Principis clau del disseny de motlles de tall i perforació

TL;DR

El disseny de matrius de tallat i perforació és una disciplina d'enginyeria especialitzada centrada en la creació d'eines de premsa robustes per al tall i perforat precisos de xapa metàl·lica. L'èxit depèn de càlculs precisos de les forces de tall, la selecció estratègica dels materials de l'eina i tècniques avançades de disseny. Els objectius principals són gestionar eficazment l'esforç del material, assegurar talls nets amb mínims rebavats i maximitzar la vida operativa i la precisió del joc de matrius.

Fonaments de les operacions de tallat i perforació

Al món de la fabricació de xapes metàl·liques, el refilat i el perforat són operacions fonamentals de tall que defineixen la geometria final d'una peça. Tot i que sovint es classifiquen juntament amb processos similars, tenen funcions diferents. El refilat és el procés d'eliminar material sobrant del vora exterior d'una peça estampada per assolir el seu perfil final. El perforat, en canvi, consisteix a crear característiques interiors com forats o ranures mitjançant l'extracció de material des de dins el perímetre de la peça. Ambdós processos es basen en una acció de cisallament, on l'esforç extrem es concentra al llarg de les vores de tall d'un punzó i matriu, provocant que el material es trenqui netament.

La qualitat d'una vora tallada mecànicament es caracteritza per quatre zones: arrodoniment, brunyiment, fractura i rebava. Tal com es detalla als guies de Directrius AHSS , la vora ideal per a acers d'alta resistència presenta una zona de brillantor ben definida i una zona de fractura suau, cosa que és crucial per evitar esquerdes en operacions posteriors d'embutició. Comprendre aquests fonaments és el primer pas cap al disseny d'eines que produeixin components consistents i de gran qualitat.

Per aclarir-ne les funcions, és útil comparar aquestes operacions amb altres processos de tall habituals. El tallat és similar al punxonat, però el material extret (el tros) és la peça desitjada, mentre que en el punxonat aquest tros és rebuig. El cisallat és un terme més general per referir-se al tall de xapa metàl·lica en línia recta entre dues fulles. Cada procés es tria segons el resultat desitjat i la seva ubicació dins la seqüència de fabricació.

Principis fonamentals del disseny d'estampes i càlculs clau

El disseny eficaç d'estampes és un procés basat en dades fonamentat en principis d'enginyeria. Abans de començar qualsevol modelatge, els dissenyadors han de realitzar càlculs essencials per assegurar que l'eina pugui suportar les forces operatives i funcionar correctament dins la premsa seleccionada. El càlcul més fonamental és el de la força de tall, que determina la tonelada necessària de la premsa. La fórmula generalment s'expressa com: Força de tall (F) = L × t × S , on 'L' és la longitud total del perímetre de tall, 't' és el gruix del material i 'S' és la resistència al cisallament del material.

Determinar amb precisió la força de tall és essencial per seleccionar una premsa amb una tonelatge adequada, normalment amb un marge de seguretat del 20-30%. Un altre factor crític és la separació de l'utillatge: l'espai entre el punçó i l'obertura de la matriu. Tal com s'indica en una guia completa elaborada per Jeelix , la separació òptima sol ser d'un 5-12% de l'gruix del material per costat. Una separació insuficient augmenta la força de tall i el desgast de l'eina, mentre que una separació excessiva pot provocar rebaves grans i una vora de mala qualitat. En els acers avançats d'alta resistència (AHSS), aquestes separacions sovint han d'augmentar-se per gestionar les tensions superiors implicades.

La selecció del material per als components de la matriu és un altre principi fonamental. Les punzones i inserts de la matriu han de tenir un equilibri entre duresa per a la resistència al desgast i tenacitat per evitar esquerdades sota impacte. Les opcions habituals inclouen acers eines D2 i A2 per a aplicacions generals, mentre que la producció d’alta volumetria o el treball amb materials abrasius pot requerir acers de metallúrgia de pols o carburs. El procés de selecció comporta un compromís entre cost i rendiment, amb l'objectiu de maximitzar la vida útil de la matriu i minimitzar les parades per manteniment. Per a aplicacions complexes, com en el sector automobilístic, és essencial comptar amb assessorament especialitzat. Empreses com Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. especialitzades en matrius d'estampació automotriu, que utilitzen simulacions avançades i coneixements sobre materials per oferir solucions d'eines robustes i eficients.

Anatomia d'un joc de matriu de tall i perforació

Un motlle no és un bloc monolític d'acer, sinó un conjunt de precisió de components interdependents, cadascun amb una funció específica. Comprendre aquesta anatomia és clau per dissenyar, construir i mantenir eines eficaces. Tot el conjunt va muntat en un joc de motlles, que consta d'una sabata (o placa) superior i inferior alineades mitjançant passadors i buits guia. Aquest sistema fonamental assegura l'alineació a nivell de micres entre les meitats superior i inferior de l'eina durant el funcionament a alta velocitat, fet essencial per evitar danys i mantenir la consistència de les peces.

Els components principals de treball són el punçó i el bloc de matriu (o botó/inserció de matriu). El punçó, muntat al calçat superior de la matriu, és el component masculí que realitza el tall. El bloc de matriu, muntat al calçat inferior, és el component femení amb una obertura per on entra el punçó. La geometria precisa i el joc entre aquestes dues peces defineixen la forma final del forat perforat o del cant tallat. El seu material, duresa i acabat superficial són fonamentals per a la vida de l'eina i la qualitat de la peça.

Un altre component crucial és l'expulsor. Després que un punçó talli el material, la recuperació elàstica del full metàl·lic fa que aquest s'enganxi al punçó. La funció de l'expulsor és separar forçosament el material del punçó durant la cursa ascendent de la premsa. Els expulsores poden ser fixos o amb molla, aquest darrer proporciona pressió per mantenir el material pla durant l'operació de tall, millorant així la planor de la peça. En els motlles progressius, també són essencials els guies. Aquests són passadors que encaixen amb forats prèviament perforats a la tira per garantir una alineació precisa a cada estació successiva.

Llista de comprovació de manteniment dels components del motlle:

• Punçons i botons de tall: Inspeccioneu regularment les vores de tall per detectar arrodoniments, esquerdes o desgast excessiu. Afiïeu-los segons sigui necessari per mantenir un tall net i reduir la força de tall.
• Passadors i buits de guia: Assegureu-vos que estan correctament lubricats i comproveu si hi ha senyals de gripat o desgast. Els guies desgastats poden provocar desalineacions i col·lisions catastròfiques del motlle.
• Placa extractoradora: Verifiqueu que els molles (si s'apliquen) tinguin pressió adequada i no estiguin trencats. Comproveu si hi ha desgast a la superfície de contacte.
• Joc d'estampes: Inspeccioneu les sabates de matriu per detectar esquerdes o danys. Assegureu-vos que tots els elements de fixació estiguin ajustats a l'especificació correcta.
• Neteja general: Mantingueu la matriu lliure de llugers, làmines i altres residus que puguin causar defectes en les peces o danys en l'eina.

Tècniques i materials avançats de disseny de matrius

Més enllà dels principis bàsics, el disseny avançat de matrius se centra en optimitzar el rendiment, manipular materials difícils i allargar la vida útil de les eines per a produccions d'alta volumetria. Un dels avenços més importants és l'ús de matrius progressius, que realitzen múltiples operacions (per exemple, perforació, tall, doblegament) seqüencialment en diferents estacions dins d'una sola eina. Tal com expliquen experts de Eigen Engineering , dominar el disseny de matrius progressius implica una planificació sofisticada del disseny de la banda per maximitzar l'aprofitament del material i assegurar l'estabilitat de la banda mentre avança a través de la matriu.

Per assolir un aplanat excepcional de les peces, s'utilitzen tècniques com el punxonat fi i el tall i arrossegament. El punxonat fi és un procés especialitzat que utilitza una placa d'alta pressió i un anell en V per subjectar fortament el material, resultant en una peça totalment cisallada, amb vores rectes i gairebé sense zona de fractura. De manera similar, el mètode de tall i arrossegament, detallat per El Fabricant , consisteix a punxonejar parcialment la peça a través de la banda i mantenir-la plana amb una placa de pressió abans que sigui expulsada en una estació posterior. Aquest control sobre el material durant el tall minimitza les tensions internes que provoquen deformacions.

Dissenyar per a acers d'alta resistència (AHSS) comporta reptes únics degut a la seva elevada resistència i menor ductilitat. Això requereix entreferros més grans en les matrius, estructures d'eina més robustes i materials d'eina de qualitat superior com els acers de metallúrgia de pols o el carbure, per suportar les forces extremes i el desgast abrasiu. A més, es pot modificar la geometria del punzó per reduir la tonelada mésca i l'impacte. Utilitzar una cara de punzó tallada o bisellada distribueix l'acció de tall durant un període lleugerament més llarg, cosa que redueix significativament la força necessària i minimitza l'efecte violent de "ruptura sobtada" que pot danyar tant la matriu com la premsa.

Matrius progressius vs. Matrius d'estació única

• Avantatges de les matrius progressives: Velocitat de producció extremadament elevada, costos de mà d'obra reduïts, alta repetibilitat i consolidació de múltiples operacions en una sola eina.
• Inconvenients de les matrius progressives: Cost molt elevat de l'eina inicial, procés de disseny i fabricació complex i menys flexibilitat per a peces grans o profundament embutides.
• Avantatges de les matrius d'estació única: Cost inferior d'eines, disseny més senzill i major flexibilitat per a sèries curtes o peces molt grans.
• Inconvenients dels motlles d'estació única: Velocitat de producció molt més lenta, costos laborals més alts per peça i risc d'inconsistències degut a la manipulació i posicionament repetits.

Preguntes freqüents

1. Quina és la regla de disseny del motlle?

Tot i que no existeix una única «regla», el disseny de motlles segueix un conjunt de principis establerts. Aquests inclouen el càlcul de les forces de tall segons les propietats del material, l'establiment d'un joc adequat entre punçó i motlle (típicament un 5-12% del gruix del material per costat), assegurar la rigidesa estructural del conjunt del motlle i planificar una seqüència lògica d'operacions en el disseny de la banda. L'objectiu general és crear una eina segura, fiable i que produeixi peces que compleixin consistentment amb les especificacions de qualitat.

2. Què és la motllera de tall en la col·locació sousada?

Una eina de tall en la col·locació serveix una funció similar a la d'una premsa de xapa metàl·lica, però opera sobre un tipus diferent de peça. Després que es crea una peça mitjançant la col·locació (injecció de metall fos en un motlle), queda material sobrant com el canal d'alimentació, desbordaments i rebarba. Un motlle de tall és una eina utilitzada en una operació secundària de premsa per retallar aquest material no desitjat, deixant una peça col·locada neta i acabada.

3. Quina és la regla d'acer per al tall amb motlle?

El tall amb motlle de regla d'acer és un procés diferent que normalment s'utilitza per a materials més tous com paper, cartró, espuma o plàstics prims. Consisteix a prémer una fulla fina i afilada d'acer (la "regla d'acer"), doblegada segons la forma desitjada i incrustada en una base plana (sovint fusta contrachapada), dins del material. És un mètode econòmic per retallar formes en aplicacions de materials no metàl·lics o de xapes metàl·liques molt primes.

4. Quins són els diferents tipus de tall amb motlle?

El tall per motlle inclou diversos mètodes adaptats a diferents materials i volums de producció. En xapa metàl·lica, això fa referència principalment a operacions d'estampació com perforació, embutició i retallada mitjançant eines rígides (conjunts de punçó i motlle). Altres formes inclouen el tall per motlle de platina (per a materials més gruixuts), el tall per motlle rotatiu (per a producció a alta velocitat d'etiquetes o juntes) i mètodes de tall digital com el tall làser o per jet d'aigua, que no utilitzen cap motlle físic.