Основные принципы проектирования обрезных и пробивных штампов

Краткое содержание

Разработка штампов для обрезки и пробивки — это специализированная инженерная дисциплина, направленная на создание надежных пресс-форм для точной резки и пробивки листового металла. Успех зависит от точного расчета усилий резания, стратегического выбора материалов инструмента и применения передовых методов проектирования. Основные цели — эффективное управление напряжениями в материале, обеспечение чистоты реза с минимальными заусенцами, а также максимальное увеличение срока службы и точности штамповой оснастки.

Основы операций обрезки и пробивки

В области обработки листового металла обрезка и пробивка являются основными операциями резки, определяющими окончательную геометрию детали. Хотя эти процессы зачастую объединяют вместе, они выполняют разные функции. Обрезка — это удаление излишков материала по внешнему краю штампованной детали для получения её окончательного контура. Пробивка, напротив, заключается в формировании внутренних элементов, таких как отверстия или пазы, путём выдавливания материала из внутренней части заготовки. Оба процесса основаны на действии сдвига, при котором высокое напряжение концентрируется на режущих кромках пуансона и матрицы, вызывая чистое разрушение материала.

Качество механически обработанного края характеризуется четырьмя зонами: закругление (rollover), полированная поверхность (burnish), зона разрушения (fracture) и заусенец (burr). Как подробно описано в руководствах от Руководствам по AHSS , идеальный край для высокопрочных сталей имеет выраженную зону блестящего среза и гладкую зону излома, что крайне важно для предотвращения трещин при последующих операциях формовки. Понимание этих основ является первым шагом к проектированию инструмента, обеспечивающего стабильное получение компонентов высокого качества.

Для ясности их ролей полезно сравнить эти операции с другими распространенными процессами резки. Вырубка похожа на пробивку, но вырезанный материал (заготовка) является готовой деталью, тогда как при пробивке эта часть — отходы. Резка — более общее понятие для обозначения процесса прямолинейной резки листового металла между двумя ножами. Каждый процесс выбирается в зависимости от требуемого результата и его места в производственной последовательности.

Основные принципы проектирования штампов и ключевые расчёты

Эффективное проектирование штампов — это процесс, основанный на данных и инженерных принципах. Прежде чем начинать моделирование, проектировщики должны выполнить важнейшие расчёты, чтобы гарантировать, что инструмент выдержит эксплуатационные нагрузки и будет надёжно работать на выбранном прессе. Наиболее фундаментальный расчёт — это расчёт усилия резки, определяющий необходимое усилие пресса. Формула обычно выражается как: Усилие резки (F) = L × t × S , где 'L' — общая длина периметра реза, 't' — толщина материала, а 'S' — сопротивление срезу материала.

Точное определение усилия резки имеет важное значение для выбора пресса с достаточной тоннажной характеристикой, как правило, с запасом прочности в 20–30%. Другим важным фактором является зазор матрицы — расстояние между пуансоном и отверстием матрицы. Как указано в подробном руководстве от Jeelix , оптимальный зазор обычно составляет 5–12% от толщины материала на каждую сторону. Недостаточный зазор увеличивает усилие резки и износ инструмента, тогда как чрезмерный зазор может привести к образованию крупных заусенцев и низкому качеству кромки. Для высокопрочных сталей повышенной прочности (AHSS) эти зазоры зачастую необходимо увеличивать, чтобы справиться с более высокими напряжениями.

Выбор материала для самих деталей матрицы является еще одним ключевым принципом. Пробойники и вставки матриц должны обладать балансом твердости для износостойкости и вязкости, чтобы предотвратить сколы при ударных нагрузках. Обычно используются инструментальные стали D2 и A2 для общих задач, тогда как при высоком объеме производства или работе с абразивными материалами могут потребоваться стали метода порошковой металлургии или карбиды. Процесс выбора предполагает компромисс между стоимостью и производительностью, с целью максимизировать срок службы матрицы и минимизировать простои на техническое обслуживание. Для сложных применений, например, в автомобильной отрасли, крайне важна экспертная поддержка. Компании, такие как Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. специализируются на штамповочных матрицах для автомобильной промышленности, используя передовые симуляции и знания о материалах для создания надежных и эффективных инструментальных решений.

Анатомия комплекта вырубного и пробивного штампа

Штамп — это не монолитный стальной блок, а прецизионная сборка взаимосвязанных компонентов, каждый из которых выполняет определённую функцию. Понимание этой структуры имеет ключевое значение для проектирования, изготовления и обслуживания эффективного инструмента. Вся сборка размещается внутри штамповой оснастки, состоящей из верхней и нижней плиты (или пластины), которые выравниваются с помощью направляющих пальцев и втулок. Эта базовая система обеспечивает точность выравнивания между верхней и нижней частями инструмента на уровне микронов во время высокоскоростной работы, что критически важно для предотвращения повреждений и поддержания стабильности параметров детали.

Основными рабочими элементами являются пуансон и матрица (или вставка матрицы). Пуансон, установленный на верхнюю плиту матрицы, представляет собой мужской элемент, выполняющий резку. Матрица, установленная на нижнюю плиту, является женским элементом с отверстием, в которое входит пуансон. Точная геометрия и зазор между этими двумя деталями определяют окончательную форму пробитого отверстия или обрезанного края. Материал, твердость и отделка поверхности этих компонентов имеют первостепенное значение для срока службы инструмента и качества детали.

Другим важным компонентом является съемник. После того как пуансон пробивает материал, упругая деформация листового металла заставляет его прилипать к пуансону. Функция съемника заключается в принудительном снятии материала с пуансона при обратном ходе пресса. Съемники могут быть фиксированными или пружинными; последние создают давление, удерживающее материал в плоском состоянии во время операции резки, что улучшает плоскостность детали. В прогрессивных штампах также необходимы направляющие штифты (пилоты). Это штифты, которые входят в ранее просеченные отверстия в ленте для обеспечения точного позиционирования на каждой последующей рабочей позиции.

Чек-лист технического обслуживания компонентов штампа:

• Пуансоны и матрицы: Регулярно проверяйте режущие кромки на наличие закругления, выкрашивания или чрезмерного износа. При необходимости производите заточку для обеспечения чистой резки и снижения усилия резания.
• Направляющие пальцы и втулки: Убедитесь, что они должным образом смазаны, и проверьте наличие следов задиров или износа. Изношенные направляющие могут привести к смещению и катастрофическим авариям штампа.
• Съемная плита: Убедитесь, что пружины (при наличии) имеют достаточное давление и не сломаны. Проверьте поверхность контакта на наличие износа.
• Набор матриц: Проверьте бойки матрицы на наличие трещин или повреждений. Убедитесь, что все крепёжные элементы затянуты с требуемым моментом.
• Общая чистота: Следите за тем, чтобы матрица была свободна от облоя, заусенцев и других загрязнений, которые могут вызвать дефекты деталей или повреждение инструмента.

Передовые методы проектирования матриц и материалы

Выходя за рамки базовых принципов, передовое проектирование матриц направлено на оптимизацию производительности, работу со сложными материалами и увеличение срока службы инструмента при высоком объёме производства. Одним из наиболее значительных достижений является использование прогрессивных матриц, которые выполняют несколько операций (например, пробивку, обрезку, гибку) последовательно на разных позициях в рамках одного инструмента. Как поясняют эксперты компании Eigen Engineering , освоение проектирования прогрессивных матриц предполагает сложную разработку раскроя ленты для максимального использования материала и обеспечения устойчивости ленты при её продвижении через матрицу.

Для достижения исключительной плоскостности деталей используются такие методы, как вырубка с поджимом и метод вырезки с удержанием. Вырубка с поджимом — это специализированный процесс, при котором используется высоконапорная плита и V-образное кольцо для плотного зажима материала, что обеспечивает полную вырезку по срезу и получение детали с прямым краем практически без зоны разрушения. Аналогично, метод вырезки с удержанием, описанный Изготовитель , предполагает частичную вырубку детали через ленту и удержание её в плоском состоянии при помощи прижимной плиты до момента выброса на последующей позиции. Такой контроль над материалом во время резки минимизирует внутренние напряжения, вызывающие деформацию.

Проектирование для высокопрочных сталей повышенной прочности (AHSS) связано с уникальными трудностями из-за их высокой прочности и сниженной пластичности. Это требует увеличения зазоров матриц, более прочных конструкций инструментов и использования высококачественных инструментальных материалов, таких как порошковые стали или карбиды, способных выдерживать экстремальные нагрузки и абразивный износ. Кроме того, геометрию пуансона можно изменить, чтобы уменьшить пиковое усилие и ударную нагрузку. Применение пуансона с фаской или скосом по режущей кромке позволяет распределить процесс резки на немного более длительный период, что значительно снижает требуемое усилие и уменьшает резкий эффект «прорыва», способный повредить как матрицу, так и пресс.

Многопозиционные штампы против однопозиционных штампов

• Преимущества многопозиционных штампов: Очень высокая скорость производства, снижение затрат на рабочую силу, высокая повторяемость и объединение нескольких операций в одном инструменте.
• Недостатки многопозиционных штампов: Очень высокая первоначальная стоимость оснастки, сложный процесс проектирования и изготовления, а также меньшая гибкость при производстве крупных или глубоко вытянутых деталей.
• Преимущества однопозиционных штампов: Более низкая стоимость оснастки, упрощенная конструкция и большая гибкость для малых серий или очень крупных деталей.
• Недостатки одностанционных штампов: Значительно более медленная скорость производства, более высокая стоимость рабочей силы на единицу продукции и вероятность несоответствий из-за многократной обработки и позиционирования.

Часто задаваемые вопросы

1. Каково правило проектирования матрицы?

Хотя нет одного единственного «правила», проектирование штампов следует набору установленных принципов. К ним относятся расчет усилий резания на основе свойств материала, определение правильного зазора между пуансоном и матрицей (обычно 5–12% от толщины материала с каждой стороны), обеспечение жесткости конструкции штампа и планирование логической последовательности операций в разметке полосы. Главная цель — создать инструмент, который безопасен, надежен и стабильно производит детали, соответствующие требованиям к качеству.

2. Что такое обрезной штамп литья под давлением?

Инструмент для обрезки в литье под давлением выполняет схожую функцию с инструментом для штамповки листового металла, но применяется к другому типу деталей. После создания детали методом литья под давлением (впрыска расплавленного металла в форму) остаются излишки материала, такие как литниковая система, переполнители и заусенцы. Обрезной штамп — это инструмент, используемый во вторичной операции прессования для срезания этого нежелательного материала, в результате чего получается чистая, готовая отлитая деталь.

3. Что такое стальное правило для вырубки?

Вырубка стальным правилом — это другой процесс, обычно применяемый для более мягких материалов, таких как бумага, картон, пена или тонкие пластики. Он заключается в продавливании острого тонкого стального лезвия («стальное правило»), изогнутого по нужной форме и установленного в плоской основе (часто из фанеры), в материал. Это экономически эффективный метод вырезания форм в неметаллических материалах или очень тонком листовом металле.

4. Какие бывают виды вырубки?

Вырубка включает в себя несколько методов, адаптированных для различных материалов и объемов производства. В случае листового металла это в основном относится к операциям штамповки, таким как пробивка, вырезка заготовок и обрезка с использованием жесткой оснастки (пуансон и матрица). Другие формы включают плоскопробивную вырубку (для более толстых материалов), ротационную вырубку (для высокоскоростного производства этикеток или прокладок) и цифровые методы резки, такие как лазерная или гидроабразивная резка, при которых физическая матрица не используется.