Изменение структуры металла при штамповке

Обновлено: 22.01.2025

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформация делится на упругую и пластическую.

Упругая деформация. Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и полностью обратимое смещение атомов.

Пластическая деформация. При возрастании касательных напряжений выше определенной величины (предел или порог упругости) деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается.

Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием. Скольжение (смещение) отдельных частей кристалла относительно друг друга происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины (τ_к).

Схема упругой и пластической деформаций металла с кубической структурой, подвергнутого действию касательных напряжений, показана на рис. 18. Эта схема дает наглядное представление о смещении атомов в соседних плоскостях при сдвиге на одно межатомное расстояние.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям, и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов где величина сопротивлению сдвигу (τ_к) наименьшая, а сама величина τ значительна. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая.

Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решетку, обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с гексагональной плотноупакованной структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим способам деформации.

Процесс скольжения не следует, однако, представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой жесткий или синхронный сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающих те, при которых в действительности протекает процесс деформации.

Рис. 18. Схема упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига:

а – первоначальный кристалл; б – упругая деформация; в – увеличение упругой и пластической деформации, вызванных скольжением, при нагружении, большем предела упругости; г – напряжения, обусловившие появление сдвига (после сдвига сохранилась остаточная деформация); д – образование двойника.

Рис. 19. Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла:

а – схема движения дислокации; б – краевая дислокация в кристаллической структуре; в – дислокация переместилась на дно; г – на два межатомных расстояния в решетке под влиянием приложенного напряжения; д – выход дислокации на поверхность и появление сдвига.

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций, что показано на рис. 19. Чтобы дислокация из исходного положения 1 переместилась в соседнее положение 14, не нужно сдвигать всю верхнюю половину кристалла на одно межатомное расстояние.

Достаточно, чтобы произошли следующие перемещения атомов: атом 1 в положение атома 2, атом 3 — в 4, атом 5 — в 6, атом 7 — в 8, атом 9 — в 10, атом 11 — в 12, атом 13 — в 14, атом 15 — в 16 и атом 17 — в 18. Также смещаются атомы не только в плоскости чертежа, но и во всех атомных слоях, параллельных этой плоскости.

Незначительные перемещения атомов в области дислокации приводят к перемещению дислокаций на одно межатомное расстояние.

Следует иметь в виду, что перемещение дислокаций, образовавшихся в процессе кристаллизации, ограничено. Большие деформации возможны только вследствие того, что движение этих дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.

Двойникование. Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих плотноупакованные решетки К12 и Г12, помимо скольжения, может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл.

При большой деформации в результате процессов скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму, после деформации в результате смещений по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил τ, образуя волокнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними.

Текстура деформации. При большой степени деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформирующих сил получила название текстуры (текстура деформации).

Наклеп. С увеличением степени деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (σ_в, σ_т, НВ и др.), повышаются, а способность к пластической деформации — пластичность (δ и φ) уменьшается. Это явление роста упрочнения получило название наклепа. Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов).

Все дефекты кристаллического строения затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность. Наибольшее значение имеет, увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом взаимодействие между ними тормозит дальнейшее их перемещение. В результате деформации уменьшается плотность, сопротивление коррозии и повышается электросопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов, например железа, повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную проницаемость.

Свойства пластически деформированных металлов.

В результате холодного пластического деформирования металл упрочняется и изменяются его физические свойства — электросопротивление, магнитные свойства, плотность. Наклепанный металл запасает 5-10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (например, плотность дислокаций возрастает до 10 9- 10 12 см -2 ) и на упругие искажения решетки. Свойства наклепанного металла меняются тем сильнее, чем больше степень деформации (рис. 20).

При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (твердость;σ_в; σ_0,2; σ_упр) и понижаются пластичность и вязкость (δ; φ; а_н). Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, после 40%-ной деформации механические свойства меняются незначительно. С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее предела прочности (временного сопротивления).

Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным, при попытке продолжить деформирование металл разрушается.

Путем наклепа твердость и временное сопротивление (предел прочности) удается повысить в 1,5-3 раза, а предел текучести — в 3-7 раз при максимально возможных деформациях. Металлы с ГЦК-решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК-решеткой. Среди сплавов с ГЦК-решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклепываются аустенитная сталь; алюминиевая бронза с 7% А1; никель; а алюминий упрочняется незначительно).

Упрочнение при наклепе широко используют для повышения механических свойств деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением. В частности, наклеп поверхностного слоя деталей повышает сопротивление усталости. Понижение пластичности при наклепе используют для улучшения обрабатываемости резанием вязких и пластичных материалов (сплавов алюминия, латуней и др.).

Влияние нагрева на структуру и свойства холоднодеформированных металлов.

Неравновесная структура, созданная холодной деформацией у большинства металлов устойчива при комнатной температуре. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. Процессы, происходящие при нагреве подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах, рекристаллизация — при более высоких.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т. е. размер и форма кристаллов при возврате не изменяются.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых кристаллов с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего, равноосные кристаллы.

Возврат. Стадию возврата, в свою очередь, разделяют на две возможные стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой вследствие перемещения атомов уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; в ряде металлов, таких как алюминий и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений.

Отдых вызывает значительное уменьшение удельного электросопротивления и повышение плотности металла. Если при отдыхе уменьшается плотность дислокаций, то наблюдается уменьшение твердости и прочности металла (алюминий, железо); если плотность дислокаций при отдыхе не меняется, то отдых не сопровождается изменением механических свойств (медь, латунь, никель).

Полигонизация — это процесс разделения деформированных зерен металла на полигоны — области с малой плотностью дислокаций. Эти области называются блоками. Процесс полигонизации протекает в интервале температур отдых — рекристаллизация и заканчивается созданием блочной структуры.

Полигонизация приводит к дальнейшему снятию упругих искажений кристаллической решетки и более полному восстановлению физических свойств металла. Механические свойства его при этом изменяются незначительно. Текстура сохраняется, хотя и становится блочной.

Вслед за возвратом протекает рекристаллизация, заключающаяся в зарождении и росте новых неискаженных равноосных зерен (рис. 21).

При первичной рекристаллизациив деформированной среде зарождаются и растут равноосные зерна до тех пор, пока полностью не исчезнет текстура, созданная деформацией. Зародышами зерен являются отдельные энергетически выгодные блоки (центры рекристаллизации). После исчезновения текстуры металл приобретает равновесную мелкозернистую структуру.

Суммарная протяженность границ мелких зерен велика. Граничные зоны зерен представляют собой тонкие (в несколько атомных слоев) сильно искаженные области, так как здесь сопрягаются кристаллические решетки различно ориентированных стыкующихся зерен, сюда стекаются точечные дефекты и дислокации. Поэтому граничные зоны зерен и характеризуются высокими значениями энергии (поверхностной энергии), которая уменьшается за счет округления зерен и дальнейшего их роста путем фронтального перемещения граничных зон растущих зерен и поглощения мелких.

Атомы из мелких зерен диффундируют через границу в растущие зерна, отчего первые постепенно исчезают, а вторые разрастаются. В результате число зерен структуры металла уменьшается, а их размеры увеличиваются. Рост одних равноосных зерен за счет исчезновения других представляет собой собирательную рекристаллизацию.

Температура начала рекристаллизации зависит от многих факторов и прежде всего от степени деформации материала и содержания примесей в нем. Определено, что

где Т_рекр— абсолютная минимальная температура рекристаллизации; α — коэффициент, учитывающий вышеперечисленные факторы; Т_пл — абсолютная температура плавления данного вещества.

Минимальная температура рекристаллизации железа и других металлов технической чистоты определяется по формуле А. А. Бочвара:

Термическая операция, заключающаяся в нагреве деформированного (текстурованного) материала до температуры выше Т_рекр, выдержке и последующем медленном охлаждении (в печи), называется рекристаллизационным отжигом.

Рис. 21. Влияние нагрева на механические свойства и структуру металла, упрочненного деформацией.

Практически температура рекристаллизационного отжига выбирается выше расчетной (обычно на 200. 300°С), так как чем выше температура нагрева, тем быстрее протекает рекристаллизация, характеризующаяся, в частности, уменьшением твердости металла. Для железа и низкоуглеродистой стали температура рекристаллизационного отжига принимается равной 650. 700°С.

Для того чтобы в металле при нагреве протекала рекристаллизация, необходима его хотя бы минимальная предварительная холодная обработка (критическая степень деформации ε_кр для железа равна 5. 6 %, для малоуглеродистой стали — 7. 15, для меди — около 5, для алюминия — 2. 3 %).

При рекристаллизации после деформирования материала с ε_кр зерно растет в нем особенно сильно и может увеличиться по сравнению с исходным во много раз. Выбирая степень деформации и температуру рекристаллизационного отжига, можно получить в металле зерно нужного размера. Рекристаллизационный отжиг широко используют для управления формой и размерами зерен, текстурой и свойствами металлов и сплавов.

Создание текстуры и наклеп возможны только в случае холодного деформирования металла. Обработка давлением называется холодной, если она совершается при температурах ниже температуры рекристаллизации, горячей — при температурах выше температуры рекристаллизации.

При горячей обработке давлением одновременно с пластической деформацией металла протекает рекристаллизация, которая продолжается и после деформации до тех пор, пока температура металла не станет ниже Т_рекр. При этом в металлах не возникает текстура и они не наклепываются. Такая обработка широко используется при производстве горячекатаного стального полуфабриката различного профиля.

Изменение структуры литого металла в результате ковки и штамповки

При ковке (прокатке) слитков наблюдаются следующие характерные изменения литой структуры: крупные кристаллы (дендриты) под влиянием деформации вытягиваются в направлении общего течения (удлинения) металла; вместе с кристаллами вытягиваются и неметаллические включения, расположенные по границам дендритов. По мере вытягивания эти включения принимают форму прядей и придают макроструктуре поковки (проката) характерное волокнистое строение [1].

Образование волокнистого макростроения при протяжке обычно начинается в срединной части слитка, а потом уже распространяется на его периферийные слои в зону столбчатых кристаллов. Это объясняется тем, что в срединной части литой структуры (рис. 9) дендриты повернуты на некоторый угол к оси слитка; здесь же имеется область хаотично расположенных кристаллов и их частей. Таким образом, сам характер расположения кристаллов и их частей в средине слитка способствует их первоочередному повороту и вытягиванию в направлении общей вытяжки слитка, тем более, что это направление, как правило, совпадает с осью слитка.

В зоне столбчатых дендритов слитка последние расположены перпендикулярно к направлению вытяжки и поэтому для их переориентации в процессе обжима потребуется большая степень деформации, которая в данном случае характеризуется степенью вытяжки. В свою очередь, последняя определяется уковом: K=F_НАЧ/F_КОН=L_КОН/L_НАЧ (где F_НАЧ и F_КОН – соответственно начальная и конечная площади поперечного сечения слитка; L_НАЧ и L_КОН – соответственно начальная и конечная длина слитка).

В срединной части слитка волокнистое макростроение появляется уже при уковке K=2–3, а периферийная зона слитка приобретает волокнистое макростроение по всему сечению только при укове K=10.

Волокнистость макроструктуры проката невозможно устранить ни последующей термообработкой, ни обработкой давлением. Последняя приводит лишь к тому, что с изменением формы заготовки изменяется направленность (конфигурация) волокон, но характер волокнистости структуры сохраняется и в поковке, и в детали.

В отличие от этого микроструктура деформированного металла существенно изменяется последующей термообработкой. Причем для облегчения термической обработки желательно, чтобы после обработки давлением металл поковки имел бы более мелкое зерно.

Поэтому, учитывая тот факт, что рост зерен металла зависит от температуры нагрева, заготовки для обработки давлением следует нагревать до возможно низкой температуры ковки и все участки нагретой заготовки должны интенсивно проковываться. Следует также иметь в виду и то обстоятельство, что зерна деформируемого металла растут и после обработки давлением под воздействием повышенной температуры (рис. 15). Поэтому горячую обработку поковок необходимо заканчивать по возможности ближе к нижнему пределу допустимых температур ковки.

7.2. Зависимость свойств металла от обработки давлением.

Показатели механических свойств металла, обработанного давлением, зависят от степени его укова и от направления волокон макроструктуры. И если прочностные характеристики металла (пределы прочности и текучести) вдоль и поперек волокон оказываются практически одинаковыми, то характеристики пластичности (относительные удлинение и сужение, ударная вязкость, предел выносливости) разнятся весьма существенно. Это явление носит название векториальности механических свойств или анизотропии. Анизотропия увеличивается с увеличением степени укова. Так при К=10, ударная вязкость поперек волокон оказывается в 2–3 раза меньше, чем вдоль волокон. При этом разница в показателях предела прочности составляет всего лишь 10–15%.

Принимая во внимание то обстоятельство, что степень укова оказывает заметное влияние на изменение показателей механических свойств металла, в различных случаях рекомендуются и обработка давлением с определенными значениями укова. Например, для одинаковых механических свойств металла по всем направлениям К=3,5–4,0, а для лучших механических свойств в одном направлении К=6–10.

Штамповка

Штамповка – вид обработки давлением, при котором формообразование поковки из заготовки осуществляется с помощью специального инструмента – штампа.

Заготовки, получаемые штамповкой, называется штампованными поковками, или просто поковками.

Штамповка имеет ряд преимуществ по сравнению с ковкой:

а) Производительность штамповки значительно выше – составляет 10…1000 . Поэтому при серийном и массовом производстве выгодней использовать штамповку;

б) Горячей объемной штамповкой можно получить без напусков поковки сложной формы (экономия металла), которые ковкой изготовить без напусков нельзя;

в) Допуски на штампованную поковку в 3…4 раза меньше, чем на кованную, следовательно, значительно меньше объем последующей механической обработки – штампованные поковки обрабатывают только в местах сопряжения с другими деталями, и эта обработка может сводиться только к шлифованию.

1) Штамповочный инструмент – штамп – дорогостоящий инструмент и является пригодным только для изготовления какой-то одной, конкретной поковки, т.е. штамповка экономически целесообразна в крупносерийном производстве;

2) Объемная штамповка требует гораздо бόльших усилий деформирования, чем ковка таких же поковок. Поковки 100…1000 кг. Для штамповки считаются крупными. Хотя в отдельных случаях на мощных машинах штампуют поковки массой до 3 т.

Различают объемную штамповку (горячую и холодную) и листовую штамповку (холодную и с нагревом).

Горячая объемная штамповка (ГОШ). Горячей объемной штамповкой изготавливают заготовки для ответственных деталей автомобилей, самолетов, железнодорожных вагонов, станков и т.д. Например, колеса электровозов, коленчатые валы двигателей, шатуны и т.п.

В качестве заготовок для ГОШ в большинстве случаев служит прокат круглого, квадратного, прямоугольного профилей (прутки), разрезаемый на отдельные (мерные) заготовки на кривошипных пресс-ножницах, механическими пилами, газовой резкой.

Штамп состоит из двух разъемных частей, имеющих соответственным образом расположенные выступы так, что в собранном виде указанные части образуют замкнутые полости (ручьи) по конфигурации поковки.

1) В открытых штампах (рис.3.17, а). Верхняя часть штампа крепится к бабе, а нижняя часть – к штамподержателю и шаботу молота. Между подвижной и неподвижной частями штампа имеется зазор (полость) 1, в который вытекает заусенец 2 (облой). Облой закрывает выход из полости штампа и заставляет металл целиком заполнять всю полость. В конечный момент деформирования в облой выжимаются излишки металла, что позволяет не предъявлять высоких требований к точности заготовки по массе. Облой затем обрезают в специальных штампах.

Рис.3.17. Открытые (а) и закрытые (б) штампы.

2) В закрытых штампах (рис.3.17, б). При штамповке в закрытых штампах образование облоя не предусматривается. Для получения поковок в закрытом штампе без избытка и не достатка металла требуется строгое равенство объема заготовки объему полости штампа. В противном случае: при избытке металла штамп не закроется и поковка не сформируется, а при не достатке – полость штампа заполнится не полностью и поковка будет забракована.

Штамповка на молоте может осуществляться в одноручьевых или многоручьевых штампах.

Одноручьевые штампы применяют для получения поковок не сложной конфигурации: форма и размеры полости штампа здесь соответствует формам и размерам готовой горячей поковки.

Поковки сложной формы изготавливают в многоручьевых штампах (рис.3.18), состоящих из заготовленных ручьев (протяжных, пережимных, гибочных, подкатных т.д.), предназначенных для подготовки изделия к последующей штамповке, и штамповочных (черновых и чистовых) ручьев, в которых производится окончательное формирование поковки. Заготовительные, черновые и чистовые штамповочные ручьи размещают в одном или нескольких штампах.

Рис.3.18. Штамповка в многоручьевом штампе.

Штамп для горячей штамповки на прессах имеют ряд отличительных особенностей, так как характер деформации металла при штамповке на прессе отличается от характера деформации металла при штамповке на молоте. Штампы для прессов конструируют так, чтобы оформление поковки происходило постепенно за несколько переходов: сначала в заготовительных ручьях (для осадки, гибки и т.д.), где заготовка осаживается и ее объем перераспределяются в соответствии с формой поковки, а затем в штамповочных ручьях (черновом и чистовом), в котором получают готовую поковку.

Штамп для штамповки на горизонтально – ковочных машинах обычно многоручьевые закрытые. Они состоят из пуансона и разъемных матриц (подвижной и неподвижной).

Технический процесс ГОШ включает:

1) Резку фасонного проката на заготовки мерной длины;

2) Нагрев заготовок;

3) Штамповку заготовок;

4) Отделку поковок.

Основные документы, регламентирующие технологический процесс ГОШ – чертеж поковки и технологическая карта. Штампы изготовляются по чертежу поковки с учетом коэффициента температурного расширения. Размеры поковки определяют по чертежу готовой детали с учетом припусков на мех. Обработку, напусков для упрощения не технологичных элементов поковки и получения штамповочных уклонов, а также допусков на штамповку согласно ГОСТ.

Холодная объемная штамповка (ХОШ). ХОШ – штамповка без предварительного нагрева заготовки (при комнатной температуре). Применяется для массового производства небольших поковок. Основные разновидности ХОШ: холодное выдавливание, холодная высадка, холодная объемная формовка.

Холодное выдавливание выполняют обычно на кривошипных или гидравлических прессах в штампах, в которых рабочими инструментами являются пуансон и матрица. Схема деформирования холодного выдавливания сходна со схемой прессования. Как и при прессовании, при холодном выдавливании заготовку помещают в полость, из которой металл выдавливается в отверстия, имеющиеся в рабочем инструменте.

В отличие от прессования заготовкой при выдавливании является не слиток, а заготовка, отрезанная от прутка. Кроме того, если прессованием в основном получают профильный материал постоянного сечения подлине, то выдавливанием – детали или полуфабрикаты, требующие для окончательного формирования детали дополнительных операций резания или обработки давлением.

Главная положительная особенность холодного выдавливания – возможность получения без разрушения заготовки при очень больших степенях деформации, характеризующихся показателем , где и – площадь поперечного сечения исходной заготовки и выдавленной части детали соответственно. Для мягких и пластичных металлов К > 100 (Al – трубы диаметром 20…40мм с толщиной стенки 0,1…0,2мм). Возможность достижения таких высоких степеней деформации обусловлено тем, что выдавливание происходит в условиях неравномерного всестороннего сжатия.

При выдавливании пластическая деформация охватывает не весь объем заготовки, а лишь её часть. До тех пор, пока высота очага деформации меньше, чем высота деформируемой заготовки, удельные усилия по ходу пуансона изменяются незначительно. Однако, когда высота деформируемой части заготовки становится больше высоты естественного очага деформации, удельные усилия начинают интенсивно возрастают. Это обстоятельство ограничивает допускаемую толщину фланца или донышка штампуемой детали.

Холодную высадку выполняют на специальных холодно-высадочных автоматах. Штампуют от прутка или проволоки. Пруток подаётся до упора, поперечным движением ножа отрезается заготовка нужной длины, переносится с помощью специального механизма в позиции штамповки, на которых получают детали: заклёпки, болты, винты, гвозди, шарики, ролики, гайки, звёздочки, накидные гайки и т.п. из чёрных и цветных металлов со скоростью 20…400 деталей/мин. В отходы идёт менее 5 % металла.

Холодная формовка (холодная штамповка в открытых металлах) по схеме аналогична схеме ГОШ. Требует значительных удельных усилий из-за высокого сопротивления деформированию металла в холодном состоянии, поэтому обычно штамповку ведут в несколько переходов, последовательно изменяющих форму заготовки. Для снятия наклепа часто между переходами применяют рекристаллизационный отжиг. Силы трения при холодной формовке обычно затрудняют деформирование, поэтому обычно применяют смазку.

Листовая штамповка. Служит для получения плоских и объемных изделий с тонкими стенками (в том числе и сложной формы) из листового материала.

Положительные особенности листовой штамповки:

а) экономное расходование материала т.к. при листовой штамповке изделия получаются с малыми допусками и высоким качеством поверхности;

б) широкие возможности механизации и автоматизации процесса.

В большинстве случаев листовую штамповку для листов толщиной 0,1…5мм осуществляют в холодном состоянии. Горячей листовой штамповке, как правило, подвергают листы материала толщиной более 5 мм. В большинстве случаев холодноштамповочные изделия не подвергают механической обработке, и они поступают на сборку машин. Холодной листовой штамповке присущи ограничения: 1) по степени деформации, так как она сопровождается наклепом; 2) по химическому составу сталей в связи с малой пластичностью в холодном состоянии сталей некоторых марок. Листовая сталь для глубокой вытяжки и сложных формоизменений должна иметь: .

Исходным материалом при листовой штамповке служат:

а) листы, ленты и полосы из горячекатаной стали (толщиной до 4…5мм) обыкновенного качества Ст.2, Ст.3.

б) листа, ленты, полосы из холоднокатаной тонколистовой конструкционной стали 08кп, 10кп, 15кп, 20кп, 10, 20, а также низколегированной низкоуглеродистой стали;

в) листы, ленты и полосы из меди, латуни, дюралюминия, титана.

Все операции листовой штамповки можно разделить на 2 группы:

1) Разделительные операции: отрезка, вырубка, пробивка, защита.

Отрезка – операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру. Обычно это заготовительная операция, дающая разделение листа на полосы заданной ширины. Осуществляется на ножницах разной конструкции: рычажных; с параллельными ножами; гильотинных; дисковых др.

Вырубка – операция отделения части заготовки по замкнутому контуру, причем отделяемая часть является изделием;

Пробивка – отделение части заготовки по замкнутому контуру, причем отдельная часть является отходом (пробивка отверстий);

Зачистка – операция снятия припуска по наружному периметру или отверстию, устраняющая шероховатость и наклон среза после вырубки или пробивки и дающая ровный блестящий срез с образующими параллельными оси пуансона. Для сравнительно толстых заготовок, а также для повышения точности в размерах изделия иногда проводят многократную зачистку с постепенно уменьшающимся припуском.

2) Формообразующие операции:

а) Гибка – формообразующая операция, которая дает изменение направления оси заготовок. Минимальный радиус изгиба r_min подбирают таким образом, чтобы не было разрушения расстегиваемых слоев заготовки: , S – толщина листа.

б) Вытяжка – операция, превращая плоскую заготовку полое изделие (чашку). Различают: вытяжку без утонения и вытяжку с утонением;

в) Отбортовка – операция, в которой из плоского участка заготовки с отверстием путем раздачи отверстия получают горловину (борт);

г) Обжим – формообразующая операция, дающая уменьшение диаметра краевой части вытянутой изделия.

д) Формовка – операция, дающая изменения формы заготовки или полуфабриката посредством местных деформаций, иногда сопровождающихся изменением толщины материала.

Оборудование для листовой штамповки: штамп, к нижней плите которого крепят матрицу, а к верхней (подвижной) – пуансон. Различают штампы простого действия, выполняющие какую-либо одну операцию, и многооперационные штампы (штампы последовательного и штампы совмещенного действия).

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.

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.

Горячая объемная штамповка металла: суть и преимущества технологии

Горячая штамповка, которая предполагает деформирование металлической заготовки в нагретом состоянии, используется для того, чтобы изменить не только конфигурацию этой заготовки, но и ее размеры. Чаще всего такая технологическая операция применяется для того, чтобы изменить геометрические параметры не в одной плоскости, а в нескольких измерениях. В таких случаях эта процедура носит название «горячая объемная штамповка».

Горячая штамповка обычно применяется в массовых производствах, где требуется большой объем работ

Сущность технологии

Сущность процесса горячей штамповки заключается в том, что готовое изделие из металла получают из нагретой до определенной температуры заготовки, воздействуя на нее давлением, для чего используется специальный штамп. При выполнении горячей штамповки температура заготовки изменяется от состояния просто нагретой поверхности до ковочной. Чтобы ограничить течение нагретого металла в ненужном направлении, на отдельных участках внутренней поверхности штампа выполняют специальные полости и выступы. Таким образом, внутренняя поверхность штампа формирует замкнутую полость (ручей), конфигурация которой полностью соответствует форме готового изделия.

Так выглядит нижняя часть простого одноручьевого штампа

Горячая объемная штамповка (ГОШ) выполняется на металлических брусках различного профиля – квадратного, прямоугольного, круглого или периодического. В отдельных случаях производство готовых изделий по технологии горячей штамповки может выполняться из сплошного металлического прутка. Изначально его часть формируется в поковку с требуемыми геометрическими параметрами, а затем ее отделяют при помощи резки. Однако, как правило, заготовки для горячей штамповки нарезают из металлического прутка.

Наибольшую эффективность штамповка деталей, предполагающая их предварительный нагрев, демонстрирует при серийном и массовом производстве. В частности, в использовании данной технологии для производства металлопродукции крупными и массовыми сериями есть целый ряд преимуществ.

Отходы металла, из которого производится продукция, уменьшаются.
Увеличивается производительность труда.
При помощи данной технологии можно изготавливать изделия даже очень сложной конфигурации.
Готовые изделия, полученные методом горячей штамповки металла, отличаются не только особой точностью геометрических параметров, но и высоким качеством поверхности.

Схема технологического процесса изготовления детали типа «шатун» методом горячей объемной штамповки

Технологический процесс горячей штамповки включает в себя большой перечень операций, выполняемых начиная с момента загрузки детали из металла в зону обработки и заканчивая выгрузкой из оборудования готового изделия. Проектирование такого процесса подразумевает соблюдение следующего алгоритма:

выбрать метод, по которому будет изготовляться изделие: на штампах с открытым или закрытым ручьем;
разработать подробный чертеж готовой поковки;
установить, за сколько переходов можно сделать готовое изделие;
для каждого перехода разработать чертеж формируемой поковки;
в зависимости от требуемой мощности для каждого этапа технологического процесса выбрать соответствующее оборудование и сформировать штампы;
перед горячей штамповкой нагреть заготовку, выбрав способ нагрева и режимы его выполнения;
в зависимости от требований к качеству готового изделия определить перечень финишных операций, которым будет подвергнута поковка.

На завершающей стадии разработки технологического процесса необходимо выполнить расчет его экономических и технических показателей.

Преимущества и недостатки горячей объемной штамповки

Обработка металла, выполняемая методом горячей штамповки, может осуществляться по различным технологиям, особенности реализации которых зависят от целого ряда параметров: типа используемого оборудования, геометрических параметров и материала изготовления формируемого изделия. По технологии ГОШ можно изготавливать следующие типы деталей.

В качестве таких изделий могут выступать валы различного назначения, шатуны, рычаги и другие детали подобной конструкции. Для их производства используют штамповочный пресс. Обрабатываются они методом горячей штамповки плашмя, при этом исходная заготовка подвергается операции протяжки. Заключительным этапом производства является фасонирование методом свободной ковки, выполняемое в заготовительных вальцах ковочных вальцов.

Это шестерни, фланцы, ступицы, крышки и другие детали круглой или квадратной конфигурации, отличающиеся относительно небольшой длиной. Чтобы изготовить продукцию данного типа, используют технологию осадки, которая выполняется в торец обрабатываемой заготовки. Для реализации такой технологии требуется использовать штамповочные переходы.

Примеры изделий, изготовленных методом горячей объемной штамповки

Штамповочные ручьи

При обработке предварительно нагретых изделий из стали, как и при горячей штамповке латуни, применяют штамповочные ручьи, которые могут быть:

протяжными (с их помощью увеличивают длину отдельных участков обрабатываемых деталей: по той части заготовки, которую необходимо удлинить, наносятся частые, но несильные удары, одновременно выполняется кантование обрабатываемой детали);
заготовительными (их целью является фасонирование обрабатываемой заготовки: металл перераспределяется в ее общем объеме для того, чтобы придать готовому изделию такую форму, которая обеспечивает минимальный отход материала);
пережимными (их выполняют для уменьшения высоты отдельного участка заготовки с одновременным увеличением его ширины);
подкатными (ручьи, в которых металл заготовки равномерно распределяется по ее оси, при этом увеличивается диаметр отдельных ее участков);
гибочными (в них заготовка поступает с изогнутой осью, формируется поковка, угол изгиба которой составляет 90°).

Этапы сложной штамповки в нескольких ручьях

К штамповочным ручьям, в которых изготовляемый элемент приобретает требуемую форму, относятся:

предварительные, или черновые, в которых форма обрабатываемой заготовки максимально приближается к конфигурации поковки (особенности такого ручья, который может и не использоваться при выполнении горячей штамповки, заключаются в том, что он имеет несколько увеличенную глубину, также в нем, по сравнению с параметрами чистового изделия, увеличены уклоны и радиусы скругления);
чистовые, в которых деталь приобретает конечную форму, но ее размеры увеличены на величину усадки металла при его остывании (поскольку в таких ручьях на заготовку необходимо оказывать максимальные усилия, располагают их в центральной части штампа).

Технологические схемы штамповки

Из используемых на сегодняшний день схем выполнения горячей штамповки следует выделить только две.

Это технологическая операция, выполняемая в штампе, зазор между подвижной и неподвижной частями которого минимален. Горячую штамповку по данной методике можно выполнять на прессах, когда выступом оснащена верхняя часть штампа, а полостью – нижняя, или на молотах, когда полость находится в верхней части рабочего инструмента, а выступающая часть – в нижней. Применение штампов данного типа требует того, чтобы объемы поковки и готовой детали точно совпадали. Штампы закрытого типа могут иметь не одну, а две плоскости разъема, располагающиеся под прямым углом друг к другу.

Штамповка в одноручьевом закрытом штампе

Между подвижной и неподвижной частями штампа для горячей штамповки открытого типа имеется специальный зазор, в который выдавливаются излишки металла, образующиеся в процессе его деформирования. Штампы открытого типа, что является их большим преимуществом, можно применять для поковок любого вида.

Схема штамповки в открытых штампах

Применение штампов закрытого типа также имеет свои преимущества, которые заключаются в следующем.

Читайте также: