Виды и способы штамповки металла

Обработка давлением в процессе штамповки происходит специальным профилированным инструментом - штампом, который состоит их двух частей. Неподвижная часть – матрица или матричный блок – закрепляется на столе/станине формообразующего оборудования, подвижная часть – пуансон или блок пуансонов – размещается на подвижном узле кузнечно-штамповочной машины. Для повышения точности процесса обе части штампа соединяются между собой направляющими системами.

Виды штамповочных технологий

Исходным сортаментом для деформирования всегда является прокат. листы, полосы, ленты, прутки, проволока. Часто используется и профильная продукция - уголки, швеллеры, иногда даже двутавры. Слитки не применяются, во-первых, из-за меньших, чем при ковке, габаритов конечной продукции, а. во-вторых, вследствие низкой исходной точности данного вида заготовок.

Классификация технологических процессов штамповки может быть выполнена на следующим принципам:

• По характеру течения деформируемого металла. Различают разделительные и формоизменяющие процессы;
• По относительному движению заготовки и инструмента различают штамповку металла, неподвижного во время выполнения операции, и штамповку на обрабатывающих центрах, когда при каждом рабочем ходе заготовка перемещается по определённой программе;
• По температуре обработки. Штамповка может быть горячей, полугорячей (тёплой) или холодной. Критерии подразделения те же, что и при ковке: холодной считается такая штамповочная операция, температура деформирования заготовки при которой не превышает 25% от температуры плавления металла. При этом полугорячей деформацией будет такая, при которой температура заготовки не достигает значений, необходимых для начала необратимых процессов микроструктурной перестройки;

• По геометрическим соотношениям поперечного сечения штамповка может быть листовой или объёмной. В частности, к листовой штамповке относят все операции обработки давлением, производимые с металлом, одно из измерений которого (чаще всего высота/толщина проката) намного меньше, чем два остальных – длина и ширина;
• По характеру перемещения подвижных частей штампа штамповка выполняется инструментом, который движется возвратно-поступательно или вращается. В последнем случае дополнительно различают непрерывные или циклические процессы. Непрерывным считается такая операция штамповки, когда деформированию вначале подвергается заготовка полностью, а затем разрезается на несколько готовых деталей/полуфабрикатов. При циклической штамповке обработке всегда подлежит только штучная заготовка;
• По количеству переходов штамповка может быть одно- или многопозиционной. Для достижения должной производительности в последнем случае конструкцией штампа предусматриваются соответствующие средства механизации или автоматизации;
• По виду применяемого кузнечно-штамповочного оборудования, которое может быть обычным, с автоматизацией отдельных операций (кузнечно-штамповочные автоматы) или автоматическим (комплексы или поточные автоматические линии).

Специализированная штамповка металла имеет свою градацию операций, которая определяется конструкцией исполнительных узлов оборудования и инструмента.

Листовая штамповка металла

Переходы листовой штамповки могут быть разделительными или формоизменяющими. К разделительным операциям относятся:

• Резка – полное разделение частей заготовки по незамкнутому контуру;
• Надрезка – неполное разделение частей заготовки по незамкнутому контуру;
• Обрезка – отделение детали от отхода;
• Вырубка – отделение части металла от основной заготовки, при этом образующийся продукт является деталью;
• Пробивка - отделение части металла от основной заготовки, при этом образующийся продукт является отходом;
• Разрезка – разделение смежных частей заготовки.

В силу специфики конструкции штампа несколько переходов за один рабочий ход могут совмещаться, например, это происходит при вырубке-пробивке, пробивке-разрезке и т.п.

Номенклатура формоизменяющих операций:

• Гибка, когда происходит изменение оси заготовки или её части. В свою очередь, гибка подразделяется на V- образную и П-образную;
• Вытяжка, при которой из плоской заготовки образуется пространственное изделие;
• Формовка, представляющая собой вытяжку части исходной заготовки. Разновидностями данной операции считаются рельефная формовка и чеканка, в результате которых на плоской поверхности получают местные выдавки или углубления;
• Отбортовка, заключающаяся в местном расширении одного из круглых сечений. Выполняется относительно трубчатых полуфабрикатов. Та же операция, которая производится с заготовками некруглого поперечного сечения, называется раздачей;
• Обжим – переход, противоположный раздаче;
• Вальцовка – формовка, производимая инструментом, который движется не возвратно-поступательно, а вращательно.

Некоторые из формовочных переходов могут выполняться на один рабочий ход оборудования.

Объемная

Основные операции холодной объёмной штамповки – высадка и выдавливание. Различие между ними состоит в том, что для выдавливания используют штучную заготовку, полученную, как правило, из прутка. Высадку ведут из проволоки, используя для этого автоматизированное оборудование – холодновысадочные и накатные автоматы.

Выдавливание (реже используют термины прессование или экструдирование) может быть прямым, обратным или комбинированным. При прямом выдавливании направление течения металла совпадает с перемещением деформирующего инструмента. Соответственно, при обратном выдавливании оно противоположно движению подвижной части штампа. Часто реализуется и комбинированное выдавливание.

Высадка или выдавливание – прямые конкуренты операций обработки металла на станках. Они существенно превышают возможности механической обработки по производительности и качеству готовой продукции. В частности, используя технологическое упрочнение металла, достигаемое созданием благоприятной микроструктуры, обеспечивается значительно более высокая долговечность готовых изделий. Ограничением считается высокая удельная энергоёмкость операций холодной объёмной штамповки, поэтому её следует предусматривать преимущественно для условий серийного и массового выпуска продукции.

Операция штамповки объёмного проката, выполняемая в холодном состоянии - это также накатывание резьб и профилей.

Горячая

При горячей объёмной штамповке используются те же переходы, что и при ковке, например, осадка, прошивка, плющение и др., которые, однако, ведутся в штампах. Во многих случаях характер формоизменения металла схож с соответствующими переходами холодной штамповки. Например, это можно сказать о резке, высадке, выдавливании, отбортовке, вальцовке.

Отдельно выделяются операции горячей листовой штамповки, выполняемые с толстолистовым или профильным прокатом значительных поперечных сечений. Для этого заготовки нагревают в печи до температур, на 100…150⁰С меньших, чем температуры начала структурных превращений в материале. Температурный диапазон горячей листовой штамповки выбирают из условия минимума образующейся окалины, наличие которой приведёт к снижению стойкости штампов. После нагрева с заготовкой могут выполняться преобладающее большинство вышерассмотренных переходов пластического деформирования.

Терминология основных штамповочных переходов изложена в ГОСТ 18970-84.

Холодная

Основные положительные особенности холодной штамповки:

• Наличие деформационного упрочнения металла, вследствие чего для обработки можно принимать более дешёвую низкоуглеродистую сталь с меньшими показателями исходной прочности;
• Повышенная размерная точность. Считается, что качество поверхности готовой детали всего на 1 класс ниже, чем класс точности деформирующего инструмента;
• Высокая производительность в десятки раз превышающая соответствующие показатели металлорежущего оборудования, включая станки-автоматы.

Вместе с тем повышенная трудоёмкость проектирования, производства и эксплуатации штампового инструмента, а также его неуниверсальность ограничивают применение процессов штамповки лишь массовым производством однотипной продукции, например, в автомобилестроении, метизном производстве, выпуске радиоэлектронных и электротехнических изделий.

Альтернативные способы штамповки

Ограничения традиционных штамповочных технологий побуждают исследователей к разработке альтернативных технологических процессов обработки металлов давлением. Ассортимент таких видов постоянно возрастает. Сейчас практически освоены и используются следующие виды штамповки:

• Штамповка жидкого металла, при которой металл заливается в штамповую полость в жидком состоянии, а завершение процесса деформирования соответствует моменту перехода металла из полужидкого состояния в твёрдое. В отличие от внешне схожих переходов литья под давлением жидкая штамповка способствует получению изделий с повышенной плотностью и улучшенными механическими характеристиками;
• Деформирование с применением высоких энергий. Эта группа технологий включает в себя штамповку взрывом, гидроформовку и обработку концентрированным магнитным полем. В первом случае используется энергия взрыва, когда заряд размещается под уровнем воды, а высвобождающаяся мощность достаточна для пластического деформирования особо массивных изделий, например, паровых котлов. При гидроформовке высокое давление жидкости создаётся механическим оборудованием, а при электромагнитной формовке – токами, которые пропускаются через проводящую катушку нужной конфигурации;
• Прессованием металлопорошков, которое проводится при обычных и повышенных температурах исходного сырья. При этом холодная штамповка порошков обеспечивает конечной продукции высокую прочность, плотность и точность, а горячая – возможность получать более габаритные по размерам изделия.

Определённое распространение получили также технологии сферодвижной, изотермической и высокоскоростной штамповки.

Инструменты и оборудование

Основные виды кузнечно-штамповочного оборудования:

1. Ножницы – сортовые, комбинированные (для резки различных профилей проката) или листовые. Используют принцип хорошо известной гильотины, когда за счёт разницы в угле наклона подвижного ножа последовательно осуществляется разделение металла. Исполнительный механизм ножниц – кривошипного типа.
2. Паровоздушные, пневматические и гидравлические штамповочные молоты, энергоносителем в которых выступают соответственно пар, сжатый воздух или жидкость высокого давления. Являются оборудованием ударного действия, деформируют металл не усилием нажатия, а энергией, воздействующей на поковку.
3. Кривошипные прессы, подразделяющиеся на оборудование для горячей штамповки (КГШП), универсальные прессы для листовой штамповки и гидравлические прессы. Формоизменение происходит за счёт усилия, развиваемого исполнительным механизмом.
4. Ротационные машины, инструмент которых совершает вращательное движение – вальцы, дисковые ножницы. Этот вид оборудования деформирует металл крутящим моментом.
5. Винтовые машины с механическим, электромеханическим или гидромеханическим приводом. Их энергетические характеристики являются промежуточными между прессами и молотами.
6. Гидро- и газостаты – машины, развивающие чрезвычайно высокие статические давления, которые достаточны для компактирования металлических порошков.

Технология штамповки подразумевает применение специализированного инструмента – штампов. Их различают:

• По числу позиций: одно- и многопозиционные;
• Временем выполнения переходов штамповки: штампы последовательного, совмещённого и последовательно-параллельного действия;
• По относительному расположению; на вертикальные и горизонтальные;
• Конструкцией направляющих и фиксирующих узлов;
• По степени точности – обычные или прецизионные.

Штампы прессов-автоматов обычно именуют комплектом деформирующего инструмента. Для некоторых разновидностей штамповки (например, для взрывной или электромагнитной формовки) штампы как инструмент отсутствуют.

В современных конструкциях штампов обязательно предусматриваются узлы подачи, удаления или перемещения обрабатываемых заготовок.

Автоматические штамповочные линии

Высокая производительность технологий кузнечно-штамповочного производства предполагает обязательное применение средств механизации и автоматизации. Для этого создаются и используются поточно-механизированные и автоматизированные линии. В состав таких линий входят:

• Автоматические стеллажи (преимущественно для разделительного оборудования);
• Бункерно-загрузочные устройства для штучных заготовок (используются в нагревательных устройствах и листоштамповочных комплексах);
• Подачи – валковые, роликовые, клещевые, клиновые, которые встраиваются в схему работы оборудования;
• Перекладчики, которые применяются при многопозиционной горячей или холодной штамповке.

Высшей степенью автоматизации кузнечно-штамповочного производства является применение автоматических линий, управление которыми программируется и осуществляется с централизованного пульта. Часто в составе таких линий функционируют промышленные роботы.