Штамповка с использованием комбинированных штампов — это процесс обработки листового металла, при котором за один ход пресса на одной станции выполняется несколько операций резки, таких как пробивка и вырубка. Этот метод позволяет получать высокоточные, идеально плоские детали, что делает его экономически выгодным для производства средних и крупных партий без необходимости перемещения заготовки между станциями прогрессивного пресса.
Хотя само определение и является достаточно простым, решение о целесообразности инвестиций в комплексные инструменты требует тщательной технической и финансовой оценки.
Рассмотрим практический пример с производственного цеха: плоская монтажная пластина размером 80 × 50 × 1 мм, изготовленная из нержавеющей стали марки 304, с четырьмя сквозными отверстиями диаметром 6 мм и закругленными углами R3. На ранних этапах создания прототипа, когда чертеж ещё подвергается изменениям, хорошо подходит лазерная резка. Как только конструкция стабилизируется и объёмы заказов увеличиваются, комбинированная штамповая матрица может выштамповать именно этот профиль за долю секунды.
Перед резкой стали для штампа $6,000 необходимо убедиться, что геометрия детали позволяет выполнять одновременную вырубку, а также точно рассчитать, какое количество деталей необходимо заказать, чтобы окупить затраты на штамп.
В каких случаях целесообразно применять комбинированную штамповку?
Выбор подходящего метода штамповки определяет скорость производства и себестоимость единицы продукции. Оцените геометрию детали и предполагаемый объем производства, чтобы определить, целесообразно ли с финансовой точки зрения использовать комбинированную штамповую форму.
Пробивка и вырубка за один ход
В многоступенчатой штамповочной матрице два основных режущих действия происходят в одной и той же станции практически одновременно. Пирсинг прорезает четыре отверстия диаметром 6 мм, в результате чего внутренние заготовки превращаются в отходы. Гашение разрезает внешний профиль размером 80 × 50 мм, отделяя конечную монтажную пластину от полосы.
Это принципиально отличается от штамповка с использованием прогрессивных штампов. В прогрессивной схеме заготовка проходит через несколько станций — например, на первой станции выполняется пробивка отверстий, а на третьей — вырубка контура. Хотя прогрессивная матрица также выпускает готовую деталь при каждом ходе, заготовка должна продвигаться вперед между операциями. Комбинированная матрица выполняет всю резку одной детали без перемещения заготовки.
Плоские детали и детали, требующие формовки
Основным техническим преимуществом обработки всех деталей на одном станке является точность размеров. В случае круглой шайбы это гарантирует, что внутренний и внешний диаметры остаются строго концентрическими, при этом допуски часто удерживаются в пределах ±0,02 мм. В случае нашей монтажной пластины расстояние между четырьмя отверстиями и внешними установочными кромками определяется самим блоком из инструментальной стали. Это позволяет исключить накопление допусков на положение, возникающее при перемещении деталей между станциями прогрессивного пресса.
Композитные штампы предназначены для изготовления плоских деталей. Если деталь требует формовки, технология изготовления, как правило, меняется. В приведенной ниже таблице показано, как геометрия и объемы заказов определяют выбор технологического процесса:
| Характеристики детали и статус заказа | Основной технологический маршрут для оценки |
|---|---|
| Плоский прототип; чертеж может быть изменен | Лазерная резка |
| Плоская деталь с отверстиями, устойчивый чертеж (например, от 5 000 до 50 000 штук) | Штамповка сложных форм |
| Участок с одним изгибом, объем не подтвержден | Лазерная резка + гибочный пресс или комбинированная вырубка + вторичная гибка |
| Деталь с несколькими изгибами, непрерывный высокий объем (например, более 100 000 деталей) | Штамповка с использованием прогрессивных штампов (сравните с общей стоимостью отдельных операций) |
На что следует обратить внимание на чертеже детали?
Незначительная ошибка в расчетах размеров может привести к преждевременному износу инструмента или к неисправности сборки. Перед утверждением чертежа штамповки внимательно изучите указанные зазоры и допуски.
Диаметр отверстия, расстояние до края и ширина перемычки
Перед началом обработки заготовки производители оценивают габаритные размеры выреза. В случае нашей пластины из нержавеющей стали марки 304 центры отверстий расположены на расстоянии 10 мм от соседних внешних краев. При радиусе отверстия 3 мм расстояние до края сетки—фактический объем материала, оставшийся между краем отверстия и внешним краем заготовки, — равен точно 7 мм.
Как правило, для нержавеющей стали марки 304 ширина перемычки должна составлять не менее 1,5–2,0 толщины материала (1,5 т – 2 т). Поскольку наша пластина — 1 мм толщина: перемычка толщиной 7 мм обеспечивает достаточную прочность, предотвращающую деформацию детали, и защищает штамповочный блок от усталостных трещин. Аналогичным образом, отверстие диаметром 6 мм с запасом превышает минимальные требования к штамповке нержавеющей стали, которые, как правило, должны быть больше, чем 1,2 т чтобы предотвратить излом пуансона под действием режущей нагрузки.
Определение краев, плоскостности и предельных значений заусенцев
Штампованная деталь считается приемлемой только в том случае, если она корректно функционирует в окончательной сборке. Если позиционирование нашей монтажной пластины зависит от двух смежных внешних кромок, на чертеже необходимо использовать именно эти кромки в качестве базовых линий для определения расположения группы отверстий.
Поскольку одна сторона пластины должна плотно прилегать к сопрягаемому элементу, необходимо четко определить допуски на плоскостность и заусенцы. На чертеже должно быть указано, какая сторона пластины подлежит проверке на наличие заусенцев в отверстиях и по периметру, а также зависит ли приемка от состояния до или после удаления заусенцев. Это различие имеет прямые механические последствия: даже если все четыре отверстия идеально совпадают с резьбой сопрягаемого элемента, 0,1 мм фреза оставшиеся на контактной поверхности могут привести к приподниманию пластины, что помешает ей плотно прилечь и станет причиной выхода узла из строя.
Какое движение должна совершать рукоятка матрицы при каждом ходе?
Комбинированная матрица выполняет все резы одновременно, создавая значительную механическую нагрузку на пресс. Понимание этих физических ограничений гарантирует, что ваш инструмент выдержит крупносерийное производство без катастрофических поломок.
Режущая сила и баланс нагрузки
Чтобы правильно подобрать размер пресса, производители рассчитывают суммарную режущую силу за один ход. В случае нашей монтажной пластины суммарная длина реза, определяемая внешним периметром и четырьмя отверстиями диаметром 6 мм, составляет примерно 330 мм. Принимая за толщину материала 1 мм и расчетная прочность на сдвиг, равная 400 Н/мм² для нержавеющей стали марки 304 базовое усилие резания составляет примерно 132 кН (около 13,5 метрических тонн).
Поставщики используют этот базовый показатель для проверки производительности пресса. На практике, чтобы безопасно компенсировать сильную обратную нагрузку (проскакивание), характерную для штамповки композитных материалов, производитель, как правило, направляет эту деталь на пресс с производительностью, как минимум, в два раза превышающей требуемую, например, на 30-тонный или 45-тонный пресс. Кроме того, они контролируют распределение нагрузки — инженеры часто разнесут по времени пробивку отверстий и сдвиг по периметру с интервалом в миллисекунды, что позволяет снизить пиковую нагрузку.
Зазор между матрицами и кромки реза
Зазор между пуансоном и матричным блоком называется зазором матрицы. Для нержавеющей стали марки 304 толщиной 1 мм типичное зазор с каждой стороны это от 8% до 10% толщины материала (от 0,08 мм до 0,10 мм).
Поставщики полагаются на пробные запуски, чтобы убедиться в оптимальности данного зазора. Если зазор слишком мал, резко возрастает трение и инструмент быстро изнашивается; если слишком велик — увеличивается зона переката и образуются избыточные заусенцы. Инспекторы по качеству устанавливают отдельные контрольные точки: одну для краев отверстия (определяемую пуансоном) и одну для внешнего края заготовки (определяемую полостью матрицы).
Извлечение деталей и удаление отходов
Комбинированная матрица должна физически выталкивать готовую деталь перед следующим ходом. Обычно четыре пробитых заготовки проваливаются сквозь матричный блок, в то время как пружинная отбрасывающая пластина подталкивает готовую пластину размером 80 × 50 мм обратно к поверхности матрицы, откуда она удаляется с помощью струи сжатого воздуха.
Во время пробного запуска операторы следят за двумя конкретными неисправностями: успевает ли готовая деталь вовремя покинуть зону инструмента и не поднимаются ли пробитые обрезки обратно на поверхность матрицы («подтягивание обрезок»). Откат обрезанных отходов может привести к выходу матрицы из строя, поэтому инженеры принимают меры по его предотвращению, вырезая в матричном блоке канавки для удержания обрезанных отходов. Именно из-за этого времени ожидания выталкивания отходов комбинированная штамповка часто выполняется с меньшей частотой ходов в минуту (SPM), чем прогрессивная штамповка.
В каких случаях стоимость штамповки сложных деталей оказывается ниже?
Более низкая цена за единицу имеет значение только в том случае, если объем вашего заказа оправдывает первоначальные инвестиции. Для сравнения штамповки и лазерной резки необходимо провести тщательный анализ безубыточности с учетом совокупных затрат.
Затраты на изготовление инструментов и объем производства, обеспечивающий безубыточность
Чтобы выбрать наиболее экономически выгодный вариант, сравнивайте одинаковые параметры: один и тот же чертеж, материал и критерии контроля. Цель состоит в том, чтобы точно рассчитать объем, при котором изготовление инструментов амортизация благодаря чему стоимость штампованной детали оказывается ниже, чем при лазерной резке без использования инструментов.
Предположим, что лазерная резка не требует специального оборудования и не влечет за собой затрат $1.50 за штуку. Стоимость составного штампа составляет $6,000 сразу, но снижает цену за штуку до $0.90. Первоначальные инвестиции в оборудование окупаются ровно через 10 000 единиц.
| Объем производства | Маршрут лазерной резки ($1.50/шт.) | Маршрут обработки сложного штампа (инструмент $6k + $0,90/шт.) | Наиболее экономичный вариант |
|---|---|---|---|
| 5 000 деталей | $7,500 | $10,500 | Лазерная резка |
| 10 000 деталей | $15,000 | $15,000 | Точка безубыточности |
| 20 000 деталей | $30,000 | $24,000 | Комбинированная матрица |
В случае заказов, поставляемых частями, следует учитывать отдельные расходы на наладку оборудования и возможные затраты на техническое обслуживание штампов для каждого производственного цикла.
Выход материала и стоимость отходов
Цена за единицу в значительной степени зависит от степени использования материала. Программное обеспечение для лазерной резки оптимально размещает пластины размером 80 × 50 мм по всей поверхности листа. Для штамповки необходимо разрезать материал на отрезки определенной ширины рулона и оставить несущую перемычку (наша 7 мм (расчет) между каждой деталью для прокладки ленты.
Если схема штамповки снижает выход готовой продукции и приводит к увеличению $0.10 с учетом чистой себестоимости материала на одну деталь (за вычетом стоимости вторичного сырья), цена штампованной детали увеличивается с от 0,90 до 1,00. Следовательно, объем безубыточности увеличивается с 10 000 до 12 000 единиц (6 000 / (1,50 – $1,00)). При принятии реальных решений о закупках эти расчетные данные следует заменить точными схемами раскладки заготовок и актуальными ценами на сырье.
Вторичные операции и объем предложения
Прежде чем оформить заказ на поставку, уточните, что именно входит в цену за единицу. Сравните оба коммерческих предложения, чтобы убедиться, что в них предусмотрены необходимые дополнительные операции, такие как удаление заусенцев, мойку деталей, разглаживание и согласованные протоколы проверки.
Попросите поставщика использовать первые пробные детали для проверки, соответствуют ли кромки после штамповки вашим допустимым пределам заусенцев без дополнительной обработки. Если предусмотрена обязательная обработка в барабане, добавьте стоимость этой обработки в вашу сравнительную таблицу, чтобы отразить реальную стоимость с учетом всех затрат. Наконец, уточните, кто несет расходы на плановое техническое обслуживание инструментов. Штамповка нержавеющей стали марки 304 быстро притупляет кромки инструментов; убедитесь, что ваш $6,000 В стоимость входит регулярная заточка на весь срок реализации проекта без каких-либо скрытых доплат за техническое обслуживание.
Как вы утверждаете детали для запуска в производство?
Для утверждения штампованной детали необходимо согласовать 2D-допуски с реальными условиями производства. Структурированный протокол контроля гарантирует, что в ходе непрерывной работы пресса будут производиться функциональные детали, а не только идеальный первый образец.
Контроль первой единицы продукции
Перед запуском серийного производства команда по контролю качества проводит проверку первых образцов, снятых с инструмента, в соответствии со строгими Контроль первой единицы продукции (FAI) контрольный список. В случае нашей монтажной пластины размером 80 × 50 мм это предполагает проверку определённых характеристик относительно заданных базовых точек.
| Особенность | Требование | Метод измерения | Базовая точка / Настройка |
|---|---|---|---|
| Диаметры отверстий | Ø6,00 ± 0,05 мм | Штифтовые калибры | Н/Д |
| Положение отверстий | 10,0 ± 0,1 мм | Координатно-измерительная машина / Оптический компаратор | Две смежные ориентировочные кромки |
| Плоскостность | Максимальное отклонение — 0,1 мм | Высотомер на плоской плите | Опираясь на предусмотренную опорную поверхность |
| Высота заусенца | Максимум 0,05 мм | Микрометр | Проведена предварительная зачистка с выпускной стороны |
Контроль размеров должен сопровождаться функциональной проверкой сборки. Операторы опускают пластину на сопрягаемую деталь или на специальное контрольное приспособление. Если четыре отверстия подходят для крепежных элементов, но пластина качается из-за заусенца размером 0,05 мм на контактной поверхности, деталь не проходит FAI. После утверждения результатов FAI производство переходит к стандартной выборочной проверке по допустимому пределу качества (AQL) для остальной части партии.
Пробный запуск на производственной скорости
Один ход, запущенный вручную, не отражает реальных условий производства. Поставщик должен провести пробный запуск с использованием реальной катушки из нержавеющей стали марки 304 толщиной 1 мм на запланированной производственной скорости (количество ходов в минуту, или SPM).
Операторы отбирают пробы во время первоначального запуска и повторно во время стабильной работы для проверки на наличие теплового дрейфа. По мере нагрева инструментальной стали в процессе быстрой непрерывной штамповки зазоры в матрице могут сужаться, что сказывается на качестве кромок. Процесс считается одобренным только в том случае, если размеры остаются стабильными, датчики усилие не фиксируют скачков, а как готовые листы, так и отходы надежно выбрасываются без заклинивания пресса.
Износ инструмента и повторная проверка
В ходе производственного процесса операторы ориентируются на визуальные признаки для выявления износа инструмента. Нержавеющая сталь марки 304 обладает абразивными свойствами и быстро упрочняется при деформации; даже прочные инструменты могут требовать регулярной заточки каждые 30 000–50 000 ходов.
Если высота заусенцев постепенно увеличивается, это означает, что режущие кромки тупеют. Частое затупление при крупносерийном производстве оправдывает замену пуансона со стандартной инструментальной стали D2 на карбид с TiCN-покрытием. Если на поверхности листа появляются внезапные вмятины или глубокие царапины, это, вероятно, означает, что пробитый обрез не упал и был оттянут обратно на поверхность матрицы (оттягивание обреза).
Всякий раз, когда инструментальный цех решает эти вопросы, обязательно проводится целенаправленная повторная проверка. Если заменяется пуансон диаметром 6 мм, служба контроля качества должна повторно проверить точный диаметр отверстия, его положение и наличие внутренних заусенцев. Если внешняя вырубная полость отшлифована и заточена, перед повторным запуском пресса необходимо повторно проверить профиль 80 × 50 мм, расстояние до края заготовки 7 мм и наличие заусенцев по периметру.
Готовы к расширению производства? Хватит гадать, какой способ — лазерная резка, прогрессивная штамповка или штамповка с использованием комбинированных штампов — является наиболее экономически выгодным для вашего текущего объема производства. Отправляйте свои 2D-файлы в формате PDF и 3D-файлы CAD (STEP) в компанию Shengen. Наша команда инженеров оценит ваши допуски по краям, рассчитает точное количество продукции, при котором окупается инвестиция в инструмент, и разработает технологическую схему производства, позволяющую минимизировать вашу общую стоимость с учетом доставки.
Привет, я Кевин Ли
Последние 10 лет я занимался различными формами изготовления листового металла и делился здесь интересными идеями из своего опыта работы в различных мастерских.
Связаться
Кевин Ли
У меня более десяти лет профессионального опыта в производстве листового металла, специализирующегося на лазерной резке, гибке, сварке и методах обработки поверхности. Как технический директор Shengen, я стремлюсь решать сложные производственные задачи и внедрять инновации и качество в каждом проекте.
