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

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

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

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

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

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

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?