Зазор между пуансоном и матрицей для медных и алюминиевых шин

Зазор — это расстояние между режущей кромкой пуансона и режущей кромкой матрицы. Это одна величина, которую легко определить неверно, и при обработке шин ошибки здесь возникают чаще, чем при установке任何 другого параметра оснастки. Большинство опубликованных рекомендаций были написаны для листовой штамповки толщиной 1-3 мм; для шин используется мягкая, пластичная, подверженная наклепу медь толщиной 6-20 мм. Процентные соотношения здесь справедливы. Последствия — нет.

Существуют две разные нормы, различающиеся вдвое. Полный зазор — это разница между размером матрицы и размером пуансона. Зазор на сторону — это половина этой величины, радиальный зазор в любой точке по периметру. Диаграмма поставщика с указанием «медь, 20%» и цех, работающий с 10%, могут описывать одну и ту же оснастку. Используемую норму необходимо уточнить перед сравнением с любыми другими данными.

О чём говорит срез

Пробитое отверстие в шине имеет четыре зоны, видимые на отверстии и воспроизводимые на вырубке. Их чтение — самый быстрый доступный диагноз, и он ничего не стоит.

Завал находится на входной грани пуансона, где материал деформируется и втягивается в отверстие до резки, оставляя закругленную кромку. Глубина завала увеличивается с зазором, затуплением инструмента и мягкостью материала, поэтому сам по себе он не является дефектом. На отожженной меди он всегда виден.

Полировка — это блестящая полоса под завалом, где стенка отверстия была обработана боковой поверхностью пуансона. Она гладкая и прямая, и по размерам она и есть отверстие. Руководство по оснастке Dayton Lamina описывает оптимальный зазор как такой, при котором вырубка имеет полированную площадку примерно в одну треть толщины материала и ровную плоскость разлома, продолжающую ее. Это правило приемки подходит и для шин.

Разлом — это матовая, шероховатая остальная часть. Он идет под углом, потому что трещина проходит от края пуансона к краю матрицы, а зазор определяет этот угол. Прямая, однородная и непрерывная с полосой полировки поверхность разлома означает, что две трещины сошлись. Это и есть главная цель.

Заусенец находится на выходной грани пуансона: последний участок материала растягивается и рвется, а не срезается. Высота заусенца увеличивается с зазором, износом кромки и мягкостью материала.

Две дефектные структуры важнее остальных. Вторичная зона полировки, то есть второе полированное кольцо на полпути вниз по стенке с уступом между ними, указывает на то, что трещина от пуансона и трещина от матрицы не сошлись в одной плоскости, и материал между ними пришлось срезать дважды. Это результат слишком малого зазора. Большой завал с тонким, рваным заусенцем и очень короткой полосой полировки — результат слишком большого зазора.

Вырубку следует сохранять от каждого нового комплекта оснастки, подписывая материал, толщину и зазор. Сравнение подозрительной вырубки с заведомо хорошей занимает пятнадцать секунд и решает большинство споров о том, нужно ли перетачивать инструмент или зазор выбран неправильно.

Зазор как процент от толщины, на сторону

Рабочая формула:

c = k × t          (clearance per side, mm)
die opening = punch size + 2c

где t — толщина материала, а k — коэффициент зазора. Для медных шин k находится в диапазоне 5–12% с каждой стороны. Ниже 5% — область вторичного среза и теплового повреждения. Выше примерно 12% для толстого шинопроката начинают доминировать завал кромки и контроль формирующейся вырубки. Рабочее значение составляет около 10% с каждой стороны, и оно является стандартным для большинства поставщиков инструмента при обработке шин в состоянии полуотожжённом.

Диапазон, рассчитанный для толщин, которые встречаются в щитовом оборудовании:

Так, для меди толщиной 6 мм зазор составляет примерно 0,3–0,7 мм с каждой стороны, а для 10 мм — примерно 0,8–1,2 мм с каждой стороны по верхней границе диапазона. Зазоры матриц кажутся пугающе большими по сравнению с пуансоном, если исходить из интуитивного опыта работы с тонким материалом. Это правильные значения. Матрица для пуансона ⌀13 мм при обработке меди толщиной 10 мм и зазоре 10% с каждой стороны имеет диаметр 15 мм, а отверстие в итоге будет иметь размер, близкий к 13 мм, потому что гладкая зона (band) определяет диаметр отверстия, а не зазор матрицы.

Опубликованные таблицы различаются по объективным причинам. Руководство по инструменту Conic указывает для меди коэффициент зазора 0,20–0,25 как общий для прессов с сервоприводом и гидравлических, что составляет 10–12,5% с каждой стороны, с примечанием умножать на 1,4 для толщин более 3,2 мм. При буквальном толковании это увеличивает зазор для толстой меди до 14–17% с каждой стороны. UniPunch указывает для меди 20% от толщины для полуотожжённого состояния и 25% для твёрдого, также как общую величину. Исследования Dayton по оптимизации зазора, относящиеся к листовому штампопроизводству, используют еще большие значения. Этот разброс обоснован: оптимум зависит от того, что является приоритетом — срок жизни инструмента, минимальная стружка (burr) или воспроизводимость размеров, а эти три параметра не достигают максимума при одинаковом зазоре.

Недостаточный зазор

Трещина от пуансона и трещина от матрицы начинаются со своих кромок среза и распространяются навстречу друг другу. При правильном зазоре они лежат в одной плоскости и соединяются. При недостаточном зазоре они проходят мимо друг друга, и перемычка между ними разрывается во втором событии. Это приводит к образованию вторичной зоны среза, грубому и нестабильному диаметру отверстия и отверстию, размер которого меньше размера пуансона.

Последствия для инструмента серьезнее, чем для детали. Медь возвращается на грань пуансона после пробоя (snap-through), поэтому при малом зазоре отверстие зажимает пуансон, и каждый рабочий ход заканчивается interference fit (посадкой с натягом), который необходимо преодолеть при обратном ходе. Растет усилие снятия (stripping force), грань пуансона подвергается абразивному износу, а трение вызывает нагрев в области рабочей кромки. Полевые примеры Dayton показывают изменение цвета металла за рабочей кромкой именно из-за этого механизма, при котором термическая обработка пуансона повреждается, и его ресурс исчерпывается задолго до износа самого режущего края. В тяжелых случаях рабочая кромка утомляется и отламывается.

Выход пуансона из отверстия, а не рабочий ход, вызывает значительную часть износа. По данным Dayton, на это приходится до двух третей общего износа пуансона, и это полностью зависит от того, насколько плотно отверстие зажимает грань. Это самый веский аргумент против работы с зазором по нижней границе диапазона для меди. Медь мягкая, поэтому пресс никогда не выходит из строя из-за перегрузки. Но инструментальный бюджет это ощущает.

Пиковое усилие (peak tonnage) также возрастает при малом зазоре, потому что большая часть толщины срезается, а не разделяется по机制м разрушения. Для станка с небольшим запасом прочности (headroom) это реальный путь к заклиниванию (stalled ram) при обработке самой толстой шины в партии.

Чрезмерный зазор

Материал изгибается в матрицу до начала реза. Увеличивается завал кромки (rollover), укорачивается гладкая зона (burnish band), область разрушения занимает большую часть поверхности разреза, а высота стружки (burr) растет. Оверсайзное (oversize) отверстие имеет кромку, которая больше не является квадратной по отношению к поверхности, что важно, если отверстие является частью болтового соединения.

Рабочий отказ — выдёргивание вырубки. С увеличением зазора вырубка свободнее сидит в матрице и при обратном ходе пуансона поднимается вместе с ним вместо того, чтобы выпасть. Она падает на шину и вдавливается в следующее отверстие или заклинивает в съёмнике. На меди основные механизмы — адгезия масляной плёнки и вакуум, образующийся между прогнутой вырубкой и торцом пуансона. Магнитная адгезия, обычный третий фактор при обработке стали, в данном случае не发挥作用 (is not applicable — should be translated), не применима.

Для борьбы с этим существуют механические решения: пружинный выбрасывающий штифт в торце пуансона с боковым отверстием для отвода воздуха, скос реза, прогибающий вырубку так, что её собственная упругость обеспечивает отделение, или матрица с короткой режущей частью, за которой следует сужающийся галтель, удерживающий вырубку и не позволяющий ей подниматься. Ограничение входа пуансона в матрицу примерно до 0,5–0,8 мм в нижней точке хода также помогает, так как глубокое входжение создаёт больший вакуум при отводе. Полный перечень мер и их эффективность приведены в разделе срок службы инструмента и стоимость на отверстие.

Малые отверстия в толстой шине

При обработке шин возникает геометрическая проблема, нехарактерная для штамповки тонкого листа. Стандартное сквозное отверстие под болт М12 — это 13 или 13,5 мм. В шине толщиной 10 мм отношение диаметра отверстия к толщине составляет примерно 1,3; в шине толщиной 12 мм — примерно 1,1. Это короткое глубокое отверстие, и оно ведёт себя иначе, чем 25-миллиметровое отверстие в листе толщиной 3 мм.

При отношении диаметра к толщине ниже примерно 1,5 вырубка становится трудно деформируемой и отделяемой. Нагрузка на пуансон возрастает, зона полировки увеличивается, грат растёт, а отверстие получается меньше заданного. Рекомендация Dayton — увеличивать номинальный зазор на 1% с каждой стороны, когда диаметр отверстия падает ниже 1,5-кратной толщины, и примерно на 4% с каждой стороны дополнительно, когда диаметр отверстия равен толщине. Для 13-мм отверстия в 12-мм медной шине эта корректировка обязательна, и она объясняет, почему набор инструмента, прекрасно работающий при толщине 6 мм, ведёт себя нестабильно при 12 мм с тем же номинальным процентом зазора.

Данные о сроке службы инструмента от PASS Stanztechnik подтверждают это с обратной стороны: их коэффициенты снижения нагрузки составляют 0,6–0,8 для функции реза, размер которой менее 1,5-кратной толщины листа, и 0,3–0,5 для функции размером менее 1,0-кратной толщины. Малое отверстие в толстой шине сокращает срок службы инструмента примерно вдвое или до двух третей от возможного.

Усилие пробивки и влияние геометрии наконечника

Необходимое усилие определяется площадью срезаемого материала, умноженной на его предел прочности при сдвиге: F = периметр × t × τ, или для круглого отверстия F = π × d × t × τ. Расчётные примеры и справочные значения пределов прочности при сдвиге приведены в сопутствующей статье расчёт усилия пресса для пробивки шин, а вычисления можно выполнить непосредственно в калькуляторе усилия пробивки шин.

На это усилие влияют как зазор, так и геометрия наконечника. Пуансон с плоским торцом выполняет срез по всему периметру одновременно, поэтому пиковая нагрузка приходится одной резкой вспышкой, а резкий сброс напряжений при отходе носит ударный характер. Заточка скоса (клейма) на торце пуансона распределяет рез по времени, и пиковое усилие снижается, но на толстых шинах снижение оказывается меньшим, чем это подаётся в рекламе. График коэффициентов снижения нагрузки от H. Weiss для заготовки толщиной 1/4 дюйма (6,35 мм) даёт значения 0,90 для глубины клейма 1/16 дюйма (1,6 мм), 0,85 для 3/32 дюйма (2,4 мм) и 0,65 для 3/16 дюйма (4,8 мм). Неглубокая клейма на толстой меди даёт выигрыш всего 10%. Для снижения на 35% требуется глубина клейма, близкая к трём четвертям толщины шины, что означает длинный и хрупкий наконечник.

Плоский обеспечивает максимальное пиковое усилие, наиболее квадратное отверстие и самую плоскую вырубку. Односторонняя клейма (торец, скошенный под углом) даёт наибольшее снижение усилия, но создаёт боковую нагрузку на пуансон, которая при работе коротким пуансоном для шин передаётся на направляющие и съёмник. Двусторонняя клейма («двускатная»), симметричная относительно оси, уравновешивает боковые нагрузки и является стандартным выбором для всех отверстий, кроме самых малых. При пробивке клейму лучше располагать на пуансоне, а не на матрице: какой бы элемент ни имел наклон, он искажает свою сторону реза, а при пробивке вырубка является отходом, а шина — продуктом.

Алюминий — это не медь, а 6101 — это не 1350

Алюминий изменяет два фактора. Предел прочности при сдвиге значительно ниже, и он снижается неравномерно среди марок, используемых для токопроводящих шин.

Мягкие марки проводников 1xxx характеризуются пределом текучести при сдвиге примерно 60–80 Н/мм². В справочнике UniPunch для сплава 1100-О указано значение 62 Н/мм², а для 1100-Н14 — 76 Н/мм², что соответствует порядку значений для полосы из сплава 1350-Н111. Легированные и термически обработанные полосы представляют собой другой материал. Опубликованный предел прочности при сдвиге для 6101-T6 составляет около 22 кси (примерно 150 Н/мм²), а для 6061-T6 указано значение 207 Н/мм². Расчет усилия пресса или подбор комплекта инструмента под «алюминий, 80 Н/мм²» с последующей обработкой полосы из сплава 6101-T6 практически удваивает необходимое усилие. Перед расчетом тоннажа необходимо точно определить сплав и состояние материала.

Зазор при пробивке алюминиевых шин несколько меньше, чем при пробивке медных шин той же толщины, и обычно составляет около 8–10% с каждой стороны, так как более низкая прочность при сдвиге способствует легкому распространению разрыва. Проблема алюминия — схватывание. Материал налипает на инструментальную сталь, нарастает на фаске пуансона и затем повреждает следующую сотню отверстий. Покрытие помогает, и компания PASS Stanztechnik указывает коэффициент увеличения срока службы инструмента 2,0–4,0 для соответствующего покрытия, что подразумевает использование специальной марки для алюминия, а не通用 TiN. Еще большую роль играет смазка. Коэффициент понижения от PASS для работы без смазки составляет 0,4–0,6, поэтому сухая пробивка алюминиевых шин — это ложная экономия.

Состояние меди имеет не менее важное значение. Согласно стандарту EN 13601, полоса из Cu-ETP поставляется в следующих состояниях: R220 — мягкий отожжанный, с пределом прочности при растяжении 220–260 Н/мм²; R240 — полутвердый, 240–300 Н/мм²; R290 — твердый, 290–360 Н/мм². Разброс значений достаточно велик, поэтому комплект инструмента, оптимизированный для одного состояния, не будет оптимальным для другого.

Указание заусенца на чертеже

Большинство чертежей шин не содержат указаний на заусенец, после чего контролer отбраковывает детали по неписаному стандарту. Корректный способ указания — стандарт ISO 13715, Техническая документация на продукцию — Кромки неопределенной формы — Указание и нанесение размеров, третье издание 2017.

Стандарт предусматривает графический символ, размещаемый на кромке, со знаком и числовым значением внутри. Знак несет следующее значение:

• + указывает на допустимый избыток материала, который стандарт называет выступом. Заусенец определен как частный случай наружного выступа. Одно положительное значение означает, что другой предел равен нулю, то есть подрез не допускается.
• − указывает на требуемое удаление материала, подрез. Одно отрицательное значение означает, что выступ не допускается, то есть наличие заусенца полностью запрещено и кромка должна быть обработана.
• ± указывает на допустимость любого из вариантов и может использоваться только с числовым значением размера.

Размер — это максимально допустимое отклонение, записываемое после знака. Верхний и нижний пределы могут быть указаны совместно, по вертикали. Стандарт ISO 13715 также предусматривает возможность указания направления, в котором допускается выступ или подрез. Этот пункт особенно важен для шин, поскольку заусенец на стыковочной поверхности болтового соединения — это совершенно другая проблема, чем заусенец на свободной поверхности.

Стандарт ISO 13715 не указывает, какое именно значение следует указывать. Оно определяется функцией кромки:

• Поверхности болтовых соединений: заусенец оказывается между двумя сопрягаемыми проводниками, отодвигая их друг от друга, уменьшает площадь контакта и повышает сопротивление соединения. Поскольку стандарт IEC 61439 устанавливает предел повышения температуры на 70 К на зажимах для присоединения внешних проводников, сопротивление соединения является вопросом соответствия стандарту, а не внешнего вида. Сторона заусенца должна быть указана, и допуск должен быть жестким.
• Отверстия, через которые проходит стержень болта: заусенец здесь мешает сборке и может повредить болт. Достаточно умеренного контроля.
• Кромки вблизи изоляционной преграды или воздушного промежутка: это вопрос нормирования искровых и токопроводящих путей по стандарту IEC 60664-1, поскольку острый выступающий заусенец локально повышает напряженность электрического поля. Это также область, где иногда ссылаются на требование стандарта о снятии фасок. Ни один стандарт такого требования не содержит. Обработка кромки — это способ выполнения диэлектрических требований, а не самостоятельное требование.

Для систем отверстий по стандарту DIN 43673-1, который регламентирует расположение и размеры отверстий, а также базовые данные для винтовых соединений на прямоугольных шинах, спецификация на заусенец наносится на тот же чертеж, что и система отверстий.

В тех случаях, когда допуск настолько жесткий, что одна лишь пробивка его не обеспечивает, требуется последующая операция, а не дальнейшее уменьшение зазора. Щеточная или ленточная зачистка на таком оборудовании, как BND800-2, которое обрабатывает полосу толщиной от 0,5 до 50 мм и шириной от 100 до 800 мм, исключает необходимость дискуссии. Попытка обеспечить допуск на заусенец 0,05 мм только за счет уменьшения зазора снижает как ресурс пуансона, так и качество отверстий.

Настройка и проверка на станке

Зазор принадлежит инструменту, а не прессу, поэтому на шинопрокатном станке для пробивки и отрезки он фиксируется при заказе пуансона и матрицы и проверяется при их установке. Пуансон и матрица измеряются отдельно, и зазор рассчитывается, а не опирается на маркировку; пуансон, обработанный по боковой поверхности, а не по торцу, уже не соответствует номинальному размеру, указанному на нём. Затем проверяется соосность, так как допуск в пересчёте на сторону должен соблюдаться по всей окружности. Пуансон со смещением 0,1 мм от оси при номинальном зазоре 0,8 мм даст 0,7 мм с одной стороны и 0,9 мм с другой, а заусенец будет заметно асимметричным. На шинопрокатном станке с многостанционной ротационной головкой с точностью позиционирования ±0,05 мм в цепь зазоров входят точность установки станции и чистота ротационной головки.

Влияние описанной локальной пластической деформации на прямолинейность полосы рассматривается в разделе плоскостность, прямолинейность и скручивание после обработки, а в обзоре процесса пробивки описывается расположение отверстия в общем маршруте обработки.