Зазор между пуансоном и матрицей для медных и алюминиевых шин

Зазор — это промежуток между режущей кромкой пуансона и режущей кромкой матрицы. Это одно число, ошибиться в нём легко, и на шине его назначают неверно чаще, чем любой другой параметр оснастки. Большая часть опубликованных рекомендаций написана для листовой штамповки при 1-3 mm; шина — это 6-20 mm мягкой, пластичной, нагартовывающейся меди. Проценты переносятся. Последствия — нет.

Существуют два соглашения, и различаются они вдвое. Полный зазор — это разность между раскрытием матрицы и размером пуансона. Зазор на сторону — половина от него, радиальный промежуток в любой точке по периметру. Таблица поставщика с записью «медь, 20 %» и цех, работающий на 10 %, могут описывать одну и ту же оснастку. Прежде чем сравнивать число с чем бы то ни было, установите, по какому соглашению оно приведено. В настоящем материале везде используется зазор на сторону, а цитируемые источники при необходимости пересчитаны.

Что вам говорит кромка реза

У пробитого в шине отверстия четыре зоны, видимые на стенке отверстия и зеркально повторённые на высечке. Чтение их — самая быстрая диагностика, которая у вас есть, и стоит она ничего.

Зона смятия находится на стороне входа пуансона, где материал течёт и втягивается в отверстие ещё до того, как начнётся рез, оставляя скруглённую губу. Глубина зоны смятия растёт с зазором, с затуплением инструмента и с мягкостью материала, поэтому сама по себе она дефектом не является. На отожжённой меди она видна всегда.

Зона среза — это блестящий поясок под зоной смятия, где стенку отверстия загладила боковая поверхность пуансона. Она гладкая и прямая, и по размерам отверстием является именно она. Руководство Dayton Lamina по оснастке описывает оптимальный зазор как дающий высечку с блестящим пояском примерно в треть толщины материала и с ровной плоскостью скола, продолжающей его; для шины это тоже работает как правило приёмки.

Зона скола — матовый грубый остаток. Идёт она под углом, потому что трещина бежит от кромки пуансона к кромке матрицы, а угол этот задаёт зазор. Поверхность скола, которая прямая, однородная и продолжает поясок зоны среза без ступени, означает, что две трещины встретились. В этом и вся цель.

Заусенец находится на стороне выхода пуансона: последняя перемычка материала не срезается, а вытягивается и рвётся. Высота заусенца растёт с зазором, с износом кромки и с мягкостью.

Два признака отказа важнее остальных. Вторичный поясок среза — второе блестящее кольцо ниже по стенке со ступенью между ними — говорит, что трещина от пуансона и трещина от матрицы не встретились в одной плоскости и материал между ними пришлось срезать дважды. Это слишком малый зазор. Крупная зона смятия с тонким рваным заусенцем и очень коротким пояском среза — это слишком большой.

Сохраняйте по высечке от каждого нового комплекта оснастки с подписью: материал, толщина, зазор. Сравнение подозрительной высечки с заведомо хорошей занимает пятнадцать секунд и снимает большинство споров о том, инструмент ли пора перетачивать или зазор назначен неверно.

Зазор в процентах от толщины, на сторону

Рабочее выражение:

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

где t — толщина материала, а k — коэффициент зазора. Для медной шины k лежит в полосе 5-12 % на сторону. Ниже 5 % вы попадаете во вторичный срез и тепловое повреждение. Выше примерно 12 % на толстой шине начинают преобладать зона смятия и удержание высечки. Около 10 % на сторону — обычная рабочая величина, и именно на неё выходит большинство поставщиков оснастки для полутвёрдой шины.

Эта полоса, посчитанная для толщин, встречающихся в распределительных устройствах:

Итак, меди 6 mm нужно примерно 0,3-0,7 mm на сторону, а меди 10 mm — примерно 0,8-1,2 mm на сторону при работе в верхней половине полосы. Эти раскрытия матрицы выглядят пугающе большими рядом с пуансоном, если ваше чутьё выработано на тонколистовой работе. Они правильные. Матрица для пуансона 13 mm в меди 10 mm при 10 % на сторону составляет 15 mm, а отверстие, которое она даёт, намерит близко к 13 mm, потому что размер стенки задаёт поясок среза, а не матрица.

Опубликованные таблицы расходятся, и не случайно. Руководство по оснастке Conic даёт для меди коэффициент зазора 0,20-0,25 как полную величину на сервоприводных и гидравлических прессах, что составляет 10-12,5 % на сторону, с примечанием умножать на 1,4 при толщине свыше 3,2 mm. Взятое буквально, это выводит толстую медь на 14-17 % на сторону. UniPunch приводит для меди 20 % от толщины для полутвёрдой и 25 % для твёрдого состояния, опять же как полную величину. Работы Dayton по расчётному зазору, относящиеся к тонколистовой штамповке, дают ещё выше. Разброс здесь настоящий, а не небрежный: оптимум зависит от того, что вы покупаете — стойкость инструмента, минимальный заусенец или размерную повторяемость, — а эти три величины не достигают максимума при одном и том же зазоре.

Слишком малый зазор

Трещина от пуансона и трещина от матрицы начинаются каждая на своей режущей кромке и распространяются навстречу друг другу. При правильном зазоре они лежат в одной плоскости и смыкаются. При недостаточном зазоре они проходят мимо друг друга, и перемычку между ними приходится рвать вторым событием. Отсюда вторичный поясок среза, грубая и неоднородная стенка и отверстие, недомерное относительно пуансона.

Последствия для инструмента хуже, чем последствия для детали. После пробоя медь пружинит обратно на боковую поверхность пуансона, поэтому при тесном зазоре отверстие смыкается на пуансоне и каждый ход заканчивается посадкой с натягом, которую на обратном ходу приходится выпрессовывать силой. Усилие съёма растёт, боковая поверхность истирается, а у вершины накапливается тепло от трения. Примеры Dayton с производства показывают побежалость за вершиной ровно от этого механизма: термообработка пуансона повреждена, а его ресурс исчерпан задолго до того, как износилась сама кромка. В тяжёлых случаях вершина устаёт и отрывается.

Значительная часть износа приходится на извлечение, а не на рабочий ход. Dayton оценивает её до двух третей общего износа пуансона, и определяется она целиком тем, насколько туго отверстие обжимает боковую поверхность. Это самый сильный довод против работы с зазором по нижней границе полосы на меди. Медь мягкая, поэтому пресс не жалуется никогда. Жалуется статья затрат на оснастку.

При тесном зазоре растёт и пиковое усилие, потому что большая доля толщины срезается, а не скалывается. На станке с малым запасом это вполне вероятный путь к остановке ползуна на самой толстой шине задания.

Слишком большой зазор

Материал загибается в матрицу до начала реза. Зона смятия растёт, поясок среза укорачивается, зона скола забирает большую часть стенки, а высота заусенца растёт. Отверстие получается надмерным, а его кромка перестаёт быть прямоугольной, и это важно там, где отверстие находится на поверхности болтового соединения.

Эксплуатационный отказ здесь — вынос высечки. С ростом зазора высечка садится в матрице свободнее и при извлечении поднимается вместе с пуансоном вместо того, чтобы упасть. Она ложится на шину и вбивается в следующее отверстие или заклинивает в съёмнике. На меди механизмами выступают прилипание по масляной плёнке и разрежение, образующееся между выгнутой высечкой и торцом пуансона. Магнитное прилипание, обычный третий виновник в работе по стали, здесь неприменимо.

Меры противодействия механические: подпружиненный выталкивающий штифт в торце пуансона с боковым вентиляционным отверстием; угол скоса, выгибающий высечку так, чтобы её собственное пружинение её освобождало; либо матрица с коротким режущим пояском и следующим за ним более узким поднутрением, которое удерживает высечку и не даёт ей подняться. Помогает и ограничение захода пуансона в матрицу примерно до 0,5-0,8 mm в нижней точке хода, поскольку глубокий заход создаёт большее разрежение на выходе. Полный перечень и цена каждой меры — в материале «Стойкость инструмента и себестоимость отверстия».

Мелкие отверстия в толстой шине

У шины есть геометрическая проблема, которой нет у тонколистовой штамповки. Отверстие под болт M12 имеет диаметр 13 или 13,5 mm. В шине 10 mm отношение диаметра отверстия к толщине составляет около 1,3; в шине 12 mm — около 1,1. Это короткое и глубокое отверстие, и ведёт себя оно не так, как отверстие 25 mm в листе 3 mm.

Ниже отношения диаметра к толщине примерно 1,5 высечку становится трудно выгнуть и отделить. Нагрузка на пуансон растёт, поясок среза удлиняется, заусенец увеличивается, а отверстие выходит недомерным. Рекомендация Dayton — добавлять 1 % на сторону к номинальному зазору, как только отверстие опускается до 1,5 толщины, доводя добавку примерно до 4 % на сторону, когда диаметр отверстия равен толщине. В применении к отверстию 13 mm в меди 12 mm эта поправка не факультативна, и она объясняет, почему комплект оснастки, прекрасно работающий на 6 mm, капризничает на 12 mm при том же номинальном проценте.

Данные PASS Stanztechnik по стойкости инструмента подтверждают это с другой стороны: их понижающие коэффициенты составляют 0,6-0,8 для вырезаемого элемента размером менее 1,5 толщины листа и 0,3-0,5 для элемента размером менее 1,0 толщины. Мелкое отверстие в толстой шине обходится вам от половины до двух третей той стойкости инструмента, которую вы получили бы иначе.

Усилие пробивки и что с ним делает геометрия вершины

Требуемое усилие равно срезаемой площади, умноженной на сопротивление материала срезу: F = perimeter × t × τ, или F = π × d × t × τ для круглого отверстия. Разобранные примеры и справочный набор значений сопротивления срезу приведены в парном материале «Подбор усилия пресса для пробивки шин», а сам расчёт выполняется прямо в калькуляторе усилия пробивки шины.

Зазор с этим взаимодействует, и геометрия вершины тоже. Пуансон с плоским торцом режет весь периметр разом, поэтому всё усилие приходит всплеском, а разгрузка при пробое получается резкой. Заточка торца пуансона со скосом разносит рез по времени, и пиковое усилие падает, но на толстой шине падает меньше, чем внушает реклама. Диаграмма коэффициентов скоса H. Weiss даёт на заготовке 1/4 in (6,35 mm) коэффициент 0,90 при глубине скоса 1/16 in (1,6 mm), 0,85 при 3/32 in (2,4 mm) и 0,65 при 3/16 in (4,8 mm). Неглубокий скос на толстой меди покупает 10 %. Чтобы получить 35 %, нужна глубина скоса, приближающаяся к трём четвертям толщины шины, а это длинная и хрупкая вершина.

Плоская вершина даёт наибольшее пиковое усилие, самое прямоугольное отверстие и самую плоскую высечку. Односкатная, с торцом, заточенным под углом поперёк пуансона, даёт наибольшее снижение усилия, но толкает пуансон вбок, а на коротком шинном пуансоне эта боковая нагрузка уходит в направляющую и в съёмник. Двускатная, симметричная относительно осевой линии, уравновешивает боковые нагрузки и является обычным выбором для всего, кроме самых мелких отверстий. При пробивке отверстий скос делайте на пуансоне, а не на матрице: та деталь, которая несёт угол, искажает свою сторону реза, а при пробивке отверстия высечка идёт в отходы, изделием же является шина.

Алюминий — не медь, а 6101 — не 1350

Алюминий меняет две вещи. Сопротивление срезу падает сильно, и падает оно неодинаково по маркам, применяемым для шин.

Мягкие проводниковые марки серии 1xxx лежат по сопротивлению срезу около 60-80 N/mm²; UniPunch приводит для 1100-O 62 N/mm², а для 1100-H14 — 76 N/mm², и это верный порядок для шины 1350-H111. Легированная и термически упрочнённая шина — другой материал. Опубликованное сопротивление срезу для 6101-T6 составляет около 22 ksi, примерно 150 N/mm², а для 6061-T6 приводится 207 N/mm². Подбор пресса или комплекта оснастки под «алюминий, 80 N/mm²» с последующим получением шины 6101-T6 почти удваивает усилие, которое вам на деле нужно. Установите сплав и состояние поставки до расчёта усилия.

Зазор для алюминиевой шины при той же толщине немного ниже, чем для медной, обычно около 8-10 % на сторону, потому что меньшее сопротивление срезу позволяет трещине распространяться легко. Проблема алюминия — налипание. Он налипает на инструментальную сталь, наращивается на боковой поверхности пуансона, а затем задирает следующую сотню отверстий. Покрытие помогает: PASS Stanztechnik называет для подходящего покрытия коэффициент стойкости инструмента 2,0-4,0, имея в виду марку, предназначенную именно для алюминия, а не универсальный TiN. Смазка помогает сильнее. Понижающий коэффициент PASS для работы без смазки заготовки составляет 0,4-0,6, так что пробивка алюминиевой шины всухую — ложная экономия.

Состояние поставки меди важно точно так же. По EN 13601 шина из Cu-ETP поставляется как R220 мягкая отожжённая при 220-260 N/mm² по пределу прочности при растяжении, R240 полутвёрдая при 240-300 и R290 твёрдая при 290-360. Расхождение достаточно велико, чтобы комплект оснастки, настроенный под одно состояние поставки, не был оптимальным на другом.

Как задать заусенец на чертеже

Большинство чертежей шин о заусенце не говорят ничего, а затем контроль бракует детали по неписаному правилу. Механизм, позволяющий сказать это как следует, — ISO 13715, Technical product documentation — Edges of undefined shape — Indication and dimensioning («Техническая документация на изделие. Кромки неопределённой формы. Обозначение и простановка размеров»), третье издание 2017 года.

Стандарт даёт графическое обозначение, помещаемое на кромку, со знаком и значением внутри него. Смысл несёт знак:

• + обозначает допустимый избыток материала, который стандарт называет passing (превышение). Заусенец прямо определён как частный случай наружного превышения. Единственное положительное значение означает, что другой предел равен нулю, то есть поднутрение не допускается.
• − обозначает требуемое удаление материала, undercut (поднутрение). Единственное отрицательное значение означает, что превышение не допускается, то есть заусенец не разрешён вовсе и кромка должна быть притуплена.
• ± обозначает, что допустимо и то и другое, и применяться он может только со значением размера.

Размер — это максимально допустимое отклонение, записываемое после знака. Верхний и нижний пределы могут быть указаны оба, один над другим. ISO 13715 предусматривает также указание направления, в котором допускается превышение или поднутрение, и на шине именно это положение важнее всего, потому что заусенец на поверхности стыка болтового соединения — совсем другая задача, чем заусенец на свободной грани.

Чего ISO 13715 не делает, так это не говорит вам, какое число написать. Оно следует из функции кромки:

• Поверхности болтовых стыков. Заусенец оказывается между двумя сопрягаемыми проводниками и раздвигает их, уменьшая площадь контакта и повышая сопротивление стыка. Поскольку IEC 61439 задаёт предел превышения температуры 70 K на выводах для присоединения внешних проводников, сопротивление стыка является вопросом соответствия, а не косметики. Задавайте сторону заусенца и задавайте её жёстко.
• Стенки отверстий, через которые проходит стержень болта. Заусенец здесь мешает сборке и может задрать болт. Умеренного контроля достаточно.
• Кромки рядом с изоляционной перегородкой или воздушным промежутком. Это вопрос воздушных зазоров и путей утечки по IEC 60664-1, поскольку острый выступающий заусенец местно повышает напряжённость поля. Здесь же обычно кто-нибудь и заявляет, что стандарт требует снятия фаски. Не требует ни один. Обработка кромки — это способ выполнить положения по электрической прочности изоляции, а не самостоятельное требование.

Для схем отверстий по DIN 43673-1, который фиксирует расположение и размер отверстий вместе с исходными данными для винтовых соединений на шинах прямоугольного сечения, требование к заусенцу должно стоять на том же чертеже, что и схема.

Там, где предел настолько жёсткий, что одной пробивкой его не выдержать, ответом служит последующая операция, а не всё более тесный зазор. Снятие заусенцев щёткой или лентой на станке вроде BND800-2, который обрабатывает шину толщиной от 0,5 до 50 mm и шириной от 100 до 800 mm, снимает вопрос. Погоня за заусенцем 0,05 mm через уменьшение зазора стоит одновременно и ресурса пуансона, и качества отверстия.

Как назначить и проверить его на станке

Зазор принадлежит комплекту оснастки, а не прессу, поэтому на станке пробивки и резки он фиксируется при заказе пуансона и матрицы и проверяется при их установке. Измеряйте пуансон и матрицу по отдельности и считайте зазор, а не доверяйте надписи: пуансон, перешлифованный по боковой поверхности, а не по торцу, уже не имеет того размера, который на нём выбит. Затем проверьте соосность, потому что величина на сторону должна выдерживаться по всему кругу. Пуансон, смещённый от центра на 0,1 mm при номинальном зазоре 0,8 mm, даёт 0,7 mm с одной стороны и 0,9 mm с другой, и заусенец окажется заметно несимметричным. На обрабатывающем центре с многопозиционной револьверной головкой, выдерживающем позиционирование ±0,05 mm, выверка позиций и чистота головки входят в ту же цепочку, что и зазор.

Что это местное пластическое течение делает с прямолинейностью шины, разбирается в материале «Плоскостность, прямолинейность и винтообразность после обработки», а обзор процесса пробивки описывает место отверстия в остальном маршруте.