Производство на матрици, щанци и пресформи - компоненти и материали

Проектирането и производството на щанци и матрици представлява значително по важност звено в цялата индустриална верига, тъй като почти всички масово произвеждани детайли се създават именно с помощта на това оборудване.

По този начин качеството, разходите и времето за изработката на щанци и матрици влияят върху икономиката на производството на много голям брой компоненти, монтажни възли и агрегати, особено в автомобилната промишленост.

Компоненти за щанци
Повечето щанци са конструирани от няколко основни компонента, включващи държачи, каси за матрици, матрични блокове, направляващи щифтове, втулки, подпиращи плочи, дистанционни опори и винтове. Щанците също така включват събувачи, притискащи плочи и изтеглящи подложки, както и устройствата, използвани за тяхното закрепване - макари, раменни болтове, държачи, фиксатори и газови, спирални или уретанови пружини.

Щанцовите държачи, касите за матрици и матричните комплекти са стоманени или алуминиеви плочи, които съответстват на размера на матрицата. Те служат като основа за монтиране на работните детайли. Тези компоненти трябва да бъдат обработени – фрезовани или шлифовани така, че да са успоредни и плоски в рамките на критични допуски. Макар че шлифоването е най-популярно, сега вече е възможно да бъде получена фрезована повърхност, която е изпълнена с такава точност като при шлифоване.

Повечето щанцови каси са изработени от стомана, но алуминият също е популярен материал за целта. Той е с тегло една трета от това на стоманата, може да се обработва много бързо и да се добавят специални сплави, за да се получи по-голяма якост на натиск от тази на нисковъглеродната стомана. Алуминият също е подходящ метал за поемане на удари, което го прави добър избор за изрязващи щанци.

Горните и долните матрични каси заедно с направляващите щифтове образуват щанцовия комплект. Долната подложка на щанцата често има машинно изработени или пламъчно изрязани отвори, които позволяват свободното падане на отпадъци и скрап, образувани в щанцата, през касата върху леглото на пресата.

Отворите също могат да служат като проходи за газови пружини и други компоненти на матрицата. Дебелината на щанцовата каса се определя от това колко сила може да се очаква при рязането и формоването.

Направляващите щифтове, понякога наричани водещи стълбове или колони, функционират заедно с направляващите втулки, за да се изравнят точно горната и долната подложка. Те са прецизно шлифовани компоненти, често произвеждани с изключително висока точност. Въпреки че могат да бъдат използвани много специални методи за монтиране на тези компоненти, има само два основни типа водещи щифтове и втулки - фрикционни щифтове и лагерувани щифтове.

Фрикционните щифтове са прецизно шлифовани и са малко по-малки от вътрешния диаметър на направляващата втулка. Те са изработени от закалена стомана, докато втулките често са изработени от (или са облицовани със) специален материал, устойчив на износване, наречен алуминиев бронз.

Алуминиевият бронз може да съдържа графитни включения, които помагат за намаляване на триенето и износването, което се получава при щифтовете и втулките. Фрикционните щифтове също спомагат за направляване на подложките и предотвратяват движението им от едната страна на другата.

Точността на лагеруваните щифтове се дължи на използваните прецизно закалени тела, сачмени лагери и втулки. За разлика от фрикционните щифтове, те се движат върху серия от сачмени лагери, положени в специален алуминиев корпус, позволяващ на лагерите да се търкалят, без да изпадат навън. Тези щифтове имат няколко предимства.

Първо, триенето се намалява, така че матрицата може да работи с по-високи скорости, без да се създава прекомерно триене и да се генерира топлина. Второ, те позволяват на конструкторите да отделят горната и долната подложка лесно. Трето, тъй като при тях се използват сачмени лагери, те могат да бъдат произвеждани с по-голяма точност от тази на фрикционните щифтове.

Подпорните плочи са специални стоманени блокове, които са прецизно обработени, завинтени, свързани и често заварени към горната и долната подложки на касата. Те са снабдени с износващи се плочи, поемащи всяка странична тяга, която може да бъде генерирана по време на процесите на рязане и формоване. Те са особено важни, ако генерираната сила е еднопосочна.

Твърде много сила, генерирана само от една посока, може да доведе до отклоняване на водещите щифтове, което води до неправилно подравняване на критичните елементи за рязане и формоване.

Едната подпорна плоча има стоманена пластина, а плочата на противоположната подложка има износваща се пластина от алуминиев бронз или някакъв друг различен метал. Процесът на избор на пластини е от съществено значение. Използването на две противоположно разположени пластини, направени от един и същ тип метал, може да доведе до голямо триене, генериране на топлина и евентуална механична повреда или студено заваряване на износващите се повърхности.

Подпорните блокове могат да се използват за стабилизиране на матрицата в една или повече посоки, а набор от опорни плочи често се използва за стабилизиране на щанци във всички посоки.

Болтовете затягат и закрепват работните елементи към горната и долната плоча на матричната каса. Болтът с гнездова глава е най-популярният закрепващ елемент, използван в щанците и матриците. Този болт от закалена инструментална стомана, с глава с вътрешен шестогран (Allen head), предлага голяма сила на задържане и якост.

Подложките са просто плоски или профилирани плочи под натиск, които поддържат, насочват или изтеглят метала по време на процесите на рязане и формоване. За щамповане се използват няколко вида подложки, като в зависимост от тяхната функция те могат да бъдат изработени от мека нисковъглеродна или закалена инструментална стомана.

Профилираните подложки трябва да прилягат много точно към съответстващия сегмент на щанцата. Изискванията за точност определят дали подложките да са снабдени с направляващи щифтове и втулки, или да не са снабдени с такива.

Събувачи. Събувачите са плоски или профилирани пружинни плочи, които издърпват или изтеглят метала от режещите повърхнини. Когато се изреже, металът естествено се натрупва около тялото или стеблото на режещите повърхнини, като това е валидно в особена степен при пробиване. Събувачът обхваща режещата повърхност и се монтира към горната каса на щанцата.

При излизането на поансона от долната част на щанцата, пружинната подложка притиска метала надолу наравно с долната част на матрицата, което позволява на режещите пробойници да се изтеглят от ламарината или детайла.

Често събувачите се монтират с малък и лек стоманен блок, който се премахва лесно, за да може техникът по поддръжката на матрицата да извади поансона от държача, без да отстранява целия събувач. Събувачите също така служат за запазване на желаната плоска или друга форма на материала по време на процеса на рязане.

Притискащи плочи. По време на процес на изтегляне и огъване преди осъществяването на контакт с формовъчния инструмент материалът трябва да се задържи плътно до долната част на матрицата. Притискачите трябва да упражняват сила, която е поне еквивалентна на силата на огъване. Повечето притискащи плочи използват пружини с голям натиск или газови такива.

Изтеглящи подложки. Те управляват потока на метала по време на формовъчния процес. При него упражняваният върху листовия метал натиск определя колко метал може да се изтегли и да навлезе в кухината за формоване.

Прекомерно големият натиск може да спре изтеглянето на метала и да причини разцепване, а твърде малката притискаща сила може да позволи на излишния метал да се изтегли навътре и да причини разхлабване или нагъване.

Подложките за изтегляне обикновено се изработват от закалена инструментална стомана. Те могат да бъдат гладки или профилирани в зависимост от формата на детайла. Повечето изтеглящи щанци използват една такава подложка за изтегляне, но в специфични случаи се срещат и такива с две изтеглящи подложки.

Шпули, раменни болтове и държачи се използват за закрепване на подложките към плочите на касата, като същевременно осигуряват възможността за движението им нагоре и надолу. Те се закрепват към горната или долната част на касата с винтове или щифтове за прецизно позициониране. От всички компоненти, използвани за закрепване на подложки, шпулите са най-често срещаните, особено при по-големи щанци.

Фиксаторите служат за закрепване на режещите или формовъчни компоненти на щанците както за горната, така и за долната плоча на касата. Едно от най-популярните приспособления за закрепване е прецизно изработен фиксатор със сачмен заключващ механизъм.

Използва се пружинен сачмен лагер за разполагане и закрепване на поансоните, които имат прецизно изработен заоблен канал с капковидна форма. Пружинният сачмен лагер заключва поансоните в канала и предотвратява излизането им от държача.

Предимството на сачмените фиксатори е, че те позволяват на техника по поддръжката да извади и повторно да монтира поансоните бързо. Поансонът се отстранява чрез натискане на пружинния сачмен лагер и издърпване на инструмента. Специални фиксатори могат да бъдат направени така, че да закрепват и подравняват поансони с нестандартни форми, както и поансони с глави и направляващи щифтове.

Пружините осигуряват силата, необходима за задържане, изтегляне или формоване на метала. В щанците и матриците се използват много различни видове пружини. Изборът на пружини зависи от много фактори, включително необходимата сила, полезния ход, очаквания експлоатационен живот и, разбира се, разходите. Сред най-популярните са газовите пружини, които, когато са запълнени с азот, могат да осигурят голяма сила. Те също имат отлична продължителност на експлоатационния живот.

Други видове са спиралните и уретановите пружини. Спиралните са много популярен избор, когато е необходимо значително усилие и са налице бюджетни ограничения. Уретановите са относително евтини и са подходящи за нискосерийни или прототипни щамповъчни операции.

Компоненти за шприцформи
Стандартната шприцформа е направена от неподвижна или инжекторна част, съдържаща една или повече кухини, и подвижна или отваряема част. 

Висококачествените шприцформи са скъпи, защото изработката им е трудоемка, а множеството прецизни обработки отнемат време. Продължителността на процеса на разработка на продукта и производствените разходи често могат да бъдат значително редуцирани, ако се обърне достатъчно внимание на дизайна на продукта и шприцформата.

Начинът, по който се изработва шприцформата, се определя от формата на детайла, броя на кухините, положението и системата на затваряне, вискозитета на материала и вентилацията на шприцформата.

По-сложните шприцформи за детайли с подрязвания или странични сърцевини могат да използват няколко линии за разделяне или плъзгащи се поансони, които могат да се управляват ръчно, механично, хидравлично, пневматично или електромеханично.

Леяковата система е колектор за разпределение на термопластична стопилка от машинната дюза към кухините. Леяковата втулка и самата система трябва да са с възможно най-малка дължина, за да се ограничи загубата на налягане в матрицата. Правилното оразмеряване на леяковата система спрямо определен детайл и дизайнът му има огромна възвръщаемост.

Леяковата втулка свързва дюзата на машината с леяковата система. За да се осигури чисто избутване от шприцформата, втулката трябва да има гладка, конусообразна вътрешна повърхност и да е полирана в посока на изхвърлянето. Препоръчва се използването на приспособление за откъсване на леяка.

В проекта следва да се предвиди и вдлъбнатина, която предотвратява навлизането на количество от студен материал в захранващата система и впоследствие в детайла, което може да повлияе на крайните свойства на готовия продукт. Размерите на леяка зависят основно от размерите на формования детайл, по-специално от дебелината на стената му.

Затворите са преходната зона между леяковата система и кухината. Разположението им е от голямо значение за свойствата и външния вид на готовия детайл. Стопилката трябва да запълва цялата кухина бързо и равномерно.

Охлаждането на шприцформата осигурява бързо и равномерно разсейване на топлината след шприцване на детайла. Бързината е необходима, за да се постигне икономично производство, а равномерността е нужна за гарантиране на качеството на продукта.

Подходящият контрол на температурата в шприцформата е от съществено значение за последователен процес на формоване. Конфигурацията на охлаждащия контур изисква по-специално внимание, особено като се има предвид, че процесът на охлаждане обикновено отнема две трети от продължителността на производствения цикъл.

Обикновено системата за охлаждане се пробива или фрезова грубо. Грубите вътрешни повърхности усилват турбулентния поток охлаждаща течност, като по този начин осигуряват по-добър топлообмен. С турбулентен поток се постига 3 до 5 пъти по-добър топлопренос, отколкото с нетурбулентен поток.

Охлаждащите канали трябва да бъдат разположени в близост до повърхността на кухината на матрицата на еднакви разстояния от центъра. При проектирането на охлаждащата система трябва да се има предвид механичната якост на стоманата.

Методът на избутване трябва да се адаптира към формата на изделието, за да се предотврати повреда при неговото изваждане от шприцформата. Най-общо освобождаването на формования детайл се възпрепятства от неговото свиване върху сърцевините на матрицата. Препоръчва се точките за избутване да са с голяма площ и да са равномерно разпределени върху формования детайл с цел да се избегнат деформации.

Възможно е да се използват няколко избутващи системи - избутващ щифт или втулка, ножове, въздушен клапан или избутваща плоча.

Когато не се очакват специфични проблеми, стандартният избутващ щифт работи добре. В случай на цилиндрични детайли като главини се използва ръкавен ежектор, за да се осигури равномерно избутване около сърцевината на матрицата. Ножовите ежектори се използват най-често за оребрени детайли, но те се износват лесно, изискват редовна поддръжка и при тях съществува риск от повреждане на продуктите.

Централен клапанен ежектор често се използва при комбинирано избутване с въздух на детайли с форма на чаша или кофа, където може да се появи вакуум. В този случай въздушният клапан е само вторично изтласкващо устройство.

Силно гланцираните повърхности може да имат неблагоприятен ефект върху освобождаването на матрицата, тъй като има риск да възникне вакуум между стената на сърцевината и формования детайл. Освобождаването може да се подобри чрез нарушаване на вакуума с изхвърлящия механизъм.

Избутваща плоча или пръстен се използва, когато изхвърлящите щифтове или клапаните не са ефективни. Ежекторната плоча често се задвижва с изтеглящ прът или верига.