Основні принципи проектування обрізних і пробивних матриць

Коротко

Проектування штампів для обрізки та прошивання — це спеціалізована інженерна дисципліна, спрямована на створення міцних прес-інструментів для точного різання та пробивання отворів у листовому металі. Успіх залежить від точних розрахунків зусиль різання, стратегічного вибору матеріалів інструментів та застосування сучасних методів проектування. Основні завдання — ефективне керування напруженням матеріалу, забезпечення чистого різання з мінімальним утворенням заусенців та максимізація терміну служби й точності комплекту штампів.

Основи операцій обрізки та прошивання

У світі виготовлення виробів із листового металу обрізка та пробивання є основними операціями різання, які визначають фінальну геометрію деталі. Хоча ці процеси часто об'єднують із подібними операціями, вони виконують різні функції. Обрізка — це процес видалення зайвого матеріалу з зовнішнього краю штампованої деталі для отримання її остаточного профілю. Пробивання, навпаки, полягає у створенні внутрішніх елементів, таких як отвори або прорізи, шляхом витискання матеріалу з-усередини контуру деталі. Обидві операції ґрунтуються на зрізанні, під час якого надзвичайно велике напруження концентрується на різальних кромках пуансона та матриці, що призводить до чистого руйнування матеріалу.

Якість механічно обробленого краю характеризується чотирма зонами: закруглення, блиск, зона розриву та заусенець. Як детально описано в посібниках від AHSS Guidelines , ідеальний край для сталей підвищеної міцності має чітко виражену зону блиску та гладку зону руйнування, що є критично важливим для запобігання утворенню тріщин під час наступних операцій формування. Розуміння цих основ є першим кроком до створення інструмента, який забезпечує стабільне виробництво компонентів високої якості.

Щоб уточнити їхні ролі, корисно порівняти ці операції з іншими поширеними процесами різання. Вирубка подібна до прошивки, але матеріал, який вирізається (залишок), є бажаним виробом, тоді як при прошивці цей залишок є відходами. Різання — це більш загальний термін для розрізання листового металу по прямій лінії між двома ножами. Кожен процес обирається залежно від бажаного результату та його місця в технологічному ланцюгу виробництва.

Основні принципи проектування штампів та ключові розрахунки

Ефективне проектування штампів — це процес, керований даними та заснований на інженерних принципах. Перш ніж починати моделювання, конструктори мають виконати важливі розрахунки, щоб забезпечити здатність інструменту витримувати експлуатаційні навантаження та надійно працювати на обраному пресі. Найбільш фундаментальним є розрахунок зусилля різання, яке визначає необхідну потужність преса. Формула зазвичай подається у вигляді: Зусилля різання (F) = L × t × S , де 'L' — загальна довжина периметра різання, 't' — товщина матеріалу, а 'S' — межа зсувної міцності матеріалу.

Точне визначення зусилля різання є важливим для вибору преса з достатньою тоннажністю, як правило, із запасом міцності 20–30%. Іншим важливим фактором є зазор матриці — проміжок між пуансоном і отвором матриці. Як зазначено в комплексному посібнику від Jeelix , оптимальний зазор зазвичай становить 5–12% від товщини матеріалу на кожний бік. Недостатній зазор збільшує зусилля різання та знос інструменту, тоді як надмірний зазор може призвести до утворення великих заусенців і поганої якості краю. Для високоміцних сталей підвищеної міцності (AHSS) ці зазори часто потрібно збільшувати, щоб краще керувати вищими напруженнями.

Вибір матеріалу для самих компонентів матриці є ще одним основним принципом. Пробивні пуансони та вставки матриць повинні мати баланс міцності для стійкості до зносу та в’язкості, щоб запобігти утворенню сколень під дією ударних навантажень. Поширеними варіантами є інструментальні сталі D2 та A2 для загального застосування, тоді як для високовольтного виробництва або роботи з абразивними матеріалами можуть знадобитися сталі порошкової металургії або карбіди. Процес вибору передбачає компроміс між вартістю та ефективністю, мета якого — максимізувати термін служби матриці та мінімізувати час простою через обслуговування. Для складних застосувань, таких як у автомобільній галузі, важливо залучати експертів. Компанії, такі як Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. спеціалізуються на штампувальних матрицях для автомобільної промисловості, використовуючи сучасні симуляції та знання матеріалів для надання міцних та ефективних рішень для оснащення.

Анатомія комплекту обрізної та пробивної матриці

Матриця — це не монолітний блок із сталі, а прецизійне збирання взаємопов'язаних компонентів, кожен з яких виконує певну функцію. Розуміння цієї будови є ключовим для проектування, виготовлення та обслуговування ефективного інструменту. Уся конструкція розміщена всередині набору матриць, що складається з верхньої та нижньої плити матриці (або пластини), які вирівнюються за допомогою направляючих штифтів і втулок. Ця базова система забезпечує узгодження з точністю до мікронів між верхньою та нижньою частинами інструменту під час високошвидкісної роботи, що має критичне значення для запобігання пошкодженню та збереження стабільності деталей.

Основними робочими елементами є пуансон і матриця (або втулка/вставний елемент матриці). Пуансон, закріплений на верхній плиті матриці, є чоловічим елементом, який виконує різання. Матриця, закріплена на нижній плиті, є жіночим елементом із отвором, в який входить пуансон. Точна геометрія та зазор між цими двома деталями визначають остаточну форму пробитого отвору або обрізаного краю. Матеріал, твердість і стан поверхні цих компонентів мають вирішальне значення для терміну служби інструменту та якості виробу.

Ще одним важливим компонентом є відкидач. Після того, як пробивний пуансон прорізає матеріал, пружне відновлення листового металу призводить до його прилипання до пуансона. Функція відкидача полягає в тому, щоб примусово зняти матеріал із пуансона під час ходу преса вгору. Відкидачі можуть бути фіксованими або пружинними; останні забезпечують тиск, щоб утримувати матеріал рівним під час операції різання, тим самим покращуючи плоскість деталі. Для прогресивних штампів необхідні також центрувальні пальці. Це штирі, які входять у попередньо пробиті отвори в стрічці для забезпечення точного позиціонування на кожній наступній станції.

Контрольний список технічного обслуговування компонентів штампа:

• Пуансоны та матричні вставки: Регулярно перевіряйте різальні кромки на наявність заокруглень, сколів або надмірного зносу. Загострюйте за необхідності, щоб забезпечити чистий розріз і зменшити зусилля різання.
• Орієнтирні шпильки та втулки: Переконайтеся, що вони належним чином змащені, і перевіряйте на наявність ознак задирок або зносу. Зношені напрямні можуть призвести до неправильного позиціонування та катастрофічних аварій штампа.
• Виштовхувач: Переконайтеся, що пружини (якщо вони є) мають достатній тиск і не пошкоджені. Перевірте наявність зносу на контактних поверхнях.
• Штампова оснастка: Огляньте матричні плити на наявність тріщин або пошкоджень. Переконайтеся, що всі кріплення затягнуті згідно з правильним моментом затягування.
• Загальна чистота: Тримайте матрицю позбавленою від шліпків, стружки та інших забруднень, які можуть спричинити дефекти деталей або пошкодження інструменту.

Сучасні методики проектування матриць та матеріали

Поза базовими принципами, сучасне проектування матриць орієнтоване на оптимізацію продуктивності, обробку складних матеріалів та збільшення терміну служби інструменту для виробництва великих обсягів. Одним із найважливіших досягнень є використання прогресивних матриць, які послідовно виконують кілька операцій (наприклад, пробивання, обрізку, гнучку) на різних позиціях у межах одного інструменту. Як пояснюють експерти з Eigen Engineering , освоєння проектування прогресивних матриць передбачає складне планування розташування смуги для максимізації використання матеріалу та забезпечення стабільності смуги під час її просування крізь матрицю.

Для досягнення виняткової плоскості деталей використовуються такі методи, як витягування з притиском та метод вирізання з утриманням. Витягування з притиском — це спеціалізований процес, при якому матеріал щільно закріплюється за допомогою підкладки підвищеного тиску та V-подібного кільця, що забезпечує повністю зрізану деталь із прямими краями та практично без зони руйнування. Аналогічно, метод вирізання з утриманням, описаний Виробник , полягає у частковому витягуванні деталі через стрічку та утриманні її в рівному положенні за допомогою притискної підкладки до моменту виштовхування на наступній операції. Такий контроль над матеріалом під час різання мінімізує внутрішні напруження, які призводять до деформації.

Проектування для високоміцних сталей підвищеної міцності (AHSS) стикається з унікальними труднощами через їхню високу міцність і знижену пластичність. Це вимагає більших зазорів матриці, міцніших конструкцій інструментів і використання якісних інструментальних матеріалів, таких як порошкові сталі або карбіди, щоб витримувати екстремальні навантаження та абразивний знос. Крім того, геометрію пуансону можна змінити, щоб зменшити пікове зусилля та удар. Використання зрізаної або фасонної робочої поверхні пуансона розподіляє процес різання на трохи довший проміжок часу, що значно зменшує необхідне зусилля і знижує руйнівний ефект "прориву", який може пошкодити як матрицю, так і прес.

Багатопозиційні штампи проти однопозиційних штампів

• Переваги багатопозиційних штампів: Надзвичайно висока швидкість виробництва, зниження витрат на робочу силу, висока повторюваність і об'єднання кількох операцій в один інструмент.
• Недоліки багатопозиційних штампів: Дуже висока початкова вартість оснащення, складний процес проектування та виготовлення, менша гнучкість для великих або глибоко витягнутих деталей.
• Переваги однопозиційних штампів: Нижча вартість оснастки, простіший дизайн і більша гнучкість для малих серій або дуже великих деталей.
• Недоліки одностанційних матриць: Значно повільніший темп виробництва, вищі трудовитрати на одиницю продукції та можливість виникнення неузгодженостей через багаторазове обслуговування й позиціонування.

Поширені запитання

1. Яке правило проектування матриці?

Хоча й не існує єдиного «правила», проектування матриць дотримується низки встановлених принципів. До них належать розрахунок зусиль різання на основі властивостей матеріалу, визначення правильного зазору між пуансоном і матрицею (як правило, 5–12% від товщини матеріалу на сторону), забезпечення структурної жорсткості комплекту матриць і планування логічної послідовності операцій у схемі стрічки. Головною метою є створення інструменту, який є безпечним, надійним і виготовляє деталі, що постійно відповідають вимогам до якості.

2. Що таке обрізна матриця для лиття під тиском?

Інструмент для обрізки в литті під тиском виконує схожу функцію до інструменту для штампування листового металу, але працює з іншим типом деталей. Після створення деталі методом лиття під тиском (вприскування розплавленого металу в форму) залишається зайвий матеріал, такий як литник, перепуски та заливи. Обрізна матриця — це інструмент, який використовується в додатковій операції пресування для зрізання цього небажаного матеріалу, щоб отримати чисту готову виливку.

3. Що таке сталеве правило для вирубки?

Вирубка сталевим правилом — це інший процес, який зазвичай використовується для м'яких матеріалів, таких як папір, картон, піна або тонкі пластмаси. Він полягає у впровадженні гострого тонкого сталевого леза («сталеве правило»), яке було вигнуте у потрібну форму та закріплене в плоскій основі (часто з фанери), у матеріал. Це економічно вигідний метод вирізання форм у неметалевих матеріалах або дуже тонкому листовому металі.

4. Які існують різні типи вирубки?

Вирізання включає кілька методів, адаптованих до різних матеріалів і обсягів виробництва. У металевих листах це переважно стосується штампувальних операцій, таких як пробивання, вирубку та обрізку за допомогою жорсткого інструменту (комплекти пуансонів і матриць). Інші форми включають плоскоштампувальне вирізання (для товстіших матеріалів), ротаційне вирізання (для високошвидкісного виробництва етикеток або прокладок) та цифрові методи різання, наприклад, лазерне або гідроабразивне різання, які не використовують фізичний штамп.