В массовом и крупносерийном (а часто – и при серийном) производстве стабильно высокой производительности и качества выпускаемых изделий можно добиться, реализовав и наладив на предприятии технологические процессы пластического деформирования – ковку и штамповку. На машино- и приборостроительных заводах такие операции практически исключают отходы металла, что снижает нагрузку на металлургические комбинаты, способствует оздоровлению окружающей среды.
Разберёмся с такой разновидностью обработки материалов как штамповка изделий из металла.
Основные способы штамповки металла
Штамповку металла относят к процессам обработки давлением (ОМД), сущность которых заключается в пластическом деформировании/формоизменении металла. В отличие от прокатки, все виды штамповки металла представляют собой второй металлургический передел, поскольку осуществляется не с непрерывным металлом, а с предварительно разделённым на мерные заготовки. К ним относят:
- Листовые, в которых одно из измерений (толщина) намного меньше двух остальных- ширины и длины; это рулоны, полосы, ленты, листы;
- Объёмные (сортовые) – прутки, проволоку;
- Фасонные – тавры, двутавры, швеллеры, уголки.
В отличие от ковки – тоже процесса ОМД – при штамповке происходит преобразование не только размеров, но и формы. Это преобразование происходит в специальных инструментах – штампах, рабочая полость которых (куда помещают подлежащую ОМД заготовку) имеет форму и размеры готовой детали. Если после штамповки полуфабрикат нуждается в окончательной доработка – механической или термической, то такое изделие называют поковкой.
Для преодоления сопротивления металла пластическому деформированию к заготовке следует приложить деформирующее усилие, удельно значение которого должно быть больше предела текучести. Необходимая для этого энергия создается приводом штамповочного оборудования. Такая энергия может быть кинетической или потенциальной. Кинетической (ударной) энергией материал деформируют молоты, потенциальной (силовой) - прессы.
Все понятия и определения, используемые при разработке и реализации процессов штамповки, систематизированы в ГОСТ 18970-84.
Возникновение ковки и штамповки
Кузнечное дело – существующее с древних времён ремесло, связанное с металлообработкой. Вначале научились ковать самородное и метеоритное железо, при этом методе использовали каменные инструменты - молотки и наковальни. Именно с их помощью более 5000 лет тому назад изготавливали рыболовные крюки, ножи, хозяйственную утварь. В эпоху Триполья (IV – III тысячелетие до н.э.) в районах Молдавии и Правобережной Украины уже умели ковать медь, из которой делали украшения.
Ковка и штамповка оказались незаменимы и для производства боевого снаряжения - шлемов, наконечников копий, мечей. А вскоре были открыты и знаменитые булатные стали. Впоследствии П. Аносов установил, что булатная сталь – это вид высокоуглеродистой стали, которая многократно прокована, а затем закалена особым способом. Для штамповки булата применялись штампы с эластичными средами из свинца и шкур.
В XVI веке железоделательное производство России вышло на новый уровень развития: в Туле кузнецом Н. Демидовым был заложен металлообрабатывающий завод, основу которого составили вододействующие молоты.
Большой вклад в развитие металлообработки внесла работа М. Ломоносова «Первичные основы металлургии или рудных дел» (1763 г), положения которой позже были развиты и доработаны металловедом Д. Черновым. На этих и других достижениях российских и советских ученых был построен фундамент отечественной науки об обработке металлов давлением.
Суть технологии штамповки
Процесс штамповки металлов происходит вследствие силового воздействия подвижной части штампа, перемещение которой в требуемом направлении производит исполнительный механизм молота или пресса. В основном это механический привод, хотя встречается кузнечно-штамповочное оборудование (КШО), действующее от энергии жидкости, сжатого воздуха или электромагнитных сил.
Перед штамповкой заготовку помещают в нижнюю, как правило, неподвижную, полость штампа, в то время как верхняя часть прикреплена к оборудованию. После фиксации заготовки в штампе оператор КШО включает привод и полости смыкаются. В ходе такого действия происходит перераспределение материала соответственно форме и размерам обеих полостей. При включении КШО на обратный ход полости размыкаются и готовое изделие вручную или автоматически извлекается из штампа.
Многие операции штамповки – безотходные. Однако в некоторых случаях металл стремится вытечь в уменьшающийся зазор между полостями. Тогда заполнение будет неполным. Чтобы этого не случилось, объём заготовки следует принять несколько больше, чем объём поковки. Тогда избыточный металл, называемый облоем, вытечет в специальную канавку и создаст подпор основному объёму материала, заполняющему полость штампа. Такой металл впоследствии отделяют обрезкой или зачисткой поковки.
Классификация технологий штамповки металла
Производится по следующим принципам:
- Форма исходной заготовки. Согласно этому критерию, выделяют листовую и объёмную штамповку.
- Температура, при которой происходит пластическая деформация. В чем отличие холодной и горячей штамповки? Если температура деформирования не достигает значений, когда в металле/сплаве происходят необратимые структурные изменения, то штамповку называют холодной. Подразделение на холодную и горячую штамповку зависит от природы металла, в частности, от температуры его плавления. Например, для свинца вся деформация - горячая, а для вольфрама – холодная.
- От степени механизации/автоматизации, когда различают деформирование непрерывного металла и штамповку из штучных заготовок.
- От количества переходов ОМД. В таком случае говорят об одно- или многопереходном деформировании.
- От относительных размеров готовых изделий. На многих заводах существуют участки мелкой, средней или крупной штамповки.
Классификация определяет типы КШО, штамповочного инструмента и оснастки, средств механизации, и даже расстановку оборудования.
Холодная штамповка металла
К ней относят все процессы ОМД, температура заготовок при которых не превышает 20…25% от температуры плавления обрабатываемого металла. При холодной штамповке легче учесть промежуточные и конечные размеры штампуемого изделия и проще организовать планировку рабочего места (включая и меры безопасности). Однако усилия холодной штамповки (особенно для прочного и крупногабаритного металла) существенно повышаются, что негативно сказывается на экономической эффективности операций.
Точность холодной штамповки – высокая. В частности, все операции прецизионного деформирования проектируют только в холодном состоянии.
Горячая штамповка металла
Предусматривается для крупных деталей и поковок, материалом которых служат стали и сплавы, ОМД которых в обычном состоянии либо трудноосуществимо, либо вовсе невозможно. К таким материалам относятся высокоуглеродистые и сложнолегированные стали, титановые сплавы и т.п. Поковки, как правило, подвергаются финишной обработке. Целесообразность горячей штамповки обуславливается значительным снижением удельной энергии деформирования металла.
Штамповка листового металла
Штамповка из листа металла ведётся чаще всего в холодном состоянии. Операции листовой штамповки подразделяются на разделительные и формоизменяющие. К первым относят:
- Резку/отрезку;
- Вырубку;
- Пробивку.
Основные формоизменяющие операции:
- Вальцовка;
- Вытяжка;
- Гибка;
- Формовка.
При больших программах выпуска деталей применяют многопереходное деформирование. Такие штампы могут быть последовательного или совмещенного действия. В последовательных штампах за каждый ход пресса производится нужное формоизменение, а в совмещенных штампах деформирование осуществляется за один ход, по мере роста глубины проникновения инструмента в заготовку.
Объемная горячая и холодная штамповка металла
Подразделяется на горячую и холодную. К горячей объёмной штамповке относят ковку в штампах и резку сортового проката, к холодной – высадку и выдавливание. Для холодной высадки исходной заготовкой является проволока, для выдавливания – пруток.
Холодная объемная штамповка, несмотря на высокие удельные усилия деформирования, считается наиболее точной, а в большинстве случаев - безотходной группой процессов ОМД.
Объемная штамповка листового металла также возможна, если заготовка имеет значительное поперечное сечение.
Штамповка жидкого металла
Способ основан на всестороннем неравномерном сжатии строго дозированного объема расплава жидкого металла, кристаллизация которого близка к завершению, но еще не закончена. В подобных условиях металл уже частично приобретает пластические свойства, и к нему можно применять правила горячего пластического деформирования.
Формование под давлением (жидкая штамповка с использованием заполненной жидкостью трубки): использует герметичную трубку, заполненную жидкостью (например, водой), которая помещена в штамп. При закрытии штампа жидкость сопротивляется сжатию, выталкивая стенки трубки наружу, к полости штампа. Этот процесс позволяет получать сложные формы, в том числе коробчатые элементы.
Обработка жидкого металла давлением позволяет добиться точных геометрических размеров и хорошего качества поверхности деталей. Сопротивление жидкости сжатию помогает точно формовать деталь. Способ используется в единичном производстве, т.к. стойкость инструмента, испытывающего при нагреве большие температурные нагрузки, недостаточна.
Штамповочное оборудование
Наиболее распространенные типы КШО:
- Штамповочные молоты (используются преимущественно в горячей объемной штамповке, хотя известны и листоштамповочные молоты;
- Кривошипные механические прессы (сюда же относят ножницы для разделения металла);
- Винтовые прессы;
- Гидравлические прессы;
- КШО, деформирующее не усилием, а крутящим моментом – вальцы, дисковые ножницы№
- Кузнечно-штамповочные автоматы;
- Различные специализированные машины, в том числе, и системы ЧПУ.
Выбор типоразмера КШО производят по энергии, развиваемой подвижными частями (молоты, винтовые прессы), номинальному усилию деформирования (все виды КШО с механическим и гидроприводом), наибольшему размеру штампуемой заготовки (автоматы), толщине заготовки (вальцы).
Преимущества и недостатки штамповки
Основное преимущество всех схем ОМД, в том числе, и штамповки – чрезвычайно высокая производительность и точность формоизменения металла. Ограничения и дефекты штамповки металла – повышенные энергозатраты, обусловленные сопротивлением деформируемого материала. Поэтому штамповка применяется при заметных программах выпуска однотипных деталей, а в единичном производстве уступает пальму первенства более дешевым технологиям механической обработки. -
Сферы применения штамповки
Автомобильная промышленность, тракторное и сельхозмашиностроение, производство медицинских инструментов, электротехнических изделий, радиоэлектроники, авиационной и космической техники.
Сводная таблица возможностей современной штамповки:
|
Показатель |
Данные |
|
Диапазон выпускаемых деталей |
Автомобилестроение: кузовные панели, детали шасси, детали двигателей. Авиакосмическая промышленность: детали крыла, секции фюзеляжа, детали двигателей. Электроника: разъемы, клеммы. Медицина: хирургические инструменты, имплантируемые устройства, диагностическое оборудование. Другие отрасли: бытовая техника, сельское хозяйство, огнестрельное оружие, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, освещение, сантехника |
|
Точность |
Позволяет достигать строгих допусков и создавать сложные конструкции |
|
Универсальность |
Подходит для различных металлов, таких как сталь, алюминий, медь, нержавеющая сталь |
|
Гибкость проектирования |
Позволяет создавать изделия сложной формы |
|
Улучшение свойств металлов |
Деформационное упрочнение повышает прочность и долговечность |
Альтернативные методы штамповки металлов
При заметных производственных программах разумной альтернативы штамповке нет. В опытно-экспериментальном производстве конкурирующими процессами выступают технологии формообразования с применением высоких энергий – лазерная обработка, электрофизические процессы и др.
Заключение
Штамповка остаётся одним из ключевых процессов в современном производстве, обеспечивая высокую точность, прочность и экономичность при массовом выпуске изделий. Благодаря разнообразию технологий и применяемого оборудования, она успешно используется в машиностроении, авиакосмической отрасли, медицине и других сферах. Ознакомиться с широким ассортиментом металлопроката можно в каталоге продукции ЗАО «ТФД «Брок Инвест Сервис и К».