еластичност на стоманата се различава значително от този на алуминия, което влияе върху устойчивостта към огъване при еднаква дебелина. Уточнете допуските за входящия материал така, че вашият процес да остава в рамките на валидираното работно поле.

Тези решения, взети в етапа на проектиране, са трудни за отмяна, след като са изработени шаблоните.

Разработка на шаблони и контрол в производствения етап

След като параметрите на конструкцията са определени, разработката на шаблоните превръща тези решения в реално оборудване. Този етап предлага последната възможност да се идентифицират и коригират рисковете от образуване на гънки, преди да се пристъпи към производството на шаблони.

5. Използвайте симулация на формоване, за да идентифицирате зоните с риск от образуване на гънки, преди да са изработени шаблоните. Виртуалното тестване показва къде ще възникнат концентрации на компресивно напрежение, които водят до огъване, и позволява на инженерите да коригират разпределението на силата на държащия фланец (BHF), да добавят изтеглящи ребра или да променят геометрията на заготовката, без да се налага физическа корекция. Проектирането, базирано на симулации, намалява броя на пробните итерации и ускорява извеждането на продукта в производство.
6. Задайте радиуса на входа на матрицата и радиуса на върха на пуансона, като имате предвид компромиса между тях и силата за задържане на фланеца (BHF). По-големите радиуси намаляват риска от разкъсване, но увеличават площта на неподдържания фланец. По-малките радиуси задържат материала по-ефективно, но концентрират напрежението. Балансирайте тези противоречиви ефекти въз основа на класа на вашия материал и степента на дълбочината на изтеглянето.
7. Проектирайте разположението на изтеглящите гребени въз основа на резултатите от симулацията. Поставете гребените там, където е необходима локална устойчивост, особено в ъглите на правоъгълни детайли. Регулирайте дълбочината на проникване на гребена, за да се постигне необходимата устойчива сила, без да се ограничи прекомерно течението на материала.
8. Проверете дали зазорът между пуансона и матрицата е подходящ за дебелината на материала. Твърде голям зазор позволява образуване на бръчки по стената, независимо от състоянието на фланеца. Задайте зазора като процент над номиналната дебелина, като вземете предвид уплътняването на материала по време на изтегляне.

За автомобилни приложения, където стандартите за качество са непоклатими, сътрудничеството с доставчици, които интегрират тези практики в своя стандартен работен процес, значително намалява риска. Shaoyi прилага този подход, като комбинира напреднали CAE симулации със сертификация по IATF 16949, за да осигури последователно качество при производството на штампови матрици за автомобилна промишленост. Възможността им за бързо прототипиране, с време за изпълнение от само 5 дни, подпомага итеративното развитие на инструменти при необходимост от промени в дизайна. Резултатът е 93% първоначален процент на одобрение, който отразява проектирането, водено от симулации, и откриването на проблеми още преди те да стигнат до пресата.

След като инструментът е валидиран, контролите по време на производствения етап осигуряват стабилност на процеса при различни партиди материали, смяни на оператори и вариации в оборудването.

9. Въведете BHF като контролиран параметър на процеса с дефинирани горна и долна граници. Документирайте валидираната област на BHF по време на пробното производство и внедрете контроли, които предупреждават операторите, когато силата излезе извън този диапазон. Както отбелязва The Fabricator, ЧПУ хидравличните амортисьори позволяват промяна на BHF по време на хода, осигурявайки гъвкавост за управление на металния поток и намаляване на гънките, без да се допуска прекомерно изтъняване.
10. Внедрете протоколи за инспекция на първия образец, които проверяват зоните, склонни към образуване на гънки. Въз основа на резултатите от вашето моделиране и опита от пробното производство, идентифицирайте местоположенията, при които най-вероятно ще се появят гънки при отклонение на технологичните условия. Проверете тези зони върху първите изделия след настройка, смяна на материала или продължителен простои.
11. Използвайте стъпково регулиране на BHF при смяна на рулони или дебелини на материала. Вариациите в свойствата на материала между рулоните могат да променят прага за образуване на гънки. Започнете консервативно и коригирайте настройките въз основа на резултатите от инспекцията на първия образец, вместо да приемате, че предишната настройка ще е подходяща.
12. Мониторирайте състоянието и калибрирането на пресовата възглавница. Неравномерното налягане, причинено от износени възглавнични пинове или повредени еквалайзери, води до локализирано прекалено и недостатъчно ограничаване, което предизвиква както гънки, така и пукнатини върху една и съща детайл.

Този фазово-последователен подход трансформира предотвратяването на гънки от реактивно диагностициране в проактивно проектиране на процеса. Всяка фаза се основава на предходната и създава множество възможности за идентифициране и елиминиране на рисковете, преди те да повлияят върху качеството на производството.

Разбирането на това какво представляват матриците в производството и как те взаимодействат с поведението на материала е фундаментално за този подход. Матрицата не е просто инструмент за формиране; тя представлява система, която контролира потока на материала, разпределението на напреженията и устойчивостта към огъване по време на целия процес на формиране. Инженерите, които разбират тази връзка, проектират по-добри инструменти и постигат по-последователни резултати.

Независимо дали разработвате инструментите вътре в компанията си или сътрудничите със специализирани доставчици, принципите остават едни и същи. Проектирайте за формоустойчивост. Валидирайте чрез симулация. Контролирайте по време на производството. Този системен подход за предотвратяване на образуване на гънки осигурява постоянното качество, което съвременното производство изисква.

Често задавани въпроси относно образуването на гънки при дълбоко шампиране

1. Какви са причините за образуване на гънки при дълбоко шампиране?

Гънките се появяват, когато компресивното окръжностно (хоризонтално) напрежение в фланеца от листов метал надвишава устойчивостта на материала към изкършване. Докато заготовката се изтегля в кухината на матрицата, нейният външен диаметър намалява, което води до компресия и може да предизвика изкършване на листа извън равнината. Основните фактори, допринасящи за това явление, включват недостатъчна сила на държача на заготовката, прекалено големи заготовки, малка дебелина на листовия материал, ниска стивост на материала и прекалено голяма ширина на неподкрепения фланец. Материалите с по-нисък модул на еластичност, като алуминия, по принцип са по-склонни към образуване на гънки в сравнение със стоманата при еднаква дебелина.

2. Каква е разликата между набръчкване на фланеца и набръчкване на стената?

Набръчкването на фланеца възниква в равната част на заготовката между държача на заготовката и матрицата по време на изтегляне, където върху материала действа директно натисково напрежение. Набръчкването на стената се образува в изтеглената странична стена след това, като материала премине през радиуса на матрицата, в област, която е относително неподдържана от инструментите. Тези два вида дефекти изискват различни коригиращи подходи: набръчкванията на фланеца се коригират чрез регулиране на силата на държача на заготовката, докато набръчкванията на стената обикновено изискват намаляване на зазора между пуансона и матрицата или добавяне на допълнителни опорни елементи за стената.

3. Как влияе силата на държача на заготовката върху набръчкването?

Силата на държащия елемент (BHF) е основната управляваща променлива за образуване на гънки по фланеца. Когато BHF е твърде ниска, фланецът липсва ограничение и се огъва под действието на компресивно напрежение. Когато BHF е твърде висока, потокът на материала се ограничава, което води до разтягане и потенциално разкъсване в областта на носа на пуна. Инженерите трябва да определят оптималния диапазон, при който BHF потиска огъването, но все пак позволява достатъчен поток на материала. Този диапазон варира в зависимост от класа на материала, като високопрочните стомани (AHSS) имат по-тесен диапазон в сравнение с меката стомана.

4. Може ли симулацията на формоването да предвиди образуването на гънки преди изработването на инструментите?

Да, софтуерът за симулация на формоване като AutoForm, Dynaform и PAM-STAMP използва метода на крайните елементи, за да извърши виртуално тестване на дизайна на матриците и да идентифицира зоните с риск от образуване на гънки, преди да бъде произведено каквото и да е физическо инструментално оборудване. За точни прогнози са необходими правилни входни данни, включително свойствата на материала (предел на текучестта, n-стойност, r-стойност), геометрията на заготовката, размерите на инструменталното оборудване, разпределението на силата на държащия пресов механизъм (BHF) и условията на триене. Доставчици като Shaoyi интегрират напреднал CAE-софтуер за симулация в своя процес на разработка на матрици и постигат 93 % първоначален процент на одобрение, като откриват дефектите още на ранен етап.

5. Защо алуминият и високопрочните стомани (AHSS) изискват различни технологични подходи за контрол на образуването на гънки?

Алуминиевите сплави имат приблизително една трета от модула на еластичността на стоманата, което води до по-ниска вродена устойчивост срещу изкършване при еквивалентна дебелина. Това прави алуминия по-подложен на образуване на гънки и изисква прецизен контрол на силата на задържащото усилие (BHF) при по-ниски нива на сила в сравнение със стоманата. Степените високоякостни стомани (AHSS) имат висока граница на текучест, което изисква по-високо BHF за потискане на гънките, но тяхната ограничена удължимост стеснява работния диапазон преди настъпване на разкъсване. Всяко семейство материали изисква собствена стратегия за BHF, оптимизация на скоростта на изтегляне и подход за смазване, адаптирани към специфичните му механични свойства.