Precyzyjne matryce metalowe – Poznaj cały proces projektowania na raz

Współczesna produkcja opiera się na precyzyjnych matrycach tłocznych, które są niepoznanymi bohaterami. Przekształcają proste blachy metalowe w złożone elementy produkowane seryjnie, obecne wszędzie wokół nas – w elektronice i urządzeniach gospodarstwa domowego, przemyśle motoryzacyjnym i medycznym. Projektowanie matrycy zdolnej do powtarzalnej dokładności rzędu kilku mikronów to jednak wieloetapowy proces inżynierski. W tym artykule wyjaśnimy cały proces projektowania w jednym przeglądzie.

1. Analiza produktu i ocena wykonalności: Kluczowy punkt wyjścia

Podróż nie zaczyna się od matrycy, ale od detalu. Rysunek komponentu jest przedmiotem szczegółowej analizy przez inżynierów:
Geometria: Ocena złożoności, wymiarów krytycznych, tolerancji oraz potencjalnych problemów z kształtowaniem (głębokie tłoczenie, ostre gięcia)
Materiał: Siły narzędziowe i zużycie są wskaźnikami właściwości (wytrzymałość, kruchość, grubość, kierunek ziarna) materiału.
Objętość: Oczekiwane objętości produkcji wpływają na wybór materiału konstrukcyjnego matrycy (standardowa czy hartowana stal narzędziowa).
Wykonalność: Czy tłoczenie części jest wykonalne? Czy tolerancje są zachowane? Na tym etapie wcześnie wskazuje się możliwe problemy.

2. Układ paska i planowanie procesu: Kreślenie ścieżki

Jaki będzie mechanizm przemieszczania się części w matrycy? Ten krok określa kolejność operacji:
Układ paska: Rozmieszczenie optymalnego układu części na taśmie metalowej w celu minimalizacji odpadów (scrap) oraz zapewnienia płynnego doprowadzania. Jest to realizowane poprzez otwory prowadzące, mostki nośne i dokładne rozmieszczenie.
Kolejność operacji: Kolejność wykonywania czynności: przebijanie (otwory), wycinanie zarysu zewnętrznego, gięcie, kształtowanie, wykrawanie, kalibrowanie itp. Każda operacja w matrycy odpowiada jednej stacji maszyny.
Liczba stanowisk: kompromis między złożonością, liczbą części a kosztem/wielkością matrycy. Matryce progresywne wykonują wiele operacji szeregowo podczas przesuwania paska.

3. Projekt struktury matrycy: Budowa konstrukcji nośnej

Proces jest mapowany, a po jego zakończeniu inżynierowie projektują fizyczną strukturę matrycy:
Zestawy matryc: wybór standardowych lub niestandardowych górnych (wykrojniki) i dolnych (matryc) zestawów, z idealnym dopasowaniem prowadnic/wpustów.
Projekt płyt i trzewików: sposób zaprojektowania płyt, na których będą montowane komponenty, oraz zapewnienie ich odporności na duże obciążenia bez uginania się.
Układ komponentów: wykrojniki, matryce, sprężyny, podnośniki, czujniki i prowadnice muszą znajdować się we właściwych pozycjach w strukturze, aby działać skutecznie i były łatwo dostępne.

4. Szczegółowy projekt komponentów: precyzja inżynierska

Tutaj, na poziomie mikroskopijnej dokładności:
Projekt wykroju i matrycy: Doskonalenie konkretnych, odpowiednich geometrii cięcia krawędzi, kształtowania, w tym niezbędnego luzu (około 5–15 procent grubości materiału z każdej strony krawędzi cięcia), promieni oraz wykończenia powierzchni. Pęknięcia unika się poprzez obliczenie wytrzymałości.
Przygotowanie narzędzi: Przygotowanie wykrojów, matryc, podkładów i wkładek do gięcia oraz bardziej złożonych kształtów, gdzie należy uwzględnić odbicie sprężyste (tendencję materiału do lekkiego wygięcia się po procesie gięcia).
Wybór sprężyn i podnośników: Dobór odpowiednich sprężyn (śrubowych, azotowych) zapewniających nacisk wytrząsacza, wyrzut części i powrót mechanizmów krzywkowych, aby odpad był skutecznie uwolniony.
Wkośniki i śruby: Dobór rozmiarów i rozmieszczenie, określające, gdzie elementy powinny być przymocowane oraz jak mają względem siebie położenie w sposób bezpieczny.

5. Symulacja i weryfikacja: Testowanie przed rozpoczęciem obróbki stali

Nowoczesny projekt wykorzystuje możliwości oprogramowania komputerowego do przewidywania i zapobiegania problemom:
Symulacja kształtowania (MES): Odtwarzanie przepływu metalu podczas procesów kształtowania/wytłaczania w celu określenia możliwego rozerwania, marszczenia lub cieniowania. Umożliwia optymalizację geometrii przed rozpoczęciem produkcji narzędzi.
Analiza naprężeń: Polega na potwierdzeniu, że poszczególne części matrycy wytrzymają oczekiwane siły tłoczenia bez pęknięcia lub nadmiernego ugięcia.
Weryfikacja ścieżki: Sprawdzenie, czy nie występuje kolizja między tłokiem a matrycą na całej długości suwu prasy.

6. Produkcja i montaż: Wcielenie projektu w życie

Projekty są realizowane jako elementy ze stali hartowanej przy użyciu precyzyjnej obróbki skrawaniem (frezowanie CNC, szlifowanie i drutowe EDM). Doświadczeni wykonawcy matryc starannie dopasowują, montują i regulują swoje dzieło z doskonałością i precyzją.

7. Próba i dokładne dostrojenie: Prawdziwy test ma miejsce podczas tłoczenia

Gotowa matryca jest następnie poddawana poważnemu testowi na prasie tłocznej:
Próbne wyróbki: Pierwsze sztuki są dokładnie mierzone zgodnie z rysunkiem.
Rozwiązywanie problemów: Reagowanie na problemy, takie jak odchylenia wymiarowe, zadziory, problemy z wyrzutem części lub znaczniki narzędzi.
Dokładne dostrojenie: Precyzyjna regulacja tłoczków, matryc, sprężyn lub podajników, aby zapewnić wysoką jakość każdej istotnej części.