Штамповка металла позволяет быстро и точно придать исходному листовому материалу форму готового изделия. Данный процесс заключается в деформации металла под действием направленного давления. При этом материал изменяет свою форму, сохраняя начальную толщину листа.

1 Основные виды штамповки металлов

Такой способ обработки применяется в мелком, среднем и большом объеме в производствах, специализирующихся на машино- и приборостроении. Штамповка изделий из металла применяется почти во всех отраслях, позволяя создавать любые детали (от стрелок часов до автомобильных дисков и элементов корпуса самолетов). Данная технология имеет очень долгую историю и даже сейчас активно развивается. Постоянно появляются новые методы, использующие силы разного происхождения, кроме гравитации. Деформирование происходит под действием гидравлического давления, электрического тока, магнитного поля и т. д. Далее мы рассмотрим вопросы, связанные с принципом действия штамповочных прессов, видами и методами деформации металла и использованием изделий, созданных таким способом в разных отраслях промышленности.

Деформация листового металла может осуществляться под действием высокого давления либо при комбинировании давления и температуры. Исходя из этого, все типы штамповки можно разделить на две большие группы:

• холодная;
• горячая.

Оба типа имеют свои преимущества и недостатки, которые разграничивают сферы их использования. осуществляется при температуре ниже точки плавления металла. Это позволяет избежать усадки при остывании, но накладывает ограничения на форму конечного изделия. Таким методом создают детали без большого количества рельефных элементов, например, детали корпуса автомобиля. Основные требования к используемому материалу при холодной штамповке - высокая пластичность и отсутствие хрупких деформаций. Метод подходит для низкоуглеродистых и легированных сталей, меди, латуни, сплавов алюминия и магния, титана. Поверхность изделий получается ровной, гладкой, размеры продукции с высокой точностью соответствуют заданным.

В зависимости от вида готовой продукции холодная штамповка может быть листовой и объемной. Листовая предназначена для создания таких элементов, как корпуса приборов, детали автомобильного кузова, различные пластины сложной геометрической формы. Заготовки сохраняют свою первоначальную толщину, изменяется только их геометрическая форма. При помощи объемной штамповки производят детали, к которым выдвигаются требования особой надежности и точных геометрических размеров: коленвалы автомобилей, шаровые опоры и т. п. В процессе таких деформаций происходят вдавливание одних структурных элементов поверхности и выдавливание других.

Преимущества перед обычной резкой довольно значительные. Во-первых, такая поковка имеет большую производительность - до 40 тысяч деталей за смену. Во-вторых, таким способом можно создать изделие большой мощности при малой толщине материала, например, оборудовав конструкцию ребрами жесткости, что сделать практически невозможно при любом типе резки. Поверхность полученных деталей ровная, не требует шлифовки и грунтовки перед покраской. Все перечисленные преимущества позволили повсеместно внедрить методы штамповки во всех отраслях промышленности, особенно в автомобилестроении, авиации и электронном производстве.

Горячая штамповка, или ковка, требует предварительного нагрева самой заготовки либо заготовки и штамповочного молота. Данным методом создаются детали сложной геометрической формы, требующие дальнейшей механической обработки, поскольку на стыке пресс-форм остается часть материала. Поверхность изделий вследствие нагревания до высокой температуры покрывается пленкой окислов, которые удаляются на последующих этапах производства.

Данный метод штамповки производится посредством действия на горячую деталь, которая находится между подвижной и неподвижной частями пресса. В зависимости от зазора между частями штампа ковку делят на два вида:

1. В открытых штампах. Такой способ предполагает наличие небольшого зазора между плоскостями пресса. В это пространство вытекают излишки металла - облой. Он перекрывает все свободное пространство, вследствие чего остальной материал вынужден занять свое место в пресс-форме. Такой метод дает возможность производить детали точных геометрических размеров, но требует последующих технологических операций по удалению облоя.
2. Штамповка в закрытых штампах. Данный вид горячей ковки происходит посредством действия пресс-форм, между которыми не остается зазор. В результате получается закрытая полость, в которой формируется изделие. Заготовки для такой штамповки должны иметь точно рассчитанные размеры, форму и толщину. Одно из преимуществ закрытых штампов - практически полное отсутствие облоя, так что такое производство является более эффективным, хотя и требует тщательной подготовки исходного материала.

2 Альтернативные методы штамповки металла

Ковка и штамповка могут осуществляться не только давлением молотов и высокой температурой, но и посредством других сил.

Рассмотрим наиболее распространенные виды деформации металлов:

1. В производстве деталей для самолетов и ракет широко используется штамповка взрывом (рис. 1). Технологический процесс формирования деталей производят в бассейне с водой, расположив заготовку на пресс-форму, над которой размещается заряд взрывчатого вещества. После детонации взрывная волна в комбинации со смесью газов высокого давления действует на заготовку, придавая ей нужную форму. Таким методом формируются сложные элементы для авиации и ракетостроения, взрывом патрубка для моторов приобретают плавные изгибы, так как в водной среде не происходит их разрыв.
2. Магнитно-импульсная ковка и штамповка (рис. 2) осуществляются путем преобразования электрического тока и сопутствующего ему магнитного поля в механические деформации заготовки. Процесс осуществляется очень быстро - за десятые доли секунды.
3. Электрогидравлическая штамповка (рис. 3) основана на действии высокого напряжения в среде жидкости. В результате замыкания контактов проводника возникают высокая температура и волна давления, что делает данный метод похожим на деформацию взрывом.
4. Изотермическая штамповка является одним из альтернативных подвидов горячей ковки. Отличие заключается в том, что пресс-форма и заготовка разогреваются до температуры плавления металла, которая поддерживается на протяжении всего процесса. В результате такого действия пресса исключается риск возникновения трещин, связанных с перепадом температур. Внутри формы металл получает свойства пластичного материала и с высокой точностью заполняет все пустоты. Изделия получают точную форму и размеры, практически не нуждаются в дальнейшей обработке (рис. 4).
5. Валковая штамповка (рис. 5) осуществляется посредством прокатывания заготовки на твердосплавных пресс-валах. После такой обработки деталь получает заданную форму, повышаются механические свойства вследствие возникновения направленности микроструктур металла.

3 Преимущества использования методов штамповки

Изготовление деталей при помощи высокого давления позволяет создавать детали практически любой формы, значительно уменьшая расход материала. По сравнению с резкой листовой материал под прессом не теряет механических свойств.

Штамповка довольно проста в применении как на больших предприятиях, так и в мелкосерийном производстве.

Данная высокоскоростная технологическая операция позволяет получать от 30 до 40 тысяч деталей в сутки. После завершения штамповки изделия нуждаются только в минимальной доработке: снятии облоя, шлифовке и полировке.

Универсальность применения метода обеспечивается возможностью быстрой замены пресс-форм, расположенных на молотах. Штамповка доказывает свою высокую результативность при внедрении на производствах разного типа (от точного приборостроения до создания автомобилей, самолетов и ракет).

Такие виды механического деформирования, как магнитная, взрывная и электрогидравлическая штамповки, позволяют создавать сплошные конструкции практически любого размера без швов.

4 Заключение по теме

Штамповка применяется уже очень давно, так как происходит от ковки металлов - процесса, развивающегося вместе с человечеством, без которого невозможно представить себе создание орудий труда, строительных инструментов и оружия.

Современные методы изготовления деталей требуют не только высокой точности, но и экономии материала. Тогда как при резке металла очень большая его часть уходит в стружку, штамповка с максимальной рациональностью расходует материал, придавая ему форму, практически не нуждающуюся в дальнейшей обработке.

Хотя прессы, используемые для штамповки, постоянно развиваются, увеличивая мощность и производительность, их технические характеристики иногда не позволяют создать детали очень больших размеров. В таком случае на помощь приходят альтернативные методы, которые используют гидравлические, взрывные и электромагнитные силы.

Внедрение на производство данных методов позволяет сократить расход материалов, увеличить точность и надежность изделий и ускорить технологические процессы производства.

Штамповка металла - процесс контролируемой деформации, при котором тело меняет свою форму под воздействием избыточного давления. Благодаря такой обработке металлическим изделиям придают самые разнообразные формы, которые необходимы им для выполнения своих функциональных обязанностей. Штамповке поддаются детали небольшой толщины, так как сгибать толстую продукцию весьма проблематично.

Существует два вида штамповки металлов: холодная и горячая. Первый вариант подразумевает обработку заготовки без ее предварительного нагревания. Этот метод дешевле с точки зрения промышленного производства, так как не требует затрат энергии на доведение металла до определенной температуры. Таким способом обрабатывают в основном тонкие листы, которые и без нагревания хорошо поддаются воздействию.

Процесс холодной штамповки листового металла разбит на несколько этапов, каждый из которых играет важную роль для получения конечного результата. На начальном этапе выполняется процесс уплотнения, который снижает пластичность металла, чтобы изделие лучше держало полученную в результате штамповки форму. Технологически процесс представляет собой прессование металлической заготовки под большим давлением.

На втором этапе производится отжиг изделий при температурах 550-620 градусов по Цельсию в специальных печах. Это позволяет провести процедуру рекристаллизации металлической решетки и внедрению в нее атомов углерода на молекулярном уровне, что позволяет значительно повысить прочность металла. Время отжига зависит от состава сплава и размеров обрабатываемых деталей. Когда подготовка окончена, изделие отправляется на пресс для холодной штамповки металла, который придаст ему нужную форму.

По времени процедура занимает считанные секунды и не требует вмешательство человека. На прессах используются специальные матрицы, изготовленные из твердых сортов стали, реже из других сплавов. Они предназначены для длительной эксплуатации, в процессе которой сохраняют свою первоначальную форму с точностью до миллиметра. Это очень важно, так как холодная штамповка металла производится под конкретные нужды, и отклонения по форме готовой продукции недопустимы, так как это может привести к не состыковкам с другими деталями. Данный способ безвреден для рабочего персонала, так как им не приходится находиться в зоне с высокими температурами. Кроме того отсутствие необходимости предварительного нагрева позволяет довольно просто провести автоматизацию рабочего процесса.

Горячая штамповка металла позволяет обрабатывать более толстые заготовки, так как в раскаленном сплаве гораздо слабее межмолекулярные связи, и он лучше поддается сгибанию. Металлические изделия перед началом процедуры проходят те же самые подготовительные этапы, как и в случае с холодной штамповкой. Но оборудование для штамповки металла уже существенно отличается. Оно состоит из двух основных частей: печи и пресса. Печь используется для предварительного нагрева заготовки до температуры красного каления. В таком виде сплав хорошо поддается физическому воздействию и при этом полностью отсутствует риск его пережога.

Для создания оптимальных условий внутри печи современные станки оборудуются высокоточной автоматизированной системой управления. Она требует лишь выставления начальных параметров, которые зависят от типа обрабатываемой детали. Обо всем остальном позаботится компьютер. Прессы для штамповки металла горячим способом изготавливают из твердых, высоколегированных марок стали, которые проходят дополнительную обработку для повышения стойкости к термическим нагрузкам. Они должны выдержать определенное количество технологических операций без потери своих первоначальных характеристик, поэтому очень важно использовать наиболее качественный материал для их производства.

Горячая штамповка требует непосредственного участия человека в производственном процессе. Заготовка быстро остывает в нормальных условиях, так что ее необходимо оперативно доставлять от печи к станку для штамповки металла. Этим занимается рабочий, который при помощи кузнечных клещей переносит изделие на нужное место. Работа в среде с постоянно высоким температурным режимом негативно отражается на организме, поэтому необходимо правильно рассчитывать продолжительность смен, чтобы минимизировать вредное влияние условий на работников. Автоматизация процесса также сталкивается с большими трудностями и требует высоких затрат, поэтому практически нигде не используется.

Для охлаждения деталей не применяют дополнительного оборудования, они остывают естественным путем. В большинстве случаев после штамповки не требуется дополнительной обработки деталей. Исключение составляют изделия для автомобильной промышленности, которые подвергаются процедуре оцинковке. Иногда при штамповке листового металла возникает необходимость обрезать лишние элементы. Для этого используется специальный станок с высокоточным резаком.

Жидкая штамповка металла

Кроме двух перечисленных способов существует еще один, который применяется значительно реже. Он подразумевает жидкую штамповку металла или так называемое литье под давлением, когда сплав заливается в закрытый штамп в жидком состоянии, а окончательное формирование изделия происходит уже в твердом виде. Это позволяет получать детали идеальной формы с улучшенными механическими свойствами. Широкому распространению метода на данном этапе мешает дороговизна и сложность технологического процесса.

Технология штамповки металлов используется для производства большого ассортимента продукции для различных отраслей. Таким способом получают детали автомобильного кузова, разнообразные панели и отделочные материалы, корпуса для бытовой техники. Штамповка является одним из древнейших методов обработки металлов, который дошел до наших дней. Изменилась технология, но принцип остался тот же самый, что и много лет назад.

При помощи объемной штамповки металла получают изделия самой разнообразной формы. Это и специальные уголки, которые используются в анкерных крепях, и разнообразные элементы для оборудования, и детали, используемые в производстве приборов, узлов и агрегатов для всех отраслей промышленности.

Штамповка изделий из металла позволяет получить деталь практически любой формы, чего нельзя добиться при других видах обработки. Это с успехом используется на металлургических заводах, которые могут быстро подстраиваться к новым потребностям рынка. Нужно всего лишь изготовить штамп необходимой формы и можно приступать к выпуску новой продукции.

Технологический процесс, при котором происходит обработка заготовок, позволяющий получить плоские или объёмные готовые изделия различных форм и размеров, - это штамповка. Рабочим инструментом для такой цели является штамп, который закреплён на прессе или другом оборудовании. Штамповка - это два вида технологии, которые в зависимости от условий выполняются горячим или холодным способом, а потому и оборудование, и технологические нормы отличаются друг от друга.

Категории

Помимо разделения технологии на холодный и горячий способы, штамповка - это целый ряд категорий, на которые подразделяются методы обработки материала. Зависит выбранный способ чаще всего от назначения изделия, но и технологические условия тоже на него влияют. Например, есть способ, при котором отделяется часть заготовки, и это штамповка разделительная. Сюда же входят пробивка, рубка, резка деталей. Есть категория операций, когда применяется горячая штамповка, посредством которой лист металла меняет форму. Их ещё называют формовкой. В результате детали подвергаются гибке, вытяжке и другим процедурам.

Холодная и горячая штамповка реализуются с использованием одного и того же принципа, который предполагает деформирование материала, но в остальном изготовление продукции этими методами имеет много отличий. Предварительный нагрев деталей до определённых (и достаточно высоких) температур предполагается в основном на крупных промышленных предприятиях, каким является, например, металлообрабатывающий завод. Это связано со сложностью такого технологического процесса, большим количеством операций, качественно выполнить которые можно только с точным предварительным расчётом и соблюдением высокой точности степени нагрева заготовки.

Горячий способ

Штампованные детали, обработанные по горячей технологии, должны обладать отменным качеством, поскольку, например, из листового металла разной толщины изготавливают такие ответственные вещи, как днища котлов и другие полусферические изделия, в том числе и ответственные элементы в судостроении. Для нагрева металлической детали используют оборудование, обеспечивающее правильный температурный режим.

Эти устройства и печи могут быть плазменными, электрическими или другими, их достаточно много видов. Перед подачей горячей детали на штамповочный пресс нужно не только норму нагрева рассчитать, но и разработать подробный чертёж уже готового изделия, где обязательно учесть усадку металла после остывания.

Холодная штамповка

Выполнение штамповки холодным способом подразумевает формирование изделия посредством давления, которое оказывают на заготовку рабочие элементы пресса. Усадке такие изделия не подвержены, потому что предварительно их не нагревают. Дальнейшая механическая доработка таким изделиям тоже не нужна после того, как окончена штамповка. Способы штамповки могут быть разными, холодный же является и более удобным, и экономически выгодным.

Материалы, хорошо поддающиеся холодной штамповке, относятся не только к углеродистым или легированным сталям. Штамповочное производство успешно работает и на алюминиевых, и на медных сплавах. Холодный способ выполняется преимущественно с помощью гидравлических прессов, и производство их регулируется ГОСТом. Серийные модели весьма разнообразны, а потому появляется возможность подобрать подходящий станок для производства любых конфигураций и размеров изделий. Штампы для штамповки металлов по своему оснащению очень сильно отличаются от тех, которые работают с такими материалами, как кожа, резина, картон, полимерные сплавы и тому подобное.

Разделительное штампование

Одной из самых распространённых технологическх операций является разделительное штампование, которое отделяет от заготовки часть металла. Этот способ используется почти на всех производственных предприятиях. На штамповочный пресс устанавливают специальные инструменты, которые производят резку, вырубку и пробивку материала. Благодаря этому процессу можно разделять металлические детали хоть по кривой, хоть по прямой линии реза. Резку выполняют самые разные устройства: вибрационные и дисковые станки и тому подобное. Используется резка для того, чтобы для дальнейшей обработки раскроить заготовки.

Вырубка - другая технологическая операция. Например, нержавеющий лист из металла нужно превратить в детали с замкнутыми контурами. Листовой металл при помощи пробивки снабжают отверстиями любой конфигурации. Нужно сказать, что и этот технологический процесс требует тщательной предварительной подготовки и подробного плана, с расчётом геометрических параметров инструмента, который используется. Иначе качественное изделие может и не получиться. Технологических операций, касающихся штамповки, очень много, потому что требуется изменить начальную конфигурацию деталей. Это гибка, формовка, отбортовка, вытяжка и обжим.

Технологические операции

Наиболее распространённая операция, изменяющая форму детали, это гибка, которая формирует на поверхности заготовки из металла запланированные участки с изгибом. Вытяжкой называется объёмная штамповка. Это операция, с помощью которой получается объёмное изделие из такой плоской металлической поверхности, как, например, металлический нержавеющий лист. Именно с помощью вытяжки он превращается в цилиндр, конус, полусферу или принимает коробчатую конфигурацию. Изделия из листового металла должны иметь бортик по краю и вокруг отверстий, если они внутри заготовки выполнены. Например, отбортовка должна завершать конец трубы, чтобы установить на неё фланец. Такая операция требует наличия специального инструмента.

При помощи обжима происходит обратное действие. Отбортовка расширяет концы заготовок из листового металла, а обжим сужает. Те же концы труб или край полости требуют такой операции, которая осуществляется посредством конической матрицы наружно. Формовка тоже относится к основным операциям, относящимся к штамповке. Она помогает изменить форму отдельным элементам штампованной детали, а наружный контур оставляет неизменным. Объёмная штамповка требует работы специального оборудования и сложных предварительных чертежей, а потому в домашних условиях практически никогда не реализуется.

Выбор пресса

Для обработки металлов, даже самых мягких (например, для штамповки алюминия), требуется специальное оборудование: гидравлический или кривошипный пресс или гильотинные ножницы. И конечно же, необходимы многие знания. Например, как произвести расчёты по расходу материала и выполнить технические чертежи. Требования ГОСТа при этом обязательно учитываются.

Чтобы выбрать нужный пресс для штамповки, сначала нужно чётко представить себе задачу, которую ему предстоит решать. Выполнение таких операций, как пробивка или вырубка, требует использования штамповочного оборудования простого действия, с небольшим ходом ползуна и шайб в процессе обработки. Но уже для вытяжки необходимо совсем другое, более мощное оборудование, где ползун и шайбы совершают значительно более широкий ход. Такая способность есть у оборудования двойного действия.

Оборудование по ГОСТу

Выполнение штамповки в зависимости от условий задачи может быть совершено на оборудовании следующих типов: одно-, двух- и четырёхкривошипном. Последнее - с установкой ползунов крупных размеров. Однако оснащение штамповочного пресса матрицей не зависит от конструктивного исполнения. Основную работу посредством движения выполняет ползун, соединённый нижней своей частью с подвижным штампом. А чтобы ползун пресса двигался, приводной электродвигатель снабжён элементами кинематической цепи: пусковой муфтой, шайбами, кривошипным валом, шатуном, регулирующим величину хода ползуна.

Запускается ползун с помощью ножной пресс-педали, которая связана с пусковой муфтой, после чего начинаются его возвратно-поступательные движения, направленные на рабочий стол пресса. Четырёхшатунный пресс имеет другой принцип действия. Его рабочие органы направляют всё усилие в середину четырёхугольника, который образуют четыре шатуна. Такое устройство успешно используют для изготовления изделий самой сложной конфигурации: асимметричных или габаритных.

Для сложных изделий

Чтобы получить качественные изделия сложной конфигурации, очень широко используется пресс пневматического типа с двумя или тремя ползунами. Пресс двойного действия работает двумя ползунами одновременно: внешний фиксирует заготовку, а внутренний производит вытяжку поверхности штампуют специальными фрикционными прессами, а толстые - гидравлическими, которые имеют более надёжные шайбы.

Отдельная категория штамповочного оборудования - штамповка, управляемым взрывом. Такие устройства направляют мощность взрыва на отдельные участки металлической заготовки (обычно значительной толщины). Это инновационное оборудование, работа которого даже на видео выглядит весьма эффектно. Сгибы и общую конфигурацию сложного изделия обрабатывают с помощью встроенных вибрационных ножниц.

Листовая штамповка

(например, изготовление перфолиста) подразумевает процесс пробивания листового металла. Вся остальная штамповка - объёмная. Применяемая оснастка для штамповочного оборудования разделяется на виды. Она может быть инструментальной, импульсной (взрыв, магнитный или гидроимпульс), валковой или штамповкой эластичными средами. Листовой штамповкой можно изготовить пространственные и плоские детали различной массы - от долей грамма, и различных размеров - от долей миллиметра (здесь можно посмотреть на секундную стрелку наручных часов). Также листовой штамповкой изготавливаются детали во многие десятки килограммов по массе и в несколько метров величиной (автомобильная облицовка, ракеты и самолёты).

Используют для этого преимущественно низкоуглеродную сталь, а также и легированную - с особой пластичностью, латунь, медь, алюминий и магний со сплавами, титан и многое другое. Листовая штамповка - это почти все отрасли промышленности: ракето-, самолёто-, тракторо-, авто-, приборостроение, электротехническая промышленность и так далее, можно перечислять всё. Преимущества её велики.

Объёмная штамповка

Объёмная штамповка может быть выполнена и холодным, и горячим способами. Горячая - обработка давлением, где формообразование поковки осуществляется с помощью штампа. Заготовками служат прокат прямоугольного, круглого, квадратного профиля, который разрезается на мерные заготовки (иногда не разрезают, а штампуют прямо из прутка, отделяя затем поковку прямо штамповочной машиной).

Объёмная штамповка применяется при массовом производстве и серийном, что повышает производительность труда и снижает отходы металла. Качество изделий тоже соответствует высоким стандартам. Такой штамповкой получают изделия, исключительно сложные по форме, которые нельзя получить даже свободной ковкой.

Штампы открытые и закрытые

Открытые штампы позволяют наблюдать зазор между неподвижной и подвижной частями станка. При горячей штамповке в зазор вытекает облой - металл, закрывающий выход из полости и заставляющий остальную массу заполнить полость полностью. В процессе деформирования в облой попадают излишки металла. Но удалять облой трудно.

Закрытые штампы не позволяют заглядывать внутрь и наблюдать процесс - полость закрыта. Облой тоже не предусмотрен. Устройство такого штампа зависит от типа станка. Здесь нужно очень строго соблюдать точность объёмов и равенство их в заготовках и поковках: недостаток металла оставит пустыми углы полости, а избыток его сделает поковку больше требуемой по высоте.