Штамп для вырубки и пробивки: зазор, усилие и стали пуансона

Что делает штамп при вырубке и пробивке

Вырубкой называют отделение детали по замкнутому контуру: годной частью остаётся вырубленная заготовка, а лист вокруг идёт в отход. Пробивка делает обратное: годен лист, а вырубленный кусочек падает в отход. Шайба Ø40 с отверстием Ø20 требует обеих операций, и в одном штампе их совмещают.

Устройство пары пуансон и матрица, материалы и маршрут изготовления подробно описаны в статье о пресс-формах и штампах. Здесь о том, как задать зазор и усилие и как не ошибиться с тиражом.

Лист входит в зазор так: пуансон вдавливается, металл срезается на небольшую часть толщины, и дальше идёт разрушение, при котором верхняя и нижняя трещины должны встретиться. По Википедии, деталь срезается примерно на 10 % толщины и затем отрывается от листа. На кромке получается скругление входа, блестящий поясок среза, зона отрыва и заусенец. Если трещины не встречаются, на кромке остаётся ступенька и вторичный срез.

Зазор между пуансоном и матрицей

Зазор определяет всё остальное: форму кромки, высоту заусенца, усилие и стойкость инструмента. В русских справочниках двусторонний зазор Z записывают как m·s, где m лежит в пределах 0,05–0,2 в зависимости от материала и толщины, и отмечают, что наибольшую стойкость инструмент показывает при зазоре около 6 % толщины. Компании, продающие инструмент для координатно-пробивных прессов, считают иначе: Roper Whitney называет для мягкой стали 10 % на сторону (20 % суммарно), а для тонкого алюминия около 7,5 % на сторону (15 % суммарно). Расхождение объясняется критерием: одни оптимизируют качество кромки, другие стойкость.

По латуни и меди единого значения нет, поэтому сверяйтесь с таблицей, по которой работает ваш инструментальщик. Правило общее: чем твёрже и прочнее материал, тем зазор больше, а чем мягче и вязче, тем меньше.

Из зазора рождаются размеры рабочих деталей. При вырубке размер детали задаёт матрица, пуансон делают меньше на суммарный зазор. При пробивке наоборот, размер отверстия задаёт пуансон, а матрицу делают больше. Для шайбы Ø40/Ø20 из стали толщиной 2 мм возьмём 7 % на сторону, то есть 0,14 мм на сторону и 0,28 мм суммарно. Тогда матрица вырубки Ø40,00, пуансон вырубки Ø39,72, пуансон пробивки Ø20,00, матрица пробивки Ø20,28 (допуски на рабочие размеры обычно ставят по 6–8-му квалитету, значения есть в справочнике квалитетов).

Усилие вырубки и подбор пресса

Основная формула: P = K·L·s·τср, где L периметр реза, s толщина листа, τср сопротивление срезу, K коэффициент запаса на затупление кромок и разброс толщины. Один справочник даёт K = 1,1–1,3 для разброса толщины 5–10 % и затупления кромок, другой для упрощённой формулы берёт 1,3. Сопротивление срезу считают от предела прочности: τср ≈ 0,8·σв, а учебные таблицы дают и 0,6–0,7·σв. Для подбора пресса берут верхнюю оценку, потому что недобор опаснее перерасхода.

Значения σв взяты со страниц материалов: сталь 10, сталь 20, Ст3, АД0, латунь Л63, 12Х18Н10Т. Для штамповки материал берут в мягком, отожжённом или нормализованном состоянии, а нагартованный лист даёт заметно большее усилие.

Усилие падает, если разнести моменты реза во времени. На рабочей кромке делают скос: она идёт под углом, и контур режется не целиком, а постепенно. Расчётные формулы для такого инструмента вводят понижающий множитель, по одной из методик от 0,5 до 0,8 к усилию плоской кромки. Скос делают так, чтобы плоской осталась годная часть: при вырубке на матрице, при пробивке на пуансоне. Другой способ для штампов со многими пробивными пуансонами: ступенчатая длина, когда пуансоны различаются по высоте примерно на толщину листа и входят в металл по очереди. Пик усилия снижается, а работа остаётся той же. В совмещённом штампе для одной шайбы приём почти не нужен, зато в штампе с десятком пробивных пуансонов он спасает пресс и сам штамп.

Из чего делают пуансоны и матрицы

Рабочие детали штампа делают из сталей, которые держат износ на кромке и не выкрашиваются от удара. Основной вопрос выбора это размер и сложность формы, тираж и материал листа.

Цифры по HRC даны по статьям материалов этого сайта и ГОСТ 5950 и ГОСТ 1435, перевод в другие шкалы есть в справочнике твёрдости. Рабочую твёрдость назначает конструктор: выше 62 HRC пуансон хрупок и скалывается от перекоса, ниже 56 быстро заминается. Порядок термообработки, который даёт эти цифры, разобран в статье о закалке и отпуске.

Стойкость до переточки зависит от трёх вещей: материала листа (нержавейка и кремнистая сталь стачивают кромку быстрее мягкой стали), зазора и смазки. Заранее называть числа по тиражу нельзя, это опыт конкретного штампа. Практический признак тот же: растёт заусенец, и штамп идёт на шлифовку по торцу рабочей кромки. Каждая перешлифовка уменьшает рабочую высоту матрицы, поэтому в конструкции закладывают запас по высоте на несколько заточек.

Раскладка, перемычки и съём полосы

Полоса идёт через штамп шагом. Шаг равен размеру детали вдоль подачи плюс перемычка между вырубками. Перемычки (боковая и между деталями) делают порядка толщины листа и больше, а для листа 2 мм это 2–3 мм: тоньше перемычка ломается, полоса сминается, деталь получается с заусенцем. Точные значения лежат в справочнике по штамповке, а не в этой статье, потому что они зависят от материала и формы контура.

Раскладка влияет на цену сильнее, чем кажется. Для шайбы Ø40 в один ряд берут полосу шириной 44 мм с шагом 42 мм, и на деталь уходит 44 × 42 = 1 848 мм² листа. Площадь самой шайбы с отверстием π·(20² − 10²) ≈ 942 мм², то есть использование материала около 51 %. Каждый процент отхода при тираже в сотни тысяч деталей оплачивается из той же сметы, что и штамп, поэтому варианты раскладки сравнивают до заказа оснастки. Раскрой листа под разные детали считает калькулятор раскроя.

Съёмник нужен потому, что после реза полоса сжимается на пуансоне и поднимается вместе с ним. Различают жёсткий съёмник (плита с проходом по ширине полосы) и подпружиненный, который заодно прижимает полосу во время реза и снижает заусенец. Усилие съёма закладывают в расчёт пресса, как мы сделали выше.

Когда штамп не окупается

Штамп это постоянные затраты, лазер это затраты на деталь. Точку безубыточности считают как цену штампа, делённую на разницу между ценой детали лазером и ценой детали штампом.

• Штамп совмещённого действия: 350 000 ÷ (22 − 3) ≈ 18 400 деталей.
• Простой штамп на один контур: 80 000 ÷ 19 ≈ 4 200 деталей.

Это нижняя граница тиража, при которой штамп начинает выигрывать, и она не учитывает срок: штамп делают недели, лазер режет завтра. Если деталь ещё меняется, штамп под неё делать рано: на сотнях штук лазер с гибкой на листогибе дешевле и не боится правок. Если у детали есть гибы, к штампу вырубки добавляются гибочные штампы, и точка безубыточности уходит вправо.

Как делают матрицы: ЭЭО и шлифовка

Контуры матриц и пуансонов вырезают проволочной электроэрозией из закалённой заготовки: твёрдость стали электроэрозии безразлична, а зазор получается точным и равномерным, потому что пуансон и матрицу можно вырезать из одной заготовки с заданным смещением. Затем рабочие поверхности шлифуют и снимают переплавленный слой, оставшийся после реза, иначе кромка выкрашивается. Про белый слой и порядок операций подробно написано в статье об изготовлении штампов.

Типичные поломки