Projeto de matriz progressiva: processo, layout de tira, tolerâncias e custos de ferramentas

Um engenheiro envia uma impressão de peça para um suporte de aço inoxidável que ficará próximo a um turboalimentador em uma nova plataforma de veículo. O volume projetado é de 400.000 peças por ano, e um furo de montagem deve ter uma tolerância de /-0,05 mm. Em poucos dias, o fornecedor de ferramentas responde com um layout de tira mostrando como o material da bobina será perfurado, aparado, moldado e cortado no suporte acabado a aproximadamente 250 golpes por minuto. Essa resposta é onde o design progressivo da matriz ganha seu sustento ou começa a criar problemas.

O design progressivo da matriz é o arranjo de múltiplas operações de estampagem em um único conjunto de matrizes, de modo que cada golpe de prensa produza uma peça completa. Merece muita atenção porque o layout da matriz determina a qualidade de cada peça produzida ao longo da vida útil da ferramenta, o custo da ferramenta em si e o tempo de espera entre o pedido e a produção.

O que um design de matriz progressiva inclui

Uma matriz progressiva funciona em uma tira contínua de metal. A tira avança uma distância fixa, chamada passo ou comprimento de avanço, a cada golpe de prensa. Em cada estação, ocorre uma operação: um furo piloto é perfurado, um contorno é recortado, um flange é dobrado, um copo é desenhado ou um elemento é gravado. Na estação final, a peça acabada é separada da tira de suporte que a transportou através da matriz.

Os principais elementos de um design de matriz progressiva são:

• Furos piloto e pilotos que mantêm a tira alinhada em cada estação.
• Uma sequência de estações que abrange perfuração, corte, conformação, desenho, gravação em relevo e corte.
• Uma faixa de suporte e uma rede que seguram a peça entre as estações.
• Decapantes, guias, molas e placas de matrizes que controlam o fluxo de material e a ejeção de peças.

A sequência e o desenho do transportador não são detalhes. Eles são a espinha dorsal de todo o processo, porque cada estação a jusante depende da chegada do material na posição certa e no formato certo.

Como um dado progressivo é desenvolvido

O design progressivo da matriz segue um fluxo de trabalho repetível. Pular qualquer etapa geralmente aparece mais tarde como um problema para a impressora.

1. Revise a impressão da peça e o modelo 3D. Verifique tolerâncias, classe do material, direção da fibra, lado da rebarba, qualidade da borda e requisitos de acabamento superficial.
2. Construa o layout da tira. Decida a largura da faixa e o passo, organize as operações em uma ordem lógica e coloque os pilotos onde permanecerão até a última estação.
3. Projete as estações individuais. Selecione materiais de punção e matriz, folgas de corte, ângulos de dobra e raios de desenho para cada operação.
4. Modele e simule a sequência de conformação. Preveja o retorno elástico, o desbaste e o fluxo de material e ajuste o projeto antes de qualquer aço ferramenta ser cortado.
5. Fabrique, monte e experimente o dado. Execute tiras de amostra, meça as peças e ajuste as alturas e folgas das estações até que as peças atendam às especificações.

O layout da tira é a etapa mais importante. Um layout ruim com um porta-aviões instável ou uma pilotagem fraca não pode ser reparado por uma usinagem melhor; falha na prensa, às vezes somente depois de milhares de peças terem sido fabricadas. Por esta razão, os projetistas experientes de matrizes passam mais tempo no layout da tira do que em qualquer outra fase.

Decisões de projeto que impulsionam a qualidade e o custo das peças

Seleção de Materiais

O comportamento do material é o ponto de partida de todo projeto de matriz progressiva. Classes mais duras, como aço inoxidável 304, 316 e 410, endurecem durante a conformação, portanto, a matriz deve deixar folga suficiente e, às vezes, incluir etapas de alívio de tensão. O alumínio e suas ligas se formam facilmente, mas tendem a desgastar as superfícies das ferramentas, portanto, lubrificação, aço para ferramentas polido e folgas controladas são essenciais. As ligas de cobre oferecem excelente condutividade e ductilidade, mas requerem ferramentas afiadas para evitar rebarbas nas áreas de contato elétrico. O aço revestido de zinco ou galvanizado pode perder seu revestimento nas bordas cisalhadas, portanto o projetista deve controlar a folga e a geometria da borda para proteger a camada.

Um flange de aço automotivo é um bom exemplo de uma parte que parece simples, mas depende muito da progressão. A geometria do flange, o padrão de furo e os requisitos de planicidade geralmente forçam o projetista a combinar estações de perfuração, corte e conformação, e a matriz deve manter a estabilidade dimensional durante longos ciclos de produção.

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Layout de faixa e sequenciamento de estação

O passo entre as estações define o comprimento de avanço e, por sua vez, o número de peças produzidas por curso. Um passo mais curto aumenta a produção, mas pode deixar pouco espaço para ferramentas de conformação profunda. A faixa de suporte deve permanecer forte o suficiente para mover a peça através de cada estação, mas estreita o suficiente para manter alta a utilização do material. A pilotagem só é segura quando os furos piloto sobrevivem até a estação final, portanto o layout não deve cortá-los muito cedo. Essas compensações são a razão pela qual as revisões do layout da tira são importantes antes do início da ferramentaria.

Tolerâncias e recursos críticos

O design moderno e progressivo da matriz mantém rotineiramente posições de furo em /-0,05 mm e planicidade dentro de 0,1 mm para peças pequenas a médias, mas os valores alcançáveis dependem da espessura do material, largura da tira, tamanho da peça e número de estações. Em aplicações de motores de alta temperatura, um junta de vedação turbo de aço inoxidável exige planicidade precisa e bordas sem rebarbas porque qualquer imperfeição pode comprometer a vedação. Um projetista de matrizes que entende a função de cada recurso sabe quais tolerâncias são críticas e quais são secundárias, e esse conhecimento afeta diretamente o custo do ferramental.

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Custo de ferramentas e prazo de entrega: o que os compradores devem esperar

Uma matriz progressiva raramente é a forma mais barata de construir um protótipo e não é a resposta certa para todas as peças. A ferramenta em si pode custar alguns milhares de dólares para um projeto simples de duas estações ou bem mais de seis dígitos para uma matriz complexa com muitas operações de conformação. A economia geralmente favorece uma matriz progressiva quando o volume anual é alto o suficiente para que o baixo custo por peça compense o investimento em ferramentas.

Dentro do prazo, uma matriz progressiva típica para uma estampagem pequena leva de quatro a dez semanas para ser projetada e construída. Geometria complexa, materiais duros e tolerâncias restritas estendem essa janela porque o teste e a amostragem demoram mais. Planeje pelo menos uma rodada de aprovações de amostras e confirme quem arca com os custos das alterações causadas pelas atualizações de projeto por parte do cliente.

Os principais fatores de custo em um projeto de matriz progressiva incluem:

• Número de estações e complexidade geral da peça.
• Tolerâncias e acabamento superficial exigidos.
• Classe de aço para ferramentas, revestimentos e tratamento térmico.
• Vida útil esperada da ferramenta e intervalos de manutenção.
• Rodadas de teste, inspeção e documentação.

Armadilhas comuns a serem evitadas

Mesmo equipes experientes veem os mesmos problemas se repetirem no design progressivo de matrizes. Reconhecer esses problemas antecipadamente reduz o risco para o comprador.

• Ignorando o retorno elástico, especialmente em aço e alumínio de alta resistência. A matriz deve ser projetada com ângulos compensados ​​desde o início.
• Construção de uma tira transportadora fraca que estica ou quebra, causando problemas de alimentação e desalinhamento.
• Colocar furos críticos muito próximos das áreas de formação onde o movimento do material pode mudar de posição.
• Cortar os furos piloto antes de terem feito o seu trabalho, deixando as estações a jusante sem alinhamento confiável.
• Selecionar aço para ferramentas que seja muito macio para materiais abrasivos, levando ao desgaste prematuro e à qualidade inconsistente da peça.
• Separando o design da peça do design da matriz. Quando as duas equipes não conversam, a tolerância e as decisões materiais tornam-se caras para mudar.

A maioria desses problemas tem uma causa raiz: a matriz é projetada antes que o material e o processo sejam totalmente compreendidos. Um fornecedor com experiência em produção em uma variedade de materiais pode sinalizar esses problemas durante a cotação, e não durante o teste.

Escolhendo um parceiro de estampagem progressiva

O parceiro certo traz mais do que uma prensa e um dado. Procure um fornecedor que projete e construa suas próprias matrizes progressivas, tenha capacidade de prensagem para executar a produção internamente e possa demonstrar experiência com metais ferrosos e não ferrosos. Um sistema de gestão de qualidade acrescenta confiança de que as etapas de ferramentas, amostragem e produção estão documentadas. Mais importante ainda, o fornecedor deve estar disposto a discutir o layout da tira, a estratégia de tolerância e a escolha do material antes de a cotação ser fechada.

Na Changzhou Dingjia Metal Technology, a mesma equipe de engenharia que projeta a matriz progressiva também dá suporte à montagem da matriz e à linha de estampagem. Nossa capacidade de estampagem chega a 500 toneladas e nossa linha de produção abrange aço inoxidável, ferro, aço automotivo, alumínio, cobre e peças à base de zinco. Essa estrutura significa que o conhecimento do material e o feedback da fabricação vão diretamente para cada revisão de projeto. Para novos projetos de pilhas de carregamento de energia, também aplicamos abordagens progressivas de matrizes a componentes como o placa de aquecimento de ventilador de alumínio estampado , onde o desempenho térmico, a planicidade e a qualidade da superfície são importantes.

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Para se preparar para sua próxima parte, revise nosso guia prático para estampagem de peças de precisão para ver como materiais, ferramentas e fatores de produção interagem. Se você já possui uma impressão ou um modelo 3D, você pode entre em contato com a equipe para discutir o layout da tira e o plano de ferramentas antes de se comprometer com um investimento total.

O design progressivo da matriz recompensa engenheiros e compradores que olham além da cotação. O layout da tira, a sequência da estação, a seleção do aço ferramenta e o conhecimento do material por trás da matriz decidem se sua peça chega no prazo, mantém sua tolerância e permanece acessível em volume. Peça para ver o layout, questione as suposições e escolha um parceiro cujos engenheiros de matrizes conversarão com você antes do corte do aço.