تشكيل الصفائح المعدنية بالسحب العميق

الرسم العميق عملية ختم، يتم فيها تمرير مادة صفيحة مسطحة عبر قالب مقعر تحت ضغط مثقب لتشكيل جزء مجوف مفتوح. من بين أنواع مكونات الصفائح المعدنية المختلفة، يُستخدم السحب العميق غالبًا لمعالجة أجزاء دائرية بسيطة، ورؤوس نصف كروية ومكافئة، مكونة من مواد أكبر أو أكثر سمكًا.

عملية السحب العميق ومتطلباتها

بشكل عام، تتم معالجة السحب العميق باستخدام قالب سحب تحت ضغط مكبس. في الظروف العادية، تُستخدم المعالجة الباردة، بينما تُستخدم المعالجة الساخنة فقط لتشكيل صفائح أكثر سمكًا ذات أبعاد خارجية أكبر أو تشوهات أكبر بالسحب العميق.

1. عملية الرسم

يوضح الشكل عملية رسم وضع لوحة مسطحة دائرية فارغة بقطر D وسمك t في فتحة وضع القالب وسحبها إلى جزء أسطواني.

أثناء عملية السحب العميق، وبسبب عزم الانحناء الناتج عن قوة السحب F والفجوة Z بين القالبين المحدب والمقعّر، يتحرك القالب المحدب لأسفل ملامسًا الصفيحة، ثم يُمارس ضغطًا لأسفل، مما يُسبب انحناء الصفيحة وتقعّرها، ويُوجَّه عند الزوايا المُستديرة للقالبين المحدب والمقعّر. عند سحب المثقب لأسفل داخل فتحة القالب، تنقسم مادة الصفيحة تدريجيًا إلى ثلاثة أجزاء: القاع، والجدار، والحافة؛ ومع استمرار نزول المثقب، لا يتحرك القاع عمليًا، وتستمر الحافة الحلقية في الانكماش باتجاه الفتحة وتُسحب إلى التجويف. 

تتحول فتحة القالب إلى جدار أسطواني، فيزداد حجمه تدريجيًا وتنكمش الحافة تدريجيًا. أخيرًا، تُسحب الحافة بالكامل إلى فتحة القالب وتتحول إلى جدار أسطواني، وتنتهي عملية السحب. تصبح الصفيحة الدائرية أسطوانة مجوفة مفتوحة بقطر d1 وارتفاع h.

2. تحليل التشوه بالرسم العميق

وفقًا لعملية تشوه السحب، يُمكن معرفة أن عملية السحب هي عملية انكماش الحافة الحلقية تدريجيًا وتدفقها نحو فتحة القالب لتكوين جدار الأسطوانة. عملية السحب العميق هي عملية تشوه بلاستيكي معقدة نسبيًا، ويمكن تقسيم كل جزء تالف من الشعر إلى عدة مناطق وفقًا لظروف تشوهه.

٢.١ قاع الأسطوانة: الجزء الدائري الذي يضغط عليه الجزء السفلي من المثقب ويلامس مركز الصفيحة هو القاع. أثناء عملية السحب، تحافظ هذه المنطقة دائمًا على شكلها المسطح وتخضع لشد شعاعي منتظم حولها. يمكن اعتبار أنه لا يوجد تشوه بلاستيكي أو منطقة تشوه بلاستيكي صغيرة، وتنقل المادة السفلية قوة المثقب إلى جدار الأسطوانة، مما يتسبب في توليد إجهاد شد محوري.

٢.٢ جزء الشفة: المنطقة الحلقية على القالب هي الشفة، وهي منطقة التشوه الرئيسية أثناء السحب العميق. أثناء السحب العميق، تُولّد مادة الشفة إجهاد شد شعاعي نتيجة قوة السحب. عندما تنكمش المواد وتتدفق نحو فتحة القالب، تضغط المواد بعضها على بعض لتوليد إجهاد ضغط مماسي ٣. وظيفتها مشابهة لسحب جزء على شكل قطاع من المادة الخام F عبر أخدود إسفيني وهمي ليصبح تشوه F، كما هو موضح في الشكل.

عندما تكون الحافة كبيرة ومادة الصفيحة رقيقة، يفقد جزء الحافة ثباته بسبب الضغط المماسي أثناء السحب، مما يُسبب ما يُسمى بـ"ظاهرة التجعد". لذلك، غالبًا ما يُستخدم حامل فارغ لضغط الحافة.

٢.٣ الجدار البسيط: هو المنطقة المشوهة التي تتشكل نتيجة انتقال تدفق مادة جزء الشفة عبر الضغط المماسي والتمدد الشعاعي والانكماش، ولا تتعرض عمليًا لتشوهات كبيرة. عند استمرار السحب، ينقل الجدار البسيط قوة سحب المثقب إلى الشفة. يتحمل الجدار البسيط نفسه إجهاد الشد أحادي الاتجاه أثناء عملية نقل قوة السحب، وهو ممدود طوليًا قليلًا وأكثر سمكًا قليلًا. يحدث ترقق.

٢.٤ الجزء ذو الزاوية المستديرة للقالب المقعر: هو الجزء الانتقالي الذي تلتقي فيه الحافة بجدار الأسطوانة. تشوه المادة هنا أكثر تعقيدًا. فبالإضافة إلى امتلاكه نفس خصائص الحافة، فإنه يتعرض لإجهاد شد شعاعي وإجهاد ضغط مماسي. كما يتحمل إجهاد ضغط سميك مقعر ناتج عن بثق وثني شريحة القالب.

٢.٥ الجزء المُدوّر من المثقب: هو الجزء الانتقالي الذي يلتقي فيه الجدار البسيط بقاع الأسطوانة، ويتعرض لإجهاد شد في الاتجاهين الشعاعي والظاهري، بينما يتعرض الجزء السميك للضغط والانحناء لإنتاج إجهاد ضغط. أثناء عملية السحب، يُستطيل الاتجاه الشعاعي وينخفض السُمك. يحدث الترقق الأشد عند المفصل بين الزاوية المستديرة للمثقب وجدار البرميل. 

عند بدء عملية السحب، تكون العملية بين القالبين المحدب والمقعّر، مما يقلل الحاجة إلى نقل المواد. درجة التشوه منخفضة، ودرجة التصلب البارد منخفضة، ولا يوجد احتكاك مفيد عند الزوايا المستديرة للثقب. المساحة التي تحتاج إلى نقل قوة السحب صغيرة. لذلك، أصبح هذا الجزء "الجزء الخطير" الأكثر عرضة للكسر أثناء السحب العميق.

3. تغيرات سمك جدار الأجزاء المسحوبة بعمق

يُلاحظ في الصورة تفاوت سماكة جدار الأجزاء المسحوبة بعمق. تُظهر الصورة تغير سماكة جدار الرأس البيضاوي المصنوع من الفولاذ الكربوني أثناء السحب، كما تُظهر الصورة تغير سماكة جدار الأسطوانة ذات الحواف باستخدام حامل الفراغ.

4. متطلبات عملية معالجة السحب العميق

يمكن استخدام عملية السحب العميق لمعالجة القطع ذات الأشكال المعقدة، والحصول على قطع رقيقة الجدران بأشكال أسطوانية، ومتدرجة، ومخروطية، ومربعة، وكروية، وأشكال متنوعة غير منتظمة. ومع ذلك، ترتبط دقة معالجة القطع المسحوبة عميقًا بعوامل عديدة، مثل الخواص الميكانيكية وسمك المادة، وبنية القالب ودقته، وعدد العمليات وتسلسلها، وغيرها. دقة تصنيع القطع المسحوبة عميقًا ليست عالية بشكل عام، والدقة المطلوبة أقل من مستوى IT11. 

في الوقت نفسه، ونظرًا لتأثير أداء التشوه الناتج عن السحب العميق، فإن قابلية معالجة القطع المسحوبة بعمق تؤثر بشكل مباشر على إمكانية استخدامها بأقل تكلفة وأبسط طريقة. تتم معالجتها بطريقة السحب العميق، بل وتؤثر أيضًا على إمكانية معالجتها بها. متطلبات معالجة القطع المسحوبة بعمق هي كما يلي.

دقة الهيكل والقوالب، وعدد العمليات وتسلسلها، إلخ. دقة تصنيع القطع المسحوبة عميقًا ليست عالية بشكل عام، والدقة المناسبة أقل من مستوى IT11. في الوقت نفسه، ونظرًا لتأثير أداء التشوه الناتج عن السحب العميق، فإن قابلية معالجة القطع المسحوبة عميقًا تؤثر بشكل مباشر على إمكانية استخدامها بأكثر الطرق اقتصادية وبساطة. تتم معالجتها بطريقة السحب العميق، بل وتؤثر أيضًا على إمكانية معالجتها بها. متطلبات عملية القطع المسحوبة عميقًا هي كما يلي.

٤.١ يجب أن يكون شكل القطع المسحوبة عميقًا بسيطًا ومتناسقًا قدر الإمكان. عند تصميم القطع المسحوبة عميقًا، يجب مراعاة تقنية معالجتها، واختيار شكل أسهل في التشكيل ويلبي متطلبات الاستخدام قدر الإمكان. يوضح الشكل التصنيف حسب صعوبة التشكيل بالسحب العميق. في الشكل، تزداد صعوبة التشكيل لمختلف أنواع القطع المسحوبة عميقًا من الأعلى إلى الأسفل. 

تزداد صعوبة الأجزاء المتشابهة المرسومة بعمق من اليسار إلى اليمين. من بينها: e يمثل الحد الأدنى لطول الحافة المستقيمة، وf يمثل الحد الأقصى لحجم الجزء المرسوم بعمق، وa يمثل طول المحور القصير، و6 يمثل طول المحور الطويل.

4.2 بالنسبة للأجزاء الأسطوانية المرسومة ذات الحواف، عند الرسم باستخدام حامل فارغ، تكون الحافة الأكثر ملاءمة ضمن النطاق التالي:

٤.٣ يجب ألا يكون عمق الرسم كبيرًا جدًا (أي أن H يجب ألا يزيد عن ٢d). عند إمكانية رسمه دفعة واحدة، يُفضل أن يكون ارتفاعه:

٤.٤ بالنسبة للأجزاء الأسطوانية المسحوبة، يجب أن يكون نصف قطر الشق r بين القاعدة والجدار مساويًا لـ ra>t، ونصف قطر الشق بين الحافة والجدار r>2t. من منظور الظروف المؤاتية للتشوه، يُفضّل أخذ r ≈(3~5)t، r ≈(4~8)t. إذا كان r (أو r)>(0.1~0.3)t، يُمكن إضافة التشكيل.

الشكل الهيكلي لقالب الرسم واختياره

على الرغم من تنوع أشكال أجزاء السحب العميق، إلا أن بنية قوالب السحب موحدة نسبيًا. وتختلف هياكل قوالب السحب أيضًا باختلاف ظروف عملية السحب والمعدات المستخدمة. يتطلب اختيار بنية قالب السحب عادةً حسابات عملية السحب اللازمة، ومن ثم تحديد خطة عملية السحب المناسبة.

يمكن إجراء معالجة السحب العميق على مكابس عادية أحادية الحركة، أو ثنائية الحركة أو ثلاثية الحركة. تُقسّم قوالب السحب المستخدمة في مكابس أحادية الحركة إلى نوعين: قوالب سحب أولية، وقوالب سحب أولية ولاحقة. بناءً على استخدام حامل فارغ، يُمكن تقسيمها إلى نوعين: مع حامل فارغ ودون حامل فارغ. وحسب نوع المكابس، يُمكن تقسيمها إلى قوالب سحب تُستخدم في مكابس أحادية الحركة، وقوالب سحب تُستخدم في مكابس ثنائية الحركة، إلخ.

1. قالب الرسم الأول

تُظهر الصورة أول قالب سحب عميق بدون حامل حافة. عند السحب، يُوضع القالب المسطح أولاً في صفيحة التثبيت على القالب، ثم تتحرك المثقبة للأسفل مدفوعةً بمنزلق المكبس، ضاغطةً المادة التالفة داخل القالب حتى تُسحب جميع المواد التالفة إلى داخله وتُشكل. يتجاوز الطرف العلوي لقطعة العمل المسحوبة عميقاً حلقة الكشط. عندما تدفع شريحة المكبس المثقبة للأعلى، تقوم حلقة الكشط بكشط قطعة العمل من المثقبة لإتمام عملية السحب العميق.

يُستخدم قالب السحب الأول بدون حامل الحافة عادةً لقطع السحب السطحية ذات عمق سحب صغير، والتي يُمكن ضغطها دفعة واحدة. عندما يكون المثقب صغيرًا، يُمكن تثبيت الهيكل العام بواسطة لوحة تثبيت المثقب. ولمنع التصاق قطعة العمل بإحكام بالمثقب، يجب تصميم فتحات تهوية فيه.

يوضح الشكل (أ) قالبًا مقعرًا عاديًا مسطح الطرف بأقواس، وهو مناسب بشكل أساسي لمعالجة القطع الكبيرة. يوضح الشكل (ب) فتحة قالب مدببة، بينما يوضح الشكل (ج) فتحة قالب مقعرة ذات شكل حلزوني. وهما مناسبان لمعالجة القطع الصغيرة. بما أن بنية القالب في الشكل (ب) تُظهر شكلًا انتقاليًا منحنيًا للمادة الخام أثناء الرسم، فإن الحجم يزداد. 

قدرة مضادة لعدم الاستقرار، تساعد قوة فم القالب على منطقة التشوه في الفراغ أيضًا على إنتاج تشوه ضغط مماسي، مما يقلل من مقاومة الاحتكاك ومقاومة تشوه الانحناء، وهو أمر مفيد لتشوه السحب العميق ويمكن أن يحسن جودة الجزء، ولكن المعالجة أطول صعوبة.

تُظهر الصورة (ب) أول عملية سحب عميقة بحلقة حافة مرنة. تُركّب الحلقة على القالب العلوي. عند تحريك المثقب للأسفل، تُضغط المادة الرديئة بقوة تحت تأثير قوة الزنبرك، بحيث تكون المادة الرديئة قريبة من الجزء المقعر أثناء عملية السحب.

بسبب ضيق مساحة القالب العلوي، لا يمكن تركيب نوابض سميكة، لذا فإن هذا النوع من القوالب مناسب فقط لسحب القطع ذات الضغط المنخفض. ويُستخدم عادةً لسحب قطع العمل ذات المواد الرقيقة والعمق الصغير وسهولة التجعد.

عند سحب قطعة عمل ذات عمق كبير، يلزم استخدام زنبرك (أو مطاط) أكبر، ويصعب تركيبه إذا كان لا يزال مثبتًا على الجزء العلوي من القالب. لذلك، يمكن استخدام هيكل مُركّب على الجزء السفلي لتسهيل ضبط قوة حامل القالب.

2. قالب السحب العميق لكل مرة بعد المرة الأولى

يوضح الشكل (أ) الرسومات العميقة الأولى واللاحقة بدون حامل فارغ. ويمكن استخدامه لرسم منتجات شبه نهائية تم رسمها بعمق إلى حجم معين، ثم إعادة رسمها بعمق. ويمكن استخدامه عمومًا في التطبيقات التي لا تكون فيها درجة التشوه كبيرة، ويشترط أن يكون سمك جدار الأجزاء المرسومة موحدًا. 

لضمان دقة قطر وأبعاد قطع العمل، يُراعى التخفيف الطفيف. في هذا النوع من القوالب، عادةً لتجنب فقدان الاحتكاك، يجب تقليل طول الجزء المستقيم من القالب المقعر قدر الإمكان.

يوضح الشكل (ب) بنية قالب السحب في المرة الأولى واللاحقة للأجزاء الأسطوانية ذات حلقات الحافة. يعتمد الموضع 11 على هيكل من نوع الكم، ويقوم بضغط الحافة وتحديد موضعها في آنٍ واحد. تُوفر قوة الضغط قوة الأسطوانة المنقولة بواسطة دبوس القاذف 13. 

لمنع التجاعيد عند سحب المادة بعمق، يمكن تعديل موضع دبوس قاذف الحد 3 لضبط الضغط. يحافظ حجم قوة الحافة على توازن قوة حامل الحافة، ويمنع ضغط المادة التالفة بشدة.

عملية عمل القالب هي: تتحرك شريحة الثقب إلى الأعلى، ويتم فتح القالب، ويرفع دبوس القذف 13 الموضع 11 إلى المثقب 1 من خلال لوحة تثبيت الموضع 12 تحت تأثير أسطوانة الضغط.

تكون أسطح النهاية متساطحة. في هذه المرحلة، يُدخل القالب المسحوب في الحلقة الخارجية للموضع 11. يبدأ منزلق الضغط بالتحرك للأسفل. يبدأ دبوس قاذف الحد 3 بالتلامس مع السطح العلوي للوحة تثبيت الموضع 12. في الوقت نفسه، يبدأ القالب 2 بالتلامس مع السطح العلوي للموضع 11، ومع الضغط

مع تحرك المنزلق تدريجيًا نحو الأسفل، يضغط دبوس القذف الحدّي 3 تدريجيًا على لوحة تثبيت الموضع 12، ويعمل القالب 2 والموضع 11 معًا لسحب المنتج شبه النهائي تدريجيًا إلى شكله النهائي. عند اكتمال الرسم، يدفع دبوس القذف 13 الموضع 11 ليصبح على نفس مستوى السطح العلوي للثقب 1 تحت تأثير أسطوانة الضغط. في الوقت نفسه، تُخرج المطرقة 7 الأجزاء المسحوبة من تجويف القالب الأنثوي 2.

بالنسبة للقطع المسحوبة بعمق بقطر d ≤ 100، والقطع المسحوبة بعمق ذات الحواف أو الأشكال المعقدة، لتسهيل عملية التشكيل بالسحب العميق، يجب مراعاة العلاقة الصحيحة بين شكل وحجم قوالب التثقيب في العمليتين السابقة واللاحقة، لضمان دقة أشكال وأحجام التثقيبات الناتجة في العمليتين السابقتين. شكل المادة الخام الوسيطة مناسب للتشكيل في العمليات اللاحقة. يوضح الشكل (أ) العلاقة بين أبعاد كل عملية سحب ونصف قطر حشوها، حيث t هو سُمك المادة.

بالنسبة لقطع السحب العميق الأسطوانية الكبيرة والمتوسطة الحجم التي يزيد قطرها عن 100 مم، تُستخدم عادةً في الرسومات القليلة الأولى والسحب العميق قبل التشكيل النهائي بنية توصيل بزاوية 45 درجة لزوايا الأسطوانة لتجنب تراكم المواد الزائدة عند الزوايا المستديرة. تتميز هذه البنية بأنها أرقّ وتسهل السحب العميق. لا يقتصر دور هذه البنية على تسهيل تحديد موقع الشعيرات في العملية التالية فحسب، بل تقلل أيضًا من تكرار ثني الشعيرات وتثبيتها، وتُحسّن ظروف تشوه المادة أثناء السحب العميق، وتُقلل من ترققها. 

يُساعد ذلك على تحسين جودة الجدران الجانبية للأجزاء المختومة. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن القطر السفلي يجب أن يكون مساويًا للقطر الخارجي للثقب أثناء عملية السحب التالية. يوضح الشكل (ب) العلاقة بين نصف قطر حافة الثقب والقالب المقعر ونصف قطر حافة حلقة الحافة في العمليتين الأمامية والخلفية.

3. قالب رسم لآلة الطباعة ذات الحركة المزدوجة

عند استخدام مكبس مزدوج الحركة للرسم العميق، يضغط المنزلق الخارجي على الحافة، بينما يرسم المنزلق الداخلي بعمق. تُقطع الأجزاء المرسومة بعمق، الموضحة في الشكل (أ)، وتُرسم مباشرةً من الشرائط، وتُعالج بواسطة مكبس مزدوج الحركة.

الشكل ب هو رسم تخطيطي لهيكل قالب الأجزاء المذكورة أعلاه. بعد تثبيت الشريط بواسطة دبوس التموضع 2، يعمل حامل القالب 7 وقاعدة القالب السفلي 1 معًا لتنفيذ عملية التقطيع. يُطرد قالب السحب المحدب 4 وقالب السحب المقعر 3. تعمل الكتل 6 معًا لسحب وتشكيل المادة الرديئة بعد عملية التقطيع. وأخيرًا، يدفع دبوس القذف 5 كتلة القذف 6 لدفع الأجزاء المسحوبة خارج تجويف قالب السحب المقعر 3.