Бесшовный корпус, изготовленный из одной плоской заготовки, обходится очень дешево в расчете на одну деталь — до тех пор, пока конструкция не потребует растяжения металла сверх возможностей одного хода. Тогда заготовка разрывается, для инструмента требуется дополнительная станция, и утвержденная смета уже не покрывает стоимость работ. Процесс глубокой вытяжки выгоден тем заказчикам, которые проверяют соответствие геометрии предельным возможностям материала до начала изготовления инструмента.
В данном руководстве описаны этапы процесса, коэффициенты, ограничивающие глубину, марки листов, которые следует заказывать, а также способы предотвращения типичных дефектов.
Что такое процесс глубокой вытяжки?
Глубокая вытяжка — это метод формовки листового металла, при котором пуансон вдавливает плоскую заготовку в полость матрицы для изготовления полой детали с закрытым дном, такой как стакан, банка или коробка. Удерживатель заготовки зажимает фланец, обеспечивая подачу заготовки без образования складок. Корпус не имеет швов, а после нескольких циклов вытяжки его глубина может превышать диаметр.
В отличие от гибки, металл деформируется. На сжимающемся фланце возникает кольцевое сжимающее напряжение, тогда как стенка испытывает растягивающее напряжение.
Как работает этот процесс: пошаговое руководство
- Заготовка. Из рулона вырезается заготовка, размер которой соответствует площади детали с припуском на обрезку.
- Зажим. Устройство удержания заготовки прижимает заготовку к поверхности матрицы с регулируемым усилием.
- Первая операция вытяжки. Пуансон вытягивает фланец по радиусу матрицы, формируя широкую и неглубокую чашу.
- Повторная обработка. Более глубокие участки обрабатываются повторно с помощью инструментов меньшего размера — обычным или обратным способом.
- При необходимости проводится промежуточный отжиг. Холодная обработка приводит к упрочнению металла; термическая обработка между этапами волочения восстанавливает пластичность. Наша руководство по отжигу объясняет, как это сделать.
- Глажка, если это предусмотрено. Плотно прилегающая матрица уменьшает толщину стенки и выравнивает её, как, например, в банках для напитков.
- Обрезка. Неровный край обрезается, после чего деталь проходит проверку.
Параметры инструмента, определяющие успех
В конспектах лекций по формовке листового металла Университета Конкордия перечислены основные переменные:
- Зазор. Примерно в 1,1 раза больше толщины заготовки, или примерно на 10% больше, чем у листа.
- Радиус формы. Если он слишком мал, стенка разрывается; если слишком велик, неподдерживаемый фланец морщится.
- Радиус пробива. Если он слишком острый, чашка расколется у основания.
- Сила зажима. Слишком низкая сила приводит к появлению складок на фланце; слишком высокая — к остановке подачи и разрыву стенки.
- Смазка. Смазочные составы снижают трение под фланцем и по радиусу матрицы.
- Скорость пробивки. Оптимальная скорость зависит от материала и смазочного вещества.
На каких прессах изготавливаются гильзы с вытянутым корпусом?
Гидравлические прессы обеспечивают полное усилие на протяжении всего хода при контролируемой скорости. Механические прессы работают быстрее и подходят для производства неглубоких чашек с использованием трансферных пресс-форм при серийном производстве. Сервопрессы обеспечивают программируемое движение суппорта, но стоят дороже. Для изготовления глубоких деталей небольшими партиями гидравлический пресс с опорной подушкой обычно является более надежным выбором, поскольку усилие и скорость можно настроить на этапе пробного производства.
Что такое масштаб чертежа и почему он ограничивает глубину?
Коэффициент вытяжки (DR) представляет собой отношение диаметра заготовки к диаметру пуансона; это самый быстрый способ оценить степень сложности цилиндрической вытяжки. В конспекте лекций этот показатель рассматривается в сочетании с двумя другими показателями:
| Мера | Формула | Приблизительный лимит на один розыгрыш |
| Коэффициент растяжения (DR) | Db / Dp | Ниже примерно 2,0 |
| Сокращение (r) | (Db − Dp) / Db | Менее 0,5 |
| Отношение толщины к диаметру | т / дБ | Более 1%; при меньших значениях ткань быстрее морщится |
В лекции по анализу глубокой вытяжки Университета Мустансирия приводятся те же предельные значения и отмечается, что фактический предел зависит от радиусов инструмента, трения, глубины вытяжки, а также пластичности и направленности листа. При превышении этих значений деталь требует двух или более этапов вытяжки, иногда с прокалкой между ними.
Это приблизительные правила. Предельный коэффициент вытяжки (LDR) — это наибольший размер заготовки, которую материал можно вытянуть в форму чашки без разрушения, деленный на диаметр пуансона. Он зависит от марки материала и инструмента, поэтому значение 2,0 следует рассматривать как ориентировочное для любой операции вытяжки, а не как гарантированное.
Пример с расчетами: размер заготовки, DR и усилие для цилиндрической чашки
Возьмите чашку с внутренним диаметром 50 мм и высотой 40 мм, вытянутую из листа толщиной 1,0 мм, не учитывая радиусы углов, утончения и обрезки:
- Диаметр заготовки. Установить площадь заготовки равной площади детали: Db = √(Dp² + 4·Dp·h) = √(2 500 + 8 000) ≈ 102,5 мм.
- Один забор? DR = 102,5 / 50 = 2,05, а r = 0,51. Оба показателя превышают допустимые пределы, а t/Db составляет 0,98%. Запланируйте два забора.
- Два этапа вытяжки. Сначала вытяжка до 60 мм (DR 1,71, r 0,41), затем повторная вытяжка с 60 до 50 мм.
- Усилие при первом вытяжении. Используя формулу F = π·Dp·t·TS·(Db/Dp − 0,7) и примерное значение предела прочности на разрыв 300 МПа: F ≈ 57 кН, что составляет примерно 6,4 американских тонн до учета запаса прочности.
- Усилие прижима. При использовании формулы Fh = 0,015·Y·π·[Db² − (Dp + 2,2t + 2Rd)²], с пределом текучести 175 МПа и радиусом матрицы 6 мм: около 41 кН.
Эти два показателя являются эталонными значениями для низкоуглеродистой стали, приведенными в лекции «Мустансирия». Используйте значения из сертификата завода для вашего рулона и добавьте запас на обрезку.
Выбор листовых материалов
| Семейство материалов | Для чего это используется | Обратите внимание на |
| Низкоуглеродистая сталь (марки для холодной штамповки) | Пластичный, недорогой | Требуется гальваническое покрытие или окраска; натяжение рамы |
| Нержавеющая сталь | Устойчивость к коррозии | Материал быстро упрочняется; может потребоваться дополнительная прокатка или отжиг |
| Алюминий | Легкий вес | Значение r ниже, чем у черновой стали; важную роль играет состояние закалки |
| Медь и латунь | Проводимость, легкость формовки | Мягкие поверхности легко царапаются |
Что касается нержавеющей стали, см. наш Сравнение нержавеющей стали марок 304 и 316. Что касается алюминия, то в нашем руководстве по Расшифровка обозначений алюминиевых сплавов и состояний объясняет, почему одного только номера сплава недостаточно.
Заказывайте чертежную сталь по маркировке, а не как “низкоуглеродистая сталь”
В стандарте ASTM A1008/A1008M, касающемся холоднокатаных листов из углеродистой стали, в качестве отдельных обозначений указаны коммерческая сталь (CS), сталь для волочения (DS), сталь для глубокой вытяжки (DDS) и сталь для сверхглубокой вытяжки (EDDS). Если в чертеже указано только “CRS”, допускается использование стали общепромышленного назначения. Наша позиция: для любой оболочки, находящейся вблизи предела глубокой вытяжки (DR), необходимо указывать в чертеже обозначения DDS или EDDS и запрашивать заводские сертификаты. Выявление замены марки во время испытаний обходится гораздо дороже, чем указание нужной марки изначально.
Проверьте значение r
Коэффициент пластической деформации, или коэффициент r (в отличие от коэффициента редукции r), характеризует сопротивляемость листа истончению. Стандарт ASTM E517 определяет методику испытаний коэффициента r для листов, предназначенных для глубокой вытяжки. Более высокое среднее значение r повышает показатель LDR. Типичные диапазоны, приведенные в материалах «Concordia», варьируются в зависимости от условий обработки, поэтому необходимо проверить свой рулон:
| Лист | Типичное среднее значение r |
| Холоднокатаная сталь с добавлением алюминия | 1.4–1.8 |
| Холоднокатаная сталь с ободом | 1.0–1.4 |
| Нержавеющие стали | 0.9–1.2 |
| Горячекатаная сталь | 0.8–1.0 |
| Медь и латунь | 0.6–0.9 |
| Алюминиевые сплавы | 0.6–0.8 |
Распространенные дефекты при глубокой вытяжке и способы их предотвращения
| Дефект | То, что вы видите | Обычная причина | Типичное решение проблемы |
| Складчатость фланца | Радиальные ребра на фланце | Слишком низкая сила сцепления, низкое соотношение t/Db | Увеличить усилие зажима, добавить вытяжные бусины |
| Складки на стене | Выступы, выдавленные на стенке чашки | Помятый фланец, втянутый в матрицу | Сначала закрепите фланец; проверьте радиус матрицы |
| Разрыв | Трещина у основания чашки | Слишком высокое значение DR, резкий радиус пробива, избыточная сила сцепления | Нарисовать линию, открыть радиусы, смазать |
| Эринг | Волнистый верхний край с 4, 6 или 8 пиками | Плоская анизотропия в слое | Закажите лист с низкой анизотропией; добавьте припуск на обрезку |
| Царапины и потертости | Линии на стене | Некачественная обработка, недостаточная смазка | Польское оборудование, улучшение смазки |
| Апельсиновая корка | Шероховатая, галечная поверхность | Крупный размер зерен | Укажите лист с более мелкой зернистостью для изготовления косметических деталей |
| Растяжения связок | Неравномерные полосы на низкоуглеродистой стали | Удлинение в точке текучести (полосы Людерса) | Листовой прокат 0,5–1,51 TP3T толщиной |
В большинстве онлайн-руководств последние два пункта пропускаются, при этом в них отвергается использование косметических элементов. Уши образуются из-за того, что r зависит от направления; когда это различие равно нулю, уши не образуются.
Какие проблемы чаще всего возникают в производстве
Большинство проблем возникает на испытаниях, а не в САПР. Начерченный стакан, который в моделировании ровно разрывался при первом ударе, поскольку рулон отличался от моделируемого сорта. Каждое исправление требует снятия штампа, доработки радиуса и повторного моделирования.
Заказчики, которые утверждают чертеж до того, как поставщик проверит удельный сопротивление деформации (DR) и класс материала, зачастую впоследствии вынуждены оплачивать установку дополнительного оборудования. Моделирование методом конечных элементов снижает этот риск лишь в той мере, в какой данные о материалах являются точными.
Преимущества и ограничения глубокой вытяжки
Преимущества: бесшовные, герметичные корпуса; низкая себестоимость единицы продукции при крупных партиях; эффективное использование материала; жесткие детали, изготовленные из тонкого листа.
Ограничения: время на изготовление инструментов и наладку до получения первой бракованной детали; необходимость в дополнительных станциях для глубоких деталей; стенки тонкие у основания и утолщаются к краю, если не провести их выравнивание.
В каких случаях глубокая вытяжка является оптимальным решением?
К типичным деталям, изготовленным методом глубокой вытяжки, относятся корпуса аккумуляторов и датчиков, раковины, кухонная посуда, корпуса фильтров, корпуса автомобильных деталей, корпуса медицинского оборудования и гильзы для артиллерийских снарядов.
При изготовлении небольшого количества прототипов спиннинг, гидроформовка или механическая обработка обычно обходятся дешевле, поскольку для них требуется минимум специального инструмента. При серийном производстве вытяжка выигрывает по цене за единицу. Точка перехода зависит от размера, глубины и материала, поэтому следует предоставить расценки по обоим способам.
Что указать в чертеже и запросе предложений
- Материал по обозначению (например, DDS или EDDS), толщина и состояние
- Критические диаметры и глубина с указанием баз отсчёта и допусков
- Минимальная толщина стенки в точке радиуса основания, где степень истончения максимальна
- Припуск на обрезку или требования к внешнему виду края, поскольку ушки необходимо обрезать
- Косметические дефекты поверхности, такие как «апельсиновая корка» и растяжки, исключаются на раннем этапе
- Годовой объем производства и срок эксплуатации оборудования, от которых зависят количество отливок и тип пресса
Часто задаваемые вопросы
В чём заключается разница между глубокой вытяжкой и штамповкой?
Штамповка представляет собой обширное семейство прессовых операций: вырубка, пробивание, гибка, чеканка и вытяжка. Глубокая вытяжка является одной из них; при этом лист не разрезается и не гнется, а вытягивается в форму полой оболочки. Для этого требуются пуансон, матрица и прижим, а изготовление глубоко вытянутых деталей часто требует использования нескольких станций или прессов.
Какой показатель ограничительного расхода считается хорошим?
В университетских конспектах в качестве приблизительного предельного значения для одного цикла вытяжки цилиндрического стакана приводится значение около 2,0, при этом коэффициент уменьшения составляет менее 0,5. Фактическое значение зависит от марки материала, коэффициента r, радиусов матрицы и пуансона, смазки и глубины вытяжки. Рассматривайте значение 2,0 как ориентировочное и попросите своего поставщика подтвердить его собственными данными испытаний.
Как предотвратить разрывы и появление складок?
Следует соблюдать баланс силы сжатия: слишком малая сила приводит к образованию складок на фланце, а слишком большая — к остановке подачи и разрыву стенки. Следует выбирать достаточно большие радиусы матрицы и пуансона, смазывать фланец и радиус матрицы, а также удерживать степень вытяжки в пределах допустимых значений. Если деталь имеет слишком большую глубину, следует добавить дополнительный этап вытяжки, а не пытаться выполнить всю операцию за один ход.
Можно ли применять глубокую вытяжку для изготовления прототипов или мелких партий?
Это возможно, но из-за необходимости изготовления специального инструмента и проведения пробного производства стоимость единицы продукции при мелких партиях оказывается высокой. В случае небольших партий обычно дешевле использовать такие методы, как центрифугирование, гидроформовка или механическая обработка. Распространенный подход заключается в изготовлении прототипов другим способом, а затем — в изготовлении штампов, когда конструкция станет окончательной, а объемы производства оправдают вложения в штампы и пробное производство.
Что вызывает образование ушей на вытянутом стакане?
Возникновение выпуклости обусловлено плоскостной анизотропией: лист растягивается по-разному в разных направлениях относительно направления прокатки. В результате край чашки выпячивается, образуя четыре, шесть или восемь выпуклостей. Покупатели ограничивают это явление, заказывая листы с низкой плоскостной анизотропией и оставляя достаточный припуск на обрезку, чтобы неровный край можно было аккуратно обрезать.
Планирование процесса глубокой вытяжки для вашей следующей детали
Прежде чем запрашивать цены, проверьте геометрию. Рассчитайте размер заготовки, коэффициент вытяжки (DR) и соотношение t/Db, укажите марку стали и отметьте места, где толщина стенок имеет значение. Если по расчетам требуется два этапа вытяжки, предусмотрите в бюджете расходы на каждую станцию глубокой вытяжки. Анализ предложений поставщиков до начала изготовления штампов позволяет сэкономить больше, чем просто снижение цены за единицу.
Компания Elite Mold Tech предлагает услуги по глубокой вытяжке в рамках своего услуги по штамповке металла. Отправляйте чертежи через форма запроса предложения, либо ознакомьтесь со всеми услугами на сайте Главная страница Elite Mold Tech.
