Обработка металлов давлением – ОМД: разновидности и особенности технологии

ОМД, или обработка металлов давлением, возможна благодаря тому, что такие материалы отличаются высокой пластичностью. В результате пластической деформации из металлической заготовки можно получить готовое изделие, форма и размеры которого соответствуют требуемым параметрам. Обработка металла давлением, которая может выполняться по различным технологиям, активно используется для выпуска продукции, применяемой в машиностроительной, авиационной, автомобилестроительной и других отраслях промышленности.

Обработка листового металла давлением на прокатном станке

Физика процесса обработки металлов давлением

Сущность обработки металлов давлением состоит в том, что их атомы такого материала при воздействии на них внешней нагрузки, величина которой превышает значение его предела упругости, могут занимать новые устойчивые положения в кристаллической решетке. Такое явление, которым сопровождается прессование металла, получило название пластической деформации. В процессе пластической деформации металла изменяются не только его механические, но и физико-химические характеристики.

В зависимости от условий, при которых происходит ОМД, она может быть холодной или горячей. Различия их состоят в следующем:

1. Горячая обработка металла выполняется при температуре, которая выше температуры его рекристаллизации.
2. Холодная обработка металлов, соответственно, осуществляется при температуре, находящейся ниже температуры, при которой они рекристаллизуются.

Ковка раскаленной заготовки на молоте – вид горячей обработки металла давлением

Виды обработки

Обрабатываемый давлением металл в зависимости от используемой технологии подвергается:

Основные виды обработки металла давлением

Прокатка

Прокатка – это обработка давлением заготовок из металла, в ходе которой на них воздействуют прокатные валки. Целью такой операции, для выполнения которой необходимо использование специализированного оборудования, является не только уменьшение геометрических параметров поперечного сечения металлической детали, но и придание ей требуемой конфигурации.

Виды прокатных валков

На сегодняшний день прокатку металла выполняют по трем технологиям, для практической реализации которых необходимо соответствующее оборудование.

Это прокатка, являющаяся одним из самых популярных методов обработки по данной технологии. Сущность такого способа обработки металла давлением заключается в том, что заготовка, проходящая между двумя валками, вращающимися в противоположные стороны, обжимается до толщины, соответствующей зазору между этими рабочими элементами.

По такой технологии обрабатывают давлением металлические тела вращения: шары, цилиндры и др. Выполнение обработки данного типа не предполагает, что заготовка совершает поступательное движение.

Это технология, которая представляет собой нечто промежуточное между продольной и поперечной прокаткой. С ее помощью преимущественно обрабатываются полые металлические заготовки.

Виды прокатки металла

Ковка

Такая технологическая операция, как ковка, относится к высокотемпературным методам обработки давлением. Перед началом ковки металлическую деталь подвергают нагреву, величина которого зависит от марки металла, из которого она изготовлена.

Обрабатывать металл ковкой можно по нескольким методикам, к которым относятся:

• ковка, выполняемая на пневматическом, гидравлическом и паровоздушном оборудовании;
• штамповка;
• ковка, выполняемая вручную.

При машинной и ручной ковке, которую часто называют свободной, деталь, находясь в зоне обработки, ничем не ограничена и может принимать любое пространственное положение.

Ручная ковка используется в кузнечных мастерских при изготовлении небольшого количества изделий

Машины и технология обработки металлов давлением по методу штамповки предполагают, что заготовка предварительно помещается в матрицу штампа, которая препятствует ее свободному перемещению. В результате деталь принимает именно ту форму, которую имеет полость матрицы штампа.

К ковке, относящейся к основным видам обработки металлов давлением, обращаются преимущественно в единичном и мелкосерийном производстве. Разогретую деталь при выполнении такой операции располагают между ударными частями молота, которые называются бойками. При этом роль подкладных инструментов могут играть:

• обычный топор:
• обжимки различных типов;
• раскатка.

Прессование

При выполнении такой технологической операции, как прессование, металл вытесняется из полости матрицы через специальное отверстие в ней. При этом усилие, которое необходимо для осуществления такого выдавливания, создается мощным прессом. Прессованию преимущественно подвергают детали, которые изготовлены из металлов, отличающихся высокой хрупкостью. Методом прессования получают изделия с полым или сплошным профилем из сплавов на основе титана, меди, алюминия и магния.

Прессование в зависимости от материала изготовления обрабатываемого изделия может выполняться в холодном или горячем состоянии. Предварительному нагреву перед прессованием не подвергают детали, которые изготовлены из пластичных металлов, таких как чистый алюминий, олово, медь и др. Соответственно, более хрупкие металлы, в химическом составе которых содержится никель, титан и др., подвергаются прессованию только после предварительного нагрева как самой заготовки, так и используемого инструмента.

Установка холодного прессования изделий из листового металла

Прессование, которое может выполняться на оборудовании со сменной матрицей, позволяет изготавливать металлические детали различной формы и размеров. Это могут быть изделия с наружными или внутренними ребрами жесткости, с постоянным или разным в различных частях детали профилем.

Волочение

Основным инструментом, при помощи которого выполняется такая технологическая операция, как волочение, является фильера, называемая также волокой. В процессе волочения круглая или фасонная металлическая заготовка протягивается через отверстие в фильере, в результате чего и формируется изделие с требуемым профилем поперечного сечения. Наиболее ярким примером использования такой технологии является процесс производства проволоки, который предполагает, что заготовка большого диаметра последовательно протягивается через целый ряд фильер, в итоге превращаясь в проволоку требуемого диаметра.

Технологические процессы получения проволоки методом волочения

Классифицируется волочение по целому ряду параметров. Так, оно может быть:

• сухим (если выполняется с применением мыльной стружки);
• мокрым (если для его выполнения используется мыльная эмульсия).

По степени чистоты формируемой поверхности волочение может быть:

Линия волочения медной проволоки

По кратности переходов волочение бывает:

• однократным, выполняемым за один проход;
• многократным, выполняемым за несколько проходов, в результате которых размеры поперечного сечения обрабатываемой заготовки уменьшается постепенно.

По температурному режиму этот вид обработки металла давлением может быть:

Объемная штамповка

Сущность такого способа обработки металла давлением, как объемная штамповка, состоит в том, что получение изделия требуемой конфигурации осуществляется при помощи штампа. Внутренняя полость, которая сформирована конструктивными элементами штампа, ограничивает течение металла в ненужном направлении.

В зависимости от конструктивного исполнения штампы могут быть открытыми и закрытыми. В открытых штампах, применение которых позволяет не придерживаться точного веса обрабатываемой заготовки, предусмотрен специальный зазор между их подвижными частями, в который может выдавливаться избыток металла. Между тем использование штампов открытого типа вынуждает специалистов заниматься удалением облоя, образующегося по контуру готового изделия в процессе его формирования.

Особенностью горячей штамповки металла является воздействие высокой температуры, вследствие чего заготовка деформируется, принимая форму штампа

Между конструктивными элементами штампов закрытого типа такой зазор отсутствует, и формирование готового изделия происходит в замкнутом пространстве. Для того чтобы обрабатывать металлическую заготовку при помощи такого штампа, ее вес и объем должны быть точно рассчитаны.

Листовая штамповка

При помощи листовой штамповки готовые изделия получают из листового металла. В зависимости от того, какого результата необходимо добиться в процессе выполнения такой технологической операции, различают штамповку:

1. разделительную (отрезка, вырубка и пробивка);
2. формообразующую (гибка, вытяжка, раздача, отбортовка, чеканка и др.).

Для выполнения листовой штамповки используют гидравлические или кривошипно-шатунные прессы, рабочими органами которых являются штампы, состоящие из матрицы и пунсона.

Примеры изделий, изготовленных методом листовой штамповки

Качество готового изделия, которое обеспечивает листовая штамповка, позволяет не подвергать его последующей механической обработке. Для того чтобы обеспечить это качество, матрица и пунсон должны быть хорошо разработаны и изготовлены с высокой степенью точности.

Листовая штамповка – это одна из наиболее распространенных методик ОМД, которая активно применяется почти во всех отраслях промышленности. По такой технологии, в частности, производят как мельчайшие детали радиоэлектронных устройств, так и массивные кузова автотранспортных средств.

Получить более полное представление о способах обработки металла давлением, позволяет видео, демонстрирующее их в мельчайших подробностях.

Штамповка металла – технология, разновидности, оборудование, ГОСТ

Штамповка как технологический процесс обработки заготовок, изготовленных из металла, позволяет получить готовые изделия плоского или объемного типа, отличающиеся как своей формой, так и размерами. В качестве рабочего инструмента при выполнении штамповки может выступать штамп, закрепленный на прессе или оборудовании другого типа. В зависимости от условий выполнения штамповка металла бывает горячая и холодная. Эти два вида данной технологии предполагают использование различного оборудования и соблюдение определенных технологических норм.

Штамповка – пластическая деформация металла, изменяющая форму или размеры материала

Особенности технологии

Ознакомиться с требованиями ГОСТ к обработке металла штампованием можно, скачав документ в формате pdf по ссылке ниже.

Кроме разделения на горячую и холодную, штамповка изделий из металла подразделяется и на ряд других категорий в зависимости от ее назначения и технологических условий. Так, операции штамповки, в результате которых происходит отделение части металлической заготовки, называются разделительными. Сюда, в частности, относятся резка, рубка и пробивка деталей из металла.

Другой категорией таких операций, в результате которых штампуемый лист металла изменяет свою форму, являются формоизменяющие штамповочные операции, часто называемые формовкой. В результате их выполнения детали из металла могут подвергаться вытяжке, холодному выдавливанию, гибке и другим процедурам по обработке.

Схемы и разновидности выдавливания (прессования)

Как уже отмечалось выше, существуют такие виды штамповки, как холодная и горячая, которые, хотя и реализуются по одному принципу, предполагающему деформирование металла, имеют ряд значимых отличий. Штамповку деталей, предполагающую их предварительный нагрев до определенной температуры, применяют преимущественно на крупных производственных предприятиях.

Это связано прежде всего с достаточно высокой сложностью такой технологической операции, для качественного выполнения которой необходимо сделать предварительный расчет и точно соблюсти степень нагрева обрабатываемой заготовки. С помощью штамповки, выполняемой по горячей технологии, из листового металла различной толщины получают такие ответственные детали, как днища котлов и другие изделия в форме полусфер, корпусные и другие элементы, используемые в судостроении.

Характеристики и виды деталей, производимых на горячештамповочных прессах

Для нагрева деталей из металла перед их горячей штамповкой используется нагревательное оборудование, которое в состоянии обеспечить точный температурный режим. В этой функции, в частности, могут использоваться электрические, плазменные и другие нагревательные устройства. Перед началом выполнения горячей штамповки необходимо не только рассчитать нормы нагрева обрабатываемых деталей, но и разработать точный и подробный чертеж готового изделия, в котором будет учтена усадка остывающего металла.

При выполнении холодной штамповки металлических деталей процесс формирования готового изделия протекает только за счет давления, оказываемого рабочими элементами пресса на заготовку. За счет того, что заготовки при штамповке по холодной технологии предварительно не нагреваются, они не подвержены усадке. Это позволяет изготавливать изделия законченного вида, которые не требуют дальнейшей механической доработки. Именно поэтому данная технология считается не только более удобным, но и экономически выгодным вариантом обработки.

Методом холодной штамповки обрабатывают листовой металл толщиной до 10 мм

Если квалифицированно подойти к вопросам проектирования размеров и формы заготовок и к последующему раскрою материала, то можно значительно уменьшить его расход, что особенно актуально для предприятий, выпускающих свою продукцию крупными сериями. В качестве материала, заготовки из которого успешно подвергаются штамповке, может выступать не только углеродистые или легированные стали, но также алюминиевый и медный сплавы. Более того, оснащенный соответствующим образом штамповочный пресс успешно используется для обработки заготовок из таких материалов, как резина, кожа, картон, полимерные сплавы.

Разделительное штампование, целью которого является отделение от обрабатываемой заготовки части металла, – это очень распространенная технологическая операция, используемая практически на каждом производственном предприятии. К таким операциям, которые выполняются посредством специального инструмента, установленного на штамповочный пресс, относятся резка, вырубка и пробивка.

На этом прессе установлены специальные плунжеры для пробивки отверстий в заготовке

В процессе резки металлические детали разделяются на отдельные части, причем такое разделение может осуществляться по прямой или кривой линии реза. Для выполнения резки могут использоваться различные устройства: дисковые и вибрационные станки, гильотинные ножницы и др. Резку чаще всего используют для того, чтобы раскроить металлические заготовки для их дальнейшей обработки.

Вырубка – это технологическая операция, в процессе которой из металлического листа получают детали, имеющие замкнутый контур. При помощи пробивки в заготовках из листового металла делают отверстия различной конфигурации. Каждая из таких технологических операций должна быть тщательно спланирована и подготовлена, чтобы в результате ее выполнения получилось качественное готовое изделие. В частности, должны быть точно рассчитаны геометрические параметры используемого инструмента.

Перфорированный металлический лист получается в результате вырубки отверстий на координатно-пробивном прессе

Технологическими операциями штамповки, в процессе которых осуществляется изменение начальной конфигурации металлических деталей, являются формовка, гибка, вытяжка, отбортовка и обжим. Гибка – это наиболее распространенная формоизменяющая операция, в процессе которой на поверхности металлической заготовки формируются участки с изгибом.

Вытяжка – это объемная штамповка, целью выполнения которой является получение из плоской металлической детали объемного изделия. Именно при помощи вытяжки металлический лист превращается в изделия цилиндрической, конической, полусферической или коробчатой конфигурации.

По контуру изделий из листового металла, а также вокруг отверстий, которые в них выполнены, часто необходимо сформировать бортик. С этой задачей успешно справляется отбортовка. Такой обработке, выполняемой посредством специального инструмента, подвергают и концы труб, на которые необходимо установить фланцы.

Отбортовка может выполнятся различными способами

При помощи обжима, в отличие от отбортовки, концы труб или края полостей в заготовках из листового металла не расширяют, а сужают. При выполнении такой операции, осуществляемой при помощи специальной конической матрицы, происходит наружное обжатие листового металла. Формовка, которая также является одной из разновидностей штамповки, предполагает изменение формы отдельных элементов штампованной детали, при этом наружный контур детали остается неизменным.

Объемная штамповка, которая может выполняться по различным технологиям, требует не только тщательных предварительных расчетов и разработки сложных чертежей, но и использования специально изготовленного оборудования, поэтому реализовать такую технологию в домашних условиях проблематично.

Инструменты и оборудование

Даже обработка мягких металлов, в частности штамповка алюминия, требует применения специального оборудования, в качестве которого могут выступать гильотинные ножницы, кривошипный или гидравлический пресс. Кроме того, необходимо умение производить расчеты расхода материала и разрабатывать технические чертежи. При этом следует учитывать требования, которые содержит соответствующий ГОСТ.

Штамповку, для выполнения которой не требуется предварительный нагрев обрабатываемой заготовки, выполняют преимущественно на гидравлических прессах, производство которых регулирует ГОСТ. Разнообразие серийных моделей этого оборудования позволяет подбирать станок для производства изделий различных конфигураций и габаритных размеров.

В мелком производстве часто используют эластичный метод штамповки, когда шаблон является металлическим элементом, а матрица – резиновым или пластиковым

Выбирая пресс для выполнения штамповки, в первую очередь следует ориентироваться задачи, для решения которых он необходим. Например, для выполнения таких технологических операций, как вырубка или пробивка, используют штамповочное оборудование простого действия, ползун и шайбы которого в процессе обработки совершают небольшой ход. Для того чтобы выполнить вытяжку, требуется оборудование двойного действия, ползун и шайбы которого в процессе обработки совершают значительно больший ход.

Кривошипный пресс КД-238 относится к категории простого оборудования. Предназначен для холодной штамповки: гибки, пробивки, вырубки и неглубокой вытяжки

По своей конструкции, как указывает ГОСТ, оборудование для выполнения штамповки делится на несколько типов, а именно:

• однокривошипное;
• двухкривошипное;
• четырехкривошипное.

На прессах двух последних категорий устанавливают ползуны более крупных размеров. Однако вне зависимости от конструктивного исполнения каждый штамповочный пресс оснащается матрицей. Основное движение, за счет которого и выполняется обработка заготовки на штамповочном прессе, совершает ползун, нижняя часть которого соединена с подвижной частью штампа. Для сообщения такого движения ползуну пресса приводной электродвигатель связывается с ним посредством таких элементов кинематической цепи, как:

• клиноременная передача;
• пусковая муфта;
• шайбы;
• кривошипный вал;
• шатун, при помощи которого можно регулировать величину рабочего хода ползуна.

Схема гидравлического пресса

Для запуска ползуна, который совершает возвратно-поступательное движение по направлению к рабочему столу пресса, используется ножная пресс-педаль, напрямую связанная с пусковой муфтой.

Несколько другим принципом работы отличается четырехшатунный пресс, рабочие органы которого создают усилие с центром, приходящимся на середину четырехугольника, образуемого четырьмя шатунами. Благодаря тому, что усилие, создаваемое таким прессом, приходится не на центр ползуна, это устройство успешно используется для того, чтобы изготавливать изделия даже очень сложной конфигурации. Прессы данной категории, в частности, применяют для того, чтобы изготовить асимметричные изделия, отличающиеся значительными габаритами.

Промышленные четырехшатунные прессы могут развивать усилие в сотни тонн

Чтобы изготовить изделия более сложной конфигурации, используют прессовое оборудование пневматического типа, конструктивная особенность которого заключается в том, что оно может быть оснащено двумя или даже тремя ползунами. В прессе двойного действия применяются одновременно два ползуна, один из которых (внешний) обеспечивает фиксацию заготовки, а второй (внутренний) выполняет вытяжку поверхности обрабатываемого металлического листа. Первым в работе такого пресса, конструктивные параметры которого также регламентирует ГОСТ, участвует внешний ползун, фиксирующий заготовку при достижении самой нижней точки. После того как внутренний ползун выполнит свою работу по вытяжке листового металла, внешний рабочий орган поднимается и освобождает заготовку.

Для штамповки тонколистового металла используются преимущественно специальные фрикционные прессы, технические параметры которых также устанавливает ГОСТ. Чтобы обрабатывать более толстый листовой металл, лучше всего применять гидравлическое штамповочное оборудование, которое оснащено более надежными шайбами и другими конструктивными элементами.

Штамповка металла любой толщины должна производится с высокой точностью

Отдельную категорию составляет оборудование, при помощи которого выполняется штамповка взрывом. На таких устройствах, в которых энергия управляемого взрыва преобразуется в усилие, оказываемое на металл, обработке подвергают металлические заготовки значительной толщины. Работа такого оборудования, считающегося инновационным, даже на видео выглядит очень эффектно.

Чтобы получаемый сгиб и общая конфигурация готового изделия из металла отличались высоким качеством, в последнее время стали активно использовать прессы, оснащенные встроенными вибрационными ножницами. Использование такого оборудования с более короткими ножками позволяет изготавливать изделия практически любой конфигурации.

Таким образом, выполнение штамповки листового металла требует наличия не только специализированного оборудования, но и соответствующих навыков и знаний, поэтому реализовать такую технологию в домашних условиях достаточно сложно.