Głębokie tłoczenie blachy

Głębokie tłoczenie Tłoczenie to proces tłoczenia, w którym płaski materiał w formie arkusza jest przepuszczany przez wklęsłą matrycę pod naciskiem stempla, aby utworzyć otwartą, pustą część. Spośród różnych rodzajów elementów z blachy, głębokie tłoczenie jest często stosowane do obróbki różnych okrągłych, prostych części, półkulistych i parabolicznych głów wykonanych z większych lub grubszych materiałów.

Proces i wymagania głębokiego tłoczenia

Ogólnie rzecz biorąc, obróbka metodą głębokiego tłoczenia musi być wykonywana za pomocą ciągadła pod naciskiem prasy. W normalnych warunkach stosuje się obróbkę na zimno, a obróbkę na gorąco stosuje się wyłącznie do głębokiego tłoczenia grubszych blach o większych wymiarach zewnętrznych lub większych odkształceniach.

1. Proces rysowania

Na rysunku przedstawiono proces ciągnienia polegający na umieszczeniu okrągłego, płaskiego krążka o średnicy D i grubości t w otworze pozycjonującym matrycy i przeciągnięciu go w część cylindryczną.

Podczas procesu głębokiego tłoczenia, ze względu na moment zginający tworzony przez siłę ciągnienia F oraz szczelinę Z między wypukłymi i wklęsłymi matrycami, forma wypukła przesuwa się w dół, stykając się z blachą, a następnie wywiera nacisk skierowany w dół, powodując jej zgięcie i wklęsłość. Jest ona prowadzona wzdłuż zaokrąglonych narożników wypukłych i wklęsłych matryc. Gdy stempel jest wciągany w dół do otworu matrycy, materiał arkusza powoli rozkłada się na trzy części: spód, ściankę i kołnierz; w miarę jak stempel nadal się obniża, spód zasadniczo się nie porusza, a pierścieniowy kołnierz kurczy się w kierunku otworu i jest wciągany do wnęki. 

Otwór formy przekształca się w ściankę cylindra, która stopniowo się powiększa, a kołnierz stopniowo się kurczy. Na koniec kołnierz zostaje całkowicie wciągnięty do otworu matrycy i przekształca się w ściankę cylindra, co kończy proces ciągnienia. Okrągły arkusz staje się otwartym, pustym cylindrem o średnicy d1 i wysokości h.

2. Analiza odkształceń głębokotłocznych

Zgodnie z procesem odkształcania przez ciągnienie, proces ciągnienia polega na stopniowym kurczeniu się pierścieniowego kołnierza i jego przesuwaniu w kierunku otworu matrycy, tworząc ściankę cylindra. Proces głębokiego tłoczenia jest stosunkowo złożonym procesem odkształcania plastycznego, a każdą uszkodzoną część włosa można podzielić na kilka obszarów w zależności od warunków odkształcenia.

2.1 Dno cylindra: Okrągła część, w której dolna część stempla naciska i styka się ze środkową częścią blachy, to dno. Podczas procesu ciągnienia obszar ten zawsze zachowuje płaski kształt i jest poddawany równomiernemu naprężeniu promieniowemu. Można to uznać za brak odkształcenia plastycznego lub niewielki obszar odkształcenia plastycznego, a materiał dna przenosi siłę stempla na ściankę cylindra, powodując powstanie osiowego naprężenia rozciągającego.

2.2 Część kołnierzowa: Obszar pierścieniowy na matrycy to kołnierz, który jest głównym obszarem odkształcenia podczas głębokiego tłoczenia. Podczas głębokiego tłoczenia materiał kołnierza generuje promieniowe naprężenie rozciągające z powodu siły ciągnienia. Gdy materiały kurczą się i płyną w kierunku otworu matrycy, ściskają się wzajemnie, generując styczne naprężenie ściskające. 3. Jego funkcja jest podobna do przeciągania wycinka wykroju F przez wyimaginowany rowek klinowy, co powoduje odkształcenie F, jak pokazano na rysunku.

Gdy kołnierz jest duży, a materiał arkuszowy cienki, część kołnierzowa traci stabilność z powodu stycznego naprężenia ściskającego podczas ciągnienia, co powoduje tzw. „zjawisko marszczenia”. Dlatego do prasowania kołnierza często stosuje się dociskacz wykrojów.

2.3 Ścianka prosta: Jest to obszar odkształcony, który powstaje w wyniku przepływu materiału kołnierza poprzez ściskanie styczne, rozciąganie promieniowe i kurczenie, i zasadniczo nie ulega już większym odkształceniom. Podczas dalszego ciągnienia, pełni on rolę przenoszenia siły rozciągającej stempla na kołnierz. Sam materiał ścianki prostej przenosi jednokierunkowe naprężenie rozciągające podczas przenoszenia siły rozciągającej i jest lekko wydłużony wzdłużnie oraz nieznacznie grubszy. Występuje ścieńczenie.

2.4 Zaokrąglona część wklęsłej matrycy: część przejściowa, w której styka się kołnierz i ścianka cylindra. Odkształcenie materiału jest tu bardziej skomplikowane. Oprócz tych samych właściwości co część kołnierzowa, jest ona poddawana promieniowemu naprężeniu rozciągającemu i stycznemu naprężeniu ściskającemu. Przenosi również wklęsłe naprężenie ściskające, powstające w wyniku wytłaczania i gięcia wyokrąglenia matrycy.

2.5 Zaokrąglona część stempla: część przejściowa, w której prosta ścianka styka się z dnem cylindra. Jest ona poddawana naprężeniom rozciągającym w kierunku promieniowym i stycznym, a kierunek grubości jest poddawany wytłaczaniu i zginaniu zaokrąglonej części stempla, co powoduje naprężenie ściskające. Podczas procesu ciągnienia kierunek promieniowy ulega wydłużeniu, a grubość zmniejsza się. Największe pocienienie występuje w miejscu połączenia zaokrąglonego narożnika stempla ze ścianką cylindra. 

Rozpoczęcie tłoczenia odbywa się pomiędzy matrycami wypukłą i wklęsłą, co pozwala na przetłoczenie mniejszej ilości materiału. Stopień odkształcenia jest niewielki, stopień utwardzenia na zimno jest niski, a na zaokrąglonych rogach stempla nie występuje korzystne tarcie. Obszar, który musi przenosić siłę tłoczenia, jest niewielki. Dlatego ta część stała się „niebezpieczną sekcją”, która jest najbardziej narażona na pęknięcie podczas głębokiego tłoczenia.

3. Zmiany grubości ścianek części głęboko tłoczonych

Nierównomierna grubość ścianek głęboko tłoczonych części jest widoczna na zdjęciu. Zdjęcie przedstawia zmianę grubości ścianki głowicy eliptycznej ze stali węglowej podczas tłoczenia, a zdjęcie przedstawia zmianę grubości ścianki cylindra kołnierzowego za pomocą uchwytu do wykrojów.

4. Wymagania procesowe dla obróbki metodą głębokiego tłoczenia

Proces głębokiego tłoczenia może być stosowany do obróbki części o złożonych kształtach i uzyskiwania cienkościennych detali o kształtach cylindrycznych, schodkowych, stożkowych, kwadratowych, kulistych i innych nieregularnych. Dokładność obróbki części głębokotłocznych zależy jednak od wielu czynników, takich jak właściwości mechaniczne i grubość materiału, konstrukcja i dokładność formy, liczba procesów i ich kolejność itp. Dokładność wytwarzania części głębokotłocznych zazwyczaj nie jest wysoka, a odpowiednia dokładność jest poniżej poziomu IT11. 

Jednocześnie, ze względu na wpływ odkształceń podczas głębokiego tłoczenia, podatność na obróbkę części głęboko tłoczonych bezpośrednio wpływa na to, czy można je wykorzystać w najbardziej ekonomiczny i prosty sposób. Obróbka odbywa się metodą głębokiego tłoczenia, a nawet wpływa na możliwość obróbki części metodą głębokiego tłoczenia. Wymagania procesowe dla części głęboko tłoczonych są następujące.

Dokładność konstrukcji i formy, liczba procesów i ich kolejność itp. Dokładność wykonania części głębokotłoczonych zazwyczaj nie jest wysoka, a odpowiednia dokładność jest poniżej poziomu IT11. Jednocześnie, ze względu na wpływ odkształceń podczas głębokiego tłoczenia, podatność na obróbkę części głębokotłoczonych bezpośrednio wpływa na to, czy można je wykorzystać w najbardziej ekonomiczny i prosty sposób. Obróbka odbywa się metodą głębokiego tłoczenia, a nawet wpływa na możliwość obróbki części metodą głębokiego tłoczenia. Wymagania procesowe dla części głębokotłoczonych są następujące.

4.1 Kształt części głęboko tłoczonych powinien być jak najprostszy i symetryczny. Projektując części głęboko tłoczone, należy uwzględnić technologię ich obróbki oraz w miarę możliwości zastosować formę, która jest łatwiejsza do formowania i spełnia wymagania użytkowe. Rysunek przedstawia klasyfikację według stopnia trudności formowania metodą głębokiego tłoczenia. Na rysunku stopień trudności formowania różnych typów części głęboko tłoczonych rośnie od góry do dołu. 

Trudność wykonania podobnych części głęboko tłoczonych rośnie od lewej do prawej. Wśród nich: e oznacza minimalną długość prostej krawędzi, f oznacza maksymalny rozmiar części głęboko tłoczonej, a oznacza długość krótkiej osi, a 6 oznacza długość długiej osi.

4.2 W przypadku walcowych części ciągnionych z kołnierzami, podczas ciągnienia przy użyciu uchwytu do wykrojów, najbardziej odpowiedni kołnierz mieści się w następującym zakresie:

4.3 Głębokość rysunku nie powinna być zbyt duża (tj. H nie powinno przekraczać 2d). Jeśli rysunek można wykonać jednorazowo, jego wysokość powinna wynosić:

4.4 W przypadku cylindrycznych części ciągnionych promień zaokrąglenia r między dnem a ścianką powinien spełniać warunek ra>t, a promień zaokrąglenia między kołnierzem a ścianką r>2t. Z perspektywy warunków sprzyjających odkształceniu, najlepiej przyjąć r ≈(3~5)t, r≈(4~8)t. Jeśli r (lub r)>(0,1~0,3)t, można dodać kształtowanie.

Struktura formy kreślarskiej i jej wybór

Chociaż kształty części tłoczonych metodą głębokiego tłoczenia są zróżnicowane, konstrukcja ciągadeł jest stosunkowo znormalizowana. W zależności od warunków pracy i używanego sprzętu, konstrukcja ciągadeł również się różni. Wybór konstrukcji ciągadła zazwyczaj wymaga niezbędnych obliczeń procesowych, a następnie odpowiedniego doboru planu procesu ciągnienia.

Obróbka tłoczenia głębokiego może być wykonywana na prasach jednostronnego działania, dwustronnego działania lub trójstronnego działania. Tłoczniki stosowane na prasach jednostronnego działania można podzielić na dwa rodzaje: tłoczniki jednostronnego działania oraz tłoczniki jednostronnego działania i kolejne. W zależności od zastosowania dociskacza wykrojnika, można je podzielić na dwa rodzaje: z dociskaczem wykrojnika i bez dociskacza wykrojnika. W zależności od rodzaju prasy, można je podzielić na tłoczniki stosowane na prasach jednostronnego działania, tłoczniki stosowane na prasach dwustronnego działania itd.

1. Pierwsza kostka do rysowania

Zdjęcie przedstawia pierwszą matrycę do głębokiego tłoczenia bez uchwytu krawędziowego. Podczas tłoczenia należy najpierw umieścić płaski wykrój w płycie pozycjonującej matrycy, a stempel porusza się w dół, napędzany suwakiem prasy, wciskając wadliwy materiał do matrycy, aż cały wadliwy materiał zostanie wciągnięty do matrycy i wykonany. Górny koniec głęboko tłoczonego przedmiotu przekracza pierścień zgarniający. Gdy suwak prasy przesuwa stempel w górę, pierścień zgarniający zgarnia przedmiot obrabiany ze stempla, kończąc proces głębokiego tłoczenia.

Pierwszy stempel ciągarski bez uchwytu krawędziowego jest zazwyczaj używany do płytkich elementów tłoczonych o małej głębokości tłoczenia, które można tłoczyć jednorazowo. W przypadku małych stempli, całą konstrukcję można przyjąć i zamocować za pomocą płytki mocującej stempel. Aby zapobiec przywieraniu przedmiotu obrabianego do stempla, na stemplu należy wykonać otwory wentylacyjne.

Rysunek a przedstawia standardową matrycę wklęsłą z płaskim końcem i łukami, która nadaje się głównie do obróbki dużych detali. Rysunek b przedstawia stożkowy otwór matrycy, a rysunek c – wklęsły otwór matrycy o kształcie ewolwenty. Nadają się one do obróbki małych detali. Ponieważ struktura matrycy na rysunku bc przedstawia zakrzywiony kształt przejściowy wykroju podczas ciągnienia, rozmiar matrycy wzrasta. 

Zdolność przeciwdziałania niestabilności, siła wlotu matrycy na strefę odkształcenia wykroju pomaga również w wytworzeniu stycznego odkształcenia ściskającego, zmniejszając opór tarcia i opór na odkształcenia zginające, co jest korzystne w przypadku odkształceń głębokiego tłoczenia i może poprawić jakość części, ale obróbka jest dłuższa i trudniejsza.

Rysunek b przedstawia pierwsze głębokie tłoczenie z elastycznym pierścieniem krawędziowym. Elastyczny pierścień krawędziowy jest zamontowany na górnej formie. Podczas ruchu stempla w dół, wadliwy materiał jest mocno dociskany pod wpływem siły sprężyny, dzięki czemu znajduje się on blisko wklęsłej części podczas procesu tłoczenia.

Ze względu na ograniczoną przestrzeń górnej formy, nie można w niej zamontować grubych sprężyn, dlatego ten typ formy nadaje się jedynie do tłoczenia detali o niskim ciśnieniu. Zazwyczaj jest ona stosowana do tłoczenia detali z cienkich materiałów, o małej głębokości i podatnych na marszczenie.

Podczas tłoczenia detalu o dużej głębokości wymagana jest większa sprężyna (lub guma), a jej montaż jest utrudniony, jeśli sprężyna jest nadal umieszczona w górnej części formy. Dlatego można zastosować konstrukcję zamontowaną w dolnej części, aby ułatwić regulację siły docisku wykrojnika.

2. Forma do głębokiego tłoczenia za każdym razem po pierwszym użyciu

Rysunek a przedstawia pierwsze i kolejne głębokie ciągnienia bez uchwytu wykrojnika. Urządzenie to umożliwia ciągnienie półproduktów, które zostały poddane głębokiemu tłoczeniu do określonego rozmiaru, a następnie ponowne głębokie tłoczenie. Zasadniczo można je stosować w zastosowaniach, w których stopień odkształcenia nie jest duży, a grubość ścianek tłoczonych elementów musi być jednolita. 

Należy zapewnić dokładność średnicy i wymiarów detali obrabianych poprzez delikatne pocienienie. W przypadku tego rodzaju form, zazwyczaj w celu zapobiegania stratom tarcia, długość prostej ścianki roboczej wklęsłej formy musi zostać maksymalnie skrócona.

Rysunek b przedstawia konstrukcję tłocznika dla pierwszego i kolejnych cykli tłoczenia detali cylindrycznych z pierścieniami krawędziowymi. Pozycjoner 11 ma konstrukcję tulejową i jednocześnie dociska i pozycjonuje krawędź. Siła docisku jest zapewniana przez siłę cylindra przenoszoną przez wypychacz 13. 

Aby zapobiec powstawaniu zmarszczek podczas głębokiego tłoczenia materiału, położenie sworznia wypychacza ograniczającego 3 można regulować, dostosowując siłę nacisku. Wielkość siły nacisku krawędzi pozwala na zrównoważenie siły nacisku na krawędź, zapobiegając jednocześnie zbyt mocnemu zaciśnięciu wadliwego materiału.

Działanie formy jest następujące: suwak stempla przesuwa się w górę, forma zostaje otwarta, a sworzeń wyrzutnika 13 podnosi pozycjoner 11 do stempla 1 przez płytę mocującą pozycjoner 12 pod działaniem cylindra prasy.

Powierzchnie czołowe są równe. W tym momencie wytłoczony wykrój jest wkładany do zewnętrznego pierścienia pozycjonera 11. Suwak prasy zaczyna się przesuwać w dół. Kołek wypychacza krańcowego 3 zaczyna stykać się z górną powierzchnią czołową płyty mocującej pozycjoner 12. Jednocześnie matryca 2 również zaczyna stykać się z górną powierzchnią czołową pozycjonera 11, a w miarę jak prasa

W miarę jak suwak stopniowo przesuwa się w dół, wypychacz krańcowy 3 stopniowo naciska na płytkę mocującą pozycjoner 12, a matryca 2 i pozycjoner 11 współpracują ze sobą, stopniowo przekształcając półprodukt w produkt gotowy. Po zakończeniu tłoczenia wypychacz 13 dociska pozycjoner 11 do górnej powierzchni stempla 1 pod wpływem działania cylindra prasy. Jednocześnie młotek 7 wypycha wytłoczone detale z gniazda formy żeńskiej 2.

W przypadku części głęboko tłoczonych o średnicy d ≤ 100 oraz części głęboko tłoczonych z kołnierzami lub o złożonych kształtach, w celu ułatwienia formowania metodą głębokiego tłoczenia, należy zwrócić uwagę na prawidłową relację między kształtem a rozmiarem stempli w poprzednim i kolejnym procesie, tak aby kształty i rozmiary stempli wykonanych w poprzednich procesach były prawidłowe. Kształt wykroju pośredniego sprzyja formowaniu w kolejnych procesach. Zależność między wymiarami każdego procesu tłoczenia a promieniem zaokrąglenia przedstawiono na rysunku a, gdzie t jest grubością materiału.

W przypadku dużych i średnich cylindrycznych części głębokotłocznych o średnicy d>100, w przypadku pierwszych kilku rysunków i głębokiego tłoczenia przed ostatecznym formowaniem, narożniki cylindrów często wykorzystują strukturę połączenia pod kątem 45°, aby uniknąć nadmiernej ilości materiału na zaokrąglonych narożnikach. Jest ona cieńsza i sprzyja głębokiemu tłoczeniu. Taka struktura nie tylko ułatwia lokalizację włosa w kolejnym procesie, ale także zmniejsza konieczność wielokrotnego zginania i ustawiania włosa, poprawia warunki odkształcania materiału podczas głębokiego tłoczenia i zmniejsza jego ścieńczenie. 

Pomocna jest poprawa jakości ścianek bocznych elementów tłoczonych. Należy jednak pamiętać, że średnica dolna powinna być równa średnicy zewnętrznej stempla podczas kolejnego procesu ciągnienia. Zależność między promieniem zaokrąglenia stempla i matrycy wklęsłej a promieniem zaokrąglenia pierścienia krawędziowego w procesach przednim i tylnym jest przedstawiona na rysunku b.

3. Tłocznik do prasy dwustronnego działania

Podczas używania prasy dwustronnego działania do głębokiego tłoczenia, suwak zewnętrzny dociska krawędź, a suwak wewnętrzny wtłacza materiał w głąb. Części głęboko tłoczone pokazane na rysunku a są bezpośrednio wycinane i ciągnione z pasków, a następnie przetwarzane za pomocą prasy dwustronnego działania.

Rysunek b przedstawia schematyczny diagram struktury formy dla powyższych części. Po ustawieniu paska za pomocą sworznia pozycjonującego 2, uchwyt wykrojnika 7 i dolna podstawa matrycy 1 współpracują ze sobą, aby wykonać wykrawanie. Wypukła matryca ciągnąca 4 i wklęsła matryca ciągnąca 3 są wypychane. Bloki 6 współpracują ze sobą, aby wytłoczyć i ukształtować wadliwy materiał po wykrojeniu. Na koniec sworzeń wypychacza 5 napędza blok wypychacza 6, aby wypchnąć wytłoczone części z wnęki wklęsłej matrycy ciągnącej 3.