Podstawowe zasady projektowania matryc tnących i przebijających

STRESZCZENIE

Projektowanie matryc do obcinania i przebijania to specjalistyczna dziedzina inżynierii skupiona na tworzeniu wytrzymałych narzędzi tłoczarskich do precyzyjnego cięcia i przebijania blach. Sukces zależy od dokładnych obliczeń sił cięcia, strategicznego doboru materiałów narzędzi oraz zaawansowanych technik projektowych. Główne cele to skuteczne zarządzanie naprężeniami materiału, zapewnienie czystego cięcia przy minimalnym zadziorze oraz maksymalizacja trwałości i dokładności zestawu matrycy.

Podstawy operacji obcinania i przebijania

W świecie obróbki blach, obcinanie i przebijanie to podstawowe operacje cięcia, które określają końcową geometrię detalu. Chociaż często klasyfikuje się je razem z podobnymi procesami, pełnią one odrębne funkcje. Obcinanie polega na usuwaniu nadmiaru materiału z zewnętrznego brzegu tłoczonego elementu w celu uzyskania jego końcowego profilu. Przebijanie natomiast polega na tworzeniu wewnętrznych kształtów, takich jak otwory czy szczeliny, poprzez wyciskanie materiału z wnętrza obrysu detalu. Oba procesy opierają się na działaniu ścinającym, w którym ekstremalne naprężenia skupione są wzdłuż krawędzi tnących stempla i matrycy, powodując czyste pęknięcie materiału.

Jakość mechanicznie przyciętej krawędzi charakteryzuje się czterema strefami: załamanie, powierzchnia połyskowa, strefa pęknięcia i zadzior. Jak szczegółowo opisano w wytycznych z AHSS Guidelines , idealny brzeg dla stali wysokowytrzymałych charakteryzuje się wyraźną strefą połysku i gładką strefą pęknięcia, co jest kluczowe dla zapobiegania powstawaniu rys w kolejnych operacjach kształtowania. Zrozumienie tych podstaw to pierwszy krok w kierunku zaprojektowania narzędzia produkującego spójne, wysokiej jakości komponenty.

Aby wyjaśnić ich role, warto porównać te operacje z innymi powszechnymi procesami cięcia. Wykrawanie przypomina nakłuwanie, jednak materiał wycięty (tzw. ciek) stanowi docelowy element, podczas gdy przy nakuwaniu ciek to odpad. Cięcie nożycowe to bardziej ogólny termin opisujący cięcie blachy po linii prostej pomiędzy dwoma ostrzami. Każdy z procesów dobiera się zależnie od oczekiwanego efektu końcowego i jego miejsca w ciągu operacji produkcyjnych.

Podstawowe zasady projektowania matryc i kluczowe obliczenia

Skuteczne projektowanie matryc to proces oparty na danych, opartych na zasadach inżynieryjnych. Przed rozpoczęciem jakiegokolwiek modelowania projektanci muszą wykonać kluczowe obliczenia, aby zapewnić, że narzędzie wytrzyma działające siły i będzie niezawodnie funkcjonować w obranym prasie. Najbardziej podstawowym obliczeniem jest siła tnąca, która określa potrzebną nośność prasy. Wzór ten jest ogólnie wyrażony jako: Siła tnąca (F) = L × t × S , gdzie 'L' to całkowita długość obwodu cięcia, 't' to grubość materiału, a 'S' to wytrzymałość materiału na ścinanie.

Dokładne określenie siły cięcia jest niezbędne do wyboru prasy o odpowiedniej nośności, zazwyczaj z marginesem bezpieczeństwa wynoszącym 20–30%. Innym kluczowym czynnikiem jest luz matrycy — odstęp między tłoczkiem a otworem matrycy. Jak wskazano w kompleksowym przewodniku autorstwa Jeelix , optymalny luz wynosi zazwyczaj 5–12% grubości materiału po każdej stronie. Zbyt mały luz zwiększa siłę cięcia i zużycie narzędzi, podczas gdy nadmierny luz może prowadzić do powstawania dużych zadziorów i niskiej jakości krawędzi. W przypadku zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości (AHSS), luz ten często trzeba zwiększyć, aby skutecznie zarządzać wyższymi naprężeniami.

Wybór materiału na elementy matrycy to kolejna podstawowa zasada. Wkłady tłoczne i matryce muszą cechować się równowagą twardości zapewniającej odporność na zużycie oraz odpornością na pękanie pod wpływem obciążeń udarowych. Typowymi materiałami są stale narzędziowe D2 i A2 w zastosowaniach ogólnych, natomiast w produkcji dużoseryjnej lub przy obróbce materiałów ściernych mogą być wymagane staliwa metalurgii proszkowej lub węgliki spiekane. Proces doboru wiąże się z kompromisem między kosztem a wydajnością, dążąc do maksymalizacji trwałości matrycy i minimalizacji przestojów konserwacyjnych. W przypadku złożonych zastosowań, takich jak w sektorze motoryzacyjnym, kluczowe jest skorzystanie z wiedzy specjalistycznej. Firmy takie jak Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. specjalizują się w matrycach tłoczarskich do przemysłu motoryzacyjnego, wykorzystując zaawansowane symulacje i wiedzę materiałową w celu dostarczania trwałe i efektywne rozwiązania narzędziowe.

Anatomia zestawu matrycy tnącej i przebijającej

Matryca nie jest monolitycznym klockiem ze stali, lecz precyzyjnym zespołem wzajemnie powiązanych komponentów, z których każdy pełni określoną funkcję. Zrozumienie tej budowy jest kluczowe dla projektowania, budowy i utrzymania skutecznego narzędziowania. Cały zespół znajduje się w zestawie matryc, składającym się z górnej i dolnej płyty matrycy (lub płytki), które są dopasowane za pomocą wpustów prowadzących i bushings. Ten podstawowy system zapewnia dokładność wyrównania na poziomie mikronów między górną a dolną częścią narzędzia podczas pracy wysokiej prędkości, co jest krytyczne dla zapobiegania uszkodzeniom i utrzymania spójności wyrobów.

Główne elementy robocze to tłoczek i matryca (lub tuleja matrycy/wkładka). Tłoczek, zamontowany do górnej płyty matrycy, jest elementem męskim wykonującym cięcie. Matryca, zamontowana do dolnej płyty, jest elementem żeńskim z otworem, w który wprowadzany jest tłoczek. Precyzyjna geometria oraz luz pomiędzy tymi dwoma częściami określają końcowy kształt przebitych otworów lub przyciętych krawędzi. Materiał, twardość oraz wykończenie powierzchni są kluczowe dla trwałości narzędzi oraz jakości detali.

Kolejnym kluczowym elementem jest wybijak. Po tym, jak tłoczek przetnie materiał, sprężystość blachy powoduje jej przyleganie do tłoczka. Funkcją wybijaka jest wymuszone oddzielenie materiału od tłoczka podczas suwu wstępnego prasy. Wbijaki mogą być stałe lub wyposażone w sprężyny; te drugie zapewniają nacisk, który utrzymuje materiał płasko podczas operacji cięcia, poprawiając w ten sposób płaskość detalu. W przypadku matryc przejściowych niezbędne są również prowadniki (piloty). Są to kołki, które wsuwają się w uprzednio wykonane otwory w taśmie, zapewniając dokładne wyrównanie na każdej kolejnej stacji.

Lista kontrolna konserwacji elementów matrycy:

• Tłoczki i wpustki tnące: Regularnie sprawdzaj krawędzie tnące pod kątem zaokrąglenia, łupania lub nadmiernego zużycia. Ostrzuj zgodnie z potrzebami, aby zapewnić czyste cięcie i zmniejszyć siłę tnącą.
• Piny prowadzące i bushings: Upewnij się, że są odpowiednio smarowane, oraz sprawdzaj objawy zacierania lub zużycia. Zużyte prowadnice mogą prowadzić do niewyważenia i katastrofalnych uszkodzeń matrycy.
• Płyta wybijakowa: Sprawdź, czy sprężyny (jeśli są stosowane) mają wystarczające naciski i nie są uszkodzone. Sprawdź, czy na powierzchni styku nie ma oznak zużycia.
• Zestaw matryc: Sprawdź podeszwy matrycy pod kątem pęknięć lub uszkodzeń. Upewnij się, że wszystkie elementy łączące są dokręcone zgodnie z odpowiednimi specyfikacjami.
• Ogólna czystość: Utrzymuj matrycę wolną od sztabek, wiórów i innych zanieczyszczeń, które mogą powodować wady detali lub uszkodzenia narzędzi.

Zaawansowane techniki i materiały projektowania matryc

Idąc dalej poza podstawowe zasady, zaawansowane projektowanie matryc koncentruje się na optymalizacji wydajności, pracy z trudnymi materiałami oraz wydłużeniu trwałości narzędzi w produkcji seryjnej. Jednym z najważniejszych postępów jest stosowanie matryc postępowych, które wykonują wiele operacji (np. przebijanie, przycinanie, gięcie) kolejno na różnych stanowiskach w obrębie jednego narzędzia. Jak wyjaśniają eksperci z Eigen Engineering , opanowanie projektowania matryc postępowych wymaga zaawansowanego planowania układu paska w celu maksymalnego wykorzystania materiału oraz zapewnienia stabilności paska podczas jego przesuwania przez matrycę.

W celu osiągnięcia wyjątkowej płaskości elementów stosuje się techniki takie jak wygładzanie nożowe i metoda cięcie-z transport. Wygładzanie nożowe to proces specjalistyczny, w którym do mocnego docisku materiału wykorzystuje się wysokociśnieniową poduszkę oraz pierścień V, co pozwala uzyskać pełną powierzchnię ścinania, proste krawędzie i niemal całkowicie wyeliminować strefę pęknięcia. Podobnie metoda cięcie-z-transport, szczegółowo opisana przez Wykonawca , polega na częściowym wykrojeniu elementu przez taśmę i utrzymywaniu go płasko za pomocą poduszki dociskowej przed jego wyrzuceniem na późniejszej stacji. Taka kontrola nad materiałem podczas cięcia minimalizuje naprężenia wewnętrzne, które powodują odkształcenia.

Projektowanie narzędzi do stali o wysokiej wytrzymałości (AHSS) wiąże się z unikalnymi wyzwaniami ze względu na ich dużą wytrzymałość i ograniczoną kruchość. Wymaga to większych luzów matryc, bardziej solidnych konstrukcji narzędzi oraz zastosowania wysokiej jakości materiałów narzędziowych, takich jak stali spiekane lub węgliki, aby wytrzymać ekstremalne obciążenia i zużycie ścierne. Dodatkowo, geometrię tłoków można modyfikować, aby zmniejszyć szczytowe obciążenie i wstrząsy. Zastosowanie noża o przekroju skośnym lub fazowanym rozkłada działanie cięcia na nieco dłuższy czas, co znacząco obniża wymaganą siłę oraz redukuje gwałtowny efekt "przebicia", który może uszkodzić zarówno matrycę, jak i prasę.

Matryce progresywne a matryce jednostanowiskowe

• Zalety matryc progresywnych: Bardzo wysoka szybkość produkcji, niższe koszty pracy, wysoka powtarzalność oraz możliwość połączenia wielu operacji w jednym narzędziu.
• Wady matryc progresywnych: Bardzo wysoki początkowy koszt narzędzi, złożony proces projektowania i budowy oraz mniejsza elastyczność w przypadku dużych lub głęboko tłoczonych elementów.
• Zalety matryc jednostanowiskowych: Niższy koszt form, prostszy projekt i większa elastyczność w przypadku małoseryjnej produkcji lub bardzo dużych elementów.
• Wady matryc jednostanowiskowych: Znacznie wolniejsza prędkość produkcji, wyższe koszty robocizny przypadające na jeden element oraz możliwość wystąpienia niekonsekwencji spowodowanych wielokrotnym manipulowaniem i pozycjonowaniem.

Często zadawane pytania

1. Jaka jest zasada projektowania form?

Chociaż nie ma jednej jedynej «zasady», projektowanie matryc oparte jest na zestawie ugruntowanych zasad. Obejmują one obliczanie sił cięcia na podstawie właściwości materiału, ustalenie odpowiedniego luzu między tłokiem a matrycą (zazwyczaj 5–12% grubości materiału po każdej stronie), zapewnienie sztywności konstrukcyjnej zestawu matrycy oraz zaplanowanie logicznej kolejności operacji w układzie taśmy. Głównym celem jest stworzenie narzędzia bezpiecznego, niezawodnego i produkującego elementy stale spełniające wymagania jakościowe.

2. Czym jest formowanie odlewania w formie obcinania?

Narzędzie do obcinania w odlewaniu pod ciśnieniem pełni podobną funkcję jak w tłoczeniu blach, ale działa na innym typie elementu. Po wytworzeniu detalu metodą odlewania pod ciśnieniem (wtrysku stopionego metalu do formy) pozostaje nadmiar materiału, taki jak układ wlewowo-ładowy, przelewy oraz naddatki. Matryca obcinająca to narzędzie stosowane w operacji wtórnej prasy, służące do ścinania tego niechcianego materiału, dzięki czemu otrzymuje się czysty, ukończony odlew.

3. Jaka jest zasada stali w cięciu matrycowym?

Cięcie matrycą ze stalowej taśmy to inna metoda, zwykle stosowana dla miękkich materiałów, takich jak papier, tektura, pianka lub cienkie tworzywa sztuczne. Polega na wciskaniu ostrej, cienkiej stalowej krawędzi („stalowa taśma”), która została wygięta w odpowiedni kształt i osadzona w płaskiej podstawie (często z warstwicy), w materiał. Jest to opłacalna metoda cięcia kształtów w zastosowaniach niemetalowych lub z bardzo cienkimi blachami.

4. Jakie są różne rodzaje cięcia matrycowego?

Cięcie tłoczne obejmuje kilka metod dostosowanych do różnych materiałów i objętości produkcji. W przypadku blach metoda ta odnosi się przede wszystkim do operacji tłoczenia, takich jak przebijanie, wykrawanie i obcinanie przy użyciu twardych narzędzi (głowice i matryce). Inne formy to cięcie na prasie płaskiej (do grubszych materiałów), cięcie rotary (do szybkiej produkcji nalepek lub uszczelek) oraz metody cięcia cyfrowego, takie jak cięcie laserowe lub wodą pod wysokim ciśnieniem, które nie wykorzystują fizycznej matrycy.