Deep Drawing Die Design: Punch, Die, Clearance & Multi-Stage Reduction Guide

Metalplade, der kommer ind i en matrice som et fladt emne og kommer ud som en sømløs, hul komponent - denne transformation afhænger helt af, hvor godt matricen er designet. Dybttrækningsformdesign er ikke en enkelt beslutning, men en kæde af tekniske valg, som hver især enten åbner eller lukker vinduet, hvor vellykket formning kan ske. En dårligt specificeret stanseradius, en underdimensioneret emneholder eller en fejlberegnet frigang kan kollapse vinduet fuldstændigt, hvilket producerer revnet eller krøllet skrot ved høj volumen. Afsnittene nedenfor gennemgår alle større designvariabler og forklarer, hvad hver enkelt kontrollerer.

Hvad Deep Drawing Die Design faktisk styrer

Et dybtegningsværktøjssæt har tre primære elementer: stansen, matricen og emneholderen. Stansen skubber det flade emne ind i matricehulrummet. Matricen definerer den ydre geometri af den færdige del. Emneholderen presser mod emnets flange for at regulere, hvor meget materiale der føres ind i hulrummet under slaget.

Hvert medlem skal udformes i forhold til de andre. Stempeldiameter fastlægger den indvendige diameter af den trukne kop; matricediameteren er større med mængden af ​​arbejdsafstanden. Emneholderen sidder mellem de to og opretholder kontakttrykket på flangen under hele slaget. Når forholdet mellem disse tre komponenter er korrekte, flyder metallet indad og nedad uden at rynke på flangen eller brække ved punchnæsen. Når et forhold er forkert, vises en af ​​disse to fejltilstande med det samme.

Til højvolumen produktion, dybtræksmatricesæt i bilindustrien tilføje yderligere krav: længere værktøjslevetid, tæt del-til-del-konsistens og kompatibilitet med automatiserede overførselssystemer. Disse krav forstærker vigtigheden af ​​enhver designbeslutning beskrevet nedenfor.

Punch and Die Geometry: Hvor delformen kommer fra

Punch-næseradius og matriceindgangsradius er de to mest konsekvente geometriske parametre i dybtræksmatricedesign. Begge styrer, hvordan metallet bøjes, når det går fra det flade emne til den tegnede væg.

Punch næseradius er typisk indstillet mellem fire og otte gange materialetykkelsen for standardstål. En radius, der er for lille, koncentrerer trækspændingen ved bøjningen, hvilket fremmer udtynding og eventuelt brud. En radius, der er for stor, gør det muligt for metallet at spænde, før det fanges af matricevæggen, hvilket giver vægrynker.

Diens indgangsradius - nogle gange kaldet matricens hjørneradius - styrer den modstand, emnet møder, når det trækkes over matricens kant. En velpoleret matriceradius af passende størrelse reducerer friktionen og tillader materialet at flyde jævnt ind i hulrummet. Standardpraksis indstiller denne radius til fire til ti gange materialetykkelsen, afhængigt af trækforholdet og materialets duktilitet. Underdimensionerede radier øger risikoen for rivning; overdimensionerede radier i tynde materialer skaber ikke-understøttede spænd, der spænder sammen til rynker.

For dele med kvadratisk eller rektangulært tværsnit kræver hjørneradier individuel opmærksomhed. Hjørner koncentrerer trykspænding under formning, og generøse hjørneradier - typisk større end for tilsvarende runde dele - tillader dybere træk i en enkelt operation uden at krølle hjørnerne.

Arbejdsafstand mellem Punch og Die

Clearance er det radiale mellemrum mellem stansen og matricevæggen. Under tegningen skal metallet passere gennem dette mellemrum, og det bliver typisk lidt tykkere, når det flyder indad. Afstanden skal rumme denne fortykkelse uden at klemme metallet så tæt, at friktionen stiger til ødelæggende niveauer, og uden at efterlade så meget plads, at metallet spænder sideværts til vægrynker.

For de fleste stål med lavt kulstofindhold er en arbejdsafstand på 1,07 til 1,15 gange materialetykkelsen pr. side det accepterede startområde. Hårdere eller tykkere materialer kan kræve frigang i den øvre ende af dette område. Tyndere materialer og snævrere tolerancer på vægtykkelse skubber designet mod den nederste ende. Progressive matricesystemer til multistations progressive dybtrækker til biler Anvend den samme logik ved hver efterfølgende station, hvor frigangen typisk strammer, efterhånden som kopdiameteren reduceres, og vægens ensartethed bliver mere kritisk.

Materialevalg og dets indflydelse på formdesign

Matricedesigneren kan ikke vælge delmaterialet, men materialeegenskaber bestemmer hvilke designparametre, der er gennemførlige. To metalpladeegenskaber er særligt relevante: tøjningshærdningseksponenten (n-værdi) og plastisk tøjningsforhold (r-værdi, også kaldet Lankford-koefficienten).

En høj n-værdi betyder, at materialet hærder hurtigt, når det strækkes, og fordeler deformation mere jævnt over emnet. Dette tillader mere aggressive trækforhold før brud. En høj r-værdi betyder, at materialet modstår udtynding i den gennemgående tykkelsesretning og flyder fortrinsvis i arkets plan - præcis hvad dybtrækning kræver. Materialer med høje r-værdier kan trækkes til større dybde-til-diameter-forhold, før punch-næse-brudgrænsen nås.

Rent praktisk tillader et interstitial-frit (IF) stål med r-værdier over 1,8 matricedesign med dybere enkelttræksdybder og større emne-til-punch-diameterforhold end et konventionelt lavkulstofstål med r-værdier nær 1,0. Aluminiumslegeringer har generelt r-værdier under 1,0, hvilket betyder, at formdesign til aluminium skal stole mere på flertrins trækreduktioner og mere omhyggelig styring af emneholderen for at opnå den samme kopdybde. De samme principper gælder ved design præcision automotive stempling komponenter hvor snævre dimensionelle tolerancer sammensatte materialevariabilitet udfordrer.

Multi-Stage Draw Reduction: Når én operation ikke er nok

Når det nødvendige dybde-til-diameter-forhold for den færdige del overstiger, hvad et enkelt træk kan opnå sikkert - typisk et trækforhold på over 2,0 til 2,2 for de fleste stål - skal designet inkorporere flere træktrin. Hvert trin reducerer kopdiameteren, mens det øger dens højde, og hvert trin har sin egen stanse, matrice og emneholder.

Det første træk bringer det flade emne til det maksimale trækforhold, materialet tillader. Efterfølgende omtrækninger opererer på den allerede dannede kop, og de kan opnå trækforhold på 1,2 til 1,4 pr. trin, fordi metallet ved flangen allerede er delvist hærdet og har mindre risiko for alvorlige rynker. Udglødning mellem trin kan være påkrævet for materialer, der hærder hurtigt, for at genoprette duktiliteten før næste reduktion.

Flertrinsdesign tilføjer værktøjsomkostninger og pressetid, men de er ofte den eneste vej til den nødvendige delgeometri. Den økonomiske sammenligning mellem enkelttrins- og flertrinstilgange er tæt knyttet til produktionsvolumen - en faktor, der undersøges mere detaljeret i artiklen om omkostningsforskelle mellem metalstempling og dybtrækningsprodukter .

Træk perler og bindemiddeltryk: Finjustering af materialeflow

Trækperler er hævede kamme, der er bearbejdet ind i binderens (emneholder) overflade. Når emnet glider hen over dem under trækslaget, påfører de bøjning og ubøjelig deformation, der skaber yderligere modstand mod materialestrøm. Ved at variere højden, bredden og positionen af ​​trækperlerne rundt om emnets omkreds, kan matricedesigneren kontrollere, hvor meget materiale der kommer ind i matricehulrummet ved hvert punkt - omdirigere flowet væk fra områder, der er tilbøjelige til at blive revet, og mod områder, der ellers kunne rynke.

Placering af trækperler er især vigtig for ikke-aksesymmetriske dele, såsom automotive karosseripaneler, hvor forskellige sektioner af emneomkredsen har brug for meget forskellig strømningsmodstand. Dele med store flade områder omgivet af dybe træk kræver ofte trækperler for at forhindre, at de flade områder udvikler overfladeforvrængning under bindemidlet.

Bindemiddeltryk komplementerer tegneperledesign. Bindemidlet skal påføre tilstrækkelig kraft til at forhindre flangen i at bøje sig til rynker, men ikke så meget, at det blokerer for materialestrømmen ind i hulrummet - hvilket ville øge trækspændingen i skålvæggen til brudpunktet. Det korrekte bindemiddeltryk ligger derfor inden for et procesvindue, hvis grænser er defineret af rynkegrænsen under og brudgrænsen ovenfor. Den næste artikel i denne serie omhandler, hvordan trækforhold og emneholderkraft interagerer for at definere og kontrollere dette vindue.

Smøring og matriceoverfladefinish

Friktion ved matricens indgangsradius og emneholdergrænsefladen har en direkte effekt på trækspændingen, som bæres af skålvæggen. Højere friktion betyder højere vægspænding - hvilket flytter processen tættere på brudgrænsen. Effektiv smøring reducerer denne stress og udvider procesvinduet.

Matricens overfladefinish interagerer med smøring. En poleret matriceradius med overfladeruhed under Ra 0,4 µm tillader smøremiddel at danne en ensartet film, hvilket reducerer friktionsvariabiliteten. Ru eller ridsede overflader fanger smøremidlet ujævnt og introducerer lokale spændingskoncentrationer, der kan initiere brud ved lavere vægspændinger end forventet.

Valg af smøremiddel afhænger af det materiale, der trækkes. Stål med lavt kulstofindhold tåler en bred vifte af smøremidler, fra lette trækolier til tunge EP-forbindelser (ekstremt tryk). Aluminiumslegeringer kræver smøremidler, der ikke reagerer med metaloverfladen, da reaktive forbindelser kan forårsage gnidning og ridser på overfladen. Rustfrit stål - som hærder hurtigt - kræver ofte klorerede smøremidler for at klare de høje grænsefladetryk, der genereres under tegning.

Værktøjsstålvalg og matriceholdbarhed

Matricens levetid ved dybtrækning er begrænset af abrasivt slid ved matricens indgangsradius og af gnidning på bindemidlets overflade. Begge mekanismer accelererer, når bindemiddeltrykket er højt, smørefilmen nedbrydes, eller råemnet indeholder slibende indeslutninger.

Standard matricematerialer til mellemvolumen produktion inkluderer D2 værktøjsstål (ca. 60–62 HRC efter hærdning) og DC53, som giver bedre sejhed ved tilsvarende hårdhed. Højvolumen bilproduktion kræver ofte wolframcarbid-skær ved matricens indgangsradius, hvor slidhastighederne er højest. Overfladebelægninger - titaniumnitrid (TiN), titaniumcarbonitrid (TiCN) eller diamantlignende carbon (DLC) - forlænger levetiden yderligere ved at reducere friktionskoefficienten ved grænsefladen mellem værktøj og råemne.

For højpræcisions-stemplingssæt rettet mod tolerancer for bil- eller el-komponenter, valg af værktøjsstål og varmebehandlingsspecifikationer er lige så kritiske som de geometriske designparametre beskrevet ovenfor. En dimensionelt perfekt matrice fremstillet af ukorrekt varmebehandlet stål vil svigte længe før dens designlevetid.

Simulering før stål: Finite Element Analysis in Die Design

Moderne dybtegningsmatrice-design er stærkt afhængig af finite element-analyse (FEA) for at forudsige formningsresultater, før noget metal skæres. FEA-simuleringer modellerer emnet som et net af deformerbare elementer, påfører stanseslaget trinvist og beregner spænding, belastning og tykkelsesfordeling ved hvert punkt i emnet gennem hele slaget.

Outputtet af en velkalibreret simulering inkluderer et formningsgrænsediagram (FLD) overlay, som viser, om et område af emnet nærmer sig brud- eller rynkegrænsen. Hvis simuleringen forudsiger fejl, kan designeren justere stanseradius, matriceradius, bindemiddeltryk, tegnekuglegeometri eller emneform - gentage i software i stedet for i stål. Denne proces komprimerer prøvetiden betydeligt og reducerer antallet af fysiske værktøjsmodifikationer, der kræves, før matricen producerer acceptable dele.

Kvaliteten af ​​simuleringen afhænger af nøjagtige materialekortdata - specifikt beskrivelsen af ​​udbytteoverfladen, r-værdier, n-værdi og strømningsspændingskurve for den specifikke materialespole, der skal bruges i produktionen. Generiske materialedata producerer plausible, men upålidelige forudsigelser; materialespecifikke data fra trækprøvning og FLD-test producerer forudsigelser, der direkte oversættes til presseadfærd.

Resumé: Designvariablerne, der betyder mest

Dybtegningsformdesign løser et lille antal variabler, som hver skal indstilles inden for et interval, der afhænger af de andre. Stempel- og matriceradius bestemmer bøjningsgraden ved overgangene. Arbejdsafstand tillader metalfortykkelse uden at generere destruktiv friktion. Draw ratio sætter den øvre grænse for deformation i et enkelt trin. Bindemiddeltryk og trækperler styrer materialestrømmen rundt om emnets omkreds. Smøring og overfladefinish bestemmer, hvor meget af det tilladte bindemiddeltryk, der rent faktisk når emnet. Værktøjsstål og belægningsvalg styrer, hvor længe matricen opretholder de omhyggeligt etablerede forhold.

Ingen enkelt variabel kan optimeres isoleret. En ændring af matricens indgangsradius ændrer det optimale bindemiddeltryk. En ændring i materialekvalitet ændrer det mulige trækforhold. Denne indbyrdes afhængighed er grunden til, at design af dybdetegningsmatricer kræver en systematisk tilgang - og hvorfor det at få det rigtigt, fra simulering til afprøvning, producerer dele, der opfylder krævende strukturelle og dimensionelle krav til hjul- og chassisapplikationer konsekvent på tværs af millioner af produktionscyklusser.