Глубокая вытяжка листового металла
Глубокая вытяжка листового металла
Глубокая вытяжка Это процесс штамповки, при котором плоский листовой материал пропускается через вогнутую матрицу под давлением пуансона для формирования открытой полой детали. Среди различных видов деталей из листового металла глубокая вытяжка часто используется для обработки различных круглых простых деталей, полусферических и параболических днищ, изготовленных из более крупных или толстых материалов.
Процесс глубокой вытяжки и требования
Как правило, глубокая вытяжка выполняется с помощью вытяжного штампа под давлением пресса. Обычно применяется холодная вытяжка, а горячая — только для глубокой вытяжки более толстых листов с большими наружными размерами или более значительными деформациями.
1. Процесс рисования
На рисунке показан процесс вытяжки, при котором круглая плоская пластина диаметром D и толщиной t помещается в позиционное отверстие штампа и вытягивается в цилиндрическую деталь.
В процессе глубокой вытяжки, под действием изгибающего момента, создаваемого силой вытяжки F и зазором Z между выпуклым и вогнутым штампами, выпуклая форма опускается вниз, соприкасаясь с листом, а затем оказывает давление вниз, вызывая изгиб и вогнутость листа, направляемого закруглёнными углами выпуклого и вогнутого штампов. При опускании пуансона в отверстие штампа листовой материал медленно разделяется на три части: дно, стенку и фланец; по мере опускания пуансона дно практически не перемещается, а кольцевой фланец продолжает сжиматься по направлению к отверстию и втягивается в полость.
Отверстие пресс-формы превращается в цилиндрическую стенку, поэтому стенка цилиндра постепенно увеличивается, а фланец постепенно сжимается. Наконец, фланец полностью втягивается в отверстие пресс-формы и превращается в цилиндрическую стенку, и процесс вытяжки завершается. Круглый лист превращается в открытый полый цилиндр диаметром d1 и высотой h.
2. Анализ деформации при глубокой вытяжке
Согласно процессу деформации вытяжки, можно сказать, что процесс вытяжки представляет собой процесс, при котором кольцевой фланец постепенно сжимается и течет к отверстию фильеры, превращаясь в стенку цилиндра. Процесс глубокой вытяжки представляет собой относительно сложный процесс пластической деформации, и каждый поврежденный участок волоса можно разделить на несколько областей в зависимости от условий его деформации.
2.1 Дно цилиндра: Круглая часть, в которую нижняя часть пуансона вдавливается и контактирует с центральной частью листа, называется дном. В процессе вытяжки эта область всегда сохраняет плоскую форму и подвергается равномерному радиальному растяжению. Можно считать, что пластическая деформация отсутствует или имеет небольшую область пластической деформации, а материал дна передаёт усилие пуансона на стенку цилиндра, создавая в ней осевое растягивающее напряжение.
2.2 Фланцевая часть: кольцевая область матрицы – это фланец, который является основной зоной деформации при глубокой вытяжке. Во время глубокой вытяжки материал фланца создает радиальное растягивающее напряжение, вызванное силой вытяжки. При усадке и течении материала к отверстию матрицы, материалы сжимают друг друга, создавая тангенциальное сжимающее напряжение 3. Его функция аналогична протягиванию секторной части заготовки F через воображаемую клиновидную канавку, что приводит к деформации F, как показано на рисунке.
При большом размере фланца и малой толщине листового материала фланцевая часть теряет устойчивость из-за тангенциальных сжимающих напряжений при вытяжке, образуя так называемый «эффект сморщивания». Поэтому для прессования фланца часто используют держатель заготовки. Выполняют прессование кромки.
2.3 Простая стенка: Это деформированная область, образованная потоком материала фланцевой части, который формируется за счёт тангенциального сжатия, радиального растяжения и усадки, и которая практически не подвергается значительной деформации. При продолжении вытяжки она выполняет функцию передачи усилия вытяжки от пуансона к фланцу. Сам материал простой стенки воспринимает однонаправленные растягивающие напряжения в процессе передачи усилия вытяжки, слегка удлиняясь в продольном направлении и немного утолщаясь. Наблюдается утонение.
2.4 Скруглённая угловая часть вогнутой матрицы: переходная часть, где фланец соединяется со стенкой цилиндра. Деформация материала здесь более сложная. Помимо тех же характеристик, что и фланцевая часть, она подвержена радиальным растягивающим и тангенциальным сжимающим напряжениям. Она также испытывает сильное сжимающее напряжение, возникающее при выдавливании и изгибе галтели матрицы.
2.5 Закруглённая часть пуансона: переходная часть, где гладкая стенка соединяется с дном цилиндра, подвергается растягивающим напряжениям в радиальном и тангенциальном направлениях, а утолщённая часть подвергается выдавливанию и изгибу закруглённой части пуансона, создавая сжимающие напряжения. В процессе вытяжки радиальное направление удлиняется, а толщина уменьшается. Наиболее сильное утонение происходит в месте соединения закруглённого угла пуансона со стенкой цилиндра.
В начале вытяжки она находится между выпуклой и вогнутой матрицами, поэтому требуется перенос меньшего количества материала. Степень деформации невелика, степень наклепа низкая, а полезное трение на скругленных углах пуансона отсутствует. Площадь, необходимая для передачи силы вытяжки, мала. Поэтому эта часть стала «опасным участком», подверженным наибольшему риску разрушения при глубокой вытяжке.
3. Изменение толщины стенки деталей, изготовленных методом глубокой вытяжки
На рисунке видна неравномерная толщина стенок деталей, полученных глубокой вытяжкой. На рисунке показано изменение толщины стенки эллиптической головки из углеродистой стали в процессе вытяжки, а на рисунке – изменение толщины стенки фланцевого цилиндра при использовании держателя заготовки.
4. Требования к процессу глубокой вытяжки
Метод глубокой вытяжки позволяет обрабатывать детали сложной формы, получая тонкостенные детали цилиндрической, ступенчатой, конической, квадратной, сферической и различной неправильной формы. Однако точность обработки деталей глубокой вытяжки зависит от многих факторов, таких как механические свойства и толщина материала, конструкция и точность пресс-формы, количество и последовательность технологических операций и т. д. Точность изготовления деталей глубокой вытяжки, как правило, невысокая и не достигает уровня IT11.
В то же время, благодаря влиянию характеристик деформации при глубокой вытяжке, технологичность деталей, изготовленных методом глубокой вытяжки, напрямую влияет на экономичность и простоту их использования. Это влияет на возможность обработки детали методом глубокой вытяжки и, в конечном итоге, на возможность обработки детали методом глубокой вытяжки. Требования к технологическому процессу для деталей, изготовленных методом глубокой вытяжки, следующие.
Точность конструкции и формы, количество и последовательность технологических операций и т.д. Точность изготовления деталей, изготовленных методом глубокой вытяжки, как правило, невысокая, а соответствующая точность ниже уровня IT11. В то же время, из-за влияния характеристик деформации при глубокой вытяжке, обрабатываемость деталей, изготовленных методом глубокой вытяжки, напрямую влияет на экономичность и простоту их использования. Обработка методом глубокой вытяжки влияет на возможность обработки детали методом глубокой вытяжки. Требования к технологическому процессу изготовления деталей, изготовленных методом глубокой вытяжки, следующие.
4.1 Форма деталей, изготовленных методом глубокой вытяжки, должна быть максимально простой и симметричной. При проектировании деталей, изготовленных методом глубокой вытяжки, следует учитывать технологию их обработки и максимально использовать форму, которая легче формуется и отвечает эксплуатационным требованиям. На рисунке представлена классификация по сложности формовки деталей, изготовленных методом глубокой вытяжки. На рисунке сложность формовки различных типов деталей, изготовленных методом глубокой вытяжки, возрастает сверху вниз.
Сложность изготовления аналогичных деталей глубокой вытяжки возрастает слева направо. Среди них: e — минимальная длина прямой кромки, f — максимальный размер детали глубокой вытяжки, a — длина короткой оси, а 6 — длина длинной оси.
4.2 Для цилиндрических вытяжных деталей с фланцами при вытяжке с помощью заготовкодержателя наиболее подходящим фланцем является фланец в следующем диапазоне:
4.3 Глубина рисунка не должна быть слишком большой (т.е. H не должна превышать 2d). Если рисунок можно нарисовать за один раз, его высота должна быть предпочтительно:
4.4 Для цилиндрических вытяжных деталей радиус скругления r между дном и стенкой должен удовлетворять условию ra>t, а радиус скругления r между фланцем и стенкой должен удовлетворять условию r>2t. С точки зрения условий, благоприятствующих деформации, наиболее целесообразно принимать r ≈(3~5)t, r ≈(4~8)t. Если r (или r)>(0,1~0,3)t, допускается формообразование.
Конструктивная форма волочильного штампа и ее выбор
Несмотря на разнообразие форм деталей, получаемых методом глубокой вытяжки, конструкция волочильных штампов относительно стандартизирована. В зависимости от условий вытяжки и используемого оборудования, конструкция волочильных штампов также различается. Выбор конструкции волочильного штампа, как правило, требует проведения необходимых технологических расчётов, после чего можно выбрать соответствующую схему процесса вытяжки.
Глубокая вытяжка может выполняться на прессах простого действия, двух- или трёх-действия. Вытяжные штампы, работающие на прессах простого действия, можно разделить на два типа: штампы для первичной вытяжки и штампы для первичной и последующей вытяжки. В зависимости от наличия держателя заготовки, вытяжные штампы делятся на два типа: с держателем заготовки и без держателя заготовки. В зависимости от типа пресса вытяжные штампы делятся на штампы для прессов простого действия, штампы для прессов двойного действия и т. д.
1. Первый волочильный штамп
На рисунке показан первый штамп для глубокой вытяжки без режущей кромки. При вытяжке сначала поместите плоскую заготовку в позиционирующую пластину штампа, и пуансон, приводимый в движение ползуном пресса, опускается вниз, вдавливая дефектный материал в штамп, пока весь дефектный материал не будет втянут в штамп и изготовлен. Верхний конец заготовки для глубокой вытяжки выступает за пределы скребкового кольца. Когда ползун пресса поднимает пуансон вверх, скребковое кольцо счищает заготовку с пуансона, завершая процесс глубокой вытяжки.
Первый волочильный штамп без держателя кромки обычно используется для неглубокой вытяжки деталей, которые можно выдавливать за один проход. При небольшом размере пуансона вся конструкция может быть закреплена и закреплена фиксирующей пластиной пуансона. Чтобы предотвратить плотное прилипание заготовки к пуансону, на пуансоне следует предусмотреть вентиляционные отверстия.
На рисунке a показана обычная матрица с плоским концом и вогнутыми дугами, которая подходит в основном для обработки крупногабаритных деталей. На рисунке b показано коническое отверстие матрицы, а на рисунке c – вогнутое отверстие матрицы с эвольвентной формой. Они подходят для обработки мелких деталей. Поскольку конструкция матрицы, показанной на рисунке bc, демонстрирует криволинейную форму перехода заготовки при вытяжке, размер увеличивается.
Противонестабильная способность, сила, действующая со стороны входного отверстия штампа на зону деформации заготовки, также способствует возникновению тангенциальной деформации сжатия, снижая сопротивление трению и сопротивление изгибу, что благоприятно сказывается на деформации глубокой вытяжки и может улучшить качество детали, но обработка более трудоемка.
На рисунке b показана первая глубокая вытяжка с эластичным краевым кольцом. Упругое краевое кольцо установлено на верхней форме. При движении пуансона вниз дефектный материал плотно прижимается под действием силы пружины, так что в процессе вытяжки он оказывается близко к вогнутой части.
Из-за ограниченного пространства в верхней части пресс-формы невозможно установить толстые пружины, поэтому данный тип пресс-формы подходит только для вытяжки деталей с низким давлением. Обычно он используется для вытяжки деталей из тонких материалов, с небольшой глубиной и склонных к сминанию.
При вытяжке заготовки большой глубины требуется более мощная пружина (или резина), и её установка затруднительна, если пружина всё ещё находится в верхней части формы. Поэтому для облегчения регулировки усилия прижима заготовки можно использовать конструкцию, устанавливаемую в нижней части.
2. Глубокая вытяжка для каждого последующего раза
На рисунке а показаны первая и последующие глубокая вытяжка без держателя заготовки. Этот метод позволяет вытягивать заготовки, подвергнутые глубокой вытяжке до определённого размера, а затем снова подвергать их глубокой вытяжке. В целом, он может применяться в случаях, когда степень деформации невелика, а толщина стенок вытягиваемых деталей должна быть равномерной.
Обеспечить точность диаметра и размеров заготовок с помощью небольшого утонения. Для пресс-форм такого типа, как правило, для предотвращения потерь на трение необходимо максимально уменьшить длину прямой рабочей части стенки вогнутой пресс-формы.
На рисунке b показана конструкция штампа для первого и последующих этапов штамповки цилиндрических деталей с кольцевыми кромками. Позиционер 11 имеет гильзообразную конструкцию и одновременно выполняет функции прессования и позиционирования кромок. Усилие прессования обеспечивается усилием цилиндра, передаваемым выталкивателем 13.
Чтобы предотвратить образование складок при глубокой вытяжке материала, можно отрегулировать положение ограничительного выталкивающего штифта 3, регулируя давление. Величина усилия на кромке позволяет сбалансировать усилие держателя кромки, предотвращая слишком сильное зажатие материала.
Рабочий процесс пресс-формы следующий: ползун пуансона движется вверх, пресс-форма открывается, и выталкиватель 13 под действием прессового цилиндра через фиксирующую плиту позиционера 12 поднимает позиционер 11 к пуансону 1.
Торцы заподлицо. В этот момент вытянутая заготовка вставляется в наружное кольцо позиционера 11. Ползун пресса начинает движение вниз. Ограничительный выталкиватель 3 начинает контактировать с верхним торцом фиксирующей пластины позиционера 12. Одновременно с этим матрица 2 также начинает контактировать с верхней торцевой поверхностью позиционера 11, и по мере продвижения пресса
При постепенном движении ползуна вниз концевой выталкиватель 3 постепенно нажимает на фиксирующую пластину позиционера 12, а матрица 2 и позиционер 11, взаимодействуя, постепенно вытягивают полуфабрикат в готовое изделие. После завершения вытяжки выталкиватель 13 под действием цилиндра пресса прижимает позиционер 11 к верхней торцевой поверхности пуансона 1. Одновременно с этим ударник 7 выталкивает вытянутые детали из полости матрицы 2.
Для деталей глубокой вытяжки диаметром d ≤ 100, а также деталей глубокой вытяжки с фланцами или сложной формы, для облегчения формовки методом глубокой вытяжки следует уделять внимание правильному соотношению формы и размеров штампов, используемых в предыдущем и последующем процессах, чтобы обеспечить правильную форму и размеры пуансонов, полученных в предыдущих процессах. Форма промежуточной заготовки должна быть благоприятной для формовки в последующих процессах. Соотношение между размерами каждого процесса вытяжки и радиусом его скругления показано на рисунке а, где t – толщина материала.
Для цилиндрических деталей больших и средних размеров, изготовленных методом глубокой вытяжки (диаметром d>100), на первых этапах вытяжки и глубокой вытяжки перед окончательной формовкой углы цилиндров часто скошены под углом 45°, что позволяет избежать излишков материала на скругленных углах. Такая конструкция более тонкая и способствует глубокой вытяжке. Такая конструкция не только облегчает позиционирование волосков в следующем процессе, но и уменьшает количество повторных изгибов и позиционирования волосков, улучшает условия деформации материала при глубокой вытяжке и уменьшает его истончение.
Это способствует улучшению качества боковых стенок штампованных деталей. Однако следует учитывать, что диаметр дна должен быть равен наружному диаметру пуансона при последующей вытяжке. Соотношение между радиусом скругления пуансона и вогнутой матрицы и радиусом скругления кромочного кольца в переднем и заднем процессах показано на рисунке b.
3. Вытяжной штамп для пресса двойного действия
При использовании пресса двойного действия для глубокой вытяжки внешний ползун прессует кромку, а внутренний ползун производит глубокую вытяжку. Глубоковытянутые детали, показанные на рисунке а, вырезаются и вытягиваются непосредственно из полос и обрабатываются на вытяжном прессе двойного действия.
На рисунке b представлена схематическая диаграмма конструкции пресс-формы для вышеуказанных деталей. После позиционирования полосы позиционирующим штифтом 2 держатель заготовки 7 и нижнее основание штампа 1 совместно осуществляют вырубку. Вытяжной выступ 4 и вогнутый штамп 3 выталкиваются. Блоки 6 совместно вытягивают и формуют бракованный материал после вырубки. Наконец, выталкивающий штифт 5 приводит в действие блок выталкивателя 6, выталкивая вытянутые детали из полости вогнутого штампа 3.
