Вирубка-пробивка відноситься до роздільних операцій листового штампування.
Вирубка-пробивка виконується за допомогою спеціальних штампів, робочими органами яких є пуансон і матриця (рис.3.1). Лист або смуга вкладається на матрицю 3, що має гострі робочі кромки. Пуансон 1, опускаючись з повзуном преса, натискає на лист. При цьому відбувається процес відносного зсуву металу, що закінчується руйнуванням, тобто вирубкою (пробиванням).
Рис. 3.1. Схема вирубки-пробивки
Відокремлена частина металу провалюється крізь матрицю, а відхід при ході пуансона вгору знімається з нього зйомником 2. Якщо відокремлена від листа частина металу є деталлю - операція називається вирубкою, а якщо відокремлена частина є відходом - пробивкою.
Механізм відокремлення аналогічний механізму при різанні листового металу.
Основним фактором, що впливає на якість поверхні зрізу, є зазор між матрицею і пуансоном.
При вирубці-пробивці двосторонній зазор z між матрицею і пуансоном дорівнює різниці їх відповідних поперечних розмірів
Z = Dм - Dп, (3.1)
де Dм - діаметр матриці, Dп - діаметр пуансона.
Як і при різанні листового металу, при вирубці-пробивці існує оптимальний зазор Zопт., при якому тріщини сколювання, що виникають біля гострих кромок матриці і пуансона, співпадають одна з одною в момент руйнування. В цьому випадку бокова поверхня відокремленої частини металу виходить суцільною і відносно рівною (рис. 3.2а), а стійкість інструменту - найвищою. Якщо зазор між матрицею і пуансоном більше або менше оптимального, тріщини сколювання не збігаються за напрямком (рис. 3.2б, в), внаслідок чого на бічній поверхні відокремленої частини металу утворюється виступ у вигляді хвилястого простягнутого задирка.
Рис. 3.2. Вплив зазору на характер розповсюдження тріщин сколювання
Величина двостороннього оптимального зазору при вирубці-пробивці, як і при різанні, залежить від товщини і роду металу. Оптимальний зазор визначається за таблицями, складеними за експериментальними даними, а також може бути визначена за формулою:
Zопт = 2(S0-S)tgβ, (3.2)
де S0 - вихідна товщина металу;
S - глибина заходу пуансона в метал до появи тріщини;
β - кут нахилу тріщини до осі інструменту.
Величини β і S залежать від роду матеріалу і його характеристик. Середнє значення β знаходиться в межах 4…6°, зменшуючись зі збільшенням міцності металу.
Глибина S до появи тріщин коливається від 0,1 до 0,5 від S0, зростаючи з збільшенням пластичності матеріалу заготовки (зменшенням міцності і твердості).
Таким чином, мінімальна величина зазору, що забезпечує збіг тріщин, зменшується з підвищенням пластичності металу. Отже, для м'яких металів необхідно встановлювати менші зазори, ніж для твердих. Бічна поверхня зрізу після вирубки оптимальним або трохи більшим оптимального зазором має три зони (рис. 3.3): А - зона заокруглення, В - блискучий поясок, С - зона сколювання.
Рис. 3.3. Бічна поверхня деталі після вирубки з оптимальним зазором
Технологічне зусилля вирубки-пробивки залежить в основному від опору зрізу матеріалу, його товщини, довжини відокремлюваного контуру, форми та стану робочих кромок пуансона, матриці і величини зазору між ними.
Є.О. Поповим теоретичним шляхом встановлено характер зміни зусилля вирубки-пробивки по мірі заглиблення пуансона в заготовку. При цьому ним зроблені припущення про рівномірний розподіл деформацій (а отже, і зміцнення) і сталості напрямку головних осей в процесі деформування по товщині заготовки, а також про збіг траєкторій максимальних дотичних напружень з поверхнею відколу.
Поточне значення зусилля вирубки-пробивки в даному випадку може бути представлено у вигляді
P = L(S0-S)τs, (3.3)
де L – довжина контуру;
τs = - найбільше дотичне напруження.
Якщо врахувати, що зміна напруження текучості в залежності від ступеня деформації відбувається за степеневою залежністю
, (3.4)
де - межа міцності;
- відносне звуження при розтягуванні в момент появи шийки;
- ступінь деформації;
і що в якості еквівалентної міри деформації при вирубці-пробивці можна прийняти відносну зміну площі зрізу
Ψ = , (3.5)
то формула для визначення зусилля вирубки-пробивки прийме наступний вигляд
P = L() . (3.6)
Дослідження отриманої залежності на екстремум дозволяє встановити існування максимуму зусилля при S = S0Ψш.
Тоді
Pmax = . (3.7)
З урахуванням повороту головних осей зусилля деформації буде
P = , (3.8)
де Δ - ширина зони пластичних деформацій, знаходиться в межах від 0,6 до 1,0 товщини заготовки.
Із формул (3.6) і (3.8) виходить, що максимум зусилля буде досягатися при певній глибині проникнення пуансона, а не в початковий момент деформування.
Із формули (3.8) видно, що зі зменшенням ширини зони пластичних деформацій зусилля зростає. В свою чергу ширина зони пластичних деформацій залежить від величини зазору, зменшуючись зі зменшенням останнього.
Зі зменшенням зазору зменшується величина згинаючого моменту, зменшується згин і викривлення заготовки в процесі деформування. Внаслідок цього зменшується вплив розтягуючих напружень в осередку деформації, зростає шаровий тензор стискання, зменшується зона осередку деформації і зростає концентрація нормальних напружень біля ріжучих кромок. Все це призводить до росту зусилля деформування.
Формули (3.6), (3.7) і (3.8) являються наближеними і дають занижені результати у порівняні з дійсними, що пояснюються прийнятими допущеннями при їх виведені.
Тому на практиці використовують напівемпіричний спосіб визначення максимального зусилля деформування, за яким опір зрізу встановлюють на підставі експериментальних даних як частку від ділення Рmax на площу зрізу, яка визначається як добуток периметра лінії різання на товщину заготовки:
Pmax=KLS0, (3.9)
де К = 1,1...1,3 - коефіцієнт, що враховує можливість притуплення ріжучих кромок, коливання товщини і механічних властивостей матеріалу заготовки.
Зазор суттєво впливає на знак і величину пружних деформацій, відповідно, на геометричні розміри деталі та отвору після пробивки або вирубки. При оптимальному зазорі або менше оптимального між пуансоном і матрицею можливе збільшення поперечних розмірів вирубаної заготовки і зменшення розмірів отвору , в результаті чого заготовка (або деталь) застрягає в робочому отворі матриці, а відхід охоплює пуансон.
Таким чином, при ході повзуна пресу вниз, йому необхідно подолати опір матеріалу зрізу, опір сил тертя по проштовхуванню заготовки крізь отвір в матриці і опір сил тертя, що прикладені на поверхні контакту пуансона і відходу, а при ході вгору – опір сил тертя знімання відходу з пуансона.
Наближене зусилля знімання можна визначити за формулою:
Pc = μ , (3.10)
де L - периметр деталі, що вирубується або отвору, що пробивається;
hn - висота блискучого пояска;
μ - коефіцієнт тертя.
На практиці зусилля знімання і проштовхування визначаються за формулами Pз = (0,05…0,08)Pmax та Pпр = (0,01…0,09)Pmax в залежності від товщини та роду матеріалу, форми деталі, способу розташування деталей в смузі і величини перемички.
Деталі, які отримані звичайною вирубкою – пробивкою, мають значні дефекти у вигляді конуса, обумовленого наявністю зазору між пуансоном і матрицею, значним утяганням кромок деталі, що вирубається, і значну шорсткість поверхні сколювання, і не можуть безпосередньо використовуватись для зборки. Тому виникає необхідність в додатковій обробці: фрезеруванні, протягуванні, шліфуванні і т.д. Дані види робіт характеризуються високою трудомісткістю, низьким коефіцієнтом використання металу, високими витратами ріжучого інструменту.
Збільшення вимог до якості деталей, які отримують роздільними операціями листового штампування, привели до великої різноманітності способів чистової вирубки-пробивки і зачистки.
Усі способи отримання чистої поверхні можна поділити на дві групи:
- способи чистової вирубки-пробивки;
- способи зачистки.
Одержання чистої поверхні в способах першої групи засновано на зміні напруженого стану і підвищенні пластичності металу. Способи другої групи характеризуються видаленням припуску з бічної поверхні попередньо вирубаної заготовки.