Studiul Modului de Formare Si Propagare a Fisurilor de Forfecare la Decuparea Materialelor
1. Scurt istoric
1.1 Evolutia procedeelor tehnologice de-a lungul timpului
1.2. Prelucrarea plastică a semifabricatelor metalice
1.2.1. Prelucrarea plastică privită ca proces de fabricare
1.2.2. Importanța tehnică si economică a prelucrării plastice a metalelor
2. Procedeul decupării-perforării
2.1 Generalități
2.2 Condiții tehnologice la procedeul de decupare-perforare
2.3 Fenomene ce apar în timpul procesului de decupare-perforare
3. Parametrii procesului de decupare-perforare
3.1 Proprietățile mecanice și structura materialului
3.2 Jocul între poanson și placa activă
3.3 Grosimea semifabricatului
3.4 Forma și dimensiunile piesei ștanțate
3.5 Calitatea muchiilor tăietoare ale ștanței
4. Procedeul decupării-perforării de precizie
5. Elemente de proiectare în construcția ștanțelor
5.1. Calculul dimensiunilor parții active
5.2 Determinarea forței și lucrului mecanic
5.3 Construcția ștanțelor
6. Concluzii generale.Necesitatea studierii fenomenului
6.1 Concluzii generale
6.2 Direcții de cercetare privind studiul modului de formare și propagare a fisurilor de forfecare la decuparea materialelor groase
1.Scurt istoric
1.1. Evoluția procedeelor tehnologice de-a lungul timpului
Din cele mai vechi timpuri, omul în confruntarea sa cu natura a căutat să-și rezolve problemele de existență cât mai ușor posibil. Nivelul acestor confruntări a fost determinat de dezvoltarea mijloacelor de producție, de nivelul dezvoltării tehnologice a societății la un moment dat. Printre cele mai vechi procedee de prelucrare plastică a metalelor se numără trefilarea sârmelor și ambutisarea tablelor.
Primele semnalări privind folosirea sârmelor din aur la confecționarea bijuteriilor în Egipt datează din mileniul III î.e.n. Aceste sârme nu prezentau secțiunea constantă pe lungimea lor, de aceea se presupune că au fost obținute prin lovire (forjare). Cea mai veche filieră, realizată din piatră, a fost descoperită în Gruzia și datează din mileniul II î.e.n. Un moment important în evoluția procedeului de trefilare a sârmelor este marcat de introducerea folosirii filierelor din fier în Franța în secolele III-IV e.n. Aceste filiere aveau orificii multiple, erau realizate sub forma unor plăci ce se montau într-un suport din lemn, iar tragerea sârmei se efectua manual (fig.1.1).
Fig.1.1. Trefilareamanuală a sârmei
Primele ateliere pentru producerea sârmelor apar începând cu secolul XIII, când se introduce trefilarea sârmelor din fier. La mijlocul secolului XIX apar primele mașini multiple de trefilat acționate cu aburi. La începutul secolului XX acționarea mașinilor de trefilat începe să se facă cu ajutorul motoarelor electrice. Dezvoltarea producției de sârmă a fost posibilă și prin introducerea în lucru a filierelor din pietre prețioase (rubin, diamant) spre sfârșitul secolului XIX. în țara noastră prima secție de trefilat a apărut în amil 1924 la Câmpia Turzii.
Prelucrarea tablei este cunoscută încă de la începutul mileniului IV î.e.n., în Egipt și Mesopotamia, (fig.l .2). Primele piese au fost realizate în scop ornamental din aur și argint și aveau grosimi de până la 0,6 mm, iar prelucrarea se făcea manual. Mai târziu (anul 1450 î.e.n.) sunt utilizate placa și poansonul pentru realizarea unor reliefări cu adâncime mică. După anul 1400 î.e.n. începe să fie folosită deformarea, tăierea cu placă activă în Cnossos și Micene, iar apoi și în alte centre ale civilizației antice. Prima referire asupra procedeului de ambutisare adâncă (așa cum este definit astăzi) a fost făcută de Amman în anul 1568. Acesta prezintă procedeul de obținere a degetarelor utilizate în Suedia după anul 1500 e.n. Aproximativ în aceeași perioadă, Schellenmacher introduce procedeul de ambutisare prin întindere, utilizând placa și poansonul rigide. Acționarea acestor matrițe se făcea manual (cu prese cu șurub) sau cu ajutorul energiei apei.
Fig. 1.2. Prelucrarea manuală a tablei în Egipt și Mesopotamia
Descoperirea mai târziu a forței aburului a creat posibilitatea perfecționării tehnologiilor de obținere a tablelor precum și a utilajelor de presare. Astfel, obținerea tablelor prin forjare este înlocuită cu laminarea acestora. Prima schiță a unui laminor aparține lui Leonardo da Vinci (anul 1485), iar primele laminoare sunt construite în anul 1728 în Anglia de către Hanbury și în 1773 în Germania de Rasselstein.
Secolul XIX este marcat de dezvoltarea accentuată a tehnologiilor de deformare, tăiere a tablei prin utilizarea tablelor laminate (superioare calitativ celor forjate) și a noilor utilaje de presare, în anul 1808 Cook brevetează în Anglia ambutisarea cu reținere în mai multe etape. Parkes dezvoltă și brevetează ambutisarea fără reținere cu placă profilată, în anul 1857, împreună cu Bessemer (în anul 859) aplică acest procedeu pentru table din oțel obținând grade de ambutisare de 2…3 (fig.1.3).
Fig.1.3. Procedeul de ambutisare fără reținere (1859).
Primele cercetări asupra ambutisării prin întindere biaxială le realizează Adamson în anul 1879. Brevetarea în anul 1878 a presei cu șurub cu dublu efect constituie un pas hotărâtor pentru obținerea pieselor de dimensiuni mari. Astfel, în Anglia (anul 1888) se obțineau piese cilindrice cu diametre de 300 mm.
Alte momente hotărâtoare în construcția utilajelor de presare sunt marcate prin introducerea acționării electrice (sfârșitul secolului XIX) și dezvoltarea acționării hidraulice (începutul secolului XX). De asemenea, dezvoltarea industriei automobilului, prin introducerea tehnologiilor în flux (Ford, 1910) și a prelucrării unor piese de formă complexă a revoluționat tehnologiile de prelucrare a tablei (fig. 1.4).
Fig.1.4. Etapele istorice ale prelucrării tablei la începutul secolului XX.
Aceste tehnologii noi reclamau o cunoștere completă a fenomenelor ce au loc în procesul de ambutisare pe de o parte, precum și a deformabilității tablelor metalice folosite pe de altă parte. Ca urmare, cercetările teoretice și experimentale asupra ambutisării au luat un mare avânt în perioada 1920-1940 (prin Sellin, Ruhrman, Eksergian, Sachs, Siebel, Fukui). O dezvoltare la fel de susținută au cunoscut și cercetările privind definirea unor metode și a unor coeficienți de apreciere a deformabilității tablelor metalice (prin Erichsen, Olsen, Jovignot, Swift, Engelhardt).
Societatea contemporană se confruntă cu cerința de a produce cât mai mult, cât mai bine si cât mai ieftin, ceea ce a determinat descoperirea, cercetarea și utilizarea unor procedee și utilaje noi de prelucrare a materialelor, care să poată satisface toate exigențele.
Deformarea, tăierea plastică la rece răspunde în mare parte dezideratelor enunțate mai sus. Prelucrările prin deformare, tăiere plastică și în special cele ale tablelor s-au extins tot mai mult în ultimii ani. În industria de automobile a țărilor dezvoltate industrial aproape 70% din componente sunt executate din tablă prin deformare plastică, iar în industria aeronautică procentul este de 60…70 %. Deși tehnologiile și utilajele convenționale au permis executarea unor piese complicate la prețuri moderate, totuși nu s-au putut acoperi toate cerințele industriei. Astfel, prin tehnologiile convenționale nu s-au putut executa piese din tablă cu rezistență înaltă (Rț > 100 daN / mm2), nu s-au găsit soluții
acceptabile atât tehnic cât și economic pentru realizarea pieselor de formă spațială complexă, etc. Aplicarea deformărilor plastice în aceste cazuri a fost posibilă prin introducerea tehnologiilor neconvenționale, în cadrul cărora semifabricatele sunt expuse acțiunii unor forțe și viteze mari de deformare sau a altor condiții speciale.
1.2. Prelucrarea plastică a semifabricatelor metalice
1.2.1. Prelucrarea plastică privită ca proces de fabricare
Prin prelucrarea (deformarea, tăierea) plastică a metalelor se înțelege un grup de procese de fabricare prin care unui corp i se modifică forma și dimensiunile, cu păstrarea volumului constant și a compoziției chimice a materialului. Deformarea plastică a metalelor este sinonimă cu formarea metalelor (în limba engleză, metals forming) și cuprinde metodele din grupa a II- a a proceselor de fabricare.
Procesele de fabricare cuprind sase grupe principale:
*Grupa I- Formarea primară: crearea formei originale
(inițiale) din topitură sau stare gazoasă, sau din particule solide cu
formă nedefinită, când este creată coeziunea între particulele de
material.
*Grupa II- Prelucrarea plastică: transformarea formei
realizate a corpului solid în alte forme fără schimbări în masa sau
compoziția materialului, când este menținută coeziunea particulelor.
*Grupa III- Separarea: prelucrarea sau înlăturarea materialului, când este distrusă coeziunea.
*Grupa IV- Asamblarea: reunirea pieselor individuale în
cadrul subansamblelor, ansamblelor și așa mai departe, când este
mărită coeziunea între mai multe piese.
*Grupa V- Acoperirea: aplicarea straturilor subțiri pe piese, de exemplu prin plastic, când este creată și mărită coeziunea între substrat și stratul de acoperire.
*Grupa VI- Schimbarea proprietăților materialului: schimbarea intenționată a proprietăților pieselor în scopul obținerii caracteristicilor optime este un punct particular al proceselor de fabricare. Această metodă include schimbarea orientării microparticulelor, precum și introducerea sau eliminarea lor, ca de pildă prin difuzie, când este micșorată sau mărită coeziunea prin rearanjarea, adăugarea sau înlăturarea particulelor.
1.2.2. Importanța tehnică si economică a prelucrării plastice a metalelor
În prezent asistăm la o creștere a ponderii metalelor prelucrate prin deformare plastică față de cele prelucrate prin așchiere. Prelucrarea prin deformare plastică atinge un procent de 50 % în țările puternic industrializate. Se manifestă tendința ca prin deformare plastică să se obțină piese de mare precizie care să nu mai necesite decât operații de finisare (rectificări, lepuiri, honuiri). Creșterea ponderii prelucrărilor prin deformare plastică se datorează si altor avantaje, cum ar fi: folosirea cvasitotală a materialului semifabricatului, realizarea unei cadențe ridicate de prelucrare, consumarea unei energii mai reduse pentru prelucrarea unui kilogram de material.
În cadrul procedeelor de deformare prelucrarea tablelor ocupă un loc marcant. În cadrul produselor sub formă de tablă ponderea cea mai mare o au tablele subțiri (sub 3mm) laminate la rece. Ultimii ani au fost marcați de o creștere semnificativă a procentului de tablă inoxidabilă în volumul total al producției de oțel. O dinamică asemănătoare înregistrează și producția de tablă din metale neferoase, unde primul loc este ocupat de tabla din aluminiu. Explicația privind dinamica producției de tablă se poate obține analizând tabelul 1.1, în care se prezintă principalii utilizatori ai produselor din tablă.
Tabelul 1.1. Utilizatorii produselor din tablă
Dinamica producției de tablă urmărește dinamica industriilor principale (de automobile și electrotehnică) care utilizează tabla (fig. 1.5). Tendințele prezentate mai sus se vor menține și în următorii ani, conform prognozelor I.I.S.I. (International Iron and Steel Institute).
Fig. 1.5. a. Producția anuală în Japonia:a. de automobile;b. de televizoare.
Locul și rolul semifabricatelor din tablă în tehnologia obținerii unei piese cave de revoluție se prezintă în figura 1.6 .
Fig. 1.6. Tehnologii de obținere prin deformare a unei piese cave de revoluție.
Se observă că există mai multe soluții pentru obținerea piesei cave (fiecare cu eficiența sa), dar în cazul obținerii unei piese de formă complexă (componente de caroserii auto), singurul traseu tehnologic posibil este acela care conține operația de ambutisare.
2. Procedeul decupării-perforării
2.1 Generalități
Decuparea și perforarea sunt operații de taiere după contur inchis prin care se obțin piese plane de diferite forme.
Dimensiunile de gabarit aobține analizând tabelul 1.1, în care se prezintă principalii utilizatori ai produselor din tablă.
Tabelul 1.1. Utilizatorii produselor din tablă
Dinamica producției de tablă urmărește dinamica industriilor principale (de automobile și electrotehnică) care utilizează tabla (fig. 1.5). Tendințele prezentate mai sus se vor menține și în următorii ani, conform prognozelor I.I.S.I. (International Iron and Steel Institute).
Fig. 1.5. a. Producția anuală în Japonia:a. de automobile;b. de televizoare.
Locul și rolul semifabricatelor din tablă în tehnologia obținerii unei piese cave de revoluție se prezintă în figura 1.6 .
Fig. 1.6. Tehnologii de obținere prin deformare a unei piese cave de revoluție.
Se observă că există mai multe soluții pentru obținerea piesei cave (fiecare cu eficiența sa), dar în cazul obținerii unei piese de formă complexă (componente de caroserii auto), singurul traseu tehnologic posibil este acela care conține operația de ambutisare.
2. Procedeul decupării-perforării
2.1 Generalități
Decuparea și perforarea sunt operații de taiere după contur inchis prin care se obțin piese plane de diferite forme.
Dimensiunile de gabarit ale pieselor care se pot obține prin decupare sau perforare variază de la câțiva milimetri până la câțiva metri, iar grosimea tablei din care se stanțează piesele ajunge până la 20…25 mm.Limitele inferioare ale dimensiunilor pieselor depind de construcția celei mai mici stanțe posibile, iar limitele superioare ale acestora sunt in funcție de forța de presare și dimensiunile de gabarit ale utilajelor existente în dotarea întreprinderii. Însă, ca urmare a apariției și extinderii la scară industrială a diverselor procedee moderne de prelucrare, limitele dimensiunilor pieselor obținute cu ajutorul utilajelor clasice pot fi cu mult depășite; laserul și electroeroziunea fac posibilă prelucrarea orificiilor submilimetrice, iar instalațiile speciale de prelucrare cu energii și viteze mari nu pun încă condiții restrictive dimensiunilor maxime de gabarit ale pieselor de prelucrat.
Decuparea este operația de tăiere exterioară sau interioară după un contur închis, pentru separarea completă a unor semifabricate sau piese, cea mai mică dimensiune transversală a conturului fiind mare în raport cu grosimea materialului (d>5s, fig. 2.1). Operația se execută cu ajutorul unei ștanțe de decupat, compusă din două elemente active: poansonul și placa activă (de decupare). În plus, este prevăzută cu elemente de ghidare (pentru poanson sau piesă) și placa de bază a ștanței, paravane de protecție etc. (fig. 2.2). Placa de decupare este fixă, iar poansonul mobil (acționat de berbecul presei).
Decuparea se poate face din benzi, lăsând puntițe sau fără puntițe, sau din foi de diferite forme. Deoarece din prețul de cost al unei piese ștanțate materialul reprezintă 40—60%, rezultă necesitatea unei ulilizări judicioase a acestuia. Acest lucru trebuie urmărit atât de tehnolog la croirea materialului cât și de protiectant la elaborarea desenului produsului finit.
Fig. 2.1. Decuparea:
a – decupare exterioară; b – decupare interioară;
1- banda de material; 2 – piesa decupată.
Fig. 2.2. Parțile active ale ștanței de decupat:
1- placa activă (de decupare); 2 – poansonul;
3 – semifabricatul
Ștanțarea și matrițarea la rece constituie un ansamblu de procese tehnologice speciale de deformare plastică și tăiere prin care produsele se obțin fără așchiere, procese care se execută la o temperatură inferioară temperaturii de recristalizare a materialului sau aliajului supus prelucrării.
Procesele de deformare plastică și separare la rece au următoarele particularități care le caracterizează: folosirea unui utilaj special (prese, foarfeci, mașini speciale); folosirea unor scule speciale (stanțe și matrițe), folosirea, materialului sub formă de benzi, table sau fâșii; modul de executare a operațiilor (deformare plastică și separare).
În comparație cu alte procedee tehnologice de prelucrare, ștanțarea și matrițarea la rece prezintă următoarele avantaje tehnico-economice: fabricația este dificilă sau chiar imposibilă prin alte procedee de prelucrare, realizarea de produse ușoare cu consum minim de material rezistente și rigide; posibilitatea de execuție a pieselor interschimbabile cu precizie dimensională ridicată ce nu mai necesită prelucrări ulterioare, coeficient de utilizare a materialului ridicat, productivitate înaltă a utilajului folosit, deservirea lucrului la prese se face de către muncitori cu calificare redusă etc.
Prelucrarea metalelor prin deformare plastică are ca scop modificarea formei materialului prin aplicarea unei forțe exterioare în vederea obținerii unei alte repartiții a aceluiași volum de material. Prelucrarea materialului prin separare îndepărtează parțial sau total o parte din material. În funcție de felul forțelor de solicitare aplicate, procedeele de prelucrare a metalului prin deformare și separare se împart în următoarele grupe:
grupa operațiilor de tăiere
grupa operațiilor de îndoire
grupa operațiilor de ambutisare
grupa operațiilor de fasonare
grupa operatiilor de formare
grupa operațiilor de asamblare prin deformare plastică la rece.
Tabelul 2.1.
Grupa operațiilor de tăiere
2.2 Condiții tehnologice la procedeul de decupare-perforare
Procesul de decupare și perforare cu ajutorul stanțelor este similar procesului de deformare care are loc la introducerea unui poanson complet rigid într-un material elastico-plastic. De remarcat este faptul că, datorită jocului care există între poanson și placa activă și mai ales în cazul metalelor plastice – deplasarea plastică prin lunecare este însoțită de încovoierea și întinderea fibrelor, urmată de forfecarea lor (după apariția fisurilor de forfecare).
Forța de împingere, corespunzătoare rezistenței de forfecare, care produce separarea metalului este cu mult mai mare decât forța de echilibru plastic, deoarece zona din material în care se propagă deformația plastică se-ecruisează.
Fig. 2.3. Perforarea
În cazul materialelor fragile și ecruisate procesul de decupare se produce aproape fără a se observa încovoierea și întinderea fibrelor, deci procesul se apropie și mai mult de cazul forfecării pure. De asemenea, în cazul materialelor fragile și ecruisate, deformarea elastică (adâncimea de pătrundere a poansonului înainte de începerea deformării plastice) este mai mică.
În figura 2.4 se dau rezultatele obținute în ceea ce privește repartiția tensiunilor în cazul perforării celuloidului. După cum se vede, apar două feluri de tensiuni: de compresiune și de forfecare (tensiunile de compresiune se repartizează sub formă de curbe ovale și cercuri neînchise, iar tensiunile de forfecare se repartizează sub formă de elipse excentrice situate lângă muchiile stanței).
Fig. 2.4. Repartizarea tensiunilor la perforarea celuloidului (valorile sunt date în daN-cm2, pentru decuparea oțelului)
Cercetările făcute de I. N. Garcavi, au arătat că la pătrunderea poansonului într-un material rezemat pe o placă activă de decupare sau forfecare, se produce o stare de deformare plană. Procesul decupării sau perforării se apropie, în cazul jocului normal, de schema forfecării pure.
În ceea ce privește forfecarea, aceasta este rezultatul suprapunerii microforfecărilor ce se produc în planele de lunecare ale cristalelor. În cazul unui joc mare, precum și în cazul materialelor fragile poate avea loc o smulgere parțială a cristalelor, în care caz are loc atât o distrugere interioară cât și o distrugere intercristalină a cristalelor (separat sau concomitent). Forța maximă necesară tăierii, în cazul decupării și perforării, se poate calcula cu formula:
Fmax=k*q*τΣ, (2.1)
în care: Fmax este forța maximă necesară tăierii, în daN;
q – aria secțiunii forfecate, în mms;
τΣ – rezistența la decupare si perforare, în daN/mm2;
k – coeficient de corecție (care indică influența uzurii tăișurilor, jocului dintre poanson și placa de ștanțare, neuniformitatea materialului ca dimensiuni și calitate etc.).
Forța maximă dată de formula (2.1) servește pentru alegerea presei (respectiv calculul presei). Pentru forța de decupare se poate utiliza
F=q*τΣ (2.2)
Rezistența la decupare, respectiv perforare, τΣ, este de fapt o tensiune convențională, deoarece se raportează la suprafața completă de forfecare. Această tensiune este necesar să fie calculată ținându-se seama de tensiunea reală de decupare, respectiv perforare, τ0, din relația:
τΣ*S= τ0(S-Smax), (2.3)
în care smax este cursa de pătrundere a poansonului în piesă, până în momentul în care apar fisurile de forfecare;
s – grosimea materialului;
τ0 – tensiunea de decupare sau perforare reală (raportată la secțiunea momentană).
Din relația (2.3), rezultă:
τΣ= τ0(S-Smax)/S (2.4)
Valoarea dată de expresia. (2.4) se va introduce în calcul, de exemplu în cazul formulei (2.1). Tensiunea reală de decupare τ0 se calculează cu formula:
τ0= (τ’)real= τf, (2.5)
în care: (τ’)real este tensiunea reală de forfecare, luată din calculele anterior expuse;
τf – tensiunea tangențială datorită forțelor de frecare dintre piesă și placa activă de ștanțare și dintre poanson și material.
Se poate lua τf=µqn;
în oare qn – este tensiunea pe suprafața de forfecare;
µ – coeficient de frecare (µ = 0,18 .. . 0,42).
În general, în calcul, se consideră τf=0,1(τ’)real.
Tensiunea reală de forfecare (τ’)real nu are o valoare constantă, ci depinde de o serie de factori: proprietățile mecanice ale materialului prelucrat, adâncimea de pătrundere a poansonului, mărimea jocului, forma conturului tăiat, viteza de deformare, lubrifiantul utilizat, starea tăișurilor (duritate, calitate etc.).
Calitatea și precizia pieselor obținute prin decupare-perforare reprezintă coordonatele definitorii ale întregului proces de fabricație. Piesele prelucrate din tablă prin decupare-perforare trebuie să aibă suprafața rezultată prin forfecare netedă și curată fără rupturi, fisuri sau bavuri, iar, pe cât este posibil, acestea trebuie să fie plane.
Precizia și calitatea pieselor obținute prin decupare sau perforare depind de următorii factori:
valoarea și uniformitatea jocului dintre sculele stanței;
starea muchiilor tăietoare ale sculelor stanței;
construcția stanței (cu sau fără fixarea semifabricatului, cu sau fără coloane de ghidare etc.);
grosimea semifabricatelor și proprietățile mecanice ale materialului acestora;
forma și dimensiunile pieselor de ștanțat;
construcția și starea presei.
Fig 2.5
Când jocul dintre sculele ștanței este normal, fisurile de forfecare ce se formează la muchiile tăietoare ale plăcii active și poansonului coincid, formând o suprafață continuă de forfecare (fig.2.5, a), iar piesele obținute sînt lipsite de fisuri, rupturi sau bavuri. Dacă jocul dintre sculele stanței este mai mic decât cel normal (fig.2.5, b), fisurile de forfecare nu mai coincid între ele ci se propagă paralel în materialul semifabricatului, la o anumită distanță unele de altele, iar în momentul separării piesei stratul de material situat între planele de forfecare se rupe. De aceea, pe suprafața laterală a piesei forfecate apar stratificări de material, iar în partea superioară a acesteia se formează o a doua zonă lucioasă cu bavuri alungite. Când jocul dintre sculele ștanței este mai mare decât cel normal (fig.2.5, c), concomitent cu formarea fisurilor de forfecare are loc o încovoiere a semifabricatului, iar piesele obținute vor avea bavuri mari și margini neuniforme, în special când grosimea semifabricatului este mică, g < l mm.
Când jocul dintre sculele ștanței este foarte mare, peste 30 …40% din grosimea materialului, și semifabricatul este relativ gros, piesele obținute rezultă cu margini rotunjite.
Jocul inegal de-a lungul conturului de decupare-perforare are, de asemenea, o influență negativă asupra calității și preciziei geometrice ale pieselor obținute, în acest caz, partea de contur a piesei unde jocul a fost normal rezultă de bună calitate, iar restul conturului va avea bavuri și rupturi sau stratificări de material după cum jocul dintre scule a fost mai mare sau mai mic decât jocul normal. Pe de altă parte, jocul neuniform de-a lungul conturului de decupare-perforare duce la uzura prematură și neuniformă a sculelor ștanței.
Fig 2.6
Experimental s-a constatat că formarea bavurilor de-a lungul conturului pieselor obținute prin decupare-perforare are loc și în cazul când muchiile tăietoare ale sculelor ștanței sunt uzate, chiar dacă jocul dintre scule este normal (fig.2.6); uzura muchiei tăietoare a poansonului generează formarea bavurilor pe piesele decupate și rotunjirea muchiei piesei perforate (fig.2.6, a), iar uzura muchiei tăietoare a plăcii active duce la formarea bavurilor pe piesa perforată și rotunjirea muchiei piesei decupate (fig.2.6, b). Uzura muchiei tăietoare la ambele scule generează atât formarea bavurilor cât și rotunjirea muchiei piesei decupate sau perforate (fig.2.6, c), în afară de acestea, uzura sculelor ștanței duce la curbarea pieselor.
Experiența de uzină arată că piesele obținute prin decupare sau perforare cu ștanțe la care jocul dintre scule este mai mare decât cel normal, j = 0,3 …0,4g sunt de bună calitate, dacă sculele ștanței sunt bine ascuțite. De aceea, în practică nu trebuie să se admită lucrul cu ștanțe cu scule uzate.
Precizia dimensională a pieselor obținute prin decupare-perforare, în cazul în care se lucrează cu ștanțe de bună calitate și presa este în bună stare, este destul de ridicată. Teoretic, dimensiunile pieselor decupate coincid cu dimensiunile părții active a plăcii tăietoare, iar dimensiunile pieselor obținute prin perforare coincid cu dimensiunile părții active a poansonului. Practic însă, dimensiunile pieselor obținute prin decupare sau perforare se deosebesc întotdeauna de dimensiunile efective ale părților active ale sculelor ștanței. Această deosebire se datorește, în special, deformațiilor elastice ale materialului care apar în procesul de ștanțare și dispar după eliminarea pieselor din stanță, producând modificarea dimensiunilor acestora.
Modificarea dimensiunilor pieselor ștanțate, ca urmare a arcuirii materialului, este specifică tuturor materialelor metalice, indiferent de forma și dimensiunile acestor piese. De aceea, dimensiunile pieselor ștanțate din tablă diferă de dimensiunile sculelor ștanțelor și de dimensiunile deșeurilor respective de material. Astfel se explică faptul că o piesă decupată rezultă mai mare, decât dimensiunea plăcii tăietoare și nu va putea fi introdusă în locașul benzii din care s-a decupat, iar deșeul de material al unei piese perforate nu poate, fi introdus în orificiul acesteia realizat prin perforare care devine, datorită arcuirii materialului, mai mic decât dimensiunile poansonului.
În tabelul 2.2 sunt date valorile medii privind abaterea dimensiunilor pieselor obținute prin decupare (δ1) față de dimensiunile plăcii tăietoare, iar în tabelul 2.3 sunt date valorile referitoare la abaterea dimensiunilor pieselor perforate (δ2) de la dimensiunea poansonului.
Tabelul 2.2
Tabelul 2.3
Valorile mici ale arcuirii materialului (abaterile de la dimensiuni) corespund pieselor ștanțate din materiale moi, iar valorile mari corespund pieselor ștanțate din materiale dure. Toate aceste valori sunt valabile cu condiția, ca sculele ștanțelor utilizate să nu fie uzate, adică aceste valori corespund pieselor ștanțate care rezultă plane și nu curbe.
2.3 Fenomene ce apar în timpul procesului de decupare-perforare
Procesul de tăiere la ștanțe în cazul decupării, al perforării și al altor operații este analog cu procesul de tăiere cu foarfecele. Poansonul și placa de tăiere reprezintă un fel de cuțite de formă închisă, cu muchiile tăietoare conjugate.
Succesiunea procesului de decupare sau de perforare este prezentată în fig. 2.7.
Fig. 2.7 Succesiunea procesului de decupare-perforare:
a – cu joc normal; b – cu joc mic
Procesul de tăiere în ștanțe se compune, de asemenea, din trei faze:
1) faza deformațiilor elastice, în timpul căreia se produc comprimarea elastică și încovoierea metalului cu o ușoară extruziune a lui în deschiderea plăcii de tăiere. Tensiunile în metal nu depășesc limita de elasticitate;
2) faza deformațiilor plastice, în timpul căreia are loc pătrunderea poansonului în metal și extruziunea lui în deschiderea plăcii de tăiere, cu o puternică încovoiere și întindere a fibrelor. Spre sfârșitul acestei faze, ten-siunile din apropierea muchiilor tăietoare ajung la valorile lor maxime, corespunzătoare rezistenței metalului la forfecare;
3) faza de forfecare (despicare), în timpul căreia se produc microfisuri, apoi macrofisuri, care apar întâi la muchiile tăietoare ale plăcii de tăiere și apoi ale poansonului și care sunt dirijate pe liniile de maximă deformare la forfecare (suprafețele de alunecare). Fisurile de forfecare se propagă repede în straturile interioare ale metalului și provoacă detașarea piesei decupate.
În timpul primelor două faze ale decupării, viteza de pătrundere a poansonului se micșorează, iar, o dată cu începutul fazei a treia, această viteza crește brusc, ceea ce se poate vedea pe diagrama de deplasare a culisei presei (fig. 2.8).
Fig. 2.8. Diagrama deplasării culisei la presa cu manivelă:
1- la cursaîn gol; 2 – la decuparea semifabricatelor cu
Φ100 și grosimea de 2 mm
Deplasându-se în continuare, poansonul împinge piesa decupată prin partea inferioară a deschiderii plăcii de tăiere.
În cazul unui joc normal între poanson și placa de tăiere, suprafețele de forfecare (liniile de alunecare), care apar la muchiile tăietoare ale poansonului, coincid cu suprafețele de forfecare și fisurile apărute la muchiile tăietoare ale plăcii de tăiere și formează o suprafață curbilinie comună de forfecare (fig. 2.9).
Fig.2.9 Orientarae deformațiilor maxime de
Forfecare ( liniilor de alunecare)
În cazul unui joc minim și al unei grosimi mari a materialului (fig. 2.7, b), suprafețele de forfecare de la muchiile poansonului nu coincid cu suprafețele de forfecare care apar la muchiile plăcii de tăiere. Ca urmare, condițiile de lucru (de tăiere) la muchiile tăietoare ale poansonului și plăcii de tăiere nu sunt aceleași. Concentrația maximă de tensiuni are loc la muchiile tăietoare ale plăcii de tăiere. Din aceasta cauză, fisurile de forfecare apar mai întâi la muchiile tăietoare ale plăcii de tăiere.
Porțiunea inelară deformată rămasă este tăiata prin deplasarea în continuare a poansonului, apar noi fisuri de forfecare, iar la piesă se formează o ruptură și o tăietură dublă cu o bavură alungită. Suprafața găurii rezultate din decupare se obține relativ netedă și doar în partea inferioară se formează o porțiune cu asperități mai mari.
De aceea, pentru obținerea găurilor cu pereți netezi, perforarea trebuie executată cu un joc mic între poanson și placa de tăiere.
La decuparea cu joc mic a materialelor dure, de obicei nu se formează tăietura dublă.
Jocul mare între poanson și placa de tăiere duce la formarea de bavuri cu margini neregulate din cauza strivirii și a ruperii metalului în spațiul jocului.
Felul suprafeței tăieturii depinde de valoarea relativă a jocului și de proprietățile mecanice ale materialului (plasticitatea).
Cercetările metalografice ale micro și macrostructurii pieselor decupate arată că metalul suferă în zona de tăiere modificări importante ale structurii și se ecruisează.
Adâncimea stratului ecruisat depinde de grosimea, proprietățile și structura inițială a materialului, de valoarea jocului și calitatea muchiilor tăietoare ale cuțitelor, precum și de viteza decupării.
În fig.6 este prezentată influența vitezei de decupare asupra formei forfecării piesei decupate și asupra adâncimii stratului ecruisat la decuparea pieselor din tablă de oțel subțire, cu un număr de 60, 120, 330 și 450 curse pe minut ale presei.
Fig. 2.10 Forma tăieturii (forfecării) și adâncimea stratului ecruisat la
decuparea cu diferite numere de curse ale presei:
a – 60 curse/min; b – 120 curse/min; c – 330 curse/min;
d – 450 curse/min
La un număr mic de curse ale presei (60 curse/min, fig.2.10,a), adâncimea de pătrundere a poansonului până în momentul formării fisurilor de forfecare constituie 64% din grosimea materialului. Faza plastică a procesului de decupare este mult înaintată, iar zona ecruisată este destul de mare.
Mărirea numărului de curse ale presei până la 120 și 330 curse/min (fig. 2.10,b,c) și mărirea vitezei inițiale de decupare duc la micșorarea pătrunderii poansonului respectiv de la 50 la 27%. Faza plastică a procesului se micșorează considerabil și, ca urmare, se micșorează zona ecruisată a metalului.
În sfârșit, la ștanțarea rapidă cu 450 curse/min, faza plastică și adâncimea de pătrundere a poansonului se reduc la 14%, cea mai mare dezvoltare având faza a treia – forfecarea. Cea mai mare parte a suprafeței tăieturii este uniformă. Adâncimea stratului ecruisat este mică.
La împingerea pieselor decupate prin orificiul plăcii de tăiere, poansonul apucă o parte din metal în spațiul jocului dintre placa de tăiere și poanson și formează o bavură inelară la ieșire (în fig. 2.10 nu se arată).
Într-o serie de cazuri, apare necesitatea tăierii în ștanțe a materialului profilat (fig. 2.11).
Fig. 2.11. Tăierea materialului profilat cu ajutorul , ștanțelor
Profilurile simple (fig.2.11.a) se pot reteza prin tăiere unilaterală (fără deșeuri).
Profilurile complexe (fig.2.11,b-f) se retează, de obicei, prin tăiere bilaterală (cu deșeuri).
Pentru evitarea deformării profilului în timpul tăierii, el este fie apăsat pe placa de tăiere cu ajutorul unui dispozitiv de apăsare, fie fixat între placă superioară și cea inferioară (fig. 2.11, b-f). În cel de-al doilea caz, materialul nu se ridică în sus, ci este împins înainte în jocul dintre plăci. Lățimea marginii retezate este egală, în general, cu de 1,5—2 ori grosimea materialului în fig. 2.11, g este prezentată tăierea țevilor cu grosimea pereților până la 3 mm și cu diametral până la 50 mm, cu ajutorul unui poanson plat cu vârful ascuțit. Pentru a micșora turtirea țevii la începutul pătrunderii poansonului, plăcile de tăiere reglabile strâng țeava așa cum se arată în fig. 2.11, j. în fig. 2.11, h este reprezentat profilul vârfului poansonului, iar în fig. 2.11, i poziția țevii în matriță înainte de tăiere. Lățimea poansonului și distanța dintre plăci se iau egale cu 3-4 mm. Dezavantajul acestui procedeu îl constituie faptul că o parte din așchie la început se răsucește spre interior și îngreunează tăierea.
În fig. 2.11, k este prezentată o formă modificată de cuțit, datorită căreia deșeul de la sfertul de țeavă superior se rupe de sfertul inferior și cade in interiorul țevii.
2.3.1 PROPAGAREA FISURILOR LA DECUPAREA PIESELOR
În faza inițială de încărcare, procesul de deformare a semifabricatului este determinat de tensiunea provocată de cuțit. În timpul tăierii cu un cuțit ce are unghiul de atac pozitiv suprafața laterală liberă nu influiențează asupra caracterului curgerii plastice a materialului și de aceea cuțitul deformează numai volumul de material ce se află în contact cu suprafața activă. Suprafața laterală a piesei, aflată în imediata apropiere a limitei laterale a cuțitului se deformează și se deplasează în direcția de tăiere, formând fisura.
La înaintarea cuțitului în material forțele de deformare cresc, crește și lățimea suprafeței de contact și de aceea deformațiile plastice se deplasează către suprafața laterală liberă.
(fig. 2.12)
a) b) c) d)
În această etapă tensiunile normale q se distribuie neuniform și scad odată cu îndepărtaraea dinspre suprafața activă a sculei. În timpul decupării materialelor tenace are loc desprinderea așchiilor. La prelucrarea materialelor plastice, lățimea suprafeței de contact, pe măsură ce cuțitul înaintează, duce la creșterea forțelor ce acționează la rădăcina așchiilor ce ia o formă similară unei grinzi în consolă.(fig. 2.12b). În acest caz procesul de deformare este determinat de acțiunea corpului rigid al sculei , deplasarea și curbura suprafeței respective.
Rotirea rădăcinei așchiei în raport cu suprafața activă contribuie la mărirea distribuției neuniforme ale tensiunilor normale q. La un moment dat lățimea suprafeței de contact atinge valori limită pentru un proces de decupare și de aceea procesul de deformare are loc în aceleași condiții ca în cazul unei decupări cu scule dreptunghiulare (fig. 2.12c). Tensiunile normale de contact q tind spre zero în punctul de degajare a așchiilor. Procesul de formare a așchiilor are loc până când rezistența la formarea așchiilor va fi mai mare decât rezistența la deformare în nucleu, care se situează între marginile matriței și poansonului. Din acest moment procesul de deformare care are loc în nucleu, caracteristic formării așchiilor, dispare și are loc un alt fenomen de deformare a volumului de material situat între marginile sculelor. În această fază piesa se întoarce și se îndreaptă spre direcția de decupat.(fig. 2.12d). Odată cu mărirea suprafeței de contact dintre suprafața laterală a poansonului și piesă, rotirea piesei ce urmează a fi decupată încetează și în continuare deformarea este determinată atât de acțiunea sculei cât și de deplasarea piesei.
Astfel caracterul deformației este determinat de modalitatea de încărcare și în același timp modalitatea de încărcare se modifică funcție de caracterul deformației.
Câmpurile liniilor de alunecare, care se formează în cazul deformațiilor liniilor de alunecare au forma rădăcinii așchiei și le corespund câmpuri de tensiuni egale. Pe baza acestor deformații se obține forma nucleului deformațiilor plastice.
Fig. 2.13
În procesul ștanțării punctele materiale se deformează în nucleul deformației. În apropierea suprafeței de contact se situează zona a II -a de deformație o,d,e,f. Frontiera inițială a nucleului deformațiilor plastice o,d,a,b,c, este determinată de deplasarea rădăcinei așchiei. Legile care guvernează modificările de tensini medii pe porțiunea ab și forma acestora este determinată de influiența deformației.
Pe măsură ce ne îndepărtăm de la frontiera inițială a nucleului crește rolul deformației și scade influiența deplasărilor. Ca o consecință, lungimea porțiunii ab este mai mică decât lungimea porțiunii a1b1. În anumite condiții, când rolul deformației în procesul de formare a așchiilor scade, porțiunea ab tinde la un punct. În fig. de mai jos sunt arătate schemele ce arată modul de modificare a rolului deformației funcție de unghiul de atac al sculei. Odată cu micșorarea lui se micșorează efortul care determină deformarea, dar se mărește efortul ce duce la deplasarea rădăcinii așchiei.
În fig. de mai jos se prezintă câmpul posibil presupus al liniilor de alunecare în faza incipientă a procesului de decupare, unde cele două sisteme ale liniilor de alunecare sunt într-o relație de corespondență cu liniile izolate de alunecare.
Fig. 2.14
În zona de trecere deformarea plastică se concentrează în straturi subțiri între care sunt amplasate straturi deformate elastic. Limita de curgere ale acestor straturi depinde de dimensiunile lor caracteristice și depășește limita de curgere a piesei.
2.3.2 Caracterul curgerii plastice a materialelor în procesul de decupare
Fig. 2.15
În fig. de mai sus sunt prezentate plasele divizoare ce caracterizează curgerea plastică a materialului în faza inițială.Când scula pătrunde în piesă cu unghiuri diferite de 0, pozitiv, deformarea plastică este concentrată în vecinătatea suprafeței de contact pe de o parte și de alta față de linia de decupare(fig 43 a). În această fază începe să se formeze fisura. Partea laterală liberă a semifabricatului precum și suprafața semifabricatului situată între suprafața de contact și marginea acestuia nu se deformează. Așadar caracterul curgerii plastice în faza inițială este determinat de pătrunderea sculei rigide, iar deformarea precum și fisura nu au în acest caz o importanță deosebită. Această caracteristică a deformației se realizează la o pătrundere relativă de până la 10%. La pătrundere > 10% deformația plastică se extinde la suprafața laterală liberă, precum și o parte din material se deplasează spre partea laterală a semifabricatului și începe să se deplaseze de-a lungul muchiei din fața sculei.
În această fază caracterul curgerii plastice este determinat de pătrunderea sculei și deplasarea părții care urmează a fi decupată, iar cu mărirea sau creșterea lățimii de contact crește rolul încovoierii părții ce urmează a fi decupată. Rezultate similare s-au obținut utilizând și altă metodă conform fig. de mai jos.
a) b) c) d)
Fig. 2.16
Este arătat momentul extinderii deformațiilor plastice spre partea laterală liberă a semifabricatului. Totuși imaginea nu corespunde în totalitate realității, este clar că pe epruvetă s-a deteriorat marcajul caracteristic fazei inițiale de decupare. Pentru o mai bună diferențiere a frontierelor nucleului se utilizează o metodă ce presupune o deformare prealabilă și postfinală(fig. c). Din fig. observăm că deformația intensă a părții deplasate are loc după o familie de linii de alunecare din vecinătatea muchiei tăietoare. Deși nu putem observa în acest caz linii separate în zona de alunecare, dispuse la la suprafața de contact, însă forma zonei respective evidențiază existența unei regiuni de formă triunghiulară și a două câmpuri centrate având având începuturile în punctele situate la periferia zonei de contact.
Destul de clar se observă regiunea câmpului fizic al liniilor de alunecare, ce unește porțiunea unde se formează fisura și partea laterală a semifabricatului. Observăm că pe măsură ce se îndepărtează muchia tăietoare de la suprafața liberă, o parte a câmpului liniilor de alunecare descrește și dispare. Dacă urmărim modificarea lățimii suprafeței libere a semifabricatului, unde se formează fisura, atunci putem afirma că din momentul când începe decuparea, lățimea ei crește, iar după aceea scade până la zero. În cazul decupării cu poanson a cărui unghi de degajare este “0” această caracteristică a deformării nu se mai realizează.
Dacă scula înaintează în continuare se trece în faza următoare când are loc tăierea.
Fig. 2.17
Din fig. de mai sus a se observă că în această fază are loc o deformație în formă de “V” cu începuturile în vecinătatea muchiei tăietoare a sculei.
Frontiera inițială iese din regiunea muchiei tăietoare a sculei, pătrunde după linia după care are loc decuparea în corpul semifabricatului, taie suprafața laterală a semifabricatului sub un unghi egal cu π/4 și are un semn variabil cu curbura. Zona marcată sub suprafața laterală a sculei se întinde spre direcția decupării, egală cu deplasarea suplimentară a sculei. De remarcat este faaptul că și frontiera superioară este deplasată în direcția deplasării deșeurilor. La suprafața de contact se află o zonă de formă triunghiulară a deformațiilor suplimentare.
În faza de instaurare a tăierii, în condițiile diminuării resurselor de plasticitate, pe liniile de explozie a vitezelor, în vecinătatea muchiei tăietoare a sculei se inițiază fisura, orientată spre corpul semifabricatului
În fig. de mai sus este arătat procesul de deplasare a fisurii. Este evident că la început pătrunderea sculei este însoțită de creșterea fisurii care se lățește din cauza deplasării deșeului în lungul muchei cuțitului. Când fisura atinge o anumită mărime, rezistența de formare a fisurii devine mai mare decât rezistența la deformare plastică în zona unde se formează deșeurile și astfel scula începe să pătrundă în material. În continuare procesul se repetă, iar pe suprafața decupată încep să apară defecte.
Fig. 2.18
În fig. de mai sus nu putem observa suprafețele triunghiulare de deformare situate în vecinătatea muchiilor tăietoare ale matriței și poansonului. Acest lucru este legat de faptul că în aceste zone deformația plastică nu este mare, aceasta confirmă faptul că în această fază procesul de deformare plastică este determinat de pătrunderea sculei și deplasările părților de separație. Pătrunderea sculei în material duce la o localizare mai puternică a deformației plastice și apariția fisurii, orientată de la muchia sculei în corpul piesei. În faza de creștere a fisurii are loc o deformare plastică a zonei situată între vârful și muchia poansonului. Cea mai intensă deformare se observă în vecinătatea vârfului fisurii care într-o corelare cu o schemă rigidă a unei stări de tensiuni duce la o extindere accentuată a fisurii.
Rugozitatea suprafeței decupate depinde în mare măsură de dispunerea inițială a frontierei nucleului deformațiilor plastice în raport cu linia de decupare și de momentul în care are loc trecerea de la faza când începe procesul de decupare la faza de decupare propriu–zisă care este răspunzătoare de rugozitatea suprafeței. S–a constat că pentru a micșora adâncimea de pătrundere a nucleului deformației în corpul piesei, sub linia de decupare, trebuie mărit unghiul de degajare a sculei și de micșorat afinitatea materialului la ecruisare.
a) b) c)
Fig. 2.19
O influență deosebită asupra curgerii plastice a materialului în cadrul operației de decupare o prezintă existența unei distanțe bine determinate între poanson și matriță, a unui joc bine stabilit. La existența unui joc bine stabilit are loc o trecere de la faza de instaurare a tăieturii la faza următoare de îndepărtare a deșeului. În vederea unor cercetări experimentale am propus un dispozitiv, relativ simplu, care permite efectuarea unor astfel de încercări, putând controla mărimea jocului cât și adâncimea de pătrundere în material.
Fig. 2.20
În concluzie putem afirma că cercetarea teoretică și experimentală a caracterului curgerii plastice confirmă caracterul complex al încărcărilor, caracterul variabil al curgerii plastice.
CRITERII DE PLASTICITATE
CLASIFICARE:
Criteriul lui Tresca
Criteriul lui Von Mises
Criteriul lui Hill
Criteriul lui Barlat
Fig. 2.21
Fig. 2.22
Fig. 2.23
3. Parametrii procesului de decupare-perforare
3.1 Proprietățile mecanice și structura materialului
La decupare și la perforare forța de taăere și rezistența la forfecare nu rămân constante, ci variază în decursul cursei de lucru. În fig. 3.1 este prezentată diagrama variației rezistenței la forfecare în funcție de pătrunderea poansonului în metal. Pe diagramă sunt trasate curbele pentru următoarele materiale: a – aluminiu; b – oțel cu conținut mic de carbon; c – oțel cu 0,2—0,3% C; d – oțel cu conținut mare de carbon. Toate materialele sunt recoapte.
Din diagramă rezultă că rezistența la forfecare variază, în timpul decupării, în mod analog cu tensiunile convenționale care apar la încercările la întindere.
Punctul maxim al fiecărei curbe corespunde cu rezistența maximă la forfecare τ, iar porțiunile finale ale curbelor corespund cu terminarea celei de-a doua faze a procesului decupării. Liniile întrerupte reprezintă faza a treia a aceluiași proces.
Fig. 3.1. Diagrama variației rezistenței la forfecare în procesul de decupare
(jocul 10%S, curba e – pentru jocul de 4 %S)
Caracterul identic al curbelor de forfecare cu al celor de întindere și existența acelorași trei faze de deformare (elastică, plastică și de detașare sau separare) dovedesc analogia dintre procesele de decupare și de întindere; felul stării tensionate și caracterul detașării (separării) sunt, însă, diferite în cele două procese.
Pătrunderea poansonului în material aproape de momentul forfecării este asemănătoare cu procesul de formare a gâtului la întindere înainte de ruperea epruvetei.
Forța necesară pentru decupare și perforare depinde de lungimea perimetrului piesei respective sau al găurii, de grosimea și de proprietățile mecanice ale materialului, de mărimea jocului și starea muchiilor tăietoare.
În cazul când se folosește un mecanism de extracție, de apăsare sau de împingere cu arc, cu cauciuc ori pneumatic, la forța de decupare calculată se adaugă forța de comprimare a mecanismului.
Rezistența la forfecare depinde de proprietățile mecanice ale metalului, de gradul de ecruisare prealabilă, precum și de grosimea relativă a decupării, valoarea jocului și starea muchiilor tăietoare.
Prin micșorarea raportului dintre dimeusiunea decupării și grosimea materialului (d/S<30), rezistența la forfecare se reduce cu până la 20%; de exemplu pentru oțeluri OLC10-OLC20:
Variația dinensiunii jocului de la 10 la 1% pe o parte nu are, practic, nici o influență, asupra rezistenței la forfecare. Mărirea rezistenței la forfecare se produce numai la jocuri de ordiuul 1%S.
3.2 Jocul între poanson și placa activă
Se numelște joc, diferența pozitivă sau negativă dintre dimensiunea părții active a plăcii de tăiere și dimensiunea părții active a poansonului.
Prezența jocului între sculele ștanței de decupare-perforare este impusă de necesitatea asigurării coincident fisurilor propagate la forfecare în materialul semifabricatului, fisuri pornite de la muchiile tăietoare ale poansonului 1 și plăcii de tăiere 2 (fig.3.2).
Fig.3.2. Procesul decupării – perforării
Conform figurii 3.2, valoarea jocului la decupare-perforare rezultă din relația:
j=2*(g-hf)*tgα, (3.1)
în care hf este adâncimea de pătrundere a sculelor ștanței în material, la momentul apariției fisurilor de forfecare.
α – unghiul format de planul de forfecare și direcția de deplasare a poansonului.
Valoarea jocului dintre scule depinde de grosimea semifabricatului și de duritatea materialului acestuia (fig.3.3).
Jocul care trebuie realizat la execuția ștanței, și care asigură cea mai bună calitate a pieselor, se numește joc minim.
Pe masură ce sculele se uzează, jocul se marește, iar ștanța se poate utiliza până la un joc maxim admisibil, care încă asigură pieselor o calitate satisfăcătoare.
Jocul normal dintre scule are un anumit câmp de valori Aj, cuprins între jocul maxim jmax și jocul minim jmin (Fig. 3.4):
Δj=jmax-jmin .
Fig.3.3.Dependența jocului de grosimea și duritatea materialului
Fig. 3.4 Câmpul jocurilor normale
Dacă toleranța piesei de prelucrat este mai mică decât câmpul jocurilor normale ( Δj), atunci toate piesele obținute cu ștanța respectivă vor fi de bună calitate.
Deci, pentru a asigura ștanței o fiabilitate cât mai mare, adică un câmp de uzură admisibilă pentru scule cât mai mare posibil, trebuie ca la execute să se realizeze jocul minim.
Jocul căruia îi corespunde o rezistență de forfecare minimă și, implicit, o forjă și de decupare-perforare minimă, o calitate superioară a piesei și o precizie de prelucrare ridicată, se numește joc optim (jo).
Cercetările experimentale arată că valoarea acestui joc se situează în câmpul jocurilor normale și, în mod practic, el coincide cu jocul minim, adică cu jocul care trebuie realizat la execuția ștanței:
j0≈jmin=j. (3.2)
Cu cât valoarea câmpului jocurilor normale va fi mai mare, cu atât ștanța respectivă va funcționa timp mai îndelungat, adică uzura admisibilă a sculelor acesteia va fi mai mare.
Practic valoarea jocului se poate determina cu relația:
j=k1*g2+k2*g, (3.3)
în care coeficienții k1 și k2 sunt conform tabelului 3.1.
tab.3.1
Valoarea jocului la decupare-perforare se poate adopta și din tabele ce sunt date în literatura de specialitate.
Când jocul dintre scule este în câmpul normal:
jmix ≤ jn ≤ jmax, (3.4)
fisurile ce pornesc de la muchiile tăietoare ale plăcii active și poansonului coincid, formând o suprafață continuă de forfecare, piesele obținute fiind de bună calitate, fără rupturi sau bavuri. (fig. 3.5. a.).
Fig.3.5. Calitatea pieselor obținute prin decupare
Dacă jocul dintre poanson și placa de tăiere este mai mic decât cel normal (fig.3.5.b), fisurile de forfecare nu mai coincid ci se propagă paralel în materialul semifabricatului la o anumită distanță unele de altele, iar în momentul separării piesei, stratul de material situat între planele de forfecare se rupe. Din această cauză, pe suprafața laterală a piesei forfecate apar stratificări de material, iar în partea superioară a acesteia se formează un al doilea inel lucios cu bavuri alungite.
Când în procesul de decupare-perforare se utilizează o ștanță la care jocul dintre scule este mai mare decât cel normal, concomitent cu formarea fisurilor de forfecare are loc o încovoiere a semifabricatului, iar piesele obținute vor avea bavuri mari și margini ondulate (fig.3.5.c), în special când grosimea semifabricatului este mică (g < 1 mm).
Trebuie menționat că formarea bavurilor de-a lungul conturului pieselor obținute prin decupare – perforare poate avea loc și în cazul când muchiile tăietoare ale sculelor ștanței respective sunt uzate, chiar dacă jocul este normal.
Rezultă de aici că, prin calitatea pieselor obținute la decupare, se poate stabili care dintre acestea au fost obținute cu ștanțe având jocul normal și care dintre acestea au fost obținute cu ștanțe având jocuri necorespunzătoare. Acesta este principiul stabilirii experimentale a jocurilor normale la operative de decupare și perforare.
3.3 Grosimea semifabricatului
În procesul de decupare asupra forței influențează: materialul (caracteristicile mecanice, gradul de omogenitate, gradul de ecruisare inițial, grosimea, adâncimea de pătrundere maximă im a poansonului la apariția fisurilor de forfecare); piesa (forma și dimensiunile conturului), elementele active (starea tăișului; mărimea jocului, o variație între 10…1% pe o parte nu are nici o influență, sub 1% forța crește); construcția plăcii active (la cele cu brâu cilindric de înălțime h, numărul de piese ce se adună în brâul cilindric se determină cu relația n=h/s); alți factori (lubrifiantul folosit, viteza poansonului etc.).
În cazul decupării pieselor cu dimensiuni < 60 mm din materiale subțiri, elementele active au muchii tăietoare conjugate paralele, iar forța tăietoare este dată de relația:
F = l*s*τ [daN] (3.5)
în care: l – lungimea conturului tăiat, în mm; s – grosimea materialului, în mm; τ- rezistența la forfecare, în daN/mm2.
În cazul decupării pieselor cu dimensiuni > 60 mm sau din materiale groase, pentru micșorarea forței tăietoare înclinate și anume: placa cu muchiile înclinate și poansonul plan (figura 3.6) pentru ca piesele să rezulte plane; poansonul cu muchiile înclinate și placa plană pentru ca orificiul în semifabricat să rezulte plan.
Fig 3.6
Pentru decuparea pieselor în dimensiuni între 60 și 160 mm, placa tăietoare se execută cu tăișuri înclinate cu o singură ondulație (fig. 3.7), a cărei lungime:
l=lp-(2…5)s (3.6)
în care lp este lungimea piesei.
Fig. 3.7
Dacă dimensiunile piesei decupate depășesc 160 mm, se prevăd mai multe ondulații, fiecare ondulație având lungimea l = 100…250 mm (fig. 3.8), iar înălțimea tăișului h =(1.. .3) s.
Fig. 3.8
3.4 Forma și dimensiunile piesei ștanțate
Unul din cei mai important factori în obținerea avantajelor procedeelor de ștanțare este tehnologicitatea ridicată a pieselor prelucrate, care asigurș îmbinarea elementelor constructive (forme, dimensiuni, precizie, calitatea suprafețelor, caracteristici mecanice ale materialului) cu particularitățile (cerințele) tehnologice ale procedeelor respective, astfel încât fabricarea piesei să fie ușoară și economică – în condițiile volumului de producție dat – concomitent cu respectarea condițiilor tehnice impuse de rolul funcțional al piesei.
Criteriul de bază al tehnologicității construcției pieselor ștanțate îl con-stituie asigurarea consumului minim de material, concomitent cu utilizarea unui număr minim de prelucrări și posibilitatea executării piesei cu ștanțe cât mai simple. Indicele general de apreciere a tehnologicității pieselor ștan-țate îl constituie, ca și la piesele executate prin alte metode tehnologice, costul fabricării lor. Deoarece costul materialului are o pondere mare în costnl pieselor ștanțate, reducerea consumului de material numai cu 20… 25% duce la valori care echivalează cu manopera necesară executării piesei și care sunt de circa 6.. .8 ori mai mari decât cele care rezultă prin mărirea procuctivității la prelucrare. De aceea, având în vedere cele menționate, pre-cum și reducerea consumurilor de material, rezolvarea diferitelor probleme tehnologice și de producție nu trebuie să se facă în defavoarea consumului de material.
Tehnologicitatea pieselor ștanțate se realizează, în principal, prin concordanța formei constructive a acestor piese cu posibilitățile utilizării raționale a suprafețelor semifabricatelor (tablelor și benzilor), permițând croirea fără deșeuri sau cu deșeuri puține. În multe cazuri, configurația piesei ștanțate poate fi diferită fără a influența destinația sa functională, dar unele forme permit micșorarea însemnată a consumului de material prin folosirea croirii cu puține deșeuri sau fără deșeuri. Astfel, evitarea croirii cu deșeuri se poate obține prin proiectarea configurației, astfel încât aceasta să nu necesite executarea în mod obligatoriu, prin decupare, ci să se poată executa prin retezarea directă din bandă. În figura 3.9 sunt exemplificate câteva forme de piese, în două variante :
a – care necesită croirea cu deșeuri;
b – care permit croirea fără deșeuri.
Fig. 3.9 Influența formei pieseiasupra consumului
de material
Se observă că, pentru realizarea croirii fără deșeuri, s-a modificat configurația pieselor, astfel încât s-au păstrat elementele de bază ale acestora (de exemplu : numărul, dimensiunile și distanțele orificiilor), iar elementele auxiliare s-au schimbat în așa fel, încât forma piesei să rezulte prin două contururi cu aceeași aliură. Aceste modificari permit totodata și simplificarea procesului de ștanțare și a construcției ștanței. Astfel, pentru exemplele din figura 3.9, b, la un avans al benzii și la o cursă a presei, se execută cu un singur poanson, tăierea a două piese.
Dacă forma conturului pieselor nu poate fi realizată astfel încât prin croire să se evite deșeurile, sau dacă în cazul pieselor executate prin tăierea din table, forma și dimensiunile acestora nu pot permite cuprinderea lor de un număr întreg de ori în dimensiunile tablelor, atunci trebuie să se dea diferitelor piese din ansamblul produsului fabricat, configurații care să asigure realizarea croirii combinate a tablelor și benzilor. În acest scop se recomandă unificarea și micșorarea gamei de calități și grosimi de materiale necesare executării pieselor, aparținând unui produs oarecare, precum și corelarea configurației și dimensiunilor unor piese cu forma și dimensiunile deșeurilor ce rezultă la realizarea conturului altor piese sau la perforarea găurilor. Aceasta constituie sarcina proiectantului de produse (mașini, utilaje, aparate etc.), tehnologul având posibilități limitate de a influența asupra documentațiiei de execuție a produsului.
Forma și dimensiunile pieselor ștanțate trebuie să fie proiectate în concordanță și cu unele cerințe tehnologice ale procesului ștanțării, de reducere a numărului de operații, simplificarea constructivă a ștanțelor, mărirea pro-ductivității muncii și a durabilității ștanțelor, reducerea cheltuielilor și a timpului de pregătire a producției pentru fabricarea pieselor. Astfel, dacă piesa decupată are proeminențe sau fante (fig. 3.10, a) ele pot fi obținute dacă au dimensiunile minime h < 1,2 g și b > 1,5 g. Lățimea minimă a piesei sau a porțiunii din contur obținută prin decupare trebuie să fie mai mare de 1,5 g; dacă piesa este îngustă (b < 3 g) și lungă, este mai indicat să se obțină prin aplatisarea din sârmă și retezarea ulterioară a conturului la capetele piesei (fig. 3.10, b). Raza minimă de rotunjire R a conturului la capetele piesei, care se retează direct din banda sau din fișia tăiată din tablă, având lățimea B egală cu lățimea 6 a piesei, trebuie să fie R > 0,6 B, iar în cazul decu-pării sau la perforarea găurii alungite, valoarea acestei raze este R ≈ 0,56 (fig. 3.10, c), prezentând avantaje tehnologice la prelucrarea elementelor active ale ștanței, cât și asigurarea preciziei de prelucrare corespunzătoare acestor piese.
Fig. 3.10 Unele recomandări privind tehnologicitatea
pieselor ștanțate
Dimensiunile minime ale orificiilor perforate depind de forma orificiilor, calitatea și grosimea materialului. Pentru mărirea durabilității se recomandă însă, ca în mod curent, la proiectarea pieselor pentru ștanțarea obișnuită valorile minime ale orificiilor perforate să se ia mai mari decât cele indicate în tabelul 3.2. Pentru contururile sau găurile formate din segmente de dreaptă, colțurile acestora trebuie să fie rotunjite cu o rază minima rmin a cărei mărime depinde de valoarea unghiului α (fig. 3.10, d) și de grosimea materialului. Astfel, pentru piese din oțel, dacă α > 90°, atunci rmin ≥ 0,3 g pentru contururi exterioare și rmin > 0,4 g pentrn găuri, iar dacă α < 90° se recomandă rmin ≥ 0,4 g pentru contururi exterioare și rmin > 0,7 g pentru găuri.
Tab 3.2
Dimensiunile minime ale orificiilor perforate la ștanțe obișnuite, în funcție de grosimea g a piesei
Distanța dintre marginile găurilor alăturate sau între conturul exterior al piesei și marginea găurilor (fig. 3.11, a) este în funcție de forma orificiului și respectiv a conturului piesei, de grosimea și calitatea materialului.
Fig. 3.11. Recomandări pentru realizarea tehnologicității la perforarea găurilor în piese plane (a), ambutisate (b) sau îndoite (c).
Distanța găurilor față de pereții verticali ai pieselor ambutisate, precum și de la marginea piesei până la găuri, trebuie să asigure: posibilitatea și ușurința perforării, calitatea și precizia execuției piesei și durabilitatea ștanțelor și matrițelor. Pentru stabilirea dimensiunilor unor astfel de piese se utilizează relațiile:
d2<D-2r;
D1>D+2g+2r1+d1;
D2>D1+3g+d1, (3.7)
în care notațiile au semnificația indicată în fig 3.11, b. Pentru ca piesele să se execute cu matrițe combinate de ambutisat și perforat, cu acțiune simultană, asigurarea durabilității acestora impune ca valorile lui d2 să fie mai mici cu cel puțin 4g decât termenul al doilea al primei relații (3.7). De asemenea, dacă de conturului semifabricatului și perforarea găurilor dispuse pe circumferința de diametru D1 se execută simultan, atunci diferența D2 – D1 trebuie să fie mai mare sau cel puțin (4…6)g+d1.
Tab. 3.3
Pentru evitarea deformării ulterioare a găurilor din piesele îndoite tre-buie ca distanța dintre axa găurii și peretele piesei (fig. 3.7, c) să corespundă relației :
l1>r+(d/2). (3.8)
Dacă perforarea găurilor se execută după îndoirea semifabricatului, atunci trebuie să se aibă în vedere ce distanță l1 să fie suficient de mare pentru a asigura realizarea constructivă a ștanței și a durabilității acesteia.
În ceea ce privește precizia prescrisă pieselor ștanțate, este necesar ca valorile acesteia să corespundă preciziei care se poate realiza în cazul execu-tării pieselor cu ștanțe obișnuite (tab. 3.3), dacă anumite cerințe funcțio-nale nu impun în mod cert precizii mai mari. Precizia ridicată a pieselor impune utilizarea procedeelor de ștanțare de precizie, la care ștanțele sunt mai complicate și scumpe, în consecință costul pieselor este mai mare, în special, în cazul când volumul producției este mai mic.
3.5 Calitatea muchiilor tăietoare ale ștanței
Indicator principal al eficienței proiectării, execuției și utilizării, durabilitatea elementelor active ale ștanțelor de perforat și decupat depinde, în general (dar în măsură diferită), de caracteristicile fizico-mecanice ale materialului din care sunt executate elementele active, de precizia dimensională și de forma geometrică (în zona de lucru) a poansonului și alezajului din placa activă, de uniformitatea distribuției jocului funcțional de-a lungul muchiei tăietoare, de viteza de uzare a elementeloractive în zona de lucru, de mărimea toleranței de uzare, de calitatea lubrifiantului și a lubrifierii, de gradul de complexitate a ștanței, de starea tehnică a presei, etc. Ca urmare, durabilitatea zonei de lucru a elementelor active poate fi considerată ca o funcție complexă de forma:
T=φ(HBpf, HRCea, TDpa și TDpau, Tdp și Tdpu, vup,vupa, etc.) (3.9)
Și reprezintă timpul efectiv de funcționare a ștanței, în care sunt executate piese cu dimensiuni și forme în limitele prescrise.
Optimizarea determinării durabilității elementelor active presupune rezolvarea unui sistem complex de ecuații cu derivate parțiale, care impune cunoașterea exactă a funcțiilor respective și a domeniilor lor de continuitate. Cum acest lucru este, practice, nerealizabil, durabilitatea zonei de lucru a poansonului (Tp) și a alezajului din placa activă (Tpa) se calculeză, aproximativ, cu relațiile:
Tp= Tdpu/( 3600vup) [ore] (3.10)
Tpa= TDpau( 3600vupa) [ore] (3.11)
în care vup și vupa, în mm/s sunt viteza de uzare a poansonului și, respectiv, viteza de uzare a plăcii active în zona de lucru.
Viteza de uzare a materialului poansonului și plăcii active în zona de lucru este, de fapt, o uzură specifică, ce a fost sau trebuie să fie determinată experimental (în funcție de materialul pieselor ștanțate și al elementelor active, de duritatea suprafeței de lucru, a poansonului și plăcii active, de viteza de ștanțare și de alți factori) și poate fi luată, eventual, din normative.
Cunoscând timpul efectiv de ștanțare a unei piese (timpul cursei de pătrundere și de ieșire a poansonului din banda de tablă), care se determină cu relația:
ts=2,2g/(3600vs) [ore] (3.12)
în care g este grosimea tablei, în mm, iar vs – viteza de pătrundere a poansonului în tablă (viteza de ștanțare), în m/s, se poate calcula numărul de piese ștanțate în timpul corespunzător durabilității:
N=Tp/ts [buc]. (3.13)
4. Procedeul decupării-perforării de precizie
Procedeele de decupare și perforare de precizie, după principiul prelucrării, pot fi: decuparea și perforarea de precizie cu crearea unei presiuni ridicate asupra semifabricatului, decuparea și perforarea reversibilă de precizie, decuparea și perforarea de precizie cu elemente active cu muchii rotunjite.
La procodeele din prima grupă, se creează o presiune foarte mare asupra materialului, care depășește valoarea Rp și datorită căreia, în zona de tăiere apare o stare de tensiune de comprimare în volum, care stabilizează deformațiile plastice și îmbunătățește proprietățile plastice ale metalului. Ca urmare, nu apar fisuri de forfecare și suprafața tăieturii rezultă netedă pe toată grosimea materialului. Aceste procedee se deosebesc numai prin modul în care se creează presiunea înaltă asupra materialului, în timpul decupării sau perforării.
Decuparea de precizie se aplică în construcția de aparate pentru executarea pieselor mici (s = 1,5…2,0 mm), în treptele de toleranță 4, 5 și 6, tăietura trebuie să fie perpendiculară, iar suprafața cu rugozitatea Ra = 0,63 µm (STAS 5730/4-87).
Decuparea și perforarea prin forfecare de precizie la rece se mai numește ștanțare fină. Prin acest procedeu se obțin piese având calitatea și precizia celor realizate prin ștanțare obișnuită și calibrare.
Ștanțarea fină se bazează pe principiul comprimării prealabile a semifabricatului în zona de forfecare, cu o presiune care să ajungă la limita de curgere: p→σc. În acest caz, apare în semifabricat o stare de comprimare triaxială, care favorizează deformarea, îmbunătățind proprietățile plastice ale materialului. Nu apar fisuri de forfecare ca la ștanțarea obișnuită, separarea materialului făcându-se prin curgere plană perpendiculară pe suprafața semifabricatului.
Procesul se realizează în două faze:
faza de comprimare spațială a materialului semifabricatului până la limita de curgere σc;
faza de forfecare (aproximativ pură) prin curgere plană, în care are loc separarea piesei de semifabricat.
Presiunea hidrostatică din materialul semifabricatului aflat în zona de forfecare, adică starea de compresiune spațială a materialului, se crează comprimând radial și axial porțiunea de semifabricat din zona de lucru.
În cazul decupării (fig.4.1.a), comprimarea radială a materialului se realizează cu o nervură a plăcii de strângere 1, având formă triunghiulară în secțiune transversală (fig.4.1.c). Aceasta presează semifabricatul pe placa de taiere 2, cu o forță Q1.
Fig.4.1. Schema decupării-perforării de precizie la rece
Pe măsură ce nervura pătrunde în semifabricat, materialul este presat radial, spre interior. Dimensiunile 1 si h sunt în funcție de grosimea semifabricatului. Astfel, nervura se află la o distanță l≈0,5g de muchia tăietoare a plăcii active.
Comprimarea axială a semifabricatului se realizează între poansonul 3 si eliminatorul 4, care este acționat cu forța Q2.
Când semifabricatul este mai gros, g ≥ (4,5…5) mm, presarea radială spre interior a materialului se realizează din ambele parți, adică și placa tăietoare este prevazută cu o nervură unghiulară de pătrundere în semifabricat.
În cazul perforării (fig.4.1.b), nu mai este posibilă presarea prin nervură pentru că aceasta s-ar imprima în piesă. Se realizează, din acest motiv, o comprimare triaxială, prin strângere puternică cu forțele Q1 și Q2.
Teoretic, între sculele ștanței de decupare sau perforare de precizie, nu se prevede joc. Practic, între aceste scule există un joc mic care se determină cu relația generală:
J=(0,01g)+δ, (4.1)
în care pentru g=(1…10)mm, abaterea este:
δ=(0,005…0,02)mm. (4.2)
Una dintre sculele ștanței (la decupare placa de tăiere, iar la perforare poansonul) are muchia tăietoare rotunjită cu raza r. Valoarea acestei raze se adoptă în funcție de grosimea g a semifabricatului, utilizând relația:
r=(0,05…0,10)g, (4.3)
însă nu mai mare de (0,2…0,3)mm.
Un rol deosebit asupra desfășurării, în bune condiții, a procesului decupării-perforării de precizie, îl are viteza de tăiere.
Spre deosebire de ștanțarea obișnuită și de debitarea prin forfecare de precizie la rece, unde viteza de tăiere trebuie să fie cât mai mare, la decuparea-perforarea de precizie, viteza de tăiere trebuie să fie foarte mică, în mod obișnuit, această viteză are valoarea cuprinsă între limitele:
v=(5…15)mm/s. (4.4)
Din această cauză, ștanțele de decupare-perforare de precizie sunt acționate, aproape în exclusivitate, de prese hidraulice cu dublă acțiune.
La presele hidraulice cu o bună funcționare, viteza de lucru poate fi mărită:
v=(5…24)mm/s. (4.5)
Cercetările experimentale de microstructură arată că materialul pieselor situat în zona de forfecare, se ecruisează. Grosimea Δg a stratului de material ecruisat, rezultă aproximativ constantă (fig.4.2).
a b
Fig.4.2. Ecruisarea pieselor decupate-perforate
Pentru piese din oțel având grosimea g≤ 10 mm, grosimea stratului de material ecruisat este:
Δg≤1mm.
Duritatea materialului ecruisat, în urma decupării de precizie la rece, ajunge până la (2…2,5) ori duritatea sa inițială.
Cercetările experimentale arată că piesele din oțel se obțin de calitate bună, atunci când rezistența la rupere ar a materialului respectiv are valoarea:
σr≥(53…70)daN/mm2, (4.6)
dar, se constată că, atunci când rezistența oțelului este mare, ar > 80daN/mm2, sculele ștanțelor au o durabilitate scăzută.
Piesele obținute prin decupare-perforare de precizie (stanțare fină) au fețele plane, iar suprafața obținută prin forfecare este aproximativ perpendiculară pe acestea.
La piesele mici, aceste deformații sunt și mai reduse.
De asemenea, piesele obținute prin ștanțare fină nu au bavuri, iar calitatea suprafeței rezultate prin ștanțare este comparabilă cu calitatea suprafeței pieselor rectificate. Când piesele ștanțate sunt din oțel cu duritate mai mare, rugozitatea suprafeței obținute prin forfecare este comparabilă cu cea obținută prin rectificare fină:
Ra=(0,4…0,8)µm, (4.7)
iar când piesele ștanțate sunt din oțel de duritate mai mică, se obține:
Ra=(0,8…1,6)µm. (4.8)
Precizia dimensională a pieselor obținute prin ștanțare fină este de ordinul sutimilor de mm, acestea situându-se în clasele de precizie (6…8), conform STAS 8100/4-88.
Datorită preciziei mari a pieselor obținute prin ștanțare fină, acest procedeu a dobândit o mare aplicabilitate în producție. Prin acest procedeu se prelucrează, la un cost minim, piese de mare complexitate ca freze disc, pânze pentru ferăstraie mecanice, roți dințate subțiri, etc.
Ștanțele pentru decuparea și perforarea de precizie, prin construcția lor, sunt similare cu cele pentru ștanțarea obișnuită, deosebindu-se prin aceea că primele sunt mai masive, precum și prin următoarele particularități:
– existența unor elemente de apăsare suplimentară a materialului, care la ștanțele pentru decuparea și perforarea de precizie a pieselor de dimensiuni mici, executate din materiale moi, pot fi acționate de arcuri, iar în celelalte cazuri acționarea se face prin sisteme hidraulice ale preselor cu dublă sau triplă acțiune ;
– jocul dintre poanson și placa de tăiere (raportat la diametru) este foarte
mic, nedepășind, în general, 1% din grosimea materialului;
– ghidarea și centrarea poansonului față de placa de tăiere este mult
mai precisă, asigurând repartiția uniforrnă a jocului minim;
– în general, ștanțele de precizie sunt de tip combinat cu acțiune simultană, realizând în aceeașj cursă a presei atât decuparea cât și perforarea.
5. Elemente de proiectare în construcția ștanțelor
5.1. Calculul dimensiunilor parții active
Calculul elementelor active se face în ipoteza că forma și dimensiunile piesei decupate sunt date de forma și dimensiunile părții active a plăcii de tăiere, iar forma și dimensiunile piesei perforate sunt date de forma și dimensiunile părții active a poansonului.
De asemenea, în timpul funcționării, datorită uzurii, dimensiunile poansonului scad, iar a plăcii de tăiere se măresc.
Având în vedere cele de mai sus, este necesar ca:
dimensiunile părții active a plăcii de tăiere realizate la execuție să fie egale cu dimensiunile minime ale pieselor de decupat;
dimensiunile părții active a poansonului, realizate la execuție, să fie egale cu dimensiunile maxime ale pieselor de perforat.
Pe de altă parte, calculul dimensiunilor elementelor active trebuie să aibă în vedere și asigurarea unui joc minim normal, în scopul măririi fiabilității ștanței.
În baza acestor observații, calculul dimensiunilor elementelor active ale ștanțelor se face conform schemelor prezentate în figura 5.1. Schemele de calcul se referă la cazul general de tolerare, atunci când toleranța T a pieselor este situată de o parte și alta a dimensiunii nominale Dn, sub forma de abatere superioară Ts și abatere inferioară Tj.
Conform schemei din figura 5.1.a, la decupare, dimensiunea părții active a plăcii de tăiere, este:
Dpl=(Dn-Ti)0+Tpl, (5.1)
în care Tpl este toleranța și se consideră:
Tpl<=(1/3)*T. (5.2)
În urma execuției practice, se obține, în limita câmpului de toleranță, dimensiunea efectivă D’pl a plăcii de tăiere:
Dn-Ti<D’pl<Dn-Ti+Tpl. (5.3)
Din această dimensiune efectivă D’pl, prin scăderea jocului minim, se obține dimensiunea Dp, la care se ajustează poansonul:
Dp=D’pl-j. (5.4)
Fig. 5.1
Fig. 5.2
În figurile de mai sus sunt prezentate scheme pentru calculul dimensiunilor elementelor active ale ștanțelor.
Conform schemei din figura 5.1, la peforare, dimensiunea părții active a poansonului dp, care trebuie prelucrat întâi, este:
dp=(dn+Ts)0-Tp, (5.5)
în care Tp este toleranța poansonului, și se consideră, de asemenea:
Tp<=(1/3)*T. (5.6)
În urma execuției practice, în limita câmpului de toleranță dat de (5.5), se obține dimensiunea efectivă d’p a poansonului:
dn+Ts-Tp<d’p<dn+Ts. (5.7)
Din dimensiunea efectivă d’p, prin adăugarea jocului minim, se obține dimensiunea dpl, la care se ajustează placa activă:
dpl= d’p+j. (5.8)
În consecință, la decupare, pe desenul de execuție a plăcii de tăiere, se scrie dimensiunea tolerată, iar pe desenul de execuție a poansonului, se menționează că se va ajusta după placa de tăiere, ținând cont de jocul minim dat pe desen. La perforare, se. procedează invers.
5.2 Determinarea forței și lucrului mecanic
Rezistența la forfecare a materialului piesei la decupare-perforare și, implicit forța de decupare-perforare, variază în funcție de adâncimea hf, de pătrundere a poansonului în material. Valoarea maximă a forței de decupare-perforare corespunde momentului apariției fisurilor în material. Când ștanța de decupare-perforare are scule normale, variația forței în funcție de cursa h a poansonului se prezintă conform diagramei din fig.6.1. Existența ramurii ascendente a curbei forței, după valoarea maximă a acesteia, se datorează forțelor de frecare ce apar între sculele ștanței și material.
Fig.5.3. Curba de variație a forței
Valoarea maximă a forței F de decupare-perforare a pieselor din tablă având diametrul d și grosimea g, folosind ștanța cu scule normale, se determină cu relația:
F=pgτ, (5.9)
în care p este perimetrul piesei ștanțate (decupate-perforate); g – grosimea semifabricatului (tablei); x – rezistența reală a materialului semifabricatului la forfecare. Rezistența reală x se determină cu relația :
τ=kτ0,
în care k este un coeficient de proporționalitate;
τ0 – rezistența convențională la forfecare a materialului semifabricatului.
Coeficientul k are valoarea: .
k=l,2…1,3 (5.10)
și depinde de următorii factori principali:
ecruisarea materialului în procesul de decupare-perforare;
starea muchiilor tăietoare ale sculelor ștantei;
valoarea jocului dintre sculele ștanței.
Rezistența convențională la forfecare a materialului semifabricatului are valoarea:
τ0 =0,85σr, (5.11)
în care σr este rezistența convențională la rupere a materialului semifabricatului.
Ținând seama de relațiile (5.10) și (5.11), rezultă că:
τ≈ σr. (5.12)
În cazul când jocul dintre sculele ștanței este normal, iar aceste scule nu sunt uzate, valoarea coeficientului k depinde, aproape în exclusivitate, de ecruisarea materialului piesei în procesul de deformare. Însă, când jocul dintre sculele ștanței are valori mai rnari decât cele normale, iar sculele ștanței sunt uzate, procesul de forfecare se înrăutățește și, în consecință, forța de ștanțare crește.
Semnificativ este faptul că rezistența reală la forfecare τ este influențată și de diametrul relativ al pieselor, adică τ=f(d/g) , în special când jocul dintre sculele ștanței este mai mare, iar acestea sunt uzate. În tabelul 5.1 se prezintă valoarea reală a rezistenței materialului la forfecare în funcție de diametrul relativ al pieselor prelucrate din tablă de oțel moale (OL32, OL34, OLC10 și OLC15).
Tabelul 5.1
Mărirea rezistenței reale a materialului la forfecare cu creșterea valorii diametrului relativ al pieselor decupate-perforate rezidă în aceea că, la diametre mai mari ale pieselor având aceași grosime, rigiditatea semifabricatului în procesul de deformare scade, iar condițiile de forfecare se schimbă.
La decuparea simultană cu mai multe poansoane, acestea se montează în trepte (figura 5.4). pentru ca eforturile să nu se însumeze, iar durabilitatea lor să se mărească.
Fig. 5.4
Plăcile tăietoare se pot executa dintr-o bucată în cazul decupării pieselor de dimensiuni mici sau compuse (din mai multe sectoare prelucrate separat și apoi asamblate) în cazul decupării pieselor mari.
În cazul plăcilor compuse cu tăișuri înclinate, acestea se vor executa simetric, îmbinarea se va face în golul ondulației și nu pe vârful ei, sau pe porțiunile curbe ale conturului.
Poansoanele se pot executa dintr-o bucată, iar în cazul pieselor mari pot fi compuse și asamblate. În cazul poansoanelor cu tăișuri înclinate se vor respecta indicațiile de la plăci.
Forța de decupare necesară realizării procesului este dată de relația:
Fm = KF [daN] (5.13)
în care: K = 1…1,3 coeficient care ține seama de influența diferiților factori asupra rezultatelor la forfecare și deci asupra forței; F – valoarea forței de decupare, calculată cu relațiile din tabelul 5.2.
Tabelul 5.2
Datorită deformațiilor elastice, la împingerea semifabricatului, piesei sau deșeului prin brâul cilindric al plăcii active, precum și la scoaterea deșeului sau materialului de pe poanson, rezistența și deci și forța cresc.
Forța necesară pentru împingerea sau extragerea inversă pe la suprafața plăcii de decupat, precum si de scoaterea de pe poanson se determină cu relațiile din tabelul 5.3.
Relații folosite pentru calcularea forțelor de împingere, scoatere și extragere inversă a piesei sau deșeului.
Tabelul 5.3
Forța totală care se ia în considerare la alegerea piesei se determină cu relația:
Ft=Fn+Fi(Fc’)+Fs’+Fa [daN] (5.14)
în care: Fn – forța de ștanțare necesară; Fi este forța de împingere; Fc' – forța necesară pentru comprimare a elementului elastic pentru extragerea inversă; Fc' > Fc, dat fiind că valoarea lui Fc trebuie atinsă la sfârșitul cursei de extragere care se realizează cu ajutorul arcurilor; Fs' – forța necesară pentru comprimarea elementului elastic de scoatere a deșeului materialului de pe poanson; Fs' > Fs din aceleași motive ca mai sus; Fa – forța necesară pentru comprimarea amortizorului inferior (Fa =0,1 Fn).Forță pentru comprimarea amortizorului se ia în considerare numai în cazul proiectării stanței cu amortizor.
Lucrul mecanic necesar pentru decupare se determină cu relațiile din tabelul 5.4.
Tabelul 5.4
5.3 Construcția ștanțelor
Elementele active sau sculele ștanțelor de decupare-perforare sunt poansonul și placa de tăiere. Forma și dimensiunile piesei perforate sunt date de forma și dimensiunile părții active a poansonului, iar forma și dimensiunile piesei decupate sunt date de forma și dimensiunile părții active a plăcii de tăiere.
Elementele active pot fi cu muchii tăietoare plane sau înclinate.
Construcția poansoanelor cu muchii tăietoare plane, pentru decuparea-perforarea pieselor de formă circulară, este prezentată în figura 5.5.
Fig.5.5.Poansoane cu muchii tăietoare plane, pentru decuparea-perforarea pieselor de forma circulară
De obicei, poansonul are două diametre distincte (fig.5.5.a). Diametrul părții active dp, depinde de diametrul piesei, iar diametrul d realizează un ajustaj cu strângere în placa portpoanson. Înălțimea gulerului se lasă cu (0,4…0,5) mm mai mare decât înăltimea locașului din placa portpoanson, iar după asamblare, acestea se vor rectifica împreună pentru a avea aceeași dimensiune. În acest mod, presiunile de lucru sunt preluate de presiune, iar poansonul ramâne bine fixat în placa portpoanson, în timpul funcționării ștanței.
În cazul în care construcția din figura 5.5.a nu asigură rigiditatea necesară (nu rezistă la flambaj), se execută poanson în trepte (fig.5.5.b).
Când diametrul poansonului este mic, de ordinul milimetrilor, la executarea prin așchiere, se deformează. În aceste cazuri, poansoanele se realizează din sârmă de arc (fig.5.5.c). Gulerul poansonului se realizează prin ștemuire (refulare manuală la cald). Ulterior, se realizează o rectificare împreună cu placa portpoanson.
Construcția poansoanelor cu muchii tăietoare plane, pentru decuparea-perforarea pieselor de formă complexă, este prezentată în figura 5.6.
Fig.5.6. Poansoane cu muchii tăietoare plane, pentru decuparea-perforarea pieselor de formă complexă
Deoarece prelucrarea cu guler a acestor poansoane este foarte dificilă și costisitoare, asamblarea lor cu placa portpoanson se realizează, în general, prin ștemuire (fig.5.6.a).
La nevoie, se poate renunța la ștemuire, construindu-se poansoane cu guler nontabil, fixat cu șuruburi și știfturi (fig.5.6.b).
O altă soluție constructivă a poansoanelor profilate este cea combinată (fig.5.6.c): partea din placa portpoanson se execută la o formă geometrică simplă, iar partea activă se construiește profilată, asamblarea lor realizându-se cu șuruburi și știfturi.
Construcția plăcilor active cu muchii tăietoare plane, pentru decupare-perforare, este prezentată în figura 5.7.
Fig.5.7. Constructia placilor active cu muchii taietoare plane, pentru decupare-perforare
Plăcile tăietoare se construiesc monobloc (fig.5.7.a.b.c.d), când piesele au dimensiuni mici și mijlocii.
În figura 5.7.a se prezintă o placă tăietoare cu gaură cilindrică. Piesele care se deplasează prin placă sunt supuse frecării pe toată înălțimea acesteia, crescând astfel forța de lucru.
Pentru a micșora frecarea, se poate realiza placa tăietoare cu gaură conică (fig.5.7.b). Aceasta, după uzare și reascuțire, se decalibrează.
Pentru a înlătura decalibrarea (fig.5.7.c), se execută placa tăietoare având o primă porțiune conică cu unghi foarte mic (≈30', care permite menținerea dimensiunilor în limite admisibile și după reascuțire), urmată de o parte cu conicitate mai mare, pentru evitarea frecărilor. Prezintă dezavantajul că se prelucrează greu.
În figura 5.7.d se prezintă o placă tăietoare cu o zonă activă cilindrică având înălțimea h = (5…10) mm, urmată de o a doua parte cilindrică cu diametru mai mare, evitându-se astfel frecările.
În concluzie, forma cea mai utilizată pentru plăci monobloc este cea din figura 5.7.d, deoarece:
iși păstrează dimensiunile după reascuțire;
reține puține piese în zona activă, reducând astfel forțele de frecare;
se realizează ușor și ieftin.
Atunci când piesele de decupat au dimensiuni mari și formă complexă, este neindicat să se execute placă tăietoare monobloc. În acest caz, plăcile din oțel pentru scule se construiesc din mai multe elemente simple, numite segmenți (1), care se asamblează pe placa suport (2), realizată din oțel mai ieftin (fig. 5.7.e). Finisarea segmenților se face după montare, realizăâd astfel forma ș dimensiunile dorite.
Dacă între găurile perforate sunt distanțe mari, se construiesc plăci tăietoare simple, pentru fiecare gaură separat sau un grup de găuri apropiate, și se asamblează în placa suport cu ajustaj de strângere (fig. 5.7.f). Plăci tăietoare simple de forma bucșelor fără guler (fig. 5.7.g), se folosesc mai rar.
Atunci când, pentru tăiere, sunt necesare forțe mari și nu se dispune de prese care să asigure aceste forțe, una dintre sculele ștanței se poate executa cu muchiile tăietoare înclinate.
Pentru a nu deforma piesa, numai una din elementele active ale ștanței poate avea muchii înclinate. În cazul perforării, poansonul se execută cu muchiile tăietoare înclinate (fig, 5.8.a), iar placa de tăiere are forma obișnuită. În cazul decupării, placa tăietoare se va construi cu muchiile tăietoare înclinate (fig. 5.8.b), iar poansonul va avea o construcție normală. În acest fel, atât la perforare cât și la decupare se va deforma numai deșeul.
Fig. 5.8.Elementele active cu muchii înclinate
Prelucrarea cu muchii tăietoare înclinate, datorită forfecării progresive, asigură un mers mai liniștit al presei.
Din punct de vedere a construcției, ștanțele se clasifică după:
1- modul de ghidare a elementelor active;
2-modul de limitare a avansului benzii (modul de realizare a pasului);
3-modul de combinare a operațiilor;
4-direcția de deplasare a elementelor active
După modul de ghidare a elementelor active, ștanțele de decupare-perforare sunt de următoarele tipuri:
-ștanță fără ghidare;
-ștanță cu placă de ghidare;
-ștanță cu coloană de ghidare.
Construcția ștanțelor fără ghidare
În figura 5.9, este prezentată o ștanță fără ghidare. Ștanța se compune dintr-un subansamblu fix B, montat pe masa presei, și un subansamblu mobil, montat pe berbec.
Subansamblul fix se compune din placa inferioară sau de baza 11, pe care se asamblează placa de tăiere 10, știfturile de ghidare a semifabricatului 9 și opritorul fix 12.
Subansamblul mobil este format din: cepul de fixare 1, placa superioară sau placa de cap 2, placa de presiune 3, placa port-poanson 4, .poansonul 5, tije cu capăt filetat 6, arcuri elicoidale 7 și placa pentru eliminarea deșeului de pe poanson.
Fig.5.9.Ștanță fără ghidare
În poziție deschisă, placa 8, acționată de arcurile 7, depășește suprafața frontală a poansonului cu (1…2) mm, pentru a elimina deșeul.
La închiderea ștanței, placa 8, din același motiv, ajunge înaintea poansonului și poziționează semifabricatul înainte de tăiere.
Pasul se realizează astfel: în timp ce ștanța este deschisă, se trece puntița peste opritorul fix 12 după care, semifabricatul se trage în sens contrar pentru o poziționare corectă.
Ghidarea parții mobile față de subansamblul fix se face doar prin ghidajul berbecului presei, motiv pentru care jocul nu este distribuit uniform și calitatea pieselor decupate este scăzută.
Montarea ștanței pe presă, se face în felul următor: se montează partea mobilă pe berbec și se introduce poansonul în placa de tăiere, încercând o distribuție cât mai uniformă a jocului. După aceasta, se strânge subansamblul fix pe masa presei, cu ajutorul unor bride.
Neavând o ghidare corespunzătoare, ștanța are o durabilitate mică și se pretează numai la piese fără pretenții calitative. Se folosește numai la serii mici și mijlocii. De asemenea, fiind deschisă, ștanța prezintă pericol de accidentare.
Avantajul ștanței este construcția simplă.
Construcția ștanțelor cu placă de ghidare
Subansamblul mobil al ștanței, se compune din (fig. 5.10): cepul de fixare 1, placa de cap 2, placa de presiune 3, placa portpoanson 4, poansonul 5.
Subansamblul fix, are în componență: placa de ghidare 6, rigle de ghidare 7, placa de sprijin 8, placa de baza 9, placa de tăiere 10, opritorul mobil 11 și arcul lamelar 12.
Fig. 5.10.Ștanța cu placă de ghidare
Subansamblul mobil se montează pe berbecul presei. Se introduce poansonul în placa de ghidare, după care se strânge și subansamblul fix pe masa presei, cu ajutorul unor bride.
Reglajul trebuie să fie de așa natură ca, în timpul funcționării, poansonul, la P.M.S. să nu părăsească placa de ghidare, iar la P.M.I, să pătrundă (0,3…0,5) mm în placa de tăiere.
Banda, la introducere în ștanță, este sprijinită de placa 8, iar la trecere, este ghidată de riglele 7, care sunt mai înalte decât banda cu (2…3) mm. Distanța dintre rigle trebuie să fie mai mare decât lățimea benzii.
Pasul se realizează cu opritorul mobil 11, care este permanent apăsat în jos de către arcul lamelar 12. Prin deplasarea manuală a benzii, se ridică opritorul mobil care, după trecerea puntiței, revine în poziția inițială.
În mod uzual, aceste ștanțe mai au un opritor de început de bandă, care se află într-un locaș executat în una din rigle, și care are o poziție normal închisă. La introducerea benzii, se acționează manual acest opritor pentru a realiza prima piesă, după care se folosește opritorul mobil.
De asemenea, pentru buna poziționare a benzii, se folosesc împingătoare laterale amplasate în una din rigle.
Comparativ cu ștanța fără ghidare, calitatea pieselor este mai bună, durabilitatea ștanței crește. Se poate folosi la serii mari.
Ștanța, fiind închisă în timpul funcționării, nu prezintă pericol de accidentare.
Construcția ștanțelor cu coloană de ghidare
Exceptând forma geometrică a plăcii de cap și de bază, respectiv prezența coloanelor de ghidare, aceste ștanțe se aseamănă cu cele descrise anterior.
Din acest motiv, în figura 5.11 se prezintă numai partea ce conține coloana de ghidare a unei astfel de ștanțe. Această parte se compune din: placa de cap 1, bucșa de ghidare 2, placa de bază 8, inel distanțier 6 și coloana de ghidare 7 cu canale circulare 3, canale radiale 4 și pâslă îmbibată cu ulei 5.
Fig. 5.11.Ștanță cu coloană de ghidare
Coloanele se prelucrează cu diametrul dl mai mare decât d cu (0,1…0,2) mm. Coloana 7 se introduce în placa de baza 8, realizând, pe diametrul dl un ajustaj cu strângere. Bucșa de ghidare 2 se introduce în placa de cap 1, cu tot cu ajustaj de strângere.
Pentru a realiza o ungere corespunzătoare, pâsla 5, îmbibată cu ulei, asigură prin canalele radiale 4, ajungerea uleiului în canalele circulare 3.
Pe partea superioară a plăcii de cap se realizează canalul C, care asigură circulația aerului în timpul funcționării, aer care ar putea forma pernă în cazul în care între placa de cap și berbec s-ar realiza o închidere etanșă.
Ștanțele pentru piese mici, au două coloane situate la spate. Ștanțele pentru piese mijlocii, au două coloane situate în diagonală. Ștanțele pentru piese mari, au patru coloane de ghidare.
Ștanțele cu două coloane în diagonală, trebuie să aibă o coloană cu diametrul mai mare cu (1…2)mm, pentru a evita montarea greșită, rotită cu 180°, a subansamblului superior mobil.
Inelele distanțiere 6, se folosesc la reglarea ștanței, prin introducerea unor lamele între inele și partea superioară mobilă, având și menirea ca, în timpul depozitării, să susțină partea superioară a ștanței.
Au o durabilitate ridicată și asigură ghidarea cea mai precisă. Pentru a mări și mai mult durabilitatea și precizia, există soluția constructivă a înlocuirii bucșelor de ghidare cu bile de rulmenți. În acest caz, coloanele nu se prevăd cu canale circulare.
Construcția stanțelor după modul de realizare a pasului
După modul de realizare a pasului, ștanțele se clasifică în:
-ștanță cu opritor fix (vezi ștanța fără ghidare fig.5.9);
-ștanță cu opritor mobil (vezi ștanța cu placă de ghidare, fig.5.10);
-ștanța cu cuțit de pas.
În figura 5.12 este prezentată o secțiune, la nivelul riglelor de ghidare, într-o ștanță cu cuțit lateral de pas. În secțiune, se vede: placa de bază 1, riglele de ghidare 2, banda 3 având lățimea b, poansonul de perforare 4, poansonul de decupare 5 și cuțitul lateral de pas 6.
Dacă nu există limitator pentru început de bandă atunci, cuțitele fiind ridicate, banda se oprește în umărul riglei 2.
La coborârea berbecului, cuțitul de pas taie o fâșie din partea laterală a benzii, egală cu lățimea cuțitului de pas, și care, la rândul ei, este egală cu pasul.
La avansarea benzii, colțul obținut pe bandă se oprește în același umăr, realizând pasul dorit. Datorită uzurilor accentuate, umărul se execută, de cele mai multe ori, dintr-o pastilă din material dur.
Distanța dintre ghidaje b1 trebuie să permită trecerea benzii fără blocare. Valoarea lățimii fâșiei tăiate de cuțitul lateral de pas crește odată cu grosimea materialului pieselor de ștanțat, fiind între (l,5…3)mm. Datorită tăierii acestei fâșii din marginea benzii, lățimea deșeului care iese din ștanță este b2.
Grosimea minimă a cuțitului de pas se va adopta:
gc=(4…5)mm.
Avantajul metodei este că asigură un pas mai precis decât cu opritor fix sau mobil și se pretează la avans automat a benzii.
Dezavantajul este că, în cele mai multe cazuri, pentru realizarea pasului, se mărește lățimea benzii cu fâșia tăiată de cuțit, micșorându-se coeficientul de croire. În același timp, la ștanțele succesive cu mai mulți pași, eroarea de pas se cumulează.
Pentru a evita consumul de material prin tăierea fâșiei laterale, se recomandă dispunerea cuțitului de pas în zona deșeului (tăierea în colț), sau tăierea totală (pe toată lățimea benzii) a unei porțiuni din deșeu având lungimea egală cu pasul.
O ștanță care realizeaza pasul prin tăierea totală a deșeului, este prezentată în figura 5.13. Ștanța are în componență placa de bază 1, riglele de ghidare 2, poansonul de perforare 4, poansonul de decupare 5, cuțitul de pas 6 și opritorul fix 7.
La fiecare coborâre a berbecului, cuțitul de pas taie o porțiune din deșeu având lungime egală cu pasul, iar după ridicarea berbecului, banda 3 poate avansa până la opritorul fix 7, realizând astfel pasul.
Avantajul metodei constă în simplitatea construcției ștanței și în economia de material ce se realizează.
Dezavantajul este că se poate aplica doar în cazul când deșeul rămas după realizarea piesei este suficient de rigid.
O altă posibilitate de economisire a materialului este realizarea pasului prin tăierea în zona deșeului sau tăierea în colț (fig.5.14). Elementele constructive ale ștanței sunt: placa de baza 1, riglele de ghidare 2,poansonul de perforare 4, poansonul de decupare 5, cuțitul de pas 6, opritorul tip zăvor 7 acționat de arcul elicoidal 8 și împingătoarele laterale 9.
Fig.5.14. Ștanță cu realizarea pasului prin tăierea în zona deșeului sau tăierea în colț
Cuțitul de pas 6 taie un colț în zona deșeului în care, la avansarea benzii, intră opritorul 7 acționat de arcul 8. La avansarea în continuare a benzii, aceasta ridică opritorul tip zăvor, care intră în următorul colț tăiat, realizând astfel pasul.
Construcția ștanțelor după modul de combinare a operațiilor
După modul de combinare a operațiilor, ștanțele de decupare perforare se clasifică astfel:
-ștanță cu acțiune simplă;
-ștanță combinată cu acțiune succesivă;
-ștanță combinată cu acțiune simultană;
-ștanță combinată cu acțiune simultan – succesivă.
Ștanța simplă este destinată executării unei singure operații, iar ștanța combinată execută simultan, succesiv sau simultan-succesiv, două sau mai multe operații de ștanțare.
Construcția ștanțelor cu acțiune succesivă
În figura 5.15 este prezentată o ștanță de decupare-perforare cu acțiune succesivă. Ștanța se compune dintr-un subansamblu mobil A, fixat prin intermediul cepului 1 pe berbecul presei, și un subansamblu fix B, fixat cu bride și șuruburi pe masa presei.
Fig. 5.15 Ștanța succesivă pentru decupare-perforare
Subansamblul mobil se compune din placa de cap 16, pe care se montează, cu șuruburile 2 și știfturile de centrare (nefigurate), placa portpoanson 3. Între acestea este montată placa de presiune 15, care este confecționată din oțel de scule și are rolul de a prelua solicitările de comprimare din poansoane. În acest fel, placa de cap se poate executa din oțel de uz general sau fontă, materialele având un preț mai scăzut. În placa portpoanson sunt montate poansonul pentru perforare 5 și poansonul pentru decupare 4.
Subansamblul fix se compune din placa de baza 9, pe care se montează, cu șuruburile 14 și știfturile de centrare (nefigurate), placa de tăiere 8, riglele de conducere 10 și placa de ghidare 13, care are dublul rol de a ghida poansoanele ăi de a scoate deșeul de pe acestea. În componența subansamblului fix mai intră jgheabul de conducere 12 care, împreună cu riglele 10, asigură trecerea corectă a benzii prin ștanță, precum și opritorul mobil 7, acționat cu arcul lamelar 6.
Ștanța realizează piesa executând o operație de perforare și o operație de decupare, aceste operații fiind executate succesiv, prin deplasarea semifabricatului cu un pas "p". Pentru realizarea pasului, se împinge banda de material, puntița "a" ridică opritorul 7, revine în poziția inițială datorită arcului lamelar 6, astfel că, la tragerea benzii puțin înapoi, aceasta se tamponează cu puntița de opritor, asigurându-se pasul necesar.
Construcția ștanțelor cu acțiune simultană
În figura 5.16 este prezentată o ștanță combinată de decupare și perforare, cu acțiune simultană. Ștanța se compune din subansamblul fix B și subansamblul mobil A. Poziția relativă corectă a acestora se asigură prin două coloane de ghidare 2.
Subansamblul fix B se prinde pe masa presei cu bride cu șuruburi. Acesta se compune dintr-o placa de baza 1, în care coloanele 2 se asamblează presat și sunt limitate de inelele de siguranță 21, pentru a nu se ridica în timpul funcționării ștanței. Scula combinată 4 (poanson pentru decupare și placa de tăiere pentru perforare), se asamblează pe placa de baza 1 prin intermediul știfturilor de centrare 20 și șuruburilor 22. Placa 5 servește la așezarea benzii în ștanță și la eliminarea acesteia de pe scula combinată 4. Pentru eliminarea benzii, placa 5 este acționată de trei pachete de arcuri disc 3, limitarea cursei asigurându-se cu șuruburile 19. Ghidarea benzii se face de către știfturile 23, iar pasul este asigurat cu opritorul mobil 18, acționat de un arc lamelar.
Subansamblul mobil A se compune dintr-o placă de cap 12, în care sunt asamblate presat bucșele de ghidare 16. Pe placa de cap se asamblează, prin știfturile 24, placa de presiune 11, placa portpoanson 9, împreună cu poansonul de perforare 8 și placa de tăiere 7. Cepul 13 servește la centrarea și fixarea subansamblului mobil pe berbecul presei.
La coborarea berbecului presei, are loc simultan decuparea și perforarea. Deeuparea se realizează între placa de tăiere 7 și scula combinată 4 (care, în acest caz, are rol de poanson), iar perforarea se realizează între scula combinată 4 (care, în acest caz, are rol de placă tăietoare) și poansonul 8. Deșeul rezultat la perforare se elimină prin cădere liberă.
Fig. 5.16 Ștanță combinată de decupare și perforare cu acțiune simultană
Concomitent cu revenirea berbecului în poziția inițială, se realizează scoaterea benzii de pe scula combinată 4, de către placa mobilă 5 și, spre sfârșitul cursei berbecului, eliminarea piesei dintre poansonul 8 și placa de tăiere 7.
Eliminarea piesei se asigură de către traversa presei prin tija 14, placa 15, tijele 10 și eliminatorul 6.
Construcția ștanțelor sub aspectul modului de deplasare a elementelor active
După direcția de deplasare a elementelor active, ștanțele de decupare – perforare sunt de două feluri:
-ștanțe cu deplasarea elementului activ în aceeași direcție cu berbecul;
-ștanțe cu deplasarea elementului activ în direcție diferită de cea a berbecului.
Din prima categorie fac parte toate ștanțele prezentate mai sus. Din cea de a doua categorie fac parte ștanțele la care, în majoritatea cazurilor, poansoanele se deplasează în plan perpendicular pe direcția de mișcare a berbecului presei, iar acționarea lor se face prin pene laterale. Aceste ștanțe se folosesc, de obicei, la perforarea pieselor ambutisate sau îndoite care necesită găuri pe pereții laterali. Astfel de ștante sunt prezentate în figura 5.17 și 5.18. Elementele reprezentative ale acestora sunt: cepul de fixare 1, placa superioară 2, placa de presiune 3, placa portpană 4, pana 5, placa portpoanson 6, poansonul 7, ghidajele 8, pinten lateral 9 și sania 10.
Penele laterale se asamblează în placa 4 ca și poansoanele, adică, cu ajustaj de strângere și utilizând guler sau prin ștemuire. Poansonul 7 se asamblează prin intermediul plăcii 6, pe sania 10 care, sub acțiunea penei laterale 5, se deplasează perpendicular față de direcția de mișcare a berbecului, realizând perforarea.
Când penele au numai o față activă (fig.5.17), readucerea saniei în poziție inițială se face cu ajutorul unor arcuri elicoidale 11.
Pentru eliminarea arcului elicoidal, readucerea saniei în poziție inițială, se poate realiza cu pene având doua fețe active (fig.5.18).
Fig. 5.18. Ștanță cu pană laterală dublă
La nevoie, poansoanele de perforare se pot acționa independent, hidraulic. La producția de serie mică, acestea se pot acționa și manual, cu ajutorul unor pârghii multiplicatoare de forță.
6.Concluzii generale. Necesitatea studierii fenomenului
6.1 Concluzii generale
Procedeele de prelucrare a metalelor prin deformare plastică, constituie un domeniu de cercetare extrem de vast și complex. Acesta se datorează faptului că ponderea volumului de metal prelucrat prin aceste procedee este în continuă creștere, în detrimentul celor de prelucrare, prin metodele clasice. Utilizând prelucrările prin deformare plastică, semifabricatul tinde să fie adus la o formă și la dimensiuni cât mai aproape de cele ale piesei finite, astfel încât după prelucrarea prin deformare plastică, acesta să nu mai necesite decât operații de finisare (rectificări, lepuiri, honuiri), sau eventual tratamente termice unde acestea se impun.
În cadrul procesului de tăiere, decuparea se definește ca operația prin care se obțin piese plane sau de alt tip prin detașarea materialului după un contur închis. Toate corpurile solide au proprietatea de a se deforma sub acțiunea unor forțe exterioare și a altor factori cum ar fi: temperatura, acțiunea îndelungată a timpului etc.
Diferite materiale supuse deformării se comportă diferit în funcție de mărimea forțelor care acționează, precum și de condițiile în care are loc deformarea.
După caracterul permanent sau nepermanent al deformării se disting următoarele tipuri de deformații:
-deformații elastice,
-deformații remanente,
-deformații anelastice.
Deformația unui corp solid se compune în general dintr-o deformație de tip elastic și una remanentă. Starea unui corp în care deformațiile remanente au valori mari (în comparație cu cele elastice) fără o slăbire vizibilă a legăturilor dintre particule se numește starea plastică.
Starea unui corp în care, dimpotrivă, deformațiile remanente sunt mici (în comparație cu cele elastice), înainte de producerea ruperii, se numește stare fragilă (sau casantă).
Ca urmare a existenței acestor faze și a condițiilor specifice în care se produce deformarea materialului la tăiere între două muchii asociate, pe suprafața rezultată din prelucrarea la joc normal, se disting următoarele zone:
– zona muchiilor (cu bavuri sau rotunjite);
– zona de tăiere (lucioasă);
– zona de rupere (cu asperități sau proeminențe).
Procesul de tăiere prin presare la rece cuprinde următoarele faze:
– faza deformațiilor elastice, în care eforturile unitare și deformațiile din material nu depășesc pe cele corespunzătoare limitei de elasticitate a materialului respectiv;
– faza deformării plastice, în care deformațiile sunt remanente, iar eforturile unitare din materialul prelucrat depășesc limita de curgere și cresc continuu, până ce ating un maxim, care reprezintă valoarea rezistenței la for-fecare a materialului respectiv. La această fază elementele active pătrund în materialul prelucrat pe o adâncime de (0,2 … 0,5)g;
– faza de forfecare sau rupere, în care are loc apariția fisurilor de forfecare în dreptul muchiilor active și apoi separarea materialului.
Deoarece deformațiile materialului prelucrat sunt mai mari lângă muchia activă a plăcii de tăiere în comparație cu zona corespunzătoare muchiei poansonului, fisurile de forfecare apar în primul rând la muchia tăietoare a plăcii.
Studiile facute pana acum in literatura de specialitate sunt tratate in sens general enumerandu-se doar cateva aspecte tratate superficial legate de proprietățile material, jocul dintre elementele active, profilul piesei, grosimea materialului, calitatea muchiilor tăietoare ale stanței .
Suprafata rezultata la taierea cu joc normal este diferita de cea corespunzatoare pentru cea cu joc mic. Odata cu majorarea valorii jocului peste cel optim creste in care are loc deformarea (curbura) semifabricatului, crescand si momentul incovoietor din aceasta zona.
In general, in acest caz fisurile de forfecare se vor uni, iar unghiul de asezare va avea valori mai mari. Ca urmare, la valoare mare a jocului, la prelucrarea materialelor subtiri (in general sub 1,5 … 2 mm), are loc o incretire a materialului prelucrat intre poanson si placa de taiere, obtinindu-se bavuri neregulate, sau margini incretite la piesa si deseu. La prelucrarea materialelor groase cu jocuri mari (j > 0,4 g) se obtine o rotunjire de raza relativ mare la muchia piesei spre placa de taiere si la muchia orificiului spre poanson.
Marimea jocului influenteaza si asupra valorii rezistentei la taiere.La micsorarea jocului se obtine o crestere importanta a lucrului mecanic necesar pentru taiere.Variatia valorii jocului determina si o variatie a marimii uzurii la elementele active ale stantei si deci si a durabilitatii acesteia, exprimata prin numarul de taieturi.
Deformarea plastica se realizeaza prin deplasarea relativa a atomilor in pozitii noi de echilibru stabil.
Principalele moduri (mecanisme) prin care se produce deformarea plastica sint: alunecarea si maclarea.
Alunecarea consta in deplasarea de pachete de atomi de-a lungul unor plane cristaline, numite plane de alunecare.
Experientele efectuate pe monocristale au dovedit ca planele de alunecare sint planele de maxima densitate de atomi, iar in aceste plane exista directii de alunecare, dupa care atomii sint asezati cel mai dens. Planele si directiile de alunecare formeaza sistemele de alunecare, care sunt caracteristice pentru fiecare sistem cristalin.
Alunecarea se produce atunci cand tensiunea tangentiala are o valoare critica.
Maclarea reprezinta deplasarea unei portiuni din cristal in lungul unui plan denumit plan de maclare obtinandu-se doua parti simetrice fata de acest plan.Spre deosebire de alunecare, la maclare participa toate planele atomice din regiunea maclată.
6.2 Direcții de cercetare privind studiul modului de formare și propagare a fisurilor de forfecare la decuparea materialelor groase
Dupa cum este prezentat si in titlul directia pe care vreau sa ma axez reprezinta studierea fenomenului de formare si propagare a fisurilor de propagare la decuparea materialelor groase.
Tema propusa va putea asigura coagularea aspectelor stiintific, metodologic, experimental si practic deoarece :
– contribuie la clarificarea experimentala a proceselor de decupare, la specificul procesului de lucru;
– contribuie la imbunatatirea calitatii produselor .
In general, acest studiu de cercetare caută să raspundă următoarelor întrebari:
Cum putem evita aparitia fisuri in cazul materialelor groase?
Cum variază rezistența structurii pe măsură ce o fisură inițiată începe să se propage?
Care este lungimea maximă a fisurii acceptată în serviciu?
Care este durata necesară pentru ca o fisură să atingă valoarea maximă admisă?
Care este valoarea parametrilor din proces odata cu aparitia fisurilor?
Cum se propaga aceste fisuri de forfecare pe un model luat ca piesa de referinta de referinta?
Pentru a raspunde la aceste intrebari voi analiza un proces de decupare a materialelor groase odata plecand de la premise teoretice si confirmarea acesteia in cazul unui experiment pe o piesa model.
Directia pe care as dori sa ma axez este:
-o analiza teoretica cu ajutorul elemenului finit a starii de tensiuni, a starii de deformatii care au loc in timpul unei operatii de decupare
Prin simularea (modelarea) propagării fisurilor de oboseală se poate evalua variația parametrilor din proces cu lungimea fisurii, viteza de propagarea a fisuri și numărul de cicluri pentru ca o fisură de lungime inițială să atingă lungimea maximă.
-o analiza experimentală a tensiunilor (aparitia si propagarea fisurilor), studiul stării de tensiune direct pe o piesa de referinta ce se va valua sub aspectul parametrilor ce intra in proces, pana la aparitia fisurilor
Schema de analiza a modului de formare si propagare a fisurilor de decupare:
Rm – Rezistenta mecanica a materialelor
A -Alungirea
G -Grosimea materialului
In analiza experimentala se urmareste solicitarea materialului pana la aparitia fisurilor si distrugerea lui urmarind modul in care se vor propaga aceste fisuri in material precum si directiile urmand o scara de valori. Rezultatele determinarilor se vor analiza si interpreta luand in consideratie toti factorii care intra in acest proces conform structuri de idei prezentate pe structura tabelara de mai sus.
Parametri care intra in acest proces si care vor fi variati sunt:
-natura materialului
-jocul intre elementele active
-grosimi diferite de materiale (dar peste 3mm)
-influenta profilului piesei
Propunerea unei stante pentru realizarea determinarilor:
Tema propusa este relevanta atat stiintific cat si metodologic, experimental si practic, deoarece propune conceptul de analiza multipla (parametri in cadrul unui proces de decupare) pentru deducerea factorilor de influenta si domeniilor de aplicatie in procesele specifice de prelucrare prin decupare mai ales in activitatea de productie, introduce o metodologie de analiza si de deducere pe baza rezultatelor oferite de literatura stiintifica si practica industriala; contribuie la imbunatatirea calitatii produselor in compartimente industriale de prelucrare prin deformare plastica.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Studiul Modului de Formare Si Propagare a Fisurilor de Forfecare la Decuparea Materialelor (ID: 161046)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.