Temat: Budowa i działanie wykrojnika

Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i działaniem wykrojników.

Wprowadzenie

Wykrojnik - stosowane w poligrafii, w masowej produkcji, narzędzie do wycinania określonego kształtu z arkusza zazwyczaj zadrukowanego - płaszczyzna z trwale umocowanymi ostrzami jest przyciskana do zadrukowanego papieru i jednym uderzeniem wycina z arkusza cały złożony wzór np. siatkę pudełka. Często listwom tnącym (noże tnące, noże sztancujące) towarzyszą listwy bigujące (bigi), a czasami listwy perforujące (noże perforujące). Zatem wykrojnik oprócz zasadniczej funkcji wycinania (sztancowania) może również przygniatać (bigować) lub perforować. Klasyczne wykrojniki wykonuje się, umieszczając w desce (zazwyczaj sklejce) z rowkami odcinki listew sztancujących, bigujących, perforujących. Wykrojniki dodatkowo zaopatrzone są w listwy gumowe, które wystają ponad powierzchnię noży sztancujących czy perforujących i umieszczane są po obu ich stronach. Gumy te są ściśliwe, a ich rolą jest wypchnięcie wykrawanego materiału z wnętrza wykrojnika. Do bigowania zazwyczaj stosowane są listwy dwupunktowe, tj. o grubości 0,7 mm. Do przygniatania tektur o wyższej gramaturze stosuje się bigi trzypunktowe, tj. o grubości listwy 1,05 mm. Do wykrawania etykiet, w których trzeba wycinać linie po krzywiznach często stosuje się precyzyjniejsze i trwalsze (ale też i kosztowniejsze) metalowe wykrojniki kowalskie. Wymienione wykrojniki należą do wykrojników płaskich. Stosuje się też wykrojniki rotacyjne. Wykrojniki płaskie poruszają się w kierunu: góra-dół, wykrojniki rotacyjne pracują obracając się na cylindrze maszyny sztancującej. Wykrojnik rotacyjny może być w postaci blachy z umieszczonymi nożami tnącymi i listwami bigującymi. Taki wykrojnik jest mocowany do cylindra magnetycznego.

Wykrojnik płaski: A-listwy bigujące, B-nóż sztancujący (lub perforujący), D-sklejka, E-listwy gumowe

Projekt pudełka: linie koloru czerwonego to linie do sztancowania, linie koloru niebieskiego to linie do bigowania

Informacja merytoryczna

 

Wykrawanie

 

Wykrawanie jest sposobem cięcia blachy (najczęściej w postaci pasów lub taśm), realizowanym za pomocą specjalnych przyrządów - wykrojników, zwykle na prasach mechanicznych (mimośrodowych i korbowych). Rozdzielenie materiału następuje poprzez działanie krawędzi tnących stempla i płyty tnącej w wyniku celowo wywołanego procesu dekohezji (pękania) wzdłuż pewnej linii (zamkniętej lub otwartej), zwanej linią cięcia. 

  Podstawowym parametrem wpływającym na przebieg procesu wykrawania jest luz względny:

 

                                                                              

Luz względny podaje się także w procentach grubości materiału wykrawanego. Odległość kra-wędzi tnących stempla i płyty tnącej

s nazywamy szczeliną. Podwojona wartość szczeliny 2s = l (różnica wymiarów płyty tnącej d_m i stempla d_s) nazywa się luzem bezwzględnym.

 

Stan naprężenia przy wykrawaniu można określić jako ścinanie ze zginaniem, (gdy L > 0), przy czym udział zginania jest tym większy, im większy jest luz. Przykładowy przebieg procesu ilustruje rys. VIII/2. Pod działaniem stempla (1) krawędzie tnące zagłębiają się w materiale wywołując odkształcenia plastyczne. Po wyczerpaniu zdolności materiału do odkształceń plastycznych następuje dekohezja. Utrata spójności zachodzi prędzej (przy mniejszych od-kształceniach i sile), jeżeli  udział zginania jest znaczny, (czyli przy większym luzie). Pęknięcia rozwijają się najpierw od strony krawędzi płyty tnącej, gdzie występują naprężenia rozciągające, wywołane momentem zginającym (poniżej warstwy obojętnej), a w dalszym ciągu również od strony krawędzi tnącej stempla. Pęknięcia te dla pewnego przedziału wartości luzu łączą się ze sobą, tworząc powierzchnię pękania, a powierzchnia rozdzielenia składa się z 2 części (rys. VIII/3 a):

• strefy cięcia (o grubości g_c), powstałej wskutek odkształceń plastycznych,

• strefy pękania (o grubości g_p), utworzonej w wyniku dekohezji.

Rys. VIII/2. Przebieg procesu wykrawania przy luzie zbliżonym do optymalnego: 1 - stempel, 2 - płyta tnąca, 3 - element wykrawany, 4 - pozostała część materiału wykrawanego (odpad)

Rys. VIII/3. Wygląd powierzchni przecięcia po wykrawaniu: a) przy luzie zbliżonym do optymalnego, b) przy luzie zmniejszonym

 

Opisany przypadek ma miejsce, gdy luz L ≥ L_o, gdzie L_o jest luzem optymalnym (równym kilka do kilkunastu % g, w zależności od rodzaju i grubości materiału). Przy zastosowaniu tzw. luzów zmniejszonych (L_zm << L_o) pęknięcia od strony płyty tnącej i stempla nie łączą się ze sobą, gdyż pęknięcie od strony krawędzi płyty tnącej zatrzymuje się w strefie naprężeń ściskających pochodzących od zginania (powyżej warstwy obojętnej). Wtedy ostateczne oddzielenie elementu wykrawanego odbywa się ponownie wskutek odkształcenia plastycznego.         W efekcie powierzchnia rozdzielenia będzie składać się z 3 części (rys. VIII/3 b):

• strefy cięcia,

• strefy pękania,

• strefy cięcia wtórnego (o grubości g_cw).

Wyjątkowo przy luzach zmniejszonych i dużych grubościach wykrawanych materiałów może pojawić się więcej stref cięcia wtórnego, oddzielonych strefami pękania. Strefy cięcia i cięcia wtórnego charakteryzują się gładką i błyszczącą powierzchnią o kierunkowej strukturze chropowatości powierzchni. Strefy pękania są matowe, pozbawione kierunkowej struktury chropowatości. Łączny udział gładkich stref cięcia w całej powierzchni rozdzielenia charakteryzuje współczynnik:

 

                                                                        (VIII.2)

 

gdzie sumuje się grubości stref cięcia wtórnego, gdy jest ich więcej niż jedna. Współczynnik ten można również wyrażać w procentach. Wartość  maleje ze wzrostem luzu.

 

         W większości przypadków stan powierzchni rozdzielenia (powierzchni bocznej) wyrobów wykrawanych jest nieistotny z punktu widzenia ich jakości użytkowej (obróbka wykańczająca sprowadza się do stępienia krawędzi przez bębnowanie). W związku z tym w procesie wykrawania nie dąży się do uzyskania dużych wartości współczynnika , jest raczej przeciwnie. Duża wartość  oznacza bowiem duże odkształcenia plastyczne poprzedzające proces dekohezji (i ewentualnie występujące po nim), a tym samym duże siły wykrawania, czyli obniżoną trwałość stempli i płyt tnących. Uzyskanie wysokiej trwałości narzędzi jest możliwe przy zastosowaniu luzów optymalnych, przy których dekohezja następuje już przy niewielkich od-kształceniach plastycznych i tworzy się tylko jedna strefa cięcia (pierwotnego). Zwiększanie luzu ponad wartości optymalne, mimo iż pozwala na dalsze zmniejszenie sił wykrawania nie jest wskazane, gdyż powoduje wyginanie wyrobów. Można zatem stwierdzić, że kryterium optymalizacji luzów przy wykrawaniu stanowi minimalna siła wykrawania (maksymalna trwałość narzędzi), przy czym warunkiem ograniczającym jest wymagana płaskość wyrobu. Luz    w nowych wykrojnikach (luz normalny L_n - tabl. VIII/2) przyjmuje się w dolnej granicy luzów optymalnych lub nieco mniejszy. Dzięki temu duża liczba przedmiotów jest wykrawana w warunkach zbliżonych do optymalnych (w trakcie pracy wykrojnika luz stopniowo się po-większa).

 

Tabl. VIII/2. Wartości luzu normalnego L_n w % grubości materiału wykrawanego [10]

 

Grubość g [mm]	do 1	1 - 2	2 - 3	3 - 5	5 - 7
Ln [%]	5 - 7	6 - 8	7 - 9	8 - 10	9 - 11
Mniejsze wartości luzów przyjmuje się dla materiałów miękkich i plastycznych, większe - dla twardych i kruchych

 

Stępienie krawędzi tnących powoduje powstawanie zadzioru na górnej krawędzi wyrobu (od strony stempla). Wysokość zadzioru stanowi kryterium technologiczne zużycia. Ostrzenie stempli i płyt tnących polega na szlifowaniu ich powierzchni czołowych aż do uzyskania ostrych krawędzi tnących.

 

         Siłę wykrawania można obliczyć w przybliżeniu ze wzoru:

 

 
                                                                          (VIII.3)

 

gdzie: S = gl - powierzchnia ścinana, g, R_t - odpowiednio: grubość i wytrzymałość na ścina-nie materiału wykrawanego, l - suma długości linii cięcia, k - współczynnik zależny od luzu (k = 1,1 - 1,3), R_t = 0,8 R_m (R_m - wytrzymałość na rozciąganie).

 

         Siła P_z potrzebna do zepchnięcia materiału ze stempli wynosi od ok. 0,02 P_w (przy cienkich blachach i jednym stemplu) do ok. 0,2 P_w (przy grubych blachach i wielu stemplach). Siłę przepchnięcia P_p wykrojonego wyrobu przez płytę tnącą można oszacować ze wzoru:

 

                                                                                         

gdzie a jest wysokością walcowej części otworu płyty tnącej (rys. VIII/1). Współczynnik k_p jest równy ok. 0,05 - 0,1 przy przepychaniu wyrobu w kierunku ruchu stempla, albo 0,07 - 0,15 przy przepychaniu przeciwnie do kierunku ruchu stempla (np. za pomocą wyrzutnika).

         Pracę wykrawania określa wzór:

 

                                                                       (VIII.5)

 

gdzie: P(s) - zależność siły od drogi stempla, S - skok suwaka prasy, d - głębokość wnikania stempla w otwór płyty tnącej. Współczynnik wypełnienia wykresu dla siły wykrawania:
  jest rzędu 0,45 - 0,65

Konstrukcja wykrojników

  Tłoczniki do wykrawania noszą nazwę wykrojników. Warunkiem poprawnej pracy wykrojnika jest utrzymanie jednakowej szczeliny wzdłuż całej linii cięcia. Wymaga to odpowiedniego wykonania, ustawienia i prowadzenia względem siebie stempla i płyty tnącej. Tylko najprostsze wykrojniki nie mają własnego prowadzenia (stemple i płyty tnące są  mocowane odpowiednio do suwaka i stołu prasy - prowadzenie zapewniają prowadnice maszyny). Rysunki VIII/5 - VIII/7 przedstawiają rozwiązania konstrukcyjne wykrojników różniących się sposobem prowadzenia stempli. Przy okazji pokazano szereg elementów składowych wykrojników. Wykrojniki do produkcji złożonych elementów o kilku liniach cięcia można podzielić na jednoczesne i wielotaktowe. Wykrojnik jednoczesny (rys. VIII/8) dzięki swej konstrukcji uniezależnia dokładność wzajemnego położenia poszczególnych linii cięcia od dokładności podawania pasa lub taśmy. Inaczej jest w przypadku wykrojnika wielotaktowego (rys. VIII/9), gdzie pas lub taśma musi zatrzymywać się po przesunięciu o określony skok. Dokładność usta-lenia wzajemnego położenia poszczególnych linii cięcia można zwiększyć stosując pilot (4) umieszczony na powierzchni czołowej stempla (3) wykrawającego zarys zewnętrzny (pilot wchodzi w otwór wykonany stemplem (5)). Wykrojniki jednoczesne i wielotaktowe mogą pracować ze zbliżoną wydajnością przy jednorzędowym rozmieszczeniu wykrojów w taśmie lub pasie, zwykle jednak wyższe wydajności osiąga się przy zastosowaniu wykrojników wielo-taktowych. Jest to związane z czasem potrzebnym na usuwanie wyrobów i odpadów z przestrzeni roboczej wykrojników jednoczesnych za pomocą dodatkowych urządzeń mechanicznych lub sprężonego powietrza, po zadziałaniu spychaczy i wyrzutników. Problem usuwania wyrobów i odpadów zwykle nie występuje w wykrojnikach wielotaktowych (rys. VIII/9), gdzie wyroby  razem z częścią odpadów są usuwane przez  otwory przelotowe w płycie pod-stawowej (2), a pozostała część taśmy lub pasa (tzw. ażur) jest spychana ze stempli za pomocą płyty spychacza (9). Bez trudności można stosować wielorzędowy układ wykrojów w taśmie,  a także tzw. układ wielotaktowo - wielokrotny (jednorzędowe rozmieszczenie kilku takich samych układów stempli), co podwyższa wydajność. Dlatego też wykrojniki wielotaktowe są powszechnie stosowane w produkcji wielkoseryjnej i masowej. Wykrojniki jednoczesne są natomiast niezastąpione przy wykrawaniu wyrobów dokładnych (unika się błędów położenia względem siebie poszczególnych linii cięcia oraz wyginania przedmiotów). Koszty wykonania precyzyjnych wykrojników jednoczesnych są na ogół wyższe niż wielotaktowych. Wykrojniki wielotaktowe są droższe tylko w przypadku wykrawania przedmiotów o skomplikowanych zarysach.

 

Projektowanie i konstruowanie wykrojników obejmuje szereg zagadnień, począwszy od wyboru ogólnej koncepcji rozwiązania konstrukcyjnego, uwzględniającej program produkcyjny, kształt i wymiary wyrobu, optymalizację rozkroju i wybór prasy aż po ostateczne rozwiązanie konstrukcyjne, spełniające wymagania poprawnej i bezawaryjnej pracy z uwzględnieniem szerokiego wykorzystania typowych (dostępnych jako handlowe) i znormalizowanych elementów tłoczników [5,6,7,9,10].   

Rys. VIII/5. Wykrojnik z prowadzeniem stempla w płycie prowadzącej (skrzynkowy):
1 - płyta głowicowa, 2 - płyta podstawowa, 3 - stempel, 4 - tulejka tnąca, 5 - płyta prowadząca, 6 - płyta stemplowa, 7 - kołek ustalający, 8 - śruba, 9 - czop

Rys. VIII/6. Budowa wykrojnika z prowadzeniem słupowym: 1 - płyta podstawowa,
2 - płyta głowicowa, 3 - słup prowadzący, 4 - tuleja prowadząca, 5 - płyta tnąca, 6 - stempel, 7 - płyta stemplowa, 8 - płyta spychacza, 9 - kołek ustalający, 10 - śruba, 11 - czop

Rys. VIII/7. Wykrojnik z prowadzeniem walcowym: 1 - korpus, 2 - suwak walcowy,
3 - tuleja prowadząca, 4 - stempel, 5 - płyta stemplowa, 6 - płyta spychacza, 7 - tulejka tnąca, 8 - czop sprzęgłowy

Rozmieszczenie wykrojów i optymalny rozkrój

 

         Materiałem wyjściowym do wykrawania mogą być pasy lub taśmy. Pasy otrzymuje się przez pocięcie (np. na nożycach) arkuszy blach na wymaganą szerokość. Taśma jest wyrobem specjalnie wykonywanym na potrzeby procesów tłoczenia, zwłaszcza dla produkcji masowej. Producent wyrobów wykrawanych kupuje gotową taśmę o potrzebnej szerokości i grubości, zwijaną w kręgi. Arkusze i taśmy  posiadają określone przez normy wymiary i tolerancje, stan powierzchni oraz własności mechaniczne.

  Liczba, kształt i ustawienie wzajemne stempli oraz skok podawania taśmy lub pasa przy wykrawaniu wielotaktowym są uzależnione od rozmieszczenia wykrojów, które z kolei wpływa na wydajność i straty materiału. Zwykle rozróżnia się wykrawanie:

• z odpadem (przy zamkniętej linii cięcia),

• ze zmniejszonym odpadem - wykrawanie części zarysu przedmiotu, przy czym odpad stanowi tylko odstęp boczny (na brzegu pasa), względnie odstęp pomiędzy dwoma wykrojami,

• bez odpadu, w którym wyrób uzyskuje się przez odcinanie bez odstępów.

Podstawowe układy wykrojów są następujące:

• proste,

• pochyłe,

• naprzemianległe,

• złożone,

• wielorzędowe,

• z wycinaniem odstępów.

Podawanie pasa lub taśmy może być ręczne lub automatyczne (za pomocą podajników). Wykrojnik winien być wyposażony w elementy umożliwiające prawidłowe podawanie, prowadzenie i ustalanie położenia materiału podczas wykrawania (zderzaki, elementy ustalające, dociskacze boczne, listwy prowadzące itp.) [5,6,10].

Tabl. VIII/3. Najmniejsze wymiary odstępów [10]

Grubość materiału g [mm]	Odstępy		Grubość materiału g [mm]	Odstępy
		a = b [mm]		a1 = b1 [mm]		a = b [mm]	a1 = b1 [mm]
0,3	1,4	2,3	4,0	2,5	3,5
0,5	1,0	1,8	5,0	3,0	4,0
1,0	1,2	2,0	6,0	3,5	4,5
1,5	1,4	2,2	7,0	4,0	5,0
2,0	1,6	2,5	8,0	4,5	5,5
2,5	1,8	2,8	9,0	5,0	6,0
3,0	2,0	3,0	10	5,5	6,5
3,5	2,2	3,2

Tabl. VIII/4. Odstępy między osiami stempli przy wykrawaniu wielotaktowo - wielokrotnym

Krotność wykrawania n	Skok podawania H	Odstępy między osiami stempli
				Do wykrawania zarysów zewnętrznych	Do wykrawania otworów	Do wykrawania zarysów zewnętrznych i do otworów
2	3h	3h	3h	2h
3	2h	2h	2h
4	3h	3h	3h

 Zagadnienie tzw. optymalnego rozkroju w przypadku wykrawania z taśm i pasów sprowadza się zwykle do wyboru układu wykrojów z minimalną wartością iloczynu BH lub maksymalną wartością odpowiedniego współczynnika wykorzystania materiału (tabl.VIII/5). Dla układów pochyłych należy znaleźć kąt nachylenia wykroju a minimalizujący BH.

 

  Tabl.VIII/5. Współczynniki określające stopień wykorzystania materiału

 

Współczynnik	Uwagi	Oznaczenia
	Ocena typu rozmieszczenia wykrojów	f - powierzchnia wyrobu,  n - liczba wyrobów wykrawanych podczas jednego skoku suwaka prasy.
	Wykrawanie z pasa lub taśmy	nt - całkowita liczba wyrobów otrzymanych z pasa lub taśmy o długości L (uwzględnia się nie wykorzystane końce)
	Wykrawanie jednorzędowe z pasa lub taśmy bez końcowych odpadów
	Ocena wykorzystania arkusza blachy pociętego na pasy	m - liczba przedmiotów otrzymanych  z arkusza z uwzględnieniem nie wykorzystanych końców pasów i odpadów przy cięciu arkusza na pasy, La, Ba  - odpowiednio: długość i szerokość ar-kusza
	Ocena wykorzystania arkusza blachy pociętego na pasy do wykrawania k różnych przed-miotów

 Dobór prasy mimośrodowej do realizacji określonego procesu obróbki plastycznej

 Do najważniejszych parametrów charakteryzujących prasę mimośrodową zalicza się:

• nacisk nominalny P_N,

• pracę użyteczną L_u,

• liczbę skoków suwaka w jednostce czasu n,

• skok suwaka S i zakres jego zmian (S_maks ≥ S ≥ S_min),

• nastawność suwaka M,

• gabaryty przestrzeni roboczej (W, w) i wymiary stołu (A_s, B_s, D),

• inne wymiary charakterystyczne: średnica i głębokość gniazda pod czop tłocznika, najmniejsza odległość belki wyrzutnika od powierzchni czołowej suwaka i jej skok, grubość płyty stołu, wymiary rowków teowych w płytach stołu i suwaka, ich kąty rozstawienia itp.

Wybór prasy dostosowanej do realizacji określonego procesu uwzględnia:

• dobór nacisku nominalnego prasy poprzez porównanie występujących w procesie sił i ich zmian w funkcji przemieszczenia suwaka z wykresem nacisków dopuszczalnych,

• sprawdzenie, czy praca potrzebna do realizacji procesu jest nie większa od pracy użytecznej, która może być wykonana kosztem energii możliwej do pobrania z koła zamachowego podczas jednego skoku suwaka,

• sprawdzenie podstawowych wielkości kinematycznych, wydajności, gabarytów przestrzeni roboczej i wyposażenia prasy,

• sprawdzenie czy prasa spełnia wymagania BHP.

 

Wnioski:

Na naszym ćwiczeniu wykrawaliśmy dwa elementy pierwszy na prasie hydraulicznej a drugi na prasie ręcznej. Mimo, że nasze elementy były wykrawane z cienkiej blach to i tak musieliśmy użyć odpowiednich sił. Jednak wielkość tyj siły jest uzależniona nie tylko od grubości blach, ale również od wielkości powierzchni wykrawanej, rodzaju materiału obrabianego.

Przez to, że do naszego ćwiczenia musieliśmy użyć blachy cienkiej to nie mogliśmy zaobserwować wyglądu powierzchni bacznych naszego elementu po wykrojeniu oraz różnic poszczególnych stref wykrawania, jakie można zauważyć przy wykrawaniu grubych blach.

Przedmiot wykrojony zawsze będzie posiadał mniejsza powierzchnię od powierzchni otworu pozostałym po jego wykrojeniu.

• W przypadku zbyt dużej siły potrzebnej do wycięcia wykroju należy zastosować wykrojnik ze ukosowanym stemplem lub płyta tnąca,

• Podatność blach do tłoczenia zależna jest od czynników:

a) materiałowych takich jak skład chemiczny materiału, jego struktura i tekstura krystalograficzna oraz chropowatość powierzchni,

b) technologicznych, takich jak przebieg samego procesu tłoczenia, stan narzędzi, rodzaj stosowanych smarów,

• Zbyt duży luz powoduje fałdowanie się materiału,

• Ze względu na wysoki koszt wykrojników należy często kontrolować stan ich zużycia poprzez określenie wielkości oraz rodzaju zadziorów na wykrawanych elementach.

---