Djupdragning/ Dragpressning - Föreläsning 12 Prof. Tomas Beno Metallformingsmetoder - Översikt Valsning Bulk deformation Smidning Extrudering Metall formning Tråddragning Bockning Plåtformning Dragpressning Hydro formning 2 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Plåtformning - Innehåll i dagen föreläsning § § § § § Djupdragning Djupdragning i flera steg Normalanisotropi Plananisotropi Defekter vid djupdragning, öronbildning, sprickor, rynkor 3 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Plåtformning - Varför plåt? § § § § § § § § § § Billigt Många storlekar Många tjocklekar Lätt att skapa skräddarsydda till tjocklekar Snäva toleranser Ytmönster Olika beläggningar Olika material Möjligt att designa avancerade delar Lätt och styvt 4 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Djupdragning - Översikt § Plastisk formning av plåt till en önskad form § Dragspänningar dominerande § Utmaning: undvika veckbildning och brott p g a uttunning av plåten § Faktorer som inverkar på resultatet Ø Material Ø Detaljens utformning Ø Tillgänglig utrustning § Två vanliga metoder för tillverkning av kärlformade detaljer: Ø Dragpressning Ø Sträckdragning 5 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Pressbarhet - Djupdragning Material § Lågkolhaltiga stål, rostfritt stål, ren koppar, mässing, aluminium, titan § Mjuka metaller (tenn, bly) kan inte dragpressas § Kornstrukturen har en stor inverkan på hållfastheten Ø Minskad kornstorlek ger ökad brotthållfasthet Ø Ökad brotthållfasthet ger minskad formbarhet Ø Kan man då öka kornstorleken för att öka formbarheten? - Nej, alltför stor kornstorlek leder till grova ytor (apelsinyta) efter pressningen. Ø Vad är tillåten kornstorlek? - Tumregel: < 40 μm Kemisk sammansättning Kristallstruktur (FCC, BCC, HCP) Pressbarhet Kornstruktur (orientering, storlek) 6 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Sträckpressning - Princip § Tillverkning av grundare detaljer § Plåten hålls fast mellan tillhållare och dyna § Plåten töjs då över dynan och ökar sin hållfasthet genom deformationshårdnandet 7 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Djupdragning - Princip 8 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Djupdragning - Video 9 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Djupdragning - Video 10 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Djupdragning - Process steg 11 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Djupdragning - Deformationprocess Dragpressning av enkla rotations-cylindriska detaljer ger upphov till ett komplext fleraxligt spänningstillstånd. 12 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Defekter hos djupdragna komponenter - Översikt Vid felaktig plåthållarkraft FP finns risk för veckbildning i detaljens vägg och fläns. 13 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Analys av djuppressning - Cirkelnättekniken Metod för att analysera deformationer hos djuppressade detaljer § Vision-baserad teknologi används också § 14 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Dragförhållande och dragbarhet - Formler och tumregler § Dragförhållandet m är kvoten mellan ämnets diameter (rondelldiameter) 𝐷 och stämpelns (dragdornets) diameter 𝑑. m= D d § Vid dragpressning kan man inte pressa hur höga koppor som helst. Största rondelldiametern som kan dras till en hel koppa är Dmax. § Maximala dragförhållandet (MDF), dragbarheten, gäller för en viss kombination av verktyg och material, och betraktas som en materialegenskap. LDR = Dmax d § Om 𝑚𝑡𝑜𝑡>𝑀𝐷𝐹 så krävs dragpressning i flera steg, annars brister plåten. § Tumregel: Om godstjockleken är t > 3-4 mm och dragförhållandet D / d < 1.05, kan dragpressningen utföras utan plåthållare och utan risk för veckbildning. 15 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Dragbarhet - Dragpressningsprovet § En metod för att bestämma maximala materials dragförhållandet (MDF) hos ett material § Faktorer som inverkar på MDF: - Arbetsmaterialets mekaniska egenskaper Verktygsradier Verktygsmaterial och verktygets ytfinhet hos glidytorna Smörjmedlet Draghastigheten (deformationshastigheten) Plåthållarkraftens storlek § Dragpressningsprovet utförs genom burkdragning - Ett antal plåtrondeller med olika diametrar dras (dragpressas) till en burk. Under dragpressningen mäter man stämpelkraften 𝐹# 16 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Dragpressningsprovet - forts. § Stämpelkraften är direkt proportionell mot rondelldiametern, dock endast till den rondellstorlek Dmax som resulterar i brott § Skärningspunkten mellan linjen för brott och kraftlinjen för de rondeller som kan pressas till burkar är materialets MDF. § MDF definieras som kvoten mellan den största rondelldiametern Dmax som kan pressas till en godkänd burk, utan att brista, och stämpeldiametern d. Fs LDR = MDF MDF LDR TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Dmax d Dd 17 Dragpressning i flera steg - Flera steg d1 § Om totala dragförhållandet 𝑚$%$ är större än maximala dragförhållandet (MDF) (eller då stora deformationer krävs) så görs dragpressningen i flera steg d2 d3 Step 3 § Oftast har man ett lägre dragförhållande i efterföljande steg h Step 2 § Om ämnet glödgas efter varje Step 1 deformationssteg kan man använda det första stegets dragförhållande eftersom materialet då har bättre formningsegenskaper § Vid tillverkning av cylindriska detaljer med Plåtrondell D cirkulär botten används ofta en fas på 45 grader 18 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Dragpressning i flera steg - forts. II Beräkningsvärden för dragpressning: Material s B [N/mm2 ] Stål 280-400 Koppar [ p N/mm2 ] Dragförhållande m Första drag Följande drag 2,5-3,0 1,6-1,8 1,25 210-240 2,0 1,7-1,8 1,2 Mässing 250-300 2,0 1,8-2,0 1,25 Aluminium 70-90 1,0-1,2 1,6-2,0 1,25 s B : Dragbrottgränsen p : Plåthållartrycket 19 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Dragpressning i flera steg - forts. III § Korrigering av 𝑚-värdet Användbara formler för dragpressning i 𝑚&(! = flera steg: § För det första dragsteget gäller 𝐷 𝑚! = 𝑑! 𝑚= !"# 𝑑! 𝑑& 𝑑! ⁄𝑑& = Rondelldiameter • § Totala dragförhållandet för 𝑛 dragsteg & 𝑚"#" = % 𝑚$ = 𝑚! & 𝑚' & ⋯ & 𝑚& = 𝑚! & 𝑚&(! = $%! 𝐷 𝑑& § Antal dragsteg som behövs 𝐷 𝑚! 𝑑! = 𝑑& 𝑑& log 𝑑! ⁄𝑑& 𝑛 =1+ log 𝑚 𝑚! & 𝑚&(! = 𝒏 avrundas uppåt till närmaste heltal, vilket innebär att tabellvärdet för 𝒎 oftast behöver korrigeras. ! &(! 𝑑! 𝑑& Dragdornets diameter i steg 𝑘 = 2,3, … , 𝑛 𝑑!"# 𝑑! = 𝑚 Dorndiameter i föregående steg § Dragkroppens (kärlets) höjd efter varje dragsteg 𝑘 kan erhållas med empirisk formel för aktuell kärlgeometri. För en cylindrisk detalj med halvsfärisk botten gäller att: 𝐷 = 1,414 𝑑!$ + 2𝑑! ℎ! 𝐷 ⁄1,414 $ − 𝑑!$ ℎ! = 2𝑑! 20 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Dragpressning - Ämnesberäkning för dragpressning Empiriska samband mellan rondelldiametern D och dragkroppens (kärlets) dimensioner för några vanliga kärltyper. D = d 2 + 4dh D = 1.414 d 2 + 2dh 21 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Plasticitetsanisotropi, r - Normal och plananisotropi § Anisotropa material har olika egenskaper i olika riktningar. § Ett materials plasticitetsanisotropi kan uttryckas genom töjningsförhållandet r. § Töjningsförhållandet definieras som kvoten mellan provstavens naturliga bredd- och tjocklekstöjning. Här ska altså sann töjning användas! 𝑟= 𝑇ö𝑗𝑛𝑖𝑛𝑔&'()) 𝑇ö𝑗𝑛𝑖𝑛𝑔*+%,-.(- § Man skiljer på normalanisotropi och plananisotropi. 22 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Normal anisotropi - 𝑟̅ § Representerar plåtens egenskaper i riktningen vinkelrätt mot plåtens plan, d v s i dess tjockleksplan (dessa skiljer sig från egenskaperna i plåtens valsningsplan) § Normalanisotropin är relaterad till dragpressbarheten § Ju högre värde desto större dragförhållande och därmed ökat dragdjup kan uppnås. § Ett material med hög normalanisotropi har i regel även hög plananisotropi. r0 + 2r45 + r90 r= 4 23 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Planar anisotropy - Δr § Representerar egenskaperna i plåtens valsningsplan § Plananisotropin är relaterad till öronbildningen (kantvågighet) hos detaljen. § Om r-värdet har stor variation i plåtens plan vid dragpressning uppstår öronbildning. § Bilden visar öronbildning i en djupdragen detalj orsakad av plåtens plananisotropi Δr. § Ett högt värde på Δr ger stora öron. r0 - 2r45 + r90 Dr = 2 Δr = 0 ger ingen öronbildning (önskvärt) Δr > 0 creates ear formation in the directions 0° and 90° Δr < 0 creates ear formation in the direction 45° 24 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Räkneexempel - Anisotropin hos en provstav Vilket plåtmaterial A eller B är lämpligast för dragpressning med avseende på normalanisotropin? Provstaven för båda materialen hade bredden b0=20 mm och längden l0=50 mm. Tabellen ger uppmätta värden på längd l och bredd b hos provstaven för olika riktningar relativt valsriktningen 0°. Material 0° 45° 90° A b 18,6 18,94 19,29 l 56 55 54 b 18 18,3 18,6 l 61 60 59 B 25 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning Räkneexempel - Dragpressning i flera steg Ett cylindrisk kärl med halvsfärisk botten ska tillverkas av en plåtrondell med diametern D=62 mm genom dragpressning i totalt 3 steg. Dragförhållandet är 5/3 i steg 1 och 4/3 i övriga steg. d1 d2 d3 Bestäm höjden h hos den färdiga detaljen. Färdig detalj: Step 3 h Step 2 Step 1 Plåtrondell D 26 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning 27 TVB100 Föreläsning 12 – Djupdragning/Dragpressning