Основы листовой штамповки: операции, типы штампов, усилие вырубки и когда штамп выгоднее лазера
Какие операции выполняет холодная листовая штамповка, чем простой штамп отличается от совмещённого, последовательного и трансферного, как посчитать усилие вырубки и проверить вытяжку по коэффициенту и какие требования к детали снижают стоимость штампа.
Редакция MetalGuide6 мин чтенияОбновлено
Операции
ГОСТ 18970-84 даёт определения операций, которые обязательны для документации. Для листовой штамповки главные из них:
Операция | Что происходит по ГОСТ 18970-84 |
|---|---|
Вырубка | Полное отделение изделия от заготовки по замкнутому контуру сдвигом |
Пробивка | Отверстие или паз сдвигом с удалением металла в отход |
Надрезка | Неполное отделение части заготовки сдвигом |
Гибка | Образование или изменение углов между частями заготовки, придание ей криволинейной формы |
Вытяжка | Полое изделие из плоской или полой листовой заготовки |
Рельефная формовка | Рельеф за счёт местных растяжений без заданного изменения толщины |
Отбортовка | Борт по внутреннему контуру заготовки |
Вырубка и пробивка — одна и та же механика среза, разница в том, что идёт в деталь: при вырубке — вырубленная часть, при пробивке — остающаяся. Бурдуковский в учебнике УрФУ делит листовую штамповку по толщине на тонколистовую (до 4 мм), нормальную (4–15 мм) и толстолистовую (свыше 15–20 мм); толстолистовую, как правило, ведут с нагревом.
Типы штампов
Простой штамп выполняет одну операцию за ход: вырубку, пробивку или гибку. Оснастка дешевле, но деталь проходит несколько прессов, между ними копятся заделы и растёт погрешность базирования.
Совмещённый штамп делает несколько операций в одной позиции за один ход. Бурдуковский рекомендует пробивать отверстия одновременно с вырубкой наружного контура именно в таком штампе: взаимное положение отверстий и контура тогда задаёт сам инструмент.
Последовательный (прогрессивный) штамп разносит операции по позициям вдоль ленты. За ход пресса лента смещается на шаг, и на всех позициях штамп работает одновременно. Ловители входят в пробитые отверстия и уточняют положение ленты на каждом шаге.
Трансферный штамп работает на многопозиционном прессе-автомате: заготовки отделены от ленты и переносятся с позиции на позицию грейферными захватами. По данным учебника, у таких автоматов от 6 до 24 позиций, а по сравнению с цепочкой однопозиционных прессов производительность выше в несколько раз и не нужны склады межоперационных заделов. Трансфер выбирают, когда деталь неудобно или невозможно вести в ленте — например, при глубокой вытяжке.
Когда штамп выгоднее лазера и гибки
Лазер и листогиб не требуют специальной оснастки: затраты на деталь почти постоянны с первой штуки. У штамповки наоборот — большой разовый вход (проектирование и изготовление штампа, отладка) и малые затраты на каждую деталь: одна деталь за ход пресса.
Nокуп = Cосн / (cлаз − cшт)
- Nокуп
- число деталей, при котором затраты равны
- Cосн
- стоимость штампа с отладкой, ₽
- cлаз
- затраты на одну деталь при лазерной резке и гибке, ₽
- cшт
- затраты на одну деталь при штамповке, включая металл и работу пресса, ₽
Сравнивайте Nокуп с годовой программой и сроком жизни изделия, а не с одной партией. Учтите и металл: по данным Бурдуковского, материал составляет 50–70 % себестоимости штампованной детали, и каждый процент снижения отходов снижает её на 0,4–0,5 %. Штамп выгоден ещё и там, где раскрой в ленте экономнее, чем на листе.
Промежуточный вариант — координатно-пробивной пресс: стандартный инструмент без специального штампа, пробивка и формовка серийных элементов, но контур набирается ударами.
Усилие вырубки и пробивки
Металл срезается по боковой поверхности контура, поэтому усилие пропорционально длине реза, толщине и сопротивлению срезу. Бурдуковский вводит коэффициент k = 1,1–1,3: допуск на толщину листа может достигать 5–10 % номинала, а по мере затупления кромок усилие растёт.
P = k · L · s · σср
- P
- усилие, Н
- k
- коэффициент на разброс толщины и затупление, 1,1–1,3
- L
- длина контура реза, мм; в совмещённом штампе — сумма всех контуров за ход
- s
- толщина листа, мм
- σср
- сопротивление срезу, МПа; для малоуглеродистой стали ≈ 0,7 σв
Пример. Пластина 100 × 60 мм с отверстием Ø20 из стали толщиной 2 мм, σв = 400 МПа по документу о качестве. Контур и отверстие вырубаются в совмещённом штампе за один ход.
- Длина реза: L = 2 · (100 + 60) + π · 20 = 320 + 62,8 = 382,8 мм.
- Сопротивление срезу: σср = 0,7 · 400 = 280 МПа.
- Без коэффициента: 382,8 · 2 · 280 ≈ 214 400 Н, то есть около 214 кН.
- С k = 1,3: 214 · 1,3 ≈ 279 кН, около 28,4 т.
Усилие снижают, если вырубают контур по частям, ставят пуансоны разной длины со ступенчатыми кромками или делают скошенные режущие кромки. По данным учебника, скосы уменьшают усилие на 30–40 %; при вырубке их делают на матрице, при пробивке — на пуансоне, чтобы прогибалась отходная часть. Зазор между пуансоном и матрицей подробно разобран в статье о координатно-пробивном прессе.
Вытяжка: коэффициент вытяжки
Возможность вытянуть стакан за одну операцию оценивают по коэффициенту вытяжки m = d / D, где d — диаметр вытянутой детали, D — диаметр плоской заготовки. Чем меньше m, тем глубже вытяжка и тем выше напряжения в стенке у дна.
Бурдуковский приводит для вытяжки без прижима предельные значения m = 0,43–0,45 при относительной толщине s / D больше 0,02. У более тонкой заготовки фланец теряет устойчивость и собирается в складки, и предел хуже. С прижимом коэффициент вытяжки, по данным учебника, на 5–8 % меньше, чем без него. Возможности вытяжки растут с пластичностью металла, чистотой поверхности матрицы и прижима, смазкой и увеличением радиусов закругления пуансона и матрицы.
Пример: из заготовки Ø100 мм толщиной 3 мм (s / D = 0,03) нужен стакан Ø35 мм. m = 35 / 100 = 0,35 — заметно меньше предела даже с поправкой на прижим, за одну операцию не вытянуть; нужны вторая вытяжка или изменение детали. Точные коэффициенты для своей марки и толщины берут из справочных таблиц.
Какой должна быть деталь под штамп
Требования ниже — из учебника Бурдуковского для обычных штампов. Они определяют не только возможность штамповки, но и стойкость и цену штампа.
Элемент | Минимум |
|---|---|
Круглое отверстие, сталь σв до 50 кгс/мм² | 1,0 s |
Круглое отверстие, сталь σв 50–80 кгс/мм² | 1,2 s |
Круглое отверстие, сталь σв свыше 80 кгс/мм² | 1,5 s |
Круглое отверстие, латунь и медь / алюминий | 0,8 s / 0,7 s |
Перемычка между отверстиями и до края, сталь | 0,7–1,5 s в зависимости от формы отверстий |
Выступ или паз на контуре | h ≥ 1,2 s; ширина b ≥ 1,2–1,5 s |
Радиус сопряжения, сталь, латунь, алюминий | вырубка: 0,3 s при угле больше 90°, 0,5 s — меньше 90° |
| пробивка: 0,4 s при угле больше 90°, 0,7 s — меньше 90° |
Отверстие у стенки гнутой детали | от оси отверстия до стенки ≥ r + d / 2 |
Здесь s — толщина, r — внутренний радиус гиба, d — диаметр отверстия; 50 кгс/мм² ≈ 490 МПа, 80 кгс/мм² ≈ 785 МПа.
Те же правила о расстоянии от отверстия до гиба применяются и при гибке на листогибе — подробнее в статье «Конструирование гнутых деталей».
Вопросы и ответы
С какой партии штамповка выгоднее лазера?
Универсальной цифры нет. Партия окупаемости равна стоимости штампа, делённой на разницу затрат на одну деталь при лазере с гибкой и при штамповке. Посчитайте её по коммерческим предложениям на обе технологии и сравните с годовой программой, а не с одной партией.
Чем совмещённый штамп отличается от последовательного?
В совмещённом штампе несколько операций — например, вырубка контура и пробивка отверстий — выполняются в одной позиции за один ход. В последовательном операции разнесены по позициям вдоль ленты, лента перемещается на шаг за ход, а деталь отделяется на последней позиции.
Как быстро оценить усилие вырубки?
Умножьте периметр реза на толщину и на сопротивление срезу; для малоуглеродистой стали учебник Бурдуковского принимает сопротивление срезу 0,7 от временного сопротивления. Результат умножают на коэффициент 1,1–1,3 — на разброс толщины и затупление кромок.
Можно ли пробить отверстие меньше толщины листа?
В обычном штампе для стали — как правило, нет: по таблице учебника минимальный диаметр от 1,0 до 1,5 толщины в зависимости от прочности стали. Для латуни и меди — 0,8 толщины, для алюминия — 0,7. Меньшие отверстия требуют специальных штампов.
Термины
Источники
Читать также
Листовой металл6 мин
Координатно-пробивной пресс: как работает, зазор, усилие пробивки и когда он выгоднее лазера
Как устроена пробивка на координатно-пробивном прессе, как выбрать зазор между пуансоном и матрицей, как посчитать усилие по периметру и толщине, какое минимальное отверстие реально пробить и в каких задачах пробивка выгоднее лазера.
Листовой металл6 мин
Лазерная, плазменная или гидроабразивная резка — что выбрать
Как устроены три способа раскроя листа, какие толщины и материалы они берут по данным производителей, чем отличаются кромки по ГОСТ Р ИСО 9013 и как выбрать способ под деталь.
Листовой металл5 мин
Раскрой листа и коэффициент использования металла: как считать КИМ и отход
Что такое коэффициент использования металла при раскрое листа, как его посчитать на примере листа 1500 × 3000, что дают общий рез, микроперемычки и деловой остаток, как цех относит отход на заказ и почему мелкая партия дороже.
Листовой металл6 мин
Конструирование гнутых деталей: радиусы, полки, отверстия у гиба
Правила, которые делают листовую деталь гибкой на листогибе без переделок: радиус от раскрытия матрицы, минимальная полка, отверстия у линии гиба, разгрузочные вырезы, прокат и пружинение.