Розуміння виникнення зморшок при глибокому витягуванні штампуванням

Коли ви втягуєте плоску заготовку з металу в тривимірну форму, щось має змінитися. Матеріал стискається, розтягується й тече в порожнину матриці. Якщо цей процес проходить неправильно, виникають зморшки — хвилясті нерівності, які погіршують як зовнішній вигляд, так і структурну міцність деталі. Цей дефект залишається однією з найпоширеніших проблем у формування листового металу глибокому витягуванні штампуванням

Зморшки при глибокому витягуванні штампуванням — це, по суті, форма локального випинання. Вони виникають, коли стискальні напруження в листовому металі перевищують здатність матеріалу чинити опір деформації поза площиною. Результат? Згини, хвилі або зморшки, через які деталі стають непридатними до використання або потребують дорогих додаткових операцій для виправлення.

Що таке зморшки при глибокому витягуванні штампуванням

У своїй основі цей дефект є проблемою нестабільності. Коли пуансон примушує заготовку входити в порожнину матриці, фланцева зона відчуває радіальну розтягуючу напругу, яка тягне її всередину, одночасно піддаючись кільцевій стискальній напрузі через зменшення її діаметра. Коли ця стискальна кільцева напруга стає надто великою, листовий матеріал втрачає стійкість.

Утворення зморшок починається, коли кільцева стискальна напруга у фланці перевищує місцеву стійкість матеріалу до втрати стійкості, що призводить до виходу листового матеріалу з площини.

Цей механічний принцип пояснює, чому тонші листи легше утворюють зморшки, ніж товщі, а також чому певні марки матеріалів схильніші до цього дефекту, ніж інші. Прижимна плита створює направлене вниз зусилля спеціально для того, щоб протидіяти цій схильності до втрати стійкості, однак саме знаходження оптимального балансу й є справжньою інженерною задачею.

Зморшки на фланці проти зморшок на стінці — два різні типи руйнування

Не всі зморшки є однаковими. Розуміння того, де вони утворюються, — це перший крок до їх усунення. Дослідження, опубліковане в Journal of Materials Processing Technology класифікує цей дефект на два механічно різні типи:

• Зморшкування фланця виникає в плоскій частині заготовки, що залишається між прижимною плитою та матрицею під час витягування. Ця ділянка зазнає безпосереднього стискального напруження, коли матеріал рухається всередину.
• Зморшкування стінки виникає в витягнутій бічній стінці або стінці стакана після того, як матеріал пройшов через радіус матриці. Ця ділянка відносно не підтримується інструментом, тому вона більш схильна до втрати стійкості (прогинання) навіть при нижчих рівнях напруження.

Ці два види відмов мають одну й ту саму первинну причину — стискальне кільцеве напруження, але вимагають різних коригувальних заходів. Зморшки на бічній стінці виникають значно легше, ніж зморшки на фланці, оскільки бічна стінка не має прямого обмеження, яке забезпечує тримач заготовки. Придушення зморшок на бічній стінці шляхом регулювання зусилля тримача заготовки є складнішим, оскільки це зусилля впливає переважно на радіальне розтягуюче напруження, а не безпосередньо не обмежує бічну стінку.

Отже, ось головне організуюче запитання, яке має спрямовувати вашу діагностику: де саме утворюються зморшки? Відповідь на це запитання визначає ваш діагностичний шлях і заходи, які слід розглянути. Зморшка на периферії фланця вказує на недостатнє зусилля тримача заготовки або надто великий розмір заготовки. Зморшка на витягнутій бічній стінці свідчить про надмірний зазор між пуансоном і матрицею або недостатню підтримку бічної стінки. Розгляд цих проблем як взаємозамінних призводить до марно витраченого часу та подальшого відходу.

Протягом цієї статті ми неодноразово повертатимемося до цього діагностичного підходу, заснованого на розташуванні дефектів. Незалежно від того, чи працюєте ви у виробництві сталевих конструкцій чи виготовляєте компоненти точної металообробки, фізичні закономірності залишаються незмінними. Дефект вказує вам, де шукати; ваше завдання — зрозуміти, що саме він вам повідомляє.

Механізм виникнення зморшок

Щоб зрозуміти, чому утворюються зморшки, потрібно розглянути, що відбувається з металом під час тягнення. Уявіть собі фланець заготовки у вигляді кільцевого кільця, яке тягнеться всередину до пуансона. Коли зовнішній діаметр зменшується, має зменшитися й довжина кола. Цей матеріал має кудись подітися, і коли він не може рівномірно протікати, він випинається вгору або вниз, утворюючи зморшки.

Звучить складно? Насправді це досить простий процес, якщо розкласти його на окремі етапи. Фланець одночасно відчуває два протилежні напруження: радіальне розтягуюче напруження, що тягне матеріал до порожнини матриці та кільцеве стискальне напруження, що стискає матеріал у міру скорочення його периметра. Коли кільцеве стискальне напруження перевищує здатність листа опиратися позаплощинним деформаціям, виникає втрати стійкості (прогин).

Кільцеве стискальне напруження та втрата стійкості — механічна первинна причина

Уявіть собі, як ви стискаєте порожню алюмінієву банку зверху. Циліндрична стінка банки втрачає стійкість і вигинається назовні, оскільки стискальне навантаження перевищує опір тонкої стінки до бічного вигину. Те саме принципово застосовується до фланця під час глибокої витяжки, але стиск діє кільцево, а не осьово.

Три геометричних і матеріальних чинники визначають, наскільки легко лист буде втрачати стійкість під дією цього стискального напруження:

• Товщина листа: тонші листи втрачають стійкість легше, оскільки опір втраті стійкості пропорційний кубу товщини. Лист, товщина якого вдвічі менша, має лише одну восьму частину опору втраті стійкості.
• Жорсткість матеріалу (модуль пружності): матеріали з вищим модулем краще чинять опір пружному випинанню. Саме тому алюмінієві сплави, модуль пружності яких приблизно втричі менший за модуль пружності сталі, за однакової товщини схильні до утворення зморшок у більшій мірі.
• Ширина непідтримуваного фланця: відстань між отвором матриці та краєм заготовки визначає, яка частина матеріалу вільна для випинання. Чим ширша непідтримувана ділянка, тим нижча стійкість до випинання — аналогічно до того, як довша колона випинається під меншим навантаженням порівняно з коротшою.

Дослідження від Університет штату Огайо дослідники експериментально продемонстрували цей зв’язок, використовуючи заготовки з алюмінієвого сплаву AA1100-O. Коли зусилля тримача заготовки було встановлено на нуль, фланець практично відразу почав зморщуватися після початку формування. Зі зростанням обмежувального зусилля виникнення зморшок затримувалося, а коли це зусилля перевищувало критичний поріг, утворення зморшок повністю припинялося.

Як властивості матеріалу впливають на ризик утворення зморшок

Ось де ваш аркуш даних щодо матеріалу перетворюється на інструмент діагностики. Три властивості безпосередньо впливають на те, як матеріал реагує на стискальні напруження, що викликають зморшки: межа текучості, показник зміцнення при пластичній деформації (n-значення) та пластична анізотропія (r-значення).

Межа текучості визначає рівень напруження, при якому починається пластична деформація. Матеріали з нижчою межею текучості переходять у стан пластичного течіння раніше в процесі витягування, що фактично може сприяти перерозподілу напружень і затримати втрату стійкості. Експериментальні дослідження з комерційно чистих алюмінієвих марок показали, що сплави з нижчим напруженням текучості демонстрували кращу стійкість до утворення зморшок за умови, що інші властивості були сприятливими.

Показник n, або показник зміцнення при деформації, описує, наскільки швидко матеріал зміцнюється під час деформації. Матеріали з вищим значенням n розподіляють деформацію більш рівномірно по фланцю, замість того щоб концентрувати її в локалізованих зонах. Такий рівномірний розподіл деформації зменшує ймовірність локального випинання. Як пояснює журнал MetalForming Magazine, зміцнення при пластичній деформації, що характеризується показником n, зменшує схильність до локального утонення в сильно деформованих ділянках. Те саме правило стосується й зморшкування: матеріали, які зміцнюються рівномірно, чинять опір локальним нестабільностям, що ініціюють випинання.

Коефіцієнт r, або коефіцієнт пластичної анізотропії, вказує, наскільки матеріал опорується розтягненню у товщину порівняно з деформацією в площині. Матеріали з вищим коефіцієнтом r переважно деформуються в площині листа, а не через його товщину. Це має значення для виникнення зморшок, оскільки збереження товщини фланця забезпечує стійкість до втрати стійкості (прогинання) протягом усього ходу витягування. Матеріал, що швидко розтягується у товщину, втрачає здатність опорулятися стискувальному прогинанню по мірі продовження процесу.

Напрямкові взаємозв’язки очевидні:

• Вищий коефіцієнт n = більш рівномірний розподіл деформації = краща стійкість до утворення зморшок
• Вищий коефіцієнт r = менше розтягнення у товщину = збережена стійкість до прогинання протягом усього ходу
• Нижча межа текучості (за наявності достатнього коефіцієнта n) = раннє пластичне течіння = краще перерозподілення напружень

Ці взаємозв’язки пояснюють, чому вибір матеріалу — це не просто питання міцності. Сталь з високою міцністю, але з обмеженою подовженням і низьким коефіцієнтом n може бути навіть схильніша до утворення зморшок, ніж сталь нижчої міцності з кращими характеристиками формоздатності. Те саме логічне міркування застосовується й при порівнянні сталі з алюмінієм: навіть якщо зварювання або з’єднання алюмінію не є проблемою, нижчий модуль пружності алюмінієвих сплавів означає, що для запобігання утворенню зморшок потрібні інші технологічні підходи.

Після встановлення цих механічних основ наступне практичне питання полягає в тому, як співвідношення витягування та геометрія заготовки впливають на те, коли й де починається утворення зморшок?

Співвідношення витягування та геометрія заготовки як змінні, що впливають на утворення зморшок

Тепер, коли ви розумієте стискальні напруження, що спричиняють утворення зморшок, наступне питання є практичним: скільки матеріалу ви взагалі можете витягнути, перш ніж ці напруження стануть неконтрольованими? Відповідь полягає у двох взаємопов’язаних змінних, які багато інженерів ігнорують до тих пір, поки проблеми не виникнуть на виробничій дільниці: коефіцієнт витягування та геометрія заготовки .

Уявіть, що ви намагаєтеся протягнути велику круглу скатертину крізь маленьке кільце. Чим більше тканини ви маєте спочатку порівняно з діаметром кільця, тим сильніше вона збирається в складки й згинається. Глибоке витягування працює так само. Співвідношення між початковим розміром заготовки та кінцевим діаметром пуансона визначає, скільки радіального стиснення повинен поглинути фланець, а також те, чи залишається це стиснення в межах контролю чи призводить до втрати стійкості (виточування).

Коефіцієнт витягування та його вплив на початок утворення зморшок

The граничний коефіцієнт витягування (LDR) визначає максимальне співвідношення діаметра заготовки до діаметра штампу, при якому можливо успішно витягнути деталь без руйнування. Коли цей поріг перевищено, об’єм матеріалу фланця, що стискається, стає надто великим. Виникаючий кільцевий напружений стан перевищує стійкість листового матеріалу до втрати стійкості, і утворюються зморшки навіть за умови максимальної сили прижиму заготовки.

Ось чому це має значення: із зростанням коефіцієнта витягування більша кількість матеріалу повинна рухатися всередину під час кожного ходу. Цей додатковий матеріал створює більше кільцевого стискання у фланці. Якщо діаметр витягувального штампу достатньо великий порівняно з краєм заготовки, стискання залишається обмеженим, і матеріал рухається плавно. Однак, коли заготовка занадто велика порівняно з діаметром штампу, надлишкове стискання створює опір руху, який технологічний процес не в змозі подолати.

Зусилля, необхідне для втягування матеріалу в матрицю, зростає зі збільшенням коефіцієнта витяжки. На певному етапі радіальне розтягуюче напруження, потрібне для подолання стиснення фланця, перевищує межу, яку матеріал здатен витримати без надмірного утонення або розриву біля носика пуансона. Однак до досягнення цього порогу розриву найчастіше спочатку виникає зморшкування через втрату стійкості фланця під дією надмірного стискаючого навантаження.

Саме тому критично важливо обчислювати розмір заготовки за методом площі поверхні, а не лінійними вимірами. Кругла чаша, що формується переважно шляхом стиснення, вимагає діаметра заготовки, значно меншого за лінійну відстань крізь готову деталь. Перевищення розміру заготовки на основі габаритних розмірів деталі замість врахування вимог до потоку матеріалу є однією з найпоширеніших причин виникнення зморшкування.

Оптимізація форми заготовки для контролю потоку матеріалу

Для круглих стаканів зв’язок між заготовкою та штампом є простим. Але що відбувається, коли ви витягуєте прямокутні коробки, профільовані панелі або асиметричні форми? Саме тут оптимізація форми заготовки стає потужним інструментом для контролю зморшок, а багато штампувальних процесів залишають потенційну ефективність нереалізованою.

Дослідження, опубліковані в Міжнародному журналі передових технологій виробничого машинобудування дослідження показує, що оптимізація початкової форми заготовки для прямокутних деталей зменшує відходи й підвищує ефективність формування. У дослідженні встановлено, що врахування анізотропних властивостей матеріалу в процесі оптимізації заготовки зменшило похибку контуру з 6,3 мм до 5,6 мм, забезпечивши загальну похибку нижче 4 відсотків.

Принцип простий: не круглі заготовки для несиметричних деталей контролюють кількість матеріалу, що надходить у матрицю в кожній точці. Заготовка, форма якої відповідає контуру отвору пуансона, рухається вільніше, ніж прямокутна або трапецієподібна заготовка з надлишковим матеріалом у кутах. Як пояснює FormingWorld, додатковий матеріал поза зонами витягування в кутах обмежує рух матеріалу, тоді як заготовка, форма якої відповідає геометрії деталі, забезпечує вільніший рух матеріалу.

Розглянемо, наприклад, стійку B або іншу аналогічну конструктивну автомобільну деталь. Трапецієподібна вирізана заготовка може бути дешевшою у виробництві, оскільки для її отримання не потрібна спеціальна штампувальна матриця. Однак надлишковий матеріал у кутових зонах створює додаткові обмеження для руху металу. Заготовка, форма якої точніше відповідає контуру отвору пуансона, зменшує ці обмеження й дозволяє матеріалу вільніше рухатися в кути, що покращує формоздатність і знижує ризик утворення зморшок.

Заготовки надмірних розмірів є поширеною причиною зморшкування, яку виробничі бригади іноді не помічають. Коли заготовка більша за очікувану, матеріал менш ефективно заповнює кути й має більшу площу контакту з прижимною плитою. Це збільшує обмеження як за рахунок сили прижимної плити, так і через тертя. У результаті зростає стискальне напруження у фланці та підвищується схильність до зморшкування. Навпаки, заготовки недостатніх розмірів можуть надто легко протягуватися, що зменшує бажане розтягнення й потенційно призводить до їхнього зсуву крізь тягові ребра до досягнення нижнього положення.

Кілька параметрів геометрії заготовки безпосередньо впливають на ризик зморшкування:

• Діаметр заготовки відносно діаметра пуансона: більші співвідношення означають більше матеріалу в зоні стиснення й підвищену схильність до зморшкування. Дотримуйтесь граничного коефіцієнта витяжки (LDR) для вашого класу матеріалу.
• Симетрія форми заготовки щодо геометрії деталі: заготовки, форма яких повторює контури отвору пуансона, зменшують надлишок матеріалу в зонах високого стиснення.
• Об'єм матеріалу в кутах прямокутних заготовок: кути зазнають більшого стискаючого напруження, ніж прямі сторони. Надлишковий матеріал у кутах посилює цей ефект.
• Рівномірність ширини фланця: нерівномірна ширина фланців призводить до нерівномірного розподілу стискаючих зусиль, що спричиняє локальне зморщування в зонах із більшою шириною.

Матеріал, що зазнав міцнісного зміцнення під час попередніх операцій формування, також впливає на те, як заготовки реагують на стиск. Якщо матеріал уже зазнав деформаційного зміцнення внаслідок попередньої обробки, його здатність до рівномірної деформації зменшується. Це може звузити діапазон між початком зморщування та руйнуванням від розриву, що робить оптимізацію геометрії заготовки ще важливішою для багатостадійних операцій.

Практичний висновок? Геометрія заготовки не є лише рішенням щодо ефективного використання матеріалу. Вона безпосередньо визначає розподіл стискальних напружень у вашому фланці й вирішує, чи працює ваш процес у безпечному режимі всередині межі зморшкування чи постійно бореться з дефектами випинання. Після того як ви зрозуміли коефіцієнт витяжки та геометрію заготовки, наступним кроком є аналіз того, як параметри інструменту забезпечують безпосередній контроль над зморшкуванням під час самої операції формування.

Параметри інструменту, що контролюють або спричиняють зморшкування

Ви оптимізували геометрію заготовки й обрали матеріал із сприятливими характеристиками формовності. Що далі? Сам інструмент стає вашим основним механізмом контролю зморшкування під час реальної операції формування. Кожен параметр, який ви встановлюєте — від сили прихоплювача заготовки до геометрії радіуса матриці — безпосередньо впливає на те, чи буде ваш фланець випинатися чи плавно входити в порожнину матриці.

Ось із чим стикаються більшість інженерів: ті самі налаштування, що запобігають утворенню зморшок, можуть спровокувати розрив матеріалу, якщо їх надмірно посилити. Це не задача оптимізації з одним параметром. Це процес урівноваження, де кожен параметр інструментування розташований на шкалі між двома режимами відмови. Розуміння того, де саме ваш процес розташований на цій шкалі та як ним керувати, визначає різницю між стабільним виробництвом і хронічними проблемами якості.

Сила затискного пристрою — урівноваження між утворенням зморшок та розривом

Сила затискного пристрою (BHF) є ключовим регулювальним параметром для запобігання утворенню зморшок на фланці. Затискний пристрій створює спрямоване вниз зусилля на фланець, що викликає тертя, обмежує рух матеріалу й генерує радіальні розтягуючі напруження в листі. Це розтягнення компенсує кільцеві стискальні напруження, які призводять до втрати стійкості й виникнення згинання.

Якщо сила затискного пристрою (BHF) занадто низька, фланець недостатньо обмежений. Кільцеві стискальні напруження перевищують стійкість листа до втрати стійкості, і утворюються зморшки. По мірі того як Виробник примітки: недостатній тиск прихоплювача заготовки призводить до утворення зморшок на металі під час стиснення, а зморшкуватий метал створює опір течії, особливо коли він застрягає в бічній стінці.

Коли тиск прихоплювача заготовки (BHF) надто високий, виникає протилежна проблема. Надмірний тиск обмежує втягування металу всередину, через що матеріал розтягується замість того, щоб витягуватися. Це розтягнення зменшує товщину листа в зоні радіуса наконечника пуансона й зрештою призводить до розривів. Те саме джерело наголошує, що надмірний тиск прихоплювача заготовки обмежує течію металу, спричиняючи його розтягнення, що може призвести до розриву.

Практичне значення цього? Тиск прихоплювача заготовки має бути достатньо високим, щоб запобігти коробленню, але водночас достатньо низьким, щоб забезпечити течію матеріалу. Цей діапазон залежить від марки матеріалу, товщини листа та глибини витягування. Для матеріалів із обмеженою подовженістю, наприклад, для передових сталей підвищеної міцності, цей діапазон значно звужується. У вас залишається менше запасу безпеки, перш ніж ви перейдете від зони утворення зморшок до зони розривів.

Розподіл тиску має таке саме значення, як і загальна сила. Погано відремонтовані або пошкоджені пружинні подушки преса або пошкоджені штифти подушок призводять до нерівномірного розподілу тиску по поверхні тримача заготовки. Це спричиняє локальне надмірне обмеження в одних ділянках і недостатнє обмеження — в інших, що призводить до утворення як зморшок, так і розривів на одній і тій самій деталі. Регулювальні пристрої забезпечують підтримку заданого зазору між робочою поверхнею матриці та тримачем заготовки незалежно від коливань тиску, але для їхнього правильного функціонування потрібна регулярна калібрування.

Радіус матриці, радіус пуансона, зазор та конструкція витяжного буртика

Крім сили тримання заготовки (BHF), ще чотири параметри оснастки безпосередньо впливають на схильність до утворення зморшок: радіус входу матриці, радіус носика пуансона, зазор між пуансоном і матрицею та конструкція витяжного буртика. Кожен із цих параметрів передбачає власний компроміс між ризиком утворення зморшок і ризиком розриву.

Радіус входу матриці визначає, наскільки різко матеріал згинатиметься під час переходу від фланця до витягнутої стінки. Більший радіус зменшує жорсткість згину, що знижує зусилля витягування та ризик розриву. Однак він також збільшує площу непідтримуваного фланця між краєм прижимної плити та отвором матриці. Ця більша непідтримувана зона має нижчу стійкість до втрати стійкості (прогинання), що підвищує схильність до утворення зморшок. Менший радіус матриці ефективніше обмежує матеріал, але одночасно концентрує напруження в зоні згину, підвищуючи ризик руйнування. Toledo Metal Spinning пояснює, що якщо радіус матриці надто малий, матеріал не зможе легко протікати, що призведе до розтягнення та руйнування. Якщо радіус матриці надто великий, матеріал утворюватиме зморшки після проходження через точку затискання.

Радіус закруглення пуансона відповідає аналогічній логіці. Більший радіус закруглення пуансона розподіляє формувальні напруження на більшу площу, зменшуючи ризик локального розт thinning та розриву. Однак він також дозволяє більшій кількості матеріалу залишатися непідтриманою на початковому етапі тягнення, що потенційно збільшує ризик утворення зморшок у перехідній зоні між ділянкою контакту пуансона та входом у матрицю.

Зазор між пуансоном і матрицею є чинником, що впливає на утворення зморшок у стінці заготовки, а не на утворення зморшок у фланці. Коли зазор перевищує товщину матеріалу надмірно, стінка тягнутої деталі втрачає бічну підтримку. Це дозволяє бічній стінці вигинатися незалежно від стану фланця, утворюючи зморшки на стінці навіть тоді, коли фланець залишається вільним від зморшок. Правильний зазор зазвичай вказується як відсоток від номінальної товщини листового матеріалу з урахуванням його збільшення товщини, що відбувається під час процесу тягнення.

Витяжні бурти забезпечують точний контроль, якого не можна досягти за допомогою рівномірної регулювання сили прижиму заготовки (BHF). Ці виступаючі елементи на робочій поверхні матриці або прижимному кільці створюють локальну утримуючу силу шляхом згинання та розгинання листового матеріалу під час його протікання повз них. Дослідження Оуклендського університету показали, що утримуючу силу витяжних буртів можна змінювати приблизно в чотири рази лише шляхом регулювання глибини проникнення бурта. Це надає конструкторам штампів значної гнучкості у контролі розподілу потоку матеріалу по периметру заготовки без необхідності рівномірного збільшення сили прижиму заготовки (BHF) по всьому фланцевому контуру.

Стратегічно розміщені витяжні бурти вирішують локалізовані проблеми зморшкування, які не можна усунути за допомогою глобального регулювання сили прижиму (BHF). Для прямокутних деталей, де кути піддаються більшому стискальному навантаженню, ніж прямі ділянки, витяжні бурти у кутових зонах збільшують локальне обмеження без надмірного обмеження прямих ділянок. Сила прижиму, необхідна для забезпечення потрібної обмежувальної дії, значно нижча за умови використання витяжних буртів, що означає: еквівалентний контроль металу можна досягти на пресах меншої потужності.

Параметри інструменту	Вплив на зморшкування	Вплив на розрив	Регулювання для зменшення зморшкування
Силу прижимної плити (СПП)	Низька сила прижиму (BHF) сприяє хвилястості фланця	Висока сила прижиму (BHF) обмежує течію матеріалу й викликає розриви	Збільшити силу прижиму (BHF) в межах, що не призводять до розриву
Радіус входу в матрицю	Великий радіус збільшує площу неміцно підтримуваної ділянки	Малий радіус концентрує напруження	Зменшити радіус, одночасно контролюючи розрив
Радіус носка пуансона	Великий радіус зменшує підтримку на початковій стадії витягування	Малий радіус призводить до локального зменшення товщини	Балансувати з урахуванням глибини витягування
Зазор між пуансоном і матрицею	Надмірний зазор дозволяє вигинання стінки	Недостатній зазор викликає напруження при витягуванні	Зменшити зазор для підтримки стінки
Глибина вдавлення витягувальної смуги	Поверхневі смуги забезпечують недостатнє обмеження	Глибокі борозни надмірно обмежують потік	Підвищити проникнення в зонах, схильних до утворення зморшок

Ключовим висновком із цієї таблиці є те, що кожна корекція параметрів передбачає компроміс. Зміщення в одному напрямку зменшує ризик утворення зморшок, але збільшує ризик розриву. Зміщення в протилежному напрямку має зворотний ефект. Успішна розробка штампу вимагає визначення робочого діапазону, в якому уникнуто обох видів відмов, причому цей діапазон залежить від матеріалу, геометрії та ступеня глибини витяжки.

Розуміння цих взаємозв’язків між інструментами підготовлює вас до наступного виклику: усвідомлення того, що різні матеріали по-різному реагують на одну й ту саму конфігурацію інструментів. Штамп, оптимізований для низьковуглецевої сталі, може спричинити утворення зморшок у алюмінію або розрив у сталі підвищеної міцності без відповідної корекції параметрів.

Поведінка утворення зморшок у поширених матеріалах для штампування

Штамп, який бездоганно працює з низьковуглецевою сталью, може виробляти зморшкуваті деталі в момент переходу на алюміній. Чому? Тому що ті самі параметри інструменту по-різному взаємодіють із механічними властивостями кожного матеріалу. Розуміння того, як межа текучості, модуль пружності та поведінка при зміцненні внаслідок деформації варіюються серед поширених матеріалів для штампування, є обов’язковим для передбачення ризику зморшкування та відповідної корекції технологічного процесу.

Наведена нижче таблиця порівнює схильність до зморшкування в шести групах матеріалів, які зазвичай використовуються в операціях глибокого витягування. Кожна оцінка відображає, як власні властивості матеріалу впливають на його стійкість до втрати стійкості (прогинання) під дією стискального напруження у фланці.

Схильність до зморшкування за маркою матеріалу

Матеріал	Схильність до зморшкування	Рекомендований підхід до регулювання сили прижиму заготовки (BHF)	Ключові технологічні чутливості	Поведінка при зміцненні внаслідок деформації
Низьковуглецева сталь (DC04, SPCC)	Низький	Помірна, стабільна протягом ходу	Толерантна; широке технологічне вікно	Помірне значення коефіцієнта n; поступове зміцнення
Високоміцна низьколегована сталь (HSLA Steel)	Низька до середньої	Помірна до високої; слід контролювати розриви	Вища межа міцності на розтяг звужує вікно BHF	Нижче значення n, ніж у низьковуглецевої сталі
Високоміцні сталі (класи DP, TRIP)	Середній до високого	Високе початкове значення BHF; змінне протягом ходу	Обмежена подовження; вузьке вікно між зморшкуванням і розривом	Висока початкова межа текучості; обмежена здатність до зміцнення при деформації
Алюміній серії 5xxx	Високих	Нижче, ніж у сталі; потрібен точний контроль	Низький модуль пружності; чутливий до швидкості витягування	Помірне значення n; зміцнення при деформації в процесі формування
Алюмінієвий сплав серії 6xxx	Високих	Нижче, ніж у сталі; залежить від термічного стану	Піддається термічній обробці; пластичність змінюється залежно від термічного стану	Нижче значення коефіцієнта n, ніж у сплавів серії 5xxx; менш рівномірне зміцнення
Нержавіюча сталь 304	Середній	Високе; має зростати протягом ходу	Швидке наклепування; високе тертя; чутливе до швидкості	Дуже високе значення коефіцієнта n; інтенсивне зміцнення

Наведені вище оцінки відображають те, як властивості кожного матеріалу взаємодіють із стискальними напруженнями, що викликають втрату стійкості. Розглянемо детальніше, чому ці відмінності мають практичне значення.

Чому алюміній та високоміцні сталі вимагають різних технологічних підходів

Алюмінієві сплави створюють унікальну проблему через низький модуль пружності. У сталі модуль пружності становить близько 200 ГПа, тоді як у алюмінію — приблизно 70 ГПа. Це означає, що жорсткість алюмінію становить приблизно одну третину жорсткості сталі. Оскільки стійкість до втрати стійкості безпосередньо залежить від жорсткості матеріалу, алюмінієва листова заготовка такої самої товщини набагато легше втрачає стійкість, ніж стальна, під дією однакового стискального навантаження.

Цей нижчий опір вигину пояснює, чому алюміній поводиться інакше, ніж нержавіюча сталь під час глибокого витягування. На відміну від нержавіючої сталі, яка може течи й перерозподіляти свою товщину під дією зусилля, алюміній не можна надмірно розтягнути чи надмірно деформувати. Матеріал деформується локально з обмеженим видовженням і не має здатності до рівномірного розтягнення, яку забезпечує сталь. Успішне витягування з алюмінію залежить від підтримання правильного коефіцієнта витягування та точного балансування розтягнення, стиснення та зусилля прихоплювача заготовки.

Алюмінієві сплави серії 5xxx (наприклад, 5052 та 5182) мають кращу формоздатність порівняно зі сплавами серії 6xxx через вищий коефіцієнт n. Цей показник зміцнення при деформації дозволяє сплавам серії 5xxx рівномірніше розподіляти деформацію по фланцю, що затримує початок локального випинання. Сплави серії 6xxx (наприклад, 6061 та 6063), хоча й забезпечують високу міцність після термообробки, мають нижчі значення коефіцієнта n у відпаленому стані. Це робить їх більш схильними до локалізованої концентрації деформації та раннього виникнення зморшок.

У передових сталей з підвищеною міцністю виникає протилежна проблема. Класи АНСС, такі як двофазні (DP) та сталі з пластичністю, індукованою фазовими перетвореннями (TRIP), мають високу межу текучості, яка часто перевищує 500 МПа. Цей високий рівень напруження текучості означає, що матеріал чинить опір пластичному деформуванню, тому для запобігання зморшкуванню потрібна більша сила підтримки (BHF). Однак класи АНСС також мають обмежену загальну подовження порівняно з низьковуглецевою сталью. Як зазначає видання The Fabricator, зморшкування, розриви та пружне відновлення, що виникають під час штампування АНСС, створюють труднощі на всьому ланцюзі поставок.

Який практичний результат? АНСС значно звужує вікно оптимальних значень сили підтримки (BHF). Вам потрібна більша сила для запобігання зморшкуванню, але матеріал розривається при менших рівнях деформації, ніж низьковуглецева сталь. Це залишає менший запас безпеки. Технологія сервопресів із програмованими профілями сили допомагає вирішити цю проблему, оскільки дозволяє штампувальникам змінювати силу підтримки протягом ходу преса: застосовувати жорстке обмеження там, де це необхідно, і зменшувати його там, де зростає ризик розриву.

Нержавіюча сталь марки 304 вносить ще один чинник: швидке наклепування. Ця аустенітна марка має дуже високе значення коефіцієнта міцності (n-значення), тобто інтенсивно зміцнюється під час деформації. Нержавіюча сталь наклепується швидше, ніж вуглецева сталь, і для її розтягування та формування потрібно майже вдвічі більше зусилля. Крім того, поверхнева плівка оксиду хрому посилює тертя під час формування, тому інструменти мають бути ретельно покриті спеціальним покриттям і добре змащені.

Що це означає щодо утворення зморшок? Швидке наклепування фактично сприяє запобіганню втраті стійкості (прогинанню) у міру продовження процесу витягування, оскільки матеріал постійно стає жорсткішим. Однак високе тертя та необхідність застосування великих зусиль означають, що зусилля прижиму заготовки (BHF) має зростати протягом ходу, щоб забезпечити контроль над процесом. Якщо BHF залишається сталим, на початку ходу можуть утворитися зморшки, а наприкінці — розриви. Чим складніше витягування, тим повільніше воно має виконуватися, щоб врахувати ці фактори.

Тут також важливе значення має зв’язок між границею текучості та межею міцності при текучості. Матеріали з нижчою початковою межею міцності при текучості раніше переходять у пластичне течіння, що дозволяє перерозподіл напружень до початку втрати стійкості. Матеріали з вищою межею міцності при текучості протистоять цьому ранньому течінню, концентруючи напруження в локалізованих зонах, де втрата стійкості може початися ще до того, як матеріал однорідно піддасться пластичній деформації.

Для заготовок, виготовлених методом електроерозійного різання дротом (wire EDM), або для деталей з точно обробленими кромками, де якість кромки впливає на поведінку матеріалу під час формування, ці відмінності в матеріалах стають ще більш вираженими. Чиста кромка деформується більш передбачувано, ніж кромка, отримана зрізанням із утворенням місцевого наклепу та заусенців, і цей ефект залежить від марки матеріалу.

Головний висновок? Параметри процесу не можна безпосередньо переносити з одного матеріалу на інший. Штамп, оптимізований для низьковуглецевої сталі, ймовірно, викличе зморшки на алюмінії та може розірвати високоміцну сталь (AHSS). Кожна група матеріалів вимагає власної стратегії прикладання зворотного зусилля (BHF), оптимізації швидкості витягування та підходу до змащення. Розуміння цих матеріалозалежних особливостей до виготовлення інструментів дозволяє значно скоротити час і витрати під час випробування штампів.

Після того як поведінка матеріалу зрозуміла, наступне питання стає геометричним: як форма деталі впливає на місце та причини виникнення зморшок?

Як форма деталі впливає на місце та причини виникнення зморшок

Ви обрали правильний матеріал і налаштували параметри інструменту. Але ось щось, що багато інженерів виявляють «на собі»: процес, який ідеально працює для циліндричних стаканів, може повністю провалитися при застосуванні до прямокутних коробок або конічних оболонок. Геометрія деталі принципово змінює місце виникнення зморшок, причини їх утворення та ефективність заходів щодо їх усунення.

Подумайте про це так. Циліндрична чашка має рівномірну симетрію навколо всього периметра. Матеріал рівномірно надходить із усіх напрямків, а стискаюче напруження розподіляється рівномірно по фланцю. Прямокутна коробка? Зовсім інша справа. У кутах виникають радикально інші умови напруження, ніж на прямих сторонах. Конічна оболонка? Непідтримувана ділянка стінки між пуансоном і матрицею створює ризик зморшкування, який не можна усунути за допомогою контролю, спрямованого лише на фланець.

Розуміння цих механізмів, специфічних для геометрії деталей, є обов’язковим для правильного діагностування проблем та застосування відповідних рішень.

Циліндричні, прямокутні та конічні деталі — різні механізми зморшкування

Для циліндричних стаканів зморшкування проявляє себе передбачувано. Цей дефект є симетричним і, насамперед, пов’язаним із фланцем. Як пояснює видання The Fabricator, циліндр спочатку формується з простого круглого заготовки, і для того, щоб заготовка більшого діаметра перетворилася на циліндр меншого діаметра, вона має стискатися радіально. Метал одночасно рухається всередину до центральної осі й стискається. Контрольований стиск призводить до утворення плоского фланця; неконтрольований стиск викликає сильне зморшкування.

Основними параметрами керування для циліндричних деталей є сила прижиму заготовки та коефіцієнт витягування. Оскільки розподіл напружень є рівномірним, глобальна корекція сили прижиму заготовки працює ефективно. Якщо з’являються зморшки, збільшення сили прижиму заготовки по всьому фланцю, як правило, вирішує проблему, за умови, що ця сила залишається нижче порогового значення розриву. Коефіцієнт витягування визначає, наскільки великий стиск має поглинути фланець, тому дотримання граничного коефіцієнта витягування для вашого матеріалу запобігає перевантаженню стиском.

Прямокутні та квадратні коробчасті деталі вносять асиметрію, яка змінює все. Кути квадратної витяжки за суттю становлять одну чверть круглої витяжки й піддаються радіальному стисненню, подібному до циліндричних стаканів. Але прямі сторони поводяться інакше. Як зазначає той самий джерело, бічні стінки витягнутої коробки зазнають деформації згину й розгину з незначним або взагалі без стиснення. Метал рухається всередину з дуже незначним опором уздовж прямих ділянок.

Ця асиметрія створює критичну проблему: у кутових зонах виникає вище стискальне напруження, ніж на прямих сторонах, тому основною проблемою є зморщування кутів. Якщо надто велика площа металевої поверхні примушується до радіального стиснення в кутах, це призводить до значного опору течії, що спричиняє надмірне розтягнення й можливе розривання. Кути «хочуть» зморщитися, тоді як сторони «хочуть» вільно текти.

Ключовими інструментами для прямокутних деталей є витяжні бурти у кутах та оптимізація форми заготовки. Витяжні бурти збільшують локальну силу утримання у кутових ділянках, не надмірно обмежуючи прямолінійні ділянки. Оптимізація форми заготовки зменшує надлишок матеріалу у кутових зонах. При використанні квадратної заготовки для виготовлення квадратної оболонки розгляньте можливість її розміщення під кутом 45 градусів щодо орієнтації деталі. Це забезпечує більший опір течії на бічних ділянках, де потрібне більше натягу, і менше матеріалу в кутах, що сприяє максимізації течії за радіальним профілем.

Конічні оболонки створюють ще одну складність. Журнал MetalForming пояснює, що глибоке витягування конічних форм є значно складнішим, ніж циліндричних стаканів, оскільки деформація не обмежується лише фланцевою зоною. Для таких форм деформація також відбувається в непідтримуваній ділянці між матрицею та пуансоном, де стискальні напруження можуть викликати зморшки.

Зморшкування описує хвилясті згини, що виникають у процесі розтягування на тілі заготовки, на відміну від згинів при витягуванні, які виникають по краю заготовки. Це зморшкування стінки, а не зморшкування фланця, і для його усунення потрібні інші заходи. Непідтримувана стінка між пуансоном і матрицею є досить великою при конічному витягуванні, тому зморшкування стінки є домінуючим типом дефекту. Зморшкування слід уникати, оскільки такі згини, як правило, неможливо усунути.

Для конічних оболонок відношення товщини листа до діаметра заготовки (t/D) впливає на граничне витягувальне відношення в більшій мірі, ніж при витягуванні циліндричних стаканів. При t/D більшому за 0,25, як правило, можливе одноразове витягування при номінальному тиску прижимної плити. При t/D у межах від 0,15 до 0,25 одноразове витягування все ще можливе, але вимагає значно більшого тиску прижимної плити. При t/D меншому за 0,15 заготовка стає дуже схильною до зморшкування й потребує кількох стадій витягування з поступовим зменшенням розмірів.

Складні панелі з контурними формами, які часто використовуються в кузовних застосуваннях автомобільної промисловості, поєднують елементи всіх цих геометрій. Зморшкування є геометріє-специфічним і залежним від розташування, його характер змінюється по поверхні деталі залежно від локальної кривини, глибини витягування та схем матеріального потоку. Для таких деталей зазвичай необхідне моделювання процесу штампування, щоб передбачити місця виникнення зморшок і визначити, які корективи технологічного процесу будуть ефективними.

Нижче наведено геометріє-специфічні аспекти зморшкування для кожного типу деталей:

• Циліндричні стакани: зморшкування є симетричним і переважно виникає в фланцевій зоні. Основними параметрами керування є сила прижиму заготовки (BHF) та коефіцієнт витягування. Ефективним є глобальне регулювання сили прижиму заготовки (BHF). Дотримуйтеся граничного коефіцієнта витягування (LDR) для вашого класу матеріалу.
• Прямокутні/коробчасті деталі: у кутових зонах виникають більші стискальні напруження, ніж на прямих ділянках. Тому основною проблемою є зморшкування в кутах. Використовуйте витягувальні ребра в кутах і оптимізуйте форму заготовки, щоб зменшити об’єм матеріалу в кутових зонах. Розгляньте можливість орієнтації заготовки під кутом 45 градусів.
• Конічні оболонки: велика непідтримувана площа стінки призводить до зморшкування (пучкування) стінки як домінуючого виду деформації. Співвідношення товщини до діаметра (t/D) критично впливає на схильність до зморшкування. Тонкі заготовки щодо діаметра вимагають кількох операцій витягування або проміжних опорних кілець.
• Складні панелі з контурним профілем: зморшкування залежить від місця й геометрії деталі. Для передбачення місць виникнення зморшок необхідне комп’ютерне моделювання. Місцева зміна сили прижиму заготовки (BHF) та розташування витягувальних буртиків мають бути адаптовані до конкретних зон ризику.

Багатостадійне витягування та вплив проміжного відпалу

Коли однієї операції витягування недостатньо для досягнення потрібної глибини без зморшкування або розриву, необхідно застосовувати багатостадійні послідовності витягування. Це особливо поширено для глибоких конічних оболонок, сильно усічених форм і деталей, які вимагають загального ступеня деформації, що перевищує можливості однієї подачі.

Успішне виготовлення сильно конічних корпусів із відношенням висоти до діаметра більшим за 0,70 вимагає застосування методу ступінчастого стакана. Глибоке витягування ступінчастих стаканів у принципі імітує витягування циліндричного стакана, при цьому ступінь витягування для сусідніх ступенів відповідає відповідним діаметрам стаканів. Операція повторного витягування зупиняється на проміжному етапі, щоб сформувати відповідну ступінь, після чого корпус ступеня витягується в конічну форму на останніх етапах повторного витягування.

Ось у чому полягає складність: кожен етап витягування призводить до накопичення деформації в матеріалі. Холодна обробка під час першого витягування збільшує щільність дислокацій і зменшує пластичність. До другого або третього етапу витягування матеріал може набути такої ступені наклепу, що вже не здатний деформуватися рівномірно. Це накопичена деформаційна міцність звужує проміжок між виникненням зморшок і розривом, ускладнюючи подальші етапи витягування.

Проміжне відпалювання вирішує цю проблему, відновлюючи пластичність між етапами витягування. Цей процес термічної обробки полягає у нагріванні матеріалу до певної температури, витримці його протягом заздалегідь визначеного часу та подальшому охолодженні у контрольованому режимі. Процес відпалювання надає теплову енергію, що дозволяє рух, перегрупування та анігіляцію дислокацій, ефективно «скидаючи» накопичене міцнісне зміцнення матеріалу.

Цей процес є обов’язковим у виробничих операціях, що вимагають значного деформування, оскільки він запобігає надмірному зміцненню та потенційному утворенню тріщин під час наступних етапів формування. Проміжне відпалювання дає виробникам змогу досягти більшого загального ступеня зменшення, ніж це було б можливо в одному циклі деформації.

Для застосувань глибокого витягування проміжне відпалювання зменшує ризик утворення зморшок, спричинених тим, що матеріал, який зазнав наклепу, втрачає здатність до рівномірної деформації. Коли матеріал зазнав пластичної деформації під час попередньої обробки, його коефіцієнт n ефективно зменшується. Матеріал більше не розподіляє деформацію рівномірно по фланцю, а концентрує її в локалізованих зонах, де може початися втрати стійкості. Відпалювання відновлює початкову поведінку коефіцієнта n, забезпечуючи рівномірний розподіл деформації на наступних етапах витягування.

Які практичні наслідки? Багатоступеневі процеси витягування з проміжним відпалюванням дозволяють виготовляти складні геометричні форми без руйнування матеріалу. У виробництві тонкого сталевого дроту часто потрібно 5–10 проходів витягування з проміжним відпалюванням, щоб досягти кінцевого діаметра без розриву дроту. Те саме правило застосовується й до деталей, отриманих глибоким витягуванням: кілька стадій витягування з відпалюванням між ними дозволяють досягти глибини витягування, яку неможливо отримати за одну операцію.

Однак проміжне відпалювання збільшує витрати та тривалість циклу. Інженери повинні збалансувати параметри відпалювання з ефективністю виробництва та енерговитратами. Недостатнє відпалювання призводить до ускладнень у процесі обробки, тоді як надмірне відпалювання спричиняє марнотратство ресурсів і може викликати небажане зростання зерен, що впливає на якість поверхні під час подальшого формування.

Підхід до запобігання зморшкуванню з урахуванням геометрії передбачає, що жодне єдине рішення не підходить для всіх форм деталей. Циліндричні стакани реагують на загальну корекцію сили зовнішнього утримуючого навантаження (BHF). Прямокутні коробки потребують керування, спеціально адаптованого для кутів. Конічні оболонки вимагають уваги до підтримки стінок і, можливо, багатостадійних послідовностей. Складні панелі потребують розробки технологічного процесу на основі результатів комп’ютерного моделювання. Відповідність діагностичного підходу геометрії вашої деталі — це перший крок до ефективного контролю зморшкування.

Після того як механіка, специфічна для геометрії, зрозуміла, наступним кроком є аналіз того, як програми комп’ютерного моделювання процесів формування прогнозують ризики зморшкування ще до виготовлення будь-якого інструменту.

Використання імітації формування для прогнозування зморшок до виготовлення оснастки

Що, якщо ви могли б точно побачити, де утворяться зморшки, ще до того, як виріжете хоча б один шматок сталі для вашої матриці? Саме це й забезпечує програмне забезпечення для імітації процесу формування. Такі інструменти, як AutoForm, Dynaform , та PAM-STAMP, дозволяють технологам-процесникам віртуально тестувати свої конструкції матриць, виявляти зони ризику виникнення зморшок і оптимізувати параметри ще до виготовлення дорогого оснащення.

Для будь-якого виробника оснастки така можливість кардинально змінює робочий процес розробки. Замість того щоб виявляти проблеми зі зморшками під час пробного запуску, коли зміни вимагають фізичного переделування або повного перероблення матриці, імітація виявляє ці проблеми на етапі проектування. Результат? Менше циклів пробного запуску, скорочені терміни розробки та значно нижчі витрати.

Ця технологія використовує метод скінченних елементів для моделювання поведінки листового металу за умов штампування. Як пояснює AutoForm Engineering, симуляція дозволяє виявити помилки та проблеми, такі як зморшки або розриви деталей, на комп’ютері на ранніх етапах процесу штампування. Це усуває необхідність виготовлення реальних інструментів лише для проведення практичних випробувань.

Які вхідні дані забезпечують точність симуляції

Точність симуляції залежить виключно від якості вхідних даних. Принцип «сміття на вході — сміття на виході» стосується цього так само, як і будь-якої іншої галузі інженерії. Точність прогнозування виникнення зморшок безпосередньо залежить від того, наскільки добре ваша модель відображає реальні умови процесу.

Типовими параметрами для симуляції штампування є геометрія деталі та інструменту, властивості матеріалу, сили преса та коефіцієнт тертя. Кожен із цих параметрів впливає на те, як програмне забезпечення розраховує напруження та деформації під час віртуального процесу штампування. При неправильному заданні цих параметрів результати симуляції не збіжатимуться з тим, що відбувається на пресі.

Ось ключові вхідні параметри моделювання, що впливають на точність прогнозування зморшок:

• Властивості матеріалу заготовки: межа текучості та напруження текучості визначають початок пластичної деформації. Коефіцієнт n (показник зміцнення при деформації) визначає, наскільки рівномірно матеріал розподіляє деформацію. Коефіцієнт r (пластична анізотропія) вказує на опір тоншенню. Повна крива «напруження–деформація» відображає поведінку матеріалу протягом усього діапазону формування.
• Геометрія заготовки: форма, розміри та товщина вихідної заготовки безпосередньо впливають на те, скільки матеріалу надходить у матрицю в кожній точці. Для точного прогнозування розподілу стискальних напружень у фланці моделювання вимагає точних розмірів заготовки.
• Геометрія інструментів: радіус входу в матрицю, радіус носика пуансона та зазор між пуансоном і матрицею впливають на потік матеріалу та опір випинанню. Ці розміри мають точно відповідати вашому реальному конструктивному рішенню інструментів, щоб отримати достовірні результати.
• Величина та розподіл зусилля прижимної плити: Зусилля прижимної плити (BHF) є основною керуючою змінною для запобігання зморшкуванню фланця. Для моделювання необхідні точні значення цього зусилля, а для складних штампів — також його просторовий розподіл по поверхні прижимної плити.
• Умови тертя: Коефіцієнт тертя між заготовкою, матрицею та прижимною плитою впливає на характер течії матеріалу під час витягування. Тип мастила та спосіб його нанесення суттєво впливають на ці значення.

Дані про матеріал вимагають особливої уваги. Багато помилок у моделюванні пов’язані з використанням узагальнених властивостей матеріалу замість фактичних даних випробувань для конкретної котушки або партії, що підлягає формуванню. Різниця між номінальними значеннями, наведеними в технічних характеристиках, та реальною поведінкою матеріалу може бути значною, особливо щодо співвідношення між границею текучості та напруженням текучості у високоміцних марках.

Аналіз результатів моделювання для прогнозування та запобігання зморшкуванню

Після запуску симуляції програмне забезпечення генерує результати, які виявляють місця, де виникнуть проблеми. Однак уміння інтерпретувати ці результати відрізняє інженерів, які ефективно використовують симуляцію, від тих, хто сприймає її лише як формальну процедуру.

Симуляція розраховує напруження та деформації під час процесу формування. Крім того, за допомогою симуляцій можна виявити помилки й проблеми, а також отримати такі результати, як міцність матеріалу та його розтоншення. Навіть пружне відновлення форми (springback) — пружна поведінка матеріалу після формування — може бути передбачена заздалегідь.

Щодо зморшок зокрема, ось ключові результати, які інженери мають проаналізувати:

• Індикатори схильності до зморшок: у більшості програмних пакетів для симуляції ризик виникнення зморшок відображається у вигляді кольорових карт, накладених на геометрію деталі. Ділянки, де стани стискальних напружень перевищують порогові значення для втрати стійкості (стискання), виділяються попереджувальними кольорами — зазвичай синіми або фіолетовими зонами на діаграмі граничного формування (FLD).
• Розподіл тоншення: надмірне тоншення вказує на те, що матеріал розтягується замість того, щоб витягуватися, що може свідчити про надто високий тиск з боку підтримуючого інструменту (BHF). Навпаки, ділянки з мінімальним тоншенням можуть бути недостатньо обмеженими й схильними до утворення зморшок.
• Близькість до діаграми граничних деформацій (FLD): Діаграма граничних деформацій відображає значення головної деформації відносно значення другорядної деформації для кожного елемента в процесі моделювання. Стан деформації в стисненій зоні (ліва частина діаграми) вказує на ризик утворення зморшок. Діаграма FLD забезпечує зручне для сприйняття узагальнення багатьох можливих критеріїв руйнування одночасно, що робить її ідеальною для початкової перевірки технічної реалізованості.
• Патерни руху матеріалу: Візуалізація того, як матеріал рухається під час ходу витягування, дозволяє визначити, чи є рух рівномірним чи обмеженим. Нерівномірний рух часто передує локальному утворенню зморшок.

Справжня потужність симуляції проявляється, коли ви пов’язуєте ці результати з конкретними коригуваннями процесу. Уявіть собі, що ваша симуляція показує утворення зморшок у куті фланця прямокутної деталі. Перш ніж буде оброблено хоча б один шматок металу, ви можете віртуально протестувати різні рішення: збільшити локальний тиск на заготовку (BHF) у цій зоні, додати витяжну смугу (draw bead) у куті, зменшити розмір заготовки, щоб знизити об’єм матеріалу, або скоригувати геометрію радіуса матриці. Кожна така зміна займає кілька хвилин для симуляції замість кількох днів для фізичного впровадження.

Як зазначає ETA, програмне забезпечення для симуляції проектування поверхні матриці дозволяє інженерам виявляти такі проблеми, як надмірне розтягнення (thinning), тріщини (cracking), повторне формування (restriking), фланцювання (flanging), пружне відновлення форми (springback) та проблеми з лінією обрізки (trimline). Хоча для роботи з цим програмним забезпеченням все ще потрібен інженерний досвід, оператори можуть експериментувати з різноманітними рішеннями, не витрачаючи марно час, зусилля чи матеріал.

Саме це ітеративне віртуальне тестування є причиною того, що симуляція стала стандартною практикою в сучасному розробленні штампів. Замість того, щоб витрачати кілька тижнів на спроби й помилки, конструктори можуть змоделювати робочу поверхню штампа за дні або навіть години. Вони можуть швидше оцінити технічну реалізованість конструкції, що дозволяє оцінювачам швидше надавати комерційні пропозиції, а це, у свою чергу, підвищує шанси на перемогу в конкурсних торгах.

Постачальники, які інтегрують передові CAE-симуляції у свій процес розроблення штампів, постійно досягають кращих результатів. Shaoyi , наприклад, використовує проектування, кероване симуляцією, як частину свого робочого процесу розроблення автомобільних штампів для об’ємного штампування. Такий підхід сприяє їхньому показнику схвалення при першому проході на рівні 93 %, оскільки ризики виникнення зморшок та інших дефектів виявляються ще до виготовлення інструментів. Коли симуляція виявляє проблему на ранньому етапі, її усунення коштує лише частину вартості фізичного переделування.

Інтеграція робочого процесу має таке саме значення, як і саме програмне забезпечення. Моделювання формування використовується на всіх етапах ланцюга процесів формування листового металу. Конструктор деталей може оцінити формопридатність уже на етапі проектування, що призводить до створення деталей, які простіше виготовлювати. Інженер-технолог може оцінити процес під час планування та оптимізувати альтернативні варіанти за допомогою моделювання, що згодом зменшує необхідність точного налаштування інструменту для формування.

Для складних автомобільних панелей, де поведінка зморшок залежить від місця розташування та геометрії, моделювання є обов’язковим. Це єдиний практичний спосіб передбачити, у яких місцях виникнуть проблеми та які комбінації параметрів запобіжать їх виникненню. Альтернативний підхід — виявлення цих проблем під час пробного запуску на прес-тормозі або в умовах виробництва — набагато дорожчий у плані витрат часу, матеріалів та втрати довіри клієнтів.

Оскільки симуляція забезпечує віртуальну перевірку проектування вашого процесу, наступним кроком є розуміння того, як діагностувати проблеми з утворенням зморшок, коли вони виникають у виробництві, а також встановлення відповідності між спостережуваними місцями дефектів та їхніми первинними причинами й коригувальними заходами.

Діагностика первинних причин

Ви провели симуляцію, оптимізували геометрію заготовки та встановили параметри інструментів. Однак зморшки все ще з’являються на ваших деталях. Що робити далі? Відповідь полягає в одному діагностичному запитанні, яке має керувати кожною сесією усунення несправностей: де саме утворюються зморшки?

Це запитання є важливим, оскільки місце утворення зморшки безпосередньо вказує на її первинну причину. Зморшка на периферії фланця розповідає зовсім іншу історію, ніж та, що виникає на витягнутій стінці або в зоні радіуса кута. Розгляд усіх зморшок як однієї й тієї самої проблеми призводить до марних коригувань і подальшого відходу.

Досвід виробництва підтверджує цей принцип. Як зазначає компанія Yixing Technology, головною причиною утворення зморшок на штампованих деталях є накопичення матеріалу під час процесу глибокого витягування та надмірна швидкість локального руху матеріалу. Однак місце, де відбувається таке накопичення, визначає, який саме механізм є відповідальним і яка коригувальна дія буде справді ефективною.

Розташування зморшок як початкова точка діагностики

Уявіть розташування зморшок як першу зацепку в діагностичному розслідуванні. Кожна зона на витягнутій деталі зазнає різних станів напруження, різних обмежень з боку інструментів та різних умов руху матеріалу. Розуміння цих зон-специфічних механізмів перетворює усунення несправностей з методу спроб і помилок на системний процес вирішення проблем.

Периферія фланця розташовується між тримачем заготовки та поверхнею матриці. У цій зоні виникає безпосереднє стискальне кільцеве напруження, оскільки матеріал рухається всередину. Коли тут з’являються зморшки, це означає, що тримач заготовки не забезпечує достатнього обмеження для компенсації цього стиснення. Матеріал втрачає стійкість (витискається), оскільки ніщо не перешкоджає йому в цьому.

Стінка витягування, навпаки, вже пройшла над радіусом матриці й увійшла в порожнину матриці. Ця ділянка не має безпосереднього обмеження з боку тримача заготовки. Зморшки на стінці вказують на те, що матеріал втрачає стійкість у непідтримуваній зоні, зазвичай через надто великий зазор між пуансоном і матрицею або через недостатню бічну підтримку стінки під час формування.

Ділянки радіусів кутів у прямокутних або коробоподібних деталях зазнають концентрованих стискальних напружень. Матеріал, що надходить у кути, стискається сильніше, ніж матеріал, що рухається вздовж прямих ділянок. Зморшки в кутах свідчать про те, що локальне обмеження недостатнє для контролю цього концентрованого стиснення.

Зона нижнього переходу деталі, де матеріал згинався навколо радіуса носика пуансона, перебуває в абсолютно іншому стані напружень. Зморшки в цьому місці часто свідчать про те, що матеріал недостатньо розтягується по поверхні пуансона, що призводить до накопичення надлишкового матеріалу в зоні переходу.

Кожне розташування зморшок вказує на певний механізм відмови. Визначення активного механізму дозволяє обрати ефективну коригувальну дію.

Співставлення кореневих причин із коригувальними діями за зонами

У наведеній нижче таблиці зморшки, спостережувані в певних місцях, співвідносяться з найбільш ймовірними кореневими причинами та рекомендованими першочерговими коригувальними діями. Ця діагностична схема відображає підхід досвідчених технологів-процесників до усунення несправностей безпосередньо на виробничій дільниці.

Розташування зморшок	Найбільш ймовірні кореневі причини	Рекомендовані першочергові коригувальні дії
Периферія фланця	Недостатнє зусилля тримача заготовки; надто великий діаметр заготовки; надмірно великий радіус входу в матрицю, що створює значну непідтримувану ділянку	Поступово збільшуйте силу прижиму заготовки (BHF), спостерігаючи за можливістю розриву; зменшіть діаметр заготовки, щоб зменшити об’єм матеріалу в зоні стискання; переконайтеся, що радіус матриці відповідає товщині матеріалу
Стінка витяжки (бічна стінка)	Надмірний зазор між пуансоном і матрицею, що призводить до поздовжнього випинання; недостатня підтримка стінки; надто великий радіус матриці, що дозволяє зморшкам поширюватися з фланця	Зменшіть зазор між пуансоном і матрицею для забезпечення поперечної підтримки стінки; додайте проміжні елементи підтримки для глибоких витяжок; зменшіть радіус входу в матрицю, одночасно контролюючи ризик розриву
Ділянка радіуса кута (деталі у формі коробки)	Недостатнє утримання в кутах; надлишковий об’єм матеріалу в кутових ділянках; рівномірна сила прижиму заготовки (BHF) є недостатньою для нерівномірного розподілу напружень	Додайте витяжні бурти в кутових ділянках для підвищення локального утримання; оптимізуйте геометрію кутів заготовки, щоб зменшити об’єм матеріалу; розгляньте орієнтацію заготовки під кутом 45° для квадратних корпусів
Перехід у нижній частині деталі	Недостатнє розтягування по поверхні пуансона; накопичення матеріалу в радіусі носика пуансона; надто великий радіус пуансона, що призводить до збирування матеріалу	Збільшити тертя між пуансоном і заготовкою для сприяння розтягуванню; зменшити кількість мастила на поверхні пуансона; перевірити, чи відповідає радіус носика пуансона глибині витягування

Зверніть увагу, як коригувальні заходи драматично відрізняються залежно від зони. Збільшення сили прижиму фланця усуває зморшки по периферії фланця, але не впливає на зморшки у стінці, спричинені надмірним зазором. Встановлення витяжних буртиків у кутах вирішує локальні проблеми обмеження, але не може компенсувати надто велику заготовку. Підбір коригувального заходу відповідно до конкретної зони є обов’язковим.

Співвідношення між границею текучості та точкою текучості також впливає на те, наскільки активно можна регулювати параметри. Матеріали з великим розривом між точкою текучості та межею міцності на розрив дають більше простору для регулювання сили прижиму фланця до початку розриву. Матеріали, у яких ці значення близькі одне до одного (що часто спостерігається у стані після зміцнення холодною деформацією), вимагають більш обережного регулювання.

Упрочнення внаслідок пластичної деформації під час ходу витягування також впливає на діагностичну інтерпретацію. Матеріал, який значно упрочнився внаслідок деформації, може утворювати зморшки в тих місцях, де при використанні свіжого матеріалу вони не виникали б. Якщо зморшки з’являються після кількох етапів витягування без проміжного відпалу, накопичене упрочнення внаслідок деформації, ймовірно, зменшило здатність матеріалу до рівномірної деформації. У цьому випадку рішення полягає не у коригуванні параметрів, а у зміні послідовності технологічного процесу.

Порівнюючи межу міцності на розтяг із межею текучості для вашого матеріалу, пам’ятайте, що різниця між цими значеннями відповідає діапазону упрочнення внаслідок деформації. Більший діапазон означає більшу здатність матеріалу до перерозподілу деформації перед руйнуванням. Менший діапазон означає, що матеріал швидко переходить від стану текучості до руйнування, залишаючи менший запас для коригування технологічного процесу.

Діагностична структура, наведена вище, забезпечує початкову точку, а не повне рішення. Реальне усунення несправностей часто вимагає кількох ітерацій з внесенням різних корективів, перевірки результатів після кожної зміни та уточнення розуміння того, який механізм є домінуючим. Однак початок діагностики на основі локації гарантує, що ви коригуєте саме ті параметри, а не намагаєтеся усунути симптоми за допомогою неспіввіднесених виправлень.

Після з’ясування кореневих причин діагностики останнім кроком є інтеграція цих принципів у комплексну стратегію профілактики, що охоплює весь процес розробки штампу — від початкового проектування до виробництва.

Запобігання зморшкуванню на всіх етапах розробки штампу

Тепер ви розумієте механіку, змінні, пов’язані з матеріалом, геометрично обумовлені виклики та діагностичну структуру. Але як об’єднати всі ці елементи в практичну стратегію запобігання? Відповідь полягає в організації вашого підходу за інженерними етапами. Кожен етап розробки штампу надає конкретні можливості для усунення ризику зморшок ще до того, як вони перетворяться на проблему виробництва.

Уявіть собі запобігання зморшкам як багаторівневу систему захисту. Рішення, прийняті на етапі проектування, обмежують те, що можливо реалізувати під час розробки інструментів. Вибір інструментів визначає доступне вікно процесу під час виробництва. Пропустіть можливість на ранньому етапі — і вам доведеться витратити більше зусиль на компенсацію пізніше. Зробіть усе правильно з самого початку — і виробництво пройде гладко з мінімальним втручанням.

Наступні дії, упорядковані за етапами, відображають найкращі практики, що ґрунтуються на виробничому досвіді та механічних принципах, описаних у цій статті.

Найкращі практики проектування та підготовки заготовки

Етап проектування закладає основу для всього подальшого процесу. Вибір матеріалу, геометрії заготовки та рішення щодо коефіцієнта витяжки, прийняті на цьому етапі, визначають, чи буде ваш процес працювати комфортно в межах порогу зморшкування чи постійно боротися з дефектами випинання.

1. Оберіть марку матеріалу з відповідним значенням коефіцієнта навантаження (n-значення) та коефіцієнта анізотропії (r-значення) для заданої глибини витяжки. Матеріали з вищим n-значенням розподіляють деформацію більш рівномірно й тому краще протистоять локальному випинанню. Матеріали з вищим r-значенням зберігають товщину протягом усього ходу, що забезпечує стійкість до випинання. Для глибокої витяжки або складних геометрій надавайте перевагу характеристикам формоздатності замість простої міцності. Діаграма граничної формоздатності для обраної марки матеріалу надає візуальне посилання на безпечні комбінації деформацій.
2. Оптимізуйте форму заготовки відповідно до геометрії деталі. Заготовки, контур яких повторює контур отвору пуансона, зменшують надлишковий матеріал у зонах високого стиснення. Для прямокутних деталей розгляньте орієнтацію заготовки під кутом 45°, щоб збалансувати потік матеріалу в кутах і обмеження з боків. Уникайте надмірно великих заготовок, які збільшують стискальні напруження у фланці.
3. Переконайтеся, що коефіцієнт витяжки знаходиться в межах граничного коефіцієнта витяжки для вашого матеріалу. Розраховуйте розмір заготовки за методом площі поверхні, а не лінійними вимірами. Коли коефіцієнт витяжки наближається до порогового значення LDR, плануйте багатостадійну витяжку з проміжним відпалом для відновлення пластичності між стадіями.
4. Враховуйте варіацію властивостей матеріалу. Модуль пружності сталі суттєво відрізняється від модуля пружності алюмінію, що впливає на стійкість до втрати стійкості при однаковій товщині. Вкажіть допуски на вхідний матеріал, які забезпечують роботу процесу в межах перевіреного діапазону.

Ці рішення, прийняті на етапі проектування, важко скасувати після виготовлення оснастки. Інвестування часу на цьому етапі приносить вигоду протягом усього життєвого циклу продукту.

Розробка оснастки та контроль на етапі виробництва

Після встановлення параметрів проектування розробка оснастки перетворює ці рішення на фізичне обладнання. Цей етап надає останню можливість виявити та усунути ризики зморшкування до початку виготовлення оснастки для серійного виробництва.

5. Використовуйте імітацію процесу штампування для виявлення зон ризику зморшкування ще до виготовлення оснастки. Віртуальне тестування дозволяє виявити місця концентрації стискальних напружень, які спричинять втрату стійкості, що дає інженерам змогу скоригувати розподіл сили підтримки заготовки (BHF), додати витяжні ребра або змінити геометрію заготовки без необхідності фізичного переделування. Проектування, засноване на імітації, скорочує кількість ітерацій при налагодженні та прискорює вихід продукту в серійне виробництво.
6. Вкажіть радіус входу матриці та радіус носика пуансона, враховуючи компроміс між ними та силою підтримки заготовки (BHF). Більші радіуси зменшують ризик розриву, але збільшують площу непідтримуваного фланця. Менші радіуси ефективніше обмежують матеріал, але концентрують напруження. Збалансуйте ці протилежні ефекти з урахуванням марки матеріалу та ступеня глибини витяжки.
7. Розробіть розташування витяжних буртиків на основі результатів імітаційного моделювання. Розміщуйте буртики в тих місцях, де потрібне локальне обмеження, особливо в кутах прямокутних деталей. Налаштуйте глибину проникнення буртика, щоб досягти необхідної сили обмеження без надмірного обмеження потоку матеріалу.
8. Перевірте, чи відповідає зазор між пуансоном і матрицею товщині матеріалу. Надмірний зазор призводить до зморшкування стінок незалежно від стану фланця. Вкажіть зазор у відсотках від номінальної товщини з урахуванням збільшення товщини матеріалу під час витяжки.

Для автомобільних застосувань, де стандарти якості є незмінними, співпраця з постачальниками, які інтегрують ці практики у свій стандартний робочий процес, значно зменшує ризики. Shaoyi цей підхід демонструє компанія , поєднуючи передові CAE-симуляції з сертифікацією IATF 16949 для забезпечення стабільно високої якості при виготовленні штампувальних матриць для автомобільної промисловості. Їхня здатність до швидкого прототипування, з терміном виконання всього 5 днів, підтримує ітеративний розвиток оснастки у разі необхідності внесення змін у конструкцію. Результатом є показник схвалення при першому проході на рівні 93 %, що свідчить про ефективність проектування, керованого симуляціями, яке виявляє проблеми ще до того, як вони потрапляють на прес.

Після валідації оснастки контрольні заходи виробничої фази забезпечують стабільність процесу на всіх етапах — при різних партіях матеріалу, змінах операторів та відмінностях у обладнанні.

9. Встановити BHF як контрольований параметр процесу з визначеними верхніми та нижніми межами. Документувати перевірений діапазон BHF під час пробного запуску та впровадити системи контролю, що сповіщатимуть операторів у разі виходу зусилля за межі цього діапазону. Як зазначає видання The Fabricator, ЧПУ-гідравлічні амортизатори дозволяють змінювати BHF протягом ходу, забезпечуючи гнучкість у керуванні рухом металу й зменшенні зморшок, а також запобігаючи надмірному розтягуванню.
10. Застосувати протоколи інспекції першого виробу, що передбачають перевірку зон, схильних до утворення зморшок. На основі результатів вашого комп’ютерного моделювання та досвіду пробного запуску визначте ділянки, де найімовірніше виникнуть зморшки за умови відхилення технологічних параметрів. Перевіряйте ці зони на перших виробах після налагодження обладнання, заміни матеріалу або тривалої простою.
11. Застосовувати поступове регулювання BHF при заміні котушок матеріалу або зміні товщини листа. Варіації властивостей матеріалу між котушками можуть змістити поріг виникнення зморшок. Починайте з обережних значень та коригуйте параметри на основі результатів інспекції першого виробу, а не припускати, що попереднє значення буде працювати й далі.
12. Контролюйте стан прес-подушки та її калібрування. Нерівномірний розподіл тиску через зношені штифти подушки або пошкоджені рівняльні пристрої призводить до локального надмірного та недостатнього обмеження, що викликає як зморшки, так і розриви на одній й тій самій деталі. Плануйте профілактичне технічне обслуговування залежно від кількості ходів або календарних інтервалів.

Цей підхід із послідовним виконанням етапів перетворює запобігання зморшкам із реактивного усунення несправностей на проактивне проектування процесу. Кожен етап ґрунтується на попередньому, створюючи кілька можливостей для виявлення та усунення ризиків до того, як вони вплинуть на якість виробництва.

Розуміння того, що таке штампи у виробництві та як вони взаємодіють із поведінкою матеріалу, є фундаментальним для цього підходу. Штамп — це не просто інструмент для формування; це система, що контролює потік матеріалу, розподіл напружень та стійкість до втрати стійкості (прогину) протягом усього процесу формування. Інженери, які розуміють цей взаємозв’язок, проектують краще оснащення й досягають більш стабільних результатів.

Незалежно від того, чи ви розробляєте інструменти власними силами, чи співпрацюєте зі спеціалізованими постачальниками, принципи залишаються тими самими. Проектуйте з урахуванням формоутворення. Перевіряйте за допомогою симуляції. Контролюйте під час виробництва. Цей системний підхід до запобігання зморшкуванню забезпечує стабільну якість, яку вимагає сучасне виробництво.

Поширені запитання щодо зморшкування при глибокому витягуванні штампуванням

1. Що викликає зморшкування при глибокому витягуванні штампуванням?

Зморшкування виникає, коли стискаюче кільцеве («обручове») напруження у фланці листового металу перевищує межу стійкості матеріалу до втрати стійкості. Коли заготовка втягується в порожнину матриці, її зовнішній діаметр зменшується, що створює стиск, який може призвести до позаплощинного випинання листа. Основними чинниками, що сприяють цьому явищу, є недостатнє зусилля тримача заготовки, надто великі розміри заготовки, мала товщина листа, низька жорсткість матеріалу та надмірна ширина непідтримуваного фланця. Матеріали з нижчим модулем пружності, наприклад алюміній, за однакової товщини є принципово більш схильними до зморшкування, ніж сталь.

2. У чому різниця між зморшкуванням фланця та зморшкуванням стінки?

Зморшкування фланця виникає в плоскій частині заготовки між тримачем заготовки та матрицею під час витягування, де на матеріал діють безпосередні стискальні напруження. Зморшкування стінки виникає в витягнутій бічній стінці після проходження матеріалу через радіус матриці, у ділянці, яка порівняно слабко підтримується інструментом. Для усунення цих явищ потрібні різні коригувальні заходи: зморшки на фланці зазвичай усуваються шляхом регулювання сили тримача заготовки, тоді як для усунення зморшок на стінці зазвичай потрібно зменшити зазор між пуансоном і матрицею або додати проміжні елементи підтримки стінки.

3. Як сила тримача заготовки впливає на зморшкування?

Зусилля тримача заготовки (BHF) є основною керуючою змінною для зморшкування фланця. Якщо BHF занадто низьке, фланець не має достатнього обмеження й втрачає стійкість під дією стискального напруження. Якщо BHF занадто високе, рух матеріалу обмежується, що призводить до розтягування та потенційного розриву біля носика пуансона. Інженери повинні знайти оптимальний діапазон, у якому BHF запобігає втраті стійкості, але водночас забезпечує достатній рух матеріалу. Цей діапазон залежить від марки матеріалу: для високоміцних сталей (AHSS) він вужчий, ніж для низьковуглецевої сталі.

4. Чи може симуляція штампування передбачити зморшкування до виготовлення інструменту?

Так, програмне забезпечення для імітації процесів формування, таке як AutoForm, Dynaform та PAM-STAMP, використовує метод скінченних елементів для віртуального тестування конструкцій штампів і виявлення зон ризику зморшкування ще до виготовлення будь-якого фізичного інструменту. Для отримання точних прогнозів необхідні коректні вхідні дані, зокрема властивості матеріалу (межа текучості, коефіцієнт умовної пластичності n, коефіцієнт анізотропії r), геометрія заготовки, розміри інструменту, розподіл сили прижиму заготовки (BHF) та умови тертя. Постачальники, такі як Shaoyi, інтегрують передові CAE-симуляції в свій робочий процес розробки штампів і досягають рівня схвалення при першому проході на рівні 93 %, вчасно виявляючи дефекти.

5. Чому алюміній та високоміцні сталі (AHSS) вимагають різних технологічних підходів для контролю зморшкування?

Алюмінієві сплави мають приблизно втричі менший модуль пружності порівняно зі сталлю, що зумовлює їх нижчу власну стійкість до втрати стійкості при однаковій товщині. Це робить алюміній більш схильним до утворення зморшок і вимагає точного контролю сили прижиму заготовки (BHF) із застосуванням менших значень цієї сили порівняно зі сталлю. Стальні марки високоміцних сталей (AHSS) мають високу межу плинності, що вимагає більшої сили прижиму заготовки (BHF) для запобігання утворенню зморшок, проте їх обмежена подовження звужує діапазон параметрів між початком утворення зморшок і розривом матеріалу. Кожна група матеріалів потребує окремої стратегії прижиму заготовки (BHF), оптимізації швидкості витягування та підходу до змащення, адаптованих до їх специфічних механічних властивостей.