ساخت قالب کشش عمیق

 

در این فرآیند، یک ورق فلزی طی عملیات مکانیکی به شکل قالب سنبه و ماتریس کشش عمیق در می آید. دلیل این نامگذاری این است که عمق کشیدگی ورق بیشتر از ضخامت آن است. منظور از کشش فلزات، عملیاتی است که در آن قسمتی از فلز برای گرفتن شکل مطلوب به طور همزمان تحت کشش و فشاری قرار می گیرد. در نتیجه می توان ورق تخت را به صورت محصولات فنجانی، شکل داد. 

 

اجزای ساخت قالب کشش عمیق در تصویر بالا نشان داده شده اند. در طراحی قالب کشش عمیق از یک سنبه به منظور اعمال نیرو بر ورق فلزی استفاده می شود. در نتیجه اعمال نیرو، ورق به درون حفره ماتریس هدایت شده و قطعه ای با انتهای بسته و ضخامت معادل ورق تولید می شود. به منظور سیلان بهتر مواد، ساخت قالب کشش عمیق به گونه ای انجام می شود که گوشه های ماتریس و سنبه زاویه دار شوند و لقی یا فاصله بین ماتریس و سنبه به درستی کنترل شود.

انواع سایش در قالب کشش عمیق

عملکرد یک قالب کشش عمیق بوسیله میزان سایشی (چسبان و خراشان) مشخص می شود که در طول هر نوبت تولید به قالب تحمیل می شود. سایش هر قالب تا حد زیادی بستگی به سختی قالب، نوع آن و ضخامت ورق فلزی که در حال کشش است و مقدار زوایای قالب، نوع روان ساز و نوع طراحی قالب کشش عمیق و صافی آن دارد. در کشش فنجان های مکعبی، تشکیل چروک روی گوشه ها، به همراه فشار متمرکز شده بالا، ممکن است باعث سایش خیلی زیادی شود. بنابراین نوع ساخت قالب کشش عمیق تاثیر به سزایی روی عیوب قطعه نهایی و عمر قالب دارد.

 

سایش گالینگ در قالب های کشش عمیق باعث خرابی تدریجی قالب می شود. دلیل آن جوش سرد قطعه و قالب به یکدیگر و سپس جدا شدن آن ها در ادامه فرآیند شکل دهی است. این عمل باعث جریان مواد روی سطح قالب و یا جدا شدن مواد از سطح قالب می شود. سایش گالینگ علاوه بر آسیب به قالب منجر به خراش شدید در سطح قطعات تولیدی می شود.

جلوگیری از سایش عمیق در ساخت قالب کشش عمیق

می توان بوسیله انتخاب مواد اولیه سخت تر و مقاومتر نسبت به سایش در ساخت قالب کشش عمیق ، بوسیله اعمال پوشش سطحی مثل آبکاری کروم سخت به سطح ابزار، یا عملیات سطحی مثل کربن دهی یا نیتراسیون برای فولادهای کم آلیاژ یا لایه نشانی به روش PVD برای فولادهای ابزار از سایش و تخریب قالب سنبه و ماتریس جلوگیری کرد. در ساخت قالب کشش عمیق ، پوشش های کروم یا PVD عمر سرویس قطعات ساخته شده از فولاد ابزار را افزایش می دهند. روی سنبه ها، کارکرد اصلی پوشش کروم کاهش نیروی اصطکاک و سهولت حذف قطعات از سنبه بعد از چفت شدن محکم دیواره های کناری با سنبه است. بدیهی است که ساخت قالب کشش عمیق با فولاد ابزار بهتر نسبت به پوشش دهی فولاد ابزار ضعیف تر اولویت دارد.

معمولا گالینگ در ابزار کشش عمیق به دلایل زیر رخ می دهد:

1-تلاش برای کشش ورق فلزی فراتر از حدود کاربردی معمول

2-چفت سازی ضعیف ابزار یا لقی ناکافی قالب به نسبت ضخامت ابزار

3-چروکیدگی بیش از حد

4-روانکاری نامناسب یا ناکافی

5- ساخت قالب کشش عمیق با فولاد ابزار مستعد به گالینگ بدون اعمال پوشش سطحی

6-زبری سطح ابزار

عیب چروکیدگی در فرآیند کشش عمیق

در فرآیند کشش عمیق چروک شدن یکی از عیوب معمول در طی فرآیند است که در لبه و دیواره فنجان رخ می دهد. چروک شدن وقتی رخ می دهد که سیلان مواد طی فرآیند کشش به درستی کنترل نشود. نیروی ورق گیر، نوع و مقدار روان ساز در کنار ضخامت و جنس ورق اولیه عوامل تاثیرگذار روی سیلان مواد هستند. در قطعه نهایی این چروک ها از نقطه نظر کاربردی و زیبایی قطعه نامطلوب تلقی می شوند. یکی از اهداف ورق گیر در ساخت قالب کشش عمیق ، حذف چروک با کنترل تغییر شکل ورق است. هر چند اگر فشار ورق گیر از حدی زیادتر باشد و منجر به نبود آزادی حرکت در ورق شود، دیواره ورق دچار پارگی خواهد شد.

 

موارد زیر از عوامل اصلی بروز چروک روی قطعه هستند:

1-فشار پایین یا نبود ورق گیر

2- قطر و شعاع زیاد حفره قالب و ماتریس

3- در نظر نگرفتن تمهیدات لازم برای کاهش اصطکاک بین ورق، ورق گیر، سنبه و حفره قالب در ساخت قالب کشش عمیق

4-لقی زیاد بین سنبه و ماتریس

طراحی قالب کشش عمیق

هندسه ماتریس، سنبه و ورق نگه دار در طراحی قالب کشش عمیق تاثیر بسیاری دارد، از این رو که در سیلان مواد و تنش های ناشی از کشش تاثیر بسیاری گذاشته و می تواند علت یا مانع بروز برخی عیوب مانند پارگی یا چروکیدگی باشد. ساخت قابل کشش عمیق با طراحی مناسب توان جبران استفاده از مواد اولیه ضعیف تر در ساخت قالب را دارد. از میان مهم ترین المان های هندسه قالب می توان به موارد زیر اشاره کرد:

شعاع ماتریس

شعاع ماتریس بایستی بر اساس ضخامت ورق انتخاب شود. اگر شعاع ماتریس خیلی کوچک باشد، احتمال بروز ترک وجود دارد. بنابراین ساخت قالب کشش عمیق با شعاع ماتریس بزرگ تر به دلیل کاهش بار کشش و افزایش نسبت ضخامت ورق به قطر سنبه مطلوب تر است. البته با افزایش شعاع ماتریس، سطح تماس بین نگه دارنده ورق و لبه کوچک می شود که ممکن است موجب ایجاد چروکیدگی در منطقه مجاور شعاع قالب بشود. برای آلیاژ های آلومینیومی شعاع مطلوب ماتریس برابر 4 تا 8 برابر ضخامت ورق است. برای فولاد های زنگ نزن این مقدار به 5 تا 10 برابر می رسد. ساخت قالب کشش عمیق با شعاع ماتریس بیشتر از ده برابر ضخامت ورق موجب ایجاد چروکیدگی در قطعه می شود.

شعاع گوشه سنبه

 شکست معمولا در بخش پایینی دیواره فنجان رخ می دهد. کف فنجان ضعیف ترین بخش قطعه است چون که مثل دیواره ها تحت کارسختی قرار نمی گیرد. با افزایش شعاع گوشه سنبه محل ترک بالاتر آمده و به درون دیواره کار سختی شده می رسد. به منظور ساخت قالب کشش عمیق شعاع توصیه شده برای سنبه در آلیاژ های آلومینیومی حدود 10 برابر ضخامت ورق و در فولادهای زنگ نزن 5 تا 10 برابر ضخامت ورق است. شعاع گوشه سنبه باید 3 تا 5 برابر شعاع قالب باشد.

لقی سنبه-ماتریس

لقی کمتر از حد مجاز منجر به نازک شدگی ورق و لقی زیاد منجر به چروکیدگی و کاهش کیفیت سطحی آن خواهد شد. همچنین اگر ابعاد خارجی قطعه حائز اهمیت باشد لقی روی سنبه و در غیر اینصورت (مهم بودن قطر داخلی) روی ماتریس اعمال می شود. معادلات تجربی متنوعی برای تعیین لقی سنبه-ماتریس بدون نازک کردن ورق طراحی شده اند. اغلب این معادلات مقدار لقی را به عنوان تابعی از ضخامت ورق برای مواد مختلف مشخص می کنند.

جنس ساخت قالب کشش عمیق

از میان پارامترهای موثر بر انتخاب جنس اجزای مختلف ساخت قالب کشش عمیق می توان به جنس و ضخامت ورق هدف ، حجم تولید، مقدار تنش وارد شده به قالب و ابعاد قطعه تولید شده اشاره کرد.

جنس قالب کشش عمیق برای مصارف سبک

به منظور کشش عمیق ورق های فولادی نازک یا ورق هایی از جنس مس و آلومینیوم و به طور کلی قطعاتی که فشار زیادی روی قالب سنبه و ماتریس اعمال نمی کنند و در حجم های تولید پایین، فولاد های T8  و T10 برای شکل های ساده یا قطعات کم عمق قابل استفاده هستند. برای تولید قطعات کوچک یا با ابعاد متوسط می توان از CrWMn یا 9Mn2V در ساخت قالب کشش عمیق استفاده کرد. به منظور تولیدات انبوه یا حجم های تولیدی بزرگتر استفاده از Cr12MoV توصیه می شود.

جنس قالب کشش عمیق برای مصارف سنگین

از سوی دیگر، چنانچه ضخامت قطعه زیاد باشد یا نوع دیگری از فرآیند کشش عمیق از قبیل کشش معکوس یا نازک سازی قطعه (اتوکشی) مد نظر باشد، در حجم های تولید پایین، T10   و CrWMn  در ساخت قالب کشش عمیق قابل استفاده هستند. وقتی حجم تولید بالا است، Cr12MoV  و  GM استفاده می شوند. فولاد GM استحکام و چقرمگی بیشتری نسبت به Cr12MoV دارد و مقاومت در برابر سایش چسبان و خراشان آن به مراتب  بیشتر از فولادهای دیگر است. طولانی ترین عمر قالب زمانی حاصل می شود که پرداخت سطح ابزار بسیار عالی باشد یا عملیاتی روی قطعه انجام شده باشد که اصطکاک سطح قطعه را پایین بیاورد.

در ساخت قالب کشش عمیق برای قطعاتی از قبیل فولاد زنگ نزن، فولاد های پرنیکل و فولادهای مقاوم در برابر حرارت که، به شدت مستعد به انواع سایش از قبیل گالینگ هستند. بهترین مواد در جهت افزایش دوام قالب در حجم های تولید پایین برنز آلومینیوم و T10A (پوشش داده شده با کروم) هستند. در حجم های تولید بالاتر، Cr12MoV  و   Cr12Mo1V1 (به همراه عملیات حرارتی نیتریده) استفاده می شوند.

 

برای ساخت قالب کشش عمیق جهت تولید قطعاتی با ابعاد زیاد، چدن آلیاژی یا چدن داکتیل قابل استفاده اند. گرافیت در ساختار چدن داکتیل خاصیت خود روان ساز دارد، ارزان است و به طور موثری در کاهش اصطکاک در کشش عمیق قابل استفاده است.

هزینه ساخت قالب کشش عمیق

ساخت قالب کشش عمیق به دلیل هزینه مواد اولیه و نیاز به دقت بالا در طراحی اجزای مختلف قالب اغلب به عنوان فرآیندی ساخت گران قیمت شناخته می شود. ولی سرعت بالای فرآیند و توان تولید با حجم بالا و اتوماسیون زیاد فرآیند موجب می شود که هزینه ساخت قالب کشش عمیق در بلند مدت به صرفه باشد و به سرعت جبران شود.

در بین تکنولوژی های متنوع ساخت قالب کشش عمیق ، تکنولوژی های کشش عمیق مداوم چند مرحله ای به منظور  تولید قطعاتی با عمق یا پیچیدگی ظاهری بیشتر از قالب های مرسوم استفاده می شود. این تکنولوژی هر چند به دلیل پیچیدگی های ساخت قالب کشش ، گران تر است اما تحقیقات متعددی نشان داده است که برای استفاده تولیدی های با حجم متوسط و زیاد صرفه اقتصادی بیشتری دارد. ساخت ابزار از الماس در عین بالا بردن هزینه ساخت قالب کشش عمیق ، بهترین مقاومت به سایش را عرضه می کند.