новости

Как рассчитать усилие штамповки: инженерное руководство для прецизионных штампов

Требуемое усилие штамповки для операции листовой штамповки — это произведение прочности материала на срез, длины реза и толщины материала, деленное на коэффициент запаса. Для типичной заготовки из стали SPCC толщиной 1,0 мм с периметром 50 мм расчетное усилие составляет приблизительно 31,4 кН, что требует усилия пресса не менее 39 кН с учетом динамических потерь. Это руководство содержит точные формулы, поправочные коэффициенты и практические данные, которые BQUQ использует на нашем предприятии по CNC-обработке и листовой штамповке в Дунгуане, работающем уже 20 лет.

Основная формула усилия штамповки

Базовый расчет усилия вырубки или пробивки использует прочность материала на срез, а не предел прочности при растяжении. Формула выглядит следующим образом:

F = L × t × τ

Где: F = усилие штамповки в ньютонах (Н) L = общий периметр реза в миллиметрах (мм) t = толщина материала в миллиметрах (мм) τ = прочность материала на срез в мегапаскалях (МПа)

Для низкоуглеродистой стали (SPCC, DC01) прочность на срез обычно составляет 70–80% от предела прочности при растяжении. Используйте 345 МПа для SPCC (предел прочности 450 МПа) и 400 МПа для нержавеющей стали SUS304 (предел прочности 600 МПа). Для алюминия 5052 используйте 190 МПа. Эти значения предполагают острый штамп с зазором 5–8% от толщины материала на сторону.

Поправочные коэффициенты для реальных условий

Результат, полученный по базовой формуле, необходимо умножить на поправочные коэффициенты, чтобы избежать остановки пресса или поломки штампа. Суммарное эффективное усилие (Fe) рассчитывается так:

Fe = F × K1 × K2 × K3

K1 (коэффициент износа штампа) = 1,3 для новых штампов, 1,5 для штампов после 100 000 ходов. BQUQ рекомендует 1,3 для планирования производства. K2 (коэффициент усилия съемника) = 1,1 при использовании подпружиненной съемной плиты. Это учитывает дополнительное усилие, необходимое для съема детали с пуансона. K3 (коэффициент скорости) = 1,2 для прессов, работающих со скоростью более 60 ходов в минуту (SPM). При 120 SPM динамические нагрузки увеличиваются до 20% из-за ускорения ползуна и материала.

Пример расчета для прямоугольной заготовки 100 мм × 40 мм из стали SPCC толщиной 2,0 мм: L = 2 × (100 + 40) = 280 мм F = 280 × 2,0 × 345 = 193 200 Н (193,2 кН) Fe = 193,2 × 1,3 × 1,1 × 1,2 = 331,4 кН

Это означает, что вам понадобится пресс усилием не менее 35 тонн, а не 20 тонн, как могла бы показать быстрая оценка.

Сравнение усилий по материалам и толщинам

В таблице ниже приведены расчетные усилия штамповки для пробивного пуансона диаметром 10 мм (L = 31,4 мм) при различной толщине. Это базовые значения без поправочных коэффициентов.

Для последовательных штампов с несколькими позициями суммируйте усилие всех режущих пуансонов в одной позиции, затем добавьте 15% на усилия пилотирования и формовки. Типичный 4-позиционный последовательный штамп для клеммы разъема (SPCC 0,8 мм) требует суммарного усилия 45 кН, что определяет выбор высокоскоростного пресса на 10 тонн при 200 SPM.

Выбор пресса и запас прочности

Никогда не эксплуатируйте пресс выше 80% от его номинальной мощности. Это критически важное правило из протоколов испытаний штампов BQUQ. Если ваше расчетное Fe составляет 331 кН, выбирайте пресс с номинальной мощностью не менее 414 кН (42 тонны). Запас прочности покрывает колебания твердости материала от рулона к рулону, которые могут составлять ±10% по прочности на срез.

Для гидравлических прессов усилие постоянно на протяжении всего хода, поэтому можно использовать всю номинальную мощность. Для механических прессов (кривошипного типа) номинальное усилие доступно только в определенном положении хода, обычно на 10–20 мм выше нижней мертвой точки. Если ваша операция вырубки требует длинного хода, снижайте номинальную мощность механического пресса на 20–30%.

Скорость пресса также влияет на усилие. При 200 SPM кинетическая энергия ползуна добавляет примерно 15% к пиковому усилию. Используйте коэффициент K3 = 1,2 для любого пресса, работающего выше 60 SPM. Для чистовой вырубки, которая использует V-образное кольцо и противодавление, добавьте 30% к расчетному усилию для учета контрпуансона.

Снижение усилия штамповки с помощью углов среза

Вы можете снизить требуемое усилие на 30–50% без изменения материала или толщины, заточив угол среза на пуансоне или матрице. Для вырубки затачивайте угол среза на матрице (вогнутый). Для пробивки затачивайте угол среза на пуансоне (выпуклый). Угол среза должен составлять 1–2 толщины материала по длине режущей кромки.

Заготовка из SPCC толщиной 2,0 мм с прямолинейным резом 100 мм требует усилия 69 кН. С углом среза 2 мм на матрице усилие снижается до 34,5 кН (снижение на 50%). Это позволяет использовать пресс меньшего размера, экономя капитальные затраты. Обратной стороной является слегка изогнутая поверхность детали, что приемлемо для большинства конструкционных кронштейнов, но не для точных плоских деталей.

Для последовательных штампов углы среза на пуансонах также снижают ударную нагрузку на станину пресса и увеличивают срок службы инструмента на 20%. BQUQ использует углы среза на всех пуансонах диаметром более 5 мм. Для малых пуансонов менее 3 мм углы среза не рекомендуются, так как они ослабляют поперечное сечение пуансона и вызывают продольный изгиб.

Влияние температуры и смазки на усилие

Трение между пуансоном и листовым металлом добавляет 5–15% к усилию резания. Правильная смазка снижает это трение и уменьшает пиковое усилие. В BQUQ мы используем водорастворимое штамповочное масло с вязкостью 40 сСт при 40°C. Это снижает коэффициент трения с 0,15 (сухое трение) до 0,08 (со смазкой), что напрямую уменьшает усилие примерно на 7%.

Температура материала также имеет значение. При 10°C прочность стали SPCC на срез составляет 355 МПа. При 40°C она снижается до 335 МПа, что на 6% меньше. Высокоскоростная штамповка при 300 SPM может нагреть зону штампа до 60–80°C, что снижает прочность материала на срез на 10%. Однако не полагайтесь на это снижение при выборе пресса; всегда используйте прочность на срез при комнатной температуре для обеспечения безопасности.

Для горячей штамповки борсодержащей стали (22MnB5) процесс отличается. Лист нагревается до 900°C в печи, затем штампуется и закаливается в штампе. При 900°C напряжение течения составляет всего 50 МПа, поэтому усилие штамповки на 80% ниже, чем при холодной штамповке. Но штамп должен выдерживать термические циклы, что требует инструментальной стали H13 с твердостью 48–52 HRC. Время цикла составляет 20–30 секунд, что значительно медленнее, чем при холодной штамповке.

Практические рекомендации для конструкторов штампов

Во-первых, всегда рассчитывайте усилие для наихудшего материала в вашей цепочке поставок. Если вы закупаете SPCC у трех поставщиков, используйте наибольшую прочность на срез (360 МПа) для ваших расчетов. Это предотвращает перегрузку пресса при поступлении более твердого рулона.

Во-вторых, для деталей с множеством отверстий не суммируйте все периметры напрямую. Располагайте пуансоны так, чтобы одновременно резали не более 3–4 пуансонов. Смещение длин пуансонов на 0,5 мм снижает пиковое усилие на 30%. Это стандартная практика для последовательных штампов с 10 и более пробивными пуансонами.

В-третьих, проверяйте кривую тоннажа пресса на соответствие вашей диаграмме «усилие-ход». Механический пресс, рассчитанный на 40 тонн, может выдавать только 32 тонны на высоте 30 мм над нижней мертвой точкой. Если ваша операция вырубки начинается на высоте 20 мм над НМТ, вам нужен пресс большего размера. BQUQ всегда предоставляет диаграмму «усилие-ход» при каждой проверке конструкции штампа.

В-четвертых, рассмотрите возможность использования гидравлической подушки в штампе для снижения ударной нагрузки. Это преобразует часть ударной нагрузки в контролируемое замедление, снижая пиковое усилие на 10%. Это также снижает уровень шума с 95 дБА до 85 дБА, что помогает соответствовать стандартам OSHA и китайскому стандарту GBZ 189.8.

В-пятых, для крупносерийного производства свыше 500 000 деталей в год инвестируйте в сервопресс. Сервопрессы позволяют регулировать скорость и контролировать усилие в реальном времени. Первоначальная стоимость на 30–40% выше, чем у механического пресса, но срок службы инструмента увеличивается на 25%, а потребление энергии снижается на 30%.

Советы в формате FAQ по расчету усилия

В чем разница между усилием вырубки и усилием гибки? Усилие вырубки рассчитывается с использованием прочности на срез и длины реза. Усилие гибки использует предел прочности при растяжении и формулу F = (0,7 × L × t² × TS) / W, где W — ширина раскрытия матрицы. Усилие гибки обычно составляет 20–30% от усилия вырубки для той же детали.

Как рассчитать усилие для формовочной операции? Для неглубокой формовки (глубина менее 5 толщин материала) используйте F = L × t × (0,5 × TS), где TS — предел прочности при растяжении. Для глубокой вытяжки используйте формулу F = π × d × t × TS × (D/d - 0,7), где d — диаметр пуансона, а D — диаметр заготовки.

Какова минимальная тоннажность для стального листа толщиной 5 мм? Для прямолинейного реза длиной 100 мм в стали SPCC толщиной 5 мм усилие составляет 100 × 5 × 345 = 172,5 кН. С поправочными коэффициентами (1,3 × 1,1 × 1,2) эффективное усилие составляет 296 кН. Вам потребуется пресс минимум на 30 тонн, но BQUQ рекомендует пресс на 35 тонн для обеспечения безопасности.

Можно ли использовать предел прочности при растяжении вместо прочности на срез? Нет. Использование предела прочности при растяжении завышает усилие на 25–40%, что приводит к выбору прессов завышенного размера и неоправданным капитальным затратам. Всегда используйте прочность на срез, которая составляет 60–80% от предела прочности при растяжении в зависимости от пластичности материала.

Насколько точен расчетный результат усилия? Расчет точен с точностью ±15% при условии использования правильной прочности на срез и поправочных коэффициентов. Фактические усилия можно измерить с помощью тензодатчиков на прессе, что BQUQ делает при всех испытаниях новых штампов. Мы сравниваем расчетные и фактические значения и корректируем коэффициенты K для будущих расценок.

Заключение

Расчет усилия штамповки — это простой процесс с использованием формулы F = L × t × τ, но реальное производство требует поправочных коэффициентов на износ штампа, съем детали и скорость пресса. Расчетное усилие 331 кН требует пресса на 42 тонны, а не на 35 тонн, для обеспечения надежной работы при 200 SPM. BQUQ применяет эти методы в течение 20 лет на тысячах штампов, достигая типичного срока службы штампа в 1 миллион ходов для SPCC и 500 000 ходов для нержавеющей стали. Свяжитесь с нашей инженерной командой для бесплатного расчета усилия для вашего следующего проекта штамповки. Мы предоставляем расценки в течение 12 часов с полным анализом конструкции штампа, включая диаграммы «усилие-ход» и рекомендации по выбору пресса. Напишите нам на sc@bquq.com или свяжитесь через WhatsApp по номеру +86 13713157787. Посетите www.bquq.com, чтобы узнать о наших полных производственных возможностях.

Похожие Статьи

• Точная штамповка металла: допуски, материалы и правила проектирования
• Механизмы отказов при многофизическом сопряжении в процессе штамповки и систематические стратегии предотвращения
• Интеллектуальный онлайн-контроль и контроль качества с замкнутым контуром: создание производственной линии с нулевым дефектом для штампованных деталей