Обработка металлов давлением и
раскрой заготовки: виды и применение

Что такое обработка металлов давлением и на каком свойстве металла она основана

Основа процесса это пластичность, то есть способность металла необратимо менять форму под нагрузкой и не разрушаться. Приложили усилие выше предела текучести, но ниже предела прочности, и заготовка потекла в нужную сторону. После снятия нагрузки часть деформации возвращается упруго, остальное остаётся. Вся ОМД строится на этом зазоре между текучестью и разрушением.

Из этого следуют практические выводы для цеха. Пластичность у разных материалов разная: низкоуглеродистая сталь и алюминий гнутся хорошо, высокоуглеродистая и закалённая сталь плохо или никак. Пластичность растёт с нагревом, поэтому крупную деформацию делают горячей. При холодной деформации металл наклёпывается: твёрдость и прочность растут, пластичность падает, и на каком-то шаге заготовка начинает трескаться. Наклёп снимают отжигом.

Ещё одно свойство, которое ОМД использует, это постоянство объёма: если в одном месте стало тоньше, в другом стало толще или длиннее. На этом считают развёртки под гибку и исходные размеры поковки.

Виды ОМД: что относится к обработке металлов давлением

К обработке давлением относят процессы, где форму задаёт инструмент, а металл течёт. Стружки нет, есть только технологические отходы: облой, обрезь, отход раскроя.

Газопламенная обработка металлов, про которую часто спрашивают в одном ряду с ОМД, к давлению не относится вообще: это резка и сварка нагревом пламенем. Эрозионная резка тоже не ОМД, это съём материала электрическим разрядом. Литьё тоже отдельная группа: там металл заливают в форму жидким, а не деформируют твёрдым.

Горячая и холодная деформация: в чём разница

Граница проходит не по конкретной температуре в градусах, а по тому, успевает ли металл рекристаллизоваться прямо в процессе деформации. Если успевает, деформация горячая, и наклёп снимается сам. Если не успевает, деформация холодная, и металл упрочняется.

На практике это решает, сколько потом придётся снимать на станке. Горячая поковка почти всегда идёт в механическую обработку с заметным припуском. Деталь холодной листовой штамповки часто уходит в сборку как есть.

Ковка и свободная ковка

Ковка это деформация нагретой заготовки ударом молота или нажимом пресса. Свободная ковка идёт без замкнутого штампа: металл течёт свободно, форму задают бойки и мастерство кузнеца. Отсюда её область применения: единичные и мелкосерийные крупные заготовки, когда делать штамп бессмысленно.

Зачем вообще ковать, если можно выточить из проката. Причин две. Первая это металл: ковка уплотняет структуру, разбивает литейные дефекты и выстраивает волокна вдоль контура детали. Кованый вал работает на изгиб и кручение лучше, чем такой же вал, выточенный из круга, потому что волокна не перерезаны. Вторая причина это экономия на крупных сечениях: под вал диаметром 300 мм проще заказать поковку, чем покупать круг такого диаметра и снимать с него половину массы в стружку.

Минусы тоже честные: невысокая точность, окалина, необходимость припуска и обязательная термообработка после. Поковку почти всегда ведёт, поэтому базы под первую операцию выбирают с запасом.

Объёмная и листовая штамповка

Объёмная штамповка это та же ковка, но металл течёт в замкнутой полости штампа. Форма повторяется от детали к детали, точность выше, припуск меньше, производительность несопоставима со свободной ковкой. Расплата это стоимость штампа и время на его изготовление. Поэтому объёмная штамповка живёт на серии: чем больше партия, тем дешевле выходит деталь.

Листовая штамповка работает с листом и не меняет его толщину принципиально. Основные операции: вырубка контура, пробивка отверстий, гибка, вытяжка, отбортовка, формовка рёбер. Одним штампом за один ход пресса можно получить готовую деталь, поэтому в серийном производстве корпусов, крышек, кронштейнов и шайб листовая штамповка вне конкуренции.

Что заказчику стоит понимать заранее. Штамп это отдельное изделие со своей стоимостью и сроком, и он окупается только партией. На единичных и малых партиях ту же деталь дешевле получить лазерным раскроем с последующей гибкой: оснастки нет, переналадка нулевая, изменить контур можно за минуту в программе. Про изготовление оснастки подробнее на странице изготовление штампов.

Гибка листа и профиля: радиусы и пружинение

Гибка выглядит простой операцией ровно до первой детали, которая не влезла в сборку. Три вещи, из-за которых это происходит.

Первое это минимальный радиус гиба. Гнуть по нулевому радиусу нельзя: наружные волокна растягиваются, и при слишком малом радиусе металл по линии гиба трескается. Допустимый радиус зависит от материала, толщины и направления проката. Гибка поперёк направления проката идёт лучше, чем вдоль.

Второе это пружинение. После снятия усилия деталь частично разгибается обратно, поэтому гнут с перегибом. Величина зависит от марки, толщины, радиуса и усилия. Нержавейка пружинит заметно сильнее обычной конструкционной стали, алюминий ведёт себя иначе.

Третье это развёртка. Длина заготовки не равна сумме сторон готовой детали: в зоне гиба металл вытягивается. Развёртку считают через нейтральный слой с коэффициентом положения, и на детали с пятью-шестью гибами накопленная ошибка легко даёт несколько миллиметров.

Ещё один момент, про который забывают: отверстия и вырезы нельзя ставить вплотную к линии гиба, иначе их вытянет в овал. Минимальное расстояние зависит от толщины, и его лучше согласовать до раскроя.

Выдавливание, осадка, прокатка и волочение

Выдавливание, или экструзия, это продавливание металла через отверстие матрицы. Прямое выдавливание гонит металл в сторону движения пуансона, обратное навстречу ему. Так получают стаканы, втулки с глухим дном, сплошные и полые профили. Преимущество в том, что деталь выходит за один ход, без стружки и с плотной структурой.

Осадка уменьшает высоту заготовки и увеличивает её поперечное сечение. Это базовая подготовительная операция перед штамповкой и способ получить головку на стержне, как у болта.

Прокатка это обжатие заготовки между вращающимися валками. Так делают почти весь сортамент, с которого начинается наша работа: лист, полосу, круг, шестигранник, уголок, швеллер. Волочение это протягивание заготовки через отверстие фильеры меньшего сечения. Так получают проволоку, трубы и калиброванный пруток, у которого точность и чистота поверхности заметно лучше, чем у горячекатаного.

Раскрой заготовки: рубка, распил, лазер, плазма, гидроабразив

Прежде чем что-то гнуть или точить, лист или профиль нужно раскроить. Метод выбирают по толщине, материалу, требуемой точности и по тому, что будет с кромкой дальше.

Ключевое отличие лазера и плазмы от гидроабразива это зона термического влияния. Лазер и плазма греют кромку, металл вдоль реза меняет структуру и немного упрочняется. Для большинства деталей это не важно, но если по этой кромке дальше пойдёт точная механическая обработка или если материал чувствителен к нагреву, выбирают холодные методы.

Своими силами мы закрываем лазерную резку и гибку, распил заготовки под механическую обработку. Прочие методы раскроя, делаем сами либо через проверенную кооперацию, говорим об этом на расчёте. Коммерческие условия по раскрою собраны на страницах резка металла и резка металла на заказ, а готовые детали из листа на странице детали из листового металла.

Когда давление выгоднее резания и наоборот

Прямое сравнение двух подходов на одной и той же детали.

Обработка давлением выигрывает на серии. Коэффициент использования металла высокий, стружки почти нет, цикл на деталь короткий, структура металла плотная и волокна идут по контуру. Проигрывает она на входе: нужна оснастка, а штамп это деньги и недели срока. Точность и чистота ниже, чем после шлифовки, поэтому ответственные поверхности всё равно дорабатывают.

Резание выигрывает на единице и малой партии, а также там, где нужны допуски и шероховатость, которых давлением не получить. Проигрывает по расходу металла: значительная часть заготовки уходит в стружку, и на крупных деталях это заметная сумма.

На практике эти подходы не конкурируют, а идут последовательно: поковку или отливку получают давлением либо литьём, потом ставят на станок и доводят рабочие поверхности. Про прессовые операции подробнее на странице прессование.

Отдельно про литьё. Литые заготовки, отливки из стали и чугуна, литьё в металлические формы это не обработка давлением, это своя технология со своей экономикой и своими дефектами. Если нужна отливка и её последующая механическая обработка, смотрите страницу литьё металла, там про виды литья и про то, что мы берём в работу.

Припуски после ОМД под механическую обработку

Заготовка после ковки, штамповки или литья никогда не приходит в чистый размер. На ней есть окалина, обезуглероженный слой, штамповочные уклоны, облой по линии разъёма и поводка от неравномерного охлаждения. Всё это снимают на станке, и всё это надо заложить в заготовку заранее.

Что определяет величину припуска: способ получения заготовки, её габарит и масса, требуемая точность готовой детали, класс точности поковки и то, как деталь будет базироваться на первой операции. Конкретные значения берут по нормативам на поковки и отливки соответствующего класса точности, значения назначаем по документации на деталь.

Практическое правило, которое экономит деньги: первая операция на станке должна снять корку и создать чистые базы, а не гоняться за размером. Попытка сразу выйти в чертёж по необработанной поверхности кончается тем, что с другой стороны припуска не хватает.

Дефекты заготовок и как мы их ловим

Каждая технология даёт свой набор брака, и полезно знать, что искать.

• После ковки и горячей штамповки: незаполнение штампа, зажимы и складки, трещины от перегрева или пережога, окалина, вкатанная в поверхность, остатки облоя.
• После листовой штамповки и гибки: трещины по линии гиба при слишком малом радиусе, неправильный угол из-за непосчитанного пружинения, вытянутые в овал отверстия у линии гиба, волнистость кромки, заусенец по вырубке.
• После проката и волочения: расслоения, плены, риски по поверхности, отклонение по сечению и кривизна прутка.
• После раскроя: уклон кромки на плазме и большой толщине, грат, зона термического влияния, увод контура при неверном порядке резов.
• После литья: раковины, пористость, неметаллические включения, коробление.

Что делаем мы. Входной осмотр заготовки, проверка геометрии и фактических размеров до запуска в станок, контроль кромки после раскроя. Скрытые дефекты вроде внутренних расслоений и пористости визуально не видны, и вылезают они на чистовой операции, когда деталь уже обработана. Поэтому на ответственных деталях из литых и кованых заготовок имеет смысл закладывать неразрушающий контроль, перечень средств измерения и порядок контроля подтверждаем по запросу.

Что из этого делаем мы, а что заказываем

Честное разделение, без расширения списка.

Своими силами: лазерная резка листа, гибка, распил заготовки, вся механическая обработка на токарных HAAS ST-10 и DMG CTX 310, обрабатывающем центре HAAS VM3 и станках PUMA, термообработка и ТВЧ, цементация, шлифовка, хонингование, притирка, хромирование, цинкование, наплавка твёрдым сплавом, балансировка, обкатка, опрессовка с протоколом.

По кооперации: горячая ковка, объёмная штамповка, прокат и литьё. То есть саму поковку или отливку мы получаем у партнёров по нашему чертежу, а дальше делаем с ней всё остальное внутри. Для заказчика это одна точка ответственности: приходит чертёж детали, уходит готовая деталь, а вопрос, где взять заготовку, решаем мы.

Что мы спрашиваем перед расчётом: чертёж или 3D-модель готовой детали, материал и толщина, количество, для гнутых деталей углы и внутренние радиусы, для деталей из заготовки способ её получения, требования к кромке и покрытию. Цену считаем по чертежу или по образцу.

Вопросы и ответы