Как предотвратить образование складок при глубокой вытяжке

Прямой ответ: Складки при глубокой вытяжке — это потеря устойчивости листа. Фланец заготовки вдавливается внутрь пуансоном, и поскольку длина окружности заготовки больше длины окружности вытянутой чашки, материал фланца сжимается тангенциально. Когда это сжимающее напряжение превышает сопротивление листа потере устойчивости, на кромке образуются волны (складки фланца) или они распространяются в стенку (складки стенки). Предотвратить это можно, управляя восемью переменными ниже — прежде всего усилием прижима, коэффициентом вытяжки, радиусами инструмента и анизотропией материала — а устранить — определив, какая переменная вышла за пределы, до того как трогать оснастку.

Что вызывает складки при глубокой вытяжке?

Во время вытяжки фланец испытывает радиальное растягивающее напряжение (материал тянется к полости матрицы) в сочетании с тангенциальным сжимающим напряжением (длина окружности уменьшается). Тонкий материал при тангенциальном сжатии ведёт себя как стержень при сжатии: ниже критического напряжения он устойчив, выше — теряет устойчивость и образует волны. Металл не исчезает — он складывается. Останется складка во фланце или её втянет в стенку, зависит от того, где и когда потеряно стеснение. Восемь переменных процесса и оснастки задают это критическое напряжение:

1. Усилие прижима

Прижим (прижимная подушка) прижимает фланец к плоскости матрицы, создавая трение, которое сопротивляется тангенциальной потере устойчивости. Слишком малое усилие — фланец приподнимается и идёт волнами; слишком большое — материал не может течь внутрь, стенка утоняется и рвётся на радиусе пуансона. Для нового вытяжного штампа начинайте примерно с 20–30% расчётного усилия вытяжки для малоуглеродистой стали и настраивайте при отладке. Используйте азотные, гидравлические или сервоподушки там, где нужен воспроизводимый регулируемый профиль давления; прижим с постоянным усилием, настроенный под одну глубину хода, не будет управлять деталью с переменной площадью фланца.

2. Коэффициент вытяжки

Коэффициент вытяжки m = d/D (диаметр изделия, делённый на диаметр заготовки) показывает, насколько должна уменьшиться заготовка. Чем меньше m, тем выше тангенциальное сжатие фланца и тем сложнее остановить складки без разрыва. У каждого материала есть практический предельный коэффициент вытяжки за одну операцию — для низкоуглеродистой стали примерно m ≈ 0,50–0,55 (отношение глубины к диаметру около 0,9–1,0 для простой чашки). Если вашей детали нужна более глубокая вытяжка за один проход, добавьте операцию повторной вытяжки вместо борьбы с материалом.

3. Радиус матрицы и пуансона

Радиус входа матрицы определяет, как фланец заходит в полость и как долго прижим удерживает контроль над материалом. Слишком малый радиус повышает напряжение изгиба и может разорвать стенку; слишком большой — позволяет фланцу рано выйти из-под прижима, и неподдерживаемый материал уходит складками в стенку. Начинайте примерно с 6–10 × толщины листа для радиуса матрицы на стальных чашках и 4–8 × толщины для радиуса пуансона, затем подтверждайте отладкой. Пуансон и матрицу также нужно полировать по направлению вытяжки, чтобы избежать наволакивания, нарушающего течение материала.

4. Анизотропия материала

Листовой металл неоднороден: прокатка создаёт направленность. Нормальный коэффициент анизотропии r (коэффициент Лэнкфорда) описывает сопротивление листа утонению относительно сжатия в плоскости — выше r означает лучшую стойкость к складкам, потому что материал предпочитает утолщаться, а не терять устойчивость. Марки для глубокой вытяжки выбирают по формуемости и стабильным значениям r: DC04/DC06 или SPCE для стали, 5052-O для алюминия и 304 качества для глубокой вытяжки для нержавеющей стали. Если пограничная марка даёт складки при каждом ходе, лучшая марка обычно решает проблему дешевле, чем переделка оснастки.

5. Смазка

У смазки две противоположные задачи. На радиусе матрицы и пуансоне низкое трение позволяет стенке скользить и снижает риск разрыва. На стороне фланца часть трения желательна: именно она позволяет прижиму удерживать материал. Поэтому неравномерная или избыточная смазка фланца способствует складкам, а слишком малая — разрыву. Используйте контролируемую, равномерную плёнку правильной смазки для вытяжки под материал (масло для вытяжки, сухая плёнка или полимерное покрытие) и держите нанесение стабильным от детали к детали.

6. Толщина листа

Стойкость к складкам сильно зависит от толщины: более толстый лист имеет значительно более высокое напряжение потери устойчивости во фланце, поэтому тонкие детали дают складки задолго до толстых при том же усилии прижима. Допуски по толщине важны — рулон на нижней границе поля допуска ведёт себя как другой материал. Если тонкостенные детали дают складки периодически, проверьте входную толщину и рассмотрите более жёсткий допуск или более прочную марку, позволяющую ту же деталь при той же толщине.

7. Геометрия заготовки

Форма и размер заготовки определяют, насколько равномерно нагружен фланец. Идеально круглая заготовка для цилиндрической чашки нагружает симметрично; несимметричная или увеличенная заготовка нагружает прижим неравномерно, и слабо нагруженная зона даёт складки первой. Обрезайте заготовку до минимально рабочего контура, балансируйте течение материала, а для нерегулярных деталей используйте развёрнутую форму заготовки, а не прямоугольник или круг по удобству.

8. Скорость вытяжки

Скорость меняет скорость деформации и, через работу трения, температуру на радиусе матрицы. На большинстве сталей эффект умеренный; на алюминии, аустенитной нержавеющей стали и покрытых листах он может перевести процесс в разрыв или складки. Держите скорость пресса и синхронизацию подушки постоянными при отладке, чтобы менялась только одна переменная за раз, и фиксируйте производственную скорость в технологическом листе — оснастка, проверенная на 10 ходах в минуту, может вести себя иначе на 25.

Как диагностировать складки

Смотрите, где находится волна, а не только на то, что она есть:

• Равномерные волны по наружной кромке фланца — прижим зажимает недостаточно сильно (слишком малое усилие, потеряно давление подушки или прижим не касается достаточно рано).
• Складки, втянутые в стенку — стеснение потеряно до конца хода: слишком агрессивный коэффициент вытяжки, слишком большой радиус матрицы или отсутствующие либо слишком мелкие тормозные рёбра.
• Складки только с одной стороны детали — оснастка не параллельна (прижим или плоскость матрицы не выставлены), заготовка смещена или подушка неравномерна. Проверьте чувствительной к давлению плёнкой, прежде чем менять усилия.
• Мелкие складки вокруг малого радиуса угла или элемента — локальный избыток материала: окружающая геометрия подаёт в элемент больше материала, чем он может принять; добавьте локальное ребро или измените контур заготовки.

Помогает разбор: остановите пресс в нижней точке хода и проверьте, где фланец впервые отходит от прижима. Именно там начинается складка.

Как исправить оснастку

Работайте в этом порядке, чтобы менять по одной переменной за раз:

1. Убедитесь, что пресс и подушка дают номинальное усилие. Умирающая азотная подушка или протекающий гидравлический контур воспроизводят складки за ночь на оснастке, которая была в порядке вчера.
2. Увеличивайте усилие прижима небольшими шагами (5–10%), пока волна на кромке не исчезнет или стенка не начнёт утоняться — что наступит раньше.
3. Добавьте или углубите тормозные рёбра, когда одного усилия уже недостаточно и оно рвёт деталь раньше, чем прекращает складки. Начинайте с малой высоты; слишком глубокое ребро превращает проблему складок в проблему разрывов.
4. Перепроверьте радиус входа матрицы и зазор. Увеличивайте радиус только если стенка показывает наклёп или разрыв; уменьшайте его (или добавьте небольшой уступ либо ребро на входе), если фланец рано выходит из-под прижима.
5. Устраните параллельность и совмещение — перешлифуйте и переставьте прижим, если плёнка давления показывает, что нагрузку несёт одна сторона.
6. Меняйте входные параметры процесса последними: тип и количество смазки, контур заготовки, марку или толщину материала, затем скорость вытяжки.
7. Если коэффициент вытяжки превышает LDR материала, прекратите настройку и добавьте операцию повторной вытяжки. Никакое усилие прижима не сделает физически невозможную одиночную вытяжку стабильной.

Пример из практики

Цилиндрический корпус двигателя, вытянутый из DC04 толщиной 1,2 мм, дал складки по кромке на первых 40 деталях отладки. Коэффициент вытяжки был приемлемым (m ≈ 0,58), а радиус входа матрицы щедрым (≈ 8 × t). Чувствительная к давлению плёнка показала, что подушка несёт лишь 60% номинального усилия в одном квадранте, потому что азотная подушка потеряла заряд. После подзарядки и выравнивания подушки волна на кромке исчезла при той же настройке усилия. Дальнейшим улучшением стало неглубокое тормозное ребро, добавленное для расширения окна процесса до запуска в серию. Урок: измеряйте станок, прежде чем менять оснастку.

Инженерный чек-лист

• Коэффициент вытяжки m = d/D выше предела материала за одну операцию? Если нет, планируйте повторную вытяжку.
• Усилие прижима задано из площади фланца и материала, с воспроизводимой подушкой?
• Радиус входа матрицы в стартовом диапазоне 6–10 × t; радиус пуансона 4–8 × t?
• Поверхности оснастки параллельны; усилие подушки подтверждено плёнкой давления при отладке?
• Тормозные рёбра рассчитаны так, чтобы сдерживать поток без чрезмерного растяжения?
• Марка материала с достаточным значением r и стабильным допуском по толщине?
• Равномерное, правильное нанесение смазки — без избытка на фланце?
• Контур заготовки обрезан для баланса течения материала?
• Скорость пресса и синхронизация подушки зафиксированы как параметры процесса?
• Первые детали и технологический лист рассмотрены вместе до запуска в серию?

Услуга глубокой вытяжки в Balford

Balford проектирует и изготавливает оснастку для глубокой вытяжки на собственном производстве и работает на прессах от 25 до 350 т, с возможностями прогрессивных штампов для крупных объёмов и одноударной оснастки для прототипов и средних серий. Наши инженеры применяют ту же последовательность диагностики выше на этапах DFM и отладки оснастки — смотрите наши возможности штамповки глубокой вытяжкой по диапазону прессов и ограничениям по размеру деталей. Связанные инженерные руководства: глубокая вытяжка против штамповки прогрессивными штампами, глубокая вытяжка алюминиевых деталей, и глубоко вытянутые корпуса электромагнитных клапанов.

Частые вопросы