Объемная штамповка металлических изделий

Штамповка — процесс пластической деформации материала с изменением формы и размеров тела. Чаще всего штамповке подвергаются металлы или пластмассы. Существуют два основных вида штамповки — листовая и объёмная. Листовая штамповка подразумевает в исходном виде тело, одно из измерений которого пренебрежимо мало по сравнению с двумя другими (лист до 6 мм). Примером листовой штамповки является процесс пробивания листового металла, в результате которого получают перфорированный металл (перфолист). В противном случае штамповка называется объёмной. Для процесса штамповки используются прессы — устройства, позволяющие деформировать материалы с помощью механического воздействия.

По типу применяемой оснастки штамповку листовых материалов можно разделить на виды:

штамповка в инструментальных штампах, штамповка эластичными средами, импульсная штамповка:

магнитно-импульсная, гидро-импульсная, штамповка взрывом, валковая штамповка.

Холодная листовая штамповка Сущность способа заключается в процессе, где в качестве заготовки используют полученные прокаткой лист, полосу или ленту, свёрнутую в рулон. Листовой штамповкой изготовляют самые разнообразные плоские и пространственные детали массой от долей грамма и размерами, исчисляемыми долями миллиметра (например, секундная стрелка ручных часов), и детали массой в десятки килограммов и размерами, составляющими несколько метров (облицовка автомобиля, самолёта, ракеты).

Для деталей, получаемых листовой штамповкой, характерно то, что толщина их стенок незначительно отличается от толщины исходной заготовки. При изготовлении листовой штамповкой пространственных деталей заготовка обычно испытывает значительные пластические деформации. Это обстоятельство вынуждает предъявлять к материалу заготовки достаточно высокие требования по пластичности.

При листовой штамповке чаще всего используют низкоуглеродистую сталь, пластичные легированные стали, медь, латунь, содержащую более 60% Cu, алюминий и его сплавы, магниевые сплавы, титан и др. Листовой штамповкой получают плоские и пространственные детали из листовых неметаллических материалов, таких, как кожа, целлулоид, органическое стекло, фетр, текстолит, гетинакс и др.

Листовую штамповку широко применяют в различных отраслях промышленности, особенно в таких, как авто-, тракторо-, самолето-, ракетои приборостроение, электротехническая промышленность и др.

К преимуществам листовой штамповки относятся:

возможность получения деталей минимальной массы при заданной их прочности и жёсткости;

достаточно высокие точность размеров и качество поверхности, позволяющие до минимума сократить отделочные операции обработки резанием; штамповка деформация металл гидростатический сравнительная простота механизации и автоматизации процессов штамповки, обеспечивающая высокую производительность (30—40 тыс. деталей в смену с одной машины);

хорошая приспособляемость к масштабам производства, при которой листовая штамповка может быть экономически целесообразной и в массовом, и в мелкосерийном производстве.

Горячая объёмная штамповка Горячая объёмная штамповка — это вид обработки металлов давлением, при которой формообразование поковки из нагретой заготовки осуществляют с помощью специального инструмента — штампа. Течение металла ограничивается поверхностями полостей (а также выступов), изготовленных в отдельных частях штампа, так что в конечный момент штамповки они образуют единую замкнутую полость (ручей) по конфигурации поковки. В качестве заготовок для горячей штамповки применяют прокат круглого, квадратного, прямоугольного профилей, а также периодический. При этом прутки разрезают на отдельные (мерные) заготовки, хотя иногда штампуют из прутка с последующим отделением поковки непосредственно на штамповочной машине.

Применение объемной штамповки оправдано при серийном и массовом производстве. При использовании этого способа значительно повышается производительность труда, снижаются отходы металла, обеспечиваются высокие точность формы изделия и качество поверхности. Штамповкой можно получать очень сложные по форме изделия, которые невозможно получить приемами свободной ковки.

Штамповка в открытых штампах характеризуется переменным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор вытекает часть металла — облой, который закрывает выход из полости штампа и заставляет остальной металл заполнить всю полость. В конечный момент деформирования в облой выжимаются излишки металла, находящиеся в полости, что позволяет не предъявлять высокие требования к точности заготовок по массе. Недостаток такого способа штамповки — необходимость удаления облоя при последующей механической обработке. Штамповкой в открытых штампах можно получить поковки всех типов.

Штамповка в закрытых штампах характеризуется тем, что полость штампа в процесс деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа постоянный и небольшой, образование в нем облоя не предусмотрено. Устройство таких штампов зависит от типа машины, на которой штампуют. Например, нижняя половина штампа может иметь полость, а верхняя — выступ (на прессах), или верхняя — полость, а нижняя — выступ (на молотах). Закрытый штамп может иметь две взаимно перпендикулярные плоскости разъема. При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполняются углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого. Отрезка заготовок должна обеспечивать высокую точность.

Валковая штамповка Валковая штамповка — формоизменяющая операция обработки металлов давлением, получения осесимметричных деталей из цилиндрической заготовки путём одновременного действия на неё радиальных и осевых нагрузок. Осевая нагрузка заготовки создаётся за счёт перемещения пуансона, а радиальная — за счёт обкатки её боковой поверхности в роликах или валках. Таким образом, валковая штамповка является способом комплексного локального деформирования, в котором в одном технологическом процессе происходит совмещение одной из основных кузнечных операций — прошивки или осадки с поперечной прокаткой или обкаткой. Валковая штамповка позволяет изготавливать круглые в плане сплошные и полые детали, тонкостенные и толстостенные изделия малых размеров, применяемые в приборостроении, а также крупногабаритные детали с высокой точностью и качеством при технологических усилиях на порядок меньших, чем при традиционных методах объёмной штамповки. Комплексное нагружение очага пластической деформации локальным периодическим воздействием с одновременным воздействием через постоянно фиксируемую зону позволяет получить новый технологический эффект, недостижимый другими методами деформирования. Валковая штамповка способствует улучшению физико-механических свойств обрабатываемого металла, обеспечивает требуемое расположение его волокон, что повышает эксплуатационные свойства получаемых деталей. Относительно низкая стоимость оснастки, незначительное время подготовки производства, возможность быстрой переналадки на другой типоразмер детали, использование оборудования небольшой мощности позволяют применять валковую штамповку как в крупносерийном, так и в среднеи мелкосерийном производствах.

Магнитно-импульсная штамповка Магнитно-импульсная штамповка. Новое течение в области ОМД (обработки материалов давлением) Новые разработки ведутся в направлении обработки материала без матрицы и пуансона. Когда заготовка зависает под воздействием магнитного поля между матрицами тетрасоты и происходит воздействие ряда магнитных импульсов воздействующих на листовой материал и происходит пластическая деформация материала. Огромная экономия на оснастке, ведь достаточно только иметь файл с параметрами штампуемой детали на носителе информации.

Объёмная штамповка Объёмная штамповка, технологический процесс кузнечно-штамповочного производства, заключающийся в изменении простейших объёмных заготовок (цилиндрической, призматической и др. формы) в более сложные изделия, форма которых соответствует полости специализированных инструментов — штампов. О. ш. как процесс перераспределения металла заготовки происходит в результате пластической деформации (см. Обработка металлов давлением).

Основные операции О. ш.— осадка, высадка, протяжка, выдавливание, гибка, плющение, калибровка, образование выступов, утолщений, углублений, осуществляемые на кузнечно-прессовых машинах — молотах, прессах и машинах специального назначения. Из штампованных поковок после обработки резанием и термической обработки получают различные детали: шатуны, коленчатые валы, рычаги, зубчатые колёса, лопатки турбин, крепёжные детали, шары, ролики и кольца подшипников и др.

Различают холодную и горячую О. ш. Холодная штамповка осуществляется без нагрева. Исходный материал — калиброванные прутки, нарезаемые на мерные (штучные) заготовки, или проволока в бунтах. Масса получаемых изделий от нескольких г до неск. кг; точность по 3—2-му классам; шероховатость поверхности соответствует 7—10-му классам чистоты. Холодной О. ш. получают ответственные детали с высокими и стабильными механическими свойствами, что объясняется отсутствием рекристаллизации в металле и упрочнением. Т. к. заготовки не нагреваются, на поверхности поковок не происходит образования окалины, обезуглероживания, обесцинкования и т. п., что улучшает качество поковок в целом и сокращает припуски на дальнейшую обработку. В ряде случаев поковки не требуют дополнительной обработки, являясь готовыми деталями (коэффициент использования металла составляет 1). Горячая штамповка осуществляется с нагревом до температуры 200—1300 °С в зависимости от состава сплава и условий обработки. Исходный материал — прокатные прутки, разделённые на мерные заготовки, равные по объёму будущей поковке (с учётом неизбежных отходов). Масса получаемых изделий от нескольких г до 6—8 т; точность размеров поковок зависит от их массы и конфигурации и может быть повышена последующей холодной калибровкой; шероховатость поверхности соответствует 3—7-му классам чистоты. Процесс горячей О. ш. аналогичен по физической сущности свободной ковке, но осуществляется в штампах. Горячей О. ш. получают поковки, однородные по структуре, сравнительно высокой точности, сложной конфигурации, которой невозможно добиться при свободной ковке. Штампы для О. ш. чаще всего состоят из 2 половин — верхней и нижней или из пуансона и матрицы. Обычно при штамповке на молотах и вертикальных прессах нижняя часть штампа неподвижна, а верхняя подвижна. О. ш. выполняют в открытых штампах — с плоскостью разъёма, перпендикулярной направлению штамповки, или в закрытых штампах — с плоскостью разъема по периметру поковки. Открытый штамп отличается простотой устройства и универсальностью применения, но горячая штамповка в нём связана с образованием заусенца, который обеспечивает заполнение сложного рельефа полости штампа. Для размещения заусенца в штампе предусматривается специальная канавка. После штамповки заусенец обрезают в штампе на обрезном прессе. Отход металла при этом составляет 5—20%, иногда достигает 50—80%. В закрытых штампах, применяемых при горячей и холодной О. ш., заусенец либо весьма невелик (не более 1%), либо совсем отсутствует, т.к. поковка формируется из всего объёма металла. Однако эти штампы менее универсальны, например в них нельзя получать поковки в форме шара. В тех случаях, когда нужно получить исходные заготовки достаточно высокой точности по объёму, применяют закрытые штампы с компенсаторами — дополнительными полостями, в которые вытекает избыточный металл заготовки. Компенсаторы располагаются в таком месте штампа, в которое металл поступает в последнюю очередь, чтобы предотвратить преждевременное и чрезмерное попадание металла в компенсатор. Однако этот способ неэкономичен, т.к. металл, поступающий в компенсатор, идёт в отход. Другим технологическим приёмом при горячей О. ш. является применение штамповочных уклонов, которые делают в полости штампов с целью облегчения выталкивания готовых изделий. Поковка получается искажённой формы, например вместо цилиндра — усечённый конус. Обычно в молотовых штампах уклоны 5—7°. Излишек металла на поковке (напуск) также является отходом. Для осуществления О. ш. с меньшим уклоном (1—2°) в штампах применяют выталкиватели: при штамповке на молотах — только нижние, на прессах — верхние и нижние.

Одним из рациональных решений является горячая О. ш. в разъёмных матрицах, т. е. в штампах с 2 или несколькими плоскостями разъёма, чаще всего на горизонтально-ковочных машинах. Матрицы этих штампов не имеют уклонов, в них можно штамповать даже поковки, расширяющиеся ко дну матрицы. В разъёмных матрицах можно также вести штамповку на гидровинтовых и кривошипных прессах. Поковки для одной и той же детали можно получить методами горячей О. ш. как на молоте, так и на прессе. В этих двух случаях заготовки будут внешне отличаться, иметь разные припуски.

О. ш. применяется как однопереходный процесс для получения простейших поковок и многопереходный — для деталей сложных форм. При многопереходной О. ш. производят подготовительной операции (т. н. фасонирование заготовок), а затем осуществляют окончательную штамповку. Многопереходную О. ш. производят с использованием средств механизации или на автоматах, на гидравлических прессах с усилием 750 Мн, молотах с массой падающих частей до 20—25 тс, кривошипных горячештамповочных прессах с усилием до 80 Мн, на автоматах для однои многопозиционной штамповки, на прессах холодного выдавливания, машинах для раскатки, ковочных вальцах и др. специализированном оборудовании. При штамповке на гидровинтовых прессах и высокоскоростных молотах можно получать поковки с тонкими сечениями. На многопозиционных холоднои горячештамповочных автоматах осуществляется О. ш. изделий с наибольшими диаметрами: при холодной штамповке до 50 мм с производительностью до 500 шт./мин, при горячей — до 120 мм с производительностью до 70 шт./мин.

Штампы — точный, сложный и дорогой инструмент, поэтому применение О. ш. целесообразно главным образом в крупносерийном и массовом производствах.

Перспективы дальнейшего развития О. ш. определяются расширением применения штампов для горячей малоотходной штамповки и конструированием мощного оборудования для холодной штамповки, а также внедрением новых процессов деформации металлов с использованием явлений сверхпластичности, применением гидростатических методов и др.