W procesach ciągnienia, czyli wytłaczania i przetłaczania, wytłoczkę uzyskuje się poprzez odwzorowanie jej kształtu z blachy za pomocą stempla i matrycy. Zazwyczaj płaska blacha zostaje przekształconą w wytłoczkę o żądanych wymiarach. W czasie wytłaczania w odkształconej części walcowej panuje stan jednoosiowego naprężenia rozciągającego, natomiast w dnie wytłoczki dwuosiowe naprężenie rozciągające. W kołnierzu występują promieniowe naprężenia rozciągające i obwodowe naprężenia ściskające.
Podczas procesu tłoczenia materiał doznaje odkształceń plastycznych. Odkształcenia te nie mogą osiągnąć dowolnie dużych wartości, bowiem występują wtedy zjawiska ograniczające takie jak: utrata stateczności blachy, pękanie, fałdowanie, zmniejszenie grubości ścianki itp. Zjawiska te zakłócają prawidłowy proces kształtowania oraz stanowią granice odkształceń, jakim podlegać może materiał i wyznaczają praktyczne możliwości tłoczenia blachy w danym procesie. Wprowadzimy pojęcie tłoczności blachy - jest to jej zdolność do plastycznego kształtowania, która nie powoduje powstania wad wytłoczek. Jako wadę wytłoczki uznaje się takie odstępstwo od zadanych warunków geometrycznych i wytrzymałościowych, że wytłoczka nie może być użyta do zadań, do których była pierwotnie zaprojektowana. Na etapie opracowywania procesu technologicznego wytłoczki bardzo ważnym zagadnieniem jest określenie tłoczności blachy. Na tej podstawie można określić pewność operacji tłoczenia dla naprężeń danej wytłoczki, a co za tym idzie wyeliminować możliwość występowania braków. Tłoczność można określić za pomocą tradycyjnych metod technologicznych takich jak próba Erichsena, KWI czy Fukui, lub nowoczesnych metod bazujących na koncepcji krzywych odkształceń/naprężeń granicznych (wyznaczonych doświadczalnie lub teoretycznie).
ZJAWISKA OGRANICZAJĄCE PROCESY TŁOCZENIA
Podczas procesu tłoczenia mogą wystąpić następujące zjawiska ograniczające plastyczne kształtowanie wytłoczki:
• Lokalizacja odkształceń w postaci bruzdy widocznej na powierzchni blachy, pro-wadząca do pęknięcia w miejscu przewężenia.
• Pęknięcie materiału, będącego w stanie sprężystym po procesie tłoczenia (na sku-tek naprężeń własnych).
• Pęknięcie blachy przez ścięcie w warstwie ścinania (bez wcześniejszego powstania bruzdy).
• Niepożądany przebieg odkształcania, objawiający się fałdowaniem kołnierza i niepodpartych obszarów wytłoczki oraz powstawaniem uch.
• Szybkie zużycie narzędzi, spowodowane nadmiernym naciskiem wywieranym na ich powierzchnie robocze (np. pękanie stempli).
• Określone wady powierzchni wytłoczki (rysy, zatarcia itp.).
Każde z wymienionych zjawisk ograniczających może stanowić określone kryterium tłoczności blachy.
CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA PROCES TŁOCZENIA
Istnieje wiele czynników wpływających w sposób istotny na proces tłoczenia blach, można je podzielić na dwie grupy: czynniki zależne od materiału blachy tłoczonej, czynniki zależne od rodzaju narzędzi i przyrządów do tłoczenia. Ważnymi parametrami materiałowymi materiału blachy tłoczonej są wykładnik krzywej umocnienia (n) i współczynnik anizotropii normalnej (r). Również tarcie występujące pomiędzy blachą a narzędziami do tłoczenia odgrywa ważną rolę i ma wpływ na otrzymywanie wytłoczek bez wad.
Najważniejsze cechy materiału blachy, mające znaczący wpływ na przebieg procesu tłoczenia:
1. Wartość naprężenia uplastyczniającego, która ma wpływ na wielkości sił występujących w czasie tłoczenia (naciski na powierzchnie robocze narzędzi),
2. Umocnienie materiału blachy zależne od wielkości odkształcenia plastycznego,
3. Czułość naprężenia uplastyczniającego na prędkość odkształcania,
4. Skłonność do starzenia dyslokacyjnego,
5. Wartość jednostkowej energii odkształcenia sprężystego,
6. Skłonność blachy do plastycznego pękania,
7. Anizotropia normalna blachy,
8. Anizotropia płaska,
9. Skłonność do narostów i zatarć,
10. Wskaźnik kierunkowości zanieczyszczeń.
Każda z wymienionych cech materiałowych blachy tłoczonej ma wpływ na prze-bieg kształtowania wytłoczki i niebezpieczeństwo pojawienia się niepożądanych zjawisk, prowadzących w ostateczności do powstania określonych wad wytłoczek. Wpływ każdej z wymienionych cech materiałowych blachy na występowanie zjawisk ograniczających nie jest prosty ani jednoznaczny do określenia, zależy to bowiem od rodzaju zjawiska, które w danym procesie tłoczenia powoduje powstawanie określonych wad.
WYKRESY ODKSZTAŁCEŃ GRANICZNYCH
Tłoczność blach jest złożonym zagadnieniem, które może być definiowane poprzez różne kryteria. Najczęściej praktycznie stosowanym takim kryterium są wykresy odkształceń granicznych (WOG). Mogą one być wyznaczane doświadczalnie lub teoretycznie. Miarą odkształceń granicznych w wytłoczce jest pojawienie się lokalizacji odkształcenia w postaci bruzdy, poprzedzające najczęściej bezpośrednio sam moment pękania. Moment pojawienia się lokalizacji odkształcenia określa się mianem utraty statyczności. Graniczne odkształcenie blachy z uwagi na omówione zjawiska ograniczające zależy od stosunku odkształceń głównych ε2/ε1. Można je przedstawić na wykresie od-kształceń granicznych, sporządzonym we współrzędnych ε1-ε2 . Graniczne odkształcenie blachy w obszarach leżących poza bruzdą przedstawia linia ABCDEF. Jak wynika z tego wykresu, najmniejsza wartość odkształcenia granicznego występuje w warunkach zbliżonych do odkształcenia płaskiego (ε1=0), co odpowiada punktowi C na tym wykresie. Rzędna punktu C wynosi w przybliżeniu: ε2c=εgr ~ n-ε0. Gdzie n jest wykładnikiem umocnienia, a ε0-odkształceniem wstępnym. Graniczne odkształcenie blachy poza warstwą ścinania reprezentuje krzywa S-S. Biorąc pod uwagę obie wymienione formy lokalizacji odkształceń, zakres odkształceń dopuszczalnych jest ograniczony linią SBCDEF. Nosi ona nazwę krzywej odkształceń granicznych. Odnosi się do odkształcenia proporcjonalnego (gdy ε2/ε1= const). Zakres odkształceń zagrożonych powstawaniem fałdowania zaznaczono na wykresie. W za-kresie tym należy, zatem stosować środki zabezpieczające przed fałdowaniem (np. dociskacz).
Znajomość wykresu odkształceń granicznych dla określonego gatunku blachy po-zwala ocenić niebezpieczeństwo powstania bruzdy, ścięcia lub fałdowania. W tym celu należy na wykres nanieść punkty reprezentujące stany odkształcenia różnych obszarów wytłoczki. W fazie projektowania procesów tłoczenia nie znamy wartości tych odkształceń, bo nie możemy ich zmierzyć doświadczalnie. Możemy je jednak wyznaczyć za pomocą obliczeń komputerowych. W miejscach, gdzie pole tych od-kształceń wykracza poza krzywą odkształceń granicznych możemy oczekiwać wystąpienia określonej wady wytłoczki, a więc pęknięcia w bruździe, ścięcia lub fałdowania. Aby zachować pewien zapas bezpieczeństwa granica obszaru odkształceń w żadnym miejscu nie powinna się nadmiernie zbliżać do krzywej odkształceń granicznych. Za pomocą WOG można przewidzieć, jakie wartości przyjmą odkształcenia ε1, ε2 w wytłoczce i wówczas położenie danego punktu o współrzędnych (ε1, ε2) względem tego wykresu wskaże, czy wytłoczkę można wykonać czy też nie. Takie porównanie odkształceń zmierzonych w wykonanej wytłoczce lub też określonych teoretycznie z WOG umożliwia określenie stopnia wytężenia materiału wytłoczki, tj. uzyskuje się dane o pewności operacji tłoczenia.
Do wyznaczania odkształceń głównych w projektowanej wytłoczce wykorzystywana jest metoda elementów skończonych (MES). Do poprawnego działania tej metody potrzebne są odpowiednie dane materiałowe dotyczące tłoczonej blachy oraz geometryczne warunki brzegowe wynikające z przyjętego sposobu tłoczenia.
Zastosowanie MES uzupełnionej kryterium tłoczności w postaci WOG pozwala, w razie wykrycia groźby przekroczenia odkształceń granicznych, na zmianę warunków procesu, rodzaju materiału lub modyfikację kształtu wytłoczki. Możliwe jest też, dla danej geometrii narzędzi, określenie maksymalnej głębokości wytłoczki. Po takich modyfikacjach przeprowadza się ponownie (wielokrotnie) analizę procesu, aż do momentu uzyskania poprawnego rozwiązania problemu. Takie komputerowe wspomaganie projektowania procesów tłoczenia stosuje się do wytłoczek o skomplikowanych kształtach, dla których tradycyjne metody projektowania nie zdają egzaminu. Często taki sposób projektowania stosowany jest w przemyśle samochodowym, gdzie komputerowe wspomaganie służy do takich zagadnień jak: optymalizacja liczby operacji tłoczenia, optymalizacja kształtu wstępniaka, dobór progów ciągowych czy zapobieganie fałdowaniu blachy. Dla prostych kształtów wytłoczek wystarczy projektowanie procesu tłoczenia w oparciu o doświadczalnie wyznaczone graniczne współczynniki wytłaczania lub przetłaczania. Można je wyznaczyć doświadczalnie albo skorzystać z danych zawartych w poradnikach dotyczących projektowania procesów tłoczenia blach.
Innym z poważnych problemów, mogącym się pojawić się w trakcie tłoczenia, jest fałdowanie się blachy. Powstające naprężenia obwodowe (ściskające) w kołnierzu wytłoczki mogą stać się przyczyną utraty stateczności blachy. Zjawisko to występuje często przy małej grubości względnej blachy. Dla małego stopnia odkształcenia i stosunkowo dużej grubości materiału wystąpienie fałd jest utrudnione wskutek dużej stateczności kołnierza. Fałdowanie blachy dotyczyć może także innych części wytłoczki, w tym powierzchni które nie mają bezpośredniego kontaktu z narzędziami. Aby zapobiegać fałdowaniu się płaskiego kołnierza stosuje się docisk blachy do powierzchni matrycy za pomocą dociskacza.