Пресс-формы, штампы, матрицы и пуансоны: как их делают и из каких сталей

Что такое оснастка и из чего она состоит

Оснасткой называют инструмент, который придаёт форму детали в серийном процессе: штампы для листа, пресс-формы для пластмасс и литья металлов, ковочные штампы. У каждого вида свои рабочие части.

В пресс-форме для литья пластмасс роль рабочих частей играют формообразующие вставки. Матрица формирует наружную поверхность изделия, пуансон (знак) внутреннюю. Вокруг них стоит пакет плит с направляющими колонками, литниковой системой, каналами охлаждения и толкателями. Плиты пакета обычно делают из конструкционной стали, например стали 45, а точность и стойкость определяют вставки из инструментальной стали.

Маршрут изготовления

У штампа и у пресс-формы маршрут похож. Сначала из твёрдой стали делать почти ничего нельзя: её обрабатывают в отожжённом, мягком состоянии, потом закаливают, а размеры доводят уже на закалённом металле.

Подробнее о том, что происходит с металлом при закалке и отпуске, — в материале о видах термообработки.

Электроэрозия: главный инструмент инструментальщика

Сталь твёрдостью 58–62 HRC фрезеруют только специальным инструментом и с малым съёмом, а острый внутренний угол фреза не сделает вовсе: в углу всегда останется её радиус. Электроэрозионная обработка снимает металл электрическими разрядами между электродом и заготовкой в диэлектрической жидкости, и твёрдость металла ей безразлична. Нужно только, чтобы материал проводил ток.

Направляющие проволочных станков точны до нескольких микрометров, поэтому проволокой удаётся получить пуансон и матрицу с заданным зазором из одной закалённой заготовки. Главный недостаток электроэрозии — низкая скорость съёма металла. Поэтому всё, что можно снять фрезой до закалки, снимают фрезой, а эрозии оставляют только то, чего иначе не сделать.

Фрезеровка закалённой стали, шлифовка и полировка

Современные обрабатывающие центры фрезеруют закалённую сталь твердосплавными фрезами с покрытием и фрезами из кубического нитрида бора. Это сокращает долю электроэрозии: открытые формообразующие поверхности сложной формы получают сразу чистовым фрезерованием с малым шагом. Для таких поверхностей часто нужен пятиосевой станок, чтобы подойти к стенке коротким инструментом. Когда это оправдано, разобрано в статье о 3-, 4- и 5-осевой обработке.

Шлифовка остаётся способом получить точные плоскости, параллельность плит и цилиндрические посадки колонок и втулок. Полировку формообразующих поверхностей пресс-форм делают вручную или полуавтоматически, и от неё зависят блеск изделия и то, как деталь выходит из формы.

Какие стали выбирают

Сталь для оснастки выбирают по трём вопросам: какая нагрузка (удар, истирание, давление расплава), какая температура и сколько деталей нужно сделать.

Твёрдость по ГОСТ относится к контрольным образцам после стандартной термообработки. Рабочую твёрдость конкретной оснастки назначает конструктор под нагрузку: высокая твёрдость лучше держит износ, а низкая лучше выдерживает удар.

Ресурс оснастки и тираж

Для пресс-форм литья пластмасс есть устоявшаяся классификация американской ассоциации SPI. Она связывает класс формы с числом циклов и требованиями к стали.

Производственная платформа Fictiv оценивает, что формы из алюминия обычно выдерживают до 10 000 впрысков, из P20 — 50 000–100 000, из закалённой H13 — 500 000 – 1 000 000. Эти цифры сильно зависят от пластика: стеклонаполненные материалы истирают форму быстрее.

Для штампов листовой штамповки единой таблицы нет. Стойкость между перешлифовками зависит от материала листа, толщины, зазора и смазки, а общий ресурс — от того, сколько раз кромку можно перешлифовать.

Отсюда практический вывод: для первой партии в сотни деталей дорогую закалённую форму делать не нужно: хватит алюминиевой или прототипной, а иногда и вовсе другой технологии без оснастки. Где проходят эти границы, мы считали в статье «Прототип или серия».