Что на самом деле означает проектирование штампов глубокой вытяжки для прецизионного производства

Когда требуется производить герметичные цилиндрические стаканы, кислородные баллоны или автомобильные компоненты с исключительно высоким соотношением глубины к диаметру, проектирование штампов глубокой вытяжки становится решающим фактором успеха. В отличие от обычной штамповки, при которой металл режется или гнётся, процесс глубокой вытяжки преобразует плоский листовой металл в полые трёхмерные формы за счёт контролируемого пластического течения. Геометрия штампа, которую вы задаёте, определяет, будет ли материал плавно сжиматься в нужную форму или порвётся под чрезмерным напряжением.

Определение проектирования штампов глубокой вытяжки в современном производстве

Что такое глубокая вытяжка, если говорить точно? Это операция обработки металла давлением, при которой пуансон проталкивает плоскую заготовку через полость матрицы, создавая глубину, превышающую диаметр детали. Согласно Изготовитель , одно из самых распространённых заблуждений заключается в том, что металл растягивается при формовке. На самом деле, правильно выполненные операции глубокой вытяжки связаны с минимальным растяжением. Металл фактически утолщается за счёт пластического течения, поскольку сжимающие усилия перемещают материал внутрь к пуансону.

Это различие имеет значение для подхода к проектированию штампов. Вы разрабатываете инструмент, который управляет сжатием и течением материала, а не растяжением. Каждый радиус, зазор и параметр шероховатости поверхности влияет на то, насколько эффективно металл переходит из плоской заготовки в требуемую геометрию.

Почему конструкция штампа определяет качество детали

Геометрия вашего штампа напрямую контролирует три ключевых показателя:

• Траектории движения материала - Радиусы пуансона и матрицы определяют, где металл сжимается, а где растягивается
• Точность геометрии детали - Зазоры и углы вытяжки определяют стабильность размеров
• Эффективность производства - Правильная конструкция минимизирует количество операций вытяжки и исключает дорогостоящую переделку

Соотношение между положением пуансона и краем заготовки имеет особое значение. Металл в сжатом состоянии препятствует течению. Если вытяжной пуансон расположен слишком далеко от края заготовки, зона сжатия становится слишком большой, сопротивление течению превышает предел прочности при растяжении, и возникает разрыв вблизи носка пуансона.

Коэффициент вытяжки — соотношение между диаметром заготовки и диаметром пуансона — является основополагающим принципом успешной глубокой вытяжки. Превысьте предельный коэффициент вытяжки вашего материала, и никакое изменение количества смазки или усилия пресса не спасёт от отказа.

Этот технический справочник содержит конкретные параметры, формулы и методы устранения неполадок, необходимые для успешного проектирования матриц. Независимо от того, изучаете ли вы идеи глубокой вытяжки для разработки новых продуктов или оптимизируете существующие инструменты, вы найдете практические рекомендации, основанные на проверенных инженерных принципах. В следующих разделах рассматриваются пределы коэффициента вытяжки по материалам, расчет размеров заготовок, спецификации радиусов, планирование многоступенчатых операций и стратегии устранения дефектов, которые превращают ваши проекты из теоретических концепций в готовые к производству инструменты.

Пределы коэффициента вытяжки и проценты утонения по материалам

Вы уже знаете, что коэффициент вытяжки определяет успех операций глубокой вытяжки. Но какие конкретные пределы действуют при вытяжке стали, алюминия или нержавеющей стали? Без точных числовых параметров приходится лишь догадываться. В этом разделе приведены точные значения, необходимые для расчета количества ступеней и предотвращения повреждения материала.

Максимальные коэффициенты вытяжки по типам материалов

Формула предельного коэффициента вытяжки (LDR) проста:

LDR = D / d, где D — диаметр заготовки, а d — диаметр пуансона (внутренний диаметр стакана)

Этот коэффициент показывает, какого размера заготовка может быть успешно использована с определённым размером пуансона. Согласно Toledo Metal Spinning , эта формула служит отправной точкой для определения необходимого количества операций вытяжки. Однако ключевой момент заключается в том, что значения LDR значительно различаются для разных материалов.

Когда процесс штамповки листового металла выходит за эти пределы, окружное сжимающее напряжение превышает допустимые для материала значения. Как Macrodyne Press объясняет, если степень обжатия при глубокой вытяжке превышает предел материала, заготовка растягивается или разрывается вблизи кромки пуансона. Сопротивление течению попросту превосходит прочность на растяжение.

Вот что вам нужно знать о параметрах, зависящих от материала:

Тип материала	Предел коэффициента первой вытяжки	Процент уменьшения последующей вытяжки	Рекомендуемый порог отжига
Низкоуглеродистая сталь (лист для глубокой вытяжки)	2.0 - 2.2	25% - 30%	После суммарного уменьшения на 40%
Нержавеющая сталь (304/316)	1.8 - 2.0	20% - 25%	После суммарного уменьшения на 30%
Алюминиевые сплавы (1100, 3003)	1,9 - 2,1	20% - 25%	После суммарного уменьшения на 35%
Медные сплавы (C11000, C26000)	2,0 - 2,3	25% - 30%	После суммарного уменьшения на 45%

Обратите внимание, что глубокая вытяжка из нержавеющей стали представляет наиболее сложные параметры. Характеристики упрочнения при деформации означают более низкие коэффициенты первой вытяжки и более раннюю необходимость отжига по сравнению с углеродистой сталью или медью.

Расчёт процентов уменьшения для многопроходных операций

Когда требуемое суммарное уменьшение превышает возможности одной операции вытяжки, необходимо использовать несколько этапов. Процесс расчёта следует систематическому подходу, который The Fabricator определяет как ключевой для предотвращения растрескивания, образования складок и поверхностных дефектов.

Вот как определить процент уменьшения:

Процент уменьшения = (1 - Dc/Db) × 100

Где Dc — диаметр стакана, Db — диаметр заготовки.

Представьте, что вы изготавливаете стакан диаметром 4 дюйма из заготовки диаметром 10,58 дюйма. Расчёт показывает, что требуется общее уменьшение около 62 %. Поскольку пределы первого вытяжного перехода обычно ограничены 50 % для большинства материалов, потребуется несколько этапов.

Рассмотрим практический пример от Macrodyne Press :

1. Первый вытяжной переход - Уменьшение на 50 % (LDR 2,0), уменьшение заготовки диаметром 10,58 дюйма до промежуточного диаметра 5,29 дюйма
2. Второй вытяжной переход - Уменьшение до 30 % (LDR 1,5), получение диаметра 3,70 дюйма
3. Третий вытяжной переход - При необходимости применить уменьшение на 20 % (LDR 1,25) для достижения окончательных размеров

Поскольку целевой диаметр 4 дюйма находится между возможностями второго вытяжного перехода и размером заготовки, деталь успешно изготавливается за два этапа.

Как толщина материала влияет на эти коэффициенты

Более толстые материалы, как правило, допускают несколько более высокие коэффициенты вытяжки, поскольку они более устойчивы к потере устойчивости. Однако они также требуют большего усилия прижима заготовки и более прочной оснастки. Тонколистовая сталь для глубокой вытяжки может достигать значений предельного коэффициента вытяжки (LDR) только в нижней части опубликованного диапазона.

Ключевой принцип, который следует помнить: вся площадь поверхности, необходимая для готовой детали, должна присутствовать уже на первом этапе вытяжки. Как подчеркивает The Fabricator, после первой операции вытяжки площадь поверхности остается постоянной. Вы перераспределяете имеющийся материал, а не создаете новый материал в ходе последующих операций.

Установив предельные значения коэффициентов вытяжки, далее вам потребуется точный расчет размера заготовки, чтобы обеспечить достаточное количество материала для требуемой геометрии.

Методы и формулы расчета размера заготовки

Вы знаете пределы коэффициента вытяжки. Вы понимаете проценты уменьшения. Но как определить точный диаметр заготовки, необходимый для получения нужной чашки или оболочки? Если заготовка будет слишком малой, материала не хватит. Если слишком большой — вы потратите материал впустую и получите избыточный фланец, усложняющий обрезку. Процесс глубокой вытяжки требует точности с самого первого шага.

Основополагающий принцип, лежащий в основе расчёта размера заготовки, — это постоянство объёма. Как SMLease Design объясняет, площадь поверхности заготовки должна быть равна площади поверхности готовой детали. Металл не исчезает и не появляется в процессе формовки. Он просто перераспределяется из плоского диска в трёхмерную геометрию.

Метод площади поверхности для разработки заготовки

Для цилиндрических стаканов, наиболее распространённых деталей из листового металла, получаемых методом глубокой вытяжки, математический подход является элегантным. По сути, вы приравниваете две площади поверхности: плоскую круглую заготовку и сформованную чашку с дном и боковой стенкой.

Рассмотрим простую цилиндрическую чашку с радиусом Rf и высотой Hf. Радиус заготовки Rb можно рассчитать по следующему основному уравнению:

Rb = √[Rf × (Rf + 2Hf)]

Эта формула получена непосредственно из равенства площади заготовки (πRb²) и площади чашки (πRf² + 2πRfHf). При решении относительно Rb получается зависимость, показанная выше.

Рассмотрим практический пример. Представим, что необходимо изготовить чашку диаметром 50 мм и глубиной 60 мм. Следуя процессу расчёта вытяжки:

• Радиус чашки (Rf) = 25 мм
• Высота чашки (Hf) = 60 мм
• Радиус заготовки = √[25 × (25 + 120)] = √[25 × 145] = √3625 = 60,2 мм
• Диаметр заготовки = 60,2 × 2 = 120,4 мм

Этот расчет дает теоретический минимальный размер заготовки. На практике потребуется дополнительный материал для обрезки и компенсации эффектов утонения.

Учет припуска на обрезку и утонение материала

Требования к реальному производственному процессу глубокой вытяжки выходят за рамки теоретического минимума. Необходим инженерный припуск для чистовой обрезки, а также компенсация изменений толщины стенок в ходе формовки.

Выполните следующие последовательные шаги для определения готовых размеров заготовки:

1. Рассчитайте площадь поверхности готовой детали - Используйте геометрические формулы для конкретной формы. Для цилиндров: πd²/4 + πdh. Для сложных геометрий программное обеспечение САПР обеспечивает точное измерение площади поверхности.
2. Добавьте припуск на обрезку - По отраслевой практике рекомендуется добавлять удвоенную толщину металла к высоте стакана перед расчетом. Для материала толщиной 0,010 дюйма и стакана высотой 4 дюйма расчетная высота составит 4,020 дюйма.
3. Учитывайте утоньшение материала - Утоньшение стенок на 10-15% обычно происходит в боковой стенке стакана. Некоторые специалисты добавляют 3-5% к рассчитанной площади заготовки как поправочный коэффициент на утоньшение.
4. Определите окончательный диаметр заготовки - Примените формулу расчета площади поверхности с учетом скорректированных размеров, затем округлите вверх к практическому размеру резки.

Согласно Изготовитель , добавление удвоенной толщины металла в качестве дополнительного припуска под обрезку является хорошей практикой для обеспечения чистовых окончательных размеров после формовки.

Когда упрощенные формулы недостаточны

Приведенные выше уравнения прекрасно работают для простых цилиндрических стаканов. Но как насчет ступенчатых диаметров, деталей с фланцем или неправильных поперечных сечений? Сложные геометрии требуют других подходов.

Вам следует перейти к расчетам площади поверхности с использованием САПР, когда:

• Ваша деталь включает несколько изменений диаметра или конические участки
• Радиусы углов существенно влияют на площадь поверхности (простая формула игнорирует радиус пуансона)
• Для неосесимметричных форм требуются разработанные заготовки, а не круглые.
• Жесткие допуски требуют точности, превышающей приблизительные корректировки.

Для прямоугольных или неправильных глубоких деталей форма заготовки может быть не круглой. Определение оптимальной исходной геометрии таких разработанных заготовок требует анализа САПР или моделирования методом конечных элементов. Анизотропия материала, вызванная направлением прокатки, также влияет на оптимизацию формы заготовки для неполых деталей.

После того как размер заготовки рассчитан и материал выбран, следующим важным параметром проектирования становятся радиусы пуансона и матрицы, которые определяют, насколько плавно металл будет течь в процессе формования.

Требования к радиусам пуансона и матрицы для оптимального течения материала

Вы рассчитали размер заготовки и знаете коэффициенты вытяжки. Теперь настал параметр, который может обеспечить успех или привести к сбою в процессе глубокой вытяжки металла: радиусы инструмента. Радиус закругления пуансона и радиус входа матрицы определяют, насколько интенсивно металл изгибается при переходе от фланца к боковой стенке. Ошибитесь с этими параметрами — и вы столкнётесь либо с разрывами из-за чрезмерной концентрации напряжений, либо с образованием складок из-за недостаточного контроля над материалом.

Вот основной принцип: металл, проходящий по острым углам, испытывает локальные деформации, превышающие пределы пластичности. Напротив, слишком большие радиусы не обеспечивают должного направления движения материала, что вызывает продольный изгиб от сжатия. Ваша задача — найти оптимальное значение для каждой комбинации материала и толщины.

Рекомендации по радиусу закругления пуансона для различных материалов

Радиус закругления пуансона определяет распределение напряжений в самой уязвимой зоне вытягиваемой детали. Согласно Анализу DFM в Wikipedia по глубокой вытяжке , угол пуансона должен быть в 4-10 раз больше толщины листа. Максимальное уменьшение толщины происходит вблизи угла пуансона, поскольку течение металла значительно замедляется в этой области. Слишком острый угол приводит к образованию трещин в основании пуансона.

Почему это место имеет такое большое значение? При вытяжке материал растягивается над носом пуансона и одновременно подвергается окружному сжатию. Это двухосное напряжённое состояние концентрируется в переходной зоне радиуса. Недостаточный радиус создаёт концентратор напряжений, который вызывает разрыв до завершения вытяжки.

Рассмотрим, что происходит при различных значениях радиуса:

• Слишком маленький (ниже 4t) - Сильная локализация деформации вызывает разрывы на носе пуансона, особенно в материалах, склонных к упрочнению, таких как нержавеющая сталь
• Оптимальный диапазон (4–10t) - Напряжение распределяется по более широкой зоне, обеспечивая контролируемое утонение без разрушения
• Слишком большой (выше 10t) - Недостаточное ограничение позволяет дну прогибаться или морщиться, а форма боковых стенок становится нечёткой

При глубокой вытяжке металла из высокопрочных материалов рекомендуется выбирать большие значения в этом диапазоне. Более мягкие материалы, такие как алюминий и медь, могут допускать радиусы, близкие к 4t.

Спецификации радиуса входа матрицы и их влияние

Радиус угла матрицы определяет, как металл переходит из горизонтальной области фланца в вертикальную полость матрицы. Именно здесь сжимающие напряжения фланца преобразуются в растягивающие напряжения стенки. Как отмечается в справочнике по глубокой вытяжке на Wikipedia, радиус угла матрицы обычно должен быть в 5–10 раз больше толщины листа. Если этот радиус слишком мал, возрастает склонность к образованию складок вблизи фланца, а также появляются трещины из-за резких изменений направления течения металла. Справочник по глубокой вытяжке на Wikipedia отмечает, что радиус угла матрицы обычно должен быть в 5–10 раз больше толщины листа. Если этот радиус слишком мал, возрастает склонность к образованию складок вблизи фланца, а также появляются трещины из-за резких изменений направления течения металла.

Радиус матрицы создает иную задачу по сравнению с радиусом пуансона. Здесь металл изгибается вокруг внешнего угла под действием сжатия со стороны давления прижима заготовки. Недостаточный радиус приводит к:

• Чрезмерному трению и выделению тепла
• Поверхностным царапинам и заеданию
• Местному разрыву в зоне перехода радиуса
• Увеличение требований к силе вытягивания

Однако чрезмерный радиус матрицы уменьшает эффективную площадь контакта прижима заготовки и позволяет материалу преждевременно высвобождаться из зоны фланца, что способствует образованию wrinkles.

Спецификации радиуса по толщине материала

Следующая таблица содержит конкретные рекомендации для операций глубокой вытяжки в типичных диапазонах толщины материала:

Диапазон толщины материала	Рекомендуемый радиус пуансона	Рекомендуемый радиус матрицы	Примечания по корректировке
0.010" - 0.030" (0.25-0.76 мм)	6-10 × толщина	8-10 × толщина	Тонкие заготовки требуют больших значений радиусов, кратных толщине, чтобы предотвратить разрывы
0,030" - 0,060" (0,76-1,52 мм)	5–8 × толщина	6-10 × толщина	Стандартный диапазон для большинства применений
0,060" - 0,125" (1,52-3,18 мм)	4–6 × толщина	5–8 × толщина	Более толстые материалы допускают меньшие кратные значения
0,125" - 0,250" (3,18-6,35 мм)	4–5 × толщина	5–6 × толщина	Толстостенный материал; при глубокой вытяжке рекомендуется несколько операций

Тип материала также влияет на эти параметры. Нержавеющая сталь обычно требует радиусов в верхней части каждого диапазона из-за упрочнения при деформации. Мягкий алюминий и медь могут использовать значения ближе к нижней границе.

Соотношение зазора матрицы и толщины материала

Помимо радиусов, зазор между пуансоном и матрицей критически влияет на течение материала. Согласно руководящим принципам DFM из Wikipedia, зазор должен быть больше толщины металла, чтобы избежать скопления металла в верхней части полости матрицы. В то же время зазор не должен быть слишком большим, чтобы течение металла не стало неконтролируемым и не привело к образованию складок на стенках.

Практическое правило для зазора при вытяжке:

Зазор = Толщина материала + (10% до 20% от толщины материала)

Для материала толщиной 0,040", зазор будет находиться в диапазоне от 0,044" до 0,048". Это обеспечивает достаточное пространство для естественного утолщения боковых стенок при сохранении необходимого ограничения, предотвращающего выпучивание.

Некоторые операции намеренно уменьшают зазор для «выравнивания» боковой стенки, что обеспечивает более равномерную толщину и лучшую отделку поверхности. Как объясняет Hudson Technologies, инструменты могут быть спроектированы таким образом, чтобы намеренно утончать или выравнивать боковые стенки сверх естественной тенденции, обеспечивая dimensional stability и получая более эстетичный корпус.

Учет радиуса углов для некруглых деталей

Прямоугольные и квадратные вытягиваемые детали вносят дополнительную сложность. Внутренние радиусы углов становятся наиболее критическим параметром проектирования. Согласно Hudson Technologies , общее правило гласит: толщина материала, умноженная на два, равна наименьшему достижимому радиусу угла. Желательны большие радиусы углов, которые могут сократить необходимое количество операций вытяжки.

Возможны исключения при использовании дополнительных операций вытяжки для дальнейшего уменьшения радиусов углов, однако следует соблюдать осторожность. При превышении предельных значений радиуса угла возможно увеличение утонения материала и выпучивания соседних боковых стенок.

Для непрямых деталей рекомендуется учитывать следующие рекомендации:

• Минимальный внутренний радиус угла = 2 × толщина материала (абсолютный минимум)
• Предпочтительный внутренний радиус угла = 3-4 × толщина материала (уменьшает количество операций вытяжки)
• Радиус нижнего угла = Следуйте рекомендациям по радиусу пуансона (4-10 × толщина)

Изменение радиусов при последующих операциях вытяжки

Если для изготовления детали требуется несколько этапов вытяжки, параметры радиусов изменяются между операциями. Инструменты для первой вытяжки, как правило, используют более крупные радиусы, чтобы минимизировать упрочнение материала и обеспечить успешный поток металла. При последующих операциях вытяжки можно применять постепенно уменьшающиеся радиусы по мере приближения детали к окончательным размерам.

Типичная последовательность:

• Первый вытяжной переход - Радиус матрицы 8-10 × толщина; радиус пуансона 6-8 × толщина
• Второй вытяжной переход - Радиус матрицы 6-8 × толщина; радиус пуансона 5-6 × толщина
• Финальная вытяжка - Радиус матрицы 5-6 × толщина; радиус пуансона 4-5 × толщина

Если между операциями вытяжки производится отжиг, можно вернуться к более агрессивным радиусам, так как наклёп устранён. При отсутствии промежуточного отжига каждая последующая вытяжка выполняется с уже упрочнённым материалом, что требует использования более консервативных радиусов во избежание трещин.

После определения радиусов и зазоров инструмента следующим шагом является планирование необходимого количества стадий вытяжки и распределение процентов обжатия по этим операциям.

Планирование многоступенчатых операций вытяжки и последовательности обжатий

Вы определили коэффициенты вытяжки, рассчитали размеры заготовок и задали радиусы инструмента. Теперь возникает вопрос, который разделяет успешные проекты глубокой вытяжки и дорогостоящие неудачи: сколько этапов вытяжки действительно требуется для вашей детали? Недооцените — получите разрыв материала. Переборщите — потратите впустую средства на оснастку и время цикла.

Ответ кроется в системном планировании уменьшения размеров. Как Библиотека производства объясняет, если процент уменьшения превышает 50 %, необходимо планировать операции повторной вытяжки. Но это лишь отправная точка. Свойства материала, геометрия детали и производственные требования влияют на ваши решения по этапам.

Расчёт необходимых этапов вытяжки

Соотношение глубины к диаметру даёт первый признак сложности этапов. Неглубокие детали с соотношением ниже 0,5, как правило, формуются за одну операцию вытяжки. Но что происходит, когда вы производите глубокие цилиндрические оболочки, корпуса батарей или сосуды под давлением с соотношением глубины к диаметру более 2,0?

Следуйте этому системному подходу для определения ваших требований к стадиям формовки:

1. Определите необходимое общее уменьшение - Рассчитайте процент уменьшения от диаметра заготовки до конечного диаметра детали по формуле: Уменьшение % = (1 - Dp/Db) × 100. Например, заготовка диаметром 10 дюймов, формующая чашу диаметром 4 дюйма, требует общего уменьшения на 60%.
2. Применяйте ограничения уменьшения, специфичные для материала, на каждой стадии - Ориентируйтесь на предел первого вытяжного перехода для вашего материала (обычно 45–50% для стали, 40–45% для нержавеющей стали). На последующих переходах допускаются постепенно меньшие уменьшения: 25–30% на втором переходе, 15–20% — на третьем.
3. Запланируйте промежуточный отжиг при необходимости - Если суммарное уменьшение превышает порог наклёпки вашего материала (30–45%, в зависимости от сплава), запланируйте отжиг для снятия напряжений между стадиями для восстановления пластичности.
4. Спроектируйте станции многооперационного штампа - Назначьте каждый этап уменьшения на отдельную станцию штампа с учётом транспортировки материала, требований к смазке и контрольных точек проверки качества.

Рассмотрим практический пример операции глубокой вытяжки: вам нужна чашка диаметром 3 дюйма и глубиной 6 дюймов, изготовленная из низкоуглеродистой стали толщиной 0,040 дюйма. Отношение глубины к диаметру составляет 2,0, что значительно превышает возможности одностадийной вытяжки. Работая в обратном порядке от конечных размеров, можно запланировать три стадии с уменьшением диаметра на 48 %, 28 % и 18 % соответственно.

Планирование уменьшений при поэтапных операциях

После определения количества стадий крайне важно правильно организовать последовательность уменьшений. Первая вытяжка выполняет основную работу, а последующие стадии уточняют геометрию и обеспечивают окончательные размеры.

Вот что учитывают успешные производственные операции глубокой вытяжки на каждом этапе:

• Первый вытяжной переход - Формирует всю поверхность, необходимую для готовой детали. Здесь происходит максимальное уменьшение (обычно 45–50 %). Радиусы инструментов выбираются максимально допустимыми, чтобы свести к минимуму упрочнение материала.
• Вторая вытяжка (повторная вытяжка) - Уменьшает диаметр на 25–30% с одновременным увеличением глубины. Материал упрочняется в результате первой операции, поэтому усилия возрастают, несмотря на меньший процент уменьшения.
• Третья и последующие вытяжки - Дальнейшее уменьшение диаметра на 15–20% на каждый этап. Оцените необходимость отжига на основе суммарных деформаций.

Согласно Библиотека производства , при проектировании промежуточных форм следует обеспечить равенство площадей поверхности заготовки, промежуточных деталей и конечной вытяжки. Принцип постоянства объёма гарантирует распределение существующего материала без попытки создания новой поверхности.

Когда в процесс вступает прошивка

Иногда требования к производству глубокой вытяжкой требуют толщины стенок меньше, чем даёт стандартная вытяжка. В этом случае применяется прошивка. При стандартной вытяжке стенки естественным образом немного утолщаются из-за сжатия материала внутрь. Прошивка компенсирует это за счёт преднамеренного уменьшения зазора между пуансоном и матрицей для утонения стенок.

Рассмотрите возможность применения прошивки, когда:

• Равномерность толщины стенок имеет критическое значение для вашего применения
• Вам нужны стенки тоньше исходной толщины заготовки
• Требования к отделке поверхности предполагают полирующий эффект, обеспечиваемый вытяжкой с протяжкой
• Согласованность размеров в серийном производстве является первостепенной

Протяжка с протяжкой обычно выполняется на заключительном этапе вытяжки или как отдельная операция после вытяжки. Данный процесс повышает размерную стабильность и обеспечивает более эстетичную поверхность, однако требует дополнительных инвестиций в оснастку и тщательного расчета усилий.

Конфигурации последовательного штампа и штампа с переносом

Ваш план поэтапного производства должен соответствовать конфигурации пресса. Существует два основных варианта многоступенчатой вытяжки: последовательные штампы и штампы с переносом. Каждый из них имеет свои преимущества в зависимости от геометрии детали и объема производства.

По словам Die-Matic, при штамповке прогрессивной матрицей используется непрерывная полоса металла, которая подается через несколько станций, где операции происходят одновременно. Этот метод отлично подходит для массового производства деталей с простой геометрией. Полоса автоматически сохраняет положение детали, уменьшая сложность обработки.

В отличие от этого, при штамповке с передачей заготовки отдельные заготовки перемещаются между станциями с помощью механических или гидравлических систем переноса. Как объясняет Die-Matic, этот метод наилучшим образом подходит для сложных деталей, требующих множественных операций формовки или глубокой вытяжки. Циклический характер процесса обеспечивает точный контроль над течением материала на каждой станции.

Конфигурация	Лучший выбор для	Ограничения	Типичные применения
Прогрессивная штамповка	Высокий объем, простая геометрия, тонкие материалы	Ограниченная глубина вытяжки, ограничения по ширине полосы	Электронные компоненты, небольшие корпуса, мелкие чашки
Передаточный штамп	Сложные детали, глубокая вытяжка, жесткие допуски	Более медленные циклы, повышенная сложность оснастки	Автомобильные панели, сосуды под давлением, глубокие цилиндрические оболочки

Для глубокой вытяжки с соотношением глубины к диаметру более 1,0, обычно лучшие результаты обеспечивают штампы с передачей заготовки. Возможность точного перемещения заготовки на каждой станции позволяет контролировать течение материала, что особенно важно при многоступенчатых операциях. Последовательные штампы хорошо работают в тех случаях, когда первая вытяжка достигает большей части требуемой глубины, а последующие станции выполняют обрезку, пробивку или незначительные формовочные операции.

После определения плана поэтапной обработки и конфигурации штампа следующим важным фактором является расчёт усилий прижима заготовки, предотвращающих образование складок, но избегающих чрезмерного трения, которое вызывает разрывы.

Требования к усилию прижима заготовки и регулирование давления

Вы спланировали этапы вытяжки и выбрали конфигурацию матрицы. Теперь наступает параметр, требующий точной настройки: усилие прижима заготовки. Слишком малое давление приведёт к тому, что сжимающие напряжения вызовут складки на фланце. Слишком большое — и трение помешает поступлению материала, в результате чего деталь может порваться в районе носка пуансона. Найти баланс можно, только понимая физику процесса и учитывая переменные, которые вы можете контролировать.

Прижим заготовки выполняет одну основную функцию: он удерживает область фланца, обеспечивая при этом контролируемый приток материала в полость матрицы. Согласно Модели стоимости вытяжки FACTON , площадь прижима заготовки представляет собой ту часть материала, которая должна быть зафиксирована во время глубокой вытяжки, чтобы избежать образования складок. Давление, прикладываемое к этой области, в сочетании с трением, создаёт сопротивление, регулирующее подачу металла в процесс формования.

Формулы и переменные давления прижима заготовки

Расчет подходящей силы прижима заготовки — это не догадки. Соотношение между давлением, свойствами материала и геометрией подчиняется установленным принципам. Ниже приведен основной подход:

Сила прижима заготовки = Площадь прижима × Давление прижима

Звучит просто? Сложность заключается в определении правильного значения давления. На требуемое давление прижима влияет множество факторов:

• Прочность материала - Материалы с более высокой прочностью на растяжение требуют большей силы прижима для контроля течения. Как отмечает FACTON, прочность на растяжение напрямую участвует в расчетах давления прижима заготовки.
• Диаметр заготовки - Более крупные заготовки создают большие сжимающие усилия в зоне фланца, что требует пропорционально более высокого сопротивления.
• Глубина вытяжки - При глубокой вытяжке требуется постоянное давление на протяжении более длинного хода, что влияет как на величину усилия, так и на конструкцию системы.
• Коэффициент трения - Качество смазки напрямую влияет на то, сколько усилия идет на удержание материала, а сколько преобразуется в тепло.
• Коэффициент вытяжки - Более высокие коэффициенты концентрируют большее сжимающее напряжение в фланце, что требует увеличения прижимного давления.

Распространённая начальная формула для давления прижима заготовки составляет от 0,5 до 1,5 МПа для мягкой стали, с корректировками в зависимости от конкретного материала и геометрии. Для нержавеющей стали обычно требуются более высокие значения давления из-за её способности упрочняться при деформации. Алюминиевые и медные сплавы зачастую хорошо обрабатываются при более низких давлениях.

Расчёт площади прижима заготовки зависит от размера заготовки и геометрии матрицы. По сути, вы рассчитываете кольцевое пространство между отверстием матрицы и краем заготовки. По мере углубления вытяжки эта площадь уменьшается, что объясняет преимущество систем с переменным давлением при глубокой вытяжке.

Сбалансированность предотвращения сморщивания и риска разрыва

Согласно исследованиям, опубликованным в CIRP Annals , основными видами разрушения при глубокой вытяжке являются образование складок и разрыв, и во многих случаях эти дефекты можно устранить за счет соответствующего контроля силы прижима заготовки. Этот вывод подчеркивает, почему калибровка силы прижима заготовки представляет собой такой важный проектный параметр.

Вот физика происходящего: при штамповке методом глубокой вытяжки в фланце возникают окружные сжимающие напряжения по мере радиального движения материала внутрь. При недостаточном ограничении эти напряжения вызывают выпучивание фланца вверх, приводя к образованию складок. Однако чрезмерное ограничение полностью препятствует течению материала, и растягивающие напряжения вблизи пуансона превышают прочность материала, вызывая разрывы.

Исследование отмечает, что образование складок на стенках особенно сложно, поскольку в этой области заготовка не поддерживается инструментом. Подавление складок на стенках путем регулировки усилия прижима заготовителя сложнее, чем предотвращение складок на фланце. Это означает, что ваши настройки давления должны учитывать места, где наиболее вероятно появление дефектов.

По каким признакам можно определить неправильное давление прижима заготовителя? Обратите внимание на следующие диагностические признаки:

• Характер складкообразования - Окружные складки в зоне фланца указывают на недостаточное давление; складки на стенках свидетельствуют о более сложных проблемах контроля течения материала
• Разрыв края - Трещины, возникающие с края заготовки, сигнализируют о чрезмерном трении из-за слишком высокого давления
• Неравномерная толщина стенки - Асимметричные участки утонения указывают на неравномерное распределение давления по поверхности прижима заготовителя
• Нанесение насечек на поверхность - Задиры на фланце указывают на чрезмерное давление в сочетании с недостаточной смазкой
• Разрыв носка пуансона - Трещины вблизи дна стакана указывают на то, что материал не может свободно течь для снятия растягивающих напряжений

Если вы видите складки, инстинктивной реакцией может быть резкое увеличение давления. Подавите это желание. Постепенные корректировки на 10–15 % позволяют вам приблизиться к оптимальному давлению, не превысив его и не вызвав разрывов.

Системы переменного давления прижима заготовки

Для сложных металлических деталей с глубокой вытяжкой постоянное давление на протяжении всего хода зачастую оказывается недостаточным. Как объясняется в The Fabricator, системы электронной регулировки обеспечивают наибольшую гибкость в управлении подачей заготовки и металла при операциях глубокой вытяжки. Эти системы позволяют изменять давление прижима заготовки в любой точке по периметру вытягиваемой формы и в любой момент хода пресса.

Почему важна переменная величина давления? Рассмотрим процессы, происходящие при вытяжке:

• В начале хода требуется удержание всей площади заготовки для предотвращения образования складок
• По мере того как материал поступает в матрицу, площадь фланца последовательно уменьшается
• Поддержание постоянного усилия на уменьшающейся площади означает увеличение эффективного давления
• Это повышающееся давление может препятствовать течению материала в критический заключительный этап вытяжки

Системы переменного давления решают эту проблему за счёт снижения усилия по мере прохождения процесса вытяжки, поддерживая оптимальное давление, а не оптимальное усилие. Согласно The Fabricator, такие системы также могут компенсировать изменения толщины металла, возникающие в процессе вытяжки, устраняя необходимость в бегущем участке на прижиме заготовки

Требования к подушкам матрицы и альтернативы азотным пружинам

Усилие вашего прижима заготовки должно создаваться каким-то источником. Существует три основных варианта, каждый из которых имеет свои особенности для применения в штамповке глубокой вытяжки

Подушки пресса представляют традиционный подход. Как отмечает The Fabricator, гидравлические подушки могут создавать огромные усилия прижима заготовки, необходимые для вытяжки деталей, таких как капоты автомобилей и наружные панели дверей. Эти системы передают усилие через воздушные или буферные штифты, которые равномерно распределяют давление по всей поверхности прижима заготовки.

Однако прессовые подушки требуют постоянного внимания при техническом обслуживании. The Fabricator предупреждает, что если воздушные штифты повреждены, погнуты или неровны, может возникнуть прогиб прижимной плиты, что приведет к плохой подгонке между рабочей поверхностью матрицы и прижимом заготовки и может вызвать потерю контроля над металлом. Аналогичным образом вмятины или загрязнения на поверхности подушки нарушают равномерность давления независимо от точности штифтов.

Азотные пружины предлагают автономное решение, которое устанавливается непосредственно в штамп. Эти газонаполненные цилиндры обеспечивают постоянное усилие на протяжении всего хода и не требуют внешнего источника давления. Для операций по формовке металла, выдавливанию и аналогичным точным процессам азотные пружины обеспечивают воспроизводимость, которой пневматические системы иногда не могут достичь.

Преимущества азотных пружин включают:

• Компактная установка внутри конструкции штампа
• Постоянное усилие, независимое от состояния подушек пресса
• Простая замена и обслуживание
• Предсказуемая производительность в течение производственных партий

Какова компромиссная сторона? Азотные пружины обеспечивают фиксированные характеристики усилия. Вы не можете регулировать давление во время хода без изменения характеристик пружины. Для деталей, требующих переменных профилей усилия прижима заготовки, системы с подушками пресса с программируемым управлением предлагают большую гибкость.

Цилиндры подъёмников запаса представляют собой еще один вариант, особенно для применений в прогрессивных штампах. Согласно The Fabricator, эти готовые к установке газовые пружины могут поглощать большее боковое усилие и выдерживать более интенсивные нагрузки по сравнению с обычными цилиндрами. Они поставляются с предварительно нарезанными отверстиями для крепления направляющих планок, что упрощает конструкцию штампа.

При выборе системы давления подбирайте уровень сложности в соответствии с требованиями. Не вкладывайтесь в дорогостоящие электронные системы регулировки зазоров, если достаточно простых азотных пружин. И наоборот, не ожидайте успешного вытягивания сложных геометрических форм с помощью базовых систем давления из полиуретана, которые не обладают необходимой силой и точностью управления для сложных задач.

При правильной калибровке силы прижима заготовки вы сможете стабильно получать качественные детали. Но что делать, если дефекты все же появляются? В следующем разделе представлены систематические методы диагностики и устранения таких проблем, как образование складок, разрывов и дефектов поверхности, с которыми сталкиваются даже хорошо спроектированные инструменты.

Устранение дефектов глубокой вытяжки и анализ первопричин

Вы откалибровали усилие прижима заготовки, задали радиусы инструмента и спланировали последовательность уменьшения сечения. Тем не менее, на деталях по-прежнему появляются дефекты. В чём причина? Ответ кроется в системном диагностировании. Каждая складка, разрыв и поверхностный дефект рассказывает историю вашего процесса. Умение распознавать эти паттерны отказов превращает разочаровывающий брак в полезную информацию для улучшения конструкции штампов.

Дефекты при штамповке глубокой вытяжки подразделяются на предсказуемые категории, каждая из которых имеет характерные визуальные признаки и коренные причины. Согласно Metal Stamping O , большинство проблем при штамповке глубокой вытяжкой возникают из-за сочетания ошибок в инструментальной оснастке и проектировании. Анализируя готовое изделие, опытный специалист может точно определить качество технологического процесса. Ваша задача — развить такое экспертное зрение.

Диагностика дефектов: складкообразование и разрывы

Морщины и разрывы представляют противоположные концы спектра течения материала. Морщины указывают на неконтролируемое сжатие. Разрывы сигнализируют о чрезмерном натяжении. Понимание того, где каждый дефект появляется на вашей детали, напрямую указывает на вызывающий его параметр конструкции штампа.

Диагностика морщин: Где образуются морщины на вашей детали? Морщины на фланце, появляющиеся на кромке заготовки, обычно указывают на недостаточное давление прижима заготовки. Как объясняет Metal Stamping O, если прижим несбалансирован, слишком плотный или если на кромке заготовки имеется заусенец, металл будет течь неправильно, образуя характерные морщины вдоль верхнего края. Морщины на стенке, возникающие в неподдерживаемой области между прижимом и пуансоном, свидетельствуют о чрезмерном зазоре или недостаточном радиусе матрицы.

Решения для устранения дефектов морщин:

• Постепенно увеличивайте давление прижима заготовки (корректировка на 10–15%)
• Проверьте параллельность прижима заготовки и устраните перекос
• Проверьте кромки заготовки на наличие заусенцев, которые мешают правильной посадке
• Уменьшите зазор матрицы, чтобы обеспечить лучшую поддержку стенки
• Проверьте равномерность распределения давления по всей поверхности прижима заготовки
• Рассмотрите возможность использования протяжечных ребер для увеличения удержания материала в проблемных зонах

Диагностика разрывов: Место разрыва указывает на источник концентрации напряжений. Трещины около носка пуансона свидетельствуют о том, что материал не может свободно течь, чтобы снять растягивающие напряжения. Согласно Анализу дефектов листового металла AC , чрезмерные усилия формовки металла пуансонами приводят к чрезмерной деформации, разрывам и трещинам в штампованных деталях.

Краевые разрывы, возникающие от периферии заготовки, указывают на другие проблемы. Metal Stamping O отмечает, что трещины на дне в основном обусловлены состоянием заготовки и прижима заготовки. Задиры или заедания на поверхности могут ограничивать течение материала в матрицу, в результате чего трещины образуются на дне стакана.

Решения для устранения дефектов разрыва:

• Уменьшите давление прижима заготовки, чтобы обеспечить более свободное течение материала
• Увеличьте радиус пуансона, чтобы распределить напряжение на большей площади
• Увеличьте радиус входа матрицы, чтобы уменьшить трение при переходе материала
• Проверьте, не слишком ли мал зазор между пуансоном и матрицей для вашей толщины материала
• Улучшите смазку, чтобы уменьшить растягивающие напряжения, вызванные трением
• Рассмотрите возможность отжига, если наклёп от предыдущих операций снизил пластичность
• Уменьшите коэффициент вытяжки, добавив дополнительные стадии вытяжки

Решение проблем с образованием ушей и качеством поверхности

Не все дефекты связаны с катастрофическим разрушением. Образование ушей приводит к неравномерной высоте стакана, что требует чрезмерной обрезки. Поверхностные дефекты ухудшают внешний вид и могут повлиять на функциональность детали. Оба случая связаны с контролируемыми технологическими параметрами.

Объяснение образования ушей: Когда вы осматриваете вытянутый стакан и замечаете, что высота кромки по окружности различается, вы наблюдаете эффект образования ушей. Как объясняет Breaking AC, дефект «образование ушей» означает неравномерную высоту края вытянутой детали. Основная причина — несовместимость материала заготовки и материала инструмента.

Однако основную роль играет анизотропия материала. Листовой металл, полученный прокаткой, обладает направленными свойствами. Зёрна вытягиваются в направлении прокатки, создавая различные механические свойства под углами 0°, 45° и 90° к этому направлению. При глубокой вытяжке металла материал легче течёт в определённых направлениях, образуя характерные «ушки» в предсказуемых угловых позициях.

Стратегии уменьшения образования «ушей»:

• Выбор материалов с низкими значениями плоской анизотропии (коэффициент r близок к 1,0 по всем направлениям)
• Использование заготовок разработанной формы, компенсирующей различия в направленном течении
• Увеличение припуска на обрезку для учёта ожидаемого изменения высоты «ушей»
• Применение перекрёстно прокатанных материалов для критически важных применений
• Регулировка давления прижима заготовки для обеспечения равномерности течения

Проблемы качества поверхности: Царапины, заедание, текстура «апельсиновая корка» и следы матрицы указывают на определённые проблемы в процессе. Заедание возникает при недостаточной смазке, что приводит к контакту металл-металл между заготовкой и инструментом. Текстура «апельсиновая корка» свидетельствует о чрезмерном росте зерна из-за перегрева при отжиге или из-за неподходящей структуры зерна материала для заданной глубины вытяжки.

Решения для устранения поверхностных дефектов:

• Улучшите качество и покрытие смазки, особенно в зонах с высоким трением
• Отполируйте поверхности матрицы и пуансона, чтобы уменьшить трение и предотвратить прилипание материала
• Выберите подходящую инструментальную сталь и виды поверхностной обработки для вашей комбинации материалов
• Убедитесь, что размер зерна материала соответствует степени вытяжки
• Проверьте наличие посторонних частиц или загрязнений на поверхностях прижима заготовки и матрицы
• Рассмотрите возможность использования защитных плёнок для деталей, требующих безупречной поверхности

Сводная таблица дефектов

В следующей таблице собраны данные по диагностике дефектов в удобном формате для стали глубокой вытяжки, нержавеющей стали и других распространённых материалов:

Тип дефекта	Визуальные индикаторы	Основные причины	Корректирующие действия
Гофрирование фланца	Кольцевые складки по краю заготовки; волнистая поверхность фланца	Недостаточное усилие прижима заготовки; несоосность прижима; заусенцы на краю заготовки	Увеличьте усилие прижима (BHF); проверьте параллельность прижима; удалите заусенцы с заготовок; добавьте протяжечные бороздки
Гофрирование стенки	Складки на боковой стенке стакана между фланцем и носком пуансона	Чрезмерный зазор матрицы; недостаточный радиус матрицы; тонкий материал	Уменьшите зазор; увеличьте радиус матрицы; рассмотрите операцию вытяжки с обжатием (иронирование)
Разрыв носка пуансона	Трещины, возникающие в районе радиуса дна стакана	Слишком малый радиус пуансона; превышено допустимое отношение вытяжки; чрезмерное усилие прижима (BHF); недостаточная смазка	Увеличьте радиус пуансона; добавьте стадию вытяжки; уменьшите усилие прижима (BHF); улучшите смазку
Разрыв края	Трещины, возникающие с периферии заготовки	Чрезмерное усилие прижима; заусенцы на кромке заготовки; задиры на прижиме заготовки	Уменьшить усилие прижима; удалить заусенцы с заготовок; полировать прижим заготовки; улучшить смазку
Earing	Неравномерная высота фланца стаканчика; характерные пики через каждые 45°	Планарная анизотропия материала; нестабильное давление прижима заготовки	Выбрать изотропный материал; использовать разработанные заготовки; увеличить припуск под обрезку
Неравномерная толщина стенки	Локальные тонкие участки; асимметричное распределение толщины	Несоосность пуансона и матрицы; неоднородное усилие прижима; вариации материала	Перенастройка инструментов; проверка равномерности силы удержания заготовки (BHF); контроль однородности материала
Задиры/царапины	Линейные царапины; налипание материала на инструмент	Недостаточная смазка; несовместимый материал инструмента; чрезмерное давление	Улучшить смазку; нанести поверхностные покрытия; снизить контактное давление
Апельсиновая корка	Шероховатая, текстурированная поверхность, напоминающая кожуру цитрусовых	Чрезмерно крупный зерновой состав; переотжиг; сильная деформация	Использовать материал с более мелким зерном; контролировать параметры отжига
Упругий возврат	Размеры детали отличаются от геометрии матрицы; стенки выпирают наружу	Упругое восстановление после формовки; высокопрочные материалы	Скорректировать изгиб инструмента для компенсации; увеличить время выдержки в нижней точке хода

Системный подход к диагностике

Когда при глубокой вытяжке стали или других материалов появляются дефекты, не спешите вносить несколько изменений одновременно. Вместо этого следуйте методичному процессу:

1. Точно определите место дефекта - Зафиксируйте точное расположение дефекта на детали. Сфотографируйте характер повреждения для последующего анализа.
2. Проанализируйте характер разрушения - Является ли он симметричным или локализованным? Появляется ли в одинаковых угловых позициях? Возникает ли на одной и той же позиции хода?
3. Свяжите с параметром конструкции штампа - Используйте приведённую выше таблицу дефектов, чтобы определить наиболее вероятные причины на основе типа и местоположения дефекта.
4. Вносите изменения по одному параметру - Изменяйте только один параметр за раз, чтобы изолировать его влияние. Фиксируйте каждое изменение и его результат.
5. Проверка стабильности исправления - Запустите достаточное количество деталей, чтобы подтвердить, что исправление работает стабильно в производственных условиях, а не только на нескольких образцах.

Согласно Metal Stamping O , получение понимания метода глубокой вытяжки, а также знание того, как проверять готовую деталь, имеет важнейшее значение в процессе принятия решений. Такая диагностическая возможность оказывается бесценной как на этапе первоначальной разработки штампа, так и при устранении неполадок в ходе текущего производства.

Имейте в виду, что некоторые дефекты взаимосвязаны. Увеличение усилия прижима заготовки для устранения складок может привести к разрывам. Цель — найти рабочее окно, в котором оба типа отказов исключены. В случае сложных геометрий это окно может быть узким, что потребует точных систем управления и стабильных свойств материала.

После того как основы устранения неполадок были установлены, современный дизайн штампов все больше зависит от инструментов моделирования для прогнозирования и предотвращения дефектов до начала обработки стали. В следующем разделе рассматривается, как анализ CAE подтверждает правильность ваших проектных решений и ускоряет путь к готовым к производству инструментам.

Интеграция CAE-моделирования для валидации современного проектирования штампов

Вы овладели коэффициентами вытяжки, определили радиусы инструментов и приобрели опыт устранения неисправностей. Но представьте, что вы можете предсказать каждый дефект еще до обработки первой заготовки инструментальной стали. Именно это и обеспечивает моделирование CAE. Современное проектирование штамповки листового металла вышло за рамки метода проб и ошибок. Метод конечных элементов теперь позволяет виртуально проверять ваши проектные решения, выявляя проблемы с образованием складок, разрывов и утонения материала, пока ваш штамп существует лишь как цифровая геометрия.

Почему это важно для ваших проектов глубокой вытяжки? Согласно исследованиям, опубликованным в International Journal of Engineering Research & Technology , сокращение количества испытаний напрямую повлияет на цикл разработки. Более короткий цикл можно спланировать при надлежащем использовании программных инструментов, которые прогнозируют результаты испытаний без их фактического проведения. Моделирование, выполняемое на этапе штамповки, позволяет получить важные данные о необходимых изменениях в конструкции штампа и компонента.

Интеграция моделирования в процесс проверки проекта штампа

Метод конечных элементов переводит ваш рабочий процесс проектирования штампов для металлоштамповки из реактивного режима в предсказательный. Вместо того чтобы изготавливать оснастку, проводить испытания, выявлять дефекты, изменять сталь и повторять процесс, вы выполняете итерации в цифровом виде до тех пор, пока моделирование не подтвердит успешный результат. Только после этого вы приступаете к изготовлению физической оснастки.

Физика моделирования штамповки включает дискретизацию заготовки на тысячи элементов, каждый из которых отслеживает напряжение, деформацию и перемещение по мере продвижения виртуального пуансона. Программное обеспечение применяет механические свойства вашего материала, коэффициенты трения и граничные условия для расчета деформации каждого элемента на протяжении всего хода.

Что может предсказать моделирование до начала изготовления?

• Траектории движения материала - Визуализировать, как именно металл перемещается от фланца в полость матрицы, выявляя области чрезмерного сжатия или растяжения
• Распределение утоньшения - Отобразить изменения толщины по всей детали, выявляя потенциальные зоны разрушения до того, как они приведут к браку
• Склонность к образованию wrinkles (морщин) - Обнаружить сжимающее коробление в фланцах и неподдерживаемых участках стенок, требующее корректировки инструмовки
• Прогнозирование springback (упругого возврата) - Рассчитать упругое восстановление после формовки, чтобы заложить компенсацию в геометрию матрицы
• Оптимизация силы прижима заготовки - Определите оптимальные профили давления, предотвращающие как складкообразование, так и разрыв
• Эффективность протяжки с использованием вытяжных буртиков - Проверяйте конфигурации упоров виртуально до внесения изменений в оснастку

Исследование подтверждает работоспособность данного подхода. Как отмечается в исследовании IJERT, виртуальная проверка штампа с использованием программного обеспечения для моделирования должна решать заданные проблемы на этапе проектирования. В то время как при изготовлении штампа испытания и тестирование обеспечивают проверку достоверности, поскольку физический инструмент проверяется на соответствие качеству компонента.

Понимание диаграмм пределов формовки

Среди результатов моделирования диаграмма пределов формовки является самым мощным инструментом прогнозирования дефектов. Согласно Симуляция штамповки , основная цель любого моделирования формовки — проверить поведение материала до изготовления штамповочного инструмента. Первоначально представленная как диссертационный исследовательский проект 1965 года, диаграмма пределов формовки (FLD) была направлена на определение факторов, вызывающих локализованное истончение и разрушение при формовке листового металла, а также на возможность прогнозирования разрушения заранее.

Вот как работает анализ FLD: моделирование рассчитывает деформацию в двух направлениях (по главной и второстепенной осям) для каждого элемента вашей формованной детали. Эти пары деформаций отображаются в виде точек на графике. Кривая предела формовки, уникальная для вашего конкретного материала и толщины, разделяет безопасную область и зоны разрушения.

Что показывает FLD о настройке ваших прессов глубокой вытяжки?

• Точки ниже кривой - Безопасные условия формовки с достаточным запасом
• Точки, приближающиеся к кривой - Зона риска, требующая внимания к конструкции
• Точки выше кривой - Разрушение неизбежно; в этих местах произойдет разрыв
• Точки в зоне сжатия - Склонность к образованию складок, что может потребовать увеличения давления прижима заготовки

Как указано в справочнике по моделированию штамповки, кривая предельных деформаций формообразования в первую очередь определяется показателем n и толщиной конкретного материала. Результаты демонстрируют рассчитанные зоны пластического деформирования материала, степени истончения и зоны сжатия, где могут образовываться складки и морщины. С учетом этой информации можно внести коррективы в конструкцию рабочей поверхности матрицы до начала обработки стали.

От анализа методом вычислительной инженерии (CAE) до готовых производственных инструментов

Моделирование не заменяет физическую проверку. Оно ускоряет достижение успешной физической валидации. Рабочий процесс строится на итерационном цикле оптимизации:

1. Создать первоначальную конструкцию штампа - Разработать геометрию на основе рассчитанных коэффициентов вытяжки, параметров радиусов и размера заготовки
2. Запустить моделирование формовки - Задать свойства материала, коэффициенты трения и параметры процесса
3. Проанализировать результаты - Изучить диаграммы FLD, карты распределения толщины и индикаторы образования складок
4. Определить проблемные участки - Определите элементы, превышающие безопасные пределы или приближающиеся к пороговым значениям отказа
5. Изменить параметры конструкции - Откорректируйте радиусы, зазоры, давление прижима заготовки или конфигурацию тяговой борозды
6. Повторно запустите моделирование - Убедитесь, что внесённые изменения устранили проблемы, не вызвав при этом новых
7. Повторяйте до достижения приемлемого результата - Продолжайте оптимизацию до тех пор, пока все элементы не окажутся в пределах безопасных условий формовки
8. Передать на изготовление оснастки - Начать изготовление физической матрицы с уверенностью

Согласно исследованию IJERT, штамп считается прошедшим проверку после осмотра физических пробных компонентов на наличие и степень дефектов. Низкая частота возникновения дефектов и стабильность желаемых характеристик будут являться основанием для подтверждения пригодности. Моделирование значительно сокращает количество итераций, необходимых для достижения этой вехи проверки

Ключевые контрольные точки моделирования в вашем процессе проектирования

Не каждое решение в проектировании требует полного анализа моделирования. Однако определённые контрольные точки значительно выигрывают от виртуальной проверки:

• Проверка разработки заготовки - Подтвердить, что рассчитанный размер заготовки обеспечивает достаточный объём материала без чрезмерных отходов
• Осуществимость первого вытягивания - Проверить, что первоначальное уменьшение находится в пределах допустимых значений материала
• Анализ перехода между стадиями - Убедиться, что состояние материала между стадиями вытягивания остаётся пригодным для формовки
• Оценка радиусов в углах - Проверить концентрацию напряжений на малых радиусах некруглых деталей
• Компенсация пружинения при проектировании - Рассчитать величину перегиба, необходимую для достижения целевых размеров
• Оптимизация силы прижима заготовки - Определить профили давления, которые максимизируют технологическое окно
• Размещение вытяжных шнуров - Проверка конфигураций удержания для сложных геометрий

В ресурсе по моделированию штамповки указано, что виртуальные диаграммы круговой сетки можно сравнивать с фактическими экспериментами круговой сетки для определения точности моделирования. Соответствие между виртуальными и физическими результатами повышает уверенность в принятии проектных решений на основе моделирования.

Использование профессиональных услуг, интегрированных с моделированием

Хотя программное обеспечение для моделирования стало более доступным, извлечение максимальной выгоды требует экспертных знаний как в возможностях программного обеспечения, так и в основах процесса глубокой вытяжки. Компании, специализирующиеся на глубокой вытяжке, всё чаще дифференцируют себя за счёт компетенций в моделировании.

На что следует обращать внимание при выборе производителей, специализирующихся на глубокой вытяжке металлических деталей и предлагающих услуги с интегрированным моделированием? Показатель утверждения детали с первого раза служит конкретным критерием. Если партнёр по проектированию штампов достигает 93% утверждений с первого раза, это свидетельствует о реальных результатах проектных решений, подтверждённых моделированием. Такой процент напрямую означает сокращение сроков разработки, снижение затрат на доработку оснастки и более быстрый выход на серийное производство.

Не менее важны и сертификаты качества. Сертификация по стандарту IATF 16949 гарантирует, что валидация с помощью моделирования интегрирована в общую систему управления качеством, включающую документированные процедуры и стабильное исполнение. Само по себе моделирование имеет ценность только в том случае, если оно выполнено корректно и с использованием реалистичных параметров.

Для автомобильной промышленности и других сложных проектов с глубокой вытяжкой профессиональные услуги по проектированию штампов, использующие моделирование до начала обработки стали, дают стратегическое преимущество. Решения Shaoyi для штамповочных пресс-форм в автомобильной промышленности демонстрируют такой подход, сочетая передовые возможности моделирования CAE с быстрым прототипированием всего за пять дней. Их инженерная команда предоставляет оснастку, подтверждённую моделированием, соответствующую стандартам OEM, что снижает затраты на многочисленные итерации, характерные для традиционной разработки методом проб и ошибок.

Исследование IJERT заключает, что моделирование даёт важное понимание необходимых изменений в матрице и компоненте для создания упрощённой и эффективной матрицы. Обычно для штамповки требуется тщательная проработка параметров проектирования, чтобы обеспечить беспроблемный переход через этап испытаний. Моделирование предоставляет эти уточнённые параметры ещё до начала изготовления физической оснастки.

Интегрировав возможности моделирования в рабочий процесс проектирования штампов, вы устраняете главную причину задержек и расходов при разработке. Последний элемент головоломки — выбор подходящих материалов для штампов и поверхностных покрытий, которые обеспечивают стабильную производительность вашей проверенной конструкции в условиях серийного производства.

Руководство по выбору материалов и обработке поверхностей

Вы проверили конструкцию матрицы с помощью моделирования и оптимизировали все параметры формования. Теперь предстоит принять решение, которое определит, будут ли ваши инструменты обеспечивать стабильные результаты при производстве тысяч деталей или выйдут из строя преждевременно: выбор материала матрицы. Материалы пуансона, матрицы и прижима заготовки, которые вы указываете, напрямую влияют на износ, качество поверхности и в конечном итоге на стоимость одной детали в ходе производства.

В соответствии с Справочнику ASM по обработке металлов , выбор материала для вытяжной матрицы направлен на производство деталей требуемого качества и количества с минимально возможной стоимостью оснастки на одну деталь. Этот принцип лежит в основе каждого вашего решения по материалам. Наиболее износостойкий вариант не всегда является оптимальным. Вы должны находить баланс между первоначальной стоимостью, требованиями к обслуживанию и ожидаемым объемом производства.

Выбор инструментальной стали для компонентов глубоковытяжной матрицы

Операции глубокой вытяжки металла подвергают инструменты экстремальным условиям. Держатели заготовок испытывают абразивный износ при каждом ходе. Пуансоны работают под сжимающей нагрузкой, сохраняя точную геометрию. Матрицы должны обеспечивать правильное течение материала и при этом противостоять заеданию, возникающему при контакте одинаковых металлов под давлением.

Какие факторы должны определять выбор марки инструментальной стали? Учтите следующие переменные:

• Объем производства - Для малосерийных опытных партий целесообразно использовать иные материалы, чем для автомобильных программ объёмом в миллион деталей
• Материал заготовки - Глубокая вытяжка нержавеющей стали вызывает больший износ инструментов, чем вытяжка конструкционной стали или алюминия
• Сложность детали - Сложные геометрии концентрируют напряжения в отдельных местах, что требует повышенной износостойкости
• Требования к отделке поверхности - Для изготовления декоративных деталей требуются инструменты, способные сохранять полировку на протяжении всего производственного цикла
• Возможности обслуживания - Некоторые материалы требуют специальной термообработки или шлифовального оборудования для восстановления

Справочник ASM по штампам для прессовой формовки рассматривает производственные переменные, влияющие на выбор между ферросплавами, цветными металлами и даже пластиковыми материалами для штампов. Для глубокой вытяжки металла доминируют инструментальные стали, но конкретный сорт имеет огромное значение.

Материале матрицы	Применение	Диапазон твёрдости (HRC)	Износостойкость	Лучшие варианты использования
Сталь для инструментов d2	Штампы, пуансоны, прижимы	58-62	Отличный	Высокотехнологичное производство; абразивные материалы; глубокая вытяжка стального листа
Инструментальная сталь A2	Пуансоны, штампы со средним износом	57-62	Хорошо	Среднетехнологичное производство; хорошая вязкость при ударных нагрузках
Быстрорежущая сталь M2	Пуансоны, требующие твёрдости при нагреве	60-65	Очень хорошо	Операции высокой скорости; применение при повышенных температурах
Карбид (Вольфрамовый карбид)	Вставки с высоким износом, кольца для гладкой вытяжки	75-80 (эквивалент HRA)	Выдающийся	Миллионные партии; глубокая вытяжка из нержавеющей стали; точные размеры
Инструментальная сталь O1	Прототипные матрицы, пуансоны малой серии	57-62	Умеренный	Короткие серии; простая обрабатываемость; гибкие металлические листы для поделок и аналогичных применений малого объема

Обратите внимание, как объем производства влияет на каждый выбор. Для прототипного инструмента или коротких серий, включающих гибкие металлические листы для поделок или других применений с небольшим объемом, может быть достаточно стали O1 или даже мягкой стали с поверхностной закалкой. При объемах производства автомобилей экономически оправдано использование D2 или твердосплавных вставок, несмотря на более высокие первоначальные затраты.

Соображения по подбору материалов для пуансона и матрицы

Выбор отдельных компонентов — это недостаточно. Взаимодействие материалов пуансона и матрицы влияет на склонность к заеданию, износ и общий срок службы инструмента. Согласно ASM Handbook, заедание является типичной причиной износа при штамповке глубокого вытяжения. Когда схожие материалы контактируют под давлением и в условиях скольжения при штамповке металла, возникает микросваривание и последующее разрушение.

Учитывайте следующие принципы подбора пар:

• Избегайте одинаковой твёрдости - Если пуансон и матрица имеют одинаковую твёрдость, они быстро изнашиваются. Разница в твёрдости между компонентами должна составлять 2–4 HRC.
• Более твёрдый компонент контактирует с критической поверхностью заготовки - Если важнее внешний вид детали, сделайте матрицу более твёрдой. Если критична внутренняя поверхность, упрочните пуансон.
• Используйте разнородные материалы - Держатели заготовки из бронзы или алюминиевой бронзы в паре с матрицами из инструментальной стали снижают склонность к заеданию при вытяжке алюминиевых сплавов.
• Соответствие коэффициентов теплового расширения - Для точной глубокой вытяжки металлических штамповок одинаковое тепловое расширение пуансона и матрицы сохраняет зазоры в течение производственного процесса.
• Учитывайте совместимость покрытий - Некоторые виды поверхностной обработки демонстрируют лучшие результаты на определенных типах сталей для матриц.

Поверхностные обработки и покрытия для увеличения срока службы матриц

Даже самые качественные инструментальные стали выигрывают от поверхностного упрочнения. Согласно Справочник ASM , существуют варианты поверхностных покрытий, такие как хромирование, и методы поверхностной обработки, например цементация или карбонитрирование для низколегированных сталей, а также нитрирование и покрытие физическим осаждением из паровой фазы для инструментальных сталей. Каждая обработка направлена на предотвращение конкретных механизмов износа.

Нитридование насыщает азотом поверхность стали, создавая твердый слой без изменения размеров. Как объясняет AZoM, нитрирование повышает износостойкость и твердость рабочей поверхности инструмента. Особенно эффективно при работе с абразивными материалами. При изготовлении матриц для глубокой вытяжки нитрирование значительно продлевает срок их службы при формовке покрытых сталей или высокопрочных сплавов.

Хромирование наносит твердый слой с низким коэффициентом трения. Согласно AZoM, хромовое твердое покрытие значительно повышает твердость поверхности, достигая значений до 68 HRC. Оно особенно полезно при обработке конструкционных сталей, меди, углеродистых сталей и латуни. Гладкая хромированная поверхность также улучшает отделение деталей и снижает потребность в смазке.

Нитрид титана (TiN) покрытие наносится методом физического осаждения из паровой фазы, образуя керамический слой золотистого цвета. Как отмечает AZoM, высокая твердость в сочетании со свойствами низкого трения обеспечивает значительно более длительный срок службы. TiN резко снижает склонность к заеданию, что делает его ценным для глубокой вытяжки нержавеющей стали, где адгезионный износ создает проблемы для инструментов без покрытия.

Титановый карбонитрид (TiCN) предлагает более твердую и менее подверженную трению альтернативу TiN. Согласно AZoM, он обладает хорошей износостойкостью в сочетании с вязкостью и твердостью. Для металлообрабатывающих операций глубокой вытяжки, требующих как стойкости к абразивному износу, так и ударной вязкости, TiCN обеспечивает отличный баланс.

Нитрид алюминия титана (TiAlN) отлично работает в тяжелых условиях. По данным AZoM, он обладает высокой стойкостью к окислению и высокой прочностью, подходит для более высоких скоростей, одновременно увеличивая срок службы инструмента. Для массового производства глубокотянутых металлических деталей, где выделяется значительное количество тепла, покрытие TiAlN сохраняет свои характеристики там, где другие покрытия деградируют.

Когда твердосплавные пластины оправдывают свою повышенную стоимость

Инструмент из карбида стоит значительно дороже, чем инструментальная закалённая сталь. Когда такое вложение окупается? В нескольких сценариях карбид становится экономически более выгодным выбором:

• Объёмы производства свыше 500 000 штук - Благодаря длительному сроку службы карбида первоначальные затраты распределяются на достаточное количество деталей, что снижает стоимость инструмента на единицу продукции
• Точными размерными допусками - Износостойкость карбида позволяет сохранять критические размеры намного дольше, чем у стали, сокращая частоту регулировок
• Абразивные материалы заготовок - Высокопрочные низколегированные стали и нержавеющие марки резко ускоряют износ стальных матриц
• Операции разравнивания - Сильное скольжение при разравнивании стенок быстро выводит стальной инструмент из строя
• Чувствительность к простою - Когда перерывы в производстве стоят дороже инструментов, надежность карбида оправдывает премиальную цену

Стальносвязанные карбиды предлагают компромиссное решение. Согласно ASM Handbook, стальносвязанные карбиды обеспечивают износостойкость, приближающуюся к сплошному карбиду, с лучшей вязкостью и обрабатываемостью. Для сложных форм матрий, которые бы оказались непомерно дорогими в сплошном карбиде, стальносвязанные альтернативы обеспечивают превосходные эксплуатационные характеристики.

Объем производства и экономика выбора материалов

Ожидаемое количество продукции фундаментально влияет на выбор материалов. Рассмотрите следующую последовательность:

Прототипирование и малые серии (до 1000 штук): Мягкие инструмальные материалы, такие как мягкая сталь или алюминий, подходят для первоначальных испытаний. Даже не закаленная инструмальная сталь марки O1 может быть достаточна. Цель состоит в проверке конструкции детали, а не в максимальном продлении срока службы инструмента.

Средние серии (1000–100 000 штук): Закаленные инструментальные стали марок A2 или D2 становятся стандартом. Поверхностная обработка, такая как нитрирование или хромирование, увеличивает срок службы без чрезмерных первоначальных вложений.

Высокий объем (100 000–1 000 000 штук): Премиальная сталь D2 с покрытиями PVD или вставками из карбида в местах повышенного износа. Стоимость модификаций инструмента в ходе производственного процесса оправдывает более высокие первоначальные затраты на материал.

Массовое производство (свыше 1 000 000 штук): Карбидные вставки, несколько комплектов резервных матриц и комплексные программы поверхностной обработки. Инструмент превращается в капитальный актив, требующий анализа жизненного цикла затрат.

Партнерство в создании комплексных решений по материалам матриц

Выбор материала матрицы не существует в отрыве от остальных факторов. Он взаимосвязан со всеми другими проектными решениями: радиусами, усилием прижима заготовки, требованиями к отделке поверхности и производственным графиком. Опытные партнеры по проектированию матриц рассматривают выбор материала как часть комплексного подхода к изготовлению инструментов, обеспечивая баланс между первоначальной стоимостью и эксплуатационными характеристиками.

Что отличает компетентных партнёров? Обратите внимание на инженерные команды, которые занимаются выбором материалов на этапе разработки конструкции, а не как дополнительную задачу. Возможность быстрого прототипирования всего за пять дней демонстрирует гибкость производства при практической оценке вариантов материалов. Экономически эффективная оснастка, адаптированная под стандарты OEM, отражает опыт в согласовании инвестиций в материалы с реальными производственными потребностями.

Комплексные возможности Shaoyi по проектированию и изготовлению пресс-форм иллюстрируют такой комплексный подход. Их сертификация IATF 16949 гарантирует, что решения по выбору материалов принимаются в соответствии с установленными процедурами контроля качества. Независимо от того, требует ли ваше применение карбидных вставок для производства миллионов изделий из нержавеющей стали или экономичной закалённой стали для проверки прототипа, всесторонние услуги по проектированию штампов обеспечивают соответствующие решения по материалам, адаптированные к вашим конкретным требованиям.

Выбор материала завершает ваш набор рекомендаций по проектированию матриц для глубокой вытяжки. От расчетов коэффициента вытяжки до моделирования и теперь спецификации материала — у вас есть техническая основа для разработки оснастки, обеспечивающей безупречное качество деталей при любых объемах производства.

Часто задаваемые вопросы о проектировании штампов для глубокой вытяжки

1. Какой должен быть зазор в штампе при операции глубокой вытяжки?

Зазор в штампе должен превышать толщину материала на 10–20 %, чтобы предотвратить скопление металла у верхней кромки матрицы и обеспечить контроль за формой стенок. Для материала толщиной 0,040" зазор должен составлять 0,044"–0,048". Более узкий зазор намеренно обжимает боковые стенки для получения равномерной толщины, тогда как чрезмерный зазор вызывает образование складок на стенках. Квалифицированные специалисты по проектированию штампов, такие как Shaoyi, используют CAE-моделирование для оптимизации зазора под конкретные материалы и геометрии, достигая доли успешного принятия штампов с первого раза на уровне 93 %.

2. Как рассчитывается размер заготовки при глубокой вытяжке?

Рассчитайте размер заготовки, используя принцип постоянства объема: площадь поверхности заготовки равна площади поверхности готовой детали. Для цилиндрических стаканов используйте формулу Rb = √[Rf × (Rf + 2Hf)], где Rb — радиус заготовки, Rf — радиус стакана, Hf — высота стакана. Добавьте удвоенную толщину материала для припуска на обрезку и 3–5 % для компенсации утонения. Для сложных геометрий требуются расчеты площади поверхности на основе CAD для обеспечения точности.

3. Что вызывает образование складок и разрывов в глубоко вытянутых деталях?

Образование складок происходит из-за недостаточного давления прижима заготовки, что приводит к продольному выпучиванию в зоне фланца. Разрывы возникают при чрезмерном давлении прижима или недостаточном радиусе инструмента, препятствующих течению материала, в результате чего растягивающее напряжение превышает прочность материала вблизи носка пуансона. Решения включают постепенную регулировку усилия прижима заготовки, увеличение радиусов пуансона/матрицы до 4–10 кратной толщины материала и улучшение смазки. Конструкции, подтверждённые моделированием, предотвращают эти дефекты до начала изготовления инструментов.

4. Сколько стадий вытяжки требуется для глубокой вытяжки?

Требования к стадиям зависят от общего процента обжатия. На первой стадии достигается обжатие 45–50 %, на последующих — 25–30 % и 15–20 % соответственно. Количество стадий рассчитывается исходя из необходимого общего обжатия (от диаметра заготовки до конечного диаметра), затем делится на допустимые пределы для материала на каждой стадии. Детали с соотношением глубины к диаметру более 1,0, как правило, требуют нескольких стадий. Планируйте промежуточный отжиг, если суммарное обжатие превышает 30–45 % в зависимости от материала.

5. Каковы рекомендуемые параметры радиуса пуансона и матрицы?

Радиус пуансона должен быть 4–10 кратным толщине материала, чтобы равномерно распределить напряжение и предотвратить разрыв. Радиус входа матрицы должен составлять 5–10 кратную толщину для плавного перехода материала. Для более тонких материалов требуются большие значения радиуса. Для материала толщиной 0,030"–0,060" следует указывать радиус пуансона 5–8 кратный, а радиус матрицы — 6–10 кратный толщине. Для некруглых деталей минимальный внутренний радиус закругления должен составлять не менее 2 кратной толщины, предпочтительно 3–4 кратной, чтобы сократить количество операций вытяжки.