Применение полиуретана в штампах. (УДК 621.983.07)

А.Д. Комаров, Е.М. Татке.

Данная статья была опубликована в №3 1969г. журнала «Кузнечно-штамповочное производство». В связи с моральным устареванием материала, часть статьи исключена.

За рубежом (в США, Англии, Германии, Японии и др.) в последнее время вместо резины для изготовления рабочих деталей штампов успешно используется полиуретан. Полиуретан обладает высоким сопротивлением разрыву, высокой износоустойчивостью и способностью выдерживать большое давление наряду с большой эластичностью, маслостойкостью и теплостойкостью. Полиуретаны имеют следующие физико-химические свойства: твердость по Шору А 65-98, сопротивление разрыву 270-350 кг/см² (27-35 МПа) удлинение при разрыве 230-700%, ударная вязкость 14-120 кгсм/см². Стойкость против старения у полиуретановых эластомеров в несколько сотен раз выше, чем у натурального и синтетического каучуков.

После вулканизации полиуретан можно подвергать механической обработке различными способами. В табл. 1. приведены основные правила механической обработки различного полиуретана. При всех видах обработки полиуретана требуется обильное охлаждение эмульсией, чтобы не было перегрева.

Схемы штампов с рабочими элементами из литых полиуретанов и основные геометрические параметра штампуемых изделий показаны на рис.1.

На рис.1, а приведена схема формовки полиуретановой подушкой. Твердость полиуретана для этой схемы рекомендуется по Шору А 65-75. Фирма Northrop применяет гидравлические подушки на полиуретановых прессах при давлении 492 кг/см² для формообразования деталей из нержавеющих сталей, титана и других высокопрочных материалов. Наибольший размер подушки отлитой из полиуретана 102*1210*3600мм. Наибольшие размеры штампуемых деталей 100*1220*3660мм. Подушки изготовляют двух типов: однослойные, для которых применяют полиуретан одной твердости, и двухслойные, у которых наружный слой изготовлен из более твердого полиуретана, а внутренний из – мягкого. Деталь получается высокого качества, без складок и с повышенной точностью. Схема штампа для раздачи трубчатых заготовок показана на рис. 1, б. Твердость полиуретанового пуансона по Шору, А 65-75.

На рис. 1, в показана схема вырубки или пробивки отверстий полиуретановым пуансоном. Полиуретан для пробивки отверстий рекомендуется более твердый – по Шору А 75 – 80. Полиуретановым пуансоном можно пробивать отверстия различных размеров, разной формы, а также можно осуществлять групповую пробивку отверстий за один ход пресса. С появлением полиуретана стала возможна гибка стальных заготовок толщиной до 5 мм при пределе прочности материала заготовки 40 кг/см² (рис. 1. г). Полиуретановая матрица в этом случае рекомендуется твердостью по Шору А 90 – 95. В гибочных штампах с полиуретановыми матрицами можно использовать один и тот же матричный блок для нескольких операций гибки. Полиуретановые матрицы не повреждают поверхности штампуемой детали и поэтому пригодны для штамповки деталей из полированных листов, а также заготовок с защитно-декоративными покрытиями.

На рис. 1. д показана схема вырубного штампа со съёмником прижимом, снабженным полиуретановыми пружинам. Там же показана полиуретановая пружина и построена диаграмма путь – усилие.

Твердость полиуретанового элемента по Шору А 90 – 95. Упругий полиуретановый элемент при тех же геометрических размерах допускает усилия в 5 раз больше чем резиновый. Полиуретановая пружина при одном и том же усилии значительно меньше резиновой, что способствует уменьшению габаритных размеров штампа.

Применение полиуретановых эластомеров позволило создать вырубные штампы для листовой стали толщиной до 12 мм. В штампе ленточно – ножевая матрица по внутреннему контуру, а пуансон обычонй конструкции по наружнему контуру окружены полиуретановыми блоками – полосами, служащими при вырубке выталкивателями и прижимами. Полиуретановые пружины имеют больший срок службы, многократно превосходящий требования по нормали (250 000 циклов). Маслостойкость полиуретана позволяет применять минеральное масло для смазки направляющего стержня полиуретановой пружины.

Рис. 2.

Перспективным является применение эластичных матриц из полиуретана для листогибочных прессов. На листогибочных прессах можно получать детали различной формы, некоторые из которых показаны на рис.2. Для каждого случая гибки из деталей, показанных на рис. 2, металлическую матрицу можно заменить эластичной. Одна матрица может служить для гибки деталей различной формы. Конструкция матрицы из эластомера должна обеспечивать равномерность давления по площади контакта. Опытным путем установлено, что наибольший срок матрицы из полиуретана имеет место при степени деформации 30 %.

Рис. 3.

На рис. 3, а показана конструкция эластичной матрицы, позволяющая значительно снизить напряжения в эластомере. Недостатком такой матрицы является то, что её можно использовать для изготовления только одной детали соответствующей формы. Некоторые конструкции предусматривают зазор между стенками обоймы и блоком эластомера. (рис. 3. б), но в этом случае может быть превзойдена степень деформации 30%, что приведет к ускоренному разрушению матрицы. Конструкция, показанная на рис. 3, в, обладает тем же недостатком , что и конструкция на рис. 3, а. Применение матрицы с пазом (рис. 3, г) значительно снижает напряжения в эластомере. Однако такая матрица также вызывает необходимость использовать пуансон только одной формы или близкой к ней. Кроме того, срок службы, такой матрицы значительно сокращается. Наиболее неперспективной является конструкция матрицы со свободной полостью (рис. 3, д).

Наличие свободной полости вызывает необходимость применения эластомера с высоким модулем упругости. В этом случае матрица может служить для гибки деталей различной формы. Ширина блока такой матрицы должна быть в 4 раза больше ширины зоны контакта с пуансоном. Можно применять также матрицу с отверстием по её длине (рис. 3, е). Длина матрицы должна соответствовать длине пуансона. Блок полиуретана надо ограничивать обоймой не только по ширине, но и по длине. При отсутствии длинных блоков полиуретана, можно применять короткие блоки, плотно укладывая их в обойму матрицы. Следует подчеркнуть, что если блок полиуретановой матрицы будет длиннее пуансона, то в месте обрыва линии контакта пуансона и матричного блока возникнут значительные напряжения сдвига, приводящие к быстрому разрушению полиуретана. Поэтому иногда рекомендуется выполнять пуансон длиной несколько превышающей соответствующий размер полиуретанового матричного блока.

На рис. 4 приведены размеры наиболее перспективного матричного блока и матричного контейнера в зависимости от глубины внедрения гибочного пуансона. Верхняя кромка полиуретанового блока должна располагаться заподлицо с обоймой.

Для гибки деталей с большим радиусом кривизны и ребрами жесткости следует применять штамп, показанный на рис. 5. При гибке деталей такого типа необходимо под блок эластомера подкладывать стальную, балинтовую или цементную прокладку, примерно соответствующую форме детали. В качестве прокладок можно использовать набор цилиндрических прутков различного диаметра. Прутки подкладываемые под блок матрицы, позволяют значительно увеличить глубину внедрения пуансона, что, в свою очередь, даёт возможность изготовлять детали сложной формы (с уступами, ребрами жесткости, подсечками и др.) Штампы такой конструкции имеют больший срок службы, значительно дешевле обычных и позволяют получить детали высокого качества.

Матрицы, изготовленные из эластомера, можно применять для гибки U – и V – образных деталей. Применяя инструмент, показанный на рис. 6, можно штамповать широкую гамму деталей, используя различные по размеру боковые прокладки и прутки, подкладываемые под блок матрицы в соответствующих местах. В таком штампе можно гнуть U – образные детали на угол даже несколько больший 90°. Так как эластичная матрица никогда не работает в упор, как это происходит в жестких металлических штампах, то и не возникает и искажений деталей по этой причине. …..

Практические исследования проводились с листовыми материалами ВТ1-2, ОТ-4 (титан); Сталь 20, ЭИ654, 1Х18Н9Т; и алюминий: Д16АМ, Д16АТ, АМцМ, АМг3М, АМг6М толщиной до 3 мм. ( К сожалению информация в данной статье морально устарела и по этой причине не приводится.)

Для изучения возможности процесса пробивки отверстий малого диаметра с одновременной вырезкой детали по контуру при помощи полиуретановой подушки был изготовлен толстостенный контейнер с внутренним диаметром 60 мм. При работе на гидравлическом прессе усилием 200тн в этом контейнере создавалось давление до 7000 кг на см². Исследование процесса вырубки проводилось на детали из бронзы Бр. ОФ 6,5 по ГОСТу 1761-50 с пределом прочности 55 кг/мм². Заготовки вырезались из ленты толщиной 0,3 мм: Деталь сложного контура с двумя отверстиями 2,3 мм и одним отверстием диаметром 1,3 мм изготовлялась на заводе в сложном и трудоёмком инструментальном штампе, который часто выходил из строя из-за поломки пуансонов и других деталей. В контейнере при помощи полиуретановой подушки и вырезного стального пуансона толщиной 2 мм при давлении 5200 кг/см², происходила полная вырезка детали по контуру и пробивка всех отверстий. Детали получались хорошего качества и без заусенцев. Величину необходимого давления можно рассчитать по формуле: [ q = 400 * s * σ_b / d ] , где s – толщина материала заготовки в мм; σ_b – предел прочности материала в кг/мм²; d – диаметр наименьшего отверстия в мм. Требуемое усилие пресса можно определить по формуле: [ P = π * D² * q / 400 ], где D – внутренний диаметр контейнера (диаметр полиуретановой подушки) в мм. (В случае отсутствия диаметра у подушки перекладываем π * D² на площадь J ).

Для внедрения процесса таких и подобных деталей на заводе был спроектирован и изготовлен контейнер с полиуретановой подушкой, позволяющей получать давления до 10 000 кг/см². При таком давлении изготовлены детали из такой же бронзы с отверстиями диаметром до 1мм.

….

Проведенные эксперименты наглядно показывают перспективность применения штампового инструмента оснащенного полиуретаном.

Далее, планируется выборочная публикация:

В.А. Ходырев «Применение полиуретана в листоштамповочном производстве» : В книге рассмотрены особенности применения штампов с матрицами (пуансонами) из полиуретана в листоштамповочном производстве. ….. Приведены расчеты усилий и припусков, классификация деталей, …. Примеры расчетов …. Книга предназначена для ИТР, конструкторов, технологов листоштамповочного производства. ( Т-Э показатели применения штамповой оснастки с пуансоном (матрицей) из полиуретана).