Extrusion and Sheet Metal  Forming

Extrusion Compression forming process in which the work  metal is forced to flow through a die opening  to produce a desired cross‐sectional shape   • Process is similar to squeezing toothpaste out  of a toothpaste tube   • In general, extrusion is used to produce long  parts of uniform cross‐sections • Two basic types of extrusion: – Direct extrusion – Indirect extrusion

Extrusion

Df

D0

Hot, Warm and Cold Extrusion Direct, Indirect Extrusion

Analysis of Extrusion The reduction ratio, it is defined as 

A0 rx = Af Ao = cross‐sectional area of the starting billet; and  Af = final cross‐sectional area of the extruded section. True strain;ε = ln(rx)  Extrusion pressure,  −

p = Y f ln(rx )

Kε n Yf = 1+ n −

Hot vs.  Cold Extrusion • Hot extrusion ‐ prior heating of billet to above  its recrystallization temperature   ‐ This reduces strength and increases ductility of the  metal, permitting more size reductions and more  complex shapes  

• Cold extrusion – ‐ prior heating of billet to  below its recrystallization temperature  • generally used to produce discrete parts  

Direct Extrusion  

Comments on Direct Extrusion  • Also called forward extrusion • As ram approaches die opening, a small portion of  billet remains that cannot be forced through die  opening   • This extra portion, called the butt, must be separated  from extruded product by cutting it just beyond the  die exit   • Starting billet cross section usually round, but final  shape is determined by die opening  

(a) Direct extrusion to produce a hollow or semi‐hollow cross‐section; (b)  hollow and (c) semi‐hollow cross‐sections  

Indirect extrusion 

Indirect extrusion to produce  (a) a solid cross‐section and (b) a hollow cross‐section

Comments on Indirect Extrusion  • Also called backward extrusion and reverse  extrusion • Limitations of indirect extrusion are imposed by  the lower rigidity of hollow ram and difficulty in  supporting extruded product as it exits die  

Variation of ram pressure vs. ram stroke 

Hydrostatic Extrusion

A complex extruded cross‐section for a heat sink

Wire and Bar Drawing

Cross‐section of a bar, rod, or wire is reduced by pulling it through a die  opening   • Similar to extrusion except work is pulled through die in drawing (it is  pushed through in extrusion) • Although drawing applies tensile stress, compression also plays a  significant role since metal is squeezed as it passes through die  opening  

Analysis of Drawing Change in size of work is usually given by area  reduction:  A −A

r =

0

f

Af

Ao = original area of work; and Af = final work A0 1 ) • True strain;  ε = ln( ) = ln( Af 1− r • Pressure,  n −

−

A p = Y f ε = Y f ln 0 Af

Kε Yf = 1+ n −

Sheet Metal Forming

Bending Shearing

Sheet :  0.4 – 6 mm (1/64”‐1/4”) Plate > 6 mm (1/4”)

Drawing

Shearing, Blanking, and Punching

Three principal operations in press working that  cut sheet metal:  • Shearing  • Blanking • Punching 

Shearing ‐ sheet metal cutting operation along a straight line  between two cutting edges • Typically used to cut large sheets into smaller sections for  subsequent operations Blanking ‐ sheet metal cutting to separate piece from  surrounding stock • Cut piece is the desired part, called a blank Punching ‐ sheet metal cutting similar to blanking except cut  piece is scrap, called a slug • Remaining stock is the desired part

Shearing between two sharp cutting  edges

(1) just before the  punch contacts work

(2) punch begins to push into work,  causing plastic deformation

(3) punch compresses and penetrates  into work causing a smooth cut  surface

(4) fracture is initiated at the opposing  cutting edges which separates the  sheet

(a) Blanking and (b) punching

Clearance in Sheet Metal Cutting

Distance between the punch and die • Typical values range between 4% and 8% of  stock thickness  ‐ If too small, fracture lines pass each other, causing double burnishing  and larger force  ‐ If too large, metal is pinched between cutting edges and excessive burr  results

Clearance in Sheet Metal Cutting • Recommended clearance can be calculated  by: c = at where c = clearance (mm); a =  allowance; and t =   stock thickness (mm)

• Allowance a is determined according to type  of metal

Allowance a for  Three Sheet Metal Groups Metal group

a

1100S and 5052S aluminum alloys, all tempers 2024ST and 6061ST aluminum alloys; brass, soft cold rolled steel, soft stainless steel

0.045

Cold rolled steel, half hard; stainless steel, half hard and full hard

0.075

0.060

Punch and Die Sizes for Blanking and Punching For a round blank of diameter Db:  Blanking punch diameter = Db ‐2c Blanking die diameter = Db where c = clearance

For a round hole of diameter Dh:  Hole punch diameter = Dh Hole die diameter = Dh + 2c where c = clearance

Die size determines blank size Db;  punch size determines hole size Dh; c = clearance

Angular Clearance Purpose: allows slug or blank to drop through die • Typical values: 0.25° to 1.5° on each side

Cutting Forces Important for determining press size (tonnage) F = S t L  or  F= 0.7σ t L

where S = shear strength of metal (MPa) σ = tensile strength (MPa) t = stock thickness (mm), and  L = length of cut edge (mm)

Bending   Straining sheet metal around a straight axis to  take a permanent bend

Metal on inside of neutral plane is compressed, while  metal on outside of neutral plane is stretched

both compression and tensile elongation of the metal occur in bending

Types of Sheetmetal Bending • V bending ‐ performed with a V‐shaped die • Edge bending ‐ performed with a wiping die

V‐Bending  • For low production • Performed on a press brake • V‐dies are simple and inexpensive 

Edge Bending  • For high production • Pressure pad required • Dies are more complicated and costly

Spring back in Bending Spring back = increase in included angle of bent  part relative to included angle of forming tool  after tool is removed  • Reason for spring back: ‐ When bending pressure is removed, elastic energy  remains in bent part, causing it to recover partially  toward its original shape 

Spring back in Bending A −A SB = AB' '

' b

Bending Force Maximum bending force estimated as follows:

K bf wt σ 2

F=

D

where F = bending force (N); 

σ =  tensile strength of sheet metal (MPa);  w = part width in direction of bend axis (mm); and t = stock thickness.   For V‐ bending, Kbf = 1.33; for edge bending, Kbf = 0.33

Drawing  Sheet metal forming to make cup‐shaped, box‐ shaped, or other complex‐curved, hollow‐ shaped parts  • Sheet metal blank is positioned over die cavity  and then punch pushes metal into opening • Products: beverage cans, ammunition shells,  automobile body panels 

Stages in Deformation of the Work piece during Deep Drawing

Drawing of a cup‐ shaped part:  (1) start of operation  before punch  contacts work (2) near end of stroke (b)  Corresponding  workpart:  (1) starting blank  (2) drawn part

Drawing Ratio DR Most easily defined for cylindrical shape:

Db DR = Dp where Db = blank diameter; and Dp = punch diameter • Indicates severity of a given drawing operation ‐ Upper limit = 2.0

Reduction r •

Again, defined for cylindrical shape:

r=

Db − D p Db

• Value of r should be less than 0.50 True strain; ε = ln(r)  Pressure, 

Kε n p = Y f ln(r ) Y f = 1+ n −

−

Thickness‐to‐Diameter Ratio  Thickness of starting blank divided by blank  diameter  Thickness‐to‐diameter ratio = t/Db • Desirable for t/Db ratio to be greater than 1% • As t/Db decreases, tendency for wrinkling  increases

Clearance in Drawing • Sides of punch and die separated by a  clearance c given by: c = 1.1 t where t = stock thickness

• In other words, clearance = about 10% greater  than stock thickness

Other drawing operations:  Reverse Drawing

Redrawing

(1) start (2) finish

Common defects in drawn parts

a) wrinkling in flange b) wrinkling in walls c) tearing d) earing e) surface scratches