Thiết kế khuôn vẽ sâu: Hướng dẫn đột, khuôn, giải phóng mặt bằng & giảm thiểu nhiều giai đoạn

Tấm kim loại đi vào khuôn dưới dạng phôi phẳng và thoát ra dưới dạng thành phần rỗng, liền mạch - sự biến đổi đó phụ thuộc hoàn toàn vào việc khuôn được thiết kế tốt như thế nào. Thiết kế khuôn dập sâu không phải là một quyết định đơn lẻ mà là một chuỗi các lựa chọn kỹ thuật, mỗi lựa chọn sẽ mở hoặc đóng cửa sổ để có thể tạo hình thành công. Bán kính đột được xác định kém, giá đỡ phôi có kích thước nhỏ hoặc khe hở được tính toán sai có thể làm sập hoàn toàn cửa sổ đó, tạo ra phế liệu bị nứt hoặc nhăn ở khối lượng lớn. Các phần bên dưới sẽ hướng dẫn từng biến thiết kế chính và giải thích những gì mỗi biến đó kiểm soát.

Thiết kế khuôn vẽ sâu thực sự kiểm soát những gì

Bộ công cụ vẽ sâu có ba thành phần chính: chày, khuôn và giá đỡ phôi. Cú đột đẩy phôi phẳng vào khoang khuôn. Khuôn xác định hình dạng bên ngoài của chi tiết hoàn thiện. Giá đỡ phôi ép vào mặt bích của phôi để điều chỉnh lượng vật liệu nạp vào khoang trong suốt hành trình.

Mỗi thành viên phải được thiết kế trong mối quan hệ với những thành viên khác. Đường kính cú đấm thiết lập đường kính trong của cốc được vẽ; đường kính khuôn lớn hơn bằng khoảng hở làm việc. Giá đỡ phôi nằm giữa hai bộ phận này, duy trì áp lực tiếp xúc lên mặt bích trong suốt hành trình. Khi mối quan hệ giữa ba thành phần này là chính xác, kim loại sẽ chảy vào trong và hướng xuống dưới mà không bị nhăn trên mặt bích hoặc bị gãy ở mũi đột. Khi có bất kỳ mối quan hệ nào gặp trục trặc thì một trong hai chế độ thất bại đó sẽ xuất hiện ngay lập tức.

Để sản xuất số lượng lớn, bộ khuôn vẽ sâu cấp ô tô thêm các yêu cầu khác: tuổi thọ dụng cụ dài hơn, tính nhất quán chặt chẽ giữa các bộ phận và khả năng tương thích với các hệ thống chuyển giao tự động. Những yêu cầu đó tăng cường tầm quan trọng của mọi quyết định thiết kế được mô tả dưới đây.

Hình học Punch and Die: Hình dạng bộ phận đến từ đâu

Bán kính mũi đột và bán kính vào khuôn là hai thông số hình học quan trọng nhất trong thiết kế khuôn vẽ sâu. Cả hai đều kiểm soát cách kim loại uốn cong khi nó chuyển từ chỗ trống phẳng sang bức tường vẽ.

Bán kính mũi đấm thường được đặt từ bốn đến tám lần độ dày vật liệu đối với thép tiêu chuẩn. Bán kính quá nhỏ sẽ tập trung ứng suất kéo tại chỗ uốn cong, làm mỏng đi và cuối cùng là gãy xương. Bán kính quá lớn cho phép kim loại bị biến dạng trước khi nó bị giữ lại bởi thành khuôn, tạo ra các nếp nhăn trên thành.

Bán kính vào khuôn — đôi khi được gọi là bán kính góc khuôn — chi phối lực cản mà phôi gặp phải khi nó được vẽ trên mép khuôn. Bán kính khuôn có kích thước phù hợp, được đánh bóng tốt giúp giảm ma sát và cho phép vật liệu chảy trơn tru vào khoang. Thông lệ tiêu chuẩn đặt bán kính này ở độ dày vật liệu gấp bốn đến mười lần, tùy thuộc vào tỷ lệ kéo và độ dẻo của vật liệu. Bán kính quá nhỏ làm tăng nguy cơ bị rách; Bán kính quá khổ ở vật liệu mỏng tạo ra các nhịp không được hỗ trợ và tạo thành các nếp nhăn.

Đối với các bộ phận có mặt cắt hình vuông hoặc hình chữ nhật, bán kính góc cần được chú ý riêng. Các góc tập trung ứng suất nén trong quá trình tạo hình và bán kính góc rộng - thường lớn hơn so với các bộ phận tròn tương đương - cho phép kéo sâu hơn trong một thao tác duy nhất mà không bị nhăn ở góc.

Khoảng hở làm việc giữa Punch và Die

Khe hở là khe hở xuyên tâm giữa chày và thành khuôn. Trong quá trình kéo, kim loại phải đi qua khe hở này và nó thường dày lên một chút khi chảy vào trong. Khoảng hở phải phù hợp với độ dày đó mà không ép kim loại quá chặt đến mức ma sát tăng đến mức phá hủy và không để lại quá nhiều khoảng trống khiến kim loại bị vênh sang một bên thành các nếp nhăn trên tường.

Đối với hầu hết các loại thép có hàm lượng carbon thấp, khoảng hở làm việc từ 1,07 đến 1,15 lần độ dày vật liệu mỗi bên là phạm vi bắt đầu được chấp nhận. Các vật liệu cứng hơn hoặc dày hơn có thể yêu cầu khoảng hở ở đầu trên của phạm vi này. Vật liệu mỏng hơn và dung sai độ dày thành chặt chẽ hơn sẽ đẩy thiết kế về phía đầu dưới. Hệ thống khuôn tiến bộ cho khuôn vẽ sâu tiến bộ ô tô đa trạm áp dụng logic tương tự ở mỗi trạm kế tiếp, với khe hở thường được siết chặt khi đường kính cốc giảm và độ đồng đều của thành trở nên quan trọng hơn.

Lựa chọn vật liệu và ảnh hưởng của nó đến thiết kế khuôn

Người thiết kế khuôn không thể chọn vật liệu chi tiết, nhưng đặc tính vật liệu xác định thông số thiết kế nào là khả thi. Hai đặc tính của tấm kim loại đặc biệt có liên quan: số mũ độ cứng biến dạng (giá trị n) và tỷ lệ biến dạng dẻo (giá trị r, còn được gọi là hệ số Lankford).

Giá trị n cao có nghĩa là vật liệu cứng lại nhanh chóng khi nó giãn ra, phân bổ biến dạng đồng đều hơn trên toàn bộ phôi. Điều này cho phép tỷ lệ hòa tích cực hơn trước khi gãy. Giá trị r cao có nghĩa là vật liệu chống lại sự mỏng đi theo hướng xuyên suốt và chảy ưu tiên trong mặt phẳng của tấm - chính xác là những gì bản vẽ sâu yêu cầu. Vật liệu có giá trị r cao có thể được kéo theo tỷ lệ độ sâu trên đường kính lớn hơn trước khi đạt đến giới hạn gãy mũi đột.

Trong điều kiện thực tế, thép không có kẽ hở (IF) có giá trị r trên 1,8 cho phép thiết kế khuôn có độ sâu rút đơn sâu hơn và tỷ lệ đường kính phôi trên chày lớn hơn so với thép cacbon thấp thông thường có giá trị r gần 1,0. Hợp kim nhôm thường có giá trị r dưới 1, có nghĩa là thiết kế khuôn cho nhôm phải dựa nhiều hơn vào việc giảm độ rút nhiều giai đoạn và kiểm soát giá đỡ phôi cẩn thận hơn để đạt được cùng độ sâu cốc. Những nguyên tắc tương tự cũng được áp dụng khi thiết kế linh kiện dập ô tô chính xác nơi dung sai kích thước chặt chẽ tạo ra những thách thức về tính biến đổi của vật liệu.

Giảm rút nhiều giai đoạn: Khi một thao tác là không đủ

Khi tỷ lệ độ sâu trên đường kính yêu cầu của bộ phận hoàn thiện vượt quá mức mà một lần kéo có thể đạt được một cách an toàn - thường là tỷ lệ kéo trên 2,0 đến 2,2 đối với hầu hết các loại thép - thiết kế phải kết hợp nhiều giai đoạn thúc. Mỗi giai đoạn làm giảm đường kính cốc trong khi tăng chiều cao của nó và mỗi giai đoạn có chày, khuôn và giá đỡ phôi riêng.

Lần rút đầu tiên sẽ đưa phôi phẳng đến tỷ lệ rút tối đa mà vật liệu cho phép. Những lần vẽ lại tiếp theo sẽ được thực hiện trên cốc đã được tạo hình sẵn và chúng có thể đạt được tỷ lệ kéo từ 1,2 đến 1,4 mỗi giai đoạn vì kim loại ở mặt bích đã được tôi cứng một phần và ít có nguy cơ bị nhăn nghiêm trọng hơn. Việc ủ giữa các giai đoạn có thể được yêu cầu đối với các vật liệu cứng lại nhanh chóng, để khôi phục độ dẻo trước lần giảm tiếp theo.

Thiết kế nhiều giai đoạn làm tăng thêm chi phí dụng cụ và thời gian ép, nhưng chúng thường là con đường duy nhất dẫn đến hình dạng bộ phận được yêu cầu. Sự so sánh kinh tế giữa phương pháp một giai đoạn và nhiều giai đoạn gắn liền với khối lượng sản xuất - một yếu tố được khám phá chi tiết hơn trong bài viết về chênh lệch chi phí giữa các sản phẩm dập kim loại và sản phẩm bộ phận kéo sâu .

Vẽ hạt và áp suất chất kết dính: Tinh chỉnh dòng nguyên liệu

Hạt rút là những đường gờ nổi lên được gia công trên bề mặt chất kết dính (giá đỡ trống). Khi phôi trượt qua chúng trong quá trình kéo, chúng tạo ra biến dạng uốn và không uốn, tạo thêm lực cản đối với dòng vật liệu. Bằng cách thay đổi chiều cao, chiều rộng và vị trí của các hạt vẽ xung quanh chu vi phôi, người thiết kế khuôn có thể kiểm soát lượng vật liệu đi vào khoang khuôn tại mỗi điểm - chuyển hướng dòng chảy ra khỏi khu vực dễ bị rách và hướng tới các khu vực có thể bị nhăn.

Định vị hạt vẽ đặc biệt quan trọng đối với các bộ phận không đối xứng trục, chẳng hạn như tấm thân ô tô, nơi các phần khác nhau của chu vi trống cần khả năng chống dòng chảy rất khác nhau. Các bộ phận có diện tích bằng phẳng lớn được bao quanh bởi các rãnh sâu thường yêu cầu các hạt rút để ngăn các vùng phẳng phát triển biến dạng bề mặt dưới chất kết dính.

Áp lực chất kết dính bổ sung cho thiết kế hạt vẽ. Chất kết dính phải tác dụng đủ lực để ngăn mặt bích bị vênh thành nếp nhăn, nhưng không đến mức chặn dòng vật liệu chảy vào khoang - điều này sẽ làm tăng ứng suất kéo trong thành cốc đến mức bị gãy. Do đó, áp suất chất kết dính chính xác nằm trong cửa sổ quy trình có ranh giới được xác định bởi giới hạn nhăn bên dưới và giới hạn đứt gãy ở trên. Bài viết tiếp theo trong loạt bài này đề cập đến cách tỷ lệ kéo và lực giữ phôi tương tác với nhau để xác định và kiểm soát cửa sổ đó.

Bôi trơn và hoàn thiện bề mặt khuôn

Ma sát ở bán kính vào khuôn và giao diện giữ phôi có ảnh hưởng trực tiếp đến ứng suất kéo do thành cốc mang lại. Ma sát cao hơn có nghĩa là ứng suất thành cao hơn - làm di chuyển quá trình đến gần giới hạn đứt gãy hơn. Bôi trơn hiệu quả làm giảm ứng suất đó và mở rộng phạm vi quy trình.

Bề mặt khuôn tương tác với sự bôi trơn. Bán kính khuôn được đánh bóng với độ nhám bề mặt dưới Ra 0,4 µm cho phép chất bôi trơn tạo thành một lớp màng đồng nhất, giảm độ biến thiên ma sát. Các bề mặt gồ ghề hoặc bị trầy xước giữ lại chất bôi trơn không đồng đều và gây ra sự tập trung ứng suất cục bộ có thể gây ra hiện tượng gãy khi ứng suất của thành thấp hơn dự kiến.

Việc lựa chọn chất bôi trơn phụ thuộc vào vật liệu được kéo. Thép carbon thấp chịu được nhiều loại chất bôi trơn, từ dầu kéo nhẹ đến hợp chất EP (áp suất cực cao). Hợp kim nhôm yêu cầu chất bôi trơn không phản ứng với bề mặt kim loại, vì các hợp chất phản ứng có thể gây ra hiện tượng ăn mòn và tạo vết trên bề mặt. Thép không gỉ - cứng lại nhanh chóng - thường yêu cầu chất bôi trơn clo hóa để quản lý áp suất bề mặt cao được tạo ra trong quá trình kéo.

Lựa chọn thép công cụ và độ bền của khuôn

Tuổi thọ của khuôn trong bản vẽ sâu bị hạn chế bởi sự mài mòn ở bán kính vào khuôn và do sự ăn mòn trên bề mặt chất kết dính. Cả hai cơ chế đều tăng tốc khi áp suất chất kết dính cao, màng bôi trơn bị vỡ hoặc vật liệu trống có chứa tạp chất mài mòn.

Vật liệu khuôn tiêu chuẩn để sản xuất khối lượng trung bình bao gồm thép công cụ D2 (khoảng 60–62 HRC sau khi đông cứng) và DC53, mang lại độ bền tốt hơn ở độ cứng tương tự. Sản xuất ô tô khối lượng lớn thường yêu cầu hạt cacbua vonfram ở bán kính vào khuôn, nơi có tốc độ mài mòn cao nhất. Lớp phủ bề mặt - titan nitride (TiN), titan carbonitride (TiCN) hoặc carbon giống kim cương (DLC) - kéo dài tuổi thọ sử dụng hơn nữa bằng cách giảm hệ số ma sát ở bề mặt trống của dụng cụ.

cho bộ khuôn dập có độ chính xác cao nhắm mục tiêu dung sai thành phần ô tô hoặc xe điện, việc lựa chọn thép công cụ và thông số kỹ thuật xử lý nhiệt cũng quan trọng như các thông số thiết kế hình học được mô tả ở trên. Một khuôn hoàn hảo về kích thước được gia công từ thép được xử lý nhiệt không đúng cách sẽ bị hỏng trước tuổi thọ thiết kế của nó rất lâu.

Mô phỏng trước thép: Phân tích phần tử hữu hạn trong thiết kế khuôn

Thiết kế khuôn dập sâu hiện đại chủ yếu dựa vào phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để dự đoán kết quả tạo hình trước khi cắt bất kỳ kim loại nào. Mô phỏng FEA mô hình phôi như một lưới gồm các phần tử có thể biến dạng, áp dụng hành trình đột tăng dần và tính toán sự phân bố ứng suất, biến dạng và độ dày tại mọi điểm trong phôi trong suốt hành trình.

Đầu ra của một mô phỏng được hiệu chỉnh tốt bao gồm lớp phủ sơ đồ giới hạn tạo hình (FLD), cho biết liệu có bất kỳ vùng nào của phôi đang tiến gần đến ranh giới vết nứt hoặc nếp nhăn hay không. Nếu mô phỏng dự đoán lỗi, nhà thiết kế có thể điều chỉnh bán kính chày, bán kính khuôn, áp suất chất kết dính, vẽ hình dạng hạt hoặc hình dạng trống - lặp lại trong phần mềm thay vì trong thép. Quá trình này nén đáng kể thời gian thử và giảm số lượng sửa đổi công cụ vật lý cần thiết trước khi khuôn tạo ra các bộ phận có thể chấp nhận được.

Chất lượng của mô phỏng phụ thuộc vào dữ liệu thẻ vật liệu chính xác - cụ thể là mô tả bề mặt chảy, giá trị r, giá trị n và đường cong ứng suất dòng cho cuộn vật liệu cụ thể được sử dụng trong sản xuất. Dữ liệu tài liệu chung tạo ra những dự đoán hợp lý nhưng không đáng tin cậy; dữ liệu cụ thể về vật liệu từ thử nghiệm độ bền kéo và thử nghiệm FLD tạo ra các dự đoán chuyển trực tiếp sang hành vi ép.

Tóm tắt: Các biến thiết kế quan trọng nhất

Thiết kế khuôn vẽ sâu giải quyết một số lượng nhỏ các biến, mỗi biến phải được đặt trong một phạm vi phụ thuộc vào các biến khác. Bán kính chày và khuôn xác định mức độ uốn cong tại các điểm chuyển tiếp. Khoảng hở làm việc giúp kim loại dày lên mà không tạo ra ma sát phá hủy. Tỷ lệ kéo đặt giới hạn biến dạng trên trong một giai đoạn. Áp suất chất kết dính và hạt rút kiểm soát dòng vật liệu xung quanh chu vi trống. Bôi trơn và hoàn thiện bề mặt xác định áp suất chất kết dính cho phép thực sự chạm tới chỗ trống. Việc lựa chọn thép công cụ và lớp phủ quyết định thời gian khuôn duy trì các điều kiện đã được thiết lập cẩn thận đó.

Không có biến đơn lẻ nào có thể được tối ưu hóa một cách độc lập. Việc thay đổi bán kính vào khuôn sẽ làm thay đổi áp suất chất kết dính tối ưu. Sự thay đổi về cấp độ vật liệu sẽ làm thay đổi tỷ lệ hòa khả thi. Sự phụ thuộc lẫn nhau này là lý do tại sao thiết kế khuôn dập sâu đòi hỏi một cách tiếp cận có hệ thống — và tại sao việc thực hiện đúng, từ mô phỏng đến thử, sẽ tạo ra các bộ phận có khả năng đáp ứng các yêu cầu khắt khe về kết cấu và kích thước cho các ứng dụng bánh xe và khung gầm nhất quán qua hàng triệu chu kỳ sản xuất.