Плиты (ГОСТ 13110-75-131/6-75). Определение размеров нижних плит можно производить в зависимости от размеров матрицы. Толщина плиты определяется по эмпирической формуле:

мм

Габаритные размеры нижних плит делаются на 40-70 мм больше размеров матрицы. Для лучшего выхода и предотвращения скопления отходов или деталей в провальном отверстии нижней плиты, размеры его больше размеров матрицы (рисунок ), они определяются по формуле:

Где - размер отверстия в плите, - высота матрицы, - высота пояска, , - размер рабочей части матрицы.

В конусных матрицах с углом , размер провального отверстия рассчитывается по формуле:

При до 5 мм, ; при >5 мм

Значения приведены в таблице 24.1.

Таблица 24.1.

Толщина матрицы в мм	До 10	10-15	15-20	20-25	25-30	30-35
в мм при	1,2	1,4	1,6	1,9	2,1	2,4

Если в матрице имеются два вырубных контура малых размеров, находящихся близко друг от друга, провальные отверстия принимается общим. По ГОСТ 13110 – 75 – 131/6 – 75 разработаны четыре типа плит к блочным и пакетным штампам. Плиты могут быть стальными и чугунными.

В производственной практике конструктору обычно не приходиться производить расчеты на прочность, так как он пользуется стандартами и нормалями. В случае, когда использование нормалей не представляется возможным, ведут расчет на прочность нижних плит (рис.24.1).

Рис.24.1. Схема к расчету нижней плиты штампа.

Исходные данные для этого случая: 1) отверстие в плите одинаково с отверстием в матрице (рис.24.2,а). Расчет ведется тогда по сечению АВ как для балки свободно лежащей на двух опорах.

2) Отверстие для провала в столе пресса расположено симметрично относительно осей плиты (рис.24.2,б). Расчет ведут по сечению СД, как для балки на двух опорах с полузакрепленными концами.

3) Матрица накладная и в сопротивлении нагрузке не участвует (рис.24.2,в). Нагрузка целиком на нижнюю плиту. Расчет ведется по опорному сечению. Для прямоугольных отверстий:

Для круглых отверстий:

Где - максимальный изгибающий момент, - момент сопротивления в данном сечении, м3, - расстояние от равнодействующей до стенки отверстия стола пресса в мм, - расстояние между углами отверстия в плите по сечению ЕF в мм, - расстояние между углами провального отверстия в мм, - радиус отверстия в столе пресса, - радиус отверстия в плите штампа.

Рис.24.2. Схемы к расчету плит в зависимости от расположения провальных отверстий.

Хвостовики. Выбор хвостовика зависит от толщины плиты, конструкции и габаритов штампа. ГОСТ 16722 – 71 предусматривает четыре типа хвостовиков (рис.24.3).

Рис.24.3. Конструкции хвостовиков.

Хвостовики типа А с фланцем применяются для крупных штампов. Хвостовик с буртиком, тип Б, применяется для всех блочных и пакетных штампов. Для штампов с направляющими колонками, для гибочных и вытяжных работ применяется хвостовик с креплением на резьбе типа В. При вырубке материалов толщиной меньше 0,25 мм применяются плавающие хвостовики с фланцем типа А, Б,В. основной материал, из которого изготовляются хвостовики – Ст35, Ст4, Ст5.

Прокладки (упорные пластины). Упорные пластины (рис.24.4) применяются в случае: когда удельное давление передаваемое пуансоном на верхнюю плиту, превосходит 180 – 200 МПа при плитах из мягкой стали и при плитах из чугуна 80 – 90 МПа.

Рис.24.4. Схема к расчету прокладок.

Размеры прокладки должны соответствовать размерам пуансонодержателя и толщина их должна быть не менее 3–8 мм. Величина удельного давления, передаваемого пуансоном на нижнюю плиту, определяется формулой:

Где - удельное давление в МПа, - усилие вырубки (пробивки) в кН, - площадь сечения в верхней части пуансона в м2, - допустимое напряжение на сжатие в Н/мм2, для стали 180-200 Н/мм2, для чугуна 80-90 Н/мм2.

Упорные пластины изготавливаются из стали марки У8А или заменителей ст. 2 и ст. 10. Прокладки проходят термообработку и должны иметь твердость порядка единиц.

Пуансонодержатели. Пуансонодержатели бывают круглые и прямоугольные (рис.24.5).

Рис.24.5. Пуансонодержатель.

Толщина пуансонодержателя определяется по формуле:

Где - толщина матрицы.

В целях обеспечения установки пуансонов в вертикальном положении поверхности пуансонодержателя шлифуют. Отверстия под пуансоны должны быть строго перпендикулярны к опорным плоскостям в случае фасонного пуансона иметь фаску под расклепку. В мелких и средних штампах пуансонодержатели крепятся винтами к верхней плите с обязательной фиксацией шрифтами. Крепление пуансонов в пуансонодержателях осуществляется расклепкой, пайкой и т. д. Пуансонодержатели изготавливаются из стали марок ст. 40, 45 с последующей термообработкой .

Пуансоны. В холодной штамповке применяется огромное количество пуансонов различного технологического назначения. Значительная часть их не является типовой, а зависит от формы и характера штампуемой детали, как например, гибочные, вырубные и т. д. Выбор размеров на пуансоны рекомендуется производить по нормалям.

Классификация пуансонов.

1) По форме поперечного сечения пуансоны различают: круглые, квадратные, шестигранные, прямоугольные, фасонные (рис.24.6).

Рис.24.6. Конструкции пуансонов.

2) По форме режущих кромок: плоские (рис24.6,а), для пробивки отверстий в разметке (рис24.6,б), для проколки отверстий небольшого диаметра (рис.24.6,в) и наклонные (рис.24.6,г).

3) По способу крепления в пуансонодержателе: удерживаемые буртиком, удерживаемые расклепкой, составные пуансоны, удерживаемые винтами и шрифтами, быстросменные пуансоны.

Кроме того, применяются и другие виды пуансонов в зависимости от технологического назначения. Так, например, при вырубке деталей больших габаритных размеров пуансон собирается из секций, которые монтируются на плите с помощью винтов и установочных шрифтов. В комбинированных штампах последовательного действия применяется шаговый нож при подаче материала менее 50 мм и толщиной менее 3 мм.

В вырезных и обрезных штампах простой формы, для материала толщиной до 3-х мм применяются пуансоны быстросменные и пуансоны с заплечиками. Материал для пуансонов в основном марок стали У8А и У10А. Они могут быть заменены марками У8, У10, ШХ15. Термообработка пуансонов . Пуансоны вырезных и обрезных штампов сложной формы, а также пуансоны для материала толщиной свыше 3 мм изготавливаются из стали Х12, Х12М, с термообработкой .

Под действием усилия пуансоны в процессе работы подвергаются продольному изгибу. Расчет пуансона на прочность производится тогда, когда рабочая часть пуансона имеет небольшое сечение при наличии значительных усилий пробивки. Действительное напряжение, возникающее в пуансоне, определяется по формуле:

Где - действительное напряжение, возникающее в пуансоне, Н/мм2,

- площадь наименьшего поперечного сечения пуансона в м2,

- допускаемое напряжение на сжатие в Н/мм2 для закаленной стали.

Принимается в 1,5 – 3 раза больше, чем для сырой.

Длинные и тонкие пуансоны следует проверять не только на прочность, но и на изгиб. Взависимости от конструкции штампа расчет пуансонов на продольный изгиб ведется для случая: а) когда пуансон работает без направляющей плиты; б) когда в процессе работы конец пуансона не выходит из направляющей. Сила, при которой может начаться изгиб пуансона, называется критической нагрузкой и для первого случая (а) определяется по формуле:

*)

Для второго случая (б) по формуле:

**)

Где - модуль упругости равный 2150000 кг/см2 для инструментальной стали, - минимальный момент инерции сечения пуансона, - расстояние от пуансонодержателя до режущего конца пуансона (а) или до середины толщины направляющей плиты (б). Критическая нагрузка уменьшается на величину коэффициента безопасности , который берется = 4-5 при сырой стали и 2-3 из закаленной стали. Пуансон будет нормально работать при условии:

В случае, если требуется определить какую наибольшую длину пуансона можно принять, используют следующий момент: из формулы , зная усилие пробивки и коэффициент безопасности, определяют . Подставляя значение в формулы *) и **) определяют соответственно

и

Ориентировочно длину пуансона можно определить по эмпирической формуле:

мм

Ловители (рис.24.7) применяются в комбинированных штампах последовательного действия.

Рис.24.7. Формы ловителей.

Ловители фиксируют полосу (ленту) по отверстиям детали или по специально пробиваемым технологическим отверстиям. Диаметр ловителя определяется формулой:

Где - диаметр ловителя, - диаметр пуансона, - допуск на диаметр ловителя, принимается по скользящей посадке 3-го квалитета точности.

Погрешность при изготовлении не должна превосходить величины зазора, принимаемого между диаметром ловителя и отверстием, в которое оно входит 0,5 мм.. Тип ловителя выбирается в зависимости от формы вырубленного отверстия, его размеров и толщины по рекомендуемым нормалям.

Ловители изготавливаются из марок стали У8А, У10А и продолжают термообработку . Ловители могут быть вставными, запрессованными, на резьбе, накладные. Вставной ловитель применяется для отверстий диаметром от 3-х до 10 мм. Для отверстий диаметром от 6 до 30 мм применяются ловители запрессованные. Ловители с резьбой для отверстий от 6 до 30 мм, если к детали не предъявляется строгих требований относительно центричности, предварительно пробитого отверстия по отношению к контуру вырезного пуансона. Накладные ловители применяются для фиксации прямоугольных отверстий. Вставные ловители, укрепленные винтом, используются для фиксации отверстий диаметром от 25 до 250 мм.

Матрицы могут быть разбиты на группы по следующим признакам: по внешней форме и способу закрепления их в материцедержателе или нижней плите штампа: 1) матрицы прямоугольные, плитовые, 2) матрицы дисковые (круглые) удерживаемые запрессовкой, 3) матрицы круглые, удерживаемые кольцами, 4) матрицы для блок – штампов и составные матрицы.

По профилю рабочего отверстия различают: а) матрицы с цилиндрическим пояском, переходящим в конус (рис.24.8,а), б) матрицы с конусом от верхней плоскости матрицы (рис.24.8,б), в) матрицы с двумя цилиндрическими участками, соединенными по конусу (рис.24.8,в), г) матрицы с двумя конусами (рис.24.8,г).

Рис.24.8. Конструкции матриц.

Наибольшее распространение на практике имеют матрицы типа а) и б). Преимущества типа а) заключаются в том, что матрица имеет достаточно прочную режущую кромку и не теряет при заточке своего рабочего размера, недостаток – это скопление в рабочем очке матрицы отходов или деталей и т. д. образование в матрице обратного конуса от их проталкивания. Такие матрицы используют в штампах обязательно с обратной выдачей детали из-за их возможного заклинивания. Высота рабочего пояска у этих матриц принимается в пределах от 3 до12 мм, в зависимости от толщины и размеров деталей. В целях обеспечения более легкого выхода деталей после вырубки угол наклона конусной части матрицы =3-50. Матрица типа б) имеет легкий выход для изделия или отхода благодаря углу, который для различных толщин материалов колеблется в пределах от 0030 до 1030. Режущая кромка таких матриц значительно слабее, чем в первом случае, а при заточке она легко меняет свои размеры. Однако, изменение этих размеров незначительно и допускаемое число переточек обычно полностью не используется. Так как в рабочем отверстии матрицы с конусом, в процессе вырубки скапливается небольшое количество деталей, отчего значительно уменьшается их трение о стенки, то естественно, что стойкость таких матриц будет значительно выше, чем стойкость матрицы с пояском. Матрицы типа в) применяются только для пробивки небольших круглых отверстий.

С целью упрощения изготовления матриц типа б) отверстие в ней с точными размерами и углом выдерживают на высоте шейки . В нерабочей части угол берут =3-50. Высота шейки зависит от толщины материала.

По способу крепления матрицы различаются: матрицы плитовые прямоугольные – крепятся на плите при помощи винтов и штифтов. Этот тип матриц широко применяется в штампах простого и последовательного действия. Толщину матрицы для вырубки деталей толщиной от 0,8 до 3 мм можно определить по формулам: например для материала шириною

= 100-200 мм, ширина матрицы = (0,22 – 0,18) , = 50 мм, = (0,5 – 0,35) , но не менее 15 мм. Ширину матрицы определяют по формуле:

Матрицы втулочные, удерживаемые путем запрессовки, могут быть закреплены путем плотной или тугой посадки или закрепляются только запрессовкой.

Матрицы дисковые, с прижимным кольцом, применяются для вырубки при диаметре рабочей части от 15 до 100 мм. Угол наклона боковых стенок принимается равным 5-100.

Достоинствами матриц, которые рассмотрены, являются следующие: 1) малый расход инструментальной стали, 2) удобный и надежный метод крепления, 3) удобный и безопасный тип нижней плиты, 4) быстросменность матриц, 5) отсутствие трещин во время термообработки из-за отсутствия в матрицах резких линий перехода.

Большое применение получили в холодной штамповке составные и сварные конструкции матриц. Такие матрицы имеют свои преимущества: 1) простота изготовления отдельных частей по сравнению с изготовлением цельной матрицы, 2) гораздо лучше условия для термообработки отдельных частей, 3) возможность замены любой вышедшей из строя части вместо смены целой матрицы.

Крепление сборных матриц осуществляется на плите или на промежуточном основании, винтами и установочными штифтами. В сварочных конструкциях рабочие части сначала свариваются с промежуточным основанием, а затем вместе с ним крепятся на нижнюю плиту штампа. При разбивке режущего контура секционных матриц или пуансонов на участки, следует выступающие режущие части малой длины выделять в самостоятельные секции. Болты для крепления секций располагают ближе к режущей кромке в шахматном порядке, а фиксирующие штифты на максимально возможном расстоянии от нее.

Цельные матрицы и рабочие части составных конструкций изготовляются: для вырубки деталей простой конфигурации, из углеродистой инструментальной стали марок У8А, У10А, для деталей сложной конфигурации из легированной инструментальной стали марок Х12, Х12М, ХГ и т. д. с последующей закалкой и отпуском, шлифовкой. Твердость после закалки должна быть = 58-62 до 64. Рабочие части секций сварных конструкций изготовляются из стали У10А. Для промежуточных оснований составных и сварных конструкций применяют обыкновенную сталь марки 20.

Расчет на прочность цельных матриц. Расчет матриц на прочность можно производить, рассматривая сопротивление плоских плит при изгибе в случае равномерно распределенного давления по периметру вырубки (рис.24.9).

Рис.24.9. Схема к расчету матриц.

А) Круглая матрица, опертая на кольцо с внутренним диаметром (рис.24.9,а). Напряжение изгиба определяется по формуле:

Подобрав для соответствующей марки стали, можно определить толщину матрицы:

Б) Прямоугольная матрица, опертая на плиту с квадратным отверстием со стороной (рис.24.9,б).

;

В) Прямоугольная матрица, опертая на плиту с прямоугольным отверстием:

;

Расчет прочности крепления матриц (пуансонов) из составных секций.

Расчет составных секций связан с установлением главных действующих сил, которыми распираются секции, стремясь отойти в стороны и оказывая давление на штифты и шпонки (рис.24.9,в). Максимальная распирающая сила определяется по формуле:

Где - распирающая сила, направленная перпендикулярно линии разъема матрицы АВ и действующая одновременно с усилим вырубки. Она равна (0,3 – 0,4) , где - максимальное усилие вырубки, приходящееся на данную секцию, - сила трения между секцией и нижней плитой:

;

- боковая сила, действующая по торцу застрявшей в матрице детали, , где - удельное давление при проталкивании, - длина секции, - толщина вырубаемого материала.

Действие сил и может быть уподоблено действию гидростатического давления. Таким образом:

На эту максимальную силу следует рассчитывать выступы в плите, шпонки, штифты и другие детали, удерживающие секцию от сложения.

Упоры. Упоры предназначаются для подачи обрабатываемых полос в штампе на определенный шаг или для правильной установки полуфабриката при его последующей установке. Типы упоров разделяются на 2 группы: 1) неподвижные упоры, к которым относятся штифтовые, планочные, рамочные и др., 2) подвижные упоры, к ним относятся пружинящие, предварительные (боковые, верхние), автоматические упоры изготовляются из стали У7 с последующей закалкой или Ст2 и цементацией и закалкой на твердость.

Направляющие линейки и лотки. Направляющие линейки применяются в штампах с направляющей плитой простого и последовательного действия, реже в штампах открытого типа. Линейки могут быть выполнены в виде одного целого с направляющей плитой или отдельно от нее. Последний вариант более удобен и применяется преимущественно для ленточного материала. Линейки изготовляются из материала Ст5 (или Ст35). Кроме того имеются еще линейки с регулировкой по ширине. К направляющим линейкам привертывается обычно лоток, длина которого равна ширине матрицы, а толщина 1,5-2 мм. Толщина самих линеек в пределах 4-15 мм.

Направляющие устройства в штампах. Направляющие устройства разделяются на 3 группы: а) направляющие плиты, б) направляющие колонки и втулки, в) направляющие цилиндры (плунжеры).

Направляющие плиты. Назначение направляющих плит – это обеспечение правильного направления пуансона относительно матрицы. Одновременно направляющие плиты являются съемниками. Направляющие плиты бывают жесткими и подвижными. Для надежного направления пуансонов плиты должны быть достаточно толстыми. Их толщина определяется по формуле:

мм

Направляющие плиты изготавливаются из Ст5 или Ст35.

Направляющие колонки и втулки (рис.24.10).

Рис.24.10. Направляющая колонка и направляющая втулка.

Штампы с направляющими колонками получили широкое применение во всех отраслях промышленности. Колонки обеспечивают надежное направление верхней части штампа по отношению к нижней. Число колонок колеблется от 2 до 4. Колонки могут быть расположены по одной оси штампа, по диагонали, по четырем углам, а также несимметрично за осевой линией штампа.

В практике встречается большое количество различных конструкций направляющих колонок. Наиболее распространены 2 типа: 1) цилиндрическая неступенчатая колонка, 2) цилиндрическая ступенчатая колонка двух диаметров.

При индивидуальном изготовлении штампов предпочтение следует отдавать ступенчатой колонке, так как она позволяет производить обработку в верхней и нижних плитах (под колонку и втулку одновременно), т. е. за один проход сверла. Это гарантирует более точное совпадение осей этих отверстий. При серийном производстве, при наличии кондукторов, ступенчатую колонку применять невыгодно: она требует большего расхода материала и сложнее ее обработка. Колонки изготовляются из стали марок Ст2 (или Ст10) и из стали У8 и закалкой на твердость . Канавки на направляющих втулках предназначены для смазки. Втулки делаются выступающими из плиты для удлинения направляющей части. Крепятся втулки в верхней плите. Материал для втулок Ст2 (или Ст10) с последующей цементацией и закалкой на твердость .

Направляющие цилиндры получили применение в штампах плунжерного типа, преимущественно в часовом производстве.

Крепежные детали. Крепежными деталями штампов являются винты и болты, соединяющие между собой различные детали штампа и установленные штифты, служащие для предотвращения взаимного смещения деталей штампа при сборке, а также для противодействия боковым срезающим усилиям.

Соединительные винты применяют только с цилиндрическими головками для соединения в потай. Кроме того применяются винты с углублением под шестигранный ключ. Диаметр винтов применяется в пределах от 6 до 24 мм.. Остальные размеры берутся по ОСТ. Материалом винтов со шлицем служит Ст3, Ст4, а для винтов с углублением Ст2 с последующей цементацией и закалкой головки до = 40-45. Штифты для штампов принимаются цилиндрические диаметром от 6 до 24 мм. Материалом для них служит Ст6 с последующей закалкой . Цилиндрическая поверхность шлифуется.

Пружины для штампов. Для прижима обрабатываемого материала, для снятия материала с пуансона, для выталкивания готовых изделий из матрицы и т. д. применяются цилиндрические пружины, работающие на сжатие. В практике заводов пружины изготавливаются из проволоки различных сечений: круглого, квадратного, прямоугольного. Чаще всего применяется круглое и квадратное сечение проволоки. Средний диаметр пружины из круглой проволоки принять от 7 до 65 мм, диаметр проволоки от 0,7 до 16 мм.. Максимальная расчетная нагрузка от 1 до 1250 кг. Средний диаметр пружин второго типа принят от 30 до 40 мм, сторона квадрата от 5 до 10 мм.. Максимальная нагрузка от 80 до 520 кг. Материалом для пружин служит пружинная сталь марки 65Г. Пружины закаливаются в масте с отпуском .

Расчет пружин производить можно по следующим формулам. Для пружины из круглой проволоки диаметром :

; ;

Где – средний диаметр пружины в мм, - перемещение одного витка при сжатой до соприкосновения витков пружины в мм., - максимальное перемещение всей пружины в мм, - число рабочих витков, - максимальная допустимая нагрузка в кг, - допускаемое напряжение на кручение, равное 500 МПа, - модуль сдвига равный 800 МПа.

Формулы эти действительны при условии .

Учитывая, что в рабочем положении пружина сжата до длины , действительное сжатие составит , где - длина пружины в свободном состоянии:

Где – шаг пружины равный , 1,5 – число нерабочих витков.

Так как изменение нагрузки пружины происходит по закону прямой линии, то при данной степени сжатия пружина развивает давление:

Зная характеристику пружины (жесткость), можно по этой формуле для любой степени ее сжатия установить действительное давление, развиваемое пружиной.

Для надежной работы пружины усилие для снятия материала (отхода) с пуансона, а также для проталкивания заготовки через матрицу, должны быть меньше усилия , развиваемого пружиной.

Резина для штампов. Вместо пружин широкое применение в штампах имеет резина (рис.24.11).

Рис.24.11. Резиновая втулка.

Она употребляется как для съемников и выталкивателей, так и для прижимов к гибочным и вытяжным штампам. Форму и размеры резиновых буферов выбирают в зависимости от потребного усилия, величины опускания выталкивателя, съемника или прижима и вообще от конструкции штампа. Давление, развиваемое буфером, определяется по формуле:

Диаметр резины:

Высота резины:

Где – удельное давление, - площадь поперечного сечения.

При выборе размеров резинового буфера не следует максимальное сжатие его брать более 45%. В противном случае резина быстро изнашивается. Отношение высоты резины к ее диаметру должно быть в пределах .