Глубокая вытяжка или гидроформовка: что подходит для корпуса?
Глубокая вытяжка и гидроформовка начинаются с заготовки и заканчиваются полой оболочкой, но выбираются для разных форм. Глубокая вытяжка использует пуансон и матрицу, чтобы втянуть заготовку в стакан, и это более дешёвый маршрут для осесимметричных деталей — корпусов, гильз, банок — при любом объёме; одна вытяжка достигает коэффициента около 1,8–2,0 для низкоуглеродистой стали и 1,6–1,8 для нержавеющей, поэтому глубокая деталь требует нескольких этапов и, для нержавейки, отжига между ними. Гидроформовка заменяет пуансон давлением жидкости и выбирается, когда форма не является телом вращения, когда одна деталь заменяет две сваренные вместе штамповки или когда заготовка — труба, а не лист; её компромиссы — время цикла, стоимость оснастки, а также давление пресса и герметизация, которых требует процесс. Для вытянутого корпуса датчика или электромагнитного клапана глубокая вытяжка обычно является менее дорогим маршрутом.
Что такое глубокая вытяжка?
Глубокая вытяжка — это процесс формовки листового металла, при котором плоская заготовка радиально втягивается пуансоном в полость матрицы, так что стенка готовой детали формируется из фланца, а не из гиба. Прижим заготовки прижимает фланец, пока пуансон продавливает центр через матрицу, и материал течёт внутрь и вниз. Результат — бесшовный стакан, банка, корпус или кожух, обычно глубиной более половины своего диаметра. Поскольку стенка формируется а не согнута, толщина стенки становится управляемой переменной, поэтому глубокая вытяжка может одновременно удерживать в допуске и наружный, и внутренний диаметр.
Если вынести с этой страницы одну вещь, пусть это будет различие выше. Всё остальное — коэффициент вытяжки, давление прижима заготовки, число переходов, необходимость отжига — следует из того, что материал должен течь.
- Вытяжка листового металла: что означает термин
- Как работает процесс
- Четыре расчёта, которые решают всё
- Прижим заготовки: зачем он нужен
- Одна вытяжка, повторная вытяжка и когда нужен отжиг
- Обжим: когда нужна более тонкая стенка
- Материалы и формуемость
- Дефекты и способы устранения
- Правила конструирования
- Допуски и чистота поверхности
- Глубокая вытяжка и другие процессы
- Что Balford может запускать
- Частые вопросы
Вытяжка листового металла: что означает термин
Вытянутый листовой металл — это листовой металл, которому вытяжкой придали форму бесшовного стакана, корпуса или кожуха — плоская заготовка втягивается в полость матрицы, а стенка формируется из фланца, поэтому готовая деталь не имеет шва и линии сварки.
Одна и та же операция встречается под тремя разными названиями. Вытянутый листовой металл называет материал и деталь. Вытяжка листового металла называет один ход пресса. Вытяжка в листовом металле так процесс называют в цехе. Разницы в процессе нет — только в том, какой его конец вы называете. Когда на чертеже указано глубокая вытяжка листового металла для детали, требуется одно и то же: стенка, сформированная из фланца, а не отогнутая из него.
Что отличает вытяжку от остальной работы с листовым металлом, так это то, что стенка формируется, а не гнётся. Гнутая деталь сохраняет исходную толщину и несёт радиус гиба. У вытянутой детали стенка, толщина которой задаётся зазором матрицы — и, там где применяется обжим, намеренно уменьшается. Поэтому вытяжка может одновременно удерживать в допуске наружный и внутренний диаметр, и поэтому она стоит за корпусами электромагнитных клапанов, корпусами датчиков, стаканами, крышками, втулками и экранами.
Когда вытянутый листовой металл — неправильный ответ
- Глубина менее примерно трети диаметра. Неглубокий лоток дешевле как гибка со сваркой или штампованная форма; вытяжка добавляет оснастку для формы, которой не нужно течение стенки.
- Материал, который не течёт. Высокопрочные и пружинные стали рвутся, прежде чем стенка успевает сместиться. Либо допускайте отжиг между вытяжками, либо примите, что детали нужно больше одного перехода.
- Стенка, которая должна везде иметь толщину заготовки. Вытяжка утоняет стенку там, где она растягивается по радиусу матрицы. Если на чертеже не указано, где измеряется толщина, ни один поставщик не сможет её выдержать.
Наш собственный предел — максимальный диаметр вытяжки Ø250 мм на прессах от 25–350 t, причём более 4 000 штампов для однооперационной вытяжки изготовлено и сохранено с 2000 года — поэтому новый запрос на вытянутый листовой металл обычно начинается с проверки уже имеющихся у нас штампов, а не с чистого листа. Там, где отношение глубины к диаметру выходит за возможности одной вытяжки, см. штамповка с глубокой вытяжкой о маршрутах с несколькими вытяжками и обжимом, либо посчитайте сами с помощью разобранного расчёта вытяжки.
1. Как работает процесс
Работу выполняют четыре элемента:
- Пуансон — вдавливает центр заготовки в матрицу
- Матрица — полость, в которую втягивается материал, со скруглённой входной кромкой
- Прижим заготовки (или вытяжное кольцо) — прижимает фланец, чтобы он не поднимался и не гофрился
- Радиус матрицы — скруглённая кромка, через которую материал перегибается при течении
По порядку: заготовка укладывается, прижим закрывается, пуансон опускается, материал фланца втягивается внутрь и через радиус матрицы, и деталь формуется за одно непрерывное действие. Материал растягивается неравномерно — он самый толстый там, где начинался (у фланца), и самый тонкий там, где растянулся по радиусу матрицы и вниз по стенке.
Что происходит с материалом
- Фланец сжимается по окружности по мере уменьшения длины окружности. Поэтому он утолщается и поэтому гофрится без поддержки.
- Радиус матрицы — место, где происходит изгиб и разгиб, и где утонение наибольшее.
- Стенка находится под натяжением и постепенно утоняется по мере вытяжки.
- Дно остаётся близким к исходной толщине заготовки и в центре практически не деформируется.
Этот градиент — не дефект, а физика процесса. Проблемой он становится только тогда, когда на чертеже задана толщина стенки без указания, где её измерять.
2. Четыре расчёта, которые решают всё
Прежде чем работа по глубокой вытяжке будет котирована должным образом, устанавливаются четыре числа. Они решают, нужен детали один штамп или пять и нужен ли отжиг.
2.1 Коэффициент вытяжки
Коэффициент вытяжки = диаметр заготовки ÷ диаметр пуансона
Также выражается как предельный коэффициент вытяжки (LDR) — максимальное отношение, которое материал выдерживает за одну вытяжку без разрыва.
Типичные пределы одной вытяжки:
| Материал | Типичный коэффициент первой вытяжки | Примечания |
|---|---|---|
| Низкоуглеродистая сталь (DC04, SPHE) | около 1,8 – 2,0 | Лучше всего ведут себя марки для глубокой вытяжки с высоким r-значением |
| Нержавеющая сталь (304, 316) | около 1,6 – 1,8 | Быстро наклёпывается; отжиг раньше |
| Алюминий | сильно зависит от сплава | Мягкие марки вытягиваются хорошо; высокопрочные сплавы — нет |
| Чистое железо (DT4 / DT4C) | около 1,8 – 2,0 | Мягкое и хорошо формуемое; обычно для магнитных корпусов |
| Латунь / медь | около 1,8 – 2,2 | Отличная формуемость |
2.2 Диаметр заготовки
Заготовка ≈ √(d² + 4·d·h)
Для цилиндрического стакана с плоским дном, где d — диаметр стаканаh — высота стенки. Это стартовая оценка по постоянству площади; реальным заготовкам нужен припуск на обрезку, потому что вытянутая кромка никогда не бывает идеально ровной.
Ошибка в размере заготовки дорога в обе стороны. Слишком маленькая — деталь рвётся или не добирает высоту. Слишком большая — вы платите за материал, который срезаете, а материал обычно самая крупная статья в котировке на глубокую вытяжку.
2.3 Усилие вытяжки и тоннаж пресса
Fdraw ≈ π · d · t · σuts · коэффициент
где t — толщина материала, а σuts — предел прочности при растяжении. Коэффициент учитывает эффективность вытяжки для конкретной геометрии и берётся из таблиц или моделирования.
Затем прибавьте усилие прижима заготовки. Котирование пресса только по усилию вытяжки — один из классических способов испортить работу по глубокой вытяжке: у пресса хватает тоннажа вытянуть деталь, но не хватает, чтобы удержать фланец, и деталь гофрится.
2.4 Зазор штампа
| Материал | Типичный зазор на сторону |
|---|---|
| Сталь | около 1,1 – 1,3 × толщины материала |
| Алюминий | около 1,0 – 1,2 × |
| Нержавеющая сталь | около 1,2 – 1,4 × |
Зазор определяет, насколько выражен эффект обжима при вытяжке. Меньший зазор намеренно утоняет стенку (см. раздел 5); больший зазор позволяет стенке остаться ближе к номиналу, но создаёт риск гофрообразования.
3. Прижим заготовки: зачем он нужен
Когда пуансон втягивает фланец внутрь, длина окружности фланца должна уменьшиться. Что-то должно куда-то деться, и в тонком листе избыток материала выпучивается из плоскости. Это и есть гофра.
Прижим предотвращает это, прижимая фланец плоско, но позволяя ему скользить внутрь. Его усилие — это баланс:
- Слишком мало → гофры на фланце, и эти гофры переходят в стенку
- Слишком много → материал не может течь, вместо этого растягивается стенка, и деталь рвётся у радиуса матрицы
В штампе для глубокой вытяжки давление прижима регулируется, потому что правильная настройка зависит от конкретной партии материала, её допуска по толщине и смазки. Поэтому же оснастка для глубокой вытяжки требует времени на отладку, которого не требует формовка на прессе.
4. Одна вытяжка, повторная вытяжка и многоступенчатый процесс глубокой вытяжки
Когда требуемый коэффициент превышает предел материала для одной вытяжки, деталь формуется поэтапно: многоступенчатый процесс глубокой вытяжки проводит заготовку через две или более вытяжек, и каждая промежуточная форма называется повторной вытяжкой.
- Первая вытяжка доводит заготовку примерно до предельного коэффициента материала
- Последующие вытяжки обычно дают каждый раз меньший коэффициент, часто около
- 1,2 – 1,4
- Каждая вытяжка наклёпывает материал, поэтому у следующей вытяжки меньше запаса формуемости Когда материал наклёпывается слишком сильно, промежуточный отжиг
восстанавливает пластичность, прежде чем вытяжка продолжится
Повторная вытяжка. Высокая деталь — не просто более глубокая версия неглубокой: это другой маршрут с большим числом позиций, большей отладкой и, как только материал наклёпывается, отжигом в середине.
Повторная вытяжка или обратная повторная вытяжка
Обратная повторная вытяжка переворачивает деталь между этапами. Она может сократить число операций для определённых геометрий и помогает управлять толщиной стенки, но требует более сложной оснастки. Выбор между прямой и обратной повторной вытяжкой — решение по конструкции оснастки, принимаемое пока штамп ещё на чертеже, а не после отладки.
5. Обжим: когда стенку нужно сделать тоньше намеренно Обжим — это намеренная операция утонения. Деталь продавливается через матрицу, зазор которой меньше
толщины стенки, поэтому стенка обжимается тоньше, проходя через неё.
- Наружный диаметр Это одна из самых коммерчески полезных техник в глубокой вытяжке, потому что она решает три задачи сразу:
- Внутренний диаметр задаётся отверстием матрицы
- задаётся пуансоном Чистота поверхности
формируется по полированной оснастке, а не режется пластиной Следствие в том, что глубоковытянутый и обжатый корпус может выдержать оба диаметра в допускебез токарной операции
Если и внутренний, и наружный диаметр вашей детали функциональны, обжим обычно дешевле, чем формовать деталь, а затем обрабатывать один из диаметров.
6. Материалы и формуемость
| Материал | Формуемость | Глубокая вытяжка требует формуемости превыше почти всего остального: высокого удлинения, низкого отношения предела текучести к пределу прочности и высокой нормальной анизотропии (r-значения — сопротивления утонению). |
|---|---|---|
| Типичное применение в глубоковытянутых деталях | Очень хорошая | DC04, DC05 |
| SPHE | Хорошая | Обычные глубоковытянутые корпуса и кожухи |
| Горячекатаная травленая; вытянутые корпуса, где важна прочность | Очень хорошая | Чистое железо DT4 / DT4C |
| Магнитные цепи, корпуса электромагнитных клапанов | Нержавеющая 304 / 316 | Умеренная |
| Алюминий | Коррозионная стойкость, корпуса датчиков и клапанов | Зависит от сплава |
| Снижение веса, корпуса датчиков | Латунь, медь | Отличная |
Электрические и тепловые компоненты, глубоковытянутые банки
- Два практических момента: Допуск по толщине входного рулона имеет значение.
- Полоса, которая идёт толще на одном участке, меняет поведение прижима и может давать нестабильные детали. Смазка не опциональна.
Она управляет трением на радиусе матрицы, где и начинается разрыв. Смена смазки без перенастройки прижима изменит процесс.
Нержавейка — материал, который чаще всего указывают, когда вытянутый корпус должен сопротивляться коррозии без операции гальванического покрытия. Balford изготавливает глубоковытянутые детали из нержавеющей стали марок 304, 304 DDQ, 316L, 430 и 310S для корпусов датчиков, деталей клапанов и корпусов двигателей, поставляя их пассивированными или электрополированными там, где этого требует применение. Поскольку нержавейка наклёпывается быстрее вытяжной стали, график вытяжки и любой промежуточный отжиг определяются на этапе оснастки, а не подстраиваются на прессе — см. корпуса датчиков из 304 или 316L и марки нержавеющей стали для глубокой вытяжки.
7. Дефекты и способы устранения
Это отказы, которые возникают в любой работе по глубокой вытяжке. У каждого есть причина и решение на стороне оснастки — поэтому анализ DFM до изготовления оснастки дешевле, чем исправление после.
| Дефект | Внешний вид | Обычная причина | Обычное решение |
|---|---|---|---|
| Гофрообразование | Складки на стенке или фланце | Слишком малое усилие прижима; фланец без поддержки | Увеличить давление прижима; скорректировать радиус вытяжки; добавить тормозные рёбра |
| Разрыв / разрушение | Трещина у радиуса матрицы или в стенке | Коэффициент превышает предел материала; слишком малый радиус матрицы; слишком малый зазор; слишком большое трение | Добавить повторную вытяжку, увеличить радиус матрицы, скорректировать зазор, улучшить смазку |
| Фестоны | Волнистая, фестончатая верхняя кромка | Плоская анизотропия листа | Принять и обрезать; сменить материал или направление прокатки; скорректировать форму заготовки |
| Чрезмерное утонение | Стенка слишком тонкая у радиуса | Слишком малый радиус матрицы; чрезмерное натяжение | Увеличить радиус матрицы; добавить повторную вытяжку; отжечь |
| Пружинение | Диаметр или форма «садится» после формовки | Упругое восстановление, сильнее у высокопрочного материала | Скорректировать размеры оснастки для компенсации; отштамповать повторно; сменить материал |
| Апельсиновая корка / шероховатая поверхность | Зернистая растянутая поверхность | Крупнозернистая структура; чрезмерное растяжение | Материал с более мелким зерном; уменьшить локальную деформацию |
| Следы вытяжки / задиры | Продольные царапины на стенке | Износ оснастки, схватывание, недостаточная смазка | Отполировать радиус матрицы, нанести новое покрытие или заново отполировать оснастку, пересмотреть смазку |
| Разрушение дна | Трещина по основанию | Слишком малый радиус пуансона; слишком мало доступного материала | Увеличить радиус пуансона; увеличить заготовку |
8. Правила конструирования технологичной глубоковытянутой детали
- Держите отношение глубины к диаметру реалистичным. Ниже примерно 0,5 глубокая вытяжка, вероятно, вообще не нужна. Выше примерно 2 планируйте несколько вытяжек и, возможно, отжиги.
- Не задавайте острый угол у дна. У радиуса пуансона есть минимум, и он растёт с толщиной материала.
- Дайте стенке достаточный радиус матрицы. Слишком малый радиус — самая частая причина разрыва.
- Задавайте толщину стенки с указанием места измерения. Укажите, где по стенке она измеряется. Это снимает самый частый спор по первому изделию.
- Предусмотрите припуск на обрезку верхней кромки. Вытянутая кромка неровная из-за фестонов и обычного разброса процесса.
- Предпочитайте более простой профиль ступенчатому или коническому если это позволяет функция. Каждое изменение диаметра может добавить вытяжку.
- Определите, какой диаметр функционален. Если один диаметр может быть свободным, у оснастки больше допуска для работы.
- Не делайте мелкую резьбу на вытянутой стенке если стенка не обжата — для зацепления резьбы нужна контролируемая толщина.
- Подумайте о раскладке заготовок. Плотность раскладки влияет на стоимость материала, которая обычно самая крупная часть цены детали.
- Указывайте требования к внешнему виду. Следы вытяжки неизбежны; если наружная стенка видна, скажите об этом заранее, чтобы можно было запланировать финишную операцию.
9. Допуски и чистота поверхности
- Диаметры повторяются хорошо, потому что задаются оснасткой. Вытянутый диаметр держит допуск стабильнее формованного.
- Толщина стенки — это градиент, а не константа. Допуск должен быть привязан к месту измерения.
- Высота стенки — наименее точный размер, потому что верхняя кромка обрезается.
- Внутренняя отделка может быть отличной — она формируется по пуансону, а не режется, поэтому вытянутые отверстия подходят для направления якоря и уплотнительных поверхностей.
- Наружная отделка будет нести следы вытяжки, если не добавить финишную операцию.
10. Глубокая вытяжка и другие процессы
Самый частый вопрос — подходит ли глубокая вытяжка вообще. Наши сравнения бок о бок:
- Глубокая вытяжка против формовки прессом — решение, которое принимается первым
- Штамповка с глубокой вытяжкой или последовательным штампом
- Холодное выдавливание или глубокая вытяжка
- Глубокая вытяжка, ротационное выдавливание и обкатка
- Гидроформовка для глубокой вытяжки
11. Что Balford может запускать
- Мощность прессов до 350 т
- Максимальный диаметр вытяжки Ø250 мм
- Маршруты с одним штампом, последовательным штампом и переносным прессом, поэтому процесс выбирается по геометрии и объёму, а не по тому, что оказалось свободным
- Собственное проектирование и изготовление оснастки. Наш инструментальный цех выполняет плоскостное и круглое шлифование, токарную обработку, токарную обработку с ЧПУ, фрезерование с ЧПУ, среднюю и быструю проволочную электроэрозию, нарезание резьбы, сверление, прецизионное плоскостное шлифование, крупное плоскостное шлифование, точечную сварку штампов, пневматическое шлифование штампов, сварку TIG, электроэрозионное сверление отверстий и размагничивание. Медленная проволочная электроэрозия — единственная операция, которую мы передаём на сторону
- Производственная термообработка (закалка, отпуск, отжиг, размагничивание) передаётся на сторону; компетенция по магнитному отжигу у нас своя, а в инструментальном цехе держат небольшую печь для аварийных работ по штампам
- ISO 9001:2015 сертифицированы; PPAP уровня 3 документация может быть предоставлена для новых программ
- Контроль включает проектор 2.5D, 3D-измерительную систему, портативный прибор для измерения шероховатости, твердомер Роквелла, камеру солевого тумана, цифровые высотомеры, внутренние и наружные микрометры, нутромеры, калибры «проходит / не проходит», приборы для измерения облоя и сосности
- Собственное проектирование и изготовление означают, что цикл между «рвёт» и «работает» измеряется часами, а не неделями перевозок и согласований
Где мы честны о пределах
Мы предпочтём сказать вам до отправки чертежа, а не после. Наша страница границ возможностей излагает, что мы делаем и чего не делаем, включая операции, которые мы передаём на сторону, и квалификации, которых у нас нет.
12. Частые вопросы
В чём разница между глубокой вытяжкой и вытяжкой?
В терминологии листового металла «вытяжка» — это общая операция втягивания материала в матрицу. «Глубокая вытяжка» конкретно описывает случай, когда глубина велика по отношению к диаметру — обычно более примерно половины диаметра — так что материал должен пройти значительное расстояние и становится необходим прижим заготовки.
При какой глубине детали нужна глубокая вытяжка вместо формовки на прессе?
Распространённый рабочий порог — отношение глубины к диаметру около 0,5. Ниже него формовка обычно дешевле. Выше него стенка должна формироваться течением материала, и меняются оснастка, тоннаж пресса и структура затрат.
Утоняет ли глубокая вытяжка стенку?
Да, в тех зонах, которые растягиваются. У дна стенка близка к номиналу, кверху постепенно утоняется и сильнее всего утоняется там, где проходит радиус матрицы. Если нужна равномерная стенка, применяют обжим, чтобы привести её к контролируемой толщине.
Может ли глубокая вытяжка выдержать и внутренний, и наружный диаметр?
Да, и это одно из её главных преимуществ. С обжимом матрица задаёт наружный диаметр, а пуансон — внутренний, поэтому оба контролируются оснасткой. Поэтому вытянутый и обжатый корпус может заменить обработанный.
Сколько вытяжек потребуется моей детали?
Зависит от коэффициента вытяжки относительно предела конкретного материала для одной вытяжки. Деталь в пределах лимита требует одной вытяжки; за ним добавляются повторные вытяжки и может потребоваться промежуточный отжиг. Это одно из первых, что устанавливает анализ DFM.
Глубокая вытяжка дорогая?
Входные затраты выше, чем у формовки на прессе, потому что оснастка сложнее и требует отладки. Цена детали при объёме обычно ниже, особенно когда вытяжка убирает операцию механообработки. Точка перехода зависит в основном от того, сколько вторичной механообработки детали иначе потребовалось бы.
Вывод для инженера
Глубокая вытяжка определяется течением материала, а не только глубиной. Сначала установите коэффициент вытяжки относительно предела материала — он определяет число вытяжек, необходимость отжига, тоннаж пресса и большую часть стоимости оснастки.
А если и внутренний, и наружный диаметр функциональны, спросите про обжим, прежде чем принимать маршрут «формовка плюс механообработка».
Пришлите нам чертёж
Мы рассчитаем коэффициент вытяжки, скажем, сколько вытяжек действительно нужно детали, и сообщим, может ли обжим убрать операцию механообработки из вашего текущего маршрута.
Запросить анализ DFMМатериалы по глубокой вытяжке по темам
Начните здесь
Материалы
Дефекты и решение проблем
Сложная геометрия и несколько вытяжек
Обжим (утонение стенки)
Сравнения процессов
Применения и возможности
Образцы деталей, которые можно запросить
Вопросы, которые задают инженеры
Попробуйте: калькулятором усилия глубокой вытяжки — введите диаметр заготовки, диаметр пуансона, толщину листа и предел прочности, и он вернёт усилие вытяжки, коэффициент вытяжки и тоннаж пресса, по которому можно котировать.
Терминология: терминология глубокой вытяжки — вытяжка и глубокая вытяжка, повторная вытяжка, обжим, ротационное выдавливание и гидроформовка, бок о бок. Также доступно как Tiefziehen-Begriffe (немецкий)深絞り用語（日本語）.
Разобранный пример: расчёт глубокой вытяжки, шаг за шагом — чашка 40 мм × 30 мм, разобранная полностью: диаметр заготовки, коэффициент вытяжки, усилие вытяжки, пресс и зазор штампа, с каждым записанным допущением.