Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Пробивка отверстий — операция листовой штамповки, при которой в заготовке получают сквозное отверстие заданной формы путём отделения металла по замкнутому контуру. Отделяемый фрагмент является отходом, а лист с образованным отверстием — готовым изделием. Метод широко применяется в серийном и массовом производстве: от кузовных панелей автомобилей до корпусов приборов. Правильный расчёт усилия, зазора и минимального диаметра — основа качественного технологического процесса пробивки.
Пробивка относится к разделительным операциям листовой штамповки. Согласно ГОСТ 18970-84, она входит в группу операций разделения по замкнутому контуру — наряду с вырубкой и просечкой. Ключевое отличие от вырубки состоит в назначении: при вырубке полезной деталью служит вырубленный фрагмент, при пробивке — лист с образованным в нём отверстием; вырубленный кружок при этом уходит в отход.
Процесс реализуется на прессах с помощью штампа, в котором пуансон вдавливает металл в матрицу. Разрушение происходит по механизму сдвига: сначала возникает упругая, затем пластическая деформация, после чего зарождаются трещины от режущих кромок пуансона и матрицы и сходятся по толщине листа, завершая разделение.
Важно: пробивка — не сверление и не фрезерование. Металл не срезается, а скалывается под давлением. Поэтому форма кромки отверстия и режимы процесса принципиально отличаются от результатов механической обработки.
Процесс разворачивается в три последовательные стадии. На первой (упругой) пуансон вдавливается в лист без видимого разрушения: металл упруго изгибается и течёт в зазор. На второй (пластической) стадии под кромками образуются зоны интенсивного сдвига; металл в этих зонах наклёпывается. На третьей (скалывание) трещины, зародившиеся у кромок пуансона и матрицы, распространяются навстречу и смыкаются — происходит разрушение и отделение отхода.
На поперечном срезе пробитого отверстия различают четыре характерные зоны. Верхняя — зона скругления (затяжки): металл вблизи пуансона пластически затянут вниз, кромка имеет небольшой радиус. Ниже расположен блестящий пояс (зона чистого среза) — полированная цилиндрическая поверхность, сформированная в период пластического течения; его высота при оптимальном зазоре составляет около 25–35 % от толщины листа S. Затем следует зона скола — шероховатая коническая поверхность с вырывами, образованная при слиянии трещин. В нижней части — заусенец (грат), высота которого зависит от величины зазора и состояния режущих кромок.
Для круглого отверстия усилие пробивки рассчитывается по формуле:
P = π · d · S · τ
где: d — диаметр пробиваемого отверстия, мм; S — толщина листа, мм; τ — предел прочности материала на срез, МПа.
Для отверстий некруглой формы: P = L · S · τ, где L — периметр контура отверстия, мм.
Предел прочности на срез принимают равным τ ≈ 0,7–0,8 · σв, где σв — предел прочности на растяжение. Для конструкционных углеродистых сталей типа Ст3 и 10–20 значение σв составляет порядка 370–490 МПа, для сталей 40–45 — 570–700 МПа. Для технического алюминия АД0 σв = 70–100 МПа, для распространённых листовых алюминиевых сплавов АМц, АМг, Д16 — 150–430 МПа.
Необходимо пробить отверстие диаметром d = 20 мм в листе из стали Ст3 толщиной S = 3 мм (σв = 430 МПа, τ = 0,75 × 430 = 322 МПа):
P = 3,14 × 20 × 3 × 322 = 60 756 Н ≈ 60,8 кН
При пробивке крупных отверстий или работе на прессах ограниченной мощности на торце пуансона выполняют скос под углом 3–5°. Это позволяет снизить пиковое усилие приблизительно на 30–50 % за счёт постепенного, а не одновременного включения всего периметра в работу. При этом размеры пробиваемого отверстия определяются размером пуансона у основания скоса. Скос выполняется на пуансоне — при пробивке, и на матрице — при вырубке; путать их нельзя, так как скос на неправильном элементе приведёт к деформации детали.
Диаметр пробиваемого отверстия не может быть произвольно малым: при d < S пуансон испытывает сжимающие напряжения, превышающие допустимые, и быстро разрушается. Нормативным условием для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей в обычных штампах является:
d ≥ S — для углеродистых и конструкционных сталей (Ст3, 10, 20, 45);
d ≥ 1,5 · S — для высокопрочных легированных сталей с σв > 600 МПа (например, пружинные, инструментальные стали при пробивке в холодном состоянии).
Алюминий и его сплавы обладают меньшим сопротивлением срезу, что снижает нагрузку на пуансон. Для алюминиевых сплавов в нормальных штампах стандартная рекомендация:
d ≥ 0,8 · S — для большинства алюминиевых сплавов (АМц, АМг, Д16) в обычных штампах;
d ≥ 0,6 · S — для отожжённых мягких алюминиевых сплавов при применении специализированного инструмента с твёрдосплавными рабочими частями.
d ≥ 0,7 · S — для отожжённых латуни и меди.
Приведённые значения — минимальные пределы для обычного серийного инструмента. При специализированных дыропробивных штампах с прецизионным направлением пуансона возможна пробивка отверстий меньшего диаметра — вплоть до d = 0,5·S для стали, но это требует индивидуального расчёта прочности пуансона и специального инструментального обеспечения.
Зазор z между боковой поверхностью пуансона и стенкой матричного отверстия задаётся на одну сторону и определяет траекторию трещин скола. При оптимальном зазоре трещины от пуансона и матрицы сходятся точно: кромка получается чистой, блестящий пояс — максимальным, заусенец — минимальным.
При малом зазоре трещины расходятся, между зонами скола образуется вторичный подрез — на кромке появляется ступенька, заусенец увеличивается, стойкость штампа снижается в 1,5–2,5 раза. При большом зазоре кромка имеет значительный конический скол, затяжка возрастает, точность размеров падает.
Оптимальные значения одностороннего зазора для обычной пробивки приведены ниже. Данные соответствуют таблицам справочника по холодной штамповке (Романовский В.П., 6-е изд.):
Для высокоскоростной штамповки (быстроходные прессы) зазор увеличивают до 6–10 % от S вне зависимости от типа стали.
Лист конструкционной стали толщиной S = 4 мм, обычная пробивка. Зазор принимается в диапазоне 8–10 % (поскольку S входит в диапазон 3–10 мм). Односторонний зазор:
z = 0,08 × 4 = 0,32 мм (нижняя граница) ... z = 0,10 × 4 = 0,40 мм (верхняя граница).
По таблице Романовского (Таблица 9), двусторонний (диаметральный) зазор для S = 4 мм составляет 0,40–0,56 мм, что соответствует одностороннему зазору 0,20–0,28 мм для нижней границы диапазона и подтверждает порядок величин при S в зоне 3 мм. При выборе конкретного значения следует ориентироваться на точные таблицы справочника применительно к фактической толщине.
При расположении отверстия слишком близко к краю заготовки усилие пробивки деформирует или разрывает кромку. Нормативное минимальное расстояние от края отверстия до края листа:
При компоновке нескольких отверстий расстояние между их краями не должно быть менее:
Несоблюдение этих условий приводит к деформации перемычек, их разрыву и потере точности позиционирования отверстий. При наличии наружного фланца или конструктивного элемента вблизи отверстия следует дополнительно проверять расчётом.
Пробивка выполняется на кривошипных листоштамповочных прессах простого и двойного действия. Номинальное усилие пресса выбирают с коэффициентом запаса 1,3–1,6 относительно расчётного усилия пробивки. Координатно-пробивные прессы с ЧПУ (КПП) позволяют без смены инструмента последовательно пробивать отверстия в заданных координатах; точность позиционирования современных КПП составляет ±0,1 мм и выше в зависимости от класса машины.
Пуансоны для разделительных штампов изготавливают из инструментальных штамповых сталей. Наиболее распространённые марки по ГОСТ 5950-2000 — Х12МФ и Х12Ф1: они обеспечивают высокую износостойкость при холодной штамповке листового металла. Твёрдость рабочей части пуансона после закалки и отпуска — HRC 58–62, матрицы — HRC 60–64. Для крупносерийных и тяжёлых условий применяют твёрдосплавные вставки из сплавов типа ВК15–ВК20, увеличивающие стойкость инструмента в 5–10 раз по сравнению со стальным.
При пробивке листов толщиной более 6 мм, а также высокопрочных и нержавеющих сталей рекомендуется применение технологических смазок — эмульсий или минеральных масел. Смазка снижает трение на боковой поверхности пуансона, уменьшает усилие съёма заготовки и увеличивает стойкость инструмента; эффект зависит от типа смазки и условий эксплуатации.
Пробивка отверстий — точная разделительная операция листовой штамповки, качество которой определяется тремя ключевыми параметрами. Первый — усилие по формуле P = π · d · S · τ, которое служит основой для выбора пресса. Второй — односторонний зазор между пуансоном и матрицей: 5–8 % от S для конструкционной стали толщиной до 3 мм, 8–10 % при S = 3–10 мм, 2–6 % для алюминиевых сплавов в зависимости от толщины. Третий — минимальный диаметр: d ≥ S для стали, d ≥ 0,8·S для алюминия в обычных штампах. Соблюдение нормативных расстояний до кромки (не менее S) и между отверстиями (не менее S для стали) предотвращает деформацию перемычек. Качество среза — ширина блестящего пояса и высота заусенца — служит надёжным индикатором правильности подобранного зазора и состояния режущего инструмента.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.