Ударная штамповка

Ударная штамповка — это технологический процесс обработки металлов давлением, при котором деформация заготовки происходит за счёт кинетической энергии падающих частей штамповочного молота или энергии взрыва, а не за счёт статического усилия пресса. Относится к видам объёмной и листовой штамповки и применяется для получения деталей сложной формы с высокими требованиями к точности и механическим свойствам.

История

Прообразом ударной штамповки можно считать кузнечную ковку, которая веками выполнялась вручную. Первые механические молоты с механическим или паровым приводом появились в XVIII—XIX веках. В России одним из первых крупных центров ковки и штамповки стал Нижний Новгород, где в XIX веке работали мощные паровые молоты.

В XX веке, с развитием авиационной и автомобильной промышленности, возникла потребность в высокопроизводительной штамповке крупных и сложных деталей. В 1930-х годах в СССР на Уралмашзаводе и других предприятиях начали внедрять штамповочные молоты с массой падающих частей до 10 тонн. В послевоенные годы, особенно в 1950–1960-х, технология получила широкое распространение в машиностроении, а также в оборонной промышленности (штамповка лопаток турбин, деталей шасси, корпусов снарядов).

С конца XX века ударная штамповка частично вытесняется гидравлическими и кривошипными прессами, обеспечивающими более точное управление усилием, однако остаётся востребованной для изготовления крупногабаритных поковок и деталей из труднодеформируемых сплавов.

Классификация

Ударную штамповку классифицируют по нескольким признакам.

По типу оборудования

• Молотовая штамповка — выполняется на штамповочных молотах (паровоздушных, пневматических, гидравлических). Удар наносится падающей бабой с прикреплённым штампом.
• Взрывная штамповка — деформация осуществляется за счёт энергии взрыва заряда взрывчатого вещества (ВВ), размещённого в замкнутой камере или непосредственно на заготовке. Применяется для особо крупных деталей (например, корпусов ракет, элементов самолётов).
• Электрогидравлическая штамповка — разновидность взрывной, где энергия выделяется при электрическом разряде в жидкости, создавая ударную волну.

По температуре заготовки

• Холодная ударная штамповка — выполняется при комнатной температуре. Используется для пластичных металлов (алюминий, медь, низкоуглеродистая сталь) при изготовлении мелких и средних деталей (заклёпки, болты, втулки).
• Горячая ударная штамповка — заготовка нагревается до температуры ковки (обычно 1100–1250 °C для стали). Применяется для крупных деталей из труднодеформируемых сплавов (титан, жаропрочные стали).

По типу штампа

• Открытая штамповка — штамп имеет зазор для выхода избыточного металла (заусенец). Обеспечивает высокое качество поверхности, но требует последующей обрезки заусенца.
• Закрытая штамповка — штамп не имеет зазора; металл заполняет полость без образования заусенца. Экономичнее по материалу, но требует точной дозировки заготовки.

Устройство и принцип работы

Основным оборудованием для ударной штамповки является штамповочный молот. Его конструкция включает:

• Станина — массивная литая или сварная рама, поглощающая вибрации.
• Падающая баба — подвижная часть с закреплённым верхним штампом. Масса бабы может составлять от 0,5 до 50 тонн.
• Привод — механизм, поднимающий бабу на заданную высоту (паровой, пневматический, гидравлический или механический).
• Штамп — инструмент, состоящий из верхней и нижней частей, образующих полость (ручей) по форме детали.
• Нагревательное устройство (при горячей штамповке) — печь или индукционный нагреватель.

Принцип работы: заготовка (обычно нагретая) помещается в нижнюю часть штампа. Падающая баба с верхним штампом сбрасывается с высоты (0,5–2 м) и наносит удар. Кинетическая энергия бабы преобразуется в работу деформации — металл заполняет полость штампа. После удара баба поднимается, готовая поковка извлекается.

Для взрывной штамповки используется камера (обычно заглублённая в землю), в которую помещают заготовку и заряд ВВ. Взрыв создаёт давление до нескольких тысяч атмосфер, деформируя заготовку за доли секунды.

Характеристики

Ключевые параметры процесса:

• Энергия удара — измеряется в килоджоулях (кДж) или тонно-метрах. Для молотов с массой бабы 1 т и высотой падения 1 м энергия составляет около 9,8 кДж.
• Скорость деформации — при ударной штамповке скорость деформации может достигать 10–50 м/с, что в десятки раз выше, чем при прессовании. Это способствует лучшему заполнению тонких полостей штампа.
• Точность — ударная штамповка обеспечивает 5–7-й квалитет точности (по ГОСТ 25346-89) для горячей штамповки и 7–9-й — для холодной.
• Производительность — на молотах с автоматической подачей заготовок достигает 100–200 поковок в час.

Применение

Ударная штамповка используется в различных отраслях промышленности:

• Авиастроение и ракетостроение — штамповка лопаток турбин, дисков, валов, корпусных деталей из титановых и жаропрочных сплавов.
• Автомобильная промышленность — изготовление коленчатых валов, шатунов, рычагов подвески, ступиц колёс.
• Железнодорожный транспорт — штамповка рельсовых накладок, буксовых корпусов, деталей тележек.
• Судостроение — крупные поковки для гребных винтов, рулей, корпусов судовых механизмов.
• Энергетика — детали турбин, арматуры трубопроводов, крепёжные элементы.
• Оборонная промышленность — штамповка корпусов снарядов, гильз, деталей стрелкового оружия.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность при серийном производстве.
• Возможность изготовления деталей сложной формы с минимальной последующей механической обработкой.
• Улучшение структуры металла за счёт деформационного упрочнения.
• Относительно низкая стоимость оборудования (по сравнению с гидравлическими прессами аналогичной мощности).

Недостатки

• Высокий уровень шума и вибрации (до 120 дБ), требующий специальных мер защиты.
• Ограниченная точность по сравнению с холодной штамповкой на прессах.
• Большие нагрузки на фундамент и здание цеха.
• Необходимость частой замены штампов из-за износа при горячей штамповке.
• Опасность травматизма при ручной подаче заготовок.

Интересные факты

• Самый мощный в мире штамповочный молот (масса падающих частей 125 тонн) был установлен на заводе «Уралмаш» в Екатеринбурге в 1950-х годах. Он использовался для штамповки деталей для гидротурбин и ракет.
• Взрывная штамповка применялась в СССР для изготовления корпусов ракет-носителей «Протон» и «Союз».
• В 1970-х годах в Японии разработали молот с компьютерным управлением, который позволял регулировать энергию удара с точностью до 1 %.
• Ударная штамповка используется для изготовления монет и медалей — процесс называется чеканкой.

Источники

• Технология ковки и объёмной штамповки / под ред. А. П. Атрощенко. — М.: Машиностроение, 1986.
• ГОСТ 25346-89. Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок.
• Справочник по холодной штамповке / под ред. В. П. Романовского. — Л.: Машиностроение, 1979.
• Ковка и штамповка: справочник в 4 т. / под ред. Е. И. Семёнова. — М.: Машиностроение, 1985–1987.
• История развития кузнечно-штамповочного производства в России / В. И. Зимин. — М.: Металлургия, 2003.