STRESZCZENIE

Marszczenie w tłocznictwie metalu jest przede wszystkim spowodowane naprężeniami ściskającymi w kierunku obwodowym w obszarze kołnierza, gdy średnica zagotka jest zmniejszana do średnicy kubka. Gdy materiał nie może się skompresować, ulega wybuckowaniu.

Najskuteczniejszą metodą zapobiegania jest zastosowanie odpowiedniego Siłę Uchwytu Blachy (BHF) nacisku dociskacza 2,5 N/mm² jest standardową wartością wyjściową. Drugorzędne środki kontroli obejmują stosowanie listwy tłoczyskowe wycinków mechanicznych promienie matrycy odstępów między matrycami

Fizyka marszczenia: Dlaczego metal się wybuckowuje

Aby skutecznie zapobiegać marszczeniu, inżynierowie muszą najpierw zrozumieć mechanizm niestabilności ściskania podczas tłoczenia głębokiego płaski półprodukt jest przekształcany w trójwymiarowy kształt. W miarę jak materiał przepływa od zewnętrznego brzegu półproduktu w kierunku wnęki matrycy, obwód ulega zmniejszeniu. To zmniejszenie powoduje ściskanie materiału stycznie (naprężenie pierścieniowe). Jeśli naprężenie ściskające przekroczy krytyczne naprężenie wyboczeniowe materiału, metal fale lub składa się, tworząc zmarszczki.

Zjawisko to podlega Współczynnik tłoczenia granicznego (LDR) —związku między średnicą półproduktu a średnicą tłoka. Gdy półprodukt jest zbyt duży w stosunku do tłoka, ilość materiału „zbierającego się” na obręczy staje się niepodatna na kontrolę, co prowadzi do znacznego pogrubienia. Jeśli szczelina między powierzchnią matrycy a uchwytem na półprodukt nie jest ściśle kontrolowana tak, aby uwzględnić to pogrubienie (zazwyczaj dopuszczając jedynie 10–20% luzu powyżej nominalnej grubości), materiał ugnie się w wolnej przestrzeni.

Marszczenie występuje w dwóch głównych formach: Pofałdowanie kołnierza (pierwszego rzędu), które występuje w obszarze pod kołnierzem, oraz Pofałdowanie ścianki (drugiego rzędu), które pojawia się w niepodpartym obszarze pomiędzy promieniem matrycy a promieniem tłoka. Określenie miejsca, w którym fałda się inicjuje, jest pierwszym krokiem diagnostycznym: fałdy na kołnierzu sugerują niewystarczające ciśnienie kołnierza, podczas gdy fałdy na ściance często wskazują nadmierne promienie matrycy lub niedokładne dopasowanie materiału.

Główne rozwiązanie: optymalizacja siły docisku blachy (BHF)

The Uchwyt pusty (lub kołnierza) jest główną zmienną kontrolną zapobiegającą fałdowaniu. Jej zadaniem jest wywieranie odpowiedniego ciśnienia na kołnierz, aby zapobiec wyboczeniu przy jednoczesnym umożliwieniu przepływu materiału do wnętrza matrycy. Jeśli ciśnienie jest zbyt niskie, powstają fałdy; jeśli zbyt wysokie – materiał pęka (ulega zerwaniu), ponieważ nie może swobodnie przemieszczać się.

Zgodnie ze standardami branżowymi wymagane ciśnienie jednostkowe znacznie różni się w zależności od typu materiału. Praktyczną zasadą orientacyjną dla wstępnego ustawienia jest:

• Stal: ~2,5 N/mm²
• Stopy miedzi: 2,0 – 2,4 N/mm²
• Stopy aluminium: 1,2 – 1,5 N/mm²

Inżynierowie powinni obliczyć wymaganą siłę na podstawie powierzchni rzutu kołnierza pod dociskiem. Należy dodać współczynnik bezpieczeństwa w wysokości około 30% do tego obliczenia w fazie projektowania, ponieważ jest łatwiej zmniejszyć ciśnienie na prasie niż wygenerować większą siłę niż dopuszcza projekt.

Dla skomplikowanych części jednorodne ciśnienie często jest niewystarczające. Zaawansowane układy wykorzystują systemy zmiennej siły (poduszki hydrauliczne lub azotowe), które mogą dostosować siłę w trakcie przebiegu tłoka — stosując na początku wysokie ciśnienie, aby ustalić kołnierze, a następnie zmniejszając je w miarę zagłębiania się części, aby zapobiec rozerwaniu materiału. Wykorzystanie odległościowe lub bloczków równoważących (stop bloczków) jest kluczowe do utrzymania dokładnej szczeliny nieco grubszej niż materiał, zapewniając, że docisk nie zgniecie po prostu blachy, lecz ją jedynie ogranicza.

Sterowanie Projektowaniem Narzędzi: Wyty i Promienie

Gdy ciśnienie nie wystarcza do kontrolowania przepływu materiału — co często ma miejsce w przypadku nieregularnych części samochodowych — listwy tłoczyskowe są wymaganym rozwiązaniem inżynieryjnym. Przeciągi to wypukłe żeberka na uchwycie, które zmuszają materiał do zgina i rozginania przed wejściem do wnęki matrycy. To działanie mechaniczne generuje siłę oporu niezależną od tarcia, umożliwiając precyzyjną lokalną kontrolę przepływu materiału.

Geometria promień matrycy jest równie istotny. Zbyt mały promień ogranicza przepływ i powoduje pęknięcia, natomiast zbyt duży promień za duży zmniejsza powierzchnię styku oraz skuteczne napięcie na flance, sprzyjając zbyt swobodnemu przepływowi materiału i powstawaniu fałd. Promień matrycy musi być idealnie wypolerowany i dokładnie zachowany pod względem geometrii, aby utrzymać „optymalny punkt” napięcia.

Ponadto ważna jest sztywność samego narzędzia. Jeżeli matryca nie jest wystarczająco grube, może ulec wygięciu pod wpływem siły tłoczyska, co spowoduje nierównomierne rozłożenie ciśnienia. Kołki prowadzące muszą być wystarczająco mocne, by zapobiec jakimkolwiek ruchom bocznym górnej i dolnej części narzędzi, które mogłyby prowadzić do niestabilnych szczelin i lokalnego marszczenia się materiału.

Zmienne procesowe: smarowanie i dobór materiału

Tarcie to dwuostre ostrze w procesie tłoczenia głębokiego. Choć smarowanie jest niezbędne do zapobiegania zacieraniu i pękaniu, nadmierna smarowność (zbyt duże poślizganie) może faktycznie pogarszać marszczenie jeśli siła docisku blachy (BHF) nie zostanie zwiększona, aby to zrekompensować. Materiał przepływa tak łatwo, że trzpień nie może wytworzyć wystarczającej siły tarcia, by powstrzymać siły wyboczeniowe. Upewnij się, że środek smarny jest nanoszony równomiernie, a dysze są ustalone w pozycji.

Właściwości materiału decydują również o oknie procesowym. W zastosowaniach ze stali nierdzewnej, wymiana standardowej 304z 304L może znacząco poprawić kutejność. Stal 304L ma niższą granicę plastyczności (ok. 35 KSI vs. 42 KSI dla 304), co oznacza, że mniej opiera się przepływowi i umacnia się wolniej, zmniejszając siłę potrzebną do utrzymania płaskiego kształtu. Zawsze upewnij się, że materiał wyjściowy określony jest jako "Deep Draw Quality" (DDQ), aby zminimalizować anizotropię.

Nawet przy idealnym projekcie fizyczne możliwości partnera produkcyjnego są ograniczeniem. W przypadku elementów samochodowych o dużej liczbie sztuk, takich jak wahacze lub podwozia, precyzja jest warunkiem bezwzględnym. Producenti tacy jak Shaoyi Metal Technology wykorzystują prasy o nośności do 600 ton oraz certyfikat IATF 16949, by pokonać lukę między szybkim prototypowaniem a produkcją seryjną. Współpraca ze specjalistą zapewnia, że teoretyczne obliczenia BHF są zgodne z rzeczywistymi możliwościami sprzętu, zapobiegając wadom przed ich dotarciem na linię montażową.

Lista kontrolna rozwiązywania problemów: Protokół krok po kroku

Gdy na linii produkcyjnej pojawią się fałdy, postępuj zgodnie z tym systematycznym protokołem diagnostycznym, aby zlokalizować pierwotną przyczynę:

1. Sprawdź prasę: Sprawdź zużycie prowadnic lub nierównoległość suwnicy. Jeśli suwnica nie opuszcza się prostopadle, rozkład ciśnienia będzie nierównomierny.
2. Sprawdź specyfikację materiału: Czy grubość materiału jest jednolita? Zmierz krawędź taśmy; nawet odchylenia o 0,003 cala mogą wpływać na luz w uchwycie.
3. Sprawdź dystanse: Czy blokady zatrzymania ustawiają odpowiednią szczelinę? Jeśli są zużyte lub luźne, uchwyty mocujące mogą „docierać do dna” przed przyłożeniem siły do blachy.
4. Dostosuj siłę docisku uchwytów krokowo: Zwiększaj siłę docisku uchwytów w małych krokach. Jeśli fałdy nadal występują, ale zaczyna się pękanie, oznacza to, że okno procesu zostało zbyt znacznie zawężone — należy rozważyć zmianę kształtu wykrojeń prowadzących lub smarowania.
5. Przeprowadź audyt smarowania: Sprawdź, czy mieszanina smaru nie jest zbyt gęsta lub zbyt obficie naniesiona w obszarze płata.
6. Sprawdź powierzchnię narzędzi: Poszukaj zacierania na wykrojeniach prowadzących lub promieniach, które mogłyby powodować nieregularne tarcie.

Opanowanie przepływu materiału

Zapobieganie fałdowaniu nie polega na eliminowaniu siły, lecz na precyzyjnym jej zarządzaniu. Wymaga to kompleksowego podejścia, które równoważy fizykę naprężeń obwodowych z kontrolowanymi parametrami inżynierskimi, takimi jak siła docisku uchwytów, geometria narzędzi i dobór materiału. Traktując proces tłoczenia jako system wzajemnie powiązanych zmiennych, a nie oddzielnych etapów, producenci mogą osiągnąć spójne, wolne od wad detale głęboko tłoczone.

Sukces tkwi w szczegółach: precyzyjne obliczenie ciśnienia w N/mm², strategiczne rozmieszczenie zgrubień tłoczyskowych oraz dyscyplina utrzymywania warunków pracy prasy i narzędzi. Przy zastosowaniu tych środków kontrolnych nawet najbardziej złożone geometrie mogą być kształtowane w sposób niezawodny.

Często zadawane pytania

1. Jak obliczyć odpowiednią siłę docisku blachy?

Podstawowe obliczenie polega na pomnożeniu powierzchni kołnierza (pod uchwytem) przez wymagane ciśnienie jednostkowe materiału. Dla stali miękkiej przyjmij około 2,5 N/mm² (MPa). Zawsze dodaj margines bezpieczeństwa (np. +30%) do wymagań dotyczących nośności prasy, aby umożliwić korekty podczas próbnego tłoczenia.

2. Czy nadmiar smaru może powodować marszczenie?

Tak. Smar zmniejsza tarcie, które jest jedną z sił przeciwdziałających przepływowi materiału. Jeśli tarcie znacznie spadnie bez jednoczesnego zwiększenia siły docisku blachy, materiał może zbyt swobodnie wpływać do wnęki matrycy, co prowadzi do wyginania i powstawania fałd.

3. Jaka jest różnica między marszczeniem a pękaniem?

Marszczenie i rozerwanie to przeciwne tryby uszkodzeń. Marszczenie jest spowodowane nadmiernym ściskaniem oraz niewystarczającym ograniczeniem przepływu (luźnym materiałem). Rozerwanie (pęknięcie) jest spowodowane nadmiernym rozciąganiem oraz zbyt dużym ograniczeniem przepływu (naprężonym materiałem). Celem tłocznika jest znalezienie „okna procesu” pomiędzy tymi dwoma wadami.