Метод штамповки: плюсы и минусы, виды

О чем речь? Процесс включает в себя вдавливание металлического листа в штамп с огромной силой для создания нужной формы. Штамповку используют во многих отраслях: от производства автомобильных деталей до изготовления ювелирных изделий. Кроме того, она может применяться для точного изготовления сложных форм.

В чем преимущества? Штамповка металла – это экономичный способ быстрого и эффективного производства большого количества деталей. Она также имеет много преимуществ перед другими производственными процессами, включая низкую стоимость, высокую точность и повторяемость.

Сферы применения технологии штамповки металла

Штамповка – один из наиболее распространенных способов обработки металлических изделий. Чаще всего детали штампуют для предприятий, однако ряд компаний специализируется на оказании такого рода услуг частным лицам. Детали, выполненные горячим или холодным методом, наиболее востребованы в металлообрабатывающей и машиностроительной промышленности.

При помощи метода штамповки изготавливают детали для автомобилей, самолетов, тракторов, различных приборов, а также для товаров массового потребления. В электромашиностроении используется около 60–70 % листовых металлических деталей, изготовленных методом штамповки, в приборостроении – 70–75 %, в радиотехнике и электронике – 75–80 %, в товарах массового потребления – 95–98 %.

Штамповку используют для производства:

1. посуды (кастрюль, контейнеров и пр.), столовых приборов (ложек, вилок и т. п.);
2. болтов, крепежных деталей;
3. винтов, вертолетных лопастей, элементов и деталей речных и морских судов, печного оборудования;
4. шаровых опор, зубчатых колес, коленчатых валов (при изготовлении не применяется нагрев, поэтому у деталей отсутствует термоусадка);
5. элементов корпусов самолетов, кораблей, автомобилей, оборудования;
6. испарителей холодильников (для их изготовления при помощи сварки по размеченным линиям соединяют две металлические пластины, а затем под высоким давлением растягивают изнутри непроваренные участки).

Изделия, изготовленные методом штамповки, встречаются практически повсеместно.

Плюсы и минусы штамповки металла

Достоинства промышленного применения метода штамповки:

• возможность автоматизации процессов;
• высокая производительность;
• снижение себестоимости готовых деталей;
• небольшие потери материала при грамотном раскрое и отлаженном процессе производства;
• возможность штамповки деталей разной конфигурации и формы;
• отсутствие необходимости в тщательной обработке поверхностей заготовок;
• высокая точность деталей и их взаимозаменяемость;
• простота замены пресс-форм.

Недостатки метода штамповки:

• необходимость дорогостоящего оборудования;
• высокая квалификация сотрудников, разрабатывающих прототипы деталей;
• экономическая выгода применения данного метода обработки металлических изделий для серийного производства;
• невозможность автоматизации полного производственного цикла (в прессовальные установки заготовки обычно загружаются вручную).

Технология штамповки

Холодная и горячая штамповка требуют наличия оснастки. Штампы для первого и второго способов отличаются. Разница зависит от толщины обрабатываемых металлических заготовок. Горячую штамповку используют для работы с толстыми листами металла: их нагревают, а затем обрабатывают ковкой. Холодная штамповка подходит для заготовок толщиной до 1 мм (таким способом изготавливают, к примеру, значки).

Холодная штамповка

При использовании метода холодной штамповки заготовки предварительно не нагревают. Чтобы придать будущему изделию нужную форму и вид, достаточно усилия пресса. В этом случае металл не дает термической усадки. Раскрой металлических листов для последующей обработки выполняют в соответствии с требованиями ГОСТа.

Холодная штамповка включает в себя следующие виды операций:

• Вырубку и пробивку. Для этой разделительной операции используют одинаковые штампы с пуансоном и матрицей штампа. Разница заключается в технологии изготовления: в первом случае в контейнер попадает готовая деталь, а отходы остаются снаружи, во втором – наоборот.
• Гибка – наиболее простая операция, при которой заготовку размещают на матрице между упорами и сверху придавливают пуансоном.
• Вытяжка выполняется отдельными штампами за несколько операций путем перераспределения металла заготовки. При помощи такой штамповки изготавливают стаканы, конусы или полусферы.
• Отбортовка. В процессе этой операции пуансон вставляется в отверстие заготовки и отбортовывает (расширяет) стенки.

Горячая штамповка

Метод горячей штамповки требует предварительного нагревания заготовки в специальной камере. Для объемного прессования металл необходимо нагреть до температуры +1 200 °С. После этого изделия помещают в штамп со специальными «ручьями» для предварительной и окончательной штамповки. Чтобы осадить, нагретую заготовку размещают между двумя плоскими бойками. После запуска оборудования она осаживается на заданные параметры.

Жидкое штампование

Жидкую штамповку также называют литьем под давлением. Из-за высокой стоимости и сложности исполнения этот метод используется достаточно редко. Технология подходит для изготовления максимально прочных и точных деталей, без заломов и прочих дефектов. Металл нагревают до температуры плавления, после чего заливают в штамповочную форму. Застывшую заготовку можно повторно выштамповывать.

Разделительное штампование

К этой разновидности обработки металлов относят вырубку, пробивку и разрезку. В этом случае заготовку не гнут для придания ей определенной формы, а отсекают излишки. В процессе разделительного метода штамповки получают изделия различных геометрических форм, узоров и т. п. Операция может быть как самостоятельной, так и первичной с последующим формированием объема.

Для резки (раскройки) используют специальные инструменты – хорошо заточенные ножи, изготовленные из высокопрочной стали. Операцию проводят по прямой или изогнутой линии с помощью:

• гильотинных ножниц;
• вибрационных станков;
• дисков.

Характеристики и виды деталей, производимых на горячештамповочных прессах

С помощью метода штамповки изготавливают тонкостенные изделия, обшивку военных судов и космических кораблей. Оборудование для штамповки состоит из матрицы и пуансона, геометрическая конфигурация которых влияет на параметры готовых изделий. Производственные циклы достаточно просты и требуют небольшого количества времени.

Однако непосредственной обработке металла предшествуют сложные проектировочные процессы, в которых задействованы конструктор и технолог. Их задача – за счет сочетания формоизменяющих и разделительных операций максимально сократить число подходов и расход материалов.

К разделительным операциям относят:

1. резку, при которой режущий инструмент отсекает лишний материал заготовок;
2. вырубку, позволяющую отделить от металлического листа заготовку с замкнутым контуром (треугольник, квадрат, круг и пр.);
3. пробивку, при помощи которой в заготовках выполняются отверстия различной формы.

Формоизменяющие операции представлены:

1. гибкой, позволяющей выполнять V- и U-образные и более сложные изгибы заготовок;
2. вытяжкой, при помощи которой меняют толщину листового материала;
3. отбортовкой, необходимой для создания бортов по краям изделий;
4. обжимом, используемым для уменьшения сечения концевой части заготовки;
5. формовкой, при помощи которой меняют форму заготовки, сохраняя ее первоначальные контуры.

В процессе проектирования используют опытные образцы, на которых проверяют воздействие разных методов обработки определенной скорости и температуры на заготовки из различных материалов, после чего изготавливают пресс-формы. Оборудование рассчитано на выполнение многочисленных циклов операций.

Кроме того, метод штамповки позволяет использовать для изготовления деталей:

• твердую резину (при этом нагревают обезжиренные заготовки, поскольку для производства, к примеру, рифтов или подсечек не нужна смазка);
• жидкости (в процессе обработки металлический лист прижимается к матрице под давлением жидкой среды);
• взрывы (для вдавливания заготовки в матрицу используется взрывная волна; технология подходит для работы с крупными и сложными изделиями).

При помощи метода штамповки эластичными средами изготавливают диафрагмы, поперечные каркасы крыльев самолета, полупатрубки, пространственные элементы.

Виды штамповочных технологий

Существует большое количество различных методов штамповки. В промышленных масштабах первостепенное значение имеют скорость производства и качество готовых деталей. Ручным способом изготавливают единичные изделия для частных заказчиков.

Выделим несколько видов обработки металлов штампованием:

• Магнитно-импульсная – форма заготовок видоизменяется под кратковременным воздействием электрических импульсов.
• Изотермическая – применяется для обработки заготовок из легированных и жаропрочных сортов стали. Деформация выполняется за счет воздействия гидравлического пресса, а контактная форма нагревается до температуры, при которой металл начинает деформироваться.
• Штампование взрывом – разновидность импульсной обработки, широко применяемая в производстве летательных аппаратов. Заготовка изменяет форму, приобретая очертания матрицы под воздействием взрывной волны, передающейся через воздух или воду.

Листовая штамповка

Изготовление методом штамповки позволяет получать из листов металла объемные или плоские детали и изделия. На заготовку воздействует специальный инструмент – штамп, известный с древних времен. Тогда штампование использовалось для создания посуды, украшений и сельскохозяйственных орудий.

Методы штамповки делят на две большие группы в зависимости от рабочей температуры:

• Холодная штамповка – наиболее эффективная технология, при помощи которой производят кузовные элементы транспортных средств. За счет грамотного раскроя остается минимальное число отходов. Оптимально подходит для работы с заготовками из углеродистых и легированных типов стали, листовой меди, алюминия.
• Горячая штамповка требует предварительного нагревания заготовок в плазменных или электропечах. С технологической стороны процесс аналогичен холодной штамповке, однако подходит только для работы с металлическими листами толщиной не более 5 мм. Данный метод штампования используют для изготовления элементов корпуса судов.

Объемная штамповка

Метод штамповки за счет давления. Заготовки простой геометрической формы по окончании объемной пластической деформации становятся сложными деталями. При горячей штамповке заготовки нагревают, выбирая температуру в зависимости от используемых материалов. Отличие от жидкого штампования заключается в неизменном агрегатном состоянии металла.

Остановимся подробнее на особенностях перечисленных процессов:

Технология горячей объемной штамповки (ГОШ)

В процессе горячей объемной штамповки на заготовки воздействуют температура и давление. Элементы предварительно нагревают, а затем размещают в закрытых пресс-формах без зазоров. Готовые детали формируются внутри закрытых штампов, называемых «ручьями» или «гравюрами». При использовании данной технологии образуется минимальный процент облоя.

Для готовых деталей характерны точные размеры и качественная поверхность. Технологический процесс горячей объемной штамповки включает в себя:

1. Определение типа штампа.
2. Разработку подробного чертежа.
3. Расчет количества переходов от заготовки до готового изделия.
4. Изготовление индивидуального чертежа для промежуточных этапов.
5. Выбор пресс-форм для переходов.
6. Определение температуры и способа нагрева заготовок.
7. Подбор необходимых финишных операций.

Затем производится расчет себестоимости работ.

Метод холодной объемной штамповки

Заготовками при использовании метода холодной объемной штамповки являются калиброванные прутки или проволока. Готовые изделия характеризуются высокой точностью исполнения и хорошим качеством поверхности, а также устойчивостью к механическому воздействию, поскольку металл в процессе обработки не подвергается рекристаллизации.

Оборудование для штамповки металла

Штамповочное оборудование, а также меры безопасности в процессе работы с металлами закреплены в действующих стандартах. Остановимся подробнее на основных типах используемых прессов и прессовальных станков.

Кривошипно-шатунный пресс

Универсальный станок для изготовления изделий методом штамповки. Благодаря его механической конструкции крутящий момент преобразуется в возвратно-поступательное движение. Для смещения заготовки используется подающий механизм. Излишки отрезаются специальным режущим инструментом (шаговым ножом). Такие прессы оптимально подходят для массовой обработки небольших по размеру деталей. Экономическая целесообразность применения оборудования прямо пропорциональна сроку его использования.

Гидравлический пресс

Простое оборудование, которое создает давление, достигающее двух тысяч тонн. Благодаря своей эффективности мощные гидравлические прессы широко применяются в промышленности. Конструктивно станок состоит из двух сосудов-цилиндров с поршнями, в качестве наполнителя выступает гидравлическое масло. Высокое давление создается за счет воздействия малого цилиндра на большой. Для готовых изделий, полученных таким способом, характерно максимальное соответствие эталонному образцу.

Радиально-ковочный пресс

Оборудование предназначено для работы с цилиндрическими заготовками при необходимости придания им заданной конфигурации с круглым или призматическим сечением. Станок оптимально подходит для обработки изделий из алюминия и других относительно мягких металлов.

Пресс может быть дополнен индукционной печью, в которой заготовки предварительно нагревают. Благодаря повышению температуры металла или сплава увеличивается их пластичность и, соответственно, облегчается изготовление изделий методом штамповки. На качество получаемых деталей влияет точность настройки оборудования, поэтому оператору пресса необходимы не только профессиональные знания, но и опыт работы.

Электромагнитный пресс

Это наиболее современное прессовальное оборудование. Энергия электромагнитного поля в процессе обработки воздействует на сердечник с обмоткой, а затем передает усилие непосредственно на пресс, который видоизменяет заготовку.

Автоматическая штамповочная линия

Позволяет свести к минимуму участие человека в процессе обработки металлов. Весь процесс штамповки происходит в автоматическом режиме, начиная с подачи и закрепления заготовок на оборудовании и заканчивая выдачей готовых изделий. Для управления автоматической линией используется персональный компьютер с числовым программным управлением.

Задача оператора – выбрать подходящую программу и проконтролировать ее выполнение. Благодаря автоматизации повышается скорость и производительность штамповки, минимизируется риск ошибок по вине человека. Подобным оборудованием оснащаются крупные промышленные предприятия, оно является частью производственных линий и логистических систем. Поскольку первоначальная настройка станка достаточно сложна, выполняется она опытными и квалифицированными специалистами.

Для увеличения срока эксплуатации автоматических штамповочных линий основные узлы оборудования, особенно штамп, регулярно контролируют на износ. Качество готовых изделий проверяют на заключительном этапе изготовления деталей.

Альтернативные методы штамповки

Метод штамповки позволяет использовать и другие силы для обработки металлических деталей:

• Взрыв. Штампование деталей производится в воде. Заготовку помещают на матрицу с углублением заданной формы. Сверху производится взрыв. Под воздействием взрывной волны металл заполняет «ручей» и приобретает необходимую форму.
• Электрогидравлическую. Этот метод штамповки также выполняется в водной среде. В нее подается напряжение, за счет которого вода нагревается. Высокая температура приводит к возникновению ударной волны, формирующей заданную форму заготовки.
• Протяжку металла через валки – используют для придания заготовке выбранной формы.

Преимущества использования методов штамповки

Изготовление деталей методом штамповки позволяет за счет воздействия давлением придавать заготовкам практически любую форму, минимизируя расход материалов. В отличие от резки, штампование прессом не влияет на механические характеристики готовых изделий. Метод штамповки достаточно прост, что позволяет использовать его в крупных промышленных масштабах и на мелком производстве.

К достоинствам этой технологии относится также скорость обработки деталей: за сутки можно выполнить от 30 до 40 тысяч деталей. Готовые изделия необходимо минимально доработать: снять облой, отшлифовать и отполировать.

Метод штамповки универсален, поскольку позволяет быстро менять пресс-формы, размещенные на молотах. Такой способ обработки металлов эффективен в различных производственных отраслях (как в точном приборостроении, так и при производстве автомобилей, самолетов и ракет).

Благодаря использованию магнитной, взрывной и электрогидравлической технологии обработки металлов можно изготавливать сплошные бесшовные конструкции почти любых размеров. Штамповку применяют на протяжении многих веков, как и ковку, при помощи которой еще в древности изготавливали орудия труда, строительные инструменты и оружие.

В настоящее время детали не только должны отличаться высокой точностью, их производство обязано быть экономически целесообразным, что достигается за счет экономии расхода материалов. В процессе резки значительная часть металла уходит в отходы, в то время как при штамповке материал расходуется максимально рационально, а готовые изделия нуждаются лишь в минимальной доработке.

Несмотря на постоянное развитие и усовершенствование штамповочных прессов, повышение их мощности и производительности, для создания крупногабаритных изделий требуется применение альтернативных методов обработки с использованием гидравлических, взрывных и электромагнитных сил. За счет оснащения промышленных и производственных предприятий подобным штамповочным оборудованием, сокращается расход материалов, повышается точность и качество изделий, увеличивается скорость обработки изделий.