Principiile cheie ale proiectării matrițelor de tăiere și perforare

REZUMAT

Proiectarea matrițelor pentru tăiere și perforare este o disciplină de inginerie specializată, axată pe crearea unor scule robuste pentru prese, destinate tăierii și găuririi precise a tablei subțiri. Succesul depinde de calcule exacte ale forțelor de tăiere, selecția strategică a materialelor sculelor și tehnici avansate de proiectare. Obiectivele principale sunt gestionarea eficientă a tensiunilor din material, asigurarea unor tăieturi curate cu minimum de bavuri și maximizarea duratei de viață operațională și preciziei setului de matrițe.

Noțiuni fundamentale despre operațiile de tăiere și perforare

În lumea prelucrării tablelor, debitarea și perforarea sunt operațiuni de bază de tăiere care definesc geometria finală a unei piese. Deși adesea sunt grupate cu procese similare, ele îndeplinesc funcții distincte. Debitarea este procesul de eliminare a materialului în exces de pe marginea exterioară a unei piese stampilate, pentru a obține profilul final. Perforarea, pe de altă parte, implică crearea unor elemente interne, cum ar fi găuri sau fante, prin îndepărtarea materialului din interiorul perimetrului piesei. Ambele operațiuni se bazează pe o acțiune de forfecare, la care o tensiune extremă este concentrată de-a lungul muchiilor de tăiere ale unui poanson și ale unei matrițe, determinând ruperea curată a materialului.

Calitatea unui contur tăiat mecanic este caracterizată de patru zone: curbura (rollover), luciul (burnish), fractura și bavura. Așa cum este descris în ghidurile din AHSS Guidelines , muchia ideală pentru oțelurile înalte rezistență prezintă o zonă de luciu distinctă și o zonă de rupere netedă, ceea ce este esențial pentru prevenirea fisurilor în operațiunile ulterioare de deformare. Înțelegerea acestor principii fundamentale este primul pas către proiectarea unui instrument care produce componente consistente și de înaltă calitate.

Pentru a clarifica rolurile lor, este util să comparăm aceste operațiuni cu alte procese comune de tăiere. Decuparea este similară cu perforarea, dar materialul extras (ștanța) este piesa dorită, în timp ce la perforare ștanța este deșeu. Taierea este un termen mai general pentru tăierea tablei într-o linie dreaptă între două cuțite. Fiecare proces este ales în funcție de rezultatul dorit și de locul său în cadrul secvenței de fabricație.

Principii de bază ale proiectării matrițelor și calcule cheie

Proiectarea eficientă a matrițelor este un proces bazat pe date, fundamentat pe principii de inginerie. Înainte de orice modelare, proiectanții trebuie să efectueze calcule esențiale pentru a se asigura că scula poate rezista forțelor operaționale și poate funcționa în mod fiabil în presa selectată. Cel mai fundamental calcul este cel al forței de tăiere, care determină sarcina necesară presei. Formula este exprimată în general astfel: Forța de tăiere (F) = L × t × S , unde „L” reprezintă lungimea totală a perimetrului tăieturii, „t” este grosimea materialului, iar „S” este rezistența la forfecare a materialului.

Determinarea precisă a forței de tăiere este esențială pentru selectarea unei prese cu o capacitate adecvată, de obicei cu o marjă de siguranță de 20-30%. Un alt factor critic este jocul matriței — spațiul dintre poanson și deschiderea matriței. Așa cum este prezentat într-un ghid cuprinzător realizat de Jeelix , jocul optim este în mod tipic de 5-12% din grosimea materialului pe fiecare parte. Un joc insuficient crește forța de tăiere și uzura sculei, în timp ce un joc excesiv poate duce la formarea de reburi mari și la o calitate slabă a marginii. Pentru oțelurile avansate cu înaltă rezistență (AHSS), aceste jocuri trebuie adesea mărite pentru a gestiona tensiunile mai mari implicate.

Selectarea materialelor pentru componentele matriței însele este un alt principiu fundamental. Poansoanele și inserțiile matrițelor trebuie să aibă un echilibru între duritate pentru rezistența la uzură și tenacitate pentru a preveni ciupirea sub impact. Opțiunile comune includ oțelurile pentru scule D2 și A2 pentru aplicații generale, în timp ce producția de mare volum sau lucrul cu materiale abrazive poate necesita oțeluri din metalurgia pulberilor sau carburi. Procesul de selecție implică un compromis între cost și performanță, având ca scop maximizarea duratei de viață a matriței și minimizarea opririlor pentru întreținere. Pentru aplicații complexe, cum ar fi în sectorul auto, este esențial să se apeleze la experți. Companii precum Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. se specializează în matrițe pentru stamparea pieselor auto, valorificând simulări avansate și cunoștințe profunde despre materiale pentru a oferi soluții eficiente și robuste de echipamente.

Anatomia unui set de matriță pentru tăiere și perforare

Un şablon nu este un bloc monolitic de oţel, ci o asamblare precisă de componente interdependente, fiecare având o funcție specifică. Înțelegerea acestei anatomii este esențială pentru proiectarea, construcția și întreținerea unui utilaj eficient. Întreaga asamblare este montată într-un set de şabloane, care constă dintr-o placă superioară și una inferioară aliniate prin pivoți și bușoane ghid. Acest sistem fundamental asigură o aliniere la nivel de microni între jumătățile superioară și inferioară ale sculei în timpul operațiunilor la viteză mare, ceea ce este esențial pentru prevenirea deteriorării și menținerea consistenței pieselor.

Componentele principale de lucru sunt poansonul și placa matrice (sau butonul/insertul matriței). Poansonul, montat pe încălțămintea superioară a matriței, este componenta mascul care realizează tăierea. Placa matrice, montată pe încălțămintea inferioară, este componenta femelă cu o deschidere în care pătrunde poansonul. Geometria precisă și jocul dintre aceste două piese definesc forma finală a găurii perforate sau a marginii tăiate. Materialul, duritatea și finisajul suprafeței acestora sunt esențiale pentru durata de viață a sculei și calitatea piesei.

Un alt component crucial este demontorul. După ce un ştanţ face o tăietură prin material, revenirea elastică a tablei face ca aceasta să rămână agățată de ştanț. Funcția demontorului este de a îndepărta forțat materialul de pe ştanţ în cursa ascendentă a presei. Demontorii pot fi fixi sau cu arc, acesta din urmă exercitând o presiune pentru a menține materialul plan în timpul operațiunii de tăiere, îmbunătățind astfel planitatea piesei. Pentru matrițele progresive, sunt esențiali și ghidajele (piloții). Aceștia sunt pini care se angajează în găurile deja perforate din bandă pentru a asigura o aliniere precisă la fiecare stație ulterioară.

Listă de verificare pentru întreținerea componentelor matrițelor:

• Ştanțuri și buțișoare de matriță: Inspeccionați periodic muchiile de tăiere pentru rotunjire, ciupire sau uzură excesivă. Întrețineți-le prin ascuțire după necesitate pentru a menține o tăiere curată și a reduce forța de tăiere.
• Pini de ghidare și bucșe: Asigurați-vă că sunt corespunzător unse și verificați dacă apar semne de gripare sau uzură. Ghidajele uzate pot duce la dezaliniere și la avarii grave ale matriței.
• Placă de desprindere: Verificați dacă arcurile (dacă sunt aplicabile) au presiunea adecvată și nu sunt rupte. Căutați urme de uzură pe suprafața de contact.
• Set matriță: Examinați încălțările matriței pentru crăpături sau deteriorări. Asigurați-vă că toate elementele de fixare sunt strânse la cuplul corect specificat.
• Curățenie generală: Păstrați matrița liberă de tăieturi, așchii și alte resturi care ar putea cauza defecte la piese sau deteriorarea sculelor.

Tehnici avansate de proiectare a matrițelor și materiale

Depășind principiile de bază, proiectarea avansată a matrițelor se concentrează asupra optimizării performanței, manipulării materialelor dificile și prelungirii duratei de viață a sculelor în producția de mare volum. Una dintre cele mai semnificative evoluții o reprezintă utilizarea matrițelor progresive, care efectuează operațiuni multiple (de exemplu, perforare, tăiere, îndoire) secvențial, la stații diferite în cadrul unei singure scule. Așa cum explică experții de la Eigen Engineering , stăpânirea proiectării matrițelor progresive implică planificarea sofisticată a așezării benzi pentru a maximiza utilizarea materialului și pentru a asigura stabilitatea benzii pe măsură ce avansează prin matriță.

Pentru obținerea unei planități excepționale a pieselor, se folosesc tehnici precum fineblanking și cut-and-carry. Fineblanking este un proces specializat care utilizează o placă cu presiune înaltă și un inel tip V pentru a fixa materialul strâns, rezultând o piesă complet tăiată prin forfecare, cu muchii drepte și practic fără zonă de rupere. În mod similar, metoda cut-and-carry, descrisă de Fabricantul , implică debitarea parțială a piesei prin bandă și menținerea ei în poziție plană cu ajutorul unei plăci de presiune, înainte ca aceasta să fie ejectată la o stație ulterioară. Această controlare a materialului în timpul tăierii minimizează tensiunile interne care provoacă deformările.

Proiectarea pentru oțelurile înalte rezistență avansate (AHSS) prezintă provocări unice datorită rezistenței ridicate și ductilității reduse. Aceasta necesită jocuri mai mari ale matriței, structuri de scule mai robuste și materiale premium pentru scule, cum ar fi oțelurile din metalurgia pulberilor sau carbura, pentru a rezista forțelor extreme și uzurii abrasive. În plus, geometria poansonului poate fi modificată pentru a reduce sarcina maximă și șocul. Utilizarea unei fețe de poanson tăiate înclinat sau biconice etalează acțiunea de tăiere pe o durată ușor mai lungă, ceea ce reduce semnificativ forța necesară și efectul violent de „rupere bruscă” care poate deteriora atât matrița, cât și presa.

Matrițe progresive vs. Matrițe cu stație unică

• Avantaje ale matrițelor progresive: Viteză de producție extrem de ridicată, costuri reduse cu forța de muncă, repetabilitate mare și consolidarea mai multor operații într-o singură sculă.
• Dezavantaje ale matrițelor progresive: Costuri inițiale foarte mari pentru scule, proces complex de proiectare și realizare și flexibilitate redusă pentru piese mari sau adânc trase.
• Avantaje ale matrițelor cu stație unică: Costuri mai mici pentru echipamente, design mai simplu și o flexibilitate sporită pentru producții de volum redus sau piese foarte mari.
• Dezavantaje ale matrițelor cu stație unică: Viteză de producție mult mai lentă, costuri mai mari cu forța de muncă pe piesă și posibilitatea unor inconsistențe datorită manipulărilor și poziționărilor repetate.

Întrebări frecvente

1. Care este regula de proiectare a matriței?

Deși nu există o singură „regulă”, proiectarea matriței urmează un set de principii stabilite. Acestea includ calcularea forțelor de tăiere în funcție de proprietățile materialului, stabilirea jocului corespunzător între poanson și placă de tăiere (în mod tipic 5-12% din grosimea materialului pe parte), asigurarea rigidității structurale a ansamblului de matrițe și planificarea unei succesiuni logice a operațiilor în așezarea benzi. Obiectivul general este crearea unei scule sigure, fiabile și care produce piese care respectă în mod constant specificațiile de calitate.

2. Ce este turnarea sub presiune cu matrita de finisare?

Un sculă de debitare în turnarea sub presiune îndeplinește un rol asemănător cu cel din ștanțarea tablei, dar operează asupra unui tip diferit de piesă. După ce o piesă este creată prin turnare sub presiune (injectarea unui metal topit într-o formă), rămâne cu material în exces, cum ar fi canalul de turnare, degajările și bavurile. O matriță de debitare este un sculă utilizată într-o operațiune secundară de presare pentru a tăia acest material nedorit, lăsând o piesă turnată curată și finită.

3. Care este regula din oțel pentru ștanțare?

Ștanțarea cu oțel flexibil este un proces diferit, utilizat în mod obișnuit pentru materiale mai moi, cum ar fi hârtia, cartonul, spuma sau plasticele subțiri. Aceasta presupune apăsarea unei lame ascuțite din oțel subțire (,,oțelul flexibil”), care a fost îndoită în forma dorită și încorporată într-o bază plană (adesea din placaj), în material. Este o metodă rentabilă pentru tăierea formelor în aplicații din materiale ne-metalice sau din tablă foarte subțire.

4. Care sunt tipurile diferite de ștanțare?

Decuparea include mai multe metode adaptate la diferite materiale și volume de producție. În cazul tablelor metalice, aceasta se referă în principal la operațiuni de stampare, cum ar fi perforarea, decuparea și tăierea, utilizând scule dure (ansamble de poanson și matriță). Alte forme includ decuparea pe banc fixă (pentru materiale mai groase), decuparea rotativă (pentru producția rapidă de etichete sau garnituri) și metodele digitale de tăiere, cum ar fi tăierea cu laser sau cu jet de apă, care nu utilizează o formă fizică.