3.1.2 Расчет рабочих элементов штампа на прочность

Рабочие детали штампов (пуансоны и матрицы) работают обычно в условиях ударной нагрузки, при высоких давлениях, при повышенном нагреве (особенно при скоростной штамповке), часто они имеют сложную форму, которую необходимо сохранить при термической обработке.

Исходя из этого, штампованные детали должны обладать высокой твёрдостью, износостойкостью, высокой прочностью (чтобы не разрушались при высоких давлениях), достаточной вязкостью (при работе с динамическими нагрузками), достаточной теплостойкостью (способность сохранить указанные свойства при нагреве, возникающем в поверхностном слое инструмента при шлифовании и скоростной деформации) и способностью в минимальной степени изменять свою форму и размеры при термической обработке.

В зависимости от условий работы выбираются штамповые материалы с тем или иным комплексом свойств. Характеристики основных материалов, применяемых для рабочих и вспомогательных устройств:

Углеродистые стали - обладают низкой прокаливаемостью, повышенным внутренним напряжением вследствие резкого охлаждения при закалке, повышенной чувствительностью к перегреву, что снижает прочность стали, узким интервалом отжига. Одновременно, стали обладают хорошей обрабатываемостью в отожженном состоянии, высокой поверхностной твёрдостью и износостойкостью после закалки.

Таблица 3.1 – Материалы, применяемые для изготовления пуансонов и матриц

Детали штампов	Марки сталей и материалов
	Рекомендуемые	Допускаемые заменители
Пуансоны и матрицы вырубные и пробивные:
простой формы	У10, У10А, Х12Ф1	5ХВ2С, ШХ15, Х12М
сложной формы (при высокой нагрузке)	Х12ВМ, Х6ВФ, Р6М5, ВК20	7ХГ2ВФМ, Р12
Пуансоны и матрицы для чистовой вырубки-пробивки:
простой формы	Х12Ф1, Х6ВФ	7ХГ2ВФМ, Р6М5
сложной формы	Х12ВМ, Р6М5	Р12
Пуансоны и матрицы гибочные	У10А, Х6ВФ	У10, Х12Ф, ШХ15
Пуансоны и матрицы вытяжные и формовочные	У10А, Х12, ВК8, модифицированный чугун МСЧ 32-52	Х12Ф1, Х6ВФ, специальный легированный чугун
Пуансоны и матрицы для холодного выдавливания алюминия и меди	Х12М, Р6М5	Х12Ф1, 7ХГ2ВФМ, Р12

Тонкие детали, работающие на удар, от которых не требуется высокой твёрдости - это упоры, ловители, фиксаторы, ползушки, клинья изготавливают из сталей У7, У7А, У8[7].

Общие детали штампов - втулки, колонки, призмы, направляющие и другие детали, подвергаемые цементации и последующей закалке до твёрдости HRC 58-62, изготавливают из стали 20. Ограждения и другие неответственные детали изготавливают из сталей марок Ст.2, Ст.3. Ограничители закрытой высоты, съёмники при лёгких работах, пуансонодержатели, хвостовики, прижимы, направляющие планки и другие детали делают из сталей 35, 40, 45. Для пружин применяют стали 65Г, 60С2 термообработанные до твёрдости HRC_Э 50-57. Литые плиты штампов изготавливают из чугунов СЧ 21-40 или сталей 30Л, 40Л.

При штамповке деталей простой формы рабочие детали штампа изготавливают из инструментальной стали марок У8А и У10А. При штамповке деталей сложной формы в массовом производстве, а также в тех случаях, когда рабочие части штампа испытывают большие напряжения во время работы, следует применять легированные стали 9ХС, ХВГ, Х12М и Х12Ф1; твёрдость после закалки HRC_Э 58-62. Рабочие детали штампов рекомендуется азотировать.

В таблице 3.2 приведены марки материалов, применяемые для изготовления пуансонов и матриц [7]. В таблице 3.2 даны марки сталей для изготовления других деталей штампов [7].

Таблица 3.2 – Марки материалов и сталей, применяемые для изготовления различных деталей штампов

Детали штампов	Марки материала
	Основная	Заменители
Плиты штампов остальные	Стали 40, 50	Ст5
Хвостовики	Стали 35, 40	Ст4 и Ст5
Колонки направляющие	Сталь 20, 45, 50	Ст2
Втулки направляющие	Сталь 20, 45, 50	Ст2
Втулки для шариковых направляющих	ШХ15	-
Пуансонодержатели	Стали 35, 45	Ст3
Подкладки под пуансон	Стали 45	Ст5
Съемники	Ст3	Стали 25
Прижимы, направляющие планки, выталкиватели	Стали 40, 45	Ст5
Упоры	Стали 45	-
Ловители	У8А	У7А
Штифты	У8	Ст6
Винты	Стали 45	-
Пружины	Стали 65Г, 60С2	Стальная проволока 11-го класса

Матрица и пуансон определяют работоспособность, надёжность и долговечность штампа.

Пуансоны следует проверять на смятие опорной поверхностью головки пуансона поверхности плиты и на сжатие и продольный изгиб самого пуансона в наименьшем сечении. Напряжение смятия поверхности головки рассчитываем по формуле:

, (22)

где Р - технологическое усилие, воспринимаемое пуансоном, Н;

F - площадь поверхности его головки, мм²;

[_СМ]=300-400 МПа, если [_СМ]>100 МПа, то пуансон следует упирать головкой в стальную закалённую подкладную плиту.

Проверяем вырубной пуансон некруглого сечения - P = 21638 Н

Площадь поверхности его головки F_ГОЛ=201,47 мм²

МПа

Форма матрицы определяется формой и размерами штампуемой детали. Размеры прямоугольной матрицы определяют (ориентировочно) исходя из размеров ее рабочей зоны [2]. При размерах рабочей зоны а_р=70 мм, b_р=22 мм наименьшие габаритные размеры прямоугольной матрицы А_Г=125 мм, В_Г=63 мм.

Толщину матрицы определяем из следующей эмпирической зависимости:

,

где К_М – коэффициент. При временном сопротивлении штампуемого материала МПа К_М=1,0.

мм.

Проверяем достаточность толщины матрицы, мм:

, (23)

где Р – требуемое технологическое усилие штамповки, кН.

мм.

Принимаем большее значение толщины из ряда стандартных толщин: Н_М=20 мм.

Определяем площадь опасного сечения матрицы.

F=20(22-6)=320мм²

Проверяем матрицу на разрыв в опасном сечении:

, (24)

где – допускаемое напряжение на разрыв. Для сталей У8А, У10А в закалённом состоянии составляет []=250МПа;

Р – технологическое усилие.

МПа ,

следовательно, матрица выдержит напряжения на разрыв в опасном сечении.

Расчет матрицы на прочность по допускаемым нагрузкам на сжатие выполняется по следующей формуле:

= , (25)

где –допустимое напряжение сжатия, МПа.

Для стали У10А = 1600 МПа, тогда:

= ;