Оборудование для прессования металла

27.02.2019 Автор: VT-METALL

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Какую роль играет метод прессования металла в современной промышленности
• Что предусматривает технология обработки металлов прессованием
• Какие существуют виды и способы прессования металла
• Какие существуют виды промышленного оборудования, используемого для прессования металла

Сегодня все чаще при обработке металла используется штамповка, для выполнения которой необходимо прессование металла. При помощи этого технологического процесса заготовке придают необходимую форму, а именно выдавливают определенный рельеф, узоры или пробивают отверстия.

Роль метода прессования металла в современной промышленности

Прессование металла представляет собой обработку давлением, во время которой металл выдавливается из замкнутой полости через отверстие в матрице, совпадающее по сечению с прессуемым профилем.

Данный метод получил научное обоснование в 1813 году, после чего начал использоваться преимущественно для изготовления прутков и труб из оловянисто-свинцовых сплавов. В современной промышленности роль исходной заготовки играют слитки или прокат из углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и сплавов на их базе (медь, алюминий, магний, титан, цинк, никель, цирконий, уран, торий).

Обработка давлением подразумевает, что изготовление полуфабрикатов и готовых деталей происходит при помощи пластического деформирования заготовки, не требуя снятия стружки. Главные достоинства данного способа состоят в экономичности, производительности и высоком выходе годного продукта. Эта технология позволят изготавливать детали различных форм, чьи размеры варьируются от миллиметра до нескольких метров.

Прессование металла позволяет добиться двух ключевых целей:

1. Получить предмет сложной формы из простых заготовок.
2. Улучшить кристаллическую структуру исходного литого материала, повысив его физико-механические свойства.

Прессование металла применяется при работе с 90 % всей выплавляемой стали и немалыми объемами цветных металлов и их сплавов. Данная технология пластической обработки подходит для операций с заготовками в горячем и даже в холодном состоянии. Во втором случае важно, чтобы материал имел высокую податливость и значительную природную жесткость. Кроме того, эта технология подходит для обработки металлических порошков, неметаллических материалов, таких как пластмассы.

VT-metall предлагает услуги:

Этот современный способ позволяет изготавливать различные профильные заготовки: прутки диаметром 3–250 мм, трубы диаметром 20–400 мм с толщиной стенки 1,5–15 мм, профили сложного сечения сплошные и полые с площадью поперечного сечения до 500 см2.

Среди главных достоинств метода прессования металла стоит назвать такие возможности:

• пластическая обработка с высокими вытяжками даже при работе с малопластичными металлами и сплавами;
• получение изделия практически любого поперечного сечения, что не всегда реально при выборе других технологий обработки;
• получение широкого сортамента изделий при замене матрицы на одном прессовом оборудовании;
• производство изделий, отличающихся высоким качеством поверхности и точностью размеров поперечного сечения – эти показатели нередко превышают принятую точность при пластической обработке другими способами, в том числе при прокатке.

Однако здесь есть и свои недостатки:

• высокий расход материала на единицу изделия, так как при производстве получается большой пресс-остаток;
• заметная неравномерность механических и других свойств по длине и поперечному сечению изделия в некоторых случаях;
• сравнительно высокая стоимость используемого инструмента.

Сегодня в производстве чаще всего используется прессование листового металла. Высокая популярность, которую штамповка завоевала в наше время, связана с развитием таких направлений:

• производство изделий различных геометрических форм и размеров такого качества и точности изготовления, что их можно использовать по прямому назначению без дальнейшей обработки;
• полная механизация и автоматизация производственных процессов за счет использования роторно-конвейерного оборудования, предназначенного для штамповки листового металла;
• серийное производство изделий, имеющих особенно точные геометрические параметры – подобные детали при необходимости можно легко заменить друг на друга.

Давление и температура

В ходе прессования внутри заготовки создается напряженное состояние всестороннего сжатия, что дает возможность развития больших деформаций при малом риске образования трещин. Отношение между площадями поперечных сечений заготовки и прессуемого профиля называют коэффициентом вытяжки или отношением прессования. Обычно эта величина составляет от 10 до 100. В отдельных случаях, например, при прессовании латунной проволоки, отношение прессования может достигать 1000. Однако это требует низкого предела текучести прессуемого материала и, кроме того, высокого удельного давления прессования – до 1000 Н/мм2 [1].

По этим причинам прессование металлов обычно производится при высокой температуре:

• алюминиевых сплавов – обычно в интервале от 400 до 500 ºС;
• медных сплавов – в интервале от 600 до 900 ºС;
• нержавеющие стали и специальные сплавы – до 1250 ºС.

Необходимо отметить, что кроме прямого и обратного прессования существуют также другие, специальные, методы прессования, которые применяются в значительно меньших объемах:

• гидростатическое прессование;
• метод «Conform»;
• метод изготовления кабельных оболочек.

Технология обработки металлов прессованием

Обработка давлением основана на процессе пластической деформации при помощи формы без перемены массы. При расчетах размеров и формы тела используется закон постоянства объема: объем тела до и после пластической деформации принимается неизменным. В виде формулы его можно представить следующим образом: V1 = V2 = const (V1 и V2 – объемы тела до и после деформации). Форма тела изменяется по трем главным осям, все точки перемещаются в направлении наименьшего сопротивления – этот принцип называется законом наименьшего сопротивления.

Иными словами, при свободном изменении формы тела в различных направлениях наибольшая деформация происходит в направлении, в котором большинству перемещающихся точек оказывается минимальное сопротивление.

Во время прессования металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие, таким образом производится пруток либо труба с профилем, равным сечению отверстия. В качестве исходного материала выступают слитки или отдельные заготовки.

Для прессования используют два метода: прямой и обратный. В первом случае пуансон пресса движется в том же направлении, в каком происходит истечение металла через отверстие матрицы. Тогда как при обратном методе заготовка находится в глухом контейнере, и она остается неподвижной, а истечение материала из отверстия матрицы, закрепленной на конце полого пуансона, происходит в обратном направлении относительно движения пуансона с матрицей.

Законы постоянства объема и наименьшего сопротивления распространяются на все способы обработки металлов давлением. Закон постоянства объема применяют, чтобы определить размеры заготовок, а закон наименьшего сопротивления – чтобы понять, какие размеры и форму поперечного сечения получит заготовка с определенным сечением. Важными характеристиками подобной обработки является наличие очага и коэффициента деформации.

Рекомендовано к прочтению

• Резка меди лазером: преимущества и недостатки технологии
• Виды резки металла: промышленное применение
• Металлообработка по чертежам: удобно и выгодно

Обратное прессование, если сравнивать его с прямым, требует меньших усилий, и после него остается меньший пресс-остаток. Но у этого способа есть и свой минус – на готовом прутке прослеживается структура литого металла из-за меньшей деформации в процессе производства. Главное достоинство прессованных изделий состоит в точности их размеров. Немаловажно также, что при помощи прессования металлов удается получить обширный ассортимент изделий даже с очень сложными профилями.

Технологический процесс прессования металла

состоит из таких операций, как:

• подготовка заготовки к обработке, то есть разрезка, обтачивание на станке, поскольку от качества поверхности заготовки зависит качество и точность профиля;
• нагрев заготовки и удаление окалины;
• помещение заготовки в контейнер;
• прессование;
• отделка изделия, которая предполагает отделение пресс-остатка, разрезку.

Для такой обработки используют гидравлические прессы с вертикальным или горизонтальным расположением плунжера, их мощность составляет до 10 000 т. Данный процесс делится на разновидности, исходя из наличия или отсутствия поступательного перемещения заготовки относительно стенок приемника. В расчет не принимаются только небольшие участки вблизи матрицы, которые именуют мертвыми зонами, там не происходит перемещения металла.

Самым распространенным методом, безусловно, является прессование с прямым истечением, позволяющее получать сплошные и полые изделия. Однако сегодня активно набирает популярность обратный (обращенный) метод, а также другие схемы истечения металла. У каждого из названных способов есть свои преимущества. Допустим, боковое истечение обеспечивает удобный прием пресс-изделия и минимальную разницу механических свойств изделия в поперечном и продольном направлениях.

Особенности прессования металла

При обработке металлов прессованием заготовка подвергается пластической деформации. Если после этого ее не нужно дополнительно обтачивать, фрезеровать и выполнять над ней другие операции, производство получается практически безотходным. А так как выпуск прессованных деталей поставлен на поток, процесс отличается высокой экономичностью и приносит минимальные траты. Всё это позволяет предложить заказчикам очень выгодные цены, особенно с учетом скидок за объем.
Как вид обработки металлов давлением прессование решает две важные задачи: помогает превратить простую заготовку в изделие сложной формы, а если она была получена методом литья — улучшить прочность металла и другие его физико-механические характеристики.

Прессование и волочение металлов

В металлургии, электротехнической и судостроительной промышленности широко используется обработка металла волочением. Этот способ предполагает протягивание прутков через отверстие с меньшими выходными размерами, чем исходное сечение прутка. Таким образом изготавливают тонкую проволоку диаметром до 0,002 мм, прутки диаметром до 100 мм, тонкостенные трубы. Данный метод подходит для обработки различных сталей и сплавов, любых цветных металлов (золота, серебра, меди, алюминия) и их сплавов. Благодаря изготовлению волочением изделий круглого и фасонного сечений удается добиваться высокой точности и чистоты, недостижимых при прокатке.

Обычно волочение осуществляют при комнатной температуре, когда пластическая деформация сопровождается наклепом. Последний, совместно с термической обработкой, позволяет улучшить механические свойства материала. Данная технология работы предполагает такие этапы:

• предварительный отжиг заготовок, позволяющий добиться мелкозернистой структуры металла и повысить его пластичность;
• травление заготовок в подогретом растворе серной кислоты, чтобы устранить окалину, провоцирующую повышенный износ матрицы;
• заострение концов заготовок в ковочных вальцах или под молотом для пропуска через отверстие матрицы и захвата клещами стана;
• волочение;
• отжиг для устранения наклепа;
• отделка готовой продукции, которая состоит из обрезки концов, правки, резки на мерные длины, пр.

Исходным материалом при волочении являются катаные и прессованные заготовки. Тогда как роль инструментов играют матрицы (волоки или фильеры), волочильные доски, кольца и оправки из инструментальных сталей и твердых сплавов. Для изготовления этим способом тончайшей проволоки выбирают алмазные волоки, обладающие повышенными твердостью и стойкостью.

Оборудование для прессования

Таким образом, в процессе прессования металла происходит его обработка давлением. Ее можно выполнить на различном оборудовании, классификация которого достаточно сложна. По конструкционным особенностям выделяют станки эксцентрикового или кривошипного типа. По возможностям обработки — устройства универсального назначения, обладающие самым большим функционалом, и специализированные, предназначенные для решения конкретных задач. Прессующее усилие может создаваться при помощи кривошипно-шатунного механизма, гидравлики и даже электромагнитного поля.

Прессование металла на заказ

Мы предложили заказчикам услуги прессования металла еще много лет назад, наравне с другими простейшими видами обработки. Сегодня наш цех — многопрофильное предприятие. Каждая технология доведена здесь до совершенства, а парк нашего оборудования позволяет решать самые сложные задачи. Оценить наши возможности вы можете во вкладке “Примеры работ” на этой странице, а рассчитать примерные затраты — в рубрике “Стоимость”.
Наш цех работает со всеми видами материалов. Кроме прессования металла мы готовы предложить вам и сопутствующие операции: резку, координатную пробивку, вытяжку, гибку, финишные работы, в том числе покраску, и многое другое. Обращайтесь!

Виды и способы прессования металла

В производстве используются несколько видов прессования металла:

1. Холодное прессование металла.

Данный метод также называют ударным или холодным выдавливанием, он представляет собой формообразование полой детали за счет вытеснения материала заготовки пуансоном в открытые полости штампа. Этот вид обработки бывает прямым, обратным и комбинированным – все зависит от того, совпадает направление истечения металла с перемещением пуансона, противоположно ему или происходит одновременно в различных направлениях. Кроме того, существует радиальное прессование, где направление истечения металла перпендикулярно направлению деформирующего усилия.

Холодное прессование позволяет изготавливать детали разных форм. Экономически целесообразной считается точность изготовления деталей в рамках 9–11 квалитетов, тогда как уровень шероховатости поверхности должен находиться в пределах Ra 2,5– 0,63.

В качестве выходных могут использоваться прутковые или профилированные заготовки либо производимые из листов. Технология выдавливания подходит для изготовления из стали, цветных металлов, их сплавов таких деталей, как стаканчики, гильзы, баллончики, трубки, валики, болты, гайки, маховики, фланцы, пр. Стоит отметить, что сталь стала применяться для холодного прессования металла относительно недавно, так как она значительно труднее поддается выдавливанию, чем другие металлы.

2. Прямое прессование металла.

Данная технология предполагает совпадение направлений выдавливания пресс-изделия из канала матрицы и движения пресс-штемпеля. Прямое прессование используется чаще других, позволяя изготавливать сплошные и полые детали широкого диапазона поперечных сечений, близких к размеру поперечного сечения контейнера.

Главной особенностью здесь является обязательное перемещение металла относительно неподвижного контейнера – это может происходить без смазки или с ее использованием. В первом случае заготовку в виде слитка располагают между контейнером и пресс-штемпелем с пресс-шайбой, задвигают в контейнер и осаживают там, экструдируют через канал матрицы до начала формирования пресс-утяжины. Далее извлекают практически готовое изделие, удаляют пресс-остаток.

Силы трения обеспечивают высокие сдвиговые деформации на поверхности заготовки, что способствует обновлению слоев, формирующих периферийные зоны профиля. В результате удается производить детали с поверхностью высокого качества, поскольку в прилегающем к матрице объеме заготовки образуется большая по высоте упругая зона металла. Она практически исключает появление дефектов на поверхности изделия из зоны контакта заготовки с контейнером.

Но метод прямого прессования далеко не идеален, у него есть минусы:

• необходимы дополнительные усилия на преодоление силы трения поверхности заготовки о стенки контейнера;
• задается неравномерная структура и механические свойства пресс-изделий, что приводит к анизотропии свойств;
• получается большой объем пресс-остатка, поскольку требуется удалять слабо сформированную часть выходного конца пресс-изделия;
• трение между деформируемой заготовкой и деталями прессового инструмента приводит к быстрому изнашиванию последних.

3. Обратное прессование металла.

В данном случае направления истечения металла в матрицу и движения пресс-штемпеля оказываются противоположными. Заготовку помещают между контейнером и полым пресс-штемпелем, после чего задвигают в контейнер, осаживают и экструдируют через канал матрицы. Далее извлекают получившееся пресс-изделие, отделяют пресс-остаток, удаляют матрицу, а пресс-штемпель возвращают в исходную позицию.

Слиток не перемещается относительно контейнера, поэтому между ними практически нет трения, если не считать угловой полости вблизи матрицы – там наблюдается активное трение. В целом, общее усилие прессования снижается, поскольку не требуются затраты энергии на преодоление сил трения.

Если сравнивать с прямым прессованием, у обратного способа есть такие достоинства:

• снижение и постоянство усилия прессования, поскольку этот показатель не повышается из-за трения поверхности заготовки о стенки контейнера;
• более высокая производительность прессовой установки, которая достигается за счет увеличения скорости истечения сплавов из-за снижения неравномерности деформации;
• повышенный выход годного продукта, благодаря увеличению длины заготовки и сокращению толщины пресс-остатка;
• более продолжительная служба контейнера, поскольку он не подвержен трению с заготовкой;
• повышенная однородность механических свойств и структуры в долевом сечении пресс-изделия.

К недостаткам этой технологии стоит отнести:

• снижение максимального поперечного размера пресс-изделия и количество параллельно изготавливаемых профилей, что вызвано уменьшением проходного отверстия в матричном блоке;
• необходимость предварительной подготовки поверхности заготовок при помощи обточки или скальпирования – таким образом удается получать пресс-изделия с качественной поверхностью;
• сокращение ассортимента выпускаемых пресс-изделий, поскольку повышается стоимость комплекта инструмента и ухудшается прочность матричного узла;
• больший расход вспомогательного времени цикла;
• повышенная сложность конструкции матричного узла;
• снижение допустимого усилия на пресс-штемпель, что связано с его ослаблением из-за центрального отверстия.

4. Горячее прессование металла.

Горячее прессование или спекание под давлением предполагает одновременное воздействие давления и температуры на твердосплавную смесь. Стоит отметить, что эта технология используется достаточно давно. Наиболее успешно ее применяют в производстве волок, волочильных матриц, размольных шаров, валков и сердечников снарядов, поскольку таким образом удается изготавливать очень твердые и износостойкие изделия с минимальной пористостью.

Специальную твердосплавную смесь порошков металлов для прессования загружают в графитовые формы и при +1300…+1600 °С подвергают давлению 70–150 кг/см2. Нагрев матрицы производят при помощи прямого пропускания тока или токопроводящих пуансонов. Наиболее целесообразным считается использование гидравлического давления при больших объемах производства и пневматического для небольших партий.

Во время нагревания твердосплавных матриц пуансоны входят в матрицу при температурах спекания кобальта, окончательное уплотнение осуществляется при появлении жидкой фазы. При слишком высоких температурах спекания и давлении прессования происходит выдавливание части жидкой фазы сквозь зазоры пресс-формы.

Специалисты достаточно точно устанавливают степень спекания при помощи контроля температуры, времени спекания и уплотнения (измерения движения пуансона). Отказаться от избыточно высоких матриц позволяет утряска или предварительное прессование – таким образом удается более плотно загрузить форму. При данной обработке используется соотношение плотности прессовки к плотности спеченного изделия от 2,5:1 до 2:1.

5. Полунепрерывное прессование металла.

Длина заготовки подбирается в соответствии с уровнем прочности пресс-штемпеля и величиной рабочего хода пресса, а значит, прессование может производится только с заготовками ограниченной длины. Важно отметить, что каждая заготовка прессуется с пресс-остатком. Такое ограничение приводит к снижению выхода годного продукта и уменьшению производительности пресса. Поясним, что выход годной продукции считается показателем экономичности, который соответствует отношению готового продукта к массе заготовки.

Частично устранить данный недостаток можно, отдав предпочтение технологии полунепрерывного прессования или прессованию «заготовка за заготовкой». Этот процесс может протекать без смазки и со смазкой – все зависит от используемого сплава и назначения будущего изделия.

Особенность полунепрерывной технологии без смазки состоит в том, что каждая последующая заготовка загружается в контейнер, когда предыдущая экструдируется на три четверти от своей длины. При использовании такого приема заготовки свариваются по торцам. Длина оставляемой в контейнере заготовки ограничена, поскольку продолжение прессования способно вызвать образование пресс-утяжины. Загрузка в контейнер следующей заготовки устраняет опасность образования утяжинной полости, что позволяет изготавливать качественные пресс-изделия. Теоретически возможно получение пресс-изделия неограниченной длины, которая зависит лишь от числа использованных заготовок. Иногда при прессовании изделие сматывают в бухту.

Минус данного способа состоит в низкой прочности сварки элементов, полученных из отдельных заготовок. Обычно этот недостаток связан с попаданием различных загрязнений в пресс-остаток. Кроме того, место сварки может сильно растягиваться из-за особенностей характера истечения металла.

6. Непрерывное прессование металла.

Специалисты называют минусом технологии прессования цикличность процесса, поэтому в последнее время идет активная работа над такими методами непрерывного прессования, как «конформ», «экстроллинг», «лайнекс».

На данный момент в промышленности больше всего используется способ «конформ». Особенность используемой в этом случае установки состоит в том, что в ее конструкции контейнер образуется поверхностями канавки подвижного приводного колеса и выступом неподвижной вставки. Последняя прижимается к колесу гидравлическим или механическим устройством. В результате сечение контейнера представляет собой закрытый калибр. Благодаря силам трения заготовка втягивается в контейнер и заполняет его. Как только достигается упор, давление в заготовке нарастает до величины, необходимой для экструдирования материала через канал матрицы в виде прессованного полуфабриката.

Роль заготовки в технологии непрерывного прессования играет пруток или обычная проволока, а все операции идут без остановки, а именно: процессы деформирования, то есть втягивания в камеру прессования по мере поворота колеса, предварительного профилирования, заполнения канавки в колесе, создания рабочего усилия, экструдирования.

Прямое и обратное прессование

На рисунке ниже показаны два наиболее важных метода прессования:

• прямое прессование;
• обратное прессование.

Рисунок – Методы прессования: а) прямое прессование; б) обратное прессование [1]

При прямом прессовании пресс-штемпель, обычно с установленной на его переднем конце пресс-шайбой, выдавливает заготовку из неподвижного контейнера через формообразующий инструмент – матрицу. В этом методе относительное движение происходит между заготовкой и контейнером.

При обратном прессовании, наоборот, матрица располагают спереди полого пресс-штемпеля и ее продавливают через заготовку в ходе поступательного движения заглушенного сзади контейнера. В этом случае, отсутствует относительное движение между заготовкой и контейнером.