Ключови принципи на проектирането на матрици за рязане и пробиване

Накратко

Проектирането на матрици за рязане и пробиване е специализирана инженерна дисциплина, насочена към създаването на здрави пресформи за прецизно рязане и пробиване на ламарина. Успехът зависи от точни изчисления на режещите сили, стратегически подбор на материали за инструменти и напреднали методи за проектиране. Основните цели са ефективно управление на механичните напрежения в материала, осигуряване на чисто рязане с минимални задръжки и максимизиране на живота и точността на матричния комплект.

Основи на операциите по рязане и пробиване

В света на производството от ламарина, рязането и пробиването са основни операции по рязане, които определят окончателната геометрия на дадена детайл. Въпреки че често се групират заедно с подобни процеси, те изпълняват различни функции. Рязането е процес на премахване на излишъчен материал от външния ръб на изтеглен детайл, за да се постигне окончателният му контур. Пробиването от своя страна включва създаването на вътрешни елементи като отвори или процепи, чрез избутване на материал от вътрешността на периметъра на детайла. И двете операции разчитат на действие на срязване, при което екстремно напрежение се концентрира по ръбовете за рязане на пунч и матрица, причинявайки чисто скъсване на материала.

Качеството на механично нарязания ръб се характеризира с четири зони: завиване, полировка, скъсване и острие. Както е описано в ръководствата от AHSS Guidelines , идеалният ръб за високоякостни стомани има характерна лъщяща зона и гладка зона на скъсване, което е от съществено значение за предотвратяване на пукнатини при последващи операции по оформяне. Разбирането на тези основи е първата стъпка към проектирането на инструмент, който произвежда последователни и висококачествени компоненти.

За да се пояснят техните роли, е полезно да се сравнят тези операции с други често използвани процеси за рязане. Пробиването припомня пробиване, но изрязаният материал (филигурата) е желаната част, докато при пробиването филигурата е отпадъчен материал. Рязането е по-общ термин за рязане на листов метал по права линия между две ножа. Всеки процес се избира въз основа на желания резултат и неговото място в производствената последователност.

Основни принципи на проектиране на матрици и ключови изчисления

Ефективното проектиране на матрици е процес, базиран на данни и инженерни принципи. Преди да започне моделирането, проектиращите трябва да извършат критични изчисления, за да се гарантира, че инструментът ще издържи на експлоатационните сили и ще функционира надеждно в избрания прес. Най-фундаменталното изчисление е това за рязащата сила, което определя теглото (в тонове), необходимо от преса. Формулата обикновено се изразява като: Рязаща сила (F) = L × t × S , където 'L' е общата дължина на периметъра на реза, 't' е дебелината на материала, а 'S' е якостта на материала при срязване.

Точното определяне на силата за рязане е от съществено значение за избора на преса с достатъчна тонаж, като обикновено се прилага запас от 20–30%. Друг важен фактор е зазоринът на матрицата — разстоянието между пуансона и отвора на матрицата. Както е посочено в подробното ръководство от Jeelix , оптималният зазор обикновено е 5–12% от дебелината на материала от всяка страна. Недостатъчният зазор увеличава силата за рязане и износването на инструмента, докато прекомерният зазор може да доведе до големи задръжки и лошо качество на ръба. При напредналите високопрочни стомани (AHSS) тези зазори често трябва да бъдат увеличени, за да се поемат по-високите напрежения.

Изборът на материал за самите компоненти на матрицата е друг основен принцип. Пробойните игли и вметките за матрици трябва да притежават баланс между твърдост за устойчивост на износване и якост, за да се предотврати чупене при ударно натоварване. Често използвани са инструментални стомани D2 и A2 за общи приложения, докато за производство с голям обем или работа с абразивни материали може да се изискват стомани от порошковата металургия или карбиди. Процесът на избор включва компромис между цена и производителност, като целта е максимално удължаване на живота на матрицата и минимизиране на простоюването за поддръжка. За сложни приложения, като в автомобилната индустрия, търсенето на експертна помощ е от решаващо значение. Компании като Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. се специализират в производството на щампови матрици за автомобилната промишленост, използвайки напреднали симулации и познания в областта на материалите, за да предлагат здрави и ефективни инструментални решения.

Анатомия на комплект за рязане и пробиване

Матрицата не е монолитен блок от стомана, а прецизна сглобка от взаимозависими компоненти, като всеки има специфична функция. Разбирането на тази структура е от ключово значение за проектирането, изграждането и поддържането на ефективни инструменти. Цялата сглобка е разположена в рамка на матрица, която се състои от горна и долна плоча (или платформа) на матрицата, насочени чрез водещи пинове и втулки. Тази основна система осигурява подравняване на ниво микрони между горната и долната част на инструмента по време на високоскоростна работа, което е от решаващо значение за предотвратяване на повреди и запазване на последователността на детайлите.

Основните работни елементи са пробойникът и матричния блок (или матричен бутон/вставка). Пробойникът, монтиран на горната матрична обувка, е мъжкият елемент, който извършва рязането. Матричният блок, монтиран на долната обувка, е женският елемент с отвор, в който навлиза пробойникът. Прецизната геометрия и зазоринът между тези две части определят окончателната форма на пробития отвор или отрязания ръб. Материалът, твърдостта и повърхностната обработка на тези елементи са от първостепенно значение за живота на инструмента и качеството на детайла.

Друг важен компонент е избутвачът. След като пробойникът пререже материала, еластичното възстановяване на ламарината я кара да се залепи за пробойника. Функцията на избутвача е принудително да отстранява материала от пробойника при обратния ход на пресата. Избутвачите могат да бъдат фиксирани или с пружинно задействане, като последните осигуряват налягане, което задържа материала плосък по време на рязането и по този начин подобрява равнинността на детайлите. При прогресивни матрици са необходими също и водачи. Това са пинове, които влизат в предварително пробити отвори в лентата, за да гарантират точно подравняване на всеки следващ етап.

Контролен списък за поддръжка на компонентите на матриците:

• Пробойници и матрични втулки: Редовно проверявайте режещите ръбове за заобляне, люспене или прекомерно износване. Настъргвайте при нужда, за да се осигури чисто рязане и намаляване на режещата сила.
• Ръководни щифтове и втулки: Осигурете те да бъдат подходящо смазвани и проверявайте за признаци на залепване или износване. Износени водачи могат да доведат до несъосност и фатални аварии на матрицата.
• Избутваща плоча: Проверете дали пружините (ако са приложими) имат достатъчен натиск и не са счупени. Проверете за износ на повърхността за контакт.
• Набор матрици: Изследвайте матричните обувки за напуквания или повреди. Уверете се, че всички здрави елементи са затегнати според правилната спецификация.
• Обща чистота: Поддържайте матрицата свободна от щифтове, стърготини и други отломки, които могат да причинят дефекти на детайлите или повреди на инструментите.

Напреднали техники и материали за дизайн на матрици

Като се движим извън основните принципи, напредналото проектиране на матрици се фокусира върху оптимизиране на производителността, обработване на трудни материали и удължаване на живота на инструмента за производство в големи серии. Едно от най-значимите постижения е използването на прогресивни матрици, които извършват множество операции (например пробиване, рязане, огъване) последователно на различни станции в един и същ инструмент. Както поясняват експерти от Eigen Engineering , овладяването на дизайна на прогресивни матрици изисква сложни планове за подреждане на лентата, за да се максимизира използването на материала и да се осигури стабилност на лентата, докато напредва през матрицата.

За постигане на изключителна равнинност на детайлите се използват техники като прецизно изрезане (fineblanking) и cut-and-carry. Fineblanking е специализиран процес, при който се използва високонапрегнато стегнато устройство и v-образен пръстен за плътно затегнато фиксиране на материала, което води до напълно изсечено, правоъгълно детайл с практически никаква зона на скъсване. По същия начин методът cut-and-carry, описан от Производителят , включва частично избиване на детайла през лентата и задържането му плоско с помощта на натисково устройство, преди да бъде изхвърлен на по-късна позиция. Този контрол върху материала по време на рязането минимизира вътрешните напрежения, които причиняват деформации.

Проектирането за напреднали високоякостни стомани (AHSS) води до уникални предизвикателства поради тяхната висока якост и намалена дуктилност. Това изисква по-големи междинни разстояния на матриците, по-здрави конструкции на инструментите и висококачествени материали за инструменти като стомани от порошковата металургия или карбиди, за да издържат на екстремните сили и абразивното износване. Освен това, геометрията на пуансона може да бъде модифицирана, за да се намали пиковата тонаж и ударът. Използването на изкосен или фасован лице на пуансона разпределя рязането в леко по-дълъг период, което значително намалява необходимата сила и редуцира насилствения ефект "пробиване", който може да повреди както матрицата, така и пресата.

Прогресивни матрици срещу едностанционни матрици

• Предимства на прогресивните матрици: Екстремно висока производствена скорост, намалени разходи за труд, висока повтаряемост и обединяване на множество операции в един инструмент.
• Недостатъци на прогресивните матрици: Много висока първоначална цена на инструментите, сложен процес на проектиране и изработка, както и по-малка гъвкавост при големи или дълбоко изтеглени детайли.
• Предимства на едностанционните матрици: По-ниска цена на инструментите, по-прост дизайн и по-голяма гъвкавост при производството в малки серии или при много големи детайли.
• Недостатъци на едностанционните матрици: Значително по-бавна скорост на производство, по-високи разходи за труд на единица продукт и възможност за несъответствия поради многократно боравене и позициониране.

Често задавани въпроси

1. Какво е правилото за проектиране на матрици?

Въпреки че няма едно единствено "правило", проектирането на матрици следва набор от установени принципи. Те включват изчисляване на режещите сили въз основа на свойствата на материала, определяне на правилния зазор между пуансона и матрицата (обикновено 5–12% от дебелината на материала на страна), осигуряване на структурна твърдост на комплекта матрици и планиране на логическа последователност от операции в разположението на лентата. Основната цел е да се създаде инструмент, който е безопасен, надежден и произвежда детайли, които постоянно отговарят на изискванията за качество.

2. Какво е формата за рязане при преципитно леене?

Едно инструмент за обработка в прецението има подобна цел като при штамповане на листов метал, но работи с различен тип детайл. След като детайлът е създаден чрез прецението (впръскване на разтопен метал в форма), остава излишна материя като разпределителния канал, преливите и флаша. Инструментът за отрязване е устройство, използвано във вторична пресова операция, за да бъде отрязан този нежелан материал, като се получи чисто, завършено преценo детайл.

3. Какво е стоманеното правило за рязане с форми?

Рязането с форми по стоманено правило е различен процес, който обикновено се използва за по-меки материали като хартия, картон, пяна или тънки пластмаси. То включва натискане на остър, тънък стоманен нож ("стоманеното правило"), извит в желаната форма и вграден в равна основа (често фанера), в материала. Това е икономически ефективен метод за изрязване на форми при некомплексни или много тънки приложения от листов метал.

4. Какви са различните видове рязане с форми?

Резането с дайс включва няколко метода, адаптирани към различни материали и обеми на производство. При листовия метал това предимно се отнася за щанцови операции като пробиване, изрязване и рязане с помощта на твърди инструменти (комплекти пробойник и матрица). Други форми включват резане с плосък дайс (за по-дебели материали), ротационно резане с дайс (за високоскоростно производство на етикети или пръстени) и цифрови методи за рязане като лазерно или водно струйно рязане, при които не се използва физически дайс.