Вырубка и пробивка в листовой штамповке

Введение

Вырубка и пробивка являются ключевыми технологическими операциями в листовой штамповке, обеспечивающими создание деталей с заданным наружным контуром или отверстиями. Эти процессы выполняются в штампах с использованием пуансона и матрицы, что позволяет достигать высокой производительности и точности. Качество поверхности среза, точность размеров и экономичность зависят от множества факторов:

технологичности конструкции деталей, правильного выбора зазора, свойств материала, состояния оборудования и уровня автоматизации. В данном лекционном материале подробно рассматриваются аспекты технологич- ности, механизмы деформирования, оптимальный зазор, энергосиловые характеристики, методы повышения качества и точности, причины брака и их устранение, а также современные подходы к оптимизации процессов. Особое внимание уделяется чистовой вырубке, пробивке и зачистке, которые обеспечивают высокую точность и качество поверхности.

Технологичность деталей

Технологичность конструкции детали определяет возможность ее экономичного и эффективного изготовления. Рациональные процессы листовой штамповки требуют создания деталей, допускающих использование простых и надежных технологий.

Габаритные размеры и толщина

Габаритные размеры плоских деталей, получаемых вырубкой, варьируются от нескольких миллиметров до нескольких метров. Толщина мате- риала может составлять от 0,03–0,05 мм (фольга) до 25 мм и более (толсто- листовой прокат). Верхний предел толщины и размеров ограничен мощностью прессового оборудования, размерами стола и ползуна пресса, а нижний — технологическими возможностями изготовления штампов с высо- кой точностью. Например, для тонколистовых материалов требуется оборудование с высокой точностью позиционирования, а для толстолистовых — прессы с большим усилием.

Минимальные размеры элементов

Минимальная ширина детали или участка контура при вырубке должна превышать 1, 5s, где s — толщина материала. Это обусловлено необходимостью предотвращения деформации узких участков и обеспечения прочно- сти штампа. Для узких и длинных деталей (ширина b < 3s) предпочтительно использовать альтернативные методы, такие как расплющивание проволочной заготовки с последующей обрезкой по контуру. Радиус скругле- ния наружного контура при вырубке из полосы шириной b определяется как:

R ≥ 0, 6b,

чтобы избежать образования выступов, которые могут привести к браку. Минимальные размеры пробиваемых отверстий зависят от формы от-

верстия и механических свойств материала (табл. 1). Для выступов или пазов минимальные размеры составляют:

h ≥ 1, 2s, b ≥ (1, 2 . . . 1, 5)s.

Эти параметры обеспечивают устойчивость инструмента и качество по- верхности среза.

Таблица 1: Минимальные размеры отверстий, пробиваемых в обычных штампах (в долях от s)

Форма отверстия Сталь, σ_B, кг/мм2 Латунь, медь Алюминий Тит

> 80 50 − 80 < 50 ВТ1–2, ВТ5 (с нагр

Круглое d 1,5 1,2 1,0 0,8	0,7 0,75
Квадратное a 1,4 1,1 0,9 0,7	0,6 1,0
Прямоугольное b 1,2 0,9 0,7 0,6	0,5 1,2

Особенности пробивки

При проектировании процессов пробивки учитываются следующие поло- жения:

• • • Соотношение d > s применимо для быстроходных механических прессов, где пуансон подвергается ударной нагрузке. На гидравлических прессах возможно пробивание отверстий с d < s.
    • Специальные дыропробивные штампы позволяют достигать: d = 0, 5s для твердой стали, d = 0, 35s для мягкой стали и латуни, d = 0, 3s для алюминия.
    • Вибрационная пробивка обеспечивает отверстия размером d = (0, 5 . . . 0, 4)s, что подходит для тонких материалов.
    • Для отверстий с уступами высота уступа должна быть h s, иначе их получение пробивкой невозможно.

≥

Расстояние между отверстиями

Минимальное расстояние m между отверстиями или от края детали до от- верстия определяется формой отверстия, наружным контуром, толщиной и свойствами материала . Для стали минимальное m = (0, 7 . . . 1, 5)s. Малое значение m усложняет конструкцию штампа, так как снижает прочность матрицы. В таких случаях применяются штампы простого действия (несколько операций) или комбинированные штампы последовательного действия, что увеличивает стоимость производства и может снизить точность.

Радиусы сопряжения

Стороны контура или отверстия должны сопрягаться плавными кривыми с радиусами R, нормализованными по табл. 2. Это снижает концентрацию напряжений и улучшает качество среза. Для деталей, получаемых безот- ходной штамповкой или с составными пуансонами, возможны отклонения от этих норм.

Таблица 2: Значения радиусов сопряжения при вырубке и пробивке

Материал	При вырубке		При пробивке
	α > 90◦ α < 90◦		α > 90◦ α < 90◦
Сталь, латунь, алюминий Титановый сплав (с нагревом) Титановый сплав ВТ5, ВТ1-2 Титановый сплав ВТ1-1, ВТ5 (без нагрева)	0,3s 0,5s 0,5s 0,7s 1,5s 2,0s 0,7s 0,9s		0,4s 0,7s 1,75s 2,25s

0,6s 0,8s

0,8s 1,0s

Расстояние до стенок

Для вытянутых и изогнутых деталей минимальное расстояние m₁ от оси отверстия до вертикальной стенки рассчитывается как:

• • • Для изогнутых деталей: m₁ ≥ r + ^d ,

2

• • • Для вытянутых деталей: d < D − 2r,

где d — диаметр отверстия, D — диаметр детали, r — радиус сопряжения стенок. Эти условия предотвращают набеги края отверстия на радиус сопряжения, что может привести к поломке пуансона или выкрашиванию кромки матрицы.

Рекомендации по конструкции

Для повышения экономичности и качества деталей рекомендуется:

• • • Избегать резких переходов, узких и длинных прорезей, чтобы минимизировать концентрацию напряжений.
    • Сводить к минимуму количество отходов за счет оптимизации рас- кроя.
    • Пробивать отверстия одновременно с вырубкой контура в комбинированных штампах совмещенного действия, что повышает производительность.
    • Использовать нормализованные радиусы сопряжения для предотвра- щения дефектов на углах.

Сущность процессов вырубки и пробивки

Вырубка предназначена для получения деталей с заданным наружным контуром, а пробивка — для создания отверстий в заготовке. Оба процесса выполняются в штампах, рабочими органами которых являются пуансон и матрица с зазором z. Лист или полоса размещается на матрице с острыми режущими кромками, а пуансон внедряется в материал, вызывая его разделение. Отделенная часть (деталь при вырубке или отход при пробивке) проваливается в отверстие матрицы, а оставшаяся часть снимается съемником.

Стадии деформирования

Процесс включает три последовательные стадии:

• • • Упругая деформация: при контакте пуансона с листом возникает из- гиб поверхности заготовки около режущих кромок из-за действия из- гибающих моментов, вызванных силами резания. Это приводит к по- тере плоскостности детали.
    • Пластическая деформация: по мере внедрения пуансона формиру- ется очаг пластической деформации шириной ∆ = (0, 6 . . . 1, 2)s, зави- сящей от:
      • Пластичности материала (более пластичные материалы имеют более широкую зону).
      • Зазора z (увеличивается с ростом зазора).
      • Степени притупления кромок (увеличивается с износом).
      • Скорости деформирования (уменьшается с увеличением скоро- сти).
    • Разрушение (скалывание): вдоль режущих кромок матрицы и пуансона возникают микротрещины, перерастающие в макротрещины. При оптимальном зазоре трещины сливаются, завершая разделение. Деталь отделяется до полного проникновения пуансона на толщину материала.

Глубина внедрения

Глубина внедрения пуансона (h_B/s) зависит от жесткости материала, ко- торая определяется твердостью, пределом прочности на срез и толщиной материала. Более жесткие материалы меньше изгибаются, что снижает глубину внедрения. Оптимальный зазор минимизирует изгиб, обеспечивая более равномерное распределение деформаций.

Оптимальный зазор

Зазор (z) — это разность диаметральных размеров пуансона и отверстия матрицы. Оптимальный зазор (z) обеспечивает слияние трещин от режущих кромок, улучшая качество поверхности среза. Уравнение оптималь- ного зазора:

z = (s − h) tan β, β = 4 . . . 6^◦,

где h — глубина внедрения пуансона, s — толщина материала.

Влияние зазора

• • • При z < z: трещины не совпадают, образуются пояски вторичного сре- за, разделенные зонами скалывания. Это ухудшает качество поверхности и создает концентраторы напряжений. Увеличиваются нормальные напряжения у кромок, что снижает стойкость инструмента. Упру- гие деформации вызывают увеличение диаметра вырубленной детали и уменьшение размера отверстия.
    • При z > z: трещины выходят на свободные поверхности, образуя заусенцы. Увеличиваются растяжение и изгиб, что приводит к потере плоскостности и появлению утяжин.

Расчет зазора

Оптимальный односторонний зазор для тонколистовых материалов:

z₀ = 0, 32KK_vs√σ,

где:

• • • K = 0, 005 для первого оптимального зазора (высокое качество, высо- кие энергозатраты).
    • K = 0, 015 (медь), 0, 022 (латунь Л63) для второго зазора (хорошее каче- ство, минимальные затраты).
    • K_v — коэффициент скорости деформирования (K_v = 1, 0 при v_d 10 см/с;

≤

K_v = 1, 02 для меди, 1, 07 для латуни при v_d = 10 . . . 30 см/с).

• • • σ — сопротивление срезу, определяемое как:

≈ ( )

σ = (1 + 2s) σ

d

B

1 + 1, 2s σ . d + 0, 6 ^B

Типичные значения двусторонних зазоров приведены в табл. 3.

Таблица 3: Двусторонние зазоры разделительных штампов (% от s) s, мм Металлы, σ_B, МПа Фибра, текстолит Картон, бумага

	До 200	200–400	400–600
0,1–0,5	3–5	5–7	7–9	1–2	0,5–1
0,6–0,8	4–6	6–8	8–10	2–3	0,5–1
1,0–1,5	4–6	6–8	8–10	2–3	1–2
1,8–2,0	5–7	7–9	9–11	2–3	1–2
2,0–3,0	5–7	7–9	9–11	3–4	1–2
3,5–5,0	7–10	9–12	11–14	3–4	1–2
6,0–10	10–13	12–15	14–17	3–4	1–2
11–16	13–16	15–18	17–20	3–4	1–2

Факторы, влияющие на зазор

Выбор зазора учитывает:

• • • Механические свойства материала (пластичность, твердость).
    • Скорость деформирования.
    • Условия нагружения поверхности заготовки.
    • Размеры и форма детали/отверстия.

Энергосиловые характеристики

Энергосиловые характеристики включают:

• Усилие вырубки/пробивки (P ).
• Усилие проталкивания (P).
• Усилие съема (P).
• Работа деформирования (A).

Усилие вырубки/пробивки

Усилие зависит от:

• • • Сопротивления срезу (σ).
    • Толщины материала (s).
    • Длины контура (L).
    • Зазора, состояния кромок, скорости деформирования.
    • Глубины внедрения пуансона. Формула:

P = kFσ = kLsσ, k = 1, 1 . . . 1, 3.

Максимальное усилие:

P_max = 0, 83σ_BsL,

учитывая σ = 0, 7σ_B для малоуглеродистых сталей. При учете упрочнения:

)

(

P = 0, 58σ_B

x sψ_p

1−ψp 2(1−ψp)

(s − x)L,

где ψ_p — относительное уменьшение площади сечения, x — глубина внед- рения.

Усилия проталкивания и съема

Усилия трения возникают из-за контактных напряжений σ и σ:

Для съема:

P = P + T_m + T_p, P = T_p, P = T_m + T_p.

P = µσLh, P ≈ 0, 06P, P ≈ 2P.

Коэффициенты: k = 0, 05 . . . 0, 14, k = 0, 02 . . . 0, 20. Факторы, влияющие на уси- лия:

• • • Ширина перемычки между контурами.
    • Форма и размеры контура.
    • Возможность перекоса отхода.

Работа деформирования

Работа:

A = λkσFh,

где λ = 0, 15 . . . 0, 8 — коэффициент полноты диаграммы (табл. 4). При z < z

или притуплении кромок работа увеличивается.

Таблица 4: Значения коэффициента полноты диаграммы λ

Материал Толщина материала, мм

	до 1	1–2	2–4	свыше
Сталь мягкая (σ = 250 . . . 350 МПа)	0,70–0,65	0,65–0,60	0,60–0,50	0,45–0,3
Сталь средней твердости (σ = 350 . . . 500 МПа)	0,60–0,55	0,55–0,50	0,50–0,42	0,40–0,3
Твердая сталь (σ = 500 . . . 750 МПа)	0,45–0,40	0,40–0,35	0,35–0,30	0,30–0,1
Al, Cu	0,75–0,70	0,70–0,65	0,65–0,55	0,50–0,4

Способы уменьшения деформирующего усилия

Для снижения усилия применяются:

• Вырубка по частям: разделение контура на сегменты снижает пико- вое усилие.
• Пуансоны разной длины: разность высот пуансонов (0, 6 . . . 0, 8)s обес- печивает последовательное внедрение.
• Скошенные кромки (рис. 3): угол скоса ϕ = 3 . . . 8^◦, высота скоса H = (1 . . . 3)s. Это снижает усилие на 30–40% и шум, обеспечивая плавную работу пресса.

Рис. 3: Вырубка и пробивка со скошенными кромками Формулы для усилия при скошенных кромках:

• Круглая заготовка, H = s: P = ² kdsσ.

3

• Прямоугольное отверстие (b × c): P = 2sσ(b + 0, 5c).
• При H = (0, 5 . . . 1, 0)s: P = 2sσ arccos ( H−0,5s ).

H

Для крупных деталей (d > 250 . . . 300 мм, s > 0, 1d) применяются множе- ственные скосы (4 и более).

Точность и качество поверхности среза

Точность вырубки и пробивки зависит от:

• Конфигурации и размеров детали/отверстия.
• Толщины и свойств материала.
• Анизотропии материала, особенно при штамповке крупных деталей.
• Точности штампа (2–3 класс точности).

Профиль среза

Поверхность среза при s > 1 мм включает (рис. 4):

• • • Закругление (h): образуется из-за смятия материала.
    • Блестящий поясок (h): гладкая поверхность, R_a = 1, 6 . . . 10 мкм.
    • Зона скалывания (h): шероховатость R_a = 20 . . . 40 мкм, угол скола α

зависит от толщины и σ.

• • • Заусенец (h): увеличивается при затуплении кромок.

 

Факторы, влияющие на качество

Качество поверхности определяется:

• • • Конструкцией и состоянием штампа (шероховатость 8–9 класс для s <

1 мм, 6–7 класс для s > 1 мм).

• • • Равномерностью зазора.
    • Физико-механическими свойствами материала (пластичные матери- алы ухудшают качество).
    • Числом ходов пресса (при 400 ход/мин и выше улучшается шерохова- тость).
    • Выбором смазки (например, вязкое сульфидированное масло для хро- моникелевых сталей).

Основные виды брака

Брак проявляется в виде заусенцев, рваного среза или искажения формы. Причины:

• Затупление кромок: заусенцы на детали (вырубка) или отходе (про- бивка). Твердость: матрица тверже пуансона на 2–4 HRC (вырубка), пуансон тверже на 4–6 HRC (пробивка).
• Обратный конус матрицы: заусенцы на отходе, затруднение протал- кивания.
• Неправильный зазор: при z > z — рваный срез, при z < z — наплывы и вторичные пояски.
• Непараллельность кромок или перекос: из-за смещения пуансона, износа направляющих или деформации пресса.
• Неправильная подача материала: косообрезанные концы полосы, износ линеек, отсутствие упора.

Устранение брака

• • • Своевременная заточка кромок (не более 20 рисок на 1 мм2 при 10- кратном увеличении).
    • Расшлифовка или термопосадка матрицы для устранения обратного конуса.
    • Точная установка штампа и регулировка зазора.

Чистовая вырубка и пробивка

Чистовая вырубка и пробивка применяются в приборостроении и точном машиностроении для получения деталей с точностью 8–11 квалитета и шероховатостью R_a = 1, 25 . . . 0, 63 мкм (цветные металлы) или R_a = 2, 5 . . . 1, 25 мкм (сталь). Эти процессы заменяют механическую обработку, повышая производительность.

Методы

• • • Сжатие заготовки (рис. 5): зазор 0, 005 . . . 0, 01 мм, заготовка зажата меж- ду пуансоном, выталкивателем, матрицей и прижимом. Клиновые ребра на прижиме или матрице локализуют деформацию.
    • Притупление кромок: притупляют кромку матрицы (вырубка) или пуансона (пробивка), снижая концентрацию напряжений.
    • Пуансон больше матрицы: размер a = (0, 1 . . . 0, 15)s, создает всесто- роннее сжатие, увеличивая блестящий поясок.
    • Ступенчатые пуансоны (рис. 6): для пробивки в два этапа (обычная пробивка, затем срезание припуска).

Усилие при сжатии в 1,65–2,25 раза выше, чем при обычной вырубке. Используются пресс-автоматы с усилием до 6,3 МН (до 16 мм) или 25 МН (до 40 мм).

Зачистка в штампах

Зачистка повышает точность и качество поверхности (R_a = 1, 25 . . . 0, 32 мкм) для деталей до 150–2100 мм, толщиной до 3–4 мм (до 8–10 мм за несколько операций). Припуск:

∆ = z + y,

где y — дополнительный припуск (табл. 5).

Таблица 5: Двусторонние припуски на зачистку, мм

Толщина, мм	Латунь, алюминий, мягкая сталь	Сталь средней твердости	Твердая
1–1,5	0,1–0,15	0,15–0,20	0,15–
1,5–2,5	0,15–0,20	0,20–0,25	0,20–
2,5–4,0	0,20–0,25	0,25–0,30	0,25–
4–5	0,25–0,30	0,30–0,35	0,30–
5–7	0,3–0,35	0,4–0,45	0,45–
7–10	0,35–0,40	0,45–0,50	0,55–

Особенности зачистки

• • • Зачистка по наружному контуру: пуансон меньше матрицы, зазор 0, 01 . . . 0, 02 мм.
    • Зачистка отверстий: после сверления (0, 1 . . . 0, 15 мм) или пробивки (0, 15 . . . 0, 2 мм).
    • Комбинированная пробивка и зачистка: ступенчатый пуансон с зазо- рами z₁ и z₂.

Усилие зачистки:

P = kdyqn,

где q — удельное давление (табл. 6).

Таблица 6: Удельные давления q, кг/мм2, при зачистке Толщина, мм Сечение стружки, мм2

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,27 0,3

0,4–0,5	200	180	160	140	120	110	100
0,6–2,0	215	195	170	150	125	115	105
2,1–3,0	230	205	180	155	130	120	110

Современные тенденции

• Автоматизация: использование ЧПУ для точной настройки зазора и управления процессом.
• Лазерная резка: как альтернатива для высокоточных деталей.
• САПР: для оптимизации раскроя и минимизации отходов.
• Смазочные материалы: применение специализированных смазок (например, ХС-147, Укринол 5/5) для снижения трения и износа.

Контрольные вопросы

1. Какие параметры определяют технологичность деталей при вырубке и пробивке?
2. Каковы минимальные размеры пробиваемых отверстий и выступов для разных материалов?
3. Как влияет зазор между пуансоном и матрицей на качество поверхности среза?
4. Опишите стадии деформирования при вырубке и пробивке и факторы, влияющие на очаг деформации.
5. Как рассчитываются усилие вырубки/пробивки, проталкивания и съема?
6. Какие методы применяются для снижения деформирующего усилия, и как они влияют на процесс?
7. Какие виды брака возникают при вырубке и пробивке, и как их устранить?
8. В чем особенности чистовой вырубки и пробивки, и какие условия обеспечивают высокое качество?
9. Как осуществляется зачистка, и как выбираются припуски для разных материалов?
10. Какие современные технологии применяются для повышения эффективности вырубки и пробивки?