Klíčové principy návrhu střihacích a děrovacích nástrojů

SHRNUTÍ

Návrh ořezávacích a prostřihovacích nástrojů je specializovaným oborem strojního inženýrství zaměřeným na vytváření odolných lisovacích nástrojů pro přesné řezání a děrování plechu. Úspěch závisí na přesných výpočtech řezných sil, strategickém výběru materiálů nástrojů a pokročilých metodách návrhu. Hlavním cílem je efektivní řízení napětí materiálu, zajištění čistého řezu s minimálním otřepem a maximalizace životnosti a přesnosti sady nástrojů.

Základy ořezávacích a prostřihovacích operací

Ve světě tváření plechů jsou ořezávání a výstřihování základními řeznými operacemi, které určují finální geometrii dílu. Ačkoli jsou často řazeny mezi podobné procesy, plní odlišné funkce. Ořezávání je proces odstraňování přebytečného materiálu z vnějšího okraje lisovaného dílu, aby byl dosažen jeho konečný tvar. Výstřihování naopak spočívá ve vytváření vnitřních prvků, jako jsou otvory nebo drážky, vyražením materiálu z vnitřního obvodu dílu. Obě operace vycházejí ze stříhacího účinku, při němž je extrémní napětí soustředěno na řezných hranách razníku a matrice, čímž dochází k čistému lomu materiálu.

Kvalita mechanicky opracovaného okraje je charakterizována čtyřmi zónami: zaoblení, broušená plocha, lom a otřep. Jak je podrobně popsáno v průvodcích od AHSS Guidelines , ideální okraj u ocelí s vysokou pevností vykazuje výraznou zónu lesku a hladkou lomovou zónu, což je klíčové pro prevenci trhlin při následných tvářecích operacích. Porozumění těmto základům je prvním krokem směrem k návrhu nástroje, který bude produktem konzistentní součásti vysoké kvality.

Pro objasnění jejich rolí je užitečné porovnat tyto operace s jinými běžnými procesy řezání. Vystřihování je podobné prorážení, ale materiál, který je vyražen (tzv. šrot), je požadovanou součástí, zatímco u prorážení je šrot odpad. Stříhání je obecnější termín pro řezání plechu po přímé čáře mezi dvěma noži. Každý proces je vybírán na základě požadovaného výsledku a jeho umístění v rámci výrobního postupu.

Základní principy návrhu nástrojů a klíčové výpočty

Efektivní návrh nástroje je procesem založeným na datech a inženýrských principech. Před zahájením jakéhokoli modelování musí konstruktéři provést klíčové výpočty, aby zajistili, že nástroj vydrží provozní síly a bude spolehlivě fungovat v rámci vybrané lisovací linky. Nejzákladnějším výpočtem je výpočet řezné síly, která určuje potřebný počet tun lisu. Vzorec je obecně vyjádřen jako: Řezná síla (F) = L × t × S , kde 'L' je celková délka obvodu řezu, 't' je tloušťka materiálu a 'S' je střihová pevnost materiálu.

Přesné určení stříhací síly je nezbytné pro výběr lisu s dostatečnou tvářecí silou, obvykle s bezpečnostní rezervou 20–30 %. Dalším důležitým faktorem je mezera v nástroji — vůle mezi trnem a otvorem v zástrčce. Jak je uvedeno v komplexním průvodci od Jeelix , optimální vůle činí obvykle 5–12 % tloušťky materiálu na jednu stranu. Nedostatečná vůle zvyšuje stříhací sílu a opotřebení nástroje, zatímco nadměrná vůle může vést k velkým otřepům a kvalitativně špatnému řezu. U pokročilých vysoce pevnostních ocelí (AHSS) je často nutné tyto mezery zvětšit, aby bylo možné řídit vyšší napětí.

Výběr materiálu pro samotné díly nástroje je dalším základním principem. Vyměřovací a razící vložky musí mít vyvážený poměr tvrdosti pro odolnost proti opotřebení a houževnatosti, aby se zabránilo odlamování při nárazu. Běžné volby zahrnují nástrojové oceli D2 a A2 pro běžné aplikace, zatímco vysokorychlostní produkce nebo práce s abrazivními materiály mohou vyžadovat oceli z práškové metalurgie nebo karbidy. Při výběru se jedná o kompromis mezi náklady a výkonem, přičemž cílem je maximalizovat životnost nástroje a minimalizovat prostoj při údržbě. U složitých aplikací, jako je automobilový průmysl, je klíčová odborná znalost. Společnosti jako Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. se specializují na lisy pro tváření automobilových dílů, využívají pokročilé simulace a znalosti materiálů k dodávání robustních a efektivních řešení nástrojů.

Anatomie sekacího a děrovacího nástroje

Tvářecí nástroj není monolitický blok oceli, ale přesně složený celek navzájem propojených komponent, z nichž každý má specifickou funkci. Pochopení této stavby je klíčové pro návrh, výrobu a údržbu efektivního nástroje. Celý soubor je umístěn v rámu nástroje, který se skládá z horního a dolního patníku (nebo desky) vedeno pomocí vodících kolíků a pouzder. Tento základní systém zajišťuje mikronovou přesnost zarovnání mezi horní a dolní částí nástroje během provozu ve vysoké rychlosti, což je nezbytné pro prevenci poškození a udržení konzistence dílů.

Hlavní pracovní součásti jsou děrovací nástroj (punch) a matrice (die block nebo die button/insert). Děrovací nástroj, upevněný na horním držáku matrice, je mužská část, která provádí stříhání. Matrice, upevněná na spodním držáku, je ženská část s otvorem, do kterého vstupuje děrovací nástroj. Přesná geometrie a mezera mezi těmito dvěma součástmi určují konečný tvar protrženého otvoru nebo oříznuté hrany. Jejich materiál, tvrdost a povrchová úprava jsou rozhodující pro životnost nástroje a kvalitu výrobku.

Dalším důležitým komponentem je vyhazovač. Poté, co děrovač materiál protrhne, pružnost plechu způsobí, že se materiál přichytá k děrovači. Úkolem vyhazovače je nuceně odstranit materiál z děrovače při zvedání lisu. Vyhazovače mohou být pevné nebo pružinové, přičemž ty druhé poskytují tlak, který udržuje materiál během řezání rovný, čímž se zlepšuje rovinnost dílce. U postupných střihacích nástrojů jsou také nezbytné vodicí kolíky. Jedná se o špičky, které zasahují do dříve vytvořených otvorů na pásu, aby zajistily přesné zarovnání na každé následující stanici.

Kontrolní seznam údržby součástek nástrojů:

• Děrovače a střihací pouzdra: Pravidelně kontrolujte řezné hrany na zaoblení, odlupování nebo nadměrné opotřebení. Za účelem dosažení čistého řezu a snížení řezné síly je nutno je při potřebě brousit.
• Vodicí kolíky a pouzdra: Ujistěte se, že jsou vhodně mazané, a zkontrolujte případné známky zadrhávání nebo opotřebení. Opotřebované vodící prvky mohou vést k nesprávnému zarovnání a katastrofálnímu poškození nástroje.
• Odpažovací deska: Ověřte, že pružiny (pokud jsou použity) mají dostatečný tlak a nejsou poškozené. Zkontrolujte opotřebení kontaktových ploch.
• Nástrojová sada: Zkontrolujte patky matrice na případné trhliny nebo poškození. Ujistěte se, že všechny spojovací prvky jsou utaženy dle správných specifikací.
• Obecná čistota: Udržujte matici volnou od odpadků, třísek a jiného nečistého materiálu, který může způsobit vadné díly nebo poškození nástroje.

Pokročilé techniky a materiály pro návrh matic

Pokročilý návrh matic jde dále než základní principy a zaměřuje se na optimalizaci výkonu, zpracování obtížných materiálů a prodloužení životnosti nástrojů pro vysokoodvodňovou výrobu. Jedním z nejvýznamnějších pokroků je použití postupných matic, které provádějí více operací (např. vrtání, stříhání, ohyb) postupně na různých stanicích uvnitř jednoho nástroje. Jak uvádějí odborníci z Eigen Engineering , ovládnutí návrhu postupných matic vyžaduje sofistikované plánování rozložení pásu za účelem maximalizace využití materiálu a zajištění stability pásu během posunu skrz matici.

Pro dosažení výjimečné rovinnosti dílů se používají techniky jako finální stříhání (fineblanking) a metoda řezání a přepravy (cut-and-carry). Finální stříhání je specializovaný proces, při kterém se materiál pevně upne pomocí vysokotlaké desky a tlačného kroužku (v-ring), čímž vznikne plně střižený díl s rovnými hranami a téměř bez trhlinové zóny. Obdobně metoda řezání a přepravy, popsána v Výrobce , zahrnuje částečné vysekání dílu skrz pásku a jeho udržení v rovině pomocí tlakové desky, než je následně vystřelen na pozdější stanici. Tato kontrola materiálu během řezání minimalizuje vnitřní napětí, která způsobují deformace.

Návrh pro pokročilé oceli s vysokou pevností (AHSS) přináší jedinečné výzvy kvůli jejich vysoké pevnosti a snížené tažnosti. To vyžaduje větší vůle mezi nástroji, robustnější konstrukce nástrojů a kvalitnější materiály nástrojů, jako jsou práškové oceli nebo karbid, aby odolaly extrémním silám a abrazivnímu opotřebení. Dále lze upravit geometrii děrovacích nástrojů, aby se snížila maximální síla a rázové zatížení. Použití střihacího nebo zkoseného břitu razníku rozloží řezný účinek na mírně delší dobu, což výrazně snižuje potřebnou sílu a eliminuje násilný efekt "prasknutí", který může poškodit jak nástroj, tak lis.

Postupné nástroje vs. jednostaniční nástroje

• Výhody postupných nástrojů: Velmi vysoká rychlost výroby, nižší náklady na pracovní sílu, vysoká opakovatelnost a sloučení více operací do jednoho nástroje.
• Nevýhody postupných nástrojů: Velmi vysoké počáteční náklady na nástroje, složitý proces návrhu a výroby a menší flexibilita u velkých nebo hluboce tažených dílů.
• Výhody jednostaničních nástrojů: Nižší náklady na tvářecí nástroje, jednodušší konstrukce a větší flexibilita pro malé série nebo velmi velké díly.
• Nevýhody jednostaničních lisovacích forem: Mnohem pomalejší rychlost výroby, vyšší pracovní náklady na díl a možnost nekonzistence kvůli opakované manipulaci a nastavování.

Nejčastější dotazy

1. Jaké je pravidlo návrhu formy?

I když neexistuje jedno jediné „pravidlo“, návrh forem následuje sadu uznávaných principů. Mezi ně patří výpočet střihových sil na základě vlastností materiálu, stanovení správné mezery mezi pístem a formou (obvykle 5–12 % tloušťky materiálu na stranu), zajištění tuhosti sestavy formy a plánování logické posloupnosti operací v rozvržení pásky. Hlavním cílem je vytvořit nástroj, který je bezpečný, spolehlivý a pravidelně vyrábí díly splňující požadavky na kvalitu.

2. Co je odlévání do formy s řeznou deskou?

Trimovací nástroj při lití do forem plní podobnou funkci jako u tváření plechů, ale pracuje s jiným typem dílu. Poté, co je díl vyroben litím do formy (vstřikováním roztaveného kovu do formy), zůstává na něm přebytečný materiál, jako je přívodní kanál, přelivky a jiskry. Trimovací forma je nástroj používaný ve druhé tvarovací operaci, který odstřihne tento nežádoucí materiál a zanechá čistý, dokončený odlitek.

3. Jaké je ocelové pravidlo pro dělení do formy?

Dělení ocelovým pravidlem je jiný proces, který se obvykle používá pro měkčí materiály, jako je papír, lepenka, pěna nebo tenké plasty. Spočívá ve vtlačování ostrého, tenkého ocelového břitu (tzv. "ocelové pravidlo"), který byl ohnut do požadovaného tvaru a je upevněn v ploché základně (často z překližky), do materiálu. Jde o nákladově efektivní metodu pro řezání tvarů v nekovových materiálech nebo v aplikacích s velmi tenkými plechy.

4. Jaké jsou různé typy dělení do formy?

Punchování zahrnuje několik metod přizpůsobených různým materiálům a objemům výroby. U plechů se tím primárně rozumí kování, jako je děrování, stříhání obrysů a ořezávání pomocí tvrdého nástroje (dílenské sady punců a raznic). Mezi další formy patří ploché punchování (pro tlustší materiály), rotační punchování (pro vysokorychlostní výrobu štítků nebo těsnění) a digitální řezací metody, jako je laserové nebo vodní paprsek řezání, které nepoužívají fyzický nástroj.