Обработка металлов давлением:
физика процесса и виды

Что такое обработка металлов давлением

Обработка металлов давлением, часто сокращают до ОМД, это группа технологий получения деталей и заготовок пластической деформацией металла без снятия стружки. Заготовку помещают между инструментом, бойками, валками, матрицей и пуансоном, и под действием внешней нагрузки металл течёт, меняя форму, но почти не меняя объём. В этом главное отличие от литья, где форму задаёт застывающий расплав, и от обработки резанием, где форму получают удалением лишнего металла.

Практическое следствие простое: обработка давлением экономит металл, потому что почти весь объём заготовки переходит в деталь, а не в стружку или облой. Она же часто упрочняет металл за счёт наклёпа или за счёт вытянутых вдоль контура детали волокон, поэтому кованый или штампованный вал при прочих равных прочнее, чем выточенный из той же заготовки резанием. Обратная сторона в том, что метод требует дорогой оснастки и мощного оборудования, поэтому почти всегда завязан на партию.

Что происходит с металлом: пластическая деформация и наклёп

В основе любой обработки давлением лежит пластическая деформация: под нагрузкой атомы кристаллической решётки металла сдвигаются друг относительно друга по плоскостям скольжения и остаются в новом положении после снятия нагрузки. Это отличает пластическую деформацию от упругой, при которой металл возвращается к исходной форме, как только нагрузку сняли.

При деформации без нагрева, то есть холодной, дефекты кристаллической решётки, дислокации, размножаются и запутывают друг друга. Внешне это видно как рост твёрдости и предела текучести и одновременное падение пластичности, явление называют наклёпом. У наклёпа есть предел: после его исчерпания металл рвётся или трескается вместо того, чтобы течь дальше. При деформации с нагревом выше температуры рекристаллизации металла зерно успевает восстановиться прямо по ходу процесса, и упрочнения не остаётся, зато сопротивление деформации падает в разы, и течь металл начинает при заметно меньшем усилии.

Холодная, тёплая и горячая обработка давлением

Выбор режима не эстетический, а инженерный: холодная обработка выгодна, когда важна точность и не нужна большая степень деформации за переход, горячая, когда заготовка крупная, а металл в холодном виде потребовал бы неподъёмного усилия пресса. Подробно про холодный способ и его ограничения читайте в статье холодное прессование металла, про горячий, включая температуры по сплавам, в статье горячее прессование металла.

Объёмная и листовая обработка давлением

Второй способ классификации не по температуре, а по схеме деформации заготовки и её исходной форме.

• Объёмная обработка давлением. Исходная заготовка компактная: пруток, слиток, заготовка кубической или цилиндрической формы. Деформация идёт во всех направлениях, металл заполняет полость штампа или течёт вдоль оси инструмента. Сюда относят ковку, объёмную штамповку, прессование, высадку, прокатку сортового проката.
• Листовая обработка давлением. Исходная заготовка это лист или полоса, толщина которой много меньше остальных размеров. Деформация в основном происходит в плоскости листа или изгибом относительно тонкой толщины. Сюда относят вырубку, гибку, вытяжку, отбортовку, листовую прокатку.

Граница между категориями не всегда жёсткая: холодная высадка головки болта из прутка это объёмная деформация, а вытяжка стакана из листа формально тоже даёт объёмную деталь, но исходная заготовка листовая, и логика деформации там листовая. Операции, специфичные именно для листа, вырубка, гибка, вытяжка, зазор оснастки и допуски, разобраны отдельно в статье штамповка листового металла.

Ковка: свободная и в штампах

Ковка старейший вид обработки давлением. При свободной ковке металл деформируют между плоскими или фигурными бойками без замкнутой полости, форма детали задаётся последовательными ударами и перемещением заготовки, а не оснасткой. Метод не требует дорогого штампа, поэтому годится на единичные и крупные заготовки, но даёт меньшую точность и требует высокой квалификации кузнеца.

Штамповка в открытом или закрытом штампе это по сути тоже ковка, но металл частично или полностью заполняет полость штампа, который и задаёт окончательную форму. Точность выше, чем при свободной ковке, но штамп стоит денег и окупается только партией. Отсюда практическое правило: единичная деталь почти всегда свободная ковка либо вовсе обработка резанием из проката, партия от нескольких десятков и выше делает штамп экономически оправданным.

Штамповка объёмная и листовая

Штамповку разделяют так же, как обработку давлением в целом, по исходной заготовке. Объёмная штамповка работает с компактной заготовкой и полостью штампа, которая заполняется металлом целиком, типичный результат, шестерня, фланец, ступенчатый вал. Листовая штамповка работает с плоской заготовкой, металл в основном изгибается и вытягивается, а не заполняет объёмную полость, типичный результат, кронштейн, корпус, крышка из листа.

Прессование, выдавливание и волочение

Прессование в широком смысле это выдавливание металла из замкнутого объёма через отверстие в матрице или инструменте. Прямое прессование гонит металл в направлении хода пуансона, обратное, навстречу ходу пуансона вдоль его боковой поверхности. Так получают профили, трубы, прутки и объёмные детали вроде стаканов и гильз, причём и в холодном, и в горячем варианте, разница снова в температуре относительно рекристаллизации.

Волочение стоит рядом: заготовку, обычно уже прошедшую прокатку или прессование, протягивают через сужающееся отверстие волоки, уменьшая сечение и повышая точность размера. Волочением делают проволоку, калиброванный пруток и часть трубной продукции, метод почти всегда холодный и заметно упрочняет металл наклёпом по всей длине заготовки.

Прокатка как отдельный вид обработки давлением

Прокатка стоит особняком: заготовка проходит между вращающимися валками, зазор между которыми меньше исходной толщины заготовки, и металл обжимается, вытягиваясь в длину. Так делают лист, полосу, сортовой прокат, трубы и профиль, то есть саму заготовку для дальнейшей обработки давлением или резанием, а не готовую деталь под конкретный чертёж. Именно поэтому прокатку почти никогда не заказывают штучно: это металлургический передел, а не механообработка заказа.

Горячая прокатка идёт при температуре выше рекристаллизации и даёт основную массу проката, холодная прокатка идёт без нагрева на уже горячекатаной заготовке и повышает точность толщины и качество поверхности, классический пример, тонкий лист и жесть.

Какие металлы обрабатываются давлением, а какие нет

Пригодность металла зависит и от химического состава, и от состояния поставки, отожжённое оно или уже нагартованное, и от требуемой степени деформации за переход. Границы по конкретной марке металла, для которой нет справочных данных под рукой, не придумываем, уточняем при расчёте.

Параметры процесса: деформация, скорость, трение

Три параметра описывают почти любую операцию обработки давлением. Степень деформации показывает, насколько сильно изменилась форма заготовки за переход, и напрямую связана с накопленным наклёпом и с риском трещин. Скорость деформации влияет на то, как ведёт себя металл: при горячей обработке слишком высокая скорость не даёт рекристаллизации успеть за деформацией, при холодной высокая скорость повышает разогрев металла от самой работы деформации.

Трение на контакте металла с инструментом одновременно и нужно, и вредно: без него заготовка проскальзывает и не заполняет полость штампа, но избыточное трение повышает усилие, износ оснастки и риск задиров на поверхности детали. Поэтому почти все операции обработки давлением идут со смазкой, тип и назначение которой подбирают под металл и режим, температуру, холодный или горячий, а не берут произвольно.

Как выбрать метод под задачу

На единичной детали и мелкой серии обработка давлением почти всегда проигрывает станочной обработке резанием по общей стоимости заказа, потому что оснастку некому окупить. На серии обработка давлением выигрывает за счёт экономии металла и скорости цикла. Отдельно от партии стоит выбор между ковкой, штамповкой и раскроем листа с последующей гибкой, там же сравнение точности разных методов раскроя, этот выбор мы разбираем на сайте в материале про виды обработки давлением и раскрой заготовки.

Что делаем мы: от прототипа до серии

Собственного кузнечно-прессового и прокатного оборудования на площадке у нас нет: ковку, объёмную штамповку, прессование и прокатку заказываем профильным производствам по вашему чертежу или по эскизу. Наша часть работы вокруг этого процесса, от проектирования оснастки до финишной готовности детали.

Проектируем и изготавливаем штампы и оснастку под вашу деталь, консультируем по выбору металла и режима обработки, ведём заказ кованой, штампованной или прессованной заготовки на стороннем производстве. Полученные заготовки доводим на своих станках до чертёжного размера: точим, фрезеруем, растачиваем посадочные места, нарезаем резьбу, зачищаем облой и заусенец. Термообработку, цементацию, ТВЧ и покрытия назначаем по требованию чертежа, герметичные узлы после сборки опрессовываем с протоколом.

Перед расчётом спрашиваем: марку металла, форму и объём партии заготовки, требования к точности готовой детали, есть ли уже оснастка или её нужно проектировать заново. Смежные материалы на сайте: холодное прессование металла, горячее прессование металла, штамповка листового металла, а также услуги изготовление штампов, детали с термообработкой и изготовление деталей на заказ.

Вопросы и ответы