Полиуретановые пружины для штампов и пресс-форм

Пружину из полиуретана ставят туда, где стальная винтовая пружина не помещается по месту или не даёт нужного усилия: в съёмники и прижимы вырубных штампов, под выталкиватели, в гибочные штампы как подушку, в пресс-формы как упор и демпфер. На том же диаметре полиуретановый цилиндр выдаёт усилие в несколько раз больше стальной пружины, зато его ход короче. Отказывает он постепенно, оседанием и трещинами по боку, без внезапного излома витка, который выбрасывает обломок в рабочую зону. Отсюда простое правило расчёта: пружину подбирают от хода, а усилие добирают числом и диаметром.

Полиуретановый цилиндр сжимается всем объёмом и раздаётся вбок

Стальная пружина работает изгибом и кручением витков, а объём металла почти не меняется. Полиуретан при сжатии сохраняет объём, поэтому всё, что ушло по высоте, уходит в стороны: цилиндр становится бочкой, наружный диаметр растёт, а отверстие сужается. Из этого следуют два ограничения конструкции. Гнездо под пружину должно быть шире её диаметра, иначе сжатый полиуретан упрётся в стенку и начнёт рваться. Стержень внутри отверстия должен быть тоньше, иначе раздутие внутрь зажмёт его и сотрёт материал.

Второе следствие касается нагрева. Каждый ход часть энергии уходит во внутреннее трение, и при высокой частоте пружина греется изнутри, где тепло отводится хуже всего. Разрушение у перегретой пружины начинается в середине высоты, на боковой поверхности появляются продольные трещины, и снаружи это видно не сразу.

Размерный ряд задают DIN 9835 и ISO 10069-1

Каталожные пружины для штампов обозначают по немецкому стандарту DIN 9835: сам стандарт отменён и заменён DIN ISO 10069-1, но его обозначение по-прежнему стоит в таблицах большинства европейских поставщиков нормалей. Международный документ на эластомерные пружины сжатия для штамповой оснастки называется ISO 10069-1:2008 «Tools for pressing. Elastomer pressure springs. Part 1: General specification»; в Германии он принят как DIN ISO 10069-1:2010-11. По описанию стандарта, в нём заданы размеры пружин в миллиметрах, диаметры гнёзд под них, допустимые материалы и твёрдость, обозначение и маркировка упаковки. Опорные шайбы и направляющие штыри вынесены во вторую часть, ISO 10069-2.

Для заказчика ряд важен по одной причине: если штамп спроектирован под стандартную пружину, замену берут по обозначению «диаметр × высота» и твёрдости, а нестандартную деталь изготавливают только тогда, когда гнездо или стержень уже не совпадают с рядом.

Размеры взяты из листа Strack Norma SN2600 для пружин из полиуретана 90 ± 5 Shore A по DIN 9835; у других производителей ряд высот может отличаться, а диаметр гнезда сверяют по каталогу той пружины, которую ставят.

Предельное сжатие пружины 90 Shore A составляет 30 % высоты

В том же каталоге предельный рабочий ход полиуретановой пружины 90 Shore A записан формулой: ход не больше 30 % исходной высоты. Для пружины высотой 40 мм это 12 мм, для 63 мм около 19 мм. Пружины из хлоропрена 70 Shore A в соседнем листе того же производителя допускают 40 % высоты, но дают в два-три раза меньшее усилие. Цифру 30 % держат как верхнюю границу, а не как рабочую точку: при частых ходах пружину выбирают так, чтобы рабочий цикл укладывался в 20–25 % высоты (ориентир для марок общего назначения).

Пример расчёта съёмника. Рабочий ход 6 мм, предварительное поджатие при сборке 2 мм, запас на переточку пуансонов 1,5 мм. Полный ход 9,5 мм. При пределе 30 % минимальная высота пружины 9,5 / 0,3 ≈ 32 мм, но тогда пружина весь срок работает на границе. При целевых 25 % нужна высота 38 мм, ближайшая в ряду 40 мм. Именно запас на переточку чаще всего забывают: после нескольких переточек съёмник опускается, и пружины, подобранные «в ноль», переходят предел.

На сколько можно сжимать полиуретановую пружину в штампе?

Полиуретановую пружину 90 Shore A по DIN 9835 сжимают не больше чем на 30 % исходной высоты; такой предел указан в каталогах нормалей для штампов. Рабочий цикл при частых ходах выгоднее держать в 20–25 %, а в расчёт хода включать предварительное поджатие и запас на переточку пуансонов. Если усилия не хватает, добавляют пружины или берут больший диаметр, но не увеличивают долю сжатия.

Усилие пружины берут из каталожной таблицы для пары «диаметр × высота»

Зависимость усилия от сжатия у полиуретана нелинейная: первые миллиметры даются легко, к концу хода кривая круто идёт вверх. Поэтому усилие не считают по формуле жёсткости, а берут из таблицы или графика производителя для конкретного диаметра, высоты и твёрдости. Для ориентира ниже значения при предельном ходе из листа SN2600 (1 даН = 10 Н).

Продолжим пример съёмника. Нужное усилие съёма 30 кН, в плите помещаются четыре пружины. На одну приходится 7,5 кН, то есть 750 даН. Пружина 40 × 40 даёт 1150 даН только на пределе хода, а при 25 % высоты усилие будет заметно ниже, точное значение читают по графику производителя. Если график даёт меньше 750 даН, переходят на шесть пружин того же размера или на диаметр 50 мм. Оба решения лучше, чем сжать четыре пружины сильнее.

Твёрдость 80, 90 и 95 Shore A разводят по ходу и усилию

Стандартной для штампов считается твёрдость 90 Shore A: она даёт большое усилие и держит предел сжатия 30 %. Мягкие пружины 70–80 Shore A берут на прижимы с длинным ходом и малым усилием, где важнее не продавить тонкий лист. Твёрдые 95 Shore A ставят, где усилие нужно большое, а ход короткий: их допустимая доля сжатия ниже, и это проверяют по каталогу конкретной марки. Поведение литьевого полиуретана меняется по шкале твёрдости, и это учитывают при выборе твёрдости полиуретана под нагрузку.

В одном штампе пружины разной твёрдости не смешивают. При одинаковом ходе мягкая пружина возьмёт меньшую долю усилия, твёрдая перегрузится, и плита съёмника пойдёт с перекосом. Замену делают комплектом той же твёрдости и высоты.

Гнездо под пружину делают примерно на четверть шире её диаметра

В таблице производителя гнездо под пружину диаметром 40 мм имеет 50 мм, под 25 мм это 32 мм, под 63 мм это 80 мм. Запас около 25 % по диаметру нужен, чтобы раздувшийся при сжатии цилиндр не коснулся стенки. Глухой стакан без такого запаса превращает пружину в запертый объём: усилие резко растёт, кромка выдавливается в зазор и срезается.

Стержень в отверстии пружины делают гладким, без резьбы и заусенцев в зоне хода. Торцы пружины опирают на плоские шлифованные поверхности или на опорные шайбы: острая кромка гнезда или отверстия в плите прорезает торец при каждом ходе. Если пружин несколько в ряд по высоте, между ними ставят шайбу, иначе столб из двух цилиндров теряет устойчивость и выгибается вбок.

Какой зазор оставить в гнезде под полиуретановую пружину?

Гнездо под полиуретановую пружину делают шире её наружного диаметра примерно на четверть: по каталогу DIN 9835 для пружины 40 мм это 50 мм, для 63 мм это 80 мм. Отверстие пружины берут на 0,5–1 мм больше направляющего стержня. Без этих зазоров сжатый полиуретан упирается в металл, кромки срезаются, а пружина теряет ресурс за несколько смен.

Частота ходов и нагрев ограничивают пружину раньше усилия

Каталоги поставщиков указывают для полиуретановых пружин рабочую температуру примерно от −20 до +80 °C (ориентир для марок общего назначения; материал фиксируется в КП). Выше этого предела материал мягчеет, оседает и рвётся по боковой поверхности. Нагрев складывается из температуры в зоне штампа и внутреннего трения: на быстроходном прессе пружина, которая на ручной проверке работала без замечаний, через час может быть горячей на ощупь.

Если пружина греется, порядок решений такой: уменьшить долю сжатия, распределить усилие на большее число пружин меньшего диаметра, проверить, не касается ли пружина стенки гнезда. Одна крупная пружина отводит тепло из середины хуже, чем две-три тонких. Масло и СОЖ полиуретан в штампе переносит, а длительная работа в горячей воде и паре сокращает срок службы полиэфирных марок; причина — гидролиз полиуретана.

Чем полиуретановая пружина отличается от стальной в штампе?

Полиуретановая пружина на том же диаметре даёт в несколько раз большее усилие, чем стальная винтовая, но её ход ограничен примерно 30 % высоты. Стальная пружина держит длинный ход и высокую частоту без нагрева, зато ломается внезапно. Полиуретан изнашивается постепенно и предупреждает осадкой и трещинами, не царапает деталь и гасит удар съёмника.

Стальная, газовая и полиуретановая пружина делят штамп по ходу

Значения в таблице ориентировочные и зависят от серии изделия. Для короткого хода и большого усилия в тесной плите полиуретан почти всегда выгоднее. Когда ход длинный, а частота высокая, ставят сталь. Газовые пружины берут, когда нужно постоянное усилие по всему ходу и бюджет это допускает.

Партию пружин принимают по высоте, отверстию и твёрдости

Новая партия полиуретановых пружин проверяется до того, как её разложат по ячейкам склада. Пересчитывают количество по накладной и маркировке. Осматривают каждую пружину: на литой детали не должно быть пор и раковин на торце, расслоения по боку, облоя в отверстии, следов недолива. Выборочно, на пяти-десяти штуках из партии, замеряют наружный диаметр, высоту и диаметр отверстия: если отверстие уже стержня, пружина сядет с натягом и сотрёт его изнутри.

Твёрдость проверяют твердомером Шора A на торце, в нескольких точках, после выдержки пружин при комнатной температуре; разброс в пределах допуска каталога, например ± 5 единиц. Выдержку, прижим и число точек замера берут так же, как при проверке резины твердомером, а на тонкой пружине мерят только с подложкой. Отдельно проверяют, что все пружины одного комплекта из одной партии: смешение партий в штампе даёт тот же перекос, что смешение твёрдостей. Результаты, фото партии и сертификат на материал сохраняют вместе с обозначением пружины, чтобы при повторе заказывать тот же материал.

Пункты приёмки: количество по накладной, пустоты и поры на торцах, облой в отверстии, диаметр отверстия против стержня, высота и наружный диаметр, твёрдость Shore A в нескольких точках, одна партия на комплект штампа, фото и документ на материал.

Нестандартную пружину отливают в форму или точат из заготовки

Когда гнездо в старом штампе не совпадает с рядом DIN 9835, пружину делают под размер. Для партии от десятков штук и простого цилиндра выгоднее литьё полиуретана в форму: деталь получается с плотной поверхностью и одинаковой по всей партии. Единичные пружины и опытные размеры точат из полиуретановой заготовки, это обходится без оснастки, но поверхность после резца шероховатее, и кромку отверстия дополнительно скругляют. Для пружин важна марка с малой остаточной деформацией: после долгой работы под нагрузкой пружина должна возвращаться по высоте, а не оставаться осевшей.

Наша компания производит изделия из полиуретана по чертежу, эскизу или образцу. Для расчёта пружины нужны наружный диаметр, высота, диаметр отверстия, твёрдость или прежнее обозначение по каталогу, количество и, если размер подбирается заново, полный ход, усилие на пружину и диаметр гнезда в плите. Единичные пружины считаются от суммы минимального заказа 9 000 ₽ с НДС, поэтому их удобнее заказывать комплектом на штамп с запасом на одну замену.