Dieptrekken
vormgeven van dunne metaalplaat
vm 110
Vereniging FME-CWM vereniging van ondernemers in de technologisch-industriële sector Boerhaavelaan 40 Postbus 190, 2700 AD Zoetermeer Telefoon: (079) 353 11 00 Telefax: (079) 353 13 65 E-mail:
[email protected] Internet: www.fme.nl
© Vereniging FME-CWM/mei 2009, 2
e
druk
Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke ander wijze ook zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Hoewel grote zorg is besteed aan de waarborging van een correcte en, waar nodig, volledige uiteenzetting van relevante informatie, wijzen de bij de totstandkoming van de onderhavige publicatie betrokkenen alle aansprakelijkheid voor schade als gevolg van onjuistheden en/of onvolkomenheden in deze publicatie van de hand. Vereniging FME-CWM afdeling Technologie & Innovatie Postbus 190, 2700 AD Zoetermeer telefoon: 079 - 353 11 00 / 353 13 41 telefax: 079 - 353 13 65 e-mail:
[email protected] internet: www.fme.nl
dieptrekken
vormgeven van dunne metaalplaat toelichting: De eerste uitgave van deze publicatie is in 1995 samengesteld door de werkgroep “Dieptrekken van dunne plaat, staal, aluminium” en geeft gerichte theoretische en praktische informatie ten behoeve van respectievelijk de gebruikers van het omvormproces (dieptrekken, kraagtrekken, strekken), geïnteresseerden in dit proces, technische cursussen en opleidingen. In 2008 is deze publicatie aangepast aan de huidige stand der techniek. De inhoud van deze publicatie behandelt de aspecten welke voor het vormgeven van plaat door middel van dieptrekken, kraagtrekken en strekken van belang zijn. De achterin toegevoegde supplementen over materialen en over machines en gereedschappen geven processpecifieke informatie over de desbetreffende onderwerpen. In de voorlichtingspublicaties VM 111 “Materialen” en VM 112 “Machines en gereedschappen” worden de algemene gegevens over deze onderwerpen behandeld. Het NIMR (Netherlands Institute of Metals Research) inmiddels opererend onder de naam M2i (Materials innovation institute) heeft geld ter beschikking gesteld om deze nieuwe publicatie te laten opstellen en aan te passen aan de stand der techniek. De FME heeft de coördinatie daarvan op zich genomen en voor de aanpassing van de inhoud van deze voorlichtingspublicatie onder meer TNO en FDP ingeschakeld. Op de websites www.dunneplaat-online.nl en www.verbinden-online.nl die in het kader van andere projecten zijn ontwikkeld, is op het gebied van dunne plaat bewerking en verbindingstechnieken een groot aantal publicaties vrij te downloaden (waaronder ook deze publicatie).
samenstelling werkgroep (1995): G. van Wijngaarden G.J. Streefland P. Rothuizen W.A.J. Moerdijk R.F. Grimbergen † P.J. Bolt P. Boers A.A. Aldenkamp
Metaalcompagnie Brabant Quaker Chemical BV (v/h werkzaam bij TNO Metaalinstituut) DAF Trucks NV Petrofer Benelux BV Hoogovens Groep BV TNO Metaalinstituut Vereniging FME PMP
samenstelling werkgroep herziening (2009): H. de Kruijk H.L.M. Raaijmakers J. Borsboom J. van de Put W. Beekmans
TNO Industrie en Techniek Federatie Metaalplaat (FDP) Federatie Metaalplaat (FDP) Syntens
eindredactie: P. Boers
Vereniging FME-CWM
samenstelling stuurgroep (1995): Ahrend BV, Sint-Oedenrode Arcap BV, Lichtenvoorde Bond voor Materialenkennis BOSAL Research NV, Lummen (B) DAF Trucks NV, Eindhoven Delem BV, Eindhoven Holec Algemene Toelevering, Hengelo Hoogovens Groep BV, IJmuiden Houghton Benelux BV, Oosterhout Ifö-Kampri BV, Kampen IOP-Metalen, Apeldoorn ISCO Technic BV, Waalwijk Koninklijke fabriek Inventum BV, Bilthoven Metaalcompagnie Brabant BV, Valkenswaard NRF Radiateuren, Mill Petrofer Benelux BV, Oosterhout PMP, Apeldoorn Quaker Chemical BV, Uithoorn Safan Lochem BV, Lochem Stago BV, Hoorn Stork FDO BV, Amsterdam TNO Metaalinstituut Vereniging FME, Zoetermeer
F.C.M. Kemps J.A. van Eijden H.M. Brüggemann W. Stuer P. Rothuizen F. Kocken G. Schats R.F. Grimbergen† en A. Hurkmans (voorzitter) J. van Brummelen W.E.H. Kamphuis P.H. van Lent C. Leynse P. Lagard G. van Wijngaarden W. van den Brand W.A.J. Moerdijk A.A. Aldenkamp en G.H.G. Vaessen N.L.J.M. Broekhof en G.J. Streefland T. Slot en S.C. Todd † A. Kliphuis J.E. Buter P.J. Bolt (projectleider) P. Boers en C.J.T.M. Willems
Al deze bedrijven/instellingen hebben indertijd een bijdrage geleverd aan het onderzoek. Het Ministerie van Economische Zaken had daarnaast in belangrijke mate bijgedragen aan de financiering van dit project.
informatie over en bestelling van VM-publicaties: Vereniging FME-CWM / Industrieel Technologie Centrum (ITC) - bezoekadres Boerhaavelaan 40, Zoetermeer - correspondentie-adres Postbus 190, 2700 AD ZOETERMEER - telefoon 079 - 353 11 00 - telefax 079 - 353 13 65
4
Inhoudsopgave blz.
blz. Gebruiksaanwijzing
5
Symbolenlijst
6
1 Inleiding
7
2 Procesbeschrijving 2.1 Procesdefinities 2.1.1 Eerste bewerking - dieptrekken - kraagtrekken - strekken 2.1.2 Vervolgbewerkingen - volgtrekken - duntrekken - kalibratie 2.2 Lokale procesbeschrijving; 'gedachtecirkels' 2.3 Totale procesbeschrijving voor ronde producten; krachten en procesgrenzen 2.3.1 Dieptrekken (eerste trek) 2.3.2 Kraagtrekken 2.3.3 Strekken 2.3.4 Vervolgbewerkingen - volgtrekken - omkeertrekken
8 8 8 8 8 8 9 9 9 9 10
3 Basisvormen 3.1 Inleiding 3.2 Basisvormen voor dieptrekken 3.3 Basisvormen voor kraagtrekken 3.4 Basisvormen voor strekken
16 16 16 18 18
4 Maakbaarheid 4.1 Inleiding 4.2 Maakbaarheid voor dieptrekken 4.2.1 Ronde producten 4.2.2 Niet ronde producten zonder rekzones 4.2.3 Niet ronde producten met rekzones 4.3 Maakbaarheid voor kraagtrekken 4.3.1 Ronde kragen 4.3.2 Niet ronde kragen 4.4 Maakbaarheid voor strekken
19 19 19 19 21 24 25 25 26 27
5 Opstellen van een methodeplan 5.1 Inleiding 5.2 Vorm en afmetingen van platines voor dieptrekken en trekschema's 5.2.1 Ronde producten 5.2.2 Niet ronde producten zonder rekzones 5.2.3 Niet ronde producten met rekzones 5.3 Vorm en afmetingen van platines voor kraagtrekken 5.4 Gereedschapafrondingen en trekspleet 5.5 Plooihouderdruk en trekrillen 5.6 Perskracht en -afmetingen
29 29
10 10 13 14 14 14 15
29 29 30 32 32 32 32 33
6 Praktijkvoorbeelden 6.1 Inleiding 6.2 Rond product zonder bodem uit een ronde en een vierkante platine 6.2.1 Basisvormen 6.2.2 Persen uit een ronde platine; maakbaarheidsanalyse 6.2.3 Persen uit een vierkante platine; een alternatieve methode uit de praktijk 6.3 Bracket: product met een rek- en stuikzone 6.3.1 Basisvormen 6.3.2 Maakbaarheidsanalyse per basisvorm 6.3.3 Praktijk 6.4 Ronde behuizing met flens; volgtrekken 6.4.1 Basisvormen 6.4.2 Maakbaarheidsanalyse
34 34
7 Checklist/trouble shoot list
39
Supplement “materialen” S.1 Inleiding S.2 Productmaterialen S.2.1 Mechanische eigenschappen die van belang zijn voor het dieptrekken S.2.2 Overige eigenschappen van belang voor proces en product S.2.3 Voor dieptrekken geschikte materialen S.2.4 Materiaalkeuze S.3 Gereedschapmaterialen S.4 Smeermiddelen
42 42 42
Supplement “machines en gereedschappen” M.1 Inleiding M.2 Machines M.3 Gereedschappen
56 56 56 57
Trefwoorden
60
Literatuur
61
34 34 34 35 35 35 35 36 36 36 36
42 43 43 50 51 51
5
Gebruiksaanwijzing: Deze VM-publicatie is onderdeel van een serie publicaties die zich richt op diegenen die in de praktijk te maken hebben met het vormgeven van dunne plaat of zich daarmee willen gaan bezighouden. Vormgeven van dunne plaat kan met een groot aantal technieken. De publicaties richten zich op de meest voorkomende: ! dieptrekken, kraagtrekken en strekken; ! buigtechnieken zoals vrij-, strijk-, zwenk- en matrijsbuigen; ! scheidingstechnieken zoals ponsen en knippen, plasma- en lasersnijden. Voor het verbinden van dunne plaat wordt verwezen naar diverse VM-publicaties over lassen, solderen, lijmen, mechanisch verbinden (zie de catalogus van de FME en de website www.DunnePlaat-Online.nl). Bij het vormgeven van plaat spelen drie aspecten een rol:
! de keuze van het vormgevingsproces, op basis van of in wisselwerking met het productontwerp; ! de keuze en invloed van het productmateriaal, het gereedschapmateriaal en smeermiddelen (hulpstoffen) op het vormgevingsproces en het eindproduct;
! de keuze van machines en gereedschappen. Sommige materiaal- en machinegebonden aspecten zijn alleen van belang voor een bepaalde vormgevingstechniek, zoals bijvoorbeeld smeermiddelen voor dieptrekken. Andere zijn van algemeen belang. Informatie over respectievelijk dieptrekken (inclusief kraagtrekken en strekken), buigen en scheiden worden in drie aparte (proces-)publicaties gegeven. Deze procespublicaties worden geflankeerd door twee publicaties: ! een publicatie met algemene informatie over product- en gereedschapmaterialen alsmede hulpstoffen; ! een publicatie over machines en gereedschappen. In de procespublicaties bevinden zich supplementen over materialen, alsmede machines en gereedschappen, waarin specifieke informatie wordt gegeven die van belang is voor het desbetreffende proces. Voor een goed begrip van de stof wordt aangeraden ook de publicaties VM 111 “Materialen” en VM 112 “Machines en gereedschappen” erbij te houden. In de procespublicaties worden trouble shoot lijsten gegeven. Deze verwijzen niet alleen naar de tekst in de procespublicatie zelf, maar indien nodig ook naar de andere publicaties. In het hieronder afgebeelde schema wordt de samenhang aangegeven.
6
Symbolenlijst (zie ook figuur 1, 2 en 3) stempel rs stempelradius rsa stempelafronding u stempelweg matrijs rm matrijsradius rma matrijsafronding ∆s trekspleet (enkelzijdig)
n εr εt er et rα –r ∆r
verstevigingsexponent natuurlijke radiale rek natuurlijke omtrekrek radiale rek omtrekrek normaalanisotropie onder een hoek α met de walsrichting gemiddelde normaalanisotropie: –r =¼(r0+2.r45+r90) vlakte-anisotropie: ∆r =½(r0 –2.r45+r90)
plooihouder FN plooihouderkracht PN plooihouderdruk product/platine Au oppervlak uitgeslagen product Apl oppervlak platine Bfl flensbreedte van de platine rpl straal platine (rond product) so oorspronkelijke platinedikte β dieptrekverhouding (rond: β = rpl/rp, niet-rond: β = √ Au/Ab) eindproduct Ab oppervlak van de productdoorsnede ter hoogte van de onderzijde van de productwand Aw oppervlak van de productwand B lengte van een zijde van een veelhoekig product Ob omtrek van het product ter hoogte van de onderzijde van de productwand hba hoogte bodemafronding hfa hoogte van de flensafronding hfl hoogte van de flens hp hoogte van product of kraag hw hoogte van product- of kraagwand dp inwendige diameter (van cilindrisch rond product) rba (inwendige) straal bodemafronding rbam straal middelpunt bodemafronding rbs straal van een bolvormige bodem rbv straal vlakke deel bodem rfa (uitwendige) straal flensafronding rfam straal middelpunt flensafronding rfl straal van flensrand (rond product) rfli straal van de flens aan binnenzijde (rond product) rg straal van een rond gat bij kraagtrekken rp inwendige straal productwand aan bodemzijde (van een rond product) of afronding van een hoeksegment aan de binnenzijde rpu uitwendige straal productwand aan bodemzijde (van een rond product) of de afronding van een hoeksegment aan de buitenzijde rw inwendige straal productwand aan flenszijde αh openingshoek van een hoeksegment αba hoek bodemafronding αfa hoek flensafronding αfl hoek tussen flens en vlakke deel bodem δp relatieve product- of segmentdiameter δpl relatieve platinediameter van een ronde platine γ coniciteit proces/materiaal (Zie ook VM 111 “Materialen”) A80 breukrek gemeten volgens norm EN 10002 Ag gelijkmatige rek E elasticiteitsmodulus F kracht Fdiep dieptrekkracht Fkri maximaal overdraagbare kracht Ra ruwheid Re vloeigrens (ReL onderste; ReH bovenste) Rp 0,2 0,2 % rekgrens Rm treksterkte σr radiale spanning σt tangentiële spanning
figuur 1
symbolen bij een rond product (zie ook figuur 5.1)
figuur 2
symbolen bij een veelhoekig product
figuur 3
Een aantal symbolen bij matrijs en stempel
7
Hoofdstuk 1 Inleiding Om fabricage door middel van omvormen te beschrijven, kan gebruik worden gemaakt van het schema in figuur 1.1.
Aan het eind van deze publicatie zijn supplementen toegevoegd met betrekking tot materialen, alsmede machines en gereedschappen. Deze supplementen zijn speciaal voor de in deze publicatie behandelde processen een aanvulling op de algemene voorlichtingspublicaties VM 111 “Materialen” en VM 112 “Machines en gereedschappen“.
Centraal staat het eigenlijke omvormproces: de rekken en materiaalverplaatsingen waardoor een plaat (platine) tot een product wordt omgevormd. Deze komen tot stand door middel van een gereedschap, aangedreven door een machine (pers). Contact met het gereedschap dwingt de platine een bepaalde vorm aan te nemen. De wederzijdse respons van de platine en het gereedschap op hun contact wordt bepaald door de eigenschappen van het platine- en het gereedschapmateriaal en eventueel het contactmedium (smeermiddel). In de praktijk wordt de rol van het omvormproces echter vaak onderbelicht. Bij het voorbereiden van de fabricage door omvormen gaat de meeste aandacht uit naar het gereedschap en eventueel het productmateriaal dat moet worden besteld. Het omvormproces krijgt men op de koop toe en speelt zich min of meer onzichtbaar af in het gereedschap. Het doel van deze publicatie is om de dieptrek-, kraagtreken strekprocessen beter te belichten. Een goed inzicht in de wijze waarop het product uit een plaat wordt gevormd, is een grote steun bij de fabricagevoorbereiding en eventueel het ontwerpen van producten. Vaak is een product op verschillende manieren te maken of juist helemaal niet. Inzicht in de processen helpt dan bij het herkennen van de verschillende alternatieven en het maken van een gefundeerde keuze daaruit. Wij gaan bij al deze processen uit van metaalplaat met een dikte <3 mm. In deze publicatie worden eerst in hoofdstuk 2 de belangrijkste dieptrek-, kraagtrek- en strekprocessen beschreven. De nadruk wordt gelegd op hoe deze processen verlopen en met name wat er lokaal gebeurt. Als voorbeelden worden steeds eenvoudige ronde producten gebruikt. Vervolgens wordt in hoofdstuk 3 beschreven hoe ook andere productvormen kunnen worden geanalyseerd door deze op te splitsen in eenvoudige basisvormen. In hoofdstuk 4 worden praktische procedures, tabellen en rekenwijzen gegeven om de maakbaarheid van producten vast te stellen. In hoofdstuk 5 worden ten behoeve van het opstellen van een methodeplan regels gegeven voor het vinden van de platinevorm, de pers- en plooihouderkrachten, alsmede de stempel- en matrijsafrondingen. In hoofdstuk 6 worden voorbeelden gegeven van het analyseren van de maakbaarheid van een aantal producten uit de praktijk, terwijl in het laatste hoofdstuk een trouble shoot lijst is opgenomen.
figuur 1.1 Schema voor het beschrijven van de fabricage door middel van omvormen
8
Hoofdstuk 2 Procesbeschrijving 2.1 Procesdefinities Er zijn veel definities van dieptrekken, kraagtrekken en strekken in omloop. Een aantal definities gaat uit van een rond product. Andere benadrukken één aspect, bijvoorbeeld dat de wanddikte van een diepgetrokken product niet veel verschilt van de oorspronkelijke plaatdikte of dat de flens wordt gestuikt. Dieptrekken en strekken is echter veel meer dan het vervaardigen van ronde bekers (zie figuur 2.1).
Dieptrekken wordt uitgevoerd met een gereedschap dat in het algemeen de volgende onderdelen bevat (zie figuur 2.3): stempel + tegenhouder; matrijs + plooihouder. De plooihouder dient om het materiaal vlak te houden, als het naar het gat in de matrijs wordt getrokken: het houdt plooien in bedwang. De tegenhouder vergemakkelijkt het uitnemen van een gevormd product.
figuur 2.3
Dieptrekgereedschap. De matrijs wordt ook wel trekring genoemd, de tegenhouder ook wel uitwerper
kraagtrekken figuur 2.1
Enkele diepgetrokken producten
Er worden hier ruimere definities gegeven. Dit wordt gedaan om later beter inzicht te krijgen in het vervaardigen van complexe productvormen.
Een proces dat op dieptrekken lijkt - misschien niet op het eerste gezicht - is kraagtrekken. Kraagtrekken is: het proces waarbij materiaal van rond een gat in een plaat, om een stempelrand wordt getrokken en zo een kraag vormt. De diameter van dat gat wordt daarbij groter, vandaar dat ook de naam gatverwijding wordt gebruikt.
Bij de in deze publicatie behandelde processen moet er onderscheid worden gemaakt tussen de eerste bewerking en vervolgbewerkingen. Bij de eerste bewerking wordt er uit een vlakke plaat een vorm geperst. Als het niet mogelijk is om de gewenste eindvorm in één keer te maken, zullen er één of meerdere vervolgbewerkingen moeten plaatsvinden.
strekken
2.1.1 Eerste bewerking
Het materiaal wordt om een stempel of in een vorm gedrukt zonder materiaaltoestroom. Dat wordt voorkomen door het vastklemmen van het materiaal rondom de stempel. Bij dieptrekken stroomt er materiaal toe, bij strekken niet.
Bij het persen van een driedimensionale vorm uit een plaat, zijn er drie processen mogelijk (zie figuur 2.2): dieptrekken; kraagtrekken; strekken.
dieptrekken Dieptrekken is: het persen van een vorm met een wand en
een bodem, uit een plaat. De wand ontstaat, doordat materiaal van buiten de omtrek van de wand naar een gat in een matrijs wordt getrokken en over de rand van dat gat gebogen.
Naast dieptrekken, wordt ook strekken gebruikt om een vorm te maken uit plaat. Strekken is: het persen van een vorm met wand en bodem
in een plaat, door het materiaal binnen de omtrek van de wand te vervormen.
In de praktijk komt het voor dat een ‘ruimtelijk lichaam’ gemaakt wordt door materiaal binnen de omtrek (uit de bodem) wat te strekken, en tegelijk materiaal toe te laten stromen van buiten de omtrek (uit de flens). Het is dan een combinatie van dieptrekken en strekken. Dit gebeurt voornamelijk als de productbodem gewelfd is, of veel reliëf heeft.
figuur 2.2 Dieptrekken (links), kraagtrekken (midden) en strekken (rechts)
9 2.1.2 Vervolgbewerkingen Naast de drie besproken processen welke worden gebruikt voor de eerste bewerking, worden er ook regelmatig de volgende vervolgprocessen toegepast: volgtrekken - trekkend - stuwend - omkeertrekken Deze processen (zie ook figuur 2.4) hebben veel overeenkomsten met het verjongen van een buis of pijp.
duntrekken Dit proces is eigenlijk een massief omvormproces (zie ook figuur 2.5 - links). Denk hierbij aan bijvoorbeeld draadtrekken. De wand van het product wordt als het ware door een treksteen met een ringvormige opening getrokken, waarbij
de wand dunner wordt gemaakt en het product hoger. Dit proces wordt ook wel strijken of wandstrekken genoemd.
kalibratie Bij het dieptrekken, kraagtrekken en strekken mogen de stempel- en matrijsafrondingen niet te klein zijn, omdat anders het proces niet goed verloopt. Wanneer de gevraagde productafrondingen erg klein zijn, moet het product met een extra bewerking worden gekalibreerd. De bodemafronding kan bijvoorbeeld worden verkleind door de bodem terug te duwen (materiaal te veel), zie figuur 2.5 midden, of door de wand en bodem te strekken (materiaal te weinig), zie figuur 2.5 rechts. Bij het terugduwen van de bodem moet de wand goed worden opgesloten, omdat deze anders kan gaan knikken. De eindnauwkeurigheid is echter groter.
figuur 2.4 Volgtrekken: trekkend (links), stuwend (midden) en omkeertrekken (rechts)
figuur 2.5 Duntrekken (links), kalibratie met materiaal teveel (midden) en te weinig (rechts)
10 2.2 Lokale procesbeschrijving; ‘gedachtecirkels’ In deze paragraaf wordt nader kennis gemaakt met wat er lokaal in een plaat tijdens een vervormingsproces gebeurt. Aangeraden wordt om eerst in publicatie VM 111 “Materialen” kennis te nemen van de begrippen rek en spanning en van het materiaalgedrag onder belasting in het algemeen: elastische en plastische vervorming. Daar worden ook de verschillen tussen insnoeren, scheuren en breuk duidelijk gemaakt. Hier worden enkele hulpmiddelen voor de lokale rekbeschrijving geïntroduceerd, namelijk de zogenoemde ‘gedachtecirkels’ en het ‘rekwegdiagram’. De ‘gedachtecirkels’ zijn een middel om de lokale rekken in een plaat te laten zien. Neem een plaat in gedachten en denk daarop een cirkel getekend, een ‘gedachtecirkel’. Als de plaat van vorm verandert, zal de cirkel dat ook doen, op dezelfde manier als het oppervlak van de plaat (zie figuur 2.6a). In het meest algemene geval wordt de cirkel een ellips. Uit het verschil tussen de lengte van de assen en de oorspronkelijke cirkeldiameter, volgt de rek. Oorspronkelijke diameter: do Na vervormen: - lengte langste as: l1 - lengte korte as: l2
! In het kwadrant rechtsboven (I) van het rekwegdiagram
zijn de rekken e1 en e2 beide groter dan nul. Deze wijze van vervormen wordt bi-axiaal strekken genoemd. Omdat het volume constant is bij plastisch vervormen, wordt de plaat dunner. ! Als e2 nul is, is er sprake van een vlakke rek toestand. Deze treedt onder andere op bij het persen van lange rillen. In de vlakke rek toestand zijn de vervormingen die een plaat kan ondergaan zonder dat deze insnoert het kleinst. ! In het kwadrant linksboven (II) van het rekwegdiagram, zie figuur 2.6b, wordt een gedachtecirkel langer (e1 > 0) en smaller (e2 < 0). Dit treedt op als er aan een plaat getrokken wordt in één richting en loodrecht daarop, in het vlak van de plaat, geduwd. Doordat e1 en e2 tegengesteld zijn, zal de plaat niet veel dunner of dikker worden. Wanneer in een rekwegdiagram de waarden worden uitgezet van de rekken waarbij het materiaal het begeeft, krijgen we een zogenaamde grensvervormingskromme (zie figuur 2.7). Er worden grensvervormingskrommen gemaakt tot aan het insnoeren van het materiaal, maar ook tot aan scheuren. In figuur 2.7 is te zien dat de mogelijke vervorming het kleinst is in de vlakke rek toestand (e2 = 0). De kromme kan worden gebruikt om te controleren hoe veilig een proces is. Men moet zich echter goed bewust zijn, dat de precieze ligging van de kromme afhangt van de rekweg (bijvoorbeeld of de verhouding e1/e2 constant is of verandert tijdens het vervormen).
Dan is de lokale rek: e1 = (l1–do)/do.100 % e2 = (l2–do)/do.100 % De zo uitgerekende rek wordt maatrek genoemd. Er is nog een andere rekdefinitie, de ware of natuurlijke rek: ε1 = ln(l1/do) ε2 = ln(l2/do) Een belangrijk verschil tussen de twee definities is dat de ware rek van twee achtereenvolgende vervormingsstappen mogen worden opgeteld om de totale rek te vinden en de maatrek niet.
De rekken kunnen ook in een rekwegdiagram worden weergegeven. Dat laat zien hoe de rekken tijdens het proces veranderen (zie figuur 2.6b).
figuur 2.6
Voorbeelden van een 'gedachtecirkel' (a) en een rekwegdiagram (b). De grootste positieve rek wordt in het diagram altijd uitgezet langs de verticale as
2.3 Totale procesbeschrijving voor ronde
producten; krachten en procesgrenzen 2.3.1 Dieptrekken (eerste trek) rekken en spanningen Het eerste wat er gebeurt wanneer de stempel in de platine wordt gedrukt, is dat het materiaal tussen stempelrand en matrijsrand wordt gestrekt (zie figuur 2.8a).
figuur 2.7
Voorbeeld van een grensvervormingskromme
figuur 2.8
a): het begin van het proces: strekken van de bodem rond de stempel en de matrijsrand; b): het eigenlijke dieptrekken
Bij de bodemafronding (neus) kan het materiaal niet in de omtrekrichting worden gerekt, zodat de rek et in de omtrekrichting (ofwel de tangentiële richting) nul is (zie figuur 2.9). In radiale richting wordt het materiaal wel gerekt. Er heerst een vlakke rek toestand. Pas daarna begint het echte dieptrekken (zie figuur 2.8b): de flens wordt naar de matrijsrand en in de trekspleet getrokken. Als de beginradius van de platine rpl is en de productradius rp, dan wordt hun verhouding de dieptrekverhouding β genoemd: β = rpl/rp. De flens wordt, wanneer die naar de matrijsrand wordt ge-
11
figuur 2.9
Dieptrekken: ‘gedachtecirkels’ (links), rekwegdiagram (midden) en de spanningstoestand in de flens (rechts)
trokken, gestuikt. Er werkt in de radiale richting een trekspanning σr, in de omtrekrichting een stuikspanning σt (zie figuur 2.9). Een ‘gedachtecirkel’ wordt dus langer en smaller. De grootste rek is de stuikrek. Daardoor wordt het materiaal wat dikker, wanneer het dichter bij de matrijsrand komt. Wanneer het materiaal over de matrijsrand wordt gebogen en vervolgens in de trekspleet weer recht wordt getrokken, wordt het materiaal weer dunner. Bij de stempelrand zal door het strekken aan het begin, de wand wat dunner worden (zie figuur 2.10). Bij benadering is gemiddeld over de wand, de dikte gelijk aan de oorspronkelijke plaatdikte. Dit wordt gebruikt om de grootte van de platine te bepalen voor een dieptrekproduct. In § 5.2 wordt daar verder op ingegaan.
zakelijk kwaad. Door de wrijving tussen plooihouder en materiaal wordt de dieptrekverhouding kleiner. primaire en secundaire plooien De plooien die in de flens ontstaan, noemt men primaire (eerste orde) plooien. Er kunnen ook plooien ontstaan bij de matrijsafronding of in de trekspleet. Deze worden secundaire (tweede orde) plooien genoemd. Dit treedt vooral op bij gereedschappen met een grote matrijsafronding of een grote trekspleet, zoals bij het trekken van kegelvormige producten (zie figuur 2.11). De plooihouder werkt alleen op de flens, niet op het vrijliggend of -hangend materiaal dat nog verder wordt gestuikt. Een remedie is het verhogen van de spanning in de radiale richting door een hogere plooihouderdruk (op de flens) of een trekril.
figuur 2.11 a): Primaire plooien in de flens; b): Secundaire plooien in de wand
krachten Bij het dieptrekken van een rond product wordt de flens gestuikt, over de trekring gebogen en daarna weer recht getrokken in de trekspleet.
figuur 2.10 Profiel van de wand- en bodemdikte van een rond dieptrekproduct. Dikte uitgangsmateriaal: so=1,50 mm
plooien De stuikspanning in de flens kan plooien veroorzaken. Dat is des te eerder het geval, naarmate het materiaal dunner is. Plooien kunnen niet alleen leiden tot product afkeur, maar ook kan het gereedschap worden beschadigd, wanneer de plooien door de trekspleet worden getrokken. Om de flens vlak te houden wordt een plooihouder gebruikt. Dat is een dikke plaat die samen met de matrijs het materiaal opsluit (zie figuur 2.2). De plooihouder is een nood-
De krachten die hierbij moeten worden overwonnen, zijn: F1 - De kracht om de flens te vervormen; F2 - De kracht om de wrijving tussen platine en matrijs/plooihouder te overwinnen; F3 - De kracht om de platine over de matrijsrand te buigen en weer recht te trekken in de trekspleet; F4 - De kracht om de wrijving tussen platine en matrijsrand te overwinnen. Figuur 2.12 geeft aan waar deze krachten optreden. Deze vier krachten resulteren in de totale dieptrekkracht Fdiep. Deze kracht moet door de pers worden geleverd. Via de stempel, de bodem en de wand - voor zover die al is gevormd - van het product wordt deze overgedragen aan het materiaal dat naar binnen wordt getrokken. De belasting van de wand mag niet zo groot worden dat deze bezwijkt.
12
figuur 2.12 Plaats waar de krachten bij het dieptrekken optreden
Wanneer de dieptrekkracht Fdiep groter is dan de grootste kracht die de wand kan overdragen Fkri, scheurt het product. Als we de wand vergelijken met een trekstaaf, met een begindoorsnede van 2π.rp.so en treksterkte 1,15.Rm (vlakke rektoestand), zien we dat de maximaal overdraagbare kracht bij benadering gelijk is aan: Fkri ≈ 2π.rp.so.1,15.Rm hierbij rp = so = Rm =
is: inwendige productstraal; materiaaldikte; treksterkte.
Als de wrijving tussen stempel en product groot is (geen smering; opgeruwd stempel), wordt het product als het ware tegen de stempel aangeplakt. Dit is gunstig voor de krachtoverdracht van de stempel op het product: de kracht wordt via wrijving tussen wand en stempel overgedragen en de bodem wordt ontlast.
dan wel in het vlak van de plaat laat rekken. Een maat daarvoor is de normaalanisotropie. De normaalanisotropie rα of ‘r-waarde’ is de verhouding van de rek in de breedte en de dikte bij een trekproef met een strip die onder een hoek α met de walsrichting uit een plaat is gehaald. Een rα groter dan één betekent dat de strip een hogere weerstand heeft tegen rek in de dikte dan in de breedte. Wanneer rα kleiner is dan één, is dat net andersom. De rα waarden gemeten in verschillende richtingen (bijvoorbeeld loodrecht of evenwijdig met de walsrichting) zijn meestal niet aan elkaar gelijk. Wanneer dat wel het geval is, wordt het materiaal planair isotroop genoemd. De gemiddelde normaalanisotropie van een plaatmateriaal wordt berekend uit de rα in de walsrichting, loodrecht daarop en onder een hoek α=45º daarmee: –r=¼(r0+2.r45+r90). Dit gemiddelde wordt net als rα ook wel ‘r-waarde’ genoemd. Bij dieptrekken wordt de stuik in de flens gecompenseerd door de radiale rek - de flens vervormt voornamelijk in het vlak van de plaat. De wand kan echter door de aanwezigheid van de stempel niet vervormen zonder een rek in de dikterichting. Een normaalanisotropie groter dan één bemoeilijkt dus het vervormen van de wand, waardoor deze sterker is. Dit is gunstig voor een grote dieptrekverhouding. Goed dieptrekbaar vervormingsstaal heeft bijvoorbeeld een r90-waarde van 1,6 of hoger (zie VM 111). vlakte-anisotropie en oorvorming Wanneer de normaalanisotropie rα niet in elke richting (bijvoorbeeld loodrecht of evenwijdig aan de walsrichting) hetzelfde is, is de dikterek van de flens niet rondom hetzelfde en wordt de productrand rondom niet even hoog. Dit wordt oorvorming genoemd (zie figuur 2.13). Een maat voor de verschillen in rα is de vlakte-anisotropie ∆r=½(r0–2.r45+r90). Naarmate ∆r meer van nul afwijkt, zal de oorvorming sterker zijn. Voor een rondom even hoog product, moet de rand worden afgesneden.
procesgrenzen Een product is alleen maakbaar wanneer Fdiep kleiner is dan Fkri. Wanneer we een steeds grotere platine willen dieptrekken met hetzelfde gereedschap, dan wordt de dieptrekkracht Fdiep steeds groter, maar Fkri blijft gelijk. Bij een bepaalde platinegrootte wordt de wand overbelast en scheurt deze. Omdat de wand net boven de stempelafronding het dunst is, treedt scheuren meestal daar op. De bodem wordt er als het ware uitgedrukt. Er is bij elke productradius rp een maximale platineradius rpl,max die nog kan worden getrokken. De verhouding van deze radii wordt de maximale dieptrekverhouding βmax genoemd: βmax = rpl,max/rp Omdat voor een hoger product, een grotere platine nodig is, is er dus ook voor elke productradius, bij gelijkblijvend materiaal, een maximale maakbare producthoogte hp,max. Hoe groot βmax is, hangt af van: het betreffende materiaal; de wrijving; de verhouding van de productradius (productgrootte) en de plaatdikte; de matrijs- en stempelafronding.
invloed van de materiaaleigenschappen op het dieptrekproces normaalanisotropie Materiaal waarvan de eigenschappen in elke richting hetzelfde zijn, wordt isotroop genoemd. Zijn de eigenschappen ongelijk, dan wordt het anisotroop genoemd (zie ook VM 111 “Materialen”). Een belangrijke eigenschap voor dieptrekken is, in hoeverre plaatmateriaal zich bij voorkeur in de dikte,
figuur 2.13 oorvorming
Bovendien moet er worden uitgegaan van een grotere platinediameter dan theoretisch nodig is. De dieptrekverhouding β wordt daardoor ook groter, waardoor het proces kritischer wordt. versteviging Tijdens plastisch vervormen neemt de vloeispanning van het materiaal toe. Dit wordt versteviging genoemd. Een maat daarvoor is de ‘n-waarde’ (zie VM 111 “Materialen”). Een vuistregel is dat het materiaal met de grootste verhouding van treksterkte Rm en rekgrens Rp 0,2 de grootste ‘n-waarde’ heeft. Door de versteviging wordt de wand sterker, maar tegelijk neemt de vloeispanning in de flens tijdens het dieptrekken toe. Deze twee effecten houden elkaar in evenwicht. In het algemeen geldt dat een hogere n-waarde een kleine positieve invloed heeft op de dieptrekbaarheid bij één-staps processen of de eerste trek bij volgtrekken. Een hoge n-waarde van bijvoorbeeld 0,5 (zoals bij austenitisch roestvast staal) kan een lage normaalanisotropie (van bijvoorbeeld één) compenseren. Bij het volgtrekken is een hoge n-waarde echter ongunstig. Bij iedere trek wordt het materiaal verder gestuikt. De dieptrekkracht zal sterker toenemen dan bij een materiaal met een lagere n-waarde, dat minder sterk verstevigt.
13 kracht-wegverloop De versteviging heeft duidelijk invloed op het kracht-weg verloop bij het persen. Door de versteviging neemt de dieptrekkracht toe tijdens de slag. Omdat het resterende deel van de flens dat nog naar binnen wordt getrokken steeds kleiner wordt, neemt de dieptrekkracht aan het einde van de slag echter toch weer af. Nu is het zo dat hoe groter de n-waarde is, des te later tijdens het proces de dieptrekkracht z'n maximum bereikt (zie ook figuur 2.14).
trekken, spreekt voor zich. De invloed van de verhouding van de productradius en plaatdikte op βmax is minder vanzelfsprekend. De maximaal overdraagbare kracht Fkri is evenredig met de plaatdikte. De kracht voor het stuiken en buigen van de platine zijn ook evenredig met de plaatdikte. De wrijvingskracht hangt weliswaar af van het platine-oppervlak, maar niet van de plaatdikte. Wanneer de platine uit dunner, maar verder gelijk materiaal wordt genomen en stempel en matrijs gelijk blijven, zal de totale dieptrekkracht Fdiep in verhouding minder afnemen dan de maximaal overdraagbare kracht Fkri. Hierdoor wordt βmax kleiner naarmate het materiaal relatief dunner is. Bovendien neemt de rol van de wrijving toe. Dit effect wordt nog versterkt, doordat dunner materiaal eerder tot plooien neigt. Daardoor kan er een hogere plooihouderdruk PN nodig zijn. Dit werkt ook nadelig op βmax.
invloed van de matrijs- en stempelafronding De buigkracht en dus ook de dieptrekkracht, is kleiner naarmate de matrijsafronding groter is. Dit is gunstig. Een grote matrijsafronding verhoogt echter weer de kans op secundaire plooien in het tussen de plooihouder en stempel vrijliggende deel van de wand.
figuur 2.14 Invloed van de versteviging op het kracht-wegverloop. Afgebeeld is het gemeten kracht-wegverloop voor een product met een dieptrekverhouding β=1,8 en straal rp=25 mm uit 1 mm dik aluminium met de minste versteviging, staal en roestvast staal, met de meeste versteviging
invloed van de wrijving Een lage wrijving tussen platine en plooihouder c.q. matrijs verlaagt de dieptrekkracht en is dus gunstig. Daarentegen is juist een hoge wrijving met de stempel gunstig. Zoals hiervoor al gezegd, verbetert dat de grip van de stempel op de productbodem en -wand. Daardoor is de belasting die kan worden overgedragen hoger en dus de maximale toegestane dieptrekkracht Fdiep groter.
invloed van de verhouding van de productradius en de plaatdikte Dat materiaalsoort en wrijving van invloed zijn op het diep-
figuur 2.15
Naarmate de stempelafronding kleiner is, treedt er een grotere rekconcentratie in de beginfase op bij de stempelrand. De maximaal overdraagbare kracht gaat dan omlaag en dus ook βmax. Een te grote afronding leidt tot plooivorming. Richtwaarden voor de stempel- en matrijsafrondingen staan in § 5.4.
niet-ronde producten Bij een hoek in een niet-rond product worden zowel de stuikrekken in de flens, als de belasting van de wand uitgespreid over de rechte gedeelten ernaast. Daardoor kan de verhouding tussen producthoogte en hoekradius veel groter zijn dan bij een rond product mogelijk is.
2.3.2 Kraagtrekken Bij kraagtrekken wordt het materiaal van rond een gat, onder de stempel, naar de stempelrand getrokken. Het materiaal moet daarbij in de omtrekrichting worden gerekt. Er treedt ook radiale verkorting (loodrecht op de omtrek) op, maar die is klein in vergelijking met de omtrekrek. Dit komt doordat er een radiale trekspanning nodig is om de rand van het gat naar de rand van de stempel te trekken (zie figuur 2.15).
Kraagtrekken: rekken (midden) en spanningen aan de rand (rechts). N.B.: De grootste positieve rek wordt
in een rekwegdiagram uitgezet langs de verticale as
14 Om de omtrekrek te compenseren (het volume van het materiaal blijft gelijk!) wordt het materiaal dunner, aan de rand van het gat het meest. Dit leidt tot insnoeren en/of ontstaan van scheuren aan de rand. De kraaghoogte die kan worden gerealiseerd, wordt beïnvloed door de afwerking van de rand van het gat. Een harde rand, kerfjes, insluitsels en bramen kunnen voor voortijdig inscheuren zorgen.
2.3.3 Strekken Bij het strekken wordt het materiaal alleen binnen de omtrek van de trekring vervormd. De plaat wordt buiten de omtrek zodanig vastgeklemd, dat er geen materiaal toe kan stromen. Het extra oppervlak dat nodig is voor het persen van een vorm in een vlakke plaat, komt geheel uit de afname van de dikte. Dit is eigenlijk net zo als bij een trekproef, alleen wordt er nu in meer dan één richting aan de plaat getrokken. Als we een halve bol persen, zal precies in het midden de rek in alle richtingen - in het vlak van de plaat - even groot zijn (zie figuur 2.16). Aan de rand van de halve bol kan de plaat niet in de omtrekrichting (ofwel de tangentiële richting) deformeren. De plaat rekt alleen in de radiale en dikte richting. Men noemt dit wel een vlakke rektoestand. Een van de rekcomponenten - hier is dat de omtrekrek - is dan gelijk aan nul. Bij het strekken neemt het productoppervlak toe, wat ten koste gaat van de dikte. Als de stempel in de plaat wordt gedrukt, zal net als bij een trekstaaf de plaat na enige tijd ergens insnoeren. De rek concentreert zich daar. De plaat wordt er snel dunner en tenslotte ontstaat er een scheur. Materiaal dat niet taai is, kan overigens al scheuren, voordat er een insnoering ontstaat. Algemeen geldt dat het vermogen om de rekken (dikte-afname) uit te smeren, dat wil zeggen een hoge versteviging (n-waarde), en een grote taaiheid gunstig zijn om een diepe vorm te persen. De wrijving heeft veel invloed op de verdeling van de rekken, vooral bij dunne plaat. Tijdens het persen komt een steeds groter deel van de plaat tegen de stempel aan te liggen. Waar stempel en plaat elkaar raken, kan wrijving het glijden van de plaat over de stempel belemmeren. De rekken concentreren zich dan in het steeds kleiner wordende deel dat nog geen contact maakt. Hoe meer wrijving, des te sterker dit effect is en des te eerder de plaat scheurt.
2.3.4 Vervolgbewerkingen
volgtrekken Bij volgtrekken wordt uit een product - met wand en bodem - een nog smaller en hoger product gevormd (zie figuur 2.17). De uiteindelijke wand tussen 1" en 3" wordt gevormd uit de gehele oorspronkelijke wand tussen 1 en 2 en een deel van de bodem tussen 2 en 3. Het materiaal tussen 2 en 3 is bij de eerste trek niet of nauwelijks vervormd en gedraagt zich in de volgtrek als flensmateriaal bij een eerste trek. Het materiaal tussen 1 en 2 is al vervormd en zal door versteviging aanzienlijk sterker zijn geworden, het meeste aan de rand. Naar de rand toe is het materiaal ook dikker geworden (zie figuur 2.10). Het materiaal tussen 1 en 2 wordt bij volgtrekken eerst gebogen en weer rechtgetrokken, daarna gestuikt (overgang van 2 naar 2') en vervolgens weer gebogen en rechtgetrokken in de trekspleet (overgang van 2' naar 2"). De extra stuikrek door het volgtrekken is tussen 1" en 2" overal gelijk (vergelijk met het verjongen van buis!). Omdat tussen 1 en 2 naar de rand toe het materiaal sterker en dikker wordt, neemt de dieptrekkracht tijdens de slag toe. Scheuren van de bodemafronding bij 3" treedt vaak pas op aan het einde van de slag. Soms ontstaan er aan het einde van de slag, wanneer de rand wordt gebogen, langsscheuren in het materiaal. Voor het volgtrekken zijn een lage versteviging en een hoge normaal-anisotropie gunstig. De kracht die nodig is voor het tweevoudige buigen en weer rechttrekken, is kleiner wanneer een conische matrijs in plaats van een platte wordt gebruikt (zie figuur 2.18). Het is dan gunstig om in de eerste trek het product bij de bodem eveneens een schuine wand te geven. Voor de hoek van het conische gedeelte zijn waarden tussen 30 en 45º het meest gebruikelijk. Bij een kleinere hoek neemt het gevaar van secundaire plooien in het conische gedeelte toe.
figuur 2.18 Van links naar rechts: trekkend volgtrekken met een platte matrijs, met een conische matrijs en omkeertrekken (- - - =product na de eerste trek)
figuur 2.16 Strekken: rekken (midden) en spanningen in het midden en aan de rand (rechts)
15
figuur 2.17 Volgtrekken: product voor, tijdens en na de bewerking (links), de rekken (midden) en de analogie met het verjongen van een buis (rechts)
omkeertrekken Bij het omkeertrekken of stulptrekken (zie figuur 2.18) wordt het product bij de tweede trek binnenste buiten gekeerd. Het belangrijkste verschil met het hiervoor behandelde trekkend volgtrekken is dat het materiaal slechts éénmaal gebogen en weer rechtgetrokken hoeft te worden. Door de 180º buiging kan er een trekril effect ontstaan, waardoor secundaire plooien worden tegengegaan en het proces met name geschikt is voor het persen van kegel- en bolvormige producten. De eerste en tweede (stulp)trek kunnen in één gereedschap worden uitgevoerd, mits de pers een drievoudige actie heeft (plooihouder, stempel voor de eerste en omkeerslag) met een lange slag. Nadeel van dergelijk gereedschap is de complexiteit.
16
Hoofdstuk 3 Basisvormen 3.1 Inleiding Om een analyse van de maakbaarheid van een product te vergemakkelijken, kan men de productvorm opsplitsen in basisvormen: geometrische segmenten waarvan apart bekeken wordt of ze maakbaar zijn met een dieptrek-, kraagtrek- of strekproces.
afrondingen van de hoeksegmenten door een boog kunnen worden benaderd. Dat hoeft natuurlijk niet altijd het geval te zijn. Figuur 3.5 bevat een voorbeeld van een productvorm met lokale rek- en stuikzones. tabel 3.1
Hoofdindeling van de basisvormen voor dieptrekken naar de productomtrek
basisvorm
zie figuur
deformatiezones (in flens)
cirkel met bodem binnen de omtrek
3.2a
stuikzone
Bij dieptrekken wordt de productwand gevormd uit de flens die naar de matrijsrand wordt getrokken. Bij kraagtrekken wordt een kraag gemaakt door materiaal rond een gat om de stempel te trekken. Bij strekken wordt de productwand gevormd uit materiaal dat zich binnen de omtrek van de matrijsrand bevindt.
hoeksegment met stuikzone 3.1 & 3.3a dat bestaat uit twee lijnstukken verbonden door een boog, die hol is gezien vanaf de bodem
stuikzone + buigzones
buigsegment dat bestaat uit een lijnstuk
buigzone
Deze processen kunnen in principe alle met dezelfde matrijs en stempel worden uitgevoerd, zoals al in figuur 2.2 te zien was. Welk proces plaatsvindt hangt af van de platinevorm, -grootte en de plooihouderdruk (of inklemming van de plaat).
hoeksegment met rekzone 3.1 & 3.3b rekzone + dat bestaat uit twee lijnstukken buigzones verbonden door een boog, die bol is gezien vanaf de bodem cirkel met bodem buiten de omtrek
3.1
3.2b
rekzone
3.2 Basisvormen voor dieptrekken De hoofdindeling van de basisvormen voor dieptrekken wordt gemaakt naar de wijze van vervorming van de flens. Dit wordt hieronder toegelicht. Bij het dieptrekken vindt materiaaltoevoer plaats naar de matrijsrand om daaroverheen te worden getrokken en zo de productwand te vormen. Men kan nu drie wijzen van materiaaltoevoer onderscheiden, namelijk die met (tangentiële) stuik, rek of geen van beiden in de flens (zie figuur 3.1). Of er stuik of rek optreedt hangt af van de vorm van de productomtrek. Is deze hol vanaf de bodem gezien, dan stuikt de flens. Is deze bol, dan rekt de flens. Is deze recht, dan treedt geen van beide op en wordt het materiaal alleen over de matrijsrand gebogen en weer rechtgetrokken om de wand te vormen (wat na eventueel stuiken of rekken van de flens uiteraard ook gebeurt). Men spreekt dan van respectievelijk een stuik-, rek- of buigzone.
figuur 3.2
Cirkelvormige basisvorm met bodem binnen (a) en buiten (b) de omtrek
Omdat de zones in de flens vloeiend in elkaar overgaan, is het handig om in een basisvorm met een stuik- of rekzone aan weerszijden daarvan een overgangszone te hebben. Vandaar dat de hoeksegmenten bestaan uit een boog tussen twee rechte stukken. In feite moet deze zo groot zijn, dat aan de rand geen strekken of stuiken meer plaatsvindt. Hierover zal later meer worden gezegd.
figuur 3.3
Figuur 3.2 toont de cirkelvormige basisvormen met respectievelijk de bodem binnen (een ronde beker) en buiten de omtrek. Figuur 3.3 toont hoeksegmenten met respectievelijk een stuik- of rekzone. Figuur 3.4 laat zien hoe de radius rp en de openingshoek αh van de hoeksegmenten worden gedefinieerd. Er is stilzwijgend verondersteld dat de
Hoeksegment met stuikzone (a) en hoeksegment met rekzone (b) voor dieptrekken
Deze hoofdindeling van basisvormen aan de hand van de productomtrek kan verder worden verfijnd door ook rekening te houden met de vorm van de dwarsdoorsnede van het product.
figuur 3.1
Dieptrekken
Een basisvorm voor dieptrekken is nu een deel van een product met één stuik-, rek- of buigzone. Tabel 3.1 geeft een overzicht van de hoofdindeling van de basisvormen voor dieptrekken. De totale productomtrek kan altijd worden beschreven met één of meerdere van deze basisvormen.
17 De dwarsdoorsnede van een product bestaat uit een flens, wand en bodem. Deze kunnen ieder ook weer met basisvormen worden beschreven. De figuren 3.6 t/m 3.8 geven een overzicht van de basisvormen voor de beschrijving van de flens, wand en bodem van een product.
figuur 3.4
figuur 3.5
Definitie van radius rp en openingshoek αh van de hoeksegmenten
figuur 3.7
Basisvormen voor beschrijving van de wand van een product
figuur 3.8
Basisvormen voor beschrijving van de bodem van een product
Dieptrekken van vierkante en rechthoekige productvormen Een vierkant of rechthoekig product bestaat uit een speciale symmetrische combinatie van basisvormen: Vier hoeksegmenten met al dan niet daartussen buigsegmenten (zie figuur 3.9). Ze komen veelvuldig voor en krijgen daarom extra aandacht.
Bovenaanzicht van product met lokale stuikzones (s) en rekzone (r) figuur 3.9
Vierkante productvorm met zijden B; hoogte hp; hoekradii rp
Bij benadering geldt dat de grens tussen de stuikzone en de buigzone in de platine, een hoek van 45º maakt met de matrijsrand, zie figuur 3.10.
figuur 3.6
Basisvormen voor beschrijving van de flens van een product
De lengte waarover de stuikzones zich in de rechte wand uitstrekken is dan gelijk aan hp. Als de productafrondingen te dicht bij elkaar zitten, overlappen de stuikzones elkaar. De vier hoeksegmenten zijn dan niet meer gescheiden door
figuur 3.10 a) De grens tussen de stuik- en buigzones in de platine maakt een hoek van 45º met de matrijsrand; b) Bij een producthoogte hp treedt wel, bij een producthoogte hp' treedt geen overlapping van de stuikzones op
18 een buigsegment en mogen niet meer los van elkaar worden beschouwd. Overlap treedt op als: hp >0,5.B – rp (3.1) Hoeksegmenten overlappen elkaar des te eerder naarmate rp/B groter is. Dat wil zeggen wanneer het product minder scherpe hoeken heeft. In geval van een rond product, treedt overlap - uiteraard - altijd op.
3.3 Basisvormen voor kraagtrekken Net als voor dieptrekken kan men bij kraagtrekken aan de hand van de vorm van de productomtrek ook basisvormen onderscheiden. Het gaat om precies dezelfde basisvormen als voor dieptrekken. Alleen zijn de erbij behorende vervormingen van de flens net omgekeerd: stuiken in plaats van rekken en omgekeerd (vergelijk figuur 3.11 met figuur 3.1).
3.4 Basisvormen voor strekken Ook voor strekken kan men basisvormen onderscheiden. Men kan weer dezelfde basisvormen onderscheiden als voor dieptrekken en kraagtrekken. Bij strekken onderscheiden de basisvormen zich op de wijze waarop de bodem wordt vervormd. Door de inklemming zal aan de matrijsrand altijd een vlakke rektoestand heersen. De wrijving is zeer belangrijk voor de verdeling van de deformatie van de bodem en vooral de verhouding tussen de omtrekrek en de radiale rek. basisvorm
deformatiewijze
rond
→ tangentiële (d.w.z. in omtrekrichting) en radiale rek (zie § 2.3.3)
bol hoeksegment (zie fig. 3.4, links)
→ tangentiële en radiale rek
langwerpig segment → vlakke rektoestand (rilvorm) hol hoeksegment → tangentiële stuik en radiale rek (zie fig. 3.4, rechts)
figuur 3.11 Hoeksegment met rekzone (links) en hoeksegment met stuikzone (rechts) voor kraagtrekken
19
Hoofdstuk 4 Maakbaarheid 4.1 Inleiding Als men een product wil maken, kunnen de volgende vragen worden gesteld: Is het product maakbaar door middel van dieptrekken, kraagtrekken of strekken, en zo ja, hoe ziet het proces eruit; welke platinevorm is daarvoor nodig; welke gereedschapafrondingen en trekspleet zijn toelaatbaar; hoe groot moet de plooihouderdruk zijn; hoe groot is de benodigde perskracht. In dit hoofdstuk wordt behandeld hoe de maakbaarheid van een product kan worden beoordeeld. Er worden daarbij diverse praktische hulpmiddelen zoals tabellen en grafieken verstrekt. De andere punten worden in hoofdstuk 5 behandeld. Men moet bedenken dat het steeds om indicaties gaat. In de praktijk kunnen zelfs door kleine variaties in materiaaleigenschappen en/of procesomstandigheden, in de grensgebieden problemen ontstaan met de maakbaarheid. Hou daar rekening mee bij het ontwerpen van het product c.q. productieproces en ga niet op de grenzen zitten. Er wordt vanuit gegaan dat een product(deel) door dieptrekken, kraagtrekken of strekken wordt gemaakt, maar niet een combinatie daarvan. De werkwijze is dat eerst de productvorm wordt geanalyseerd en opgedeeld in basisvormen. Vervolgens wordt gekeken of deze te maken zijn. Er zullen ook regels worden gegeven voor overlappende basisvormen. Maar allereerst, wat is maakbaarheid? Een product is maakbaar wanneer er bij het vervaardigen geen falen of defecten optreden. Met falen wordt elke wijze van scheurvorming in het product bedoeld. Als er een scheur ontstaat, is het gekozen omvormproces duidelijk niet succesvol, vandaar: falen. Defecten zijn bijvoorbeeld een te grote oppervlakte verruwing, afname van de wanddikte door een insnoering, of vorm- en maatafwijkingen, waardoor het product moet worden afgekeurd. Of een wanddikte-afname een defect is, hangt af van de productspecificaties. In principe kan elk defect als criterium voor de maakbaarheid worden gekozen, naast falen (zie figuur 4.1).
figuur 4.1
4.2.1 Ronde producten Het belangrijkste gegeven is de maximale dieptrekverhouding βmax. Dit is de verhouding tussen de radius rpl van de grootste platine die nog kan worden getrokken bij een bepaalde materiaaldikte en de productradius rp: (4.1) βmax = rpl,max/rp Als de platineradius groter is dan βmax.rp, scheurt het product bij de stempelrand. Het product kan zonder volgtrekken niet worden gemaakt. De beoordeling van de maakbaarheid van ronde producten komt bijna altijd neer op een berekening van de platinegrootte om de dieptrekverhouding β te bepalen. In § 5.2 wordt behandeld hoe de platinegrootte kan worden berekend voor tal van productvormen. Vuistregels voor de dieptrekverhouding van cilindrische producten met en zonder flens zijn: cilindrisch product zonder flens: β = √ 1+2hp/rp (4.2) cilindrisch product met flens: β = √ (rf l/rp)² + 2hp/rp (4.3) In veel literatuur worden waarden van βmax voor verschillende materialen gegeven. Belangrijk is dat goed wordt gekeken op welke relatieve plaatdikte (de verhouding tussen de plaatdikte so en productradius rp) deze betrekking hebben. Vaak wordt niet de bijbehorende relatieve plaatdikte gegeven, maar de relatieve productdiameter δp. Dit is de verhouding tussen productdiameter dp en plaatdikte so: (4.4) δp = dp/so = 2.rp/so Ook komt het voor dat βmax wordt opgegeven voor een bepaalde relatieve platinediameter: δpl = dpl/so = 2.rpl/so (4.5) dpl is de platinediameter De matrijs- en stempelafrondingen rma en rsa worden meestal niet vermeld, zodat moet worden aangenomen dat deze gangbare waarden hebben. Over wat gangbare waarden zijn volgt in § 5.4 meer. Hetzelfde geldt voor de smering. In tabel 4.1 zijn voor een aantal materialen richtwaarden gegeven voor de mogelijke maximale dieptrekverhouding (βmax) behorende bij een bepaalde relatieve productdiameter δp (tevens is ook de δpl aangegeven) onder gunstige wrijvingscondities. Wanneer de dieptrekverhouding bekend moet zijn voor een andere δp, kan figuur 4.3 worden gebruikt. Deze geeft een indicatie van het verband tussen βmax en δp. De invloed van de omstandigheden, vooral van de wrijving, is groter naarmate het materiaal relatief dunner is.
Falen (links) en een mogelijk defect: plooien (rechts)
4.2 Maakbaarheid voor dieptrekken De eerste stap is de analyse van de productvorm. Van bovenaf gezien, zijn er drie hoofdproductvormen (zie figuur 4.2): rond; niet rond, zonder rekzone; niet rond, met rekzone.
figuur 4.3 figuur 4.2
Productvormen: rond (links), zonder rekzone (midden) en met rekzone (rechts)
Maximale dieptrekverhouding βmax versus de relatieve productdiameter δp, met lijn a goed dieptrekbaar materiaal, goede smering en lijn b matig dieptrekbaar materiaal, slechte smering (lit.[1])
20 tabel 4.1
Maximale dieptrekverhouding βmax voor een aantal materialen (behorende bij de vermeldde δp en δpl)
materiaal koudgewalst vervormingsstaal
Werkstoff-nummer volgens DIN
βmax
δp
δpl
Fe P03 St 13
(NEN EN 10 130) (DIN 1623)
1.0347
2,1
71
149
Fe P05 St 14
(NEN EN 10 130) (DIN 1623)
1.0312
2,25
71
160
thermisch verzinkt vervormingsstaal
Fe P03 G St 03 Z
(NEN EN 10 142) (DIN 17162-1)
1.0350
2,0
50
100
Fe P06 G
(NEN EN 10 142)
1.0306
veredelstaal
C 45 Zr
austenitisch RVS
X 5 CrNi 18 9 304
(EU 88) (AISI)
ferritisch RVS
X 6 Cr 17 430
(EU 88) (AISI)
koper
SF-Cu F20
messing aluminium
2,35
63
148
2,15
33
71
1.4301
2,1
71
149
1.4016
2,0
100
200
(DIN 17.670)
2.0080.10
2,1
100
210
CuZn28 F28
(DIN 17.670)
2.0261.10
2,2
100
220
CuZn37 F30
(DIN 17.670)
2.0321.10
2,1
100
210
EN AW-1050 O Al99.5 W7
(EN 573) (DIN 1745)
3.0255.10
1,95
50
97,5
EN AW-1050 H14 Al99.5 F11
(EN 573) (DIN 1745)
3.0255.10
1,95
50
95,5
EN AW-2024 O AlCuMg2 W
(EN 573) (DIN 1745)
3.1364.10
2,0
71
142
EN AW-5005 O AlMg1 W11
(EN 573) (DIN 1745)
3.3315.10
1,85
100
185
EN AW-5754 O AlMg3 W19
(EN 573) (DIN 1745)
3.3535.10
1,95
50
97,5
volgtrekken Als blijkt dat het product niet in één keer kan worden getrokken, zal men moeten gaan volgtrekken. De dieptrekverhouding van een volgtrek wordt gegeven door de verhouding van de stempelstraal in die trek en de trek daarvoor (zie ook figuur 4.4).
De dieptrekverhouding van bijvoorbeeld de derde trek is: (4.6) β3 = rp,2/rp,3 De totale dieptrekverhouding na bijvoorbeeld drie trekken is: βtot = β1.β2.β3 = (rpl/rp,1).(rp,1/rp,2).(rp,2/rp,3) = rpl/rp,3 = rpl/rp (4.7) Tabel 4.2 geeft de maximale dieptrekverhouding per trek voor redelijk tot goed dieptrekbaar materiaal voor ronde producten. In § 6.4 wordt een voorbeeld van volgtrekken gegeven.
conische producten De geometrie van een conisch product ziet u in figuur 4.5. Een maat voor de coniciteit is de hoek γ. Ingeval van een cilindrisch product is de wand recht en is γ=0º. De meest eenvoudige manier om een conisch product te maken is met een gereedschap met een trekspleet ∆s = hp.tan γ.
figuur 4.4
Rond product zonder flens
tabel 4.2
Maximale dieptrekverhoudingen βi,max bij de ide volgtrek van redelijk tot goed dieptrekbaar materiaal (zoals bijvoorbeeld staal Fe P03 en beter) voor ronde producten (lit.[1])
trek no.
βi,max voor ronde producten δpl = 50 - 67
δpl = 67 - 100
δpl = 100 - 167
δpl = 167 - 333
δpl = 333 - 667
δpl = 667 - 1250
1
2,08 - 2,00
2,00 - 1,89
1,89 - 1,80
1,80 - 1,72
1,72 - 1,65
1,65 - 1,59
2
1,39 - 1,34
1,34 - 1,32
1,32 - 1,28
1,28 - 1,26
1,26 - 1,24
1,24 - 1,23
3
1,32 - 1,28
1,28 - 1,26
1,26 - 1,25
1,25 - 1,24
1,24 - 1,22
1,22 - 1,19
4
1,25 - 1,22
1,22 - 1,19
1,19 - 1,18
1,18 - 1,16
1,16 - 1,15
1,15 - 1,14
21 De maximaal maakbare producthoogte gaat dan natuurlijk wel omlaag. Een ander probleem is, dat het diepgetrokken deel van de wand de neiging heeft om minder conisch te worden dan het gestrekte deel (zie figuur 4.6c). Het verhogen van de radiale trekspanning in de wand en een gereedschap met een kegelvormige stempel en matrijs, geven een beter product te zien. Producten met een hoek γ tot 10 à 15º kunnen op gelijke wijze als een cilindrisch product worden diepgetrokken. Voor producten met een schuinere wand kan beter van een strekproces worden uitgegaan. Is het product daarvoor te diep, dan moet een deel van de wand worden diepgetrokken, waarbij secundaire plooien moeten worden vermeden. figuur 4.5
Product met een schuine wand en een flens
Naarmate de trekspleet groter is ten opzichte van de stempelstraal, duurt de strekfase aan het begin van het dieptrekproces langer (zie figuur 2.8a) en wordt er in die fase een hogere wand gevormd (zie figuur 4.6a). Het deel van de wand dat vervolgens door dieptrekken van de flens kan worden gemaakt, wordt daarentegen lager. Dat komt, omdat de dieptrekkracht op een relatief kleiner stempel moet worden overgedragen.
Bij het persen van een conisch product uit vervormingsstaal (bijvoorbeeld Fe P05) met een relatieve trekspleet ∆s/rp<1,5 geldt de vuistregel dat het product niet scheurt zolang rpl/(rp+½∆s)<βmax.
Diepe conische producten die geen of een relatief kleine vlakke bodem hebben, kunnen met getrapte tussenvormen worden diepgetrokken en vervolgens in de eindvorm worden geperst (zie ook figuur 5.4).
4.2.2 Niet ronde producten zonder rekzones Niet ronde producten zonder rekzones zijn bijvoorbeeld elliptische of ovale producten, maar ook veelhoekige producten. In deze paragraaf beperken we ons tot veelhoekige producten. Deze bestaan uit meerdere basisvormen. Bij elke hoek bevindt zich een hoeksegment met een stuikzone. Als de stuikzones van twee naburige hoeken elkaar niet overlappen, bevindt zich tussen de twee hoeksegmenten ook nog een buigsegment (zie figuur 3.10). Wanneer dat het geval is, kunnen we de maakbaarheid van de hoeksegmenten elk apart beoordelen. In alle andere gevallen beïnvloeden de stuikzones elkaar, en moeten we ze als één geheel beschouwen. Een vuistregel voor het optreden van overlap is de al genoemde vergelijking (3.1): hp > 0,5.B–rp
bodemscheuren en wandscheuren
figuur 4.6
Conische producten van 0,7 mm dik vervormingsstaal Fe P05 die zijn geperst met een cilindrische stempel en matrijs. a. Geperst met een relatieve trekspleet ∆s/rp=0,13 (links) en 0,53 (rechts). De wand boven de stippellijn is gestrekt, daaronder diepgetrokken; b. Geperst met een relatieve trekspleet ∆s/rp=1,3 en een stempel met rp=25 mm. Links met een platine met rpl=80 mm (met plooien) en rechts met rpl=90 mm (zonder plooien); c. Geperst met een gereedschap met een relatieve trekspleet ∆s/rp=0,54 en een stempel met rp=25 mm. Links met een platine met rpl=65 mm (diepgetrokken gedeelte niet conisch) en rpl=70 mm (diepgetrokken deel wel conisch)
Een probleem bij het dieptrekken van een schuine wand is dat de wand vrij hangt tussen stempel en matrijs, terwijl deze nog verder wordt gestuikt. Vooral bij dunne plaat bestaat er dan gevaar op (secundaire) plooien. Een remedie is het verhogen van de trekspanning in de radiale richting. Dat kan door een hogere plooihouderdruk, het gebruik van een trekril (zie § 5.5) of een grotere platine (zie figuur 4.6b).
Net als bij ronde producten, scheuren veelhoekige producten nabij de stempelrand, als de platine te groot is: bodemscheuren (zie figuur 4.7, rechts). Dit gebeurt aan het begin van het proces, als het product nog ondiep is. Anders dan bij ronde producten, kan er ook nog een ander soort scheuren ontstaan: wandscheuren (zie figuur 4.7, links). Dat zijn scheuren in de productwand in de hoeken niet ver onder de matrijsafronding. Deze ontstaan nadat de kritieke fase voor bodemscheuren al is gepasseerd. Vaak is het te wijten aan het alleen bij de hoeken dikker worden van de plaat. De plooihouder ligt dan alleen daar aan en houdt de platine lokaal vast, ofwel het materiaal loopt vast in een te nauwe trekspleet. Ook kan een te kleine matrijsafronding rma wandscheuren veroorzaken.
figuur 4.7
Wandscheuren (links) en bodemscheuren (rechts)
platinevorm Bij ronde producten ligt het voor de hand om een ronde
22 platine te nemen. Bij niet ronde producten is het kiezen van een platinevorm minder eenvoudig. De ideale vorm zou men die kunnen noemen, waarbij het product niet hoeft te worden nagesneden. Om die vorm te vinden, moet men de vervormingen tijdens het proces goed kennen of kunnen voorspellen. Dat is niet eenvoudig. De platinevorm heeft veel invloed op enerzijds de maakbaarheid en anderzijds ook op de kosten: materiaalverbruik, voor- en nabewerkingen. Gegevens als de grootst maakbare producthoogte hebben weinig praktische betekenis, als er niet bij staat welke platinevorm daarbij hoort. Men kan kiezen voor een eenvoudig te maken hoekplatine (of naar wijze van vervaardiging: knipplatine) zonder afrondingen die qua vervormingen en materiaalverbruik niet geoptimaliseerd is. Maar men kan ook kiezen voor een geoptimaliseerde platine, een zogenaamde vormplatine (zie figuur 4.8). Deze moet echter met een positie gestuurde scheidende bewerking (CNC pons-nibbelen, lasersnijden) of een speciaal gereedschap worden gemaakt. In § 5.2.2 wordt een eenvoudige methode voor het ontwerpen van een vormplatine gegeven.
Een vuistregel voor vierkante en rechthoekige producten met overlappende stuikzones is, dat het product in één trek met dieptrekken te maken is met een vormplatine als geldt: √ Au/Ab < βmax
(4.8)
Au = oppervlak productuitslag Ab = oppervlak productbodem βmax = maximale dieptrekverhouding van een rond product behorende bij de relatieve productdiameter δp √ Au/Ab wordt wel de (fictieve) dieptrekverhouding van een niet rond product genoemd. Voor een rond product is √ Au/Ab gelijk aan rpl/rp. De relatieve productdiameter voor een willekeurig productvorm wordt als volgt gedefinieerd: (4.9) δp = 2√ (Ab/π) / so ( = 2 rp/so voor een rond product) Het verband tussen βmax en de δp is hier hetzelfde als voor een rond product (zie figuur 4.3). De uitdrukking (4.8) kan verder worden uitgewerkt. Het oppervlak Au van het uitgeslagen product is: (4.10) Au=Ab+hp.Ob Ob=omtrek productbodem Invullen in (4.8) geeft de volgende vuistregel om na te gaan of het product in één trek te maken is: √ hp.Ob/Ab+1 < βmax
(4.11)
Wanneer de straal van de hoekafronding rp niet wordt meegerekend bij de berekening van de productomtrek en -bodem, wordt dit voor een vierkant product: √ 4.hp/B+1 < βmax
(4.12)
De uitkomst van (4.11) verandert daar nauwelijks door.
figuur 4.8
Hoek- en vormplatine voor een zeshoekig product
overlappende hoeksegmenten We kunnen ons een vierkant product voorstellen als een oorspronkelijk rond product, waar tussen de vier kwadranten rechte wanden zijn aangebracht (zie figuur 4.9). Doordat de vervormingen (stuik) in de flens bij de hoeken worden uitgespreid over de gedeelten ernaast, zal de belasting van de wand bij de hoeken kleiner zijn. Naarmate de rechte wanden relatief groter zijn, is deze spreiding beter. De belasting van de productbodem bij de hoeken zal kleiner zijn en de maximale producthoogte groter. Dit zal zo doorgaan totdat de rechte wanden zo lang zijn, dat het geen extra effect meer sorteert op de verdeling van de rekken in de flens en de belasting in de wand. Dat is het geval als de stuikzones bij de vier hoeken elkaar niet meer in de flens overlappen (zie figuur 3.10).
Mits de stempel- en matrijsafrondingen rsa en rma royaal worden gekozen (zie § 5.4), mag de hoekafronding rp van het product ten opzichte van de breedte B scherp zijn. In de praktijk wordt desalniettemin aangeraden rp niet kleiner dan 10% van hp te kiezen. Tenslotte kan met onderstaande uitdrukking snel een schatting worden gemaakt van de grootste in één trek maakbare producthoogte: hp,max=¼(βmax²–1).B (4.13)
losse hoeksegmenten De in één trek grootste maakbare producthoogte hp,max van een los hoeksegment hangt alleen af van de afronding rp en de hoek αh van dat segment (zie figuur 3.4), de plaatdikte so en de afrondingen van stempel en matrijs. De grootte van het totale product heeft geen invloed. De maakbare relatieve producthoogte hp/rp hangt sterk af van de verhouding van de relatieve plaatdikte so/rp. Analoog aan de relatieve productdiameter van een rond product, kan in plaats van de relatieve plaatdikte ook de relatieve segmentdiameter δp=2.rp/so worden gebruikt. Figuur 4.10 geeft een gemeten verband tussen de grootste relatieve producthoogte hp/rp zonder bodemscheuren en de relatieve segmentdiameter δp=2.rp/so, voor 45º en 90º hoeksegmenten van staal Fe P05. De metingen zijn gedaan met vorm- en hoekplatines (zie figuur 4.8 en § 5.2.2). Met het eerste type platine is de maakbare producthoogte zoals verwacht groter.
figuur 4.9
Vierkante productvorm met zijden B; hoogte hp; hoekradii rp
In tabel 4.3 worden gemeten waarden van de grootst mogelijke relatieve producthoogte gegeven voor verschillende relatieve segmentdiameters δp voor een aantal staal- en aluminiumsoorten. In de tabel worden ook de relatieve stempel- en matrijsafrondingen rsa/so en rma/so, de plooihouderdruk PN en de viscositeit van het gebruikte smeermiddel bij de proeven vermeld.
23 tabel 4.3
Grootste maakbare relatieve producthoogte hp/rp voor hoeksegmenten met een stuikzone
materiaal
hoek αh [º]
rsa so
;
δp = 20; so/rp = 0,10
δp = 28,5; so/rp = 0,07
δp = 40; so/rp = 0,05
δp = 57; so/rp = 0,035
1) vorm- 2) hoek- 1) vorm- 2) hoek- 1) vorm- 2) hoek- 1) vorm- 2) hoek- 1) vorm- 2) so hoekplatine platine platine platine platine platine platine platine platine platine
koudgewalst vervormingsstaal Fe P05
δp = 14 so/rp = 0,14
rma
plooihouderdruk PN = 1,5 MPa, viscositeit smeermiddel: 32º cSt bij 40ºC
45
5,0; 7,0 10; 14
14 17
17 17
90
3,5; 7,0 5,0; 7,0 7,0; 14 10; 14
4,5
6,5
5,5
7,5
9
13
5,5
7,5
6,5
8,5
3,0
3,8
3,3
4,0
3,3
4,3
3,3
4,8
115 10; 8 4,5 thermisch verzinkt vervormingsstaal plooihouderdruk PN = 1,5 MPa, viscositeit smeermiddel: 33,5º cSt bij 40ºC Fe P03 G Fe P06 G (NB: Geen smering) roestvast staal
45
3,5; 7,0
90 90
3,5; 7,0 5,0; 10
14
12 2,0
4,0
1,8
3,5
7,0
4,5
plooihouderdruk PN = 2,5 MPa, viscositeit smeermiddel: 200º cSt bij 40ºC
X 5 CrNi 18 10 90 5,0; 7,0 4,0 6,5 (AISI 304) 10; 14 7,5 9,0 aluminium plooihouderdruk PN = 0,6 MPa, viscositeit smeermiddel: 78º cSt bij 40ºC 32º cSt bij 40ºC behalve EN AW-2024 O: P N = 0,6 MPa EN AW-1050 O (Al99.5 W7) EN AW-1050 H14 (Al99.5 F11)
EN AW-2024 O (AlCuMg2 W)
EN AW-5754 O (AlMg3 W19) EN AW-5086 O (AlMg4Mn W24) EN AW-6061 O (AlMg1SiCu W) δp so/rp rma/so rsa/so
= = = =
90
3,5; 7,0
45
3,5; 7,0
90
3,5; 7,0
1,3
6,0
115 45
10; 8 5,0; 7,0 10; 14
6,4
3,5 7,1 8,5
90 90
5,0; 7,0 10; 14 3,5; 7,0
45
3,5; 7,0
90 45
3,5; 7,0 3,5; 7,0
1,8
90
3,5; 7,0
1,5
2.rp/so = relatieve segmentdiameter relatieve plaatdikte relatieve matrijsafronding relatieve stempelafronding
2,0 7,9
2,5
1,8
1,3
0,8
3,0
3,3 4,0
4,0 5,0
5,5
2,3
4,5
5,0 6,0
2,5
1,3 2,0
5,0 6,5
1,0 1,5
6,5
1,8
4,0
6,5 9,0
1,5
3,5
5,5
1,4
3,5
2,5 3,0
8,0
1) 2)
hoekplatine: zie figuur 5.5 in § 5.2.2 vormplatine: zie figuur 5.6 in § 5.2.2
figuur 4.10 Grootste maakbare relatieve producthoogte hp/rp versus de relatieve diameter 2.rp/so voor hoeksegmenten met een stuikzone en een hoek ah = 45º en 90º. De waarden zijn afkomstig van proeven met 0,7 mm dik staalplaat Fe P05
24 Wanneer de grootste maakbare relatieve producthoogte bekend moet zijn voor een andere waarde van δp dan in tabel 4.3 wordt genoemd, kan daar een schatting voor worden gemaakt door een inter- of extrapolatie. In figuur 4.10 is te zien dat δp en de maakbare relatieve producthoogte omgekeerd evenredig zijn. Dan is het omgekeerde van δp, de relatieve plaatdikte so/rp daar juist recht evenredig mee. Het inter- of extrapoleren van tabel 4.3 is daarom het eenvoudigst, wanneer wordt uitgegaan van de relatieve plaatdikte in plaats van δp. Een voorbeeld wordt gegeven in § 6.3.
In tabel 4.4 worden naast resultaten voor andere staalsoorten eveneens resultaten voor diverse aluminiumsoorten gegeven. Bij de metingen zijn vormplatines gebruikt die bedoeld zijn om een product te trekken met een redelijk gelijke wandhoogte (zie figuur 4.13 en § 5.2.3).
4.2.3 Niet ronde producten met rekzones Voorbeelden van niet ronde producten met rekzones zijn een T-stuk en een bocht voor een goot of ligger (figuur 4.11). Het afgebeelde T-stuk bestaat uit twee hoeksegmenten met rekzone en een vijftal buigsegmenten. De bocht bestaat uit een hoeksegment met een rekzone, een hoeksegment met een stuikzone en aangrenzende buigsegmenten. Het materiaal in de rekzone van de flens wordt gerekt als het naar de trekring beweegt, net zoals bij kraagtrekken (§ 2.3.2). Het materiaal wordt daardoor dunner en kan ter plekke scheuren, in de flens.
figuur 4.11 Een T-stuk (links) en een bocht (rechts) voor bijvoorbeeld een goot of een ligger
De maakbare relatieve producthoogte hp/rp van een geïsoleerd hoeksegment met rekzone - tussen twee buigsegmenten in - is niet erg groot. Figuur 4.12 geeft een gemeten verband tussen de grootste relatieve producthoogte hp/rp, zonder scheuren in de flens, en de relatieve segmentdiameter δp=2.rp/so, voor 45º en 90º hoeksegmenten van staal Fe P05 (vergelijk met figuur 4.10).
figuur 4.13 Vormplatine voor een product met een hoeksegment met een stuikzone en één met een rekzone; (r) is rekzone, (s) is stuikzone
Bij deze platinevorm vindt op de platinerand ter hoogte van de hartlijn van het hoeksegment een rekconcentratie plaats die aldaar tot scheuren kan leiden. Om een hoger product te kunnen maken, moeten de platine- èn de productvorm op een zodanige wijze worden aangepast, dat tijdens het trekken van opzij materiaal toestroomt naar de rekzone. Figuur 4.14 toont deze aanpassing, samen met de uiteindelijke flensomtrek na afloop. Het volgende is veranderd: 1. Ten opzichte van de vormplatine is de flensbreedte langs de hartlijn vergroot, er is meer materiaal. 2. De omtrek van de platine blijft tot het einde toe buiten de ruimte die de rechte zijden opspannen. 3. De zijwaartse materiaalstroom wordt bevorderd door de stuikzone die ontstaat door aan een uiteinde van de bocht de kop mee te persen. Na afloop wordt de kop dan weggesneden.
figuur 4.12 Maximale relatieve hoogte hp/rp versus 2.rp/so voor hoeksegmenten met een rekzone. Open symbolen: 90º, dichte: 45º. De waarden zijn afkomstig van proeven met 0,7 mm dik staalplaat Fe P05. De platines zijn gemaakt met een pons-nibbel machine. ruw: de rand is na pons-nibbelen niet glad afgewerkt; glad: de rand is wel glad afgewerkt
25 tabel 4.4
Grootste maakbare relatieve producthoogte hp/rp voor hoeksegmenten met een rekzone (kraagtrekken). De waarden in de tabel gelden voor een vormplatine (zie figuur 5.9 in § 5.2.3)
materiaal
hoek αh [º]
rsa so
;
rma
δp = 14; so/rp = 0,14
δp = 20; so/rp = 0,1
δp = 28,5; so/rp = 0,07
δp = 40; so/rp = 0,05
so
ruw
ruw
ruw
ruw
koudgewalst vervormingsstaal Fe P05
45
90
3,5; 7,0* 5,0; 7,0 10; 14
glad
glad
glad
glad
δp = 57; so/rp = 0,035
δp = 86; so/rp = 0,023
ruw
glad
ruw
glad
0,7 1,1 1,2
0,9 1,1 1,4
1,1
0,9 1,2
0,6 0,7
0,7 0,8
viscositeit smeermiddel: 200º cSt bij 40ºC ( : geen smering) *
1,3
1,6
3,5; 7,0* 5,0; 7,0 10; 14
1,2 1,5 1,8
1,4 1,5 2,1
0,9
1,2
1,2 1,6
1,3 1,8
0,9 1,1
1,0 1,3
0,8
0,6
1,1
0,7
thermisch verzinkt vervormingsstaal viscositeit smeermiddel: 33,5º cSt bij 40ºC Fe P03 G
45
3,5; 7,0
1,2
0,7
90
3,5; 7,0
0,9
0,6
0,8
aluminium geen smering behalve EN AW-2024 O: viscositeit smeermiddel: 200º cSt bij 40ºC EN AW-1050 O (Al99.5 W7)
45
3,5; 7,0
90
3,5; 7,0
EN AW-1050 H14 (Al99.5 F11)
45
3,5; 7,0
90
3,5; 7,0
EN AW-2024 O (AlCuMg2 W)
45
5,0; 7,0
90
5,0; 7,0
EN AW-5754 O (AlMg3 W19)
45
3,5; 7,0
90
3,5; 7,0
δp so/rp rma/so rsa/so ruw glad
= = = = = =
1,3
0,9
0,7
<0,9 0,9
0,9
0,65
0,9
0,65
0,65 1,0
0,8
0,6 0,45
0,45
0,45
0,45
0,3
0,8
0,6
0,6 1,3
0,38 0,5
0,5
0,9
0,6
0,45
<0,9
0,47
2.rp/so = relatieve segmentdiameter relatieve plaatdikte relatieve matrijsafronding relatieve stempelafronding de rand is na het pons-nibbelen niet glad afgewerkt de rand is wel glad afgewerkt
radiale richting. De kraaghoogte hp is daarom in goede benadering gelijk aan: hp=Bfl+(2–½π).rma+so (4.14) De flensbreedte Bfl is: (4.15) Bfl=so+rp–rg Uit (4.14) en (4.15) volgt dat de gatgrootte bij een kraaghoogte van hp moet zijn: (4.16) rg=rp–hp+(2–½π)rma+2so Als de matrijsafronding rma slechts enkele malen groter is dan de plaatdikte so, heeft de buiging van de plaat om de matrijsafronding invloed op het proces. De plaat neemt ter plekke van de afronding meer in dikte af en de kraaghoogte is groter dan uit (4.14) volgt. figuur 4.14 Aangepaste platine en product van figuur 4.13, vóór (1) en na (2) het trekken; (s) is stuikzone, (r) is rekzone
4.3 Maakbaarheid voor kraagtrekken Analoog aan het dieptrekken, zal eerst de maakbaarheid van ronde kragen en vervolgens die van niet ronde kragen worden behandeld.
4.3.1 Ronde kragen Figuur 4.15 toont een platine voor en na het persen van een kraag met een matrijs met een afronding rma die een aantal malen de plaatdikte so bedraagt in een plaat met een rond gat met een straal rg en een flens met een breedte Bfl.
verband tussen kraaghoogte en gatgrootte Bij het persen van de kraag is de radiale verkorting (loodrecht op de omtrek) klein in vergelijking met de rek in de omtrekrichting, zoals in § 2.3.2 is aangegeven. Het plaatmateriaal onder de stempel vervormt nauwelijks in de
figuur 4.15 Persen van een ronde kraag
maximale kraaghoogte Om een kraag te maken moet de gatrand worden opgerekt. Hoe hoger de kraag moet worden, des te groter moet de verhouding van stempel- en gatradius zijn en des te groter de omtrekrek et aan de gatrand. De benodigde omtrekrek is: (4.17) et=2π(½so+rp–rg)/2πrg ≈ rp/rg–1 Als de maximale mogelijke omtrekrek et,max bekend is, zou de maximale kraaghoogte hp,max kunnen worden bepaald met:
26 hp,max=rp[et,max/(1+et,max)]+(2–½π)rma+2so
(4.18)
De maximale omtrekrek wordt beïnvloed door de randafwerking van het gat. Een gladde gatrand, zonder bramen, kerfjes of versteviging door vorige bewerkingen, is gunstig. Het belang van de randafwerking is overigens groter naarmate de plaat relatief dikker is oftewel de verhouding rp/so kleiner (dus δp kleiner). Met betrekking tot de materiaaleigenschappen is een grote taaiheid (zoals onder andere blijkt uit een hoge breukrek) gunstig. Scheurvorming wordt onder andere in de hand gewerkt door de aanwezigheid van insluitsels. Bij taai materiaal wordt scheurvorming ingeleid door insnoeren. Een hoge versteviging (n-waarde) gaat het ontstaan van een insnoering tegen. Wanneer we bij de berekening van de maximale kraaghoogte hp,max in vergelijking (4.18) voor et,max de breukrek A80 uit de trekproef invullen, zitten we met het trekken van ronde kragen ruim aan de veilige kant. In de praktijk blijken de gemeten waarden voor et,max aanzienlijk hoger te liggen dan de breukrek A80 (zie tabel 4.5). In deze tabel 4.5 wordt voor een aantal materialen de maximaal maakbare relatieve kraaghoogte (hp/rp)max gegeven en de bijbehorende omtrekrek et,max voor een aantal waarden van δp en rma/so. De data zijn verkregen uit proeven met een gereedschap zonder tegenhouder. Het gat in de platine had een gladde randafwerking, zonder bramen. Deze randafwerking is gelijkwaardig aan die van een lasergesneden gat. Bij kraagtrekken van een rond gat wordt voor een optimaal proces, met betrekking tot kraagtrekkracht en kraaghoogte, vaak een kegelvormig stempel gebruikt (zie figuur 4.16). Een combinatie van gatsnijden en kraagtrekken met één gereedschap wordt in de praktijk ook vaak gebruikt.
Een andere toepassing van deze nabewerking is het kalibreren van de vorm van de kraagrand (zie figuur 4.17).
figuur 4.17 Kraagrand voor (links) en na (rechts) duntrekken
Om inscheuren van de rand te voorkomen wordt soms een aantal trucs toegepast die er op neer komen dat de alzijdige druk wordt verhoogd. Daardoor wordt de breukrek groter, dientengevolge de minimale toelaatbare gatradius kleiner en dus de maakbare kraaghoogte groter. De alzijdige druk kan worden verhoogd met een tegenhouder (aanbrengen van een drukspanning in dikterichting) of door een conische doorn tegen de gatrand te drukken (aanbrengen van een drukspanning in de radiale richting), zie figuur 4.18.
figuur 4.18 Kraagtrekken met tegenhouder (links) of met een conische doorn (rechts)
4.3.2 Niet ronde kragen Zoals in hoofdstuk 3 aangegeven, zijn de basisvormen van dieptrekken en kraagtrekken dezelfde, alleen zijn de erbij behorende vervormingen van de flens net omgekeerd (zie figuur 3.1 en 3.11). Voor de maakbare hoogte van kraagtrekhoeksegmenten geldt dan ook precies hetzelfde als bij de in § 4.2 behandelde corresponderende dieptrekhoeksegmenten.
figuur 4.16 Optimale vorm van een stempel voor een ronde kraag (links) en een stempel voor gecombineerd kraagtrekken en duntrekken (rechts)
Een veel toegepaste manier om hogere kragen te krijgen is om de kraagwand dun te trekken, analoog aan het duntrekken van een diepgetrokken product. Dit wordt gedaan door een trekspleet te kiezen die kleiner is dan de materiaaldikte. Een vuistregel is dat de minimaal vereiste diktevermindering per stap 10% is en de maximaal mogelijke 30%. tabel 4.5
tegenhouder: In tegenstelling tot ronde kragen, verdient het bij niet ronde kragen aanbeveling om altijd een tegenhouder te gebruiken. Zonder tegenhouder treedt er bij de buigsegmenten strijkbuigen op. Bij de overgang van buig- naar hoeksegment leidt dat tot ongewenste extra spanningen en vroegtijdig inscheuren van de kraagrand.
losse hoeksegmenten met rekzone Wat in § 4.2 is verteld over maakbaarheid van niet ronde producten met een rekzone door middel van dieptrekken, gaat voor kraagtrekken net zo op. Figuur 4.12 toont grafieken van de grootste maakbare relatieve kraaghoogte (hp/rp)max versus de relatieve kraagdiameter 2rp/so van hoeksegmenten met een hoek van 45º en 90º van staal Fe P05.
Grootste maakbare relatieve kraaghoogte (hp/rp)max en bijbehorende omtrekrek et,max behorende bij de vermelde δp en rma/so
materiaal koudgewalst vervormingsstaal
Fe P05
(NEN-EN 10 130)
thermisch verzinkt vervormingsstaal
Fe P03 G
(NEN-EN 10 142)
aluminium
EN AW-2024 O (AlCuMg2 W)
(EN 573)
δp = 2rp/so
rma/so
(hp/rp)max
et,max
breukrek A80
36 71 25 30 40 50 36 71 71
5,4 7,3 4,5 4,7 4,5 5 5,4 7,3 14
0,85 0,63 0,63 0,53 0,52 0,43 0,55 0,44 0,49
1,5 1,0 0,67 0,50 0,60 0,43 0,47 0,43 0,39
0,41 0,32
0,22
27 De grafieken hebben betrekking op vormplatines, zoals er bijvoorbeeld in figuur 4.13 één te zien is. kraaghoogte hp: Bij hoeksegmenten wordt bij een platine met een flensbreedte Bfl op de hartlijn de kraaghoogte 8% kleiner dan uit (4.14) volgt (zie figuur 4.19). Deze 8% is ongeacht de matrijsafronding rma, stempelafronding rsa en de flensbreedte. De flens van een hoeksegment bevindt zich tussen twee in de omtrekrichting starre buigzones. Dit resulteert erin dat de radiale trekspanning vanaf de hartlijn van het hoeksegment afneemt, waardoor er een radiale verkorting kan optreden.
Bij het persen van een verdieping in een plaat speelt in de praktijk niet alleen de maakbare hoogte van die verdieping een rol, maar ook of de plaat eromheen wel of niet vormafwijkingen vertoont. Berucht zijn bijvoorbeeld kleine vormafwijkingen (uitstralingen) rondom een open dak of de handgreep van een autoportier. Deze zijn een gevolg van vervormingen net buiten de matrijsrand. We kunnen in principe dezelfde basisvormen onderscheiden als voor dieptrekken en kraagtrekken (zie hoofdstuk 3). Hieronder wordt de maakbaarheid besproken van langwerpige (rillen) en ronde verdiepingen in een plaat (zie figuur 4.20). Deze twee vormen zijn in de praktijk verreweg de belangrijkste, zodat we ons daartoe beperken. Criterium voor de maakbaarheid is het optreden van scheuren.
figuur 4.20 Ronde verdieping en een ril in een plaat
figuur 4.19 Verkorting bij hoeksegmenten
In tabel 4.6 ziet u voor een aantal materialen de gemeten maximale relatieve hoogte van een bolvormige en rilvormige verdieping die daar kan worden ingeperst. Figuur 4.21 toont de geometrie van een tot een hoogte hp geperste verdieping.
losse hoeksegmenten met stuikzone Ook hier is van toepassing wat in § 4.2 is vermeld voor dieptrekken. Figuur 4.10 in § 4.2 toont grafieken van de grootste maakbare relatieve (kraag)hoogte (hp/rp)max versus de relatieve segmentdiameter 2rp/so van hoeksegmenten met een stuikzone uit Fe P05 staal. In tabel 4.3 worden ook waarden voor de grootste maakbare relatieve (kraag)hoogte voor andere materialen gegeven.
4.4 Maakbaarheid voor strekken Volgens de definitie in § 2.1.1 is strekken een proces waarmee de bodem en wand van het product worden gevormd uit materiaal dat zich onder de stempel bevindt, zonder dat er materiaal van buiten de matrijsrand toestroomt. Om dat te voorkomen wordt de plaat goed ingeklemd tussen matrijs en plooihouder, bijvoorbeeld door middel van een trekril of groef. Als de plaat voldoende groot is, kan er ook zonder de plaat vast te klemmen van een strekproces sprake zijn. De vervormingen zijn dan echter niet beperkt tot binnen de omtrek van de stempel, maar strekken zich uit tot een gebied daaromheen. Wat er gebeurt, is gelijk aan de eerste fase van het dieptrekken, zoals in § 2.3.1 beschreven. Omdat de plaat zo groot is, kan de tweede fase, het echte dieptrekken, niet beginnen zonder dat de bodem eruit scheurt. De zone net buiten de matrijsrand vervormt wel en er is een plooihouder nodig om plooien te voorkomen. Een kleine platine daarentegen, die ook diepgetrokken had kunnen worden (dieptrekverhouding kleiner dan βmax), kan alleen worden gestrekt als deze met een ril of groef wordt ingeklemd. Het lukt niet om de platine met een plooihouder (wrijving) vast te houden. Bij strekken vervormt het materiaal buiten de matrijsrand, afhankelijk van de inklemming, niet of slechts weinig. Daardoor hebben de afmetingen van de plaat weinig invloed op de maakbare wandhoogte, dit in tegenstelling tot bij dieptrekken. In een grote plaat kan reliëf alleen worden aangebracht met strekken. Dit leidt meteen tot een van de belangrijkste toepassingen van strekken: het aanbrengen van langwerpige verdiepingen (rillen) in vlakke panelen om de stijfheid daarvan te vergroten.
figuur 4.21 Geometrie van matrijs, stempel en product
Uit de geometrie kan in principe de lengtetoename van de dwarsdoorsnede worden berekend en daaruit weer de gemiddelde rek. In tabel 4.6 zijn deze rekken ook gegeven. Bij gebruik van een stempel met een vlakke bovenkant, zoals in figuur 4.21, kan men als criterium voor de maakbaarheid gebruiken dat de gemiddelde rek over de lengte a in figuur 4.21 niet groter mag zijn dan de in tabel 4.6 gegeven waarden. Dit is een veilige grens. Ingeval van goede smering en een matrijs- en stempelafronding van minstens enige malen de plaatdikte (zie § 5.4) zal de maakbare hoogte groter zijn. Een bovengrens wordt gevonden door uit te gaan van de gemiddelde rek over de totale breedte van de ril. De rekken en spanningen die bij het strekken van een halve bol optreden zijn in § 2.3.3 behandeld. Bij rillen is er behalve bij de uiteinden (koppen) sprake van een vlakke rektoestand. In de langsrichting is de rek nul. In eerste benadering zijn de rek in de breedterichting en de dikte-afname overal gelijk. De dikterek (afname van de plaatdikte) bij het persen van een halfronde ril is kleiner dan die van een bolvormige verdieping met dezelfde straal. Een ril kan echter niet hoger worden geperst dan een ronde verdieping. Dat komt, omdat in de vlakke rektoestand de mogelijke vervormingen beperkt zijn (zie figuur 2.7). Als de stempel- of matrijsafronding niet veel groter is dan de plaatdikte, krijgt het buigen invloed.
28 tabel 4.6
Maximale relatieve hoogte hp/a1) van met een bolvormig stempel geperste respectievelijk ronde en rilvormige verdiepingen voor een aantal materialen (met bijbehorende relatieve grootte 2a/so en relatieve matrijsafronding rma/so bolvormig stempel
materiaal
2a/so
thermisch verzinkt vervormingsstaal koudgewalst vervormingsstaal
Fe P03 G Fe P05
veredelstaal austenitisch RVS
C 45 Zr X 5 CrNi 18 9 (AISI 304)
aluminium
EN AW-1050 O (Al99.5 W7) EN AW-1050 H14 (Al99.5 F11) EN AW-5754 O (AlMg3 W19) EN AW-5754 H32 (AlMg3 G22) EN AW-2024 O (AlCuMg2 W)
halfronde ril
2)
rma/so
hp/a
29 41 29 19 41
0,75 1,1 0,75 0,50 1,0
0,77 0,78 0,88 0,90 0,90
0,27 0,28 0,35 0,35 0,38
36 29 36 29 29
0,94 0,75 0,94 0,75 0,75
0,77 0,84 0,61 0,64 0,72
29
0,75
41
1,1
4)
e
2a/so
3)
rma/so
hp/a
er7)
51
2,7
0,76
0,31
51
2,8
0,81
0,30
0,28 0,32 0,17 0,17 0,23
45 36 45 36 36
2,9 2,0 2,9 2,0 2,0
0,62 0,61 0,29 0,27 0,48
0,20 0,19 0,03 0,03 0,11
0,67
0,20
36
2,0
0,41
0,07
0,60
0,16
5) r
6)
1) hp is inclusief materiaaldikte (zie figuur 4.21) 2) uit Erichsen strektest met een bolvormig stempel met straal rp = 10 mm en een matrijs met rma = 0,75 mm; a = 14,25 mm 3) met een halfrond rilvormig stempel met straal rsa = 15 mm en een matrijs met rma = 2 mm; a = 17,8 mm; de matrijsafronding is klein ten opzichte van de plaatdikte, waardoor met name de voor 1 mm dik aluminiumplaat gemeten rilhoogten conservatief zijn 4) relatieve grootte van de verdieping 5) gemiddelde radiale rek over de verdieping 6) relatieve breedte van de ril 7) gemiddelde rek dwars over de ril
Er ontstaat een rekconcentratie in de plaat waar deze overgaat in het niet gebogen rechte deel, aan de niet aanliggende zijde, zie figuur 4.22. Dit leidt, speciaal bij rillen (vlakke rek), tot voortijdige breuk.
figuur 4.22
Rekconcentratie bij gereedschapafronding
Als er veel wrijving is, rekt het deel van het productmateriaal dat tegen de stempel is komen aan te liggen niet meer. De grootste dikte-afname - en eventueel scheuren - treedt dan op vlak bij de momentane grens van het vrijliggende deel. Bij een bolvormig stempel wordt de rek in de omtrekrichting belemmerd en verandert de rektoestand van een twee-assige (er ≠ 0, et ≠ 0) in een vlakke rektoestand (er ≠ 0, et = 0), zie figuur 4.23. Zoals al vermeld is deze rektoestand niet gunstig. Naast de versnelde toename van de rek, omdat de bij een bepaalde stempelweg behorende oppervlaktetoename door een steeds kleiner stuk plaat moet worden opgebracht, is het deze rekwegverandering die voor een verkleining van de maximaal mogelijke indrukdiepte zorgt.
figuur 4.23 Rekconcentratie en rekwegverandering tengevolge van wrijving
29
Hoofdstuk 5 Opstellen van een methodeplan 5.1 Inleiding Om een fabricageproces te realiseren moet de concrete uitvoering daarvan nauwkeurig vastgelegd worden in een ‘methodeplan’. Dit is een term die uit de automobielindustrie stamt. Vastgelegd dienen te worden: het productmateriaal, de bewerkingen (de processen en hun volgorde), de platinevorm, de gereedschappen en de te gebruiken persen met hun instellingen. Overigens dient het methodeplan ook om ervaringsgegevens van de fabricage vast te leggen. Het is belangrijk dat wijzigingen in het fabricageproces worden bijgehouden en het methodeplan ‘up to date’. Zoals in de inleiding van deze publicatie reeds vermeld, staat het proces tussen enerzijds productmateriaal en -vorm en anderzijds gereedschap en machines in. Om tot een proceskeuze en vervolgens een methodeplan te komen, wordt er meestal aan de hand van productmateriaal en -vorm gekeken met welke processen het product maakbaar is. Bij de eigenlijke proceskeuze wordt ook gekeken naar het beschikbare vakmanschap en de capaciteit van het eigen bedrijf. Aanwijzingen voor het vaststellen van de maakbaarheid van producten met alleen dieptrekken, kraagtrekken of strekken, zijn in hoofdstuk 4 gegeven. De bedrijfseconomische kant valt buiten het bestek van deze publicatie. In dit hoofdstuk wordt een aantal regels gegeven voor het ontwerpen van de concrete procesuitvoering: platinevorm, -afmetingen en trekschema's; afrondingen van stempel en matrijs; trekspleet; plooihouderkracht/-druk; perskracht en -afmetingen.
tabel 5.1
oppervlak van een aantal vormelementen, zie ook figuur 1 (blz. 6) en 5.1
nr. vormelementen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
bodem (zonder afronding) vlak bolsegment bodemafronding rechte wand, vlakke bodem algemeen wand recht schuin (conisch) matrijsafronding rechte wand, vlakke flens algemeen flens vlak schuin
productoppervlak Au π.rbv2 2π.hbs.rbs 2π.rba.(rbv.π.½+rba) 2π.rba.(rbam.αba.π/180+hba) 2π.rp.hw π.(rp+rw).(hw/cosγ) 2π.rfa.((rw+rfa).π.½–rfa) 2π.rfa.(rfam.αfa.π/180–hfa) π.(rfl2–rfli2) π.(rfl2–rfli2)/cos αfl
5.2 Vorm en afmetingen van platines voor
dieptrekken en trekschema's
Bij strekken - met een ingeklemde platine - doen vorm en grootte van de platine er niet toe. Bij dieptrekken zijn deze uit de aard van het proces cruciaal. In wezen bestaat het bepalen van de dieptrekbaarheid van een productvorm, uit: het transformeren van de productvorm in een platine en vervolgens nagaan of deze platine niet te groot is om in één keer te trekken; nagaan of het productontwerp niet tot ongunstige matrijsen stempelafrondingen leidt (bijvoorbeeld matrijsafronding te klein: scheuren, maar wanneer te groot: plooien). Wanneer de platine te groot is, staat nog de optie van het in meerdere stappen dieptrekken open. Bij complexe producten kan vaak uit verschillende tussenstappen worden gekozen. Wanneer de afrondingen in het ontwerp in te kleine gereedschapafrondingen resulteren, zal in een eerste trek met grotere afrondingen moeten worden geperst en is er een kalibratieslag nodig. In § 5.4 worden gereedschapafrondingen behandeld.
5.2.1 Ronde producten
platine-oppervlak Bij een rond product is de vorm van de platine eveneens rond. Waar het om gaat is het bepalen van de platinegrootte. Meestal wordt dat in twee stappen gedaan. Uitgangspunt is dat in eerste benadering het benodigde platine-oppervlak Apl gelijk is aan die van het product Au. Het productoppervlak laat zich gemakkelijk berekenen, wanneer de productvorm in een aantal vormelementen wordt opgedeeld (zie tabel 5.1 en figuur 5.1): de bodem, wand, flens, en de bodem- en matrijsafronding.
figuur 5.1
Vormelementen waarin een ronde productvorm opgedeeld kan worden
Omdat in de praktijk vaak oorvorming optreedt, wordt meestal een toeslag van 5% gegeven op Apl. Los van oorvorming is een toeslag sowieso nodig wanneer het product in verband met de gewenste nauwkeurigheid van de producthoogte moet worden nagesneden. Deze toeslag moet minimaal de materiaaldikte zijn. Bij complexe producten is steeds een proefpersing nodig.
trekschema Nadat uit de platinestraal rpl en productstraal rp de dieptrekverhouding β is bepaald, kan met tabel 4.1 en figuur 4.3 worden nagegaan of het product in één keer kan worden getrokken. Is dat niet het geval, dan kan met tabel 4.2 worden bepaald hoeveel trekken er nodig zijn. Bij cilindrische producten zonder flens en zonder een bijzonder grote of kleine bodemafronding, gaat dit recht toe recht aan. Lastiger wordt het bij: volgtrekken van producten met een flens Bij het tussenproduct mag de radius van de flensrand niet
30 kleiner zijn dan die van het eindproduct (zie figuur 5.2 en 5.3). Is dat wel zo, dan is er te ver doorgetrokken. Een voorbeeld van een product met flens wordt in § 6.4 behandeld. Voor zowel producten met en zonder flens is vanaf de eerste trek de dieptrekverhouding βi bij de ide trek gelijk aan de verhouding van de straal van de stempels: βi=rp,i–1/rp,i.
figuur 5.2
Als het product niet in één trek of met een strekproces maakbaar is, is een gangbare methode om de vorm eerst te benaderen door een getrapte wand en deze met dieptrekken te vervaardigen. In de laatste trek wordt deze in een kegelvorm geperst (zie figuur 5.4a). Een nadeel is dat de stappen in de wand zichtbaar blijven. Het in figuur 5.4b afgebeelde trekschema geeft een strakker product.
Rond product zonder (links) en met flens (rechts)
figuur 5.4 figuur 5.3
Volgtrekken van een product met flens
producten met een gewelfde bodem Bij aanvang dient de gewelfde bodem eerst door strekken uit het deel van de platine binnen de matrijsrand te worden gevormd. Gebeurt dit niet, doordat bijvoorbeeld de plooihouderdruk te klein is, dan is er grote kans op secundaire plooivorming (zie § 2.3.1). Een product met een halve bolvorm, d.w.z. zonder een rechte wand, dient bij voorkeur met een strekproces te worden gemaakt. Indien de vorm niet in een grote plaat wordt geperst, moet er gebruik worden gemaakt van trekrillen of van een omkeertrekproces (§ 2.3.4). conische producten Net als bij producten met een ronde bodem, kunnen secundaire plooien een probleem zijn. Naarmate de coniciteit groter moet zijn (de wand schuiner), moet de strekfase bij het begin van de slag langer duren. Dat kan door een: grotere plooihouderdruk; een trekril; een grotere platine. Met name wanneer de coniciteit γ groter is dan 10 à 15º, zal moeten worden uitgegaan van een al dan niet met dieptrekken gecombineerd strekproces (zie figuur 4.6).
figuur 5.5
Volgtrekken van een kegelvorm met getrapte tussenvormen (a) en met conische tussenvormen (b) (lit.[2])
5.2.2 Niet ronde producten zonder rekzones platinevorm De platinevorm heeft veel invloed op enerzijds de maakbaarheid van een product en de eindvorm zelf, anderzijds ook op de kosten: materiaalverbruik, aantal en soort vooren nabewerkingen. Anders dan bij ronde producten, is de keuze van de platinevorm bij niet-ronde producten niet vanzelfsprekend. Aan de ene kant kan worden gekozen voor een eenvoudig te maken hoekplatine (of naar wijze van vervaardiging: knipplatine) zonder afrondingen die qua materiaalstroming en -verbruik niet geoptimaliseerd is, zoals in figuur 5.5. Aan de andere kant kan worden gekozen voor een geoptimaliseerde platine, een zogenaamde vormplatine. Deze moet echter met bijvoorbeeld pons-nibbelen, lasersnijden of een extra snijgereedschap worden gemaakt. Een benadering voor een vormplatine voor een eindproduct zonder flens wordt in figuur 5.6 gegeven. De platinecontour kan met een liniaal en passer of een CAD programma snel worden geconstrueerd. De contour bestaat alleen uit rechten en cirkelsegmenten, die met een CNC pons-nibbelmachine eenvoudig zijn te maken. In figuur 5.7 ziet u een product uit zo'n vormplatine, en ter vergelijking ook een uit een hoekplatine.
Hoekplatine voor een hoeksegment met een stuikzone, met hoogte hp, bodemafronding rba, afronding rp en openingshoek αh. Bfl,b = flensbreedte buigsegment = hp–0,43.rba voor een product met hoogte hp en bodemafronding rba
31 Deze vormplatine is geschikt tot hoeken van circa 120º. Bij grotere hoeken wordt de flensbreedte te klein bij de hartlijn en het product te laag. Voor hoeken groter dan 120º kan de constructie van figuur 5.8 worden toegepast.
figuur 5.6
Vormplatine voor een hoeksegment met een stuikzone, met hoogte hp en bodemafronding rba, een afronding rp en openingshoek αh. Bfl,b = flensbreedte buigsegment = hp–0,43.rba voor een product met hoogte hp en bodemafronding rba. De platine-contour heeft een boog met straal R en middelpunt c: R = rp+Bfl,b[1+1/tan(αh/2)] middelpunt c, t.o.v. de oorsprong o, is: (–Bfl,b, –Bfl,b/tan(αh/2))
figuur 5.8
Platine voor een hoeksegment met een straal rp en een grote openingshoek αh; Bfl,b = flensbreedte buigsegment. = hp–0,43.rba voor een product met hoogte hp en bodemafronding rba. Waarden voor de hoek η, straal R en coördinaten van het middelpunt c, staan in tabel 4.6
Rondom de hartlijn krijgt de platinerand de vorm van een cirkelboog alsof het een rond product is. De verbinding tussen deze boog en het einde van de stuikzone is een cirkelboog die zo geconstrueerd is (positie middelpunt c, openingshoek η, straal R) dat de overgang vloeiend is. Wanneer de openingshoek η groter is dan ½αh, is de platine gelijk aan de vormplatine van figuur 5.6. Voor de hoek η, straal R en middelpunt c van de platineconstructie geldt, met verwaarlozing van de bodemafronding rba zodat de flensbreedte Bfl,b = hp: rrond = rp.√ 2.hp/rp+1 sin η = –2z/(z²+1) met z = rp/hp.[√ (2.hp/rp+1) –1]–1 R = rp+hp(1+1/tan η) middelpunt c: (–hp, –hp/tan η) ten opzicht van de oorsprong o Het effect van het verwaarlozen van rba is dat de platines groter zijn dan wellicht nodig is. Wil men dat per se niet, dan moet in de laatste drie uitdrukkingen hp worden vervangen door (hp–0,43.rba) en rrond worden berekend met in tabel 4.5 gegeven regels. Men moet echter bedenken dat alle gegeven uitdrukkingen voor het bepalen van de platinegrootte en -vorm benaderingen zijn. figuur 5.7
Vormplatines, voor en na het persen (boven) en een hoekplatine na het persen (beneden); materiaal is staal Fe P05
De grens tussen stuik- en buigzone in de platine loopt onder een hoek van circa 45º met de matrijsrand weg (zie figuur 3.10). Waar stuik optreedt wordt het materiaal loodrecht op de omtrekrichting langer. Op de hartlijn van het hoeksegment is de stuikzone het breedst en moet de flens het smalste zijn. Waar de stuikzone ophoudt, moet de flensbreedte gelijk zijn aan de producthoogte. (Stempel- en matrijsafronding worden buiten beschouwing gelaten). De aanname die wordt gedaan is dat de contour van de optimale flens wordt benaderd door een cirkelboog, volgens de in figuur 5.6 gegeven constructie. De flensbreedte neemt dan geleidelijk af in de richting van de hartlijn van de hoek om te corrigeren voor de toenemende stuik. Naarmate de openingshoek αh groter is, is de correctie sterker.
Tabel 5.2 geeft een aantal waarden van η, rrond/rp en R/rp voor diverse waarden van de relatieve producthoogte hp/rp. tabel 5.2
Kentallen voor de constructie van de platine van figuur 5.8 voor een aantal waarden van hp/rp. N.B.: de bodemafronding rba is 0 genomen, zodat
de platines iets te groot zullen zijn hp/rp η [°] rrond/rp
R/rp
0,5 1 2 3 4
2,87 3,73 5,22 6,61 8,01
20 30 42 49 53
1,41 1,73 2,24 2,65 3,00
middelpunt c t.o.v. de oorsprong o y coörd./rp x coörd./rp –1 –2,74 –1 –1,73 –1 –1,11 –1 –0,86 –1 –0,75
32
trekschema Met de aanwijzingen die in § 4.2 zijn gegeven, kan worden nagegaan of de producten met één dieptrekbewerking maakbaar zijn. Als dit niet zo is, zijn er volgtrekken nodig en moet er een trekschema worden opgesteld. Zo'n trekschema kan het beste samen met een specialist worden opgesteld. Voor verdere studie kan worden gekeken in bijvoorbeeld het handboek van Lange (lit.[3]). Een vuistregel is om pas in de laatste trek de eindvorm te persen en om vanuit een zo rond mogelijke vorm daarnaar toe te werken.
5.2.3 Niet ronde producten met rekzones Een constructie voor een vormplatine voor een hoeksegment met rekzone ziet u in figuur 5.9. De hiermee maakbare producthoogte is gering (zie figuur 4.12 in § 4.2). Een mogelijkheid om hogere producten te maken ziet u in figuur 4.14.
5.3 Vorm en afmetingen van platines voor
Des te kleiner de matrijsafronding is, des te groter zal het aandeel van de buigkracht in de dieptrekkracht zijn. Daarnaast leidt een kleine matrijsafronding ook tot rekconcentraties. Bij niet ronde producten kan daardoor de wand bij de hoeken scheuren (zie figuur 4.7 in § 4.2). In de praktijk wordt daarom aangeraden in de hoeken de matrijsafronding iets groter te kiezen dan men bij een rond product zou doen. Bij een te grote matrijsafronding daarentegen bestaat er gevaar voor secundaire plooivorming in het vrijliggende deel van de wand tussen plooihouder en stempel. De trekspleet moet groter zijn dan de oorspronkelijke plaatdikte so, omdat het materiaal in de flens door het stuiken wat dikker wordt (zie ook figuur 2.10). Bij een grote trekspleet wordt het product iets conisch - met gevaar van secundaire plooivorming - en neemt de maximaal maakbare producthoogte af. Bij een te kleine trekspleet treedt er duntrekken op (zie figuur 2.5). Een nadeel is de hogere dieptrekkracht, een voordeel de betere beheersing van de wanddikte van het product.
kraagtrekken
rond
Bij het kraagtrekken is alleen de grootte van het gat van belang (zie § 4.3.1).
niet rond
Het trekken van een niet ronde kraag is nagenoeg identiek aan het dieptrekken (zie § 5.2 alsook § 4.3).
5.4 Gereedschapafrondingen en trekspleet Een verkeerde keuze van de matrijs-, stempelafronding of trekspleet kan falen van het proces of defecten aan het product tot gevolg hebben. Hieronder staat een aantal vuistregels met een toelichting: stempelafronding: 5.so < rsa < 15.so matrijsafronding: 4.so < rma < 10.so ook rma = 0,8 √ 2.(rpl–rp).so
figuur 5.10 Met vergelijking (5.1) berekende waarden van PN/Rp 0,2 (plooihouderdruk/rekgrens versus de dieptrekverhouding β voor staal Fe P05 voor verschillende relatieve productdiameters (δp)
= 0,8 √ 2.(β–1).rp.so trekspleet: ∆s ≈ 1,15.so
5.5 Plooihouderdruk en trekrillen
N.B. Voor aluminiumlegeringen worden afrondingen groter dan tienmaal de plaatdikte aanbevolen.
De plooihouderdruk PN moet groot genoeg zijn om primaire plooien (in de flens, zie § 2.3.1) te voorkomen, maar mag niet zo groot zijn dat de dieptrekkracht zo groot wordt dat het product scheurt. Ondiepe ronde producten met een relatieve productdiameter δp=2rp/so kleiner dan 25 à 30 (bij roestvast staal δp<20) kunnen zonder plooihouder worden getrokken. Een vuistregel voor een willekeurige productvorm is, dat de plooihouderdruk PN bij aanvang één à twee procent moet zijn van de rekgrens Rp 0,2.
De stempelafronding beïnvloedt de maximale overdraagbare kracht Fkri (zie § 2.3.1). Naarmate deze afronding kleiner is, treedt er in de strekfase van het dieptrekproces een grotere rekconcentratie op en zal Fkri kleiner zijn. Dit effect treedt sterk op bij een stempelafronding kleiner dan vijf maal de plaatdikte.
figuur 5.9
Vormplatine voor een hoeksegment met een rekzone en met een afronding rp en openingshoek αh. De platinerand is geconstrueerd door de hoekafronding ‘naar binnen te leggen’. De flensbreedte Bfl,b van het buigsegment kan met vergelijking 4.14 uit de gewenste producthoogte hp, alsmede de matrijsafronding rma en plaatdikte so worden bepaald
33 Voor ronde producten kan de plooihouderdruk worden bepaald met onderstaande uitdrukking van Siebel: PN = (0,002 à 0,003) [(β–1)3+0,01.β.rp/so].Rm (5.1) Deze uitdrukking houdt rekening met de grotere kans op plooien naarmate de plaatdikte kleiner is. In figuur 5.10 zijn, met behulp van deze uitdrukking, berekende waarden voor PN gebruikt om PN/Rp 0,2 uit te zetten tegen de dieptrekverhouding β voor staal Fe P05. De relatieve productdiameter δp=2rp/so is gevarieerd van 50 tot 400.
van een rechthoekig product). De toepassing gebeurt in de praktijk vaak op basis van ervaring. Een aantal regels voor de toepassing worden in de VDI richtlijn 3377 (lit.[4]) gegeven.
Sterke plooivorming kan tot beschadiging van het gereedschap leiden. Een praktijkstrategie bij proefproducties is om met een hogere plooihouderdruk dan berekend te beginnen en deze stapsgewijs te verlagen tot er geen scheuren meer ontstaan. Behalve om plooien in de flens tegen te gaan, wordt een plooihouder ook gebruikt om: secundaire plooivorming in de al getrokken productwand tegen te gaan, vooral bij producten met een schuine (conische) wand (zie § 2.3.1 en § 4.2.1); de materiaalstroming bij niet ronde producten te sturen. Wanneer er geen vormplatines worden gebruikt, kunnen er in de flens tussen naburige hoek- en buigsegmenten grote verschillen in de materiaalstroom ontstaan. Plooien of een zeer ongelijke producthoogte kunnen het gevolg zijn. terugvering na het persen tegen te gaan. Wanneer een product uit het gereedschap wordt genomen, zal het altijd iets terugveren uit de vorm waarin het is geperst. Dit treedt met name op bij ondiepe rechthoekige producten van roestvast staal en aluminium bij de buigsegmenten (zie figuur 5.11).
figuur 5.11 Terugveren van de wand van een buigsegment
De neiging tot terugvering is sterker naarmate de verhouding van de E-modulus en de treksterkte van het materiaal (E/Rm) kleiner is en het materiaal dunner. Door het vergroten van de dieptrekkracht door het aanbrengen van een hogere plooihouderdruk wordt deze terugvering minder. Dit wordt veroorzaakt doordat bij het buigen van de platine rond de stempelrand (in de strekfase) en het trekken van de flens over de matrijsrand (in de dieptrekfase) een extra trekspanning wordt aangebracht. In de praktijk wordt terugvering ook tegengegaan door ondiep reliëf in de wand of bodem te persen met een strekbewerking. Dat wil zeggen een ontwerpaanpassing, waardoor wand en bodem een grotere stijfheid krijgen. Het laten staan van een flens langs de productomtrek vergroot de stijfheid eveneens. Het nadeel van het door middel van de plooihouderdruk tegengaan van secundaire plooien, grote verschillen in materiaalstroom of terugveren, is dat het resultaat daarvan erg afhankelijk is van de wrijving tussen de platine enerzijds en de matrijs en plooihouder anderzijds. De wrijving is slecht beheersbaar. Variaties in de smering (smeerfilmdikte, temperatuur) worden direct teruggevonden in het resultaat. Afhankelijk van de treksnelheid kan de wrijvingscoëfficiënt afnemen wanneer de plooihouderdruk wordt verhoogd, zodat de beoogde wrijvingstoename nihil is. Verder is het bij niet ronde producten juist niet de bedoeling om de wrijving over de gehele platine te vergroten, maar alleen lokaal. Een meer beheerste methode is met trekrillen (zie figuur 5.12.) Deze trekrillen bevinden zich daar waar de materiaalstroom moet worden afgeremd of de trekspanning in de wand moet worden vergroot (bijvoorbeeld langs de lange zijden
figuur 5.12 Schematisch voorbeeld van een trekril
5.6 Perskracht en -afmetingen De maximale kracht die optreedt tijdens de bewerking heeft men nodig voor de berekening van de belasting op het gereedschap en voor de keuze van de pers. Behalve de dieptrekkracht, bepalen onder andere ook de productgrootte en de benodigde plooihouderdruk de perskeuze. De totale kracht die de pers moet kunnen leveren is de som van de dieptrek- en plooihouderkracht. Bij het dieptrekken van dunne plaat is de plooihouderkracht aanzienlijk en bedraagt meestal een derde tot de helft van de dieptrekkracht. Het persbed en de inbouwhoogte moeten groot genoeg zijn om het gereedschap te kunnen plaatsen, platines toe te voeren en de producten te verwijderen. Een vuistregel is dat de afstand tussen de persgeleidingen en de platine minimaal 5 cm moet zijn voor kleine producten en circa 50 cm voor zeer grote producten. In de publicatie VM 112 “Machines en gereedschappen” wordt nader ingegaan op de persen en gereedschappen.
dieptrekken De grootste dieptrekkracht die kan optreden is altijd kleiner dan de maximaal overdraagbare kracht Fkri (zie § 2.3.1). Deze is bij benadering: (5.2) Fkri = Ob.so.1,15.Rm Ob = productomtrek ter hoogte van de bodemafronding Een vuistregel om de dieptrekkracht te schatten bij het dieptrekken van een rond product met dieptrekverhouding β is: Fdiep = Fkri.(β–1)/(βmax–1) = 2π.rp.so.1,15.Rm.(β–1)/(βmax–1)(5.3) rp = inwendige productstraal βmax = maximale dieptrekverhouding behorende bij de relatieve productdiameter δp en de geldende omstandigheden (zoals de wrijving, zie ook figuur 4.3) Bij een niet rond product moet er rekening mee worden gehouden dat de belasting bij de buigsegmenten aanzienlijk kleiner kan zijn dan bij de hoeksegmenten. Een schatting van de maximale dieptrekkracht die tijdens het trekken optreedt voor een rechthoekig product is: Fdiep = so.Rm.(2π.rp.C1+L.C2)(5.4) L = totale lengte rechte zijden C1 = 0,5 (ondiep) - 2 (diep, hp = 5 à 6.rp) C2 = 0,3 (norm.plooihouderkracht, Fpl ≈ 1/3.Fdiep) = 1 (ingeklemd)
strekken De grootste kracht die bij het persen van een ril in een plaat kan optreden, is: Fmax = Oril.so.1,15.Rm (5.5) Oril = omtrek van de ril
34
Hoofdstuk 6 Praktijkvoorbeelden 6.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt aan de hand van een aantal voorbeelden uit de praktijk de maakbaarheid van desbetreffende producten behandeld. De volgende voorbeelden komen aan bod: rond product zonder bodem uit een ronde en een vierkante platine; bracket: product met een rek- en stuikzone; ronde behuizing met flens; volgtrekken;
6.2 Rond product zonder bodem uit een ronde
en een vierkante platine
De vetkeerplaat is een zwak conisch rond product met een gat in de bodem. Het productmateriaal is 1 mm dik koudvervormingsstaal Fe P05. De materiaalkeuze wordt behandeld in het supplement “Materialen”. Figuur 6.1 toont het eindproduct, figuur 6.2 de maten.
6.2.2 Persen uit een ronde platine; maakbaar-
heidsanalyse
Het product - zonder gat in de bodem - kan op verschillende manieren worden gemaakt. Meest recht toe recht aan is het trekken van een product met flens. Daarna wordt de bodem eruit geponst en de flens op maat gesneden, waarna de flens vervolgens wordt omgezet. Wanneer de coniciteit groter zou zijn (gevaar voor plooien in de wand) en de omgezette rand ook groter zou zijn, zou omkeertrekken een alternatief zijn (zie figuur 2.18 in § 2.3.4). Omdat de coniciteit gering is en bovendien de radius van de rand (2 mm) klein is ten opzichte van de plaatdikte van 1 mm, biedt omkeertrekken hier geen voordelen. Nagegaan wordt of het product met flens in één trek maakbaar is. De dieptrekverhouding β moet worden bepaald en vergeleken met de maximale dieptrekverhouding βmax. Daarnaast moeten ook de afrondingen van de bodem, flens en rand worden gecontroleerd.
dieptrekverhouding β Om β te bepalen moeten we het totale oppervlak van het uitgeslagen product Au berekenen. Om Au te berekenen, delen we de productvorm in segmenten in, waarvan we het oppervlak met de vergelijkingen uit tabel 4.5 kunnen berekenen. Omdat de bodem- en flensafronding klein zijn, laten we deze weg. Dan is rbv=rp, hw=hp en rfli=rw en: oppervlak bodem: π rbv2 = 38,7.103 mm2 oppervlak wand: π (rp+rw) (hw/cos γ) = 63,7.103 mm2 oppervlak flens: π (rfl2–rfli2) = 13,1.103 mm2 oppervlak rand: 2 π rfl×hrand = 5,1.103 mm2 totale oppervlak: Au =120,6.103 mm2 Omdat de productafrondingen worden weggelaten, is het berekende productoppervlak iets groter dan in werkelijkheid het geval is. Dan kunnen we de in § 5.2.1 aanbevolen 5% toeslag op Au weglaten en is Au = Apl.
figuur 6.1
Vetkeerplaat
De platinestraal rpl is dan: rpl=√ Apl/π = 196 mm. De dieptrekverhouding is β=rpl/rp=1,77.
controle kritische dieptrekverhouding βmax Fe P05 is goed dieptrekbaar materiaal. Volgens tabel 4.1 is βmax=2,25 voor een relatieve productdiameter δp=71 en onder gunstige omstandigheden (goede smering). Bij dit product is de relatieve productdiameter groter, δp=2.rp/so=222, zodat de maximale dieptrekverhouding kleiner zal zijn. We gebruiken figuur 4.3 om βmax te schatten. Onder gunstige omstandigheden (lijn a) vinden we βmax=2,0; onder slechte omstandigheden (lijn b) is βmax=1,8.
controle gereedschapsafrondingen De matrijs- en stempelafrondingen zijn gelijk aan respectievelijk de flens- en bodemafronding. Deze bedragen respectievelijk 6 en 5 maal de plaatdikte, wat volgens § 5.4 acceptabel is. figuur 6.2
Vetkeerplaat; belangrijkste maten zijn: totale hoogte van product: hp=88 mm; hoogte van de rand: hrand=8 mm; radius van de flensrand: rfl=135 mm; radius van productwand bij de bodem: rp=111 mm; radius van productwand bij de flens: rw=118,5 mm; coniciteit γ=4,5º; flensafronding rfa=6 mm; bodemafronding rba=5 mm
6.2.1 Basisvormen De hoofdbasisvorm is rond. De wand is conisch, er is een kleine vlakke flens met omgezette rand en de bodem ontbreekt. In de hieronder volgende analyse wordt ervan uitgegaan dat het gat na het dieptrekken wordt aangebracht.
omzetten van de rand Over het omzetten van de rand kunnen we het volgende opmerken. Dit is een dieptrekbewerking analoog aan het maken van een product met hoogte hp=8 mm en straal rp=135 mm. Dat betekent een dieptrekverhouding van: β=√ 2.hp/rp+1 =1,06 Dit is erg laag. Een stempelafronding van 2 mm is bij grotere dieptrekverhoudingen te klein ten opzichte van de plaatdikte van 1 mm. Doordat de dieptrekverhouding extreem klein is - er is bijna geen stuik zodat het meer een buigproces is - verwachten we geen problemen, behalve dan voor de terugvering. Maar daar is op de tekening in voorzien (4º maximaal).
35
conclusie Alleen onder slechte omstandigheden (versleten gereedschap, slechte smering) is er sprake van een kritisch product.
6.2.3 Persen uit een vierkante platine; een
alternatieve methode uit de praktijk
Het in figuur 6.1 afgebeelde product wordt in werkelijkheid niet uit een ronde maar uit een vierkante platine geperst met zijden van 410 mm (de ronde platine heeft een straal van 196 mm). Het is niet mogelijk om de productwand in één trek uit de vierkante platine diep te trekken. In plaats daarvan wordt de productwand in twee trekken gemaakt met een combinatie van dieptrekken, kraagtrekken en strekken. In de eerste trek wordt een conisch product geperst, zie figuur 6.3.
figuur 6.3
figuur 6.4
Gereedschap voor de fabricage van het product in figuur 6.3. Na de eerste trek (boven) wordt er een nieuw stempel ingeplaatst voor de tweede trek (onder)
figuur 6.5
Bracket. hoogte: hp=1,12"=28,4 mm (incl. bodem); breedte: b=1,50"=38,1 mm (incl. wanden); bodemafronding: rba=0,12"=3,0 mm; binnenbochtradius: rp=0,50"=12,7 mm; buitenbochtradius: rp=0,75"=19,1 mm
Vetkeerplaat na (van linksboven naar rechtsonder) de eerste trek, de tweede trek, nasnijden en omzetten van de rand
Het conische deel van de wand ontstaat doordat materiaal over de stempel wordt gestrekt. Dit proces wordt bevorderd door de grote platine (zie § 4.3). De rest van de wand wordt door dieptrekken uit de flens gevormd. Aan het einde van de slag wordt de bodem ingesneden en het conische deel nog iets (een paar mm) opgerekt. Dit is een kraagtrekproces. In de tweede trek wordt het onderste, conische deel van de wand opgerekt tot de eindvorm (zie weer figuur 6.3). Deze twee trekken vinden plaats op een 400 ton hydraulische pers met één gereedschap, waarvan voor de tweede trek de stempel wordt omgewisseld (zie figuur 6.4). Vervolgens wordt in één slag met een gecombineerd treken snijgereedschap de bodem losgesneden en de flens op maat gesneden (figuur 6.3) en omgezet. Dit gebeurt op een mechanische pers van 300 ton. De platines worden eenvoudig geknipt, daar waar het materiaal (op coil) de fabriek inkomt. Daardoor zijn er bij de pers geen speciale voorzieningen voor de ‘handling’ van platen of coil nodig. Ook wordt bespaard op een gereedschap om ronde platines te snijden. Deze voordelen wegen hier zwaarder dan het extra materiaalgebruik.
6.3 Bracket: product met een rek- en stuikzone De bracket is een U-profiel met een 45º bocht, rechte wanden, een vlakke bodem en zonder flens (zie figuur 6.5). Productmateriaal is 2 mm dik aluminium EN AW-2024 O.
6.3.1 Basisvormen Het product bestaat uit de volgende basisvormen: één hoeksegment met een rekzone (de binnenbocht); één hoeksegment met een stuikzone (de buitenbocht); vier lijnstukken met buigzones, die zich naast de hoeksegmenten bevinden.
De vormplatine die bij dit product hoort is al in figuur 4.13 afgebeeld, met daarin ook de rek- en stuikzone getekend. Deze platine is geconstrueerd volgens de in figuur 5.6 en 5.9 gegeven methoden.
6.3.2 Maakbaarheidsanalyse per basisvorm buitenbocht aanpak De buitenbocht is een los hoeksegment met een stuikzone. De openingshoek is 45º. Uit tabel 4.3 kan worden afgelezen wat de maximaal maakbare relatieve producthoogte (hp/rp) van het hoeksegment is als functie van de relatieve segmentdiameter δp (=2.rp/so). uitkomst Volgens figuur 6.5 is hier hp/rp=1,5, δp=19 en de relatieve stempelafronding rsa/so=1,5. Volgens tabel 4.3 mag hp/rp bij een waarde van δp=20 (met relatieve stempel- en matrijsafrondingen van respectievelijk 3,5 en 7) niet groter zijn dan 7,1 voor een vormplatine en 6,4 voor een hoekplatine. Dat is veel groter dan hp/rp=1,5, zodat zelfs met een kleine relatieve stempelafronding (rsa/so) van 1,5, dit hoeksegment in één keer kan worden diepgetrokken.
36
binnenbocht
6.4 Ronde behuizing met flens; volgtrekken
aanpak De binnenbocht is een 45º hoeksegment met een rekzone. De relatieve producthoogte is hp/rp=2,2 en de relatieve segmentdiameter δp=12,5 (komt overeen met so/rp=0,16). Met tabel 4.4 kan worden gecontroleerd of dit maakbaar is met een vormplatine.
Figuur 6.7 toont de maten van het product. Productmateriaal is 0,5 mm dik vervormingsstaal. Het wordt besteld als Fe P23 HK 270 MB RM volgens NEN EU 139: licht nagewalst smalband, scheur- en poriënvrij oppervlak (MB) en met een ‘mat’ oppervlak (RM). De mechanische eigenschappen zijn gelijk aan die van de breedband kwaliteit Fe P03 volgens EN 10 130.
uitkomst In figuur 6.6 zijn de waarden van de maximale relatieve producthoogte hp/rp en de bijbehorende relatieve plaatdikte so/rp uitgezet. Uit extrapolatie van deze figuur volgt dat als so/rp=0,16, de relatieve hoogte hp/rp niet groter dan 1,4 mag zijn. Hieraan wordt niet voldaan. Het lijkt dus niet mogelijk om met een vormplatine de binnenbocht te maken. Doet men dit toch, dan verwachten we dat de rand van de platine zal inscheuren.
figuur 6.7
Behuizing met flens. totale hoogte van product: hp=20,0 mm; radius van de flensrand: rfl=17,0 mm; radius van productwand (binnenzijde): rp=7,54 mm; flensafronding: rfa=0,3 mm; bodemafronding: rba=0,3 mm; radius buitenzijde productwand: rpu=8,00 mm
6.4.1 Basisvormen figuur 6.6
Maximale relatieve hoogte hp/rp versus relatieve plaatdikte so/rp voor 45º (dichte) en 90º (open symbolen) hoeksegmenten met een rekzone van aluminium EN-AW 2024-O (uit tabel 4.4)
oplossing Uit het voorgaande blijkt dat het materiaal teveel wordt gestrekt. Een oplossing is om meer materiaal bij de hoek te hebben en voor stuik te zorgen. Een platinevorm waarmee dat kan, staat in figuur 4.14. Deze vorm zorgt voor voldoende materiaaltoevoer in de rekzone om het benodigde wandoppervlak te maken (zonder te grote rekken en dikte-afname). Van belang is dat de platine zo is vormgegeven, dat de stuikzone van de kop zich uitstrekt tot in de rekzone van de binnenbocht. Nagegaan moet echter nog worden of de kop zelf maakbaar is. Dit is een 180º hoeksegment met een relatieve producthoogte hp/rp=1,5. Er kan een behoudende schatting van de maakbaarheid worden gemaakt door dit segment als een rond product te beschouwen. De dieptrekverhouding β van een rond product met hp/rp=1,5 is: β=√ 2 hp/rp+1 = 2 Volgens tabel 4.1 is de maximale dieptrekverhouding βmax=2 bij een relatieve productdiameter δp=2.rp/t=71. In dit geval is de relatieve productdiameter een stuk kleiner, namelijk δp=19. Het segment is derhalve maakbaar.
6.3.3 Praktijk In de praktijk wordt het product gemaakt met de platine van figuur 4.14. Dit gebeurt met een ‘low-cost’ houten gereedschap (vanwege de lage aantallen) en met een erg dik smeermiddel, dat vooral bij de hoeken wordt aangebracht (met een viscositeit van 320 ºcSt bij 40 ºC). Ter vergelijking, de viscositeit van de smeermiddelen waarmee de data in tabel 4.3 en 4.4 zijn bepaald, waren respectievelijk 32 ºcSt en 170 ºcSt.
De hoofdbasisvorm is rond. De wand is recht, de flens en bodem zijn vlak.
6.4.2 Maakbaarheidsanalyse aanpak Uit de gegeven binnen- en buitenmaat van de productwand volgt dat de wand 0,46 mm dik moet zijn, dunner dan de uitgangsplaatdikte so=0,5 mm. De bodem- en flensafronding zijn te klein ten opzichte van de uitgangsplaatdikte om in een keer met dieptrekken te maken. Er dus een nabewerking nodig om de met dieptrekken gemaakte benadering van de eindvorm te kalibreren. Nagegaan wordt welke dieptrekverhouding β uit de productafmetingen volgt om aan de hand van de uitkomst een trekschema op te stellen. dieptrekverhouding Deze volgt uit het oppervlak van het uitgeslagen product Au. Om Au te berekenen, wordt de productvorm in segmenten ingedeeld, waarvan het oppervlak met de vergelijkingen in tabel 4.5 kan worden berekend. Omdat de bodem- en flensafronding klein zijn, laten we deze weg. Dan is rbv=rp, hw=hp en rfli=rp. oppervlak bodem: π rbv2 = 1,79.102 mm2 oppervlak wand: 2 π r p hw = 9,48.10² mm2 oppervlak flens: π (rfl2 - rfli2) = 7,29.10² mm2 totale oppervlak: Au =18,56.102 mm2 Wanneer de productafrondingen worden weggelaten, is de berekende productoppervlak iets groter dan in werkelijkheid het geval is. Dan kunnen we de in § 5.2.1 aanbevolen 5% toeslag op Au weglaten en is Au=Apl. De platinestraal rpl is dan: rpl = √ Apl/π = 24,3 mm. De dieptrekverhouding β=rpl/rp=3,22.
37 Dit kan niet in een keer worden getrokken (zie tabel 4.1). Met behulp van tabel 4.2 stellen we een trekschema op (een eis daarbij is, dat de flens van de tussenproducten niet kleiner mag zijn dan die van het eindproduct): 1. Relatieve platinediameter δpl=2.rpl/so=97 → gebruik de tweede kolom van links in tabel 4.2. 2. Aantal trekken - β/β1,max=3,22/2,00=1,61>β2,max (=1,34) → meer dan twee trekken - 1,61/β2,max=1,61/1,34=1,20<β3,max (=1,28) → drie trekken Er zijn dus drie trekken èn de extra kalibratietrek nodig. 3. Keuze dieptrekverhoudingen Gekozen wordt β1=2,00 en β2=1,34. Aangeraden wordt om bij de (vierde) kalibratieslag de productstraal iets te verkleinen. Gekozen wordt β4=1,02. Dan wordt β3=β/(β1.β2.β4)=1,18.
Stempel- en matrijsradii rs en rm
4 e
4 trek: rs,4=rp=7,54 mm; 3e trek: rs,3=rs,4.β4=7,7 mm;
rm,4 =rpu =8,00 mm rm,3 =rs,3+1,0.so =8,2 mm
2e trek: rs,2=rs,3.β3 = 9,1 mm; rm,2 =rs,2 + 1,1.so =9,7 mm 1e trek: rs,1=rs,2.β2=12,2 mm; rm,1 =rs,1+1,15.so =12,8 mm De matrijsradius is de som van de stempelradius en de trekspleet. De trekspleet in de laatste trek wordt bepaald door de verlangde wanddikte (figuur 6.7). Bij de eerste trek is 1,15 maal de plaatdikte aangehouden (§ 5.4). Bij de tweede en derde volgtrek wordt deze steeds kleiner genomen. 5. Stempelafrondingen Voor de laatste (kalibratie) trek wordt de stempelafronding gelijk gesteld aan de bodemafronding in figuur 6.7. De stempelafrondingen rsa van de andere trekken moeten kleiner zijn dan het verschil tussen de stempelradius rs van de betreffende slag en de radius rbv van het vlakke deel van de bodem in de volgende slag. De grootste aanbevolen waarde van rsa,i wordt dan (zie ook figuur 6.8): rsa,i=rs,i–rbv,i+1=rs,i–rs,i+1+rsa,i+1 Bij voorkeur moet de stempelafronding echter groter zijn dan het verschil tussen de stempelradii van de twee opeenvolgende trekken. De kleinste aanbevolen waarde van rsa,i wordt dan (zie ook figuur 6.8): rsa,i=rs,i–rs,i+1 Voor de derde trek kiezen we de maximum waarde, voor de andere twee het gemiddelde: 4e trek: rsa,4=0,3 mm 3e trek: rsa,3=7,7–7,54+0,3=0,46 mm 2e trek: rsa,2=9,1–7,7+0,46/2=1,6 mm 1e trek: rsa,1=12,2–9,1+1,6/2=3,9 mm 6. Matrijsafrondingen Voor de opeenvolgende matrijsradii rma geldt een vuistregel dat deze steeds 60% à 80% van de radius van de voorgaande trek moet zijn: rma,i=(0,6 à 0,8).rma,n-1
figuur 6.8
Stempels voor de eerste en tweede trek. rmin=kleinste aanbevolen waarde voor rsa,1; rmax=grootste aanbevolen waarde voor rsa,1
Voor de eerste trek moet deze tussen vier- en tienmaal de plaatdikte liggen (zie § 5.4). We nemen het gemiddelde zodat rma,1=3,5 mm. Bij de tweede en derde trek wordt rma: 2e trek: rma,2=0,8.3,5=2,8 mm 3e trek: rma,3=0,8.2,8=2,2 mm Voor de laatste (kalibratie) trek wordt de stempelafronding gelijkgesteld aan de bodemafronding in figuur 6.7: rma,4=0,3 mm. 7. Trekhoogtes Er moet bij de bepaling van de trekhoogtes (stempelweg u) worden opgelet dat de tussenproducten niet zover worden doorgetrokken dat de flens kleiner wordt dan die van het eindproduct. Na de eerste trek is de straal van de flensrand gelijk aan de eindwaarde rfl=17 mm en blijft dat bij de volgende trekken. Het totale oppervlak van de tussenproducten verandert niet en is (met verwaarlozing van de bodem en flensafronding) steeds de som van het bodem-, wand- en flensoppervlak: Au,i=π.rbv,i2+2π.hw,i.rp,i–π.(rfl,i2–rfli,i2) Het oppervlak is constant, zodat Au,i=Au. De flensdiameter verandert na de eerste trek niet meer zodat rfl,i=rfl. Wanneer de bodem- en flensafrondingen worden weggelaten, is: rbv,i = rp,i = rfli,i = rs,i Dan is de uitkomst: Au = π.[rfl2+2.hp,i.rs,i] 18,56.102 mm2 = π.[289+2.hp,i.rs,i] Dan worden de respectievelijke producthoogtes: 1e trek: hp,1=151/rs,1=12,5 mm 2e trek: hp,2=151/rs,2=16,6 mm 3e trek: hp,3=151/rs,3=19,6 mm 4e trek: hp,4=151/rs,4=20,0 mm De stempelweg is steeds u=hp–so=hp–0,5 mm.
samenvatting In figuur 6.9 en tabel 6.1 worden de diverse stappen en waarden overzichtelijk weergegeven. Vaak laat men bij zulke kleine productafmetingen de tussenproducten aan de strook uitgangsmateriaal vastzitten ten behoeve van het transport tussen de opeenvolgende be-
38 werkingen. Dat kan door de platine zodanig uit te snijden, dat deze met smalle bandjes vast blijft zitten aan de strook (zie ook figuur M.11 in het supplement “machines en gereedschappen”). De bewerkingen worden dan ook vaak met één volggereedschap uitgevoerd: één gereedschap met naast elkaar de stempels en matrijzen voor het snijden van de platine, het dieptrekken en kalibreren en het uiteindelijke na- en lossnijden van de productomtrek.
tabel 6.1
figuur 6.9
Platine en de tussenproducten na de 1e, 2e en 3e trek (links) en na de 4e trek (rechts)
Dieptrekverhouding, stempel- en matrijsafmetingen en trekhoogte van de vier trekken
trek
β
rs [mm]
rm [mm]
rsa [mm]
rma [mm]
hp [mm]
u [mm]
1
2,0
12,2
12,8
3,9
3,5
12,5
12,0
2
1,34
9,1
9,7
1,6
2,8
16,6
16,1
3
1,18
7,7
8,2
0,46
2,2
19,6
19,1
4
1,02
7,54
8,00
0,30
0,30
20,0
19,5
39
Hoofdstuk 7 Checklist/trouble shoot list
3) Controle van het gereedschap
Algemeen In geval van het produceren met een bestaand gereedschap (herhalingsorder) kan men het beste eerst met de volgende zaken beginnen.
1) Inventarisatie Ga na of en welke veranderingen er in het fabricageproces hebben plaatsgevonden
Symptoom/oorzaak-matrix
2) Controle van het materiaal
Is het product nog niet eerder geproduceerd, of kan men aan de hand van de vorige opmerkingen niet tot een beter product komen, dan kan men met behulp van tabel 7.1 zoeken naar de mogelijke oorzaken.
Heeft het materiaal de juiste dikte: meet de dikte met een micrometer op 0,01 mm nauwkeurig. Om zeker te zijn dat de machine weer correct is ingesteld, wordt vaak het laatste product van de voorgaande serie bewaard, evenals enkele platines. Het product kan nog een keer worden geperst met platines uit de voorgaande partij, om afwijkingen door andere materiaaleigenschappen van een nieuwe partij uit te sluiten. Een Erichsen strekproef geeft reeds een goede indicatie, als een trekproef niet kan worden uitgevoerd (zie VM 111 “Materialen”). tabel 7.1
Controleer het gereedschap op vervuiling, verruwing, slijtage en aanladen van de stempel- en matrijsafrondingen, trekrillen, plooihouderoppervlak. Bij kritische producten is het wenselijk het slijppatroon in de richting van de materiaalstroom te leggen, of waar het materiaal moet schuiven het oppervlak te polijsten. Zeker bij verzinkt of voorgelakt materiaal. De stempel, ten opzichte waarvan van het materiaal niet of weinig beweegt, mag bij dieptrekken niet te glad en te vet zijn. Let op ophoping van vuil en vet, waardoor pennen en schuiven niet meer kunnen bewegen, of de plooihouder niet meer goed aankomt.
Deze trouble shoot tabel kan men het beste als volgt toepassen: 1) Inventariseer eerst de aanwezige symptomen. 2) Kijk vervolgens bij die mogelijke oorzaken die het meest worden genoemd.
Symptoom/oorzaak-matrix (trouble shoot tabel) oorzaken
symptomen 1
langsscheuren in wand
2
dwarsscheuren in wand
3
dwarsscheuren bij bodemafronding
4
sterke verruwing
5
grote dikte-afname
6
primaire plooien
7
secundaire plooien
8
glimmende plekken wand
9
glimmende plekken flens
plooihouder
smering
gereedschap
A1 A2 A3 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7
materiaal/proces
D1 D2 D3 E1 E2 E3 E4 E5 E6
C
pers
10 ongelijke rand, symmetrisch 11 ongelijke rand, asymmetrisch
Symptomen
Opmerking
1) langsscheuren in de wand
langsscheur duidt op een materiaalprobleem
2) dwarsscheuren in de wand
lopen er ook plooien vast in de trekspleet, zie dan 6) en 7)
3) dwarsscheuren bij de bodem 4) sterke verruwing
komt vaak voor bij koper of aluminium (sinaasappelhuid)
5) grote dikte-afname
zoals bij het begin van insnoeren
6) primaire plooien
ontstaan in de flens tussen plooihouder en matrijs (veroorzaakt vaak grote slijtage)
7) secundaire plooien
ontstaan bij de matrijsafronding en/of in de wand
8) glimmende plekken op het product (wand) let op de verdeling 9) glimmende plekken op de flens (bodem) let op de verdeling 10) ongelijke rand, symmetrisch verdeeld 11) ongelijke rand, asymmetrisch verdeeld
zoals bijvoorbeeld oorvorming
40
Oorzaken De oorsprong ligt bij:
meer informatie in:
A: B: C: D: E:
§ § § § §
plooihouder; matrijs/stempel; smering; pers; materiaal.
5.5; § 3 supplement machines en gereedschappen; 5.4; § 3 supplement machines en gereedschappen; VM 112; 3 supplement materialen; VM 111; 2 supplement machines en gereedschappen; VM 112; 2.3, § 4, § 5.2 en § 5.3; § 2 supplement materialen; VM 111;
A1) plooihouderdruk te laag Let op: door de plooien kan het gereedschap snel vervuilen en beschadigen. Als de plooihouderdruk niet kan worden verhoogd, overweeg dan het toepassen van trekrillen, een scherpere matrijsafronding, of een grotere platine. A2) plooihouderdruk te hoog Let bij het verlagen van de plooihouderdruk op [A1] en [D1]. Kan het product vervolgens wel zonder scheuren maar niet zonder plooien worden gemaakt, dan moeten de matrijs- en stempelafronding, de vorm van de platine, het aantal bewerkingen of de materiaalkwaliteit opnieuw worden bekeken. A3) plooihouderdruk ongelijkmatig Bij een ongelijkmatige verdeling van de plooihouderdruk zal het materiaal niet goed toestromen.
Oorzaken kunnen zijn: - verkeerde verdeling van de trekkussenpennen; - ongelijke lengte trekkussenpennen: 0,1 mm verschil is soms al genoeg om problemen te veroorzaken; - vervuild persbed en/of trekkussen (door bijvoorbeeld ponsdoppen); - defect aan het trekkussen of de plooihouderveren; - een scheur in de plooihouder; - te dunne plooihouder.
B1) matrijsafronding te klein Door de kleine radius moet het materiaal sterk buigen. Hierdoor ontstaan aan het oppervlak grote rekken. Dit is te zien aan verruwing (sinaasappelhuid). Verder is de benodigde kracht groot.
Let op of de matrijs niet aangeladen is (met productmateriaal). Is een kleine flensafronding nodig voor het product, trek dan voor met een grotere matrijsafronding en maak met een kalibratietrek de flensafronding scherper. In principe zijn er twee mogelijkheden om een scherpe flensafronding te maken: a) Trek het product iets te hoog en druk in de kalibratietrek de flensafronding terug in de flens. Dit is voor het materiaal de gunstigste belasting. Wel moet de productwand goed worden opgesloten omdat de belasting van trek naar druk omkeert. b) Trek het product op de juiste hoogte en strek het materiaal om een scherpe matrijsafronding in de kalibratietrek. Bij de flensafronding moet het materiaal nog veel vervormen en ook vloeit er nog materiaal uit de flens toe. Dit is voor het materiaal een grote belasting, en meestal is de spreiding in de vormnauwkeurigheid groter dan bij de vorige methode. Het product wordt echter tegen de stempel getrokken wat in de praktijk vaak een eenvoudigere uitvoering voor het gereedschap betekent.
B2) matrijsafronding te groot Bij de matrijsafronding drukt de plooihouder niet meer op het materiaal en kunnen er plooien ontstaan.
Vergroten van de radiale trekspanning door de plooihouderdruk te vergroten, het aanbrengen van trekrillen, uit te gaan van een grotere platine of gebruik te maken van een verplaatsingsgestuurde plooihouderbekrachtiging (trekkussen). Let ook op slijtage.
B3) trekspleet te klein Het materiaal wordt dikker bij het dieptrekken. Dit kan afhankelijk van de materiaaleigenschappen (bijvoorbeeld de r-waarde) verschillen. Ook kan door een lage wrijving met de plooihouder de dikte-afname na het stuiken van de flens bij het buigen rond de matrijsafronding en het weer recht trekken in de trekspleet minder zijn. Enig 'nastrijken' in de trekspleet hoeft niet verkeerd te zijn. Daardoor wordt de productnauwkeurigheid vaak beter. Wel wordt het gereedschap veel hoger belast, met als gevolg meer slijtage.
Het materiaal is te dik. Let op aanladen; ook de stempel kan aangeladen zijn.
B4) trekspleet te groot Ingeval van en conisch product zie § 3.2.1. Kan samengaan met te dun materiaal.
Probeer met een onderlegfolie onder de platine er voor te zorgen dat de spleet wordt gereduceerd. Werkt het gereedschap dan goed, dan kan men overgaan tot het aanpassen van de matrijs (-radius en -afronding). Let op slijtage.
B5) stempelafronding te klein Naarmate de stempelafronding kleiner is, treedt er een grotere rekconcentratie op. Bij een zeer kleine stempelafronding werkt de stempel als een snijstempel en scheurt de bodem bij het begin van de trek. B6) uitlijning van stempel en matrijs is onvoldoende Als de uitlijning niet goed is, is de trekspleet niet overal gelijk wat tot uiting komt in het ongelijkmatig toestromen van materiaal uit de flens. B7) versleten trekril Het materiaal ondervindt geen weerstand meer. Vaak heeft men reeds (tevergeefs) de plooihouderdruk hoog opgevoerd. Vergeet daarom niet na reparatie van het gereedschap de plooihouderdruk weer te verlagen.
41 C)
smering niet optimaal De wrijving wordt beïnvloed door de smering. Deze werkt in combinatie met het materiaal- en gereedschapoppervlak.
- Zorg voor een goede en gelijkmatig aangebrachte smeerfilm. - 'Dik' smeert niet beter. - Reinig het gereedschap goed alvorens met een nieuw middel te beginnen. Verwijder aanlaadresten, en polijst eventueel de beschadigde delen. Er zijn minimaal tien producten nodig om een indruk te krijgen van de smering.
D1) trekkussen-hydrauliek functioneert onvoldoende Een te lage instelling van de druk in het hydraulische systeem in verhouding met de maximale druk: tot 20% van de maximale druk zijn de meeste trekkussens vaak erg onnauwkeurig. De werking kan slecht zijn, zodat de druk pas na enkele millimeters weg opgebouwd is en er bij het begin van het omvormproces geen plooihouderdruk is. D2) a-centrische belasting van de stoter van de pers Grijpt de kracht van het gereedschap niet aan in het werkpunt van de pers, dan heeft de stoter de neiging te kantelen en wordt de geleiding zwaar belast. D3) snelheid van de pers verkeerd ingesteld Bij een hoge snelheid werkt de smering vaak beter. Maar let op dat de stoter niet met grote snelheid tegen de plooihouder botst, omdat dan door trillingen in de pers (-hydrauliek) de plooihouderdruk even weg kan vallen en er plooien ontstaan. E1) materiaal te dik Het materiaal loopt klem in de trekspleet of het wordt te veel tegengehouden door de trekrillen. E2) materiaal te dun Te dun materiaal loopt te makkelijk langs de trekril en langs de matrijsafronding. Dun materiaal heeft meer neiging tot plooien dan dikker materiaal bij gelijke platine-afmeting. E3) rand van de band Materiaal kan aan de rand iets dunner zijn of iets andere eigenschappen hebben. Soms is een stukje van de afgesneden rand in de platine terug te zien. E4) bramen aan de platine Door bramen ligt de plooihouder niet goed aan. Om slijtage van de matrijs te beperken legt men de platine meestal met de braamzijde naar de plooihouder toegekeerd in het gereedschap.
Controleer het gereedschap waarmee de platinewordt gesneden.
E5) voor de gegeven materiaalkwaliteit is de gevraagde vervorming te groot Het proces en het materiaal zijn niet goed op elkaar afgestemd.
Maak een analyse van de bewerkingen (zie § 4). Mogelijke oplossingen zijn: - langsscheuren: kies een ander materiaal of geef een gloeibehandeling; - dwarsscheuren bij de bodemafronding: overweeg een extra trek of een vormplatine; - dwarsscheuren in de wand: let ingeval van een scheur bij een hoek extra op [B1], [B3] en [C]; gebruik eventueel een vormplatine of een extra trek. - scheuren bij strekken: overweeg een voortrek (specialistisch). Mogelijke oplossingen met betrekking tot het materiaal zijn: - tussengloeien; - bij messing: legering met lager zinkgehalte; - bij roestvast staal: legering met een hoger nikkel- of een lager koolstofgehalte; - bij vervormingsstaal: kies een hogere kwaliteit, 04 --> 05 --> 06 (zoals in NEN EN 10 130). - bij aluminium: gebruik dezelfde legering in andere (warmte)behandelde toestand.
E6) vlakte-anisotropie te grote vlakte-anisotropie leidt tot oorvorming.
Aanpassen platine. Soms kan verdraaien van de platine t.o.v. de walsrichting een gunstig effect hebben bij niet ronde producten.
42
Supplement "materialen"
tabel S.2
Een overzicht van de elasticiteitsmoduli van enkele belangrijke materialen
metaal
E (GPa)
S.1 Inleiding
ongelegeerd staal
210
In dit supplement wordt nader ingegaan op die aspecten van materialen die specifiek betrekking hebben op de in deze publicatie behandelde processen. Dit supplement kan niet als een op zichzelf staand geheel worden gezien, maar dient te worden gelezen of geraadpleegd samen met de publicatie VM 111 “Materialen”.
roestvast staal
S.2 Productmaterialen S.2.1 Mechanische eigenschappen die van be-
lang zijn voor het dieptrekken
Bij dieptrekken blijkt dat de volgende materiaaleigenschappen van belang zijn: elasticiteitsmodulus; rekgrens; treksterkte; breekrek; versteviging; anisotropie. De meeste van deze eigenschappen worden bepaald door middel van de trekproef zoals beschreven in VM 111 “Materialen”. Voor een aantal materialen zijn in tabel S.1 resultaten van een trekproef opgenomen. In deze tabel zijn tevens de resultaten van de Erichsenproef toegevoegd, alsmede de maximale dieptrekverhouding.
elasticiteitsmodulus E
De elasticiteitsmodulus is een maat voor de stijfheid (weerstand tegen elastische vervorming) van een materiaal. Bij het dieptrekken komt dit tot uitdrukking in de hoeveelheid terugvering na vervormen. Materialen met een lage elasticiteitsmodulus, zoals aluminium, vertonen meer terugvering dan bijvoorbeeld staal. De elasticiteitsmodulus wordt onder de meeste omstandigheden als een materiaalconstante beschouwd. In tabel S.2 staan de elasticiteitsmoduli van enkele belangrijke materialen; deze waarden gelden onder normale omstandigheden als een goede benadering.
- ferritisch - austenitisch
220 200
koper en -legeringen
115
aluminium en -legeringen
70
rekgrens Rp en treksterkte Rm
Als vuistregel voor de keuze van de plooihouderdruk bij dieptrekken wordt één à twee procent van Rp genomen. Volgens een andere vuistregel is de maximale kracht die bij het dieptrekken en strekken kan worden aangebracht, rechtevenredig met de dikte so van het uitgangsmateriaal en de treksterkte Rm (zie § 5.6 op bladzijde 33). Als meer dan de maximale kracht wordt aangebracht, zal de toelaatbare treksterkte in het product worden overschreden en het product scheuren tijdens de fabricage. De minimaal benodigde kracht voor blijvende vervorming is evenredig met de rekgrens Rp.
versteviging
Tijdens het vervormen van plaat neemt de vloeispanning toe. Dit wordt versteviging genoemd. Het is in wezen een sterker worden van het materiaal. De mate van versteviging wordt vastgelegd in de verstevigingsexponent n. Deze exponent wordt bepaald met de trekproef (zoals bijvoorbeeld in EN 10 130 voorgeschreven; zie ook VM 111 “Materialen”). De n-waarde is met name van belang bij strekken. Bij strekken worden de rekken bij materialen met een hoge n-waarde homogener verdeeld over het te vervormen onderdeel dan bij een lage n-waarde. Te grote lokale rekken, waardoor het materiaal scheurt of het product wegens een te grote lokale wandverdunning moet worden afgekeurd, treden bij materialen met een hoge n-waarde pas later op. Een hoge n-waarde gaat samen met een hoge gelijkmatige rek bij een trekproef. Een vuistregel is dat het materiaal met de grootste verhouding van treksterkte Rm en rekgrens Rp de grootste verstevigingsexponent n heeft (zie § 2.3.1 op bladzijde 12).
Enkele dieptrekmaterialen met in de praktijk gemeten – r- en n-waarden
tabel S.1
resultaten trekproeven volgens norm
materiaal
dikte so [mm]
Rp 0,2 [MPa]
Rm [MPa]
Ag [%]
A80 [%]
resultaten vervormingsproeven –r
dieptrekken n
βmax
(1)
strekken Erichsen indringdiepte (2) [mm]
koudgewalst vervormingsstaal Fe P03 G
(3)
Fe P05
EN 10 142
1
300
371
18
32
0,93
0,17
2,0
10,0
EN 10 130
1
169
313
24
42
1,61
0,22
2,25
11,5
roestvast staal X 5 CrNi 18 10
EU 88
0,7
300
658
44
50
1,03
0,40
2,1
12,1
X 6 Cr 17
EU 88
1
350
499
15
26
0,99
0,15
2,0
10,0
EN AW-1050 O
EN 573
1
30
79
33
44
0,90
0,27
EN AW-1050 H14
EN 573
1
119
127
2,0
4,4
--
--
EN AW-5754 O
EN 573
1
120
224
20
23
EN AW-5754 H32
EN 573
1
151
228
14
18
aluminium
(1) (2) (3) (4)
1,95
10,9
(4)
1,95
8,1
0,79
0,24
1,95
9,2
0,69
0,18
1,95
8,6
(4)
Bepaald met een gereedschap met 50 mm stempeldiameter; matrijs- en stempelafronding waren 5 mm. Erichsentest volgens DIN 50 101. Gemeten wordt de indringdiepte van een bolvormig stempel met een diameter van 20 mm in een ingeklemde proefplaat. Thermisch verzinkt. De – r-waarde en n-waarde konden door de kleine breukrek van de trekstrips niet worden bepaald.
43 anisotropie
Wanneer een materiaal in alle richtingen - lengte, breedte en dikte - dezelfde eigenschappen heeft, dan wordt dat materiaal isotroop genoemd. Is dit niet zo, dan is het materiaal anisotroop. Door de walsprocessen die ze ondergaan zijn plaatmaterialen in de praktijk meestal anisotroop. De bepaling van de anisotropiefactor r is omschreven in EN 10 130 (zie ook VM 111 “Materialen”).
normaalanisotropie (r-waarde)
Om het materiaal te karakteriseren worden vaak trekproeven uitgevoerd loodrecht, evenwijdig èn onder 45º met de walsrichting. Het gemiddelde van de normaalanisotropie wordt dan berekend met: –r =¼{r +r +2r } (zie ook tabel S.1) 0 90 45 Hoge anisotropie-coëfficiënten zijn gunstig voor dieptrekken. Voor de goed dieptrekbare vervormingsstaalsoorten (vanaf Fe P04 in EN 10 130) worden minimumwaarden van r90 verlangd. Voor Fe P04 moet r90>1,6 zijn. Materialen met matige r-waarden kunnen desalniettemin goed dieptrekbaar zijn, zoals austenitisch roestvast staal en koper. Deze materialen hebben dan vaak een hoge n-waarde en breukrek.
oorvorming (∆r-waarde)
Wanneer de anisotropie-coëfficiënten rα per hoek ten opzichte van de walsrichting verschillen, zal bij dieptrekken van bijvoorbeeld een rond product de dikteverandering van de flens niet in alle richtingen gelijk zijn en de productrand niet overal even hoog worden. Dit wordt oorvorming genoemd. Van een product met oorvorming moet de rand worden afgesneden. Een maat voor de gevoeligheid voor oorvorming is de vlakte-anisotropie ∆r=½(r0+r90–2 r45). Hoe kleiner ∆r, hoe minder de oorvorming.
S.2.2 Overige eigenschappen van belang voor
proces en product
korrelgrootte
De korrelgrootte beïnvloedt behalve de mechanische eigenschappen de mate van verruwing bij strekken (sinaasappelhuid). Deze verruwing treedt met name op aan de buitenkant van diepgetrokken producten bij de bodemafronding en bij met strekken gemaakte vormen. De verruwing kan leiden tot problemen met het uiterlijk en de corrosiebestendigheid van producten. Ook kunnen er problemen ontstaan met de hechting van deklagen, zowel met vooraf aangebrachte als met nadien op te brengen lagen. De korrelgrootte wordt aangeduid met een (ASTM)getal. Dit getal is een maat voor het aantal korrels per oppervlakte-eenheid. Hoe groter dus het getal wordt, des te kleiner is de korrel. De Erichsentest kan een hulpmiddel zijn om de (sinaasappel)ruwheid te bepalen.
oppervlaktegesteldheid
Het oppervlak (chemische samenstelling, ruwheid, hardheid) heeft invloed op de smering en op de vervuiling en slijtage van het gereedschap. Deze aspecten hebben veel invloed op het dieptrekken, zowel technisch als economisch, zodat specificatie van het oppervlak met zorg moet gebeuren. Voor de smering is een glad oppervlak gunstiger dan een ruw oppervlak (bijvoorbeeld Ra=1,5 µm). Te gladde oppervlakken (Ra<0,4 µm) zijn weer ongunstig voor de smering. De materiaalruwheid benadert in dat geval de gereedschapsruwheid. Dit kan aanleiding geven tot ‘koudlassen’ ofwel ‘vreten’. Meestal zal het verlangde productuiterlijk of -functioneren echter de doorslag geven. Materiaal dat onbekleed blijft (bijvoorbeeld roestvast staal) moet dan soms in een gladde (Ra<0,4 µm) voor smering ongunstige toestand worden verwerkt. Het plaatoppervlak kan blank zijn of bekleed. De smeereigenschappen kunnen dan echter niet met elkaar worden vergeleken. De smeereigenschappen van verzinkte staalplaat bijvoorbeeld wijken in de meeste gevallen af van die
van onbeklede staalplaat. Daarnaast kan vervuiling van het gereedschap optreden door aanladen met zink en door losse zinkdeeltjes (flaking of powdering genoemd). De wrijving bij voorgelakte plaat is in het algemeen lager dan bij blanke plaat. Soms kan bij het dieptrekken smering zelfs achterwege blijven.
afmetingen, vorm en profiel
Zo min mogelijk variatie in de dikte is belangrijk voor een constant vervormingsgedrag van een plaat. Voor band en plaat zijn dikte-toleranties vastgelegd in normen (NEN-EN 10 131 voor koudgewalst vervormingsstaal en NEN-EN 143 voor thermisch verzinkt vervormingsstaal). Onvlakheid en restspanningen kunnen een hinderlijk verschijnsel zijn. De onvlakheid kan zichtbaar zijn als golven in de lengte van de plaat in het midden of aan de randen. Als gevolg van deze afwijkingen kunnen bijvoorbeeld platines of ondiepe slappe diepgetrokken producten scheluw trekken. Soms wordt coilmateriaal voorafgaand aan het dieptrekken gericht om vlak uitgangsmateriaal te krijgen. Bedacht moet worden dat de restspanningen daarmee niet helemaal verdwijnen en nog steeds tot afwijkingen van de productvorm kunnen leiden. Belangrijkste remedie is het goed bestellen van het productmateriaal met betrekking tot bijvoorbeeld de toleranties. Verder moet men er zich van bewust zijn en accepteren dat het materiaal spreiding heeft in z'n eigenschappen. Men moet zorgen dat het vervormingsproces de toleranties aankan.
S.2.3 Voor dieptrekken geschikte materialen De zachte kwaliteiten van een groot aantal plaatmaterialen, zoals staal, roestvast staal, koper, messing, aluminium en aluminiumlegeringen kunnen worden diepgetrokken. Met zacht wordt hier bedoeld dat het materiaal niet door voorafgaande bewerkingen al een deel van het vervormingsvermogen heeft opgesoupeerd. Aan de hand van beschrijvingen en tabellen worden hierna volgend de relevante eigenschappen gegeven van veel in de praktijk toegepaste plaatmaterialen (met een dikte kleiner dan 3 mm). Voor zover mogelijk zijn deze eigenschappen overgenomen uit de diverse normen. Hierbij is zoveel mogelijk gebruik gemaakt van de Europese normen (EN). A
Ongelegeerd laag koolstofstaal, onbekleed
A1 EN 10 111 (1991) - Continu warmgewalste plaat en band van laag koolstofstaal voor koud dieptrekken of zetwerk, technische leveringsvoorwaarden (zie ook tabel S.3). De bijbehorende norm voor toleranties op vorm en afmeting is opgenomen in NEN-EN 10 051 (1998): Continu warmgewalste niet-beklede plaat en band van ongelegeerd en gelegeerd staal, toleranties op vorm en afmeting. A2 NEN-EN 10 130 (1998) - Koudgewalste platte producten van laag koolstofstaal voor koud dieptrekken of zetwerk, technische leveringsvoorwaarden (zie ook tabel S.4). De bijbehorende norm voor toleranties op vorm en afmeting is opgenomen in NEN-EN 10 131 (2002): Koudgewalste, niet-beklede platte producten van laag koolstofstaal en staal met een hoge vloeigrens voor koud dieptrekken of zetwerk, toleranties op vorm en afmeting. Deze norm heeft betrekking op materiaal in walsbreedten van meer dan 600 mm; dit heeft invloed op de vormtoleranties. De materialen genoemd in deze tabel zijn de meest toegepaste staalsoorten voor dieptrekwerk. De kwaliteiten Fe P01 en Fe P03 zijn hierbij het minst gedefinieerd en vertonen een grotere toegestane spreiding in eigenschappen. Deze materialen zijn geschikt voor eenvoudig dieptrekwerk. Voor meer gecompliceerd dieptrekwerk komen de beter gedefinieerde kwaliteiten Fe P04 en Fe P05 in aanmerking.
44 tabel S.3
Warmgewalst vervormingsstaal (zie A1)
(1)
treksterkte Rm (max.) [MPa]
toekomstige aanduiding
kwaliteit Fe P10
DD 10
Fe P11
DD 11
rek na breuk A (min.) [%]
(470)(3)
(470)(3) 440
dikte ≥ 3 mm (L0=5,65 √S0)
dikte <3 mm (L0=80 mm)
dikte ≥ 3 mm
dikte <3 mm
430
(2)
–
–
24
28
Fe P12
DD 12
400
390
27
32
Fe P13 (niet verouderend staal)
––
410
400
28
34
(1) (2) (3)
Voor koud nagewalste producten en producten met een dikte van minder dan 1,5 mm, zijn de in de tabel vermelde waarden van de mechanische eigenschappen niet van toepassing; voor zulke producten kunnen waarden bij de bestelling worden overeengekomen. Bij gebeitste producten moeten de in de tabel vermelde rekwaarden met 1 punt worden verminderd. Deze waarde is slechts bindend, indien zij nadrukkelijk bij de bestelling wordt overeengekomen.
tabel S.4
Koudgewalst vervormingsstaal (zie A2)
staalkwaliteit
definitie en toekomstige aanduiding aanduiding volgens EN 10 020
Fe P01
DC 01
(6)
Fe P03 Fe P04 Fe P05
DC 03 DC 04 DC 05
(1)
geldigheidsduur opperafwezigheid desoxidatie- van de vlaktevan methode mechanische kwalivloeilijnen eigenschappen teit
ongelegeerd overgelaten kwaliteitsaan de staal(7) producent -
A
-
B
3 maanden
ongelegeerd volledig rustig staal kwaliteitsstaal(7)
6 maanden
A
6 maanden
6 maanden
B
6 maanden
ongelegeerd volledig rustig staal kwaliteitsstaal(7)
6 maanden
A
6 maanden
6 maanden
B
6 maanden
ongelegeerd volledig rustig staal kwaliteitsstaal(7)
6 maanden
A
6 maanden
6 maanden
B
6 maanden
Re (2) [MPa]
r90 min.
n90 min.
(4); (5)
(4)
Rm [MPa]
A80 [%] min.
270/410
28
270/370
34
1,3
270/350
38
1,6
0,180
270/330
40
1,9
0,200
(3)
(8)
-/280(10) (8)
-/240 (8)
-/210 (8)
-/180
– n min. r min. – Fe P06
DC 06
gelegeerd kwaliteitsstaal(7)
volledig rustig staal
6 maanden
A
onbegrensd
6 maanden
B
onbegrensd
(4); (5)
(4)
1,8
0,220
(9)
-/180
270/350
38
(1) De mechanische eigenschappen hebben uitsluitend betrekking op nagewalste producten. (2) De waarden van de vloeigrens zijn die van de 0,2% rekgrens bij producten die geen duidelijk vloeien vertonen en de onderste vloeigrens ReL voor de andere producten. Bij een dikte ≤ 0,7 mm en > 0,5 mm wordt de maximumwaarde van de vloeigrens met 20 MPa verhoogd. Bij een dikte ≤ 0,5 mm wordt de maximumwaarde van de vloeigrens verhoogd met 40 MPa. (3) Bij een dikte ≤ 0,7 mm en > 5 mm wordt de minimumwaarde voor de rek na breuk met 2 eenheden verminderd. Bij een dikte ≤ 0,5 mm wordt de minimumwaarde voor de rek na breuk verminderd met 4 eenheden. (4) De r90- en n90-waarden of –r- of –n-waarden gelden alleen voor dikten ≤ 0,5 mm. (5) Bij een dikte > 2 mm, wordt de r90-waarde of –r-waarde verminderd met 0,2. (6) Het wordt aangeraden om producten van de staalkwaliteit Fe P01 te verwerken binnen 6 weken nadat ze beschikbaar zijn gesteld. (7) Tenzij anders wordt overeengekomen bij de bestelling, mogen de staalkwaliteiten Fe P01, Fe P03, Fe P04 en Fe P05 ook als gelegeerd staal worden geleverd (bijvoorbeeld met boor of titaan). (8) Ten behoeve van ontwerpdoeleinden kan voor de onderste vloeigrens ReL van de staalkwaliteiten Fe P01, Fe P03, Fe P04 en Fe P05 worden uitgegaan van 140 MPa. (9) Ten behoeve van ontwerpdoeleinden kan voor de onderste vloeigrens ReL van de staalkwaliteit Fe P06 worden uitgegaan van 120 MPa. (10) De bovenste vloeigrens ReH van 280 MPa voor de staalkwaliteit Fe P01 is slechts geldig gedurende 8 dagen vanaf de beschikbaarstelling van het product.
Wanneer hoge eisen aan het diepgetrokken product worden gesteld kan ook gekozen worden voor Fe P06. Met het afnemen van de spreiding in de eigenschappen van Fe P01 naar Fe P06 neemt tegelijkertijd de vervormbaarheid toe.
een hoge vloeigrens voor koudvervormen (zie ook tabel S.6). De bijbehorende norm voor toleranties op vorm en afmeting is opgenomen in NEN-EN 10 140:2006 “Koudgewalst smalband van staal - toleranties op afmetingen en vorm.
A3 NEN-EN 10 139:1997 - “Niet-bekleed koudgewalst smalband van zacht staal voor koudvervormen - Technische leveringsvoorwaarden (zie ook tabel S.5). De bijbehorende norm voor toleranties op vorm en afmeting is opgenomen in NEN-EN 10 140:2006 - “Koudgewalst smalband van staal - toleranties op afmetingen en vorm.
Het betreft hier in het bijzonder materialen met een hoge rekgrens. De vervormbaarheid van deze materialen is beperkt. Ze worden echter veelal ingezet voor mechanisch zwaar belaste onderdelen. Indien grotere vervormbaarheid bij relatief hoge sterkte wordt verlangd, kan ook fosforstaal worden gebruikt. De eigenschappen hiervan staan vermeld in norm SEW 094. Zie hiervoor VM 111 “Materialen”.
De opmerkingen bij de vorige tabel zijn ook hier van toepassing. Met het afnemen van de spreiding in de eigenschappen van Fe P21 naar Fe P24 neemt tegelijkertijd de vervormbaarheid toe. A4 NEN-EN 10 149:1996 (deel 1, 2 en 3) - “Warmgewalste platte producten gemaakt van staalsoorten met
B
Ongelegeerd laag koolstofstaal, bekleed
B1 NEN-EN 10 142 (1993) - Continu dompelverzinkte plaat en breedband van laag koolstofstaal voor koud dieptrekken of zetwerk, technische leveringsvoorwaar-
45 tabel S.5
Koudgewalst vervormingsstaal met breedte <600 mm (zie A3)
(1)
rek na breuk A (min.) [%]
(3)
Re [MPa] max.(2)
Rm [MPa]
L0=80 mm
L0=5,65 √S0
– (6) max. 410 (6) max. 410 (6) 290 - 430 390 - 540 490 - 640 590 - 740 min. 690
– 28 28 18 – – – –
– 32 32 24 – – – –
staalsoort
behandelingstoestand
aanduiding
Fe P21
koudgewalst gegloeid(5) licht nagewalst
HK TC HK HK HK HK HK HK
270 290 390 490 590 690
– – – – – – – –
TC HK HK HK HK HK
270 290 390 490 590
– 250 355 – – –
max. 370 (6) max. 370 (6) 290 - 410 390 - 510 490 - 620 min. 590
32 32 21 5 – –
35 35 25 13 – –
TC HK HK HK HK HK
270 290 390 490 590
– 225 (7) 325 – – –
max. 350 (6) max. 350 (6) 290 - 390 390 - 490 490 - 600 min. 590
36 36 23 6 – –
38 38 27 14 – –
TC HK HK HK HK HK
270 290 390 490 590
– 225 (7) 325 – – –
max. 350 (6) max. 350 (6) 290 - 390 390 - 490 490 - 590 590 - 690
36 36 23 6 – –
38 38 27 14 – –
koud nagewalst Fe P22
gegloeid(5) licht nagewalst koud nagewalst
Fe P23
gegloeid(5) licht nagewalst koud nagewalst
Fe P24 (niet verouderend)
(1)
gegloeid(5) licht nagewalst koud nagewalst
De in de tabel aangegeven waarden gelden uitsluitend voor de oppervlaktegesteldheid MA. Voor de oppervlaktegesteldheden MB en MC worden de waarden voor de rekgrens en de treksterkte verhoogd met 20 MPa, terwijl de rek na breuk met twee eenheden wordt verminderd. Bij dikten ≤ 0,7 mm zijn de waarden met 20 MPa te verhogen. Beproeving volgens NEN EN 10 002. De aangegeven minimale waarden worden met 2 eenheden verminderd bij dikten ≥ 0,5 en ≤ 0,7 mm en met 4 eenheden bij dikten <0,5 mm. Bij bestelling kan de levering van de producten in normaal gegloeide toestand (aanduiding TD) worden overeengekomen. In dit geval moeten ook de mechanische eigenschappen worden overeengekomen. Voor de behandelingstoestanden HK, TC en HK 270 mag een ondergrens van de treksterkte van 270 MPa worden vastgesteld en kan deze minimale waarde bij de bestelling worden overeengekomen. Bij dikten ≥ 1,5 mm is een maximale waarde van 235 MPa toegelaten.
(2) (3) (4) (5) (6) (7)
tabel S.6
Hoge rekgrens staal (zie A4)
aanduiding
toekomstige aanduiding
Re [MPa] min.
Rm [MPa] min.
L0=80 mm
L0=50 mm
L0=5,65 √S0
350 420 480 540 610
23 19 16 13 10
– – – – –
28 24 21 18 15
275 355 420 490 (1)
390 480 530 570
– – – –
– – – –
28 24 22 19
275 355 420
350 420 480
25 20 16
26 21 17
– – –
rek na breuk A [%] min.
Thermomechanisch behandeld warmgewalst hoge rekgrens staal Fe Fe Fe Fe Fe
E E E E E
275-TM 355-TM 420-TM 490-TM 560-TM
S S S S S
275 355 420 500 550
MC MC MC MC MC
275 355 420 490 (1) 560
Normaal gegloeid warmgewalst hoge rekgrens staal Fe Fe Fe Fe
E E E E
275-TD 355-TD 420-TD 490-TD
S S S S
260 355 420 490
NC NC NC NC
Koudgewalst hoge rekgrens staal Fe E 275-HF Fe E 355-HF Fe E 420-HF
n.b. n.b. n.b.
(1) Voor producten dikker dan 8 mm is een minimumwaarde van de vloeigrens van 480 MPa toegestaan.
den (zie ook tabel S.7). De bijbehorende norm voor toleranties op vorm en afmeting is opgenomen in NEN-EN 10 143 (1993) Plaat en band van staal bekleed met een metaal door continu dompelen, toleranties op vorm en afmeting. Deze norm heeft betrekking op materiaal in alle walsbreedten. De basis-staalkwaliteiten zijn gelijk aan de materialen zoals genoemd in NEN EN 10 130. Door het aanbrengen van de zinklaag zijn de materiaaleigenschappen echter
gewijzigd! Zie hiervoor VM 111 “Materialen”. De kwaliteit Fe P02 GZ is hierbij het minst gedefinieerd en vertoont een grotere toegestane spreiding in eigenschappen. Het materiaal is geschikt voor eenvoudig dieptrekwerk. Voor meer gecompliceerd dieptrekwerk komen de beter gedefinieerde kwaliteiten Fe P03 GZ en Fe P05 GZ in aanmerking. Wanneer hoge eisen aan het diepgetrokken product worden gesteld, kan ook worden gekozen voor Fe P06 GZ.
46 tabel S.7
Thermisch verzinkt koudgewalst vervormingsstaal (zie B1)
staalkwaliteit
toekomstige aanduiding
Re (1) [MPa] max. (2) –
tisch aanbrengen van de zinklaag blijven de materiaaleigenschappen nagenoeg ongewijzigd. Derhalve zijn dezelfde opmerkingen als bij deze norm van toepassing. De zinklaag heeft wel invloed op de smeereigenschappen en geeft aanleiding tot aanladen van het gereedschap.
Rm rek na breuk A80 [MPa] [%] (2) max. min. (3)
Fe P02 G
DX 51 D+Z
500
22
Fe P03 G
DX 52 D+Z
300 (4)
420
26
Fe P05 G
DX 53 D+Z
260
380
30
Fe P06 G
DX 54 D+Z
220
350
36
Roestvast staal
C
EN 10 088 (1995) - Corrosievaste staalsoorten, technische leveringsvoorwaarden (zie ook tabel S.9 en S.10). De bijbehorende toleranties zijn eveneens in deze norm opgenomen.
(1) De waarden voor de vloeigrens gelden bij een niet duidelijke vloeigrens voor de 0,2%-rekgrens (Rp0,2), anders voor de onderste vloeigrens (ReL). (2) Bij alle staalkwaliteiten kan met een minimum vloeigrens (Re) van 140 MPa en een minimum treksterkte (Rm) van 270 MPa worden gerekend. (3) Bij productdikten ≤ 0,7 mm (inclusief zinklaag) wordt de minimumwaarde van de rek na breuk (A80) met 2 eenheden verlaagd. (4) Deze waarde geldt slechts voor koudgewalste producten (oppervlaktegesteldheden B en C).
Alle typen moeten zacht gegloeid zijn en een nawalsbehandeling hebben ondergaan. De meeste roestvaste staalsoorten zijn goed dieptrekbaar. Wel moet rekening worden gehouden met, in verhouding tot staal, sterk oplopende proceskrachten tijdens, en grote terugvering na de vervorming. Dit wordt veroorzaakt door de hoge n-waarde. De ferritische roestvaste staalsoorten dienen bij voorkeur bij temperaturen boven 20ºC te worden verwerkt. Voor moeilijk dieptrekwerk wordt aangeraden eisen te stellen aan de korrelgrootte, bijvoorbeeld ASTM 6-10. De austenitische soorten met een hoog nikkelgehalte, bijvoorbeeld X 5 CrNi 18 10 met het nikkelgehalte aan de bovenkant van de tolerantie of X 5 CrNi 18 12, zijn beter geschikt voor extra moeilijk dieptrekwerk. Roestvast staal geeft aanleiding tot aanladen van het gereedschap. Austenitische roestvaste staalsoorten met een laag chroom en nikkelgehalte zijn niet stabiel. Bij plastische deformatie kan de structuur (gedeeltelijk) omslaan, waardoor het materiaal sterk verstevigt en enigszins magnetisch kan worden.
Met het afnemen van de spreiding in de eigenschappen van Fe P02 GZ naar Fe P06 GZ neemt tegelijkertijd de vervormbaarheid toe. De mechanische eigenschappen zijn onafhankelijk van de uitvoeringsvorm van de zinklaag (gebloemd, onderdrukte bloem, gematteerd). De zinklaag heeft invloed op de smeereigenschappen en geeft aanleiding tot aanladen van het gereedschap. B2 EN 10 152 (2003) - Elektrolytisch verzinkte gewalste platte staalproducten, technische leveringsvoorwaarden (zie ook tabel S.8). Voor de bijbehorende norm voor toleranties op vorm en afmeting wordt verwezen naar de norm behorend bij het basismetaal. De basis-staalkwaliteiten zijn gelijk aan de materialen zoals genoemd in NEN EN 10 130. Door het elektrolytabel S.8 staalkwaliteit
Elektrolytisch verzinkt koudgewalst vervormingsstaal (zie B2) toekomstige aanduiding
(1)
definitie en geldigheidsopperafwezigheid aanduiding desoxidatie- duur van de vlaktevan volgens methode mechanische kwalivloeilijnen EN 10 020 eigenschappen teit
Fe P01 ZE DC 01+ZE ongelegeerd overgelaten kwaliteits- aan de staal(7) producent -
A
-
B
3 maanden
Fe P03 ZE DC 03+ZE ongelegeerd volledig kwaliteits- rustig staal staal(7)
6 maanden
A
6 maanden
6 maanden
B
6 maanden
Fe P04 ZE DC 04+ZE ongelegeerd volledig kwaliteits- rustig staal staal(7)
6 maanden
A
6 maanden
6 maanden
B
6 maanden
Fe P05 ZE DC 05+ZE ongelegeerd volledig kwaliteits- rustig staal staal(7)
6 maanden
A
6 maanden
6 maanden
B
6 maanden
Fe P06 ZE DC 06 +ZE gelegeerd kwaliteitsstaal(7)
6 maanden
A
onbegrensd
6 maanden
B
onbegrensd
volledig rustig staal
Re (2) [MPa]
r90 min.
n90 min.
(4); (5)
(4)
Rm [MPa]
A80 [%] min.
270/410
28
270/370
34
1,3
270/350
37
1,6
0,160
270/330
39
1,9
0,190
(3)
(8)
-/280(10) (8)
-/240 (8)
-/220 (8)
-/190
– n min. r min. – (4); (5)
(4)
1,8
0,200
(9)
-/190
270/350
37
(1) De mechanische eigenschappen hebben uitsluitend betrekking op nagewalste producten. (2) De waarden van de vloeigrens zijn die van de 0,2% rekgrens bij producten die geen duidelijk vloeien vertonen en de onderste vloeigrens ReL voor de andere producten. Bij een dikte ≤ 0,7 mm en >0,5 mm wordt de maximumwaarde van de vloeigrens met 20 MPa verhoogd. Bij een dikte ≤ 0,5 mm wordt de maximumwaarde van de vloeigrens verhoogd met 40 MPa. (3) Bij een dikte ≤ 0,7 mm en >5 mm wordt de minimumwaarde voor de rek na breuk met 2 eenheden verminderd. Bij een dikte ≤ 0,5 mm wordt de minimumwaarde voor de rek na breuk verminderd met 4 eenheden. (4) De r90- en n90-waarden of –r- of –n-waarden gelden alleen voor dikten ≥ 0,5 mm. (5) Bij een dikte >2 mm, wordt de r90-waarde of –r-waarde verminderd met 0,2. (6) Het wordt aangeraden om producten van de staalkwaliteit Fe P01 ZE te verwerken binnen 6 weken nadat ze beschikbaar zijn gesteld. (7) Tenzij anders wordt overeengekomen bij de bestelling, mogen de staalkwaliteiten Fe P01 ZE, Fe P03 ZE, Fe P04 ZE en Fe P05 ZE ook als gelegeerd staal worden geleverd (bijvoorbeeld met boor of titaan). (8) Ten behoeve van ontwerpdoeleinden kan voor de onderste vloeigrens ReL van de staalkwaliteiten Fe P01 ZE, Fe P03 ZE, Fe P04 ZE en Fe P05 ZE worden uitgegaan van 140 MPa. (9) Ten behoeve van ontwerpdoeleinden kan voor de onderste vloeigrens ReL van de staalkwaliteit Fe P06 ZE worden uitgegaan van 120 MPa. (10) De bovenste vloeigrens ReH van 280 MPa voor de staalkwaliteit Fe P01 ZE is slechts geldig gedurende 8 dagen vanaf de beschikbaarstelling van het product.
47 tabel S.9
Ferritisch roestvast staal (zie C) AISI aanduiding
aanduiding X X X X X X
6 6 6 6 5 6
(1) (2) (3) (4) (5)
CrTi 12 Cr 13 CrAl 13 Cr 17 CrTi 17 CrMo 17 1
409
184 197 197 197 193 205
430 430Ti 434
Rp 0,2 [MPa] min.
Rm [MPa]
210 (4) (5) 230 230 250 230 280
390 - 590 (5) 400 - 630 400 - 630 430 - 630 420 - 620 460 - 660
bestand tegen rek na breuk A80 (2) interkristallijne corrosie (3) [%] in gelaste in lengterichting+dwars in leveringstoestand toestand 18 (5) n.g. n.g. 18 n.g. n.g. 18 n.g. n.g. 18 g. n.g. 18 g. g. 17 g. n.g.
Niet bindend voor de keuring De waarden gelden voor proefstaven met een meetlengte van 80 mm en een breedte van 20 mm. Bij keuring volgens EURONORM 114: g.=geschikt; n.g.=niet geschikt. Bij gebruik voor constructieve doeleinden kan bij de bestelling een waarde van ten minste 260 MPa worden overeengekomen. De staalsoort X 6 CrTi 12 wordt ook dikwijls in gevallen gebruikt, waarin alleen de koudvervormbaarheid een rol speelt. Daarom moet bij de bestelling worden opgegeven of de hier aangegeven mechanische eigenschappen moeten gelden.
tabel S.10
Austenitisch roestvast staal (zie C)
aanduiding X X X X X X X X X X X X X X X X X
hardheid (1) HB of HV max.
2 CrNi 18 10 2 CrNiN 18 10 5 CrNi 18 10 10 CrNi 18 9 8 CrNi 18 12 12 CrNi 17 7 6 CrNiTi 18 10 6 CrNiNb 18 10 2 CrNiMo 17 13 2 2 CrNiMoN 17 12 2 5 CrNiMo 17 12 2 6 CrNiMoTi 17 12 2 2 CrNiMo 17 13 3 2 CrNiMoN 17 13 3 5 CrNiMo 17 13 3 2 CrNiMo 18 16 4 2 CrNiMoN 17 13 5
AISI aanduiding 304L 304
321 316L 316 316Ti
Rp 0,2 [MPa] min.
Rp 1 [MPa] min.
180 270 195 195 185 215 200 205 190 280 205 210 190 280 205 195 285
215 305 230 230 220 255 235 240 225 315 240 245 225 315 240 230 315
Rm 460 560(4) 500 500 490 600 500 510 490 600(7) 510 500 490 600(7) 510 490 600(7)
- 680 - 760 - 750 - 750 - 690 - 850 - 730 - 710 - 690 - 800 - 710 - 730 - 690 - 800 - 710 - 690 - 800
bestandheid tegen rek na breuk A80 (1) kristallijne corrosie (2) [%] (min.) (in lengterichting+dwars) in de leverings- in geactiveerde toestand toestand (3) g. g. 37 g. g. – (5) g. (6) g. 35 n.g. n.g. 35 n.g. n.g. 35 n.g. n.g. 35 g. g. 35 g. g. – g. g. 35 g. g. – (5) g. g. (6) 35 g. g. 35 g. g. 35 g. g. – g. (5) g. (6) 35 g. g. – g. g. 35
(1) De waarden gelden voor proefstaven met een meetlengte van 80 mm en een breedte van 20 mm; proefstaven met een meetlengte van 50 mm en 12,5 mm breedte kunnen eveneens worden gebruikt. (2) Bij beproeving volgens EURONORM 114: g.=geschikt; n.g.=niet geschikt. (3) Wanneer bij beproeving in geactiveerde toestand het materiaal bestand is tegen interkristallijne corrosie, moet na deskundig lassen het materiaal eveneens bestand zijn tegen interkristallijne corrosie. (4) Slechts voor platte producten ≤ 20 mm dikte. Voor grotere dikten geldt een waarde van ten minste 550 MPa. (5) Slechts voor dikten ≤ 6 mm. (6) Voor deze staalsoort kan niet voor het gehele gebied van afmetingen een bestandheid tegen interkristallijne corrosie worden verwacht. Het gebied van afmetingen waarvoor een bestandheid tegen interkristallijne corrosie kan worden verwacht, hangt af van de aanwezige chemische samenstelling en de leveringsvoorwaarden, zodat hier geen exacte gegevens te vermelden zijn. (7) Slechts voor platte producten ≤ 20 mm. Voor grotere dikten geldt een waarde van ten minste 580 MPa.
D
Aluminium en aluminiumlegeringen DIN EN 485 (1994) - Aluminium und Aluminiumlegierungen: Bänder, Bleche und Platten. De bijbehorende norm voor toleranties op vorm en afmeting is opgenomen in dezelfde norm deel 3 en 4. Opmerking: DIN EN 485 vervangt DIN 1745-1. De wijzi-
ging betreft zowel materiaalcodering als materiaalkwaliteiten. De beide normen zijn dus niet geheel vergelijkbaar.
DIN EN 485 is bijzonder omvangrijk. Hierna volgt een selectie uit de norm van enkele veel toegepaste dieptrekmaterialen. Hoewel staal en aluminium beide metalen zijn, gedragen de beide metalen zich verschillend. Tijdens de verwerking dient hier terdege rekening mee te worden gehouden. Aluminium wordt in een grote variëteit van (warmtebehandelde) toestanden geleverd. Wat die toestanden precies inhouden en hoe deze worden omschreven, wordt uitgebreid toegelicht in VM 111 “Materialen”, EN 485 deel 1 (1994) en EN 573. Ook de gebruikte materiaalcodering wordt hier verklaard. Het gebruik van aluminium geeft aanleiding tot aanladen van het gereedschap.
Veel gebruikte, goed dieptrekbare aluminiumkwaliteiten zijn: - 1050A (Al99.5) - in zachte en halfharde toestand (O, H14 en H24) - (tabel S.11); - 5005 (AlMg1), 5052 (AlMg2.5), 5754 (AlMg3), 5086 (AlMg4Mn) in zachte toestand (tabel S.12 t/m S.15); - 6061 (AlMg1SiCu) in T4 toestand (tabel S.16); In principe lenen de ‘medium strength’ 3000 en 5000 legeringen in zachte toestand zich voor dieptrekken en strekken. De vervormbaarheid bij dieptrek en strekbewerkingen is ongeveer tweederde van die van vervormingsstaal. De beste resultaten worden bereikt met de 5000 legeringen met een hoger magnesiumgehalte, zoals de genoemde 5754 of 5086 legering. Vloeilijnen kunnen bij iets vervormd materiaal, zoals de vlakke bodem van een diepgetrokken bakje, echter voor problemen zorgen (zie VM 111 “Materialen”). De 6061 legering kent deze problemen niet, maar heeft een beperkte vervormbaarheid. De 1050 legering is in de zachte toestand veel beter te strekken dan in de halfharde toestand. De halfharde toestand is geschikter voor het dieptrekken van veelhoekige vormen met een vlakke bodem.
48 tabel S.11
Aluminiumlegering EN AW-1050A (Al 99,5) (zie D) dikte [mm]
toestand
van ≥ 2,5 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 ≥ 0,2 0,5 1,5 ≥ 0,2 0,5 1,5 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 ≥ 0,2 0,5 1,5
F (1) O/H111
H12
H14
H16 H18 H19 H22
H24
H26 H28
tot 150,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 4,0 0,5 1,5 3,0 0,5 1,5 3,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 4,0 0,5 1,5 3,0
Rp 0,2 [MPa] min. 20 20 20 20 65 65 65 65 85 85 85 85 100 100 100 120 120 120 130 130 130 55 55 55 55 75 75 75 75 90 90 90 110 110 110
Rm [MPa] min. 65 65 65 65 65 85 85 85 85 105 105 105 105 120 120 120 140 140 140 150 150 150 85 85 85 85 105 105 105 105 120 120 120 140 140 140
max. 95 95 95 95 125 125 125 125 145 145 145 145 160 160 160
125 125 125 125 145 145 145 145 160 160 160
rek na breuk A50 [%] min. 20 22 26 29 2 4 5 7 2 3 4 5 1 2 3 1 2 2 1 1 1 4 5 6 11 3 4 5 8 2 3 4 2 2 3
(1) Slechts ter informatie
tabel S.12
Aluminiumlegering EN AW-5005 AlMg1(B) (zie D)
toestand F (1) O/H111
H12
H14
H16
H18 H19 H22/32
H24/34
H26/36
H28/38 (1) Slechts ter informatie
dikte [mm] van ≥ 2,5 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 ≥ 0,2 0,5 1,5 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5
tot 80,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 4,0 0,5 1,5 3,0 0,5 1,5 3,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 4,0 0,5 1,5 3,0
Rp 0,2 [MPa] min. 35 35 35 35 95 95 95 95 120 120 120 120 145 145 145 145 165 165 165 185 185 185 80 80 80 80 110 110 110 110 135 135 135 135 160 160 160
min. 100 100 100 100 100 125 125 125 125 145 145 145 145 165 165 165 165 185 185 185 205 205 205 125 125 125 125 145 145 145 145 165 165 165 165 185 185 185
Rm [MPa]
max. 145 145 145 145 165 165 165 165 185 185 185 185 205 205 205 205
165 165 165 165 185 185 185 185 205 205 205 205
rek na breuk A50 [%] min. 15 19 20 22 2 2 4 5 2 2 3 4 1 2 3 3 1 2 2 1 2 2 4 5 6 8 3 4 5 6 2 3 4 4 1 2 3
49 tabel S.13
Aluminiumlegering EN AW-5052 AlMg2,5 (zie D) dikte [mm]
toestand
van ≥ 2,5 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5
F (1) O/H111
H12
H14
H16
H18 H22/32
H24/34
H26/36
H28/38
tot 80,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 4,0 0,5 1,5 3,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 4,0 0,5 1,5 3,0
Rp 0,2 [MPa] min. 60 60 60 60 150 150 150 150 170 170 170 170 200 200 200 200 230 230 230 120 120 120 120 140 140 140 140 170 170 170 170 200 200 200
Rm [MPa] min. 160 160 160 160 160 190 190 190 190 210 210 210 210 230 230 230 230 255 255 255 190 190 190 190 210 210 210 210 230 230 230 230 255 255 255
max. 200 200 200 200 230 230 230 230 250 250 250 250 270 270 270 270
230 230 230 230 250 250 250 250 270 270 270 270
rek na breuk A50 [%] min. 13 14 16 18 3 4 5 8 2 2 3 4 1 2 3 3 1 2 2 4 6 8 10 3 5 6 8 3 4 5 7 2 3 3
(1) Slechts ter informatie
tabel S.14
Aluminiumlegering EN AW-5754 AlMg3 (zie D)
toestand F (1) O/H111
H12
H14
H16
H18 H22/32
H24/34
H26/36
H28/38 (1) Slechts ter informatie
dikte [mm] van ≥ 2,5 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5
tot 80,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0
Rp 0,2 [MPa] min. 80 80 80 80 170 170 170 170 190 190 190 190 220 220 220 220 250 250 250 130 130 130 130 160 160 160 160 190 190 190 190 230 230 230
Rm [MPa] min. 190 190 190 190 190 220 220 220 220 240 240 240 240 265 265 265 265 290 290 290 220 220 220 220 240 240 240 240 265 265 265 265 290 290 290
max. 240 240 240 240 270 270 270 270 280 280 280 280 305 305 305 305
270 270 270 270 280 280 280 280 305 305 305 305
rek na breuk A50 [%] min. 12 14 16 18 4 5 6 7 3 3 4 4 2 3 3 3 1 2 2 7 8 10 11 6 6 7 8 4 4 5 6 3 3 4
50 tabel S.15 toestand F (1) O/H111
H116
(2)
H12
H14
H16
H18 H22/32
H24/34
H26/36
(1) (2)
dikte [mm] van ≥ 2,5 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0 ≥ 0,2 0,5 1,5 3,0
Rm [MPa]
Rp 0,2 [MPa] min.
tot 150,0 0,5 1,5 3,0 6,0 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 4,0 0,5 1,5 3,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 6,0 0,5 1,5 3,0 4,0
min. 240 240 240 240 240 275 275 275 275 275 275 300 300 300 300 325 325 325 325 345 345 345 275 275 275 275 300 300 300 300 325 325 325 325
100 100 100 100 195 195 200 200 200 200 240 240 240 240 270 270 270 270 290 290 290 185 185 185 185 220 220 220 220 250 250 250 250
max.
rek na breuk A50 [%] min.
310 310 310 310
11 12 13 15 8 9 3 4 5 6 2 3 3 3 1 2 2 2 1 1 1 5 6 7 8 4 5 6 7 2 3 3 3
335 335 335 335 360 360 360 360 385 385 385 385
335 335 335 335 360 360 360 360 385 385 385 385
Slechts ter informatie. Materiaal dat in deze toestand wordt geleverd, mag na beproeving volgens ASTM G 66-86 geen enkele vorm van corrosie vertonen.
tabel S.16 toestand O T4 T451 T42 T6 T651 T62
E
Aluminiumlegering EN AW-5086 AlMg4 (zie D)
Aluminiumlegering EN AW-6061 AlMg1SiCu (zie D) Rp 0,2 [MPa]
dikte [mm] van ≥ 0,4 1,5 3,0 ≥ 0,4 1,5 3,0 ≥ 0,4 1,5 3,0 ≥ 0,4 1,5 3,0
tot 1,5 3,0 6,0 1,5 3,0 6,0 1,5 3,0 6,0 1,5 3,0 6,0
min.
110 110 110 95 95 95 240 240 240
Koper en koperlegeringen DIN EN 1652 (1998-03) Bänder und Bleche aus Kupfer und Kupfer-Knetlegierungen, Eigenschaften, Technische Lieferbedingungen. De volgende materialen worden veel toegepast voor dieptrekwerk: - fosfor gedesoxideerd koper (SF-Cu), tabel S.17; - messing (CuZn30, CuZn37), tabel S.18; - brons (CuSn4), tabel S.19; - nieuwzilver (CuNi18Zn27), tabel S.20. Voor moeilijk dieptrekwerk is CuZn30 beter geschikt dan CuZn37. De aanduidingen zijn volgens DIN 17 670. Alle materialen dienen in de zacht gegloeide toestand te zijn.
S.2.4 Materiaalkeuze De materiaalkeuze wordt behandeld aan de hand van een praktijkvoorbeeld. Het product waar het om gaat is een vetkeerplaat voor een lager. De vorm is rond, licht conisch met een gat in de bodem. De maakbaarheidsanalyse wordt behandeld in hoofdstuk 6
Rm [MPa]
max. 85 85 85
min.
205 205 205 205 205 205 290 290 290
max. 150 150 150
rek na breuk A50 [%] min. 14 16 19 12 14 16 12 14 16 6 7 10
op bladzijde 35. Hier staan tevens de specificaties van de vetkeerplaat (figuur 6.2). Voor de bepaling van de juiste materiaalklasse zijn de volgende gegevens van belang: materiaalvoorschrift: staalplaat met een dikte van 1 mm. er zijn geen verhoogde mechanische eigenschappen gewenst; er is geen deklaag gewenst; geen verhoogde eisen aan de tolerantie gewenst; procesvoorschrift: dieptrekken; product: ronde, matig gecompliceerde vorm. De berekende dieptrekverhouding van het product (bij een relatieve productdiameter van 222) is 1,77. Het te kiezen materiaal moet dus onder de gegeven omstandigheden een kritische dieptrekverhouding hebben die hieraan ten minste voldoet. Figuur S.1 laat een schema zien zoals in de praktijk wordt gebruikt door een fabrikant voor een bepaald productpakket. Uit deze figuur volgt nu dat de materialen moeten worden gezocht in de norm NEN EN 10130 (tabel S.4). Zoals uit de toelichting bij tabel S.4 volgt, komen voor meer gecompliceerd dieptrekwerk de kwaliteiten Fe P04 en Fe P05 in aanmerking.
51
figuur S.1
Praktijkvoorbeeld van een stroomschema voor staalplaatkeuze
Volgens tabel S.1 heeft Fe P05 een kritische dieptrekverhouding van 2,25 bij een relatieve productdiameter van 71. Met behulp van figuur 4.3 (blz. 19) kan worden vastgesteld dat Fe P05, bij een relatieve productdiameter van 222, een lagere kritische dieptrekverhouding heeft. Deze ligt echter, zelfs bij slechte smering, nog juist boven de vereiste grens van 1,77. Een veilige keuze in het geval van de vetkeerplaat is dus Fe P05.
S.3
Gereedschapmaterialen
Bij de keuze van het gereedschapmateriaal moet rekening worden gehouden met: het aantal met het gereedschap te maken producten (slijtage); de grootte van het gereedschap. Een klein gereedschap kan bijvoorbeeld uit een hardbaar gereedschapsstaal worden gemaakt. Voor grote gereedschappen moet worden overwogen of andere materialen zoals constructiestaal of gietijzer bruikbaar zijn. Op zwaar belaste plaatsen kunnen bijvoorbeeld geharde inzetstukken worden toegepast; de hoogte van de optredende krachten; het materiaal dat met het gereedschap moet worden verwerkt.
tabel S.17
materiaal-
dikte [mm]
nummer
SW-Cu SF-Cu
2.0076 2.0090
H40 (2) F24 (1) H70 (2) F29 (1) H90 (2) F36 (1) H110 (2)
S.4
Smeermiddelen
Om het contact tussen gereedschap en productmateriaal te verminderen of te voorkomen, worden smeermiddelen toegepast. Het smeermiddel dient vooral voor het reduceren van wrijving en aanladen van het product- op het gereedschapmateriaal (koudlassen). Overigens is bij het dieptrekken een goede ‘grip’ van de stempel op het productmateriaal gunstig, zodat de smering van de stempel (of de stempelzijde van een platine) vaak beter achterwege kan blijven. Bij het kraagtrekken en het strekken is een goede smering van de stempel juist wel gunstig, omdat bij deze bewerkingen de stempel en het productmateriaal ten opzichte van elkaar verschuiven. Bij al deze processen worden in het algemeen smeermiddelen met een viscositeit tussen 30 en 300 ºcSt gebruikt. Tabel S.22 geeft voor een aantal materialen een indicatie voor het type smeermiddel dat kan worden gebruikt. Er wordt daarbij van uitgegaan dat een bij het desbetreffende productmateriaal passend gereedschapmateriaal wordt ingezet (zie § S.3 van dit supplement).
Fosfor gedesoxideerd koper (zie E)
aanduiding
F22 (1)
In de tabel S.21 zijn de meest toegepaste materialen en hun gebruikstoestand voor persgereedschappen samengevat.
.10
van 0,2 tot 5
.26
van 0,2 tot 15
.30
van 0,2 tot 10
.32
van 0,2 tot 2
Rm [MPa]
Rp 0,2 [MPa]
rek na breuk [%] A5 (min.)
A10 (min.)
Vickershardheid min.
max.
Brinell hardheid min.
max.
220 - 260
max. 140
42
36
–
–
–
–
–
–
–
–
40
70
40
65
240 - 300
min. 180
15
12
–
–
–
–
–
–
–
–
70
95
65
90
290 - 360
min. 250
6
–
–
–
–
–
–
–
–
–
90
110
85
105
min. 360
min. 320
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
110
–
105
–
SW-Cu bevat meer dan 99,90% Cu en 0,005 tot 0,014 P. SF-Cu bevat meer dan 99,90% Cu en 0,015 tot 0,040 P. (1) Bij bestelling met F-nummer wordt getest op treksterkte, 0,2%-rekgrens en breukrek. (2) Bij bestelling met H-nummer wordt getest op Vickershardheid.
52 tabel S.18
Messing (zie E)
materiaal-
dikte [mm]
aanduiding nummer CuZn30 (1)
H55
(2)
korrelgrootte [mm]
270 - 350
max. 160
50
45
–
–
–
–
–
–
–
–
55
90
55
85
–
A5 (min.) A10 (min.)
min.
max.
min.
max.
K10
.10
van 0,2 tot 5
(3)
.11
van 0,2 tot 1
(≈ 400)
(≈ 200)
45
40
–
110
–
100
max. 0,015
K20
(3)
.12
van 0,2 tot 2
(≈ 360)
(≈ 150)
50
45
–
90
–
85
0,015 - 0,030
K30
(3)
.13
van 0,2 tot 2
(≈ 340)
(≈ 130)
52
48
–
85
–
80
0,020 - 0,045
K50
(3)
.14
van 0,2 tot 2
(≈ 330)
(≈ 110)
55
50
–
75
–
75
0,35 - 0,070
F35
(1)
350 - 420
min. 200
33
30
–
–
–
–
–
H90
(2)
–
–
–
–
90
125
85
115
–
F42
(1)
420 - 520
min. 340
15
12
–
–
–
–
–
F52
.26 .30
(2)
van 0,2 tot 5 van 0,2 tot 5
(1)
H160
.32
(2)
CuZn36 CuZn37
van 0,2 tot 2
–
–
–
–
125
160
115
150
–
min. 520
min. 470
8
5
–
–
–
–
–
–
–
–
–
160
–
150
–
–
–
–
–
–
–
2.0335 2.0321
F30
(1)
.10
van 0,2 tot 5
300 - 370
H55
(2)
–
–
–
–
55
95
55
90
–
K10
(3)
.11
van 0,2 tot 1
(≈ 400)
(≈ 200)
42
38
–
110
–
100
max. 0,015
K20
(3)
.12
van 0,2 tot 2
(≈ 360)
(≈ 150)
48
43
–
90
–
85
0,015 - 0,030
K30
(3)
.13
van 0,2 tot 2
(≈ 340)
(≈ 130)
50
45
–
85
–
80
0,020 - 0,045
K50
(3)
.14
van 0,2 tot 2
(≈ 330)
(≈ 110)
52
48
–
75
–
75
0,035 - 0,70
F37
(1)
370 - 440
min. 200
28
24
–
–
–
–
–
H95
(2)
–
–
–
–
95
140
90
130
–
F44
(1)
440 - 540
min. 370
12
8
–
–
–
–
–
H140 F54 F61
.26 .30
(2)
van 0,2 tot 5 van 0,2 tot 5
(1)
H170
.32
(2)
van 0,2 tot 2
–
–
–
–
140
170
130
160
–
540 - 610
min. 490
–
–
–
–
–
–
–
(1)
H200
.34
(2)
van 0,2 tot 2
–
–
–
–
170
200
160
190
–
min. 610
min. 580
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
200
–
190
–
–
Bij bestelling met F-nummer wordt getest op treksterkte, 0,2%-rekgrens en breukrek. Bij bestelling met H-nummer wordt getest op Vickershardheid. Bij bestelling met K-nummer wordt getest op korrelgrootte.
tabel S.19
Brons (zie E)
materiaalaanduiding
nummer
CuSn4
2.1016
F33
(1)
H70
(2)
F38
(1)
H100 F47 F54
.10
van 0,1 tot 5
(2)
.26
van 0,1 tot 5
(2)
.30
van 0,1 tot 5
(2)
.32
van 0,1 tot 2
(2)
.34
van 0,1 tot 2
(1)
H170 F59
dikte [mm]
(1)
H150
(1)
H190 (1) (2)
Vickershardheid Brinell hardheid
Rp 0,2 [MPa]
2.0265
F27
H125
(1) (2) (3)
rek na breuk [%]
Rm [MPa]
Rm [MPa]
Rp 0,2 [MPa]
330 - 380 –
rek na breuk [%]
Vickershardheid
A10 (min.)
max. 190
50
45
–
–
–
–
–
–
–
70
100
65
95
380 - 470
max. 190
20
16
–
–
–
–
–
–
–
–
100
150
95
140
470 - 570
min. 440
12
9
–
–
–
–
–
–
–
–
150
180
140
170
540 - 630
min. 520
7
5
–
–
–
–
–
–
–
–
170
200
160
190
min. 590
min. 570
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
190
–
180
–
Bij bestelling met F-nummer wordt getest op treksterkte, 0,2%-rekgrens en breukrek. Bij bestelling met H-nummer wordt getest op Vickershardheid.
min.
max.
Brinell hardheid
A5 (min.)
min.
max.
53 tabel S.20
Nieuwzilver (zie E)
materiaalaanduiding
nummer
dikte [mm]
Rm [MPa]
Rp 0,2 [MPa]
van 0,1 tot 5
390 - 470 –
rek na breuk [%]
Vickershardheid min.
max.
Brinell hardheid
A5 (min.)
A10 (min.)
min.
max.
max. 280
40
35
–
–
–
–
–
–
–
90
120
85
115
470 - 540
max. 280
20
15
–
–
–
–
–
–
–
–
120
170
115
160
540 - 620
min. 440
7
–
–
–
–
–
–
–
–
–
170
200
160
190
600 - 700
min. 500
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
190
220
180
210
min. 700
min. 650
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
220
–
210
–
CuNi18Zn27 2.0742 F39 (1) H90 (2) F47 (1) H120 (2) F54 (1) H170 (2) F60 (1) H190 (2) F70 (1) H220 (2) (1) (2)
.10 .26 .30 .32 .34
van 0,1 tot 5 van 0,1 tot 2 van 0,1 tot 2 van 0,1 tot 2
Bij bestelling met F-nummer wordt getest op treksterkte, 0,2%-rekgrens en breukrek. Bij bestelling met H-nummer wordt getest op Vickershardheid.
tabel S.21 Meest toegepaste materialen voor persgereedschappen
toepassingsgebied
materiaal (Werkstoffnummer DIN 17007)
norm
hoofdlegeringsbestanddeel
licht belast gereedschap Fe 510 C of EN 10 025 C ≤ 0,2% kleine aantallen producten Fe 510 B (1.0570) Mn ≤ 1,6% goedkoop gereedschap (constructiestaal) Si ≤ 0,55% gereedschap is weinig slijtvast - toepasbaar voor ongelegeerd staal, aluminium, messing, brons -
-
leveringstoestand
eigenschappen in aanbevolen gebruikstoestand toelaatbare drukspanning [MPa]
afkoelmedium gebruikstoestand, opmerkingen of bij het speciale behandeling hardheid harden
Rm [MPa]
hardheid
ca. 350 afhankelijk van de dikte
160 (HB)
510-680
160 (HB)
–
- aanbevolen gebruikstoestand = leveringstoestand - door nitro-carboneren kunnen de glijeigenschappen worden verbeterd. Hardheid 350-400 HV - door carbonitreren en afschrikken in olie te harden tot 58-60 HR. Grote vormveranderingen
1 C 45 (1.0503) (constructiestaal)
EN 10 083 C 0,42-0,50% Mn 0,5-0,8% Si ≤ 0,40%
ca. 350 afhankelijk van de dikte
200 (HB)
630-850
200 (HB)
water
- aanbevolen gebruikstoestand = leveringstoestand - door nitro-carboneren kunnen de glijeigenschappen worden verbeterd. Hardheid 350-450 HV
1 C 60 (1.0601) (constructiestaal)
EN 10 083 C 0,57-0,65% Mn 0,6-0,9% Si ≤ 0,40%
ca. 380 afhankelijk van de dikte
240 (HB)
750-1000
240 (HB)
water
- aanbevolen gebruikstoestand = leveringstoestand - door nitro-carboneren kunnen de glijeigenschappen worden verbeterd. Hardheid 450-550 HV - het materiaal is (oppervlak)hardbaar (vlam of inductief). Hardheid na ontlaten 200-300 ºC. 52-60Rp. Dikte harde schil 1-4 mm. Grote kans op vormveranderingen tijdens harden
GG-25 (0.6025) (gietijzer)
DIN 1691
C=3,5% Si=2%
155-250
200-285 (HB)
ca. 340
200-285 (HB)
–
GGG-40 (0.7040) DIN 1693 (gietijzer)
C=3,5% Mn Si
370-390
140 (HB)
ca. 250
140 (HB)
–
GGG-70 (0.7070) DIN 1693 (gietijzer)
C=3,5% Mn Si
650-700
210-250 (HB)
ca. 380
210-250 (HB)
–
Cu Hfd Al 14,1% Fe 4,7% rest 0,51%
620-720
335 (HB)
ca. 560
335 (HB)
Cu Hfd Al Fe
690-725
375 (HB)
ca. 700
375 (HB)
licht belast gereedschap AMPCO 22 kleine aantallen producten goedkoop gereedschap gereedschap is weinig slijtvast - toepasbaar voor ongelegeerd AMPCO 25 staal, aluminium, messing, (aluminium brons) brons - speciaal geschikt voor corrosievast staal (aluminium brons)
- aanbevolen gebruikstoestand = leveringstoestand - lamellair gietijzer; ferriet en perliet afhankelijk van de dikte van het gietstuk - aanbevolen gebruikstoestand = leveringstoestand nodulair gietijzer; ferritisch taaier dan GG-25 materiaal heeft neiging tot vreten door nitro-carboneren kunnen de glijeigenschappen worden verbeterd. Hardheid 350-400 HV
-
- aanbevolen gebruikstoestand = leveringstoestand nodulair gietijzer; overwegend perlitisch brosser dan GGG-40 minder neiging tot vreten dan GGG-40 door nitro-carboneren kunnen de glijeigenschappen worden verbeterd. Hardheid 350-400 HV
-
- aanbevolen gebruikstoestand = leveringstoestand - speciaal geschikt voor corrosievast staal om contaminatiecorrosie te voorkomen - AMPCO 25 is iets brosser dan AMPCO 22 - eigenschappen in de gesmede of geperste toestand weergeven - materiaal kan ook als gietstuk worden geleverd, de mechanische eigenschappen zijn dan iets lager
54 tabel S.21 (vervolg) Meest toegepaste materialen voor persgereedschappen
toepassingsgebied
- zwaarder belaste gereedschappen - wat duurder dan boven - hogere weerstand tegen slijtage dan boven - toepassing ongelegeerd staal, aluminium, messing, brons
materiaal (Werkstoffnummer DIN 17007) 40 CrMnMoS 8 6 (1.2312) TQ+T (veredeld staal)
norm
hoofdlegeringsbestanddeel
DIN 17350 C 0,40% Mn 1,5% Cr 1,9% Mo 0,20% S 0,06%
42 CrMo 4 TQ+T NEN-EN (1.7225) 10 0 85 (veredeld staal)
leveringstoestand Rm [MPa]
hardheid
eigenschappen in aanbevolen gebruikstoestand toelaatbare drukspanning [MPa]
afkoelmedium gebruikstoestand, opmerkingen of bij het speciale behandeling hardheid harden
1200 300-340 afhankelijk (HV) van de dikte
900
300-340 (HV)
–
- aanbevolen gebruikstoestand = leveringstoestand - materiaal wordt veredeld geleverd - beperkte weerstand tegen slijtage - door nitro-carboneren is de oppervlaktehardheid te verhogen tot ca. 450-500 HV. Lang nitreren geeft problemen - door het hoge zwavelgehalte is het materiaal redelijk goed te verspanen, echter minder goed hoogglans te polijsten
C 0,38-0,45% 1200 300-340 Cr 0,9-1,2% afhankelijk (HV) Mo 0,15-0,30% van de dikte
900
300-240 (HV)
–
- aanbevolen gebruikstoestand = leveringstoestand - materiaal wordt veredeld geleverd - beperkte weerstand tegen slijtage - door nitro-carboneren is de oppervlaktehardheid te verhogen tot ca. 600 HV - het materiaal is slechter verspaanbaar dan 40 CrMnMoS 8 6, echter beter verkrijgbaar; goedkoper en beter polijstbaar
lucht
45 NiCrMo 4 (1.2767) (gelegeerd hardbaar staal)
DIN 17350 C=0,45% Ni 4,0% Cr 1,4% Mo 0,4%
–
240 (HB)
1300
50-54 (HRc)
90 MnCrV 8 (1.2842) (gelegeerd hardbaar staal)
DIN 17350 C 0,90% Mn 2,0% Cr 0,3% V 0,1%
–
210 (HB)
2550
56-62 (HRc)
olie/ - aanbevolen gebruikstoestand = gehard zoutbad - staal moet in de geharde conditie worden toegepast - staal wordt bij het harden in olie afgeschrikt; enige vervorming - heeft een beperkte weerstand tegen adhesieve slijtage, wel goed tegen abrasieve slijtage
X 155CrVMo 12 1 DIN 17350 C 1,55% (1.2379) Cr 12,0% (gelegeerd hardMo 0,8% baar staal) V 0,8% Mn 0,3% Si 0,3%
–
230 (HB)
2800-3100
60-62 (HRc)
lucht/ - aanbevolen gebruikstoestand = gehard olie/ - staal moet in de geharde conditie zoutbad worden toegepast - staal wordt bij het harden in lucht afgeschrikt; zéér geringe vervorming door het harden - heeft een goede weerstand tegen adhesieve slijtage - weerstand tegen adhesieve slijtage kan door nitreren worden verhoogd. Oppervlaktehardheid 1200 HV
- als boven, echter speciaal geschikt voor corrosievast staal
X 155CrVMo 12 1 DIN 17350 C 1,55% (1.2379) Cr 12,0% (gelegeerd hardMo 0,8% baar staal) V 0,8% Mn 0,3% Si 0,3%
–
230 (HB)
2800-3100
60-62 (HRc)
lucht/ - aanbevolen gebruikstoestand = gehard olie/ - om contaminatiecorrosie te voorkomen, zoutbad moet het geharde staal nog een behandeling ondergaan, die bestaat uit: . of nitreren; dit geeft enigszins een bescherming tegen contaminatiecorrosie . of het gereedschap voorzien van een PVD laag van TiN. Dit geeft een zeer goede bescherming tegen contaminatiecorrosie
- zeer zwaar belast gereedschap - zeer grote aantallen producten - kleine producten - zeer duur gereedschap - zeer goede weerstand tegen slijtage - toepasbaar voor ongelegeerd en gelegeerd staal (incl. corrosievast staal), aluminium, messing, brons
hard metaal Co15-C
Co 15% WC rest
3600
1050 (HV)
–
hard metaal Co15-M
Co 15% WC rest
4100
1200 (HV)
–
hard metaal Co15-FH
Co 12% WC rest
4600
1300 (HV)
–
- zwaar belast gereedschap - grote weerstand tegen slijtage - groot aantal te produceren producten - gereedschap wordt duurder - toepasbaar voor ongelegeerd staal, aluminium, messing, brons
- aanbevolen gebruikstoestand = gehard - staal moet in de geharde (of veredelde) conditie worden toegepast - materiaal is luchthardend, daardoor weinig vervormingen tijdens het harden - beperkte weerstand tegen slijtage - door de starheid geschikt voor slag- en stootbelasting
- aanbevolen gebruikstoestand = leveringstoestand - van boven naar beneden toenemende prijs en weerstand tegen slijtage - indien hardmetaal voor het eerst wordt toegepast, dan wordt aangeraden dit in overleg met de hardmetaalleverancier te doen - hardmetalen met een grotere weerstand tegen slijtage zijn mogelijk, deze zijn echter brosser dan de hier genoemde
55 tabel S.22
Indicatie voor de keuze van smeermiddelen. De viscositeitsaanduiding in deze tabel hebben uitsluitend betrekking op olie. Verder worden andere toepasbare smeermiddelen genoemd viscositeit in relatie tot het proces
productmateriaal
L
L; M
M; Z
Z
1; 2 E
2; 3 E
3; 4 V; P
3; 4; 5 V; P
1 E
2; 3 E
3; 4
3; 4; 5
aluminium en -legeringen
1 E; F
2 E; F
2; 3 E
4
roestvast staal 304
1; 2 E; F
2 E; F
3 F
4; 5 F
roestvast staal 430
1; 2 E; F
2; 3 E; F
3; 4 F
3; 4; 5 F
koper en -legeringen
1; 2 E
1; 2; 3 E
3 E
3; 4
staal verzinkt staal
procesindeling: L = licht M = middel Z = zwaar
viscositeit dieptreksmeermiddelen: 1 < 30 2 30 - 70 3 70 - 130 4 130 - 350 5 > 350
F = folie E = emulsie (olie in water) V = vetten P = pasta's
opmerkingen/beperkingen
emulsies zonder S, Si en P; voorzichtig in verband met snel optreden van witte vlekken bij onderling contact van de producten; pH ≤ 8,8. bij folie mag ook emulsie worden gebruikt; bij emulsie moet de pH-waarde ≤ 9,0 zijn, zonder S, Si en P. gebruik bij folie, ook vette, grof disperse emulsies of oliën, enz. zonder S. als roestvast staal 304. oliën of emulsies zonder S, Si en P. S = actieve zwavelverbindingen Si = inactieve zwavel P = fosforkoolwaterstoffen
56
Supplement "machines en gereedschappen" M.1 Inleiding In dit supplement wordt nader ingegaan op die aspecten van machines en gereedschappen die specifiek betrekking hebben op de in deze publicatie behandelde processen. Dit supplement kan niet als een op zichzelf staand geheel worden gezien, maar dient te worden gelezen of geraadpleegd samen met de publicatie VM 112 “Machines en gereedschappen”.
M.2 Machines Een pers bestaat in zijn meest elementaire vorm uit een frame, een persbed, een beweegbare stoter die wordt geleid in het frame en een aandrijving die de stoter beweegt. De pers moet de gevraagde perskracht (§ 5.6) kunnen leveren en de grootte van het persbed, de inbouwhoogte en de toegankelijkheid van de werkruimte moeten voldoende zijn. Het type aandrijving, het aantal bewegingen van de pers, naast die van de stoter, alsmede de stijfheid van het frame en de stotergeleiding vragen speciale aandacht.
aandrijving
Gelet op de mogelijke slag, komt voor diepe producten met name een hydraulische pers in aanmerking (zie tabel M.1). De snelheid is echter relatief gering. Voor kleine producten die in grote aantallen worden gemaakt, komt alleen een mechanische pers in aanmerking. Uit overwegingen van automatiseringsgemak worden in de automobielsector nog vaak mechanische persen gebruikt. Een voor het dieptrekproces wezenlijk verschil tussen mechanische en hydraulische persen is, dat met een hydraulische pers de bewegingen van de stoter wat minder stoterig zijn. Daardoor is de opbouw van de kracht geleidelijker (kleinere dynamische belasting) en zijn er minder pieken in de wrijving tussen het product- en gereedschapmateriaal bij het starten en stoppen.
aantal bewegingen van de pers
Bij het dieptreken moet meestal niet alleen de stempel of de matrijs worden bekrachtigd, maar ook de plooihouder, tegenhouder of uitwerper. Bij voorkeur dient dat door de pers te gebeuren. Kenmerkend voor dieptrekpersen is dan ook dat ze meestal meer bewegingen hebben, naast die van de stoter. Persen worden naar hun aantal onafhankelijke bewegingen enkelvoudig, tweevoudig of drievoudig werkend genoemd. Figuur M.1 toont twee verschillende tweevoudig werkende en een drievoudig werkende pers.
tabel M.1
Indicatie van maximale waarden en afmetingen van pneumatisch, mechanisch en hydraulisch aangedreven persen en hun stijfheid
type
pneumatisch mechanisch
kracht slagen/minuut (1) slag in mm stijfheid in slagrichting geschikt voor dieptrekken
500 kN 30 400 –
G
30.000 kN 1200-2000 400 ++ –/+
hydraulisch 200.000 kN 100 1200
G ++
– = matig; G = redelijk; + = goed; ++ = zeer goed. (1) niet bij de maximale slag of kracht.
De pers van figuur M.1a heeft een trekkussen onder het persbed. Dat is een tafel bovenop een hydraulische cilinder. Bij een kleine pers kan dit ook een luchtcilinder zijn. Dit trekkussen bekrachtigt via de trekkussenpennen de plooihouder. De pers van figuur M.1b bekrachtigt de plooihouder met een tweede stoter. Persen met een dubbele stoter zijn van oudsher vooral voor de automobielindustrie bedoeld. Op deze wijze kan met mechanische persen de hoge plooihouderkracht worden gerealiseerd, die voor het persen van carrosseriedelen nodig is. Bij benadering is bij het dieptrekken van grote producten de plooihouderkracht circa een derde van de perskracht. Bij strekken kan de plooihouderkracht zelfs groter zijn dan de perskracht. Merk op dat de plaats van de plooihouderbekrachtiging bepaalt of een product naar beneden of naar boven wordt getrokken (zie figuur M.1). Met de drievoudige werkende pers van figuur M.1c is het mogelijk om een eerste en een omkeertrek in één bewerking uit te voeren. Het trekkussen kan ook als uitwerper of tegenhouder worden gebruikt. N.B.: In sommige publicaties wordt het trekkussen niet als
een aparte beweging meegeteld. Het type pers van bijvoorbeeld figuur M.1a wordt dan in dat geval een enkelvoudig werkende pers met een trekkussen genoemd.
Bij dieptrekken moet om het product uit het gereedschap te kunnen halen, de ruimte tussen matrijs en stempel minimaal gelijk zijn aan de producthoogte. Derhalve moet de inbouwhoogte, de maximale ruimte tussen stoter en persbed, afhankelijk van de gereedschapsuitvoering, minimaal driemaal de producthoogte bedragen. De werkslag van de stoter moet minstens tweemaal en de slag van het trekkussen iets meer dan eenmaal de producthoogte zijn.
figuur M.1 Tweevoudig werkende pers met trekkussen/onderliggende plooihouder (a) en met dubbele stoter (b) alsmede een drievoudig werkende pers met trekkussen en bovenliggende plooihouder (c)
57 stijfheid
De belasting bij dieptrekken is veel minder stotend dan bij ponsen. De eisen aan de stijfheid van het persframe zijn bij dieptrekken matig tot laag (zie VM 112 “Machines en gereedschappen”). Wel is het van belang dat het scheef gaan staan van de stoter door het vervormen van frame en stotergeleiding tijdens het persen er niet toe leidt dat de plooihouderdruk dusdanig varieert dat het product aan een kant gaat plooien of zelfs scheef getrokken wordt. Stoter en persbed zelf moeten wel goed stijf zijn om doorbuigen van het gereedschap zelf tegen te gaan. Deze doorbuiging leidt ook tot scheeftrekken.
M.3 Gereedschappen In principe is een dieptrekgereedschap opgebouwd uit vormdelen en standaarddelen. De vormdelen bepalen de vorm van het product. Vormdelen zijn de matrijs met plooihouder en de stempel met eventuele tegenhouder (zie figuur M.2). De standaarddelen zijn bijvoorbeeld de kop- en bodemplaat, geleidingen, pennen en veren. Deze hangen niet van de productvorm af en worden bij voorkeur kant en klaar ingekocht.
figuur M.3 Gereedschap zonder plooihouder en geleiding; product wordt van de stempel afgestroopt tegen de matrijs
In de figuren M.3 t/m M.10 is een aantal voorbeelden van dieptrekgereedschappen afgebeeld, van eenvoudig tot complex [lit.4].
figuur M.2 Vormdelen van een dieptrekgereedschap
figuur M.4 Gereedschap zonder plooihouder met veerbekrachtigde uitwerper
vormdelen
De keuze van het materiaal waaruit de vormdelen worden gemaakt, bepaalt in hoge mate de slijtage van die vormdelen en de wrijving die optreedt bij dieptrekken. Een overzicht van gereedschapmaterialen voor de vormdelen wordt in het supplement “Materialen” van deze publicatie gegeven. Voor grote producten wordt vaak op kritische plaatsen (bijvoorbeeld de matrijsafronding) met inzetstukken van slijtvaste, maar meestal moeilijk bewerkbare, materialen gewerkt. De vormdelen bepalen veelal voor meer dan de helft de kosten van het gereedschap: dit zijn vooral de kosten voor het verspanen en het nauwkeurig op maat brengen. Kleine gereedschappen worden overigens vaak uit (dikke) plaat verspaand, grote gereedschappen (automobielindustrie) gegoten.
plooihouder
Bij ondiepe ronde producten met een verhouding van stempeldiameter en plaatdikte kleiner dan 25 à 30 (bij roestvast staal <20) kan een plooihouder achterwege blijven (zie figuur M.3). Is een plooihouder wel nodig, dan kan deze worden bekrachtigd door middel van stalen, kunststof- of gasveren in het gereedschap (zie figuur M.6 en M.9). Een nadeel van veren is, dat de grootte en het verloop van de plooihouderkracht tijdens de slag niet kan worden gestuurd. De plooihouder kan ook uitwendig worden bekrachtigd bijvoorbeeld met een trekkussen (zie figuur M.1a, alsmede figuren M.7, M.8 en M.10) of een tweede stoter (zie figuur M.1b). Ingeval van een hydraulische bekrachtiging met een moderne besturing, is het mogelijk het verloop van de plooihouderkracht tijdens de slag in te stellen. Ingeval van een lange slag is een uitwendige bekrachtiging sowieso
figuur M.5 Gereedschap met starre plooihouder (met vaste afstand tot de matrijs). Het product wordt aan de onderzijde van het gereedschap uitgenomen
58 noodzakelijk. Bij een mechanische pers of bij een hydraulische pers (in het geval dat de gewenste plooihouderkracht gering is ten opzichte van de kracht die de pers kan leveren, waardoor de krachtinstelling onnauwkeurig is), wordt ook wel met een constante afstand tussen de plooihouder en de matrijs gewerkt (starre plooihouder, zie figuur M.5).
uitnemen van het product
Is de werkslag van de machine voltooid, dan kan door de teruggaande beweging van de stempel het product door middel van de onderzijde van de matrijs worden afgestroopt. Hierbij gaat men uit van het feit dat het product aan de onderzijde van het gereedschap kan worden uitgenomen. Ingeval van een product met flens kan het product alleen worden afgestroopt met de plooihouder en moet aan de bovenzijde worden uitgenomen. Afstropen gebeurt alleen als het product klem om de stempel zit (afhankelijk van de vorm van het product).
figuur M.6 Gereedschap met plooihouder met veren; met uitwendige geleiding figuur M.9 Omtrekgereedschap met uitwerper; zonder plooihouder (links) en met (rechts)
figuur M.7 Gereedschap met plooihouder op een trekkussen, alsmede met uitwerper
figuur M.10 Gereedschap met plooihouder op trekkussen, met tegenhouder en geleiding voor dieptrekken van een vierkant product met een gestrekte vorm (reliëf) in de bodem
Om te voorkomen dat opgesloten lucht tussen stempel en product wordt gecomprimeerd en het product ongewild vervormt of dat juist vacuüm tussen stempel en product het uitnemen van het product verhindert, dient er in de stempel een ontluchtingskanaal aanwezig te zijn. Deze zijn in de figuren M.3 t/m M.10 te zien.
figuur M.8 Volgtrekgereedschap met plooihouder op een trekkussen, alsmede met een uitwerpen
Conische producten blijven na het persen meestal in de matrijs liggen. Deze moeten dan worden uitgeworpen. Door het smeermiddel en door vacuüm kan het voorkomen een conisch product toch aan de stempel blijft kleven.
59 geleiding
De slag bij dieptrekken is groot, minstens tweemaal de producthoogte. Bij grote gereedschappen wordt de bovenhelft van de gereedschappen dan uit de geleiding getild. De geleiding van de pers moet zodanig goed zijn, dat de geleiding van het gereedschap niet beschadigt als het gereedschap voor een volgende slag weer sluit. Gereedschappen voor eenvoudige (kleine) producten worden ook wel zonder geleiding uitgevoerd. Wel moet dan het afstellen onder de pers met zorg gebeuren.
volggereedschappen
Een volggereedschap is een gereedschap waarmee op verschillende stations opeenvolgende bewerkingen worden uitgevoerd. Voor het transport tussen de stations laat men de tussenproducten vastzitten aan de strook uitgangsmateriaal (zie figuur M.11). De strook wordt na iedere slag van de pers een station opgeschoven. Tijdens de bewerkingen buigen de bandjes. Minstens vier bandjes zijn nodig voor een stabiele doorvoer van het product. Extra gaten zijn aangebracht voor de positionering van de band. Vooral bij kleine producten die in grote aantallen worden geproduceerd (zie § 6.4), wordt deze techniek toegepast. Bij grotere producten en voor middelgrote aantallen wordt voor het transport van de producten vaak gebruikgemaakt van een transferpers. Deze is uitgerust met een tangenmechanisme dat het product van positie naar positie verplaatst (zie VM 112 “Machines en gereedschappen”).
figuur M.11
Strook van producten in band
60
Trefwoorden Anisotropie normaal vlakte basisvorm, dieptrekken kraagtrekken strekken buigsegment defect dieptrekken dieptrekkracht dieptrekverhouding duntrekken falen gereedschap -materialen grensvervormingskromme hoekplatine hoeksegment met rekzone met stuikzone kalibreren kraaghoogte kraagtrekken maakbaarheid conische producten niet ronde kragen niet ronde producten met rekzones niet ronde producten zonder rekzones rillen ronde kragen ronde producten ronde verdieping matrijsafronding methodeplan omkeertrekken oorvorming perskracht platinegrootte platinevorm plooien primaire secundaire plooihouder plooihouderdruk productoppervlak rek maatware rekgrens rekwegdiagram scheuren bodemwandsmering smeermiddel(en) stempelafronding strekken stulptrekken tegenhouder terugveren trekkussen trekril trekschema trekspleet treksterkte uitstraling uitwerper versteviging volgtrekken producten met flens vormplatine wrijving
blz. 12, 14, 44 12, 42, 44 7, 16-19, 21, 26, 27, 35-37 16, 17, 26, 35 16, 18, 26 16, 18 16-18, 21, 24, 26, 33 19, 32, 41 8-12, 16-19,21, 22, 25-27, 29, 30, 32, 33, 35-37, 39-41, 43, 44, 46, 48, 51, 52, 57-60 11-14, 21, 32, 33 10-12, 19, 20, 22, 27, 29, 30, 32, 33, 35, 37-39, 43, 51, 52 9, 26, 32 19, 32 7, 8, 11, 12, 15, 20, 22, 26, 29, 30, 33, 36, 37, 39-44, 47, 48, 52, 54, 55, 57-60 7, 52, 57, 58 10 22, 23, 30, 31, 36 16, 18, 24, 25, 26, 32, 36, 37 16, 18, 21, 23, 24, 27, 31, 36 26, 37, 39 14, 25-27 8, 9, 13, 16, 18, 19, 24-27, 29, 32, 36, 52 7, 16, 19, 21, 22, 25-27, 29, 30, 35, 37 20 26 26 24, 30 27, 28 25 19 27 9, 11, 13, 21-23, 25, 27-29, 31, 32, 36, 38, 40-42, 58 29 9, 15, 35 12, 29, 44, 42, 44 19, 29, 33, 57 12, 16, 19, 29, 31 16, 19, 21, 22, 24, 29, 30, 37 8, 11, 13, 19, 21, 27, 29, 33, 35, 40, 41, 58 11, 32, 40 11, 13, 14, 15, 21, 30, 33, 40 8, 11, 13, 15, 21, 27, 32, 33, 40-42, 57-59 11, 13, 16, 19, 21-23, 29, 30, 33, 41-43, 58 14, 29, 35, 37 10 10 12, 32, 33, 43, 45-47, 52-54 10, 11, 13 10, 12, 14, 21, 24, 27-29, 32, 33, 41-43 12, 21, 22 21 12, 19, 27, 33, 35, 36, 41, 42, 44, 52 22, 23, 25, 37, 52, 56, 59 12, 13, 19, 23, 25, 27. 29, 32, 35, 36, 38, 41, 43 8, 11, 14, 16, 18, 19, 27, 29, 30, 34, 36, 42-44, 48, 52, 57 15 8, 26, 57-59 33 41, 42, 57-59 11, 15, 21, 27, 30, 32, 33, 40-42 29, 30, 32, 37, 38 10, 11, 14, 19-21, 26, 29, 32, 38, 40-42 12, 33, 43, 45-47, 52-54 27 8, 57-59 12-14, 26, 43 9, 12, 14, 15, 19, 20, 29, 30, 32, 35, 37 29, 30, 37 22-25, 27, 30-33, 36, 37, 42 18, 19, 27, 28, 33, 41, 42, 44, 52, 57, 58
61
Literatuur [1] TNO Metaalinstituut: Technologie voor het dieptrekken, Metaalbewerking, vol 42, no.6, pp. 134 - 138 en no.19, pp. 405 - 409, 1976. [2] Romanowski, W.P.: Handboek voor de moderne stanstechniek, Kluwer, Deventer, 1966. [3] Lange, K.: Lehrbuch der Umformtechnik, Band 3 Blechumformung, Springer-Verlag, Berlin, 1990. [4] VDI 3377, Einfließwulste und Ziehstäbe in Stanzerei-Großwerkzeugen, VDI-Verlag, Düsseldorf. [5] Press working data book, Nikkan Kogyo Shinbunsha, 1979 [6] Oehler, G.; Kaiser, F.: Schnitt-, Stanz-, und Ziehwerkzeuge, Springer Verlag, Berlin, (8e druk) 1993. [7] Metals Handbook - Volume 14 - Forming and Forging, ASM, Ohio (in Nederland verkrijgbaar via de Bond voor Materialenkennis, Zwijndrecht). [8] Tool and manufacturings engineers handbook volume II forming, SME, Dearborn, Michigan, 1984, 4th ed. [9] Radtke, H.: 1982 Werkstattblat 837, Tiefziehen - Teil 1, Technik-Tabellen Verlag Fikentscher & Co., Darmstadt. [10] Radtke, H.: Werkstattblat 843, Tiefziehen - Teil 2 Grundlagen der Werkzeug-ausliegung und Pressenauswahl, Technik-Tabellen Verlag Fikentscher & Co., Darmstadt, 1982. [11] Radtke, H.: Werkstattblat 529, Stülpziehen, Carl Hanser Verlag, München, 1970. [12] Pearce, R.: Sheet, Metal forming, Adam Hilger, Bristol, 1991. [13] Hosford, W.M.; Caddell, R.M.: Metal forming mechanics and metallurgy, Prentice-Hall International Inc., 1983. [14] Ramaekers, J.A.H.; Houtackers, L.J.A.; Peeters, P.B.G.: Plastisch bewerken van metalen, OMTEC, Mierlo, 1987. [15] Ramaekers, J.A.H.; Kessels, M.W.H.: IOP-M "Dieptrekken", Deel 1: Een plastisch model voor het dieptrekproces; IOP-M-D-110, WPA rapport no. 1572, TU Eindhoven, 1993 [16] Zande, J.W.I. van der; Kessels, M.W.H.; Ramaekers, J.A.H.; Streefland, G.J.J.: IOP-M "Dieptrekken", Deel 2: Een systematische maakbaarheidsanalyse, IOP-M-D-047, WPA rapport no. 1427, TU Eindhoven, 1992 [17] Bolt, P.J.; Gouw, H.v.d.: IOP-Metalen "Dieptrekken" B1- omvormexperimenten, TNO rapport 93P/00536/BOP, 1993 [18] VM 111: Materialen (vormgeven van dunne metaalplaat); FME, Zoetermeer. [19] VM 112: Machines en gereedschappen (vormgeven van dunne metaalplaat); FME, Zoetermeer. [20] Kennis der metalen, deel I en II, Korevaar, B.M. e.a., DUM, 1991
