Что такое детали для гибки металла?

Детали для гибки металла — это компоненты из листового металла, производимые путем объединения двух процессов холодной штамповки — гибки и глубокой вытяжки — для создания трехмерных деталей с точными угловыми особенностями, изогнутыми стенками и полыми профилями из плоского листового металла. При изгибе металл деформируется вдоль прямой оси, создавая углы, фланцы и каналы, а при волочении лист натягивается на матрицу, образуя чашки, коробки и замкнутые формы с глубиной. . Полученные детали сохраняют структурную целостность исходного металла, при этом достигая сложной геометрии, которую было бы непрактично или неэкономично производить путем механической обработки из цельной заготовки.

Эти детали имеют основополагающее значение для современного производства в автомобильной, аэрокосмической, электронной, строительной и потребительской отраслях. Например, один кузов автомобиля содержит сотни металлических деталей, изгибающихся и растягивающихся: от дверных панелей и рейлингов на крыше до кронштейнов и корпусов топливных баков. Понимание того, что это за детали, как они изготавливаются и что определяет их качество, является важным знанием для инженеров, специалистов по закупкам и производителей, работающих с компонентами из листового металла.

Гибкие детали: определение, процесс и геометрия

Металлические гибочные детали изготавливаются путем приложения силы к плоской металлической заготовке вдоль определенной оси, что вызывает пластическую деформацию, которая создает постоянный угол или кривую. Этот процесс не удаляет материал; он перераспределяет его посредством контролируемой пластической деформации. Внешняя поверхность изгиба находится в растяжении, а внутренняя - в сжатии, а нейтральная ось - плоскость, не испытывающая ни растяжения, ни сжатия - лежит примерно на от одной трети до половины толщины материала от внутренней поверхности , в зависимости от радиуса изгиба и свойств материала.

Основные методы гибки

В промышленном производстве используется несколько различных процессов гибки, каждый из которых подходит для различной геометрии деталей, толщины материала и объемов производства:

• V-изгиб (воздушный изгиб и прогибание) — Самый распространенный процесс; пуансон прессует металлический лист в V-образную матрицу. Изгиб воздуха прекращается до того, как ударник достигнет нижнего предела, используя угол упругого возврата для достижения целевого угла; нижняя часть приводит пуансон в контакт с матрицей, чеканя материал для более высокой точности (типично ±0,5 ° для нижней части против ± 1 ° до ± 2 ° для воздушной гибки).
• U-образный изгиб — Создает детали в форме канала или U-образного профиля за один ход с использованием подходящей пары пуансона и штампа. Общий для несущих каналов, кабельных лотков и каркасов шкафов.
• Гибка валков — Три валка постепенно деформируют лист или пластину для получения изогнутых деталей с большими радиусами, таких как цилиндрические оболочки, конические секции и изогнутые элементы конструкции.
• Протирание гибкой (гибкой кромки) — Лист зажимается, и вытирающая матрица загибает один край, образуя фланцы и возвратные кромки. Обычно используется на листогибочных прессах для формования коробок и поддонов.
• Роторная гибка — Вращающаяся матрица катится по поверхности листа, создавая изгибы с минимальной маркировкой поверхности, что предпочтительнее для предварительно обработанных или косметически чувствительных материалов.

Минимальный радиус изгиба и пружинение

Два критических параметра определяют возможность и точность каждой изогнутой детали. Минимальный радиус изгиба — это наименьший радиус, до которого можно согнуть материал без образования трещин на внешней поверхности растяжения; обычно оно выражается как кратное толщине материала (t). Например, мягкая сталь (низкоуглеродистая) обычно имеет минимальный радиус изгиба от 0,5 т до 1 т , тогда как для высокопрочных алюминиевых сплавов может потребоваться от 3т до 5т минимальный радиус до возникновения трещин.

Пружинное восстановление — это упругое восстановление, которое происходит при ослаблении изгибающей силы, в результате чего деталь слегка открывается под заданным углом. Величина упругого возврата увеличивается с увеличением предела текучести материала и уменьшается с уменьшением радиуса изгиба. Инженеры-технологи компенсируют это чрезмерным изгибом (используя угол штампа на 2–5° больше заданного угла) или используя операции по нижней части и чеканке, которые сводят к минимуму упругое восстановление за счет пластической деформации по всей толщине.

Детали чертежа: определение, процесс и глубина

Детали вытяжки, точнее детали глубокой вытяжки, производятся путем вдавливания плоской металлической заготовки в полость штампа с помощью пуансона, образующего полую трехмерную форму с закрытым низом и открытым верхом. В ходе этого процесса материал фланца втягивается внутрь и вниз в матрицу, слегка утончая стенки и утолщая фланец по мере течения металла. Вытяжка — это процесс формования банок для напитков, кухонной посуды, автомобильных топливных баков, корпусов медицинских устройств и тысяч других полых металлических компонентов, производимых в больших объемах.

Последовательность процесса глубокой вытяжки

Полная операция глубокой вытяжки включает в себя следующую последовательность:

1. Заготовка заготовки — Из листовой заготовки вырезается заготовка круглой или фасонной формы. Диаметр заготовки рассчитывается на основе целевой геометрии вытянутой детали и пределов коэффициента вытяжки материала.
2. Пустой холдинг — Держатель заготовки (прижимная площадка) прижимает фланец заготовки к поверхности матрицы с контролируемым давлением, предотвращая сморщивание материала фланца при его втягивании внутрь.
3. Спуск удара — Пуансон опускается, вдавливая центральную часть заготовки в полость матрицы. Материал фланца течет внутрь под напряжением, образуя стенку чашки.
4. Выброс части — Вытянутая деталь выбрасывается из матрицы с помощью выбивных штифтов или выброса воздуха.
5. Перерисовка (если требуется) — Если требуемое соотношение глубины к диаметру превышает то, что достижимо за одну вытяжку, деталь подвергается одной или нескольким операциям перерисовки, каждая из которых постепенно уменьшает диаметр и увеличивает глубину.

Коэффициент вытяжки и пределы формуемости

Предельная степень вытяжки (LDR) — это максимальное соотношение диаметра заготовки к диаметру пуансона, которого можно достичь за одну операцию вытяжки без разрыва детали. Для большинства низкоуглеродистых сталей LDR составляет примерно от 2,0 до 2,2 Это означает, что за одну операцию в чашку можно вытянуть заготовку, диаметр которой в 2,2 раза превышает диаметр пуансона. Алюминиевые сплавы обычно имеют LDR от 1,8 до 2,0 , в то время как нержавеющая сталь варьируется от от 1,8 до 2,1 в зависимости от класса. Детали, требующие отношения глубины к диаметру, превышающего LDR при одной вытяжке, производятся в несколько стадий волочения с промежуточным отжигом, если нагартование становится ограничивающим.

Материалы, используемые при гибке и волочении металлов

Выбор материала для гибки и волочения деталей требует баланса формуемости (способности подвергаться необходимой деформации без образования трещин и складок), прочности готовой детали, коррозионной стойкости и стоимости. Следующие материалы составляют большую часть объема производства в различных отраслях:

Инструменты для гибки и волочения: штампы, пуансоны и прессы

Система инструментов — штампы и пуансоны — является основным фактором, определяющим качество деталей и экономику производства при операциях гибки и волочения. При проектировании оснастки необходимо одновременно учитывать упругость материала, силу держателя заготовки, зазор матрицы, радиусы углов пуансона и стратегию смазки.

Гибочная оснастка

Инструмент для гибки состоит из пуансона (верхний инструмент) и матрицы (нижний инструмент), установленных в листогибочном станке. В стандартных инструментальных системах европейского типа (совместимых с Wila/Trumpf) используются модульные сегменты пуансонов и штампов, которые можно настроить для деталей различной длины и профиля без специального специального инструмента, что значительно снижает затраты на настройку при мелкосерийном производстве или производстве прототипов. Для крупномасштабной постепенной гибки в штампах для каждой геометрии детали предусмотрен специальный инструмент из закаленной инструментальной стали с типичной твердостью инструментальной стали 58–62 HRc для рабочих поверхностей, чтобы противостоять износу в течение миллионов циклов.

Инструменты для рисования

Пластины для глубокой вытяжки состоят из пуансона, кольца матрицы и держателя заготовки с точным зазором между пуансоном и матрицей (обычно на 10–15 % больше толщины материала для операций одной вытяжки), чтобы обеспечить текучесть металла без чрезмерного утонения. Радиусы углов матрицы имеют решающее значение: слишком маленький радиус матрицы приводит к разрыву детали на входе в матрицу; слишком большой радиус допускает образование складок. Радиусы штампов для стали обычно варьируются от от 4т до 10т (в четыре-десять раз толще материала), при этом больший радиус используется для более мелкой вытяжки, а меньший радиус — для более строгого контроля геометрии в более глубоких деталях.

Нажмите Выбор

При гибке используются листогибочные прессы (гидравлические, сервоэлектрические или механические), грузоподъемность которых соответствует толщине материала и длине гибки. Общее эмпирическое правило для V-изгиба мягкой стали требует примерно 8 тонн силы на метр длины изгиба на миллиметр толщины материала . В операциях волочения используются гидравлические прессы одинарного или двойного действия, в которых внутренний ползун приводит в движение пуансон, а внешний ползун независимо контролирует усилие держателя заготовки — возможность, которая необходима для постоянного контроля фланца при глубокой вытяжке.

Ключевые параметры качества и методы измерения

Точность размеров, целостность поверхности и сохранение свойств материала — это три основных показателя качества металлических деталей для гибки и волочения. Каждый из них регулируется конкретными методами измерения и критериями приемки, определенными в технических чертежах и применимых стандартах.

Размерные допуски

Угловые допуски для гнутых деталей зависят от процесса: при воздушной гибке обычно достигается от ±1° до ±2° , в то время как дно и чеканка достигают ±0,5° или лучше . На линейные размеры изогнутых деталей влияет пружинение, и они обычно сохраняются ±0,5 мм для общепромышленных деталей и от ±0,1 до ±0,2 мм для прецизионных сборок, требующих точной подгонки. Детали глубокой вытяжки измеряются на предмет отклонения толщины стенки (обычно допускается ±10 % от номинальной толщины стенки), плоскостности фланца и общей постоянства высоты.

Качество поверхности

Приемлемое качество поверхности деталей гибки и волочения определяется отсутствием специфических дефектов:

• Трещины на радиусах изгиба — свидетельствует о недостаточном радиусе изгиба относительно пластичности материала или чрезмерном наклепе; проверяются визуально и методом цветной дефектоскопии критических компонентов
• Морщины — компрессионные складки на полке или стенке вытянутой детали; вызвано недостаточной силой держателя заготовки; оценивается по визуальным стандартам или профилометрии поверхности
• разрывая — разрушение по радиусу пуансона или входу в штамп в вытянутых деталях; вызвано чрезмерной степенью вытяжки, недостаточной смазкой или неправильным радиусом матрицы.
• Апельсиновая цедра — грубая текстура поверхности, обусловленная большим размером зерен исходного материала; контролируется согласно спецификации материала и проверяется на соответствие стандартам шероховатости поверхности (значения Ra)
• Раздражение и забивание - следы инструмента от прилипания металла к инструменту или мусора; контролируется посредством управления смазкой и поддержания чистоты поверхности штампа

Измерение толщины стенки

Утончение стенок вытянутых деталей измеряется ультразвуковыми толщиномерами или измерением поперечного сечения. Критическая зона утонения обычно находится на радиусе пуансона и радиусе входа матрицы, где двухосное напряжение является самым высоким. Для большинства структурных применений утонение стенки до 20% от номинальной толщины приемлемо; для деталей, находящихся под давлением или критически важных для безопасности, применяются более жесткие ограничения, которые могут быть подтверждены разрушающим анализом поперечного сечения образцов первого изделия.

Общие промышленные применения по секторам

Детали для гибки и волочения металла производятся в объемах от единичных прототипов до миллиардов единиц в год практически во всех отраслях промышленности. Следующие примеры иллюстрируют широту применения:

Автомобильное производство

В одном пассажирском автомобиле содержится примерно От 200 до 300 различных деталей из листового металла. , большинство из них производятся методом гибки и волочения. Кузовные панели (двери, капот, крыша, крылья) вытягиваются из заготовок низкоуглеродистой или высокопрочной стали на больших трансферных прессах. Конструктивные элементы (передние стойки, панели порогов, поперечины) формуются прокаткой или постепенно сгибаются на высокоскоростных прессах. Топливные баки изготавливаются из стали с покрытием или алюминия. Автомобильный сектор обеспечивает самый большой объем обработки металлов давлением в мире: мировое производство превышает 90 миллионов автомобилей в год.

Аэрокосмическая и оборонная промышленность

Каркасы конструкций самолетов, панели обшивки, переборки и нервюры изготавливаются из алюминиевых сплавов (преимущественно серий 2ххх и 7ххх) с использованием процессов точной гибки, растягивания и гидроформовки. Допуски в гибких деталях аэрокосмической промышленности значительно жестче, чем в общепромышленных применениях, при этом допуски профиля часто соблюдаются. ±0,2 мм детали размером более метра. Чертеж используется для компонентов сосудов под давлением, корпусов приводов и деталей топливной системы.

Электроника и электрооборудование

Корпуса, шасси, экраны и корпуса разъемов для электронного оборудования производятся в больших объемах путем гибки из холоднокатаной стали, алюминиевых или медных сплавов. Прецизионная прогрессивная гибка штампов позволяет изготавливать кронштейны и зажимы сложной геометрии со скоростью сотни деталей в минуту в штамповочных прессах. Чертеж используется для корпусов аккумуляторов, корпусов конденсаторов и герметичных электронных корпусов.

Строительство и Архитектура

Конструктивные кронштейны, фасадные панели, кровельные профили, дверные коробки и воздуховоды HVAC изготавливаются методом гибки из оцинкованной стали, алюминия или нержавеющей стали. Профилирование — непрерывный процесс гибки — позволяет производить длинные конструкционные профили (прогоны, рельсы, швеллеры) с постоянным поперечным сечением при высокой производительности. Архитектурные облицовочные панели по индивидуальному заказу часто производятся в небольших объемах с использованием гибки на листогибочном прессе с особым вниманием к сохранению качества поверхности.

Медицинские приборы и оборудование

Компоненты хирургических инструментов, корпуса имплантатов, лотки для стерилизации и корпуса диагностического оборудования вытягиваются и изгибаются из нержавеющей стали (обычно марки 304 или 316L) или титановых сплавов. Медицинские применения требуют высочайшего уровня чистоты поверхности (Ra ≤ 0,8 мкм для поверхностей, прилегающих к имплантатам), отслеживаемости материала и постоянства размеров, что делает их одними из самых требовательных применений обработки металлов давлением.

Рекомендации по проектированию металлических деталей для гибки и волочения

Эффективное проектирование металлических деталей для гибки и волочения требует знания ограничений процесса и того, как геометрия детали влияет на технологичность. Несколько правил проектирования применимы повсеместно:

Припуск на изгиб и разработка заготовки

Каждый изгиб увеличивает длину материала развернутой (плоской) заготовки относительно номинальных внешних размеров гнутой детали. Этот допуск на изгиб зависит от толщины материала, радиуса изгиба и коэффициента К (константа, специфичная для материала, описывающая положение нейтральной оси). Точный расчет плоской заготовки имеет важное значение: ошибка 0,5 мм в заготовке на детали с шестью изгибами приводит к Суммарная погрешность размеров 3 мм в готовой детали — достаточно, чтобы вызвать помехи при сборке или недопустимый зазор в прецизионных приложениях.

Размещение отверстий и элементов вблизи сгибов

Отверстия, прорези и вырезы, расположенные слишком близко к линии сгиба, будут деформироваться во время формовки, поскольку металл течет по радиусу сгиба. Минимальное расстояние от края отверстия до линии сгиба обычно составляет радиус изгиба 1,5 т. для круглых отверстий и радиус изгиба 3t для пазов, параллельных изгибу. Элементы, размеры которых меньше этого минимума, потребуют либо прокалывания после изгиба (добавление операции), либо принятия искажений вокруг элемента.

Правила проектирования деталей чертежа

На детали глубокой вытяжки распространяются определенные конструктивные ограничения, которые определяют, можно ли изготовить деталь за заданное количество операций вытяжки:

• Соотношение глубины и диаметра — детали глубиной, превышающей примерно 75% диаметра за одну вытяжку, требуют многоэтапной обработки большинства материалов.
• Угловые радиусы на прямоугольных вытянутых деталях — углы — наиболее сильно деформируемые места; угловые радиусы должны быть не менее от 3т до 5т во избежание разрывов, а отношение углового радиуса к высоте детали должно быть больше 0,2 для возможности использования одной вытяжки.
• Углы уклона — незначительная конусность (от 0,5° до 2°) стенок вытянутых деталей облегчает извлечение из матрицы и снижает риск прилипания детали к пуансону
• Равномерная толщина стенки — резкие изменения толщины стенки создают зоны концентрации напряжений, склонные к разрывам; постепенный переход предпочтителен там, где это возможно.

Варианты отделки поверхности и последующей обработки

Металлические детали для гибки и волочения часто подвергаются обработке поверхности после формования, которая повышает коррозионную стойкость, внешний вид, твердость или пригодность для последующих процессов, таких как окраска или склеивание. Общие операции постобработки включают в себя:

• Удаление заусенцев и обработка кромок — удаление острых кромок и заусенцев с кромок реза с помощью галтовки, ленточного шлифования или роботизированного удаления заусенцев, что необходимо для безопасности оператора и прилегания последующих узлов.
• Цинк фосфатирование — конверсионное покрытие, наносимое на стальные детали перед покраской, улучшающее адгезию краски и обеспечивающее временную защиту от коррозии.
• Гальваника — цинк, никель, хром или олово, наносимые электроосаждением на поверхность детали для обеспечения коррозионной стойкости, твердости или проводимости.
• Анодирование — электрохимическое оксидирование алюминиевых деталей с образованием твердого пористого оксидного слоя, который можно герметизировать и красить; стандарт для алюминиевых деталей аэрокосмической и бытовой электроники
• Порошковая покраска — электростатически нанесенный полимерный порошок, отверждаемый при температуре 180–200°С; Обеспечивает прочное, однородное цветовое покрытие с превосходной устойчивостью к коррозии и ультрафиолетовому излучению для архитектурного и промышленного применения.
• Пассивация — кислотная обработка деталей из нержавеющей стали для растворения свободного железа с поверхности и восстановления слоя пассивного оксида хрома, повышения коррозионной стойкости для применения в медицине и пищевых продуктах