Штамповка листового металла:
операции, штампы и допуски

Что такое штамповка листового металла

Штамповка листового металла это способ получить деталь из листа, полосы или ленты серией операций в штампе: металл вырубают по контуру, пробивают отверстия, гнут, вытягивают в объёмную форму. В отличие от объёмной штамповки, где заготовка компактная и заполняет полость целиком, здесь исходный материал тонкий относительно остальных размеров, и деформация идёт в основном по плоскости листа или изгибом.

Место листовой штамповки среди прочих способов обработки давлением, объёмной штамповки, ковки, прессования, разобрано в статье обработка металлов давлением. Здесь мы разбираем именно листовую ветвь подробно: какие операции в неё входят, как устроен штамп и какие допуски реалистичны.

Плюсы метода: быстрый цикл на одну деталь, малый отход металла при грамотном раскрое, стабильная геометрия партии. Минус один, но существенный: оснастка стоит денег и времени на проектирование и изготовление, поэтому штамповка почти всегда экономически оправдана только на серии, а не на единичной детали.

Вырубка и пробивка

Вырубка и пробивка это одна и та же по механике операция, различие только в том, какая часть металла считается деталью. При вырубке контур, который вырубился из листа, это и есть деталь, а остаток листа, обрезь, уходит в отход. При пробивке наоборот: деталью остаётся лист с отверстием или окном нужной формы, а вырубленный кусок уходит в отход. Металл в зоне реза сначала упруго изгибается, затем пластически сдвигается, и в конце скалывается по линии среза, поэтому кромка после вырубки всегда неоднородна: у входа пуансона она более гладкая, глубже идёт скол.

Усилие вырубки растёт с толщиной листа, периметром контура и прочностью металла, а снижается хорошим зазором и острой режущей кромкой инструмента. На сложном контуре с мелкими элементами прочность инструмента и его правильная заточка важнее прочего.

Гибка: углы, радиусы и пружинение

При гибке лист изгибается вдоль линии, наружные волокна металла растягиваются, внутренние сжимаются, а посередине толщины лежит нейтральный слой, который практически не меняет длину. Отсюда минимальный радиус гиба: слишком острый угол растягивает наружные волокна сверх запаса пластичности металла, и на внешней стороне гиба появляется трещина.

Деформация при гибке не целиком пластическая: часть металла у нейтрального слоя гнётся упруго и после снятия усилия стремится вернуться к исходному углу. Это явление, пружинение, значит, что деталь, согнутая ровно на чертёжный угол, на выходе из-под пресса окажется чуть более тупой, чем нужно. Инструмент проектируют с перегибом, компенсирующим пружинение, величина поправки зависит от марки металла, его толщины и радиуса гиба.

Вытяжка: из плоской заготовки в объёмную деталь

Вытяжка превращает плоскую заготовку в полую объёмную деталь: стакан, чашу, колпак. Пуансон продавливает металл в отверстие матрицы, металл по краю заготовки протягивается внутрь, при этом складкодержатель прижимает фланец, чтобы предотвратить складки, но не настолько сильно, чтобы металл не мог протягиваться вообще.

Степень вытяжки за один переход ограничена запасом пластичности металла: слишком глубокая деталь за один ход рвётся у дна или у радиуса матрицы. Глубокие детали вытягивают в несколько переходов постепенно уменьшающимися диаметрами, а между переходами почти всегда закладывают промежуточный отжиг, снимающий наклёп, накопленный на предыдущем переходе. Подробнее про наклёп и отжиг между переходами в объёмных процессах, близких по физике к вытяжке, читайте в статье холодное прессование металла.

Отбортовка, чеканка и формовка

• Отбортовка. Образование бортика по краю отверстия или по контуру заготовки, чаще всего под последующую резьбу или под жёсткость кромки.
• Чеканка. Калибрующий удар по уже сформированной поверхности для повышения точности размера и улучшения чистоты поверхности, похоже по идее на калибровку в объёмном прессовании.
• Формовка. Локальное изменение формы заготовки без существенного изменения её толщины: рёбра жёсткости, местные выштамповки, зиги.
• Просечка с отгибом. Частичный надрез с одновременным отгибом язычка, часто используется для вентиляционных решёток и жалюзийных отверстий.

Эти операции редко идут по отдельности, обычно они объединены в одном штампе с вырубкой и гибкой: чем сложнее готовая деталь, тем больше переходов совмещает оснастка.

Конструкция штампов: простого и совмещённого действия

Чем больше операций объединяет штамп за один ход или один шаг подачи, тем выше его стоимость и сложность проектирования, но тем ниже себестоимость одной детали на большой партии. Выбор типа штампа это всегда компромисс между стоимостью оснастки и объёмом заказа, считаем его по конкретному чертежу и планируемой серии.

Зазор между матрицей и пуансоном

Зазор между режущими кромками матрицы и пуансона одна из ключевых настроек вырубного штампа. Его задают не в миллиметрах произвольно, а в процентах от толщины листа, и он зависит от материала: для мягкой стали и алюминия зазор обычно меньше, для более прочных и толстых материалов больше.

Точное значение зазора под вашу марку металла и толщину листа берём из технологических таблиц для конкретного материала, а не задаём произвольную цифру, потому что ошибка в зазоре сразу видна на кромке первой же детали.

Материалы и диапазон толщин

• Конструкционная сталь (типа 08кп, Ст3, 09Г2С в виде листа). Основной материал листовой штамповки, широкий диапазон толщин.
• Нержавеющая сталь аустенитного класса. Штампуется, но требовательна к зазору и заметно сильнее пружинит при гибке.
• Алюминиевые сплавы. Лёгкие, пластичные в мягком состоянии, но быстро нагартовываются при глубокой вытяжке.
• Оцинкованный лист. Штампуется как обычная сталь, но покрытие требовательно к чистоте и износу инструмента, чтобы не сдирать цинк на кромке.
• Медь и латунь в листе. Хорошо гнутся и вытягиваются, применяются там, где важна электропроводность или декоративный вид.

Диапазон толщин листа для штамповки на конкретном оборудовании и предельные толщины для лазерного раскроя перед гибкой уточняем при расчёте под материал и оборудование, единой цифры на все металлы и все прессы не существует.

Точность и допуски листовой штамповки

Точность контура после вырубки определяется в первую очередь состоянием инструмента и правильным зазором, а не одной универсальной цифрой допуска. На хорошо отлаженном штампе размер по контуру стабилен от детали к детали в пределах десятых долей миллиметра, износ кромок со временем этот показатель ухудшает, поэтому переточку и обслуживание штампа закладывают в план работы с оснасткой.

Гибка добавляет свою неопределённость через пружинение: угол после снятия усилия отличается от угла инструмента на величину, зависящую от металла и толщины, и эту поправку закладывают в проектирование штампа заранее. Отверстия и элементы с жёстким посадочным допуском, если чертёж их требует, разумнее выполнять уже после гибки механической обработкой, а не рассчитывать на точность самой штамповки, потому что рядом с линией гиба металл вытягивается и меняет исходную геометрию отверстия.

Типичные дефекты: заусенец, гофры, разрывы

Большинство этих дефектов закладывается на этапе проектирования штампа и выбора переходов, поэтому исправление обычно требует доработки оснастки, а не подбора режима на прессе.

Когда штамповка выгоднее лазерной резки с гибкой

Для несложной плоской детали без глубокой вытяжки лазерный раскрой листа с последующей гибкой на прессе часто выгоднее штампа вплоть до довольно крупных партий: не нужно ждать изготовления оснастки и нести её стоимость. Штамп начинает выигрывать, когда деталь сложная и объединяет много операций, вырубку, несколько отверстий, гибку, формовку, потому что штамп совмещённого или последовательного действия делает всё это за один ход пресса, тогда как лазер и отдельная гибка требуют нескольких проходов и установов на каждую деталь.

Однозначной цифры партии, после которой штамп окупается, не существует: она зависит от сложности контура, числа операций, толщины и материала листа, а также от стоимости конкретной оснастки. Мы считаем эту границу по вашему чертежу и объёму заказа, а не называем общую цифру для всех деталей. Раскрой лазером как отдельная услуга описан на странице лазерная резка металла.

Что делаем мы: от лазера и гибки до штампов на серию

Работаем с листовым металлом на обоих концах этой шкалы: от единичной детали лазерным раскроем и гибкой без всякой оснастки до серии в штампе собственного проектирования. Присылайте чертёж или эскиз, и на этапе расчёта скажем, какой путь выгоднее под ваш объём.

На единичных и мелкосерийных деталях режем лист лазером и гнём на прессе, без ожидания изготовления штампа. На серию проектируем и изготавливаем штамп простого, совмещённого или последовательного действия под конкретную деталь, ведём саму штамповку и доработку после неё: зачистку кромки от заусенца, снятие фасок, покрытия. Собственного парка тяжёлых штамповочных прессов под очень крупную серию и высокие усилия на площадке нет, для таких объёмов честно говорим об этом на этапе расчёта и предлагаем кооперацию с профильным производством.

Перед расчётом спрашиваем: марку и толщину листа, чертёж или эскиз детали, объём партии, есть ли уже оснастка, требования к покрытию и к точности отверстий. Смежные материалы на сайте: обработка металлов давлением, холодное прессование металла, а также услуги детали из листового металла, изготовление штампов и резка металла на заказ.

Вопросы и ответы