Штанцевание. Выбор штанцевального оборудования

Штанцевание – это комбинированный совмещённый технологический процесс, который включает в себя целый комплекс операций, помогающих определить форму, геометрические размеры, а также конструктивные особенности картонной упаковки, то есть высечку контура развёртки, биговку линий сгиба на развёртке, нанесение перфорированных наметок, надрезку и рицовку. Штанцевание в зависимости от нужной конструкции упаковки может включать не все перечисленные операции, а только лишь необходимые. Процесс штанцевания происходит на тигельных и роторных штанцевальных машинах, которые входят в состав печатно-штанцевально-склеивающих автоматических поточных линий. В качестве рабочего инструмента служат комбинированные штанцевальные формы, у которых конструкция предусматривает оснастку для выполнения нужных операций.

Все перечисленные операции выполняются одновременно часто на нескольких деталях, за один рабочий ход штанцевальной формы.
Различные операции так или иначе оказывают друг на друга взаимное влияние, а у комбинированных штанцевальных форм конструктивные особенности помогают определить технологические возможности изготовления нужного вида упаковки, а также узнать технико-экономические показатели всего процесса. С помощью комбинированного совмещенного технологического процесса штанцевания можно определить важнейшие технические характеристики будущей упаковки, то есть точность и соответствие проекту применяемых геометрических размеров и форм, точность и качество операции сборки готовой упаковки, внешний вид и прочность упаковки, её надёжность, долговечность и другие характеристики. Поэтому изучение основных конструктивных и технологических факторов, которые составляют процесс отдельных операций, а также как они взаимно влияют друг на друга – это актуальная задача.

Для того, чтобы изготовить подарочную упаковку, выбираем следующую машину: высекальную машину SBL 1050 SE. В полиграфической компании «Укрпол» специалистами группы «НИССА» установлена и успешно запущена в эксплуатацию автоматическая высекальная машина SBL 1050SE, которая предназначается для высокоточной высечки картона (конгревного тиснения), а также гофрокартона, то есть кроя упаковки даже самой сложной. В серию автоматических высекальных машин SBL входят модели, имеющие максимальный формат листа от 820х570 до 1500х950 мм и производительность до 8000 листов в час.

Высекальные машины SBL, работающие в полностью автоматическом режиме, способны выполнять:
1) подавать картонные листы с пневматическим самонакладом в режиме Non-Stop;
2) точно позиционировать лист, используя детекторы перекоса и подачи двойного листа;
3) удалять облой с помощью автоматического выводного конвейера;
4) выводить листы в режиме Non-Stop с воздушным торможением листа и вставкой ленточки-закладки для разделения тиражей;
5) контролировать, используя программируемое устройство, с системой самодиагностики с помощью встроенного микропроцессора.
Очень часто высекальные машины SBL используют для изготовления картонной упаковки ( упаковка для пищевой, медицинской, табачной продукции, бытовой химии и т.д.) и упаковки из гофрокартона (упаковка для бытовой техники, детских товаров и т.д.).

Штанцевание проводят с помощью комбинированного рабочего инструмента, который представляет собой штанцевальные формы. В зависимости от вида используемой высекательной машины штанцевальные формы бывают плоские и цилиндрические. Штанцевальная форма состоит из штампа (пуансона) и ответной части – контрштампа (матрицы). Типовой штамп включает в себя основание, в котором закреплен рабочий инструмент. Обычно в качестве рабочего инструмента идут различные ножи: режущие, рицовочные, перфорационные, биговальные, имеющие различную длину и конфигурацию. Для того, чтобы при выполнении технологических операций фиксировать картон и удалять его после процесса штанцевания с использованием рабочих поверхностей инструмента к основанию, применяя клей или двустороннюю клеящую ленту, крепят пружинящий (эжекторный) материал.

Основание штампа для рабочего инструмента высотой до 12 мм представляет собой слоистые прессованные материалы, выполненные на основе крезоло- или фенолоформальдегидных связующих веществ и бумаги – гетинаксы (пертинаксы), а также различных тканей – текстолитов. Для рабочего инструмента с высотой более 12 мм применяется калиброванная фанера, ударопрочная, без сучков с толщиной около 15 или 18 мм. Такую фанеру, представляющую собой фанеру международного класса ВВ/ВВ, изготовленную из лущеного березового, букового, кленового или ольхового шпона, который соединен между собой клеем на основе фенолоформальдегидных смол, обрабатывают с помощью лобзика. Для лазерной обработки применяется фанера международного класса S/BB, которая соединена с помощью клея на основе карбонатных смол.

Важным требованием, которое предъявляется к основанию штанцевальной формы, является возможность сохранить стабильности размеров. Эта стабильность в первую очередь зависит от уровня влажности фанеры. Для того, чтобы изготовить качественные штанцевальные формы, рекомендуется использование фанеры с уровнем влажности не более 5%.

Пружинящий (эжекторный) материал также очень важен в конструкции и функционировании штанцевальной формы. Его применяют для фиксации картона и устранения его вибрации после того, как в рабочую зону прошла штанцевальная форма. Его пружинящие свойства позволяют обеспечивать качественное выполнение операций при процессе штанцевания за счет нейтрализации растягивающих усилий деформаций картона между инструментами для высечки, биговки, перфорации, рицовки при прямом ходе штанцевальной формы. За счет эжекторных свойств можно легко удалять используемый материала с режущих и формующих кромок в штанцевальном инструменте при обратном ходе штанцевальной формы. К вспомогательным функциям пружинящего материала относят защиту ножей от появления заусенцев и используют для балансировки штанцевальной формы по давлению.

Пружинящий (эжекторный) материал приклеивают к основанию штампа вдоль рабочего инструмента. Часто в качестве такого пружинящего материала применяют резину и полиуретаны различных сортов. Резину применяют и сплошную монолитную, и газонaполненную с открытыми и закрытыми ячейками, а полиуретаны применяют вспененные с закрытыми микроячейками.

Для газонаполненной резины характерна меньшая твердость и жесткость, поэтому из нее делают различные пружиня¬щие элементы, часто имеющие прямоугольное сечение. Ре¬зину поставляют в виде листов, из которых делают нарезку пружи¬нящих элементов нужной ширины. Важнейшим показателем качества резки можно назвать обеспечение вертикальности боковых стенок пружинящих элементов.

Резину с открытыми ячейками часто еще называют резиной с открытыми порами, отличается наличием наименьшего значения бокового расширения – Xб. При этом при сжатии пружинящего элемента воздух из открытых пор удаляется, при восстановлении воздух вновь заходит в поры. При обратном ходе штампа для заполнения пор воздухом нужно определенное время, так как резину такого вида не применяют в высокоскоростных штанцевальных установках. В поры вместе с воздухом проникает пыль, которая образуется в процессе штанцевания. Все это приводит к тому, что жесткость резины у с открытыми порами постепенно увеличивается. Такую резину следует использовать для процесса штанцевания высококачественных сортов картона с меньшим образованием пыли.

Резина с закрытыми ячейками по своим свойствам, прежде всего пружинящим и эжекторным, занимает промежуточное положение, находясь между сплошной монолитной резиной и между резиной с открытыми ячейками. У резины, выполненной на основе синтетического каучука, комплекс свойств намного лучше. Замкнутые ячейки заполняются обычно воздухом, очень редко для этого используют азот. В случае многократной циклической нагрузки усталость у таких материалов можно заметить в виде остаточной деформации и сморщивании ячеек. В случае пре¬вышения допустимой степени сжатия возможно разрушение и полопывание стенок ячеек.

У вспененных полиуретанов закрытые ячейки имеют довольно небольшие размеры. При сжатии у них маленькое значение бокового расширения Xб, в связи с чем пружинящие элементы часто из них применяют между режущими ножами, которые довольно близко располагаются. Контрштамп – это ответная часть штанцевального штампа, которая представляет собой систему биговочных каналов. У них строго совпадают оси симметрии с осями симметрии у соответствующих биговальных ножей штанцевального штампа. Контрштампы по своему конструктивному бывают съемные и несъемные. Съемные контрштампы крепят на специальные съемных плиты, а несъемные плиты прикрепляют непосредственно к плите (талере) штанцевального оборудования. У контрштампов биговочные каналы делают из самых различных материалов, используют пресс-шпана (прессованный картон), пластмассу, фотополимерные пластины, слоистые прессо¬ванные материалы и металл.

Из прессшпана и пластмасс биговочные каналы их изготавливают с помощью наклеивания соответствующих биговальных матриц. В случае, если у биговальных матриц нет юстировочных направляющих, то их наклеивают, предварительно при этом размечая. После проведения пробного бигования смотрят на качество биговки и на состояние биговальных матриц. В тех местах, где биговальные ножи не совпадают с осями симметрии биговочные каналы фрезеруют или вручную обрабатывают. Технология такого типа в настоящее время устарела и используется очень редко, в основном это происходит при изготовлении контрштампов для картонных коробок небольших тиражей – от 1000 до 5000.

Контрштампы из пластмассовых биговальных матриц с юстировочными направляющими делают по другой технологии. Это происходит следующим образом: биrовальные матрицы, отрезанные до требуемой длины, крепят на соответствующие биговальные ножи штанцевального штампа, при этом вставляют их до упора в посадочный кaнал юстировочной направляющей. После процесса установки штанцевального щтампа в применяемую машину у оснований биroвальных матриц удаляется защитная бумага, обнажая при этом клеевой слой. Затем осуществляется прямой рабочий ход штaн¬цевальной машины, где биговальные матрицы прижимаются к опорному столу машины (талеру) или же крепятся к специальной съемной стальной плите с помощью клея. Бигoвальные ножи при обратном ходе штанцевальной машины освобождаются из юстировочных направляющих, приклеенных биговальных матриц. Контршатмп считается полностью готовым к работе после удаления юстировочных направляющих. Такие контрштампы применяют очень часто при изготовлении упаковочной тары средних партий в количестве от 50000 до 100000. Главным недостатком таких контрштампов является сложность точного сопряжения биговальных матриц в угловых соединениях. Упаковка, полученная на таких контрштампах часто имеет пониженное качество в углах, поэтому их не рекомендуют использовать при установке автоматического заполнения продукцией. Контрштампы из фотополимерных пластин обладают невысокой тиражестойкостью, поэтому их используются очень редко.

С помощью контрштампов, изготовленных из слоистых прессованных материалов, можно получать складные коробки небольших размеров с последующим их автоматическим заполнением, а также коробки больших размеров с повышенными требованиями к герметичности. При использовании металлических контрштампов их применяют для массового производства картонных коробок с очень крупными тиражами (до 12-20 млн.). Такие контрштампы получают с помощью фрезерования или используя электроэрозионную обработку на станках.

Проводят силовую и весовую балансировку плоскоштанцевальных штампов для того, чтобы уравновесить давление при работе штанцевальной машины.
Поэтому штанцевание проводят в высокоскоростном режиме, где скорость штанцевания бывает доходит до 14000 ч. Штанцевальные штампы тщательно отбирают по весовому и силовому уравновешению, которое является примером статической балансировки. Основу правила весового и силового уравновешивания составляет принцип равенства моментов к оси симметрии штанцевального штампа.

Если штанцевальный штамп несбалансирован, то это может привести к:
1. Повышенному износу высекальных ножей, а это влияет на искажение профиля биговочных канавок и является следствием появления дефектов в их зоне, при этом уменьшается качество коробок;
2. Преждевременному выходу штанцевального штампа из строя;
3. Повышенному износу исполнительных механизмов штанцевальной машины, а это довольно резко снижает срок ее службы.

Последовательность выполнения весовой балансировки:
1. Проводится позиционирование разверток наших будущих коробок (габаритные размеры 1240 х 900 на листе машинного формата 1300 х 950, на листе умещается 8 разверток;
2. Лист кладется на основании штампа 1300 х 950 мм. Через центр штампа проводится ось Х и ось У;
3. Ножи на раскладке предварительно делятся на геометрические фигуры, здесь мы получили прямоугольники, у которых центр тяжести располагается в точке пересечения диагоналей;

4. Далее рассчитывается масса ножей по формуле:

Pн = (Lн * aн )/100 [кг],

где Lн – длина ножа, [м] ;
aн – вес 100 погонных метров;
Высоту высекальных ножей берём равной 23,8 мм, а высоту 2х высекальных ножей – 23,7 мм (толщина 1 мм). При таких данных aн =20 кг.

5. Рассчитаются моменты для каждого ножа относительно оси X, Y:

Mн = Pн * Lx (Ly) , (1.5)

где Lx (Ly) [м] – расстояние от центра тяжести ножа до оси Х, У (плечо)

Условно принимаем с одной стороны оси значения моментов с «+», а с другой с «-»;
Определим М – суммарный момент относительно осей Х и У;
Для штанцевального штампа сумма моментов относительно оси OХ равна нулю, следовательно, компенсационный нож не требуется.
Для штанцевального штампа сумма моментов относительно оси OY равна нулю, следовательно, компенсационный нож не требуется.

У штанцевального штампа в случае прямого хода пружиняще-энжекторные материалы позволяют фиксировать картон и прижимать его к основанию контрштампа с определенным усилием Рсж.
В качестве последовательности выполнения силовой балансировки штампа проводятся следующие этапы:
1. Выбирается марка резины F10.25 (резина, у которой открытые ячейки, для высококачественных сортов картона, выносливость 1000 тыс. циклов)
2. Выбирается параметр пружиняще-эжекторных материалов:
В = 10 мм =0,01м– ширина пружиняще-эжекторных материалов,
С = 1 мм =0,001м– расстояние между ножом и пружиняще-эжекторным материалом,
Нф.осн =18 мм =0,018м– высота фанерного основания штампа,
Нвыс.н =23,8 мм =0,0238м– высота высекального ножа,
Sм =1 мм =0,001м– толщина материала,
Δh = 1,3 мм =0,0013м– выступание резины над поверхностью ножа,
h0 = Нвыс.н – Нф.осн + Δh = 23,8 – 18 + 1,3 = 7,1 мм =0,0071м– высота пружинище-эжекторных материалов.

4. Определяется высота сжатой резины:
hсж = h0 – Δh – Sм =7,1 – 1,3 – 1 = 4.8 мм=0,0048м
5. Определяется величина деформации резины:
εсж =((h0 – hсж)/ h0) * 100% = (7,1 – 4,8)/7,1 * 100% = 32 %
6. При составлении графика «Боковое расширение резины (хБ) марки F10.25» можно узнать, что хБ=490 мкм =0,49 мм, а из графика «Напряжение сжатия σсж от величины деформации ε сж » – σсж =6 кгс/см2, εсж = 32 %, σсж видно по рабочей характеристике пружиняще-эжекторного материала.
7. Определяется усилие сжатия:
Pсж =2* σсж * В * Lн, где Lн – длина высекального ножа.
8. Определяется плечо от Pсж относительно оси Х, У:
Lс = lн + с + В/2,
где lн – плечо от ножа. Для этого условно принимается с одной стороны оси значения моментов с «+», а с другой значение со знаком «-».
9. Определяется момент от Pсж относительно оси Х, У:

Mсж = Pсж* Lс
10. Рассчитается Мх, Му – сумма моментов относительно осей Х иY. Условно в этом случае принимаем с одной стороны оси значения моментов со знаком «+», а с другой стороны со знаком «-».
Сумма моментов относительно оси OX для штанцевального штампа равна нулю, что не требует компенсационного эжекторного материала.
Сумма моментов относительно оси OY равна нулю для штанцевального штампа обечайки, поэтому не нужен компенсационный эжекторный материал.

Удалить облой и разделить заготовки упаковки можно автоматически в специальной секции штанцевальной машины, а также вручную. Для удаления облоя вручную облой удаляется и заготовки разделяются при выполнении маленьких заказов. При этом штанцевальная машина или пресс могут включать в себя одну штанцевальную секцию. Для того, чтобы удалить облой вручную и разделить заготовки, разрабатываются специальные ручные машинки.

В случае выполнения крупных заказов облой целесообразно удалять с помощью штанцевальной машины. Для того, чтобы автоматически удалить облой, существуют специальные двухсекционные штанцевальные машины, которые включают в себя штанцевальные секции и секции для удаления облоя, под которую изготавливают специальную форму, которая включает в себя верхнюю и нижнюю раму со специальными инструментами, а также среднюю отделяющую матричную доску. Для того, чтобы наладить на машине операцию удаления облоя, необходимы дополнительные затраты времени.

Из секции удаления облоя на выходе получается лист, где остались только заготовки упаковки, которые между собой соединены специальными перемычками – так называемыми мостиками для удобной перевозки заказа в дальнейшем на паллете из цеха в цех. Разделяют заготовки окончательно либо вручную перед тем, как склеить их, либо автоматически – с помощью штанцевальной машины. Штанцевальные машины для автоматического разделения заготовок включают в себя третью секцию. Разделение заготовок сводится к тому, что разрушаются перемычки. Для этого требуется специальная форма, которая включает в себя две рамы с перемычками, на которых располагаются специальные инструменты. Для установки и наладки этих форм в штанцевальной машине также необходимы дополнительные затраты времени. Поскольку у нас будет небольшой тираж, то все вышеперечисленные операции делают вручную.