Штамповка металла

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 25 Апреля 2024

Сегодня немыслимо видеть мир без автомобилей и самолетов с их аэродинамическими формами, кухонных столовых приборов, фиксаторов и других обыденных элементов. Преобразование металла в объекты любой сложности достигается с помощью штамповки. Пластическая изменяемость сплавов при штамповке обеспечивает высокую эффективность и точность.

Процесс штамповки металла заключается в моделировании формы под воздействием давления пресса, которое можно регулировать. В один момент пресс способен выполнять различные операции, включая резку, рубку, гибку, отбортовку, чеканку, вытяжку и формовку.

Технологические разработки были известны еще до наступления новой эры. Археологические работы подтверждают, что кузнецам принадлежали декоративные пресс-формы для чеканки остриев стрел. Информация о первых экспериментах с использованием молотов, движимых силой гравитации, поступает из Библии и Скандинавской мифологии, и данный метод по-прежнему активно используется.

В 1817 году на Тульской оружейной фабрике кузнец по имени В.А. Пастухов применил рычажный пресс и подкладные штампы для производства курков. К 1819 году эта методика стала применяться для создания целого ряда деталей, необходимых для военного вооружения.

Следующие мероприятия явились ключевыми этапами в прогрессе технологии:

• Горизонтально-ковочные машины начали активно распространяться в 1835 году.
• В 1842 году Джеймс Немит начал строительство первого парового молота.
• В 1846 году был осуществлен первый пуск гидропресса, которым является изобретение Уильяма Армстронга.

В период XIX столетия производили механические и пневматические молоты, но заводы, возведенные в 1920-30-ые года, пока еще не были высокопроизводительными, а управление оборудованием сопряжено с немалыми трудностями. Только чтобы удовлетворить спрос на гвозди, функционировали тысячи производств.

Французская компания "Интерфорж" заказала создание гидравлического пресса с силой 650 МН, который был признан машиной века. За его разработкой стояли специалисты из Советского союза. Вес этого оборудования достиг 17 тысяч тонн, превзойдя вес Эйфелевой башни вдвое. Демонстрация для общественности показала, как пресс точно проникает в грецкие орехи, не нарушая структуру их внутренности.

Преимущества и недостатки штамповки металла

Перед покупкой прессованного металла под конкретные потребности или задания, необходимо выявить преимущества и недостатки этого материала.

Преимущества процесса штамповки включают в себя:

1. Высокий уровень эффективности процедуры, способность к большемасштабному производству.
2. Отличная прецизность размеров и высокое качество поверхности отштампованных элементов.
3. Максимальная конденсация материала, минимальные потери в процессе его обработки.
4. Процесс создания сложноструктурированных деталей, включая те, которые обладают выступами, впадинами, различными профилями.
5. Улучшение механических характеристик прессованных изделий достигается путем упрочнения металла.

Технология также имеет ряд минусов:

1. Высокие расходы, связанные с производством форм для каждого элемента.
2. Лимиты веса и размеров отштампованных элементов.
3. Невыполнимость изготовления деталей с проходными отверстиями
4. При неравномерном охлаждении может произойти деформация.
5. Проблематика автоматизации в сфере небольших серийных выпусков продукции

Процесс штамповки продолжает активно применяться в машиностроении для обработки металлов, поскольку его преимущества, упомянутые ранее, превалируют над потенциальными рисками и недостатками.

Сферы применения

Штамповочные технологии решают вопросы промышленного сектора и потребительские нужды. Изделия, созданные этим способом, характеризуются высокой точностью, и не требуют дальнейшей обработки металла.

Какие изделия создаются с использованием технологии штамповки:

• Предметы для приготовления и употребления пищи: столовые приборы, в том числе вилки и ложки, а также кухонная утварь, такая как кастрюли, и различные контейнеры.
• Процесс последовательной обработки металла различными прессами применяется для изготовления болтов и крепежей.
• Вертелы, пропеллеры для тепловых установок, вертолетов и судов;
• Детали, такие как шаровые подшипники, коленвалы и зубчатые перемещения, изготавливаются по технологии холодной штамповки, что исключает термоусадку.
• Оборудование в корпусах, автомобильные кузова, покрытие самолетов и кораблей;
• Металл в холодильных испарителях расширяют изнутри с помощью техники раздачи.

Показатели, с одной стороны технического, с другой - экономического характера, которые характеризуют разнообразные методы обработки металла штамповкой, исходят из эффективного использования ресурсов. Вот преимущества использования этого метода в промышленности:

• Процессы производства становятся автоматизированными.
• Уменьшение использования металла;
• Скоростная замена форм для прессования;
• Всякого рода геометрические конструкции;
• Почти не нужно проводить обработку поверхностей.

Установка отдельных процессов и производственных потоков требует значительных инвестиций, что создает препятствия для распроложения технологии. Недостатки:

• Требуется высокий уровень профессионализма для создания прототипов.
• Высококачественное оборудование;
• Приемлемость внедрения ограничивается исключительно серийным производством.
• Полное устранение ручного труда на многих стадиях остается нереальным.

Не всегда возможно автоматизировать процессы. В некоторых случаях, при выполнении операций на объектах, необходимо наличие штамповщика, управляющего размещением заготовок в прессе. Так, для обработки молотами нужен специалист 5-6 категории. В то же время, операции с гидравлическими установками можно поручить работнику только 3 разряда.

Штампы подвергаются продолжительным нагрузкам и создаются из устойчивых типов стали. Кроме того, применяются методы защиты рабочих поверхностей: специфические покрытия, укрепление путем закалки. Нынешнее оборудование обычно функционирует не посредством удара, а путем сжатия. Вместе с тем, на производствах все еще остается довольно высокий уровень шума и вибраций.

Особенности холодной штамповки

Обычно процесс холодной штамповки проходит без подогрева, однако в случае с особо твердыми сплавами иногда требуется повышать температуру. Важно, чтобы она не превышала температуру рекристаллизации.

Процесс воздействия давлением на сплавы сопровождается укреплением их структуры, что вызывает изменение показателей пластичности и осложняет реализацию последующих операций. Для нейтрализации этого эффекта используется промежуточный стабилизирующий термический обработка. Использование смазочных материалов гарантирует отсутствие царапин, сколов и других повреждений.

Рассматривается категоризация процессов штамповки в зависимости от типа обрабатываемых полупродуктов:

• Формоизменительная и разделительная листовая операция, в результате которой происходит устранение излишков металла.
• Трехмерные: оттиски для постепенного приближения к формату проекта.

Разновидности процесса холодной штамповки металла:

• Экструзия: сплав пропускают через матрицу для изготовления компонентов из хромистых сталей, которые используются для решения инженерных проблем в машиностроительстве, таких как цилиндрические втулки и маховики.
• Процесс высадки осуществляется с применением многократного удара мощностью до 11000 в минуту. В результате этого воздействия материал сжимается в длину и расширяется в ширину. Данный метод используется в производстве разнообразных крепежных элементов, таких как метизы, винты, болты и заклепки. Поскольку процесс упрочняет сплав, потребность в нескольких циклах высадки с промежуточными отжигами для рекристаллизации становится очевидной.
• Объемное формирование включает в себя процесс изменения структуры материала путем приложения сжимающих усилий. В открытых штампах любой излишек металла просто "вытекает", в то время как в закрытых процесс формирования происходит без образования отходов. До начала этого процесса заготовки предварительно преобразуются в необходимую форму путем отсечения, также из металла формируются толстостенные крышки и шайбы. Такой метод формирования используется для создания малых, но при этом высокоточных деталей. Фраза «чеканка» также может транслять аналогичное значение, как и «формовка».

Применение этих техник ограничено допустимым пределом пластичности сплавов. Чем менее высок этот показатель, тем больше операций необходимо выполнять, что не всегда является разумным.

Горячая объемная штамповка

В процессе создания объемных компонентов в пресс-формах используются специальные полости. В области металлургии эти полости именуются ручьями. Есть несколько типов ручьев:

• Подготовительные: обеспечивают распределение массы и сдвиг оси. Их классификация основана на типе воздействия: существуют гибочные, протяжные, пережимные, подкатные и другие варианты.
• Грубый формовка: основное искажение, где ковка становится схожей с конечной деталью, но отличается более шероховатыми контурами, более широкими радиусами скруглений и отсутствием канавок.
• Финальная отделка: прессование выполняется с целью улучшения точности и получения готовых изделий.

Цель ГОШ - это производство деталей в больших объемах, которые не могут быть получены методом ковки. Вес одного изделия может варьироваться от 3 до 4 тонн. Этот процесс требует значительных усилий, потребления энергии, высококвалифицированного обслуживающего персонала и использования оборудования, изготовленного из материалов, устойчивых к высоким температурам.

Компании, занимающиеся ГОШ, в основном направляют свою деятельность на обслуживание потребностей военной отрасли, железнодорожного сектора, авиационной индустрии и автомобильного производства.

Листовая штамповка

Технология создана для производства элементов с тонкими стенами и сосудов, однако, с ростом промышленности расширяется и ассортимент ее применения. Например, листовая штамповка может использоваться для изготовления облицовки боевых кораблей и даже космических аппаратов.

Операции, изменяющие форму:

• Возможность реализации V и U-образных изгибов, а также вариантов с повышенной сложностью является свойством гибки.
• Трансформация толщины листового материала.
• Отбортовка - это процесс создания ободков по периметру, как, например, у крышек для кастрюль.
• Обжим - это процесс сокращения диаметра конечной части, а также создание узких емкостей.
• Процесс формовки: модификация формы с поддержанием исходных контуров изначальной детали.

При разработке на опытных моделях исследуют поведение полуфабриката, изготовленного из выбранного сплава, при использовании различных методов деформации, определенной скорости и температуры. Затем происходит проектирование пресс-форм. Оборудование должно быть достаточно надежным, чтобы выдержать многомиллионные циклы работы. Большая степень износа отмечается в зонах, которые отвечают за прокол, резку и вытягивание. Иногда для усиления используются насадки, изготовленные из более твердых материалов по сравнению с пуансоном и матрицей.

Вместе с общепринятыми методами применяются новаторские подходы к обработке упругими материалами:

• Для процесса работы с твердым резиной заготовки проходят стадию обезжиривания и нагрева. Отметим, что некоторые виды деформаций не требуют использование смазки, например, при создании рифтов или подсечек.
• Поток жидкости притягивает листовой материал к твердой основе.
• Процесс взрыва: давление от взрывной волны вталкивает лист металла в форму. Этот метод используется для создания больших и сложных деталей, производство которых другими способами представляет сложность.

Изменение внешнего вида с помощью сред обрело свое место в создании диафрагм, перекрестных оснований крыла летательного аппарата, полуцилиндров, трехмерных компонентов.

Альтернативные методы штамповки металла

Процесс штамповки металлов обладает некоторыми специфическими характеристиками:

1. Через особенные пуансоны и матрицы формируется начальная стадия создания изделия.
2. Изменение формы металла происходит без выделения стружки, благодаря пластической деформации металла.
3. В зависимости от температуры, на которой прогревается заготовка, может быть применена как горячая, так и холодная штамповка.
4. Используется главным образом для обработки цветных металлов и соответствующих сплавов, и не так часто - для стали.
5. Детали, которые мы получаем, обладают высокой степенью точности размеров, варьирующейся в пределах ±0,5 мм.
6. Есть вероятность изготовления поковок с заметными углублениями, наростами, профилями.
7. Применяются уникальные ковочные стали и сплавы, имеющие склонность к укреплению.
8. Металл становится прочнее благодаря процессу деформационного наклепа.
9. Необходимо провести дополнительную механическую обработку штамповок для обеспечения точных габаритов.
10. Используется в процессе массового и крупносерийного изготовления компонентов.

Также, благодаря штамповке, удается изготовить сложные элементы с высоким качеством и точностью.

Кроме обычного способа обработки металлов - штамповки, существуют также и другие методы, применяющиеся под нагрузкой. В России их тоже используют:

1. Применение жидкости под сильным давлением на этапе формирования изделия в штампе называется гидроштамповкой. Этот метод позволяет создавать крайне сложные формы.
2. Применяется для обработки труднодеформируемых материалов, детали при этом образуются под воздействием импульсного электромагнитного поля индуктора.
3. Технология, объединяющая электрический импульс в жидкости с давлением, создаваемым гидравликой, называется электрогидравлической.
4. Применяет энергетику взрыва для изменения формы основного материала в пресс-форме - это взрывная.
5. Процесс изостатического прессования представляет собой формирование детали под давлением, которое распространяется со всех сторон внутри герметично закрытой полости пресса.
6. Процесс пултрузии заключается в проходе заготовки через форму, что позволяет постепенно придавать ей нужный вид за счет применения штампа.

Давайте поглубже рассмотрим те методы, которые помогают увеличить технологический потенциал штамповки, обеспечивая производство более сложных продуктов из различных материалов.

Магнитно-импульсная

Использование энергии импульсного магнитного поля является основой для магнитно-импульсной штамповки - современного метода обработки металлов под давлением.

Трансформация материала происходит под действием сил, которые генерируются при передаче электрического импульса через индукционную катушку. В индукционной катушке в течение микросекунд формируется магнитное поле с напряженностью до 100 Тесла. Влияние сил Лоренца в материале вызывает образование вихревых токов, которые и обуславливают давление на деформацию.

Возможность деформирования достигает отметку в 100 м/с, что дает возможность обрабатывать даже самые отличающиеся твердостью металлы. Этот метод обходится без прогрева заготовок, улучшая специфичность и качество поверхностей. Такой способ наиболее полезен для небольших серийного производства сложных осадок из термостойких и титановых сплавов. Но он требует больших расходов энергии и дорогостоящей аппаратуры.

Штамповка взрывом

Технология взрывной штамповки представляет собой метод обработки металлов под действием давления, основанный на применении энергии взрыва. В качестве источника давления используется взрывчатка, которую размещают в непосредственной близости от обрабатываемой заготовки. Наиболее распространен является газообразный продукт взрыва, обуславливающий равномерность давления. Благодаря ударной волне от взрыва, металл заготовки получает пластическую деформацию, при этом принимая форму штампа.

Во время взрыва уровень давления может доходить до сотен тысяч атмосфер, в то время как скорость деформации составляет около 103 метров в секунду. Этот метод распространен для формирования больших или трудно деформируемых деталей. Он подходит для материалов, таких как титан, жаропрочные и нержавеющие стали, а также алюминий.

Специфическое оборудование необходимо для обеспечения превосходного качества и точности изделий. Кроме того, необходимо строго придерживаться правил безопасности при обращении с взрывоопасными материалами.

Взрывная штамповка увеличивает возможности создания комплексных деталей из материалов, которые сложно обрабатывать.

Изотермическая штамповка

Изотермическая штамповка - это метод обработки металлов под давлением, при котором основным принципом является сохранение стабильной температуры материала в процессе деформации. Перед началом процесса материал подогревается до 700-900°C. В ходе штамповки используется активное охлаждение инструмента и материала. Температура во время всего процесса поддерживается с точностью в пределах +/- 10°C.

Метод деформации металла имеет ряд своих специфических характеристик:

1. Темп деформации превосходит тот, что наблюдается при горячем ковании.
2. В результате формируются более комплексные образы деталей.
3. Обеспечивает равномерную и мелкокристаллическую структуру металла.
4. Улучшает механические характеристики отливок путем дробления зерен.
5. Необходимо использовать высокоценное оборудование, а также строго регулировать температуру.
6. Используется в космической и авиационной отраслях, а также в ядерной энергетике.

Инструменты и оборудование

Обычно, процесс проектирования производственных линий для штамповки включает автоматическое выполнение некоторых операций под управлением компьютерных систем. Станки, используемые для холодной деформации, оснащены прессами и ударными устройствами для обработки изделий.

Разновидности станов:

• Инновационная технология электромагнитного применения: оттягивание пружин производится при отключении магнита от электронной сети.
• Принцип работы основан на поршневом механизме в гидравлических системах.
• Механизм кривошипно-шатунный, работающий на принципе возвратно-поступательного движения поршня, используется в двигателях внутреннего сгорания.
• Единицы радиального ковки оборудованы устройством для нагрева, при этом вращающийся обрабатываемый материал подвергается воздействию краев.

Методика ГОШ сходна с кузнечным производством, поэтому она включает в себя ударное оборудование и станки для ковки. Ключевые составляющие технической конфигурации:

• Молоты на паровоздушной тяге функционируют благодаря весу падающих элементов и давлению сжатого воздуха.
• Механические молоты на основе трения.
• Машины для горизонтальной ковки и вальцевые устройства;
• Прессы разнообразной структуры

Штампованные элементы из листового металла обычно производятся на кривошипно-шатунных станках, причем число поршневых устройств может достигать четырех. При изготовлении сложных изделий по методу вытяжки часто используются прессы двойного и тройного действия. Механизм, предназначенный для резки, чаще всего комплектуют различными видами ножниц: например, гильотинными, вибрационными или дисковыми.