Листовая штамповка

Листовая штамповка — это технологический процесс обработки металлов давлением, при котором из листовой заготовки (листа, ленты, полосы) получают плоские или пространственные детали заданной формы и размеров. Операция осуществляется без снятия стружки, за счёт пластической деформации материала под действием давления в штампах на прессах или другом кузнечно-прессовом оборудовании. Листовая штамповка является одним из основных методов изготовления деталей в машиностроении, приборостроении, авиастроении, автомобильной промышленности и других отраслях.

История

Истоки листовой штамповки восходят к ремесленным методам обработки металла — ковке и чеканке тонких листов. Однако как промышленная технология она начала формироваться в конце XVIII — начале XIX века с развитием металлургии и появлением механических прессов. В России первые механические штамповочные прессы были установлены на Тульском оружейном заводе в 1840-х годах для производства деталей стрелкового оружия.

Массовое внедрение листовой штамповки произошло в начале XX века, особенно в автомобильной промышленности США (в частности, на заводах Генри Форда). В СССР технология активно развивалась в 1930-х годах в рамках индустриализации, на таких предприятиях, как Горьковский автомобильный завод (ГАЗ) и Московский автомобильный завод (ЗИЛ). В послевоенные годы штамповка стала основным методом производства кузовных деталей автомобилей, корпусов бытовой техники и элементов авиационных конструкций.

Классификация операций

Листовая штамповка подразделяется на две основные группы: разделительные и формоизменяющие операции.

Разделительные операции

Эти операции направлены на отделение части материала от заготовки по замкнутому или незамкнутому контуру.

• Резка — разделение листа на части по прямой или кривой линии. Выполняется на ножницах (гильотинных, дисковых, вибрационных).
• Вырубка — отделение детали (или заготовки) от листа по замкнутому внешнему контуру. Получаемая деталь является готовым изделием или заготовкой для последующих операций.
• Пробивка — получение отверстий в заготовке путём удаления материала по замкнутому внутреннему контуру. Отход (выдра) удаляется.
• Надрезка — неполное отделение части материала, при котором отход остаётся соединённым с заготовкой.
• Зачистка — удаление небольшого слоя материала для получения точных размеров и чистой поверхности среза.

Формоизменяющие операции

Эти операции изменяют форму заготовки без нарушения её сплошности.

• Гибка — придание заготовке изогнутой формы под углом или по радиусу. Различают V-образную, U-образную, Z-образную и другие виды гибки.
• Вытяжка — превращение плоской заготовки в полое пространственное изделие (стакан, коробка, колпак). Может быть одно- или многооперационной.
• Отбортовка — образование борта (фланца) по краю отверстия или наружному контуру заготовки.
• Обжим — уменьшение поперечного сечения концевой части полой заготовки.
• Раздача — увеличение поперечного сечения концевой части полой заготовки.
• Формовка — изменение рельефа поверхности заготовки (получение рёбер жёсткости, углублений, выпуклостей) без изменения толщины материала.
• Правка — устранение неровностей и коробления заготовки.

Оборудование и инструмент

Прессы

Основным оборудованием для листовой штамповки являются прессы. По конструкции они делятся на:

• Кривошипные прессы — наиболее распространённые. Рабочий ход ползуна осуществляется за счёт кривошипно-шатунного механизма. Используются для вырубки, пробивки, гибки, неглубокой вытяжки.
• Гидравлические прессы — обеспечивают большие усилия (до десятков тысяч тонн) и плавный ход ползуна. Применяются для глубокой вытяжки, формовки крупногабаритных деталей (например, панелей кузовов автомобилей).
• Фрикционные прессы — используются для мелкосерийного производства и штамповки деталей из цветных металлов.
• Прессы-автоматы — высокопроизводительное оборудование с автоматической подачей ленты и удалением деталей.

Штампы

Штамп — это инструмент, состоящий из двух основных частей: пуансона (подвижной части, закреплённой на ползуне пресса) и матрицы (неподвижной части, закреплённой на столе пресса). По конструкции штампы делятся на:

• Простые (однооперационные) — выполняют одну операцию за один ход пресса (например, только вырубку или только гибку).
• Последовательные — заготовка перемещается по позициям, и на каждом ходе пресса выполняется несколько операций последовательно.
• Совмещённые — за один ход пресса выполняются две или более операции в одной рабочей зоне (например, вырубка и пробивка одновременно).

Материалы

Для листовой штамповки используются различные листовые материалы:

• Стали: низкоуглеродистые (08кп, 08пс, 10, 20) — для глубокой вытяжки и гибки; конструкционные (30, 45) — для деталей, требующих прочности; нержавеющие (12Х18Н10Т) — для коррозионностойких изделий; электротехнические — для сердечников трансформаторов и электродвигателей.
• Цветные металлы и сплавы: алюминий и его сплавы (АМг, АМц, Д16) — для авиа- и автомобилестроения; медь и латунь — для электротехники и сантехники; титановые сплавы — для авиакосмической промышленности.
• Неметаллические материалы: текстолит, гетинакс, оргстекло, полимерные плёнки — для изоляционных и декоративных деталей.

Технологические особенности

Коэффициент вытяжки

При вытяжке важным параметром является коэффициент вытяжки (m) — отношение диаметра полученной детали к диаметру исходной заготовки. Для предотвращения разрыва материала его значение ограничивают (обычно m ≥ 0,5–0,6 для первой операции). Для глубоких деталей применяют многооперационную вытяжку с промежуточным отжигом.

Пружинение

После гибки или вытяжки материал частично восстанавливает исходную форму (явление пружинения). Для компенсации этого эффекта инструмент изготавливают с углом, меньшим требуемого, или применяют дополнительные операции (калибровку).

Смазка

Для снижения трения, уменьшения износа штампа и предотвращения налипания материала применяют технологические смазки (минеральные масла, эмульсии, графитовые составы).

Применение

Листовая штамповка широко используется в различных отраслях промышленности:

• Автомобилестроение: кузовные панели (капоты, двери, крылья), детали салона, элементы подвески, топливные баки.
• Авиастроение и ракетостроение: обшивка фюзеляжа, крыльев, шпангоуты, лонжероны, баки, детали двигателей.
• Судостроение: корпусные детали маломерных судов, элементы надстроек.
• Приборостроение и электроника: корпуса приборов, панели, шасси, радиаторы, экраны.
• Строительство: профилированные листы (профнастил), кровельные элементы, вентиляционные короба, детали сэндвич-панелей.
• Бытовая техника: корпуса стиральных машин, холодильников, микроволновых печей, посуды.
• Оборонная промышленность: корпуса снарядов, гильзы, детали стрелкового оружия, бронеэлементы.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность (до нескольких тысяч деталей в час на автоматических линиях).
• Стабильность размеров и взаимозаменяемость деталей.
• Минимальные отходы материала (при рациональном раскрое).
• Возможность получения деталей сложной пространственной формы.
• Высокая механическая прочность и жёсткость штампованных деталей.

Недостатки

• Высокая стоимость изготовления штампов, особенно для крупных и сложных деталей (экономически оправдано при серийном и массовом производстве).
• Ограничения по толщине материала (обычно до 6–8 мм для сталей, до 12–15 мм для алюминиевых сплавов).
• Необходимость последующей механической обработки для получения точных отверстий и резьб.
• Износ инструмента, требующий периодической замены и восстановления.

Интересные факты

• Крупнейший в мире гидравлический пресс для листовой штамповки усилием 75 000 тонн установлен на заводе компании Alcoa (США) и используется для штамповки деталей самолётов.
• В СССР в 1960-х годах на Уральском заводе тяжёлого машиностроения (УЗТМ) был изготовлен пресс усилием 30 000 тонн для штамповки деталей ракет и самолётов.
• Методом листовой штамповки изготавливаются монеты — вырубка кружков из ленты с последующим чеканом (формовкой) рельефа.
• В автомобильной промышленности на один автомобиль приходится до 300–400 штампованных деталей.

Источники

• Романовский В. П. «Справочник по холодной штамповке». — Л.: Машиностроение, 1979.
• Ковка и штамповка: справочник в 4 томах / под ред. Е. И. Семёнова. — М.: Машиностроение, 1985–1987.
• ГОСТ 15830-84 «Обработка металлов давлением. Термины и определения».
• Технология листовой штамповки: учебник для вузов / В. А. Голуб, В. И. Зуев, В. И. Ковалёв и др. — М.: Машиностроение, 2004.