Tehnologija obrade dubokim izvlačenjem

Duboko izvlačenje je proces obrade metala (u hladnom ili, u posebnim slučajevima, u vrućem stanju), koji u serijskoj proizvodnji dijelova, u odnosu na ostale tehnološke discipline, zauzima značajno mjesto. Cilj ovog načina obrade je dobivanje posuda raznih oblika poprečnog presjeka iz ravne platine, uz pomoć odgovarajućeg deformacionog alata.  Specifičnost samog procesa omogućava da se sa najmanjim brojem radnih operacija i uz minimalni otpadak dobivaju izvučeni elementi u konačnom obliku, tako da se mogu neposredno upotrijebiti ili ugraditi u odgovarajući sklop. Posebne metode dubokog izvlačenja razvijene su za potrebe savremene automobilske i avionske industrije.

Na slici 1. prikazani su primjeri proizvoda izrađenih ovom tehnologijom.

Prema podjeli postupaka oblikovanja deformacijom materijala po standardu DIN 8582, duboko izvlačenje spada u grupu oblikovanja materijala naprezanjem na istezanje i pritisak. Najrasprostranjenija vrsta ovakve obrade je duboko izvlačenje sa krutim alatom, kojeg u najprostijem obliku čine izvlakač, držač lima i prsten za izvlačenje (matrica). Izvlakač, u toku procesa obrade, odgovarajućom silom deformiše platinu uvlačeći ju u prsten za izvlačenje, te platina dobiva oblik, definisan oblikom izvlakača i prstena za izvlačenje. Držač lima ima ulogu da spriječi neželjena pomjeranja platine i nastanak nabora na rubovima obratka.

Dakle, duboko izvlačenje je proces obrade pomoću kojeg se iz ravne ploče lima (platine) dobivaju posude različitih oblika, sa zatvorenim dnom. Duboko izvlačenje komada može se izvoditi na dva načina, i to kao:

1. duboko izvlačenje bez promjene debljine stijenke materijala
2. duboko izvlačenje sa stanjivanjem zida, odnosno sa redukcijom debljine stijenke materijala

Shematski prikaz procesa obrade dubokim izvlačenjem prikazan je na slici 2.

Iz shematskog prikaza toka izvlačenja bez promjene debljine materijala (slika 2.) može se uočiti da su osnovni radni elementi izvlakač i prsten za izvlačenje. Platina (početni komad) postavlja se na prsten za izvlačenje i pod dejstvom deformacione sile  izvlakača uvlači u prstenasti zazor između izvlakača i prstena. Da bi se spriječilo gužvanje lima i stvaranje nabora, platina se u toku procesa izvlačenja pridržava pločom držača lima, odgovarajućom silom držanja.

Stvaranje nabora na rubovima platine je jedan od najznačajnijih defekata koji nastaju prilikom obrade dubokim izvlačenjem. Zbog nastanka nabora može doći do oštećenja alata, kao i gubitka funkcionalnosti izrađenog predmeta. Predviđanje i sprječavanje nastanka ovog defekta je od velikog značaja za uspješnost procesa, zbog čega su razvijeni različiti analitički i eksperimentalni pristupi koji pomažu predvidjeti i spriječiti nastanak nabora. Jedna od tih metoda je metoda konačnih elemenata, koja sa razvojem naprednih softvera za modeliranje i simulaciju zauzima sve značajnije mjesto u tehnici.

Uticajni faktori na proces dubokog izvlačenja mogu se podijeliti u dvije grupe:

1. faktori uticaja materijala i trenja;
2. faktori uticaja alata i pribora.

Najznačajniji faktori uticaja materijala su koeficijent deformacionog ojačanja i koeficijent normalne anizotropije. Negativni uticaj trenja može se umanjiti podmazivanjem alata i obratka. Za razliku od operacija savijanja, u kojima se metal plastično deformiše u relativno malom području, kod dubokog izvlačenja područje plastične deformacije je relativno veliko. Zbog ove pojave, javljaju se različita naponska stanja u različitim dijelovima obratka.

Zbog toga, uočena su tri dijela obratka od kojih svaki prolazi različito naponsko stanje:

1. dio obratka koji se nalazi izvan kontaktne zone izvlakača i matrice (rubni dio obratka, ivica);
2. dio koji se nalazi između izvlakača i matrice, te je u neposrednom kontaktu s ovim izvršnim dijelovima (zid obratka);
3. dio koji je u kontaktu sa izvlakačem i pod direktnim je uticajem deformacione sile (dno obratka).

Kada se razmatraju uticaji alata na proces, najvažniji uočeni faktori su dimenzije i tolerancije alata i sila držanja lima. Nepravilno dimenzionisanje alata, prvenstveno izvlakača i matrice, može uzrokovati nepravilan oblik izratka, ili dovesti do nastanka pukotina u određenim područjima izratka. Odstupanje oblika može se pripisati i povratnoj elastičnoj deformaciji nakon izvlačenja alata iz kontakta sa limom.

Uvlačenje lima u područje kontakta sa matricom i izvlakačem kontroliše se dimenzionisanjem i tolerisanjem izvršnih elemenata alata, ali i silom držanja lima. Ovo dodatno ograničenje prekomjernog uvlačenja lima vrši se pomoću odgovarajuće ploče držača lima. Sila držanja lima je glavni faktor koji sprječava stvaranje nabora na rubovima izratka, ali i sprječava njihovo širenje u zid obratka. Međutim, ova sila može imati i negativne efekte. Prekomjerna sila držanja lima može uzrokovati smanjenje debljine zida izratka, kao i pukotine na rubu, dnu ili na prijelaznim dijelovima (zaobljenjima na izratku). Najčešće, intenzitet ove sile jednak je trećini intenziteta maksimalne deformacione sile.

U idealiziranom procesu, sila držanja lima dovoljna je da dopusti pravilno tečenje materijala u otvor matrice bez stvaranja nabora na rubovima. Deformacija nastaje na ivici platine i neposredno uz matricu. Zanemaruje se deformacija koja nastaje na dnu obratka. Prikladnost materijala za duboko izvlačenje zavisi od dva faktora:

1. sposobnosti materijala da teče u smjeru izvlačenja pod dejstvom deformacione sile, tj. da ne puca pod dejstvom smicanja, već da uspješno ulazi u zonu kontakta sa izvlakačem i matricom;
2. sposobnosti materijala da pruža otpor deformaciji u pravcu debljine lima

Dimenzije izvlakača i matrice sprječavaju promjenu debljine lima usljed sile koja nastaje pri kontaktu. Zbog toga, jedini način promjene debljine lima u zoni kontakta je usljed izduženja i stanjivanja. Sposobnost materijala da izdrži naprezanja uzrokovana izvlačenjem u radijalnom smjeru određena je otporom materijala na stanjivanje. Uzimajući u obzir oba faktora, zaključuje se da je poželjno raditi sa materijalom maksimalnog tečenja u smjeru izvlačenja, tj. u ravnini lima i maksimalnog otpora promjeni deformacije u ravnini okomitoj na pravac tečenja, tj. promjeni debljina lima.