Технология гибки листового металла

Гибка листового металла — одна из распространенных операций холодного и горячего деформирования. Она отличается малой энергоемкостью.

Гибка листового металла — одна из распространенных операций холодного и горячего деформирования. Она отличается малой энергоемкостью, и при правильной разработке техпроцесса позволяет успешно производить из плоских заготовок пространственные изделия различной формы и размеров.

Классификация и особенности процесса

В соответствии с поставленными задачами технология гибки листового металла разрабатывается для следующих вариантов:

1. Одноугловая (называемая иногда V-образной гибкой).
2. Двухугловая или П-образная гибка.
3. Многоугловая гибка.
4. Радиусная гибка листового металла (закатка) — получение изделий типа петель, хомутов из оцинковки и пр.

Усилия при гибке невелики, поэтому ее преимущественно выполняют в холодном состоянии. Исключение составляет гибка стального листа из малопластичных металлов. К ним относятся дюралюминий, высокоуглеродистые стали (содержащие дополнительно значительный процент марганца и кремния), а также титан и его сплавы. Их, а также заготовки из толстолистового металла толщиной более 12…16 мм, гнут преимущественно вгорячую.

Гибку сочетают с прочими операциями листовой штамповки: резку и гибку, с вырубкой или пробивкой сочетают довольно часто. Поэтому для изготовления сложных многомерных деталей широко используются штампы, рассчитанные на несколько переходов.

Особым случаем гибки листового металла считается гибка с растяжением, которую используют для получения длинных и узких деталей с большими радиусами гибки.

В зависимости от размера и вида заготовки, а также требуемых характеристик продукции после деформирования, в качестве гибочного оборудования используются:

• Вертикальные листогибочные прессы с механическим или гидравлическим приводом;
• Горизонтальные гидропрессы с двумя ползунами;
• Кузнечные бульдозеры — горизонтально-гибочные машины;
• Трубо- и профилегибы;
• Универсально-гибочные автоматы.

Для получения уникальных по форме и размерам конструкций, в частности, котлов турбин и т.п., применяют и экзотические технологии гибки листовой стали, например, энергией взрыва. В противоположность этому, вопрос — как гнуть жесть — не вызывает сложностей, поскольку пластичность этого материала — весьма высокая.

Характерная особенность листогибочных машин — сниженные скорости деформирования, увеличенные размеры штампового пространства, сравнительно небольшие показатели энергопотребления. Последнее является основанием для широкого производства ручных гибочных станков, предназначенных для деформации оцинкованного материала. Они особо популярны в небольших мастерских, а также у индивидуальных пользователей.

Несмотря на кажущуюся простоту технологии, баланс напряжений и деформаций состояния в заготовке определить затруднительно. В процессе изгиба материала в нем возникают напряжения, вначале — упругие, а далее — пластические. При этом гибка листового материала отличается значительной неравномерностью деформации: она более интенсивна в углах гибки, и практически незаметна у торцов листовой заготовки. Гибка тонколистового металла отличается тем, что внутренние его слои сжимаются, а наружные — растягиваются. Условную линию, которая разделяет эти зоны, называют нейтральным слоем, и его точное определение является одним из условий бездефектной гибки.

В процессе изгиба металлопрокат получает следующие искажения формы:

• Изменение толщины, особенно для толстолистовых заготовок;
• Распружинивание/пружинение — самопроизвольное изменение конечного угла гибки;
• Складкообразование металлического листа;
• Появление линий течения металла.

Все эти обстоятельства необходимо учитывать, разрабатывая технологический процесс штамповки.

Этапы и последовательность технологии

Здесь, и в дальнейшем речь пойдет о процессах штамповки листового металла в холодном состоянии.

Разработка проводится в следующей последовательности:

1. Анализируется конструкция детали.
2. Рассчитывается усилие и работа процесса.
3. Подбирается типоразмер производственного оборудования.
4. Разрабатывается чертеж исходной заготовки.
5. Рассчитываются переходы деформирования.
6. Проектируется технологическая оснастка.

Анализ соответствия возможностей исходного материала необходим для того, чтобы выяснить его пригодность для штамповки по размерам, приведенным на чертеже готовой детали. Этап выполняют по следующим позициям:

• Проверка пластических способностей металла и сопоставление результата с уровнем напряжений, которые возникают при гибке. Для малопластичных металлов и сплавов процесс приходится дробить на несколько переходов, а между ними планировать межоперационный отжиг, который повышает пластичность;
• Возможность получения радиуса гиба, при котором не произойдет трещинообразования материала;
• Определение вероятных искажений профиля или толщины заготовки после обработки давлением, особенно при сложных контурах у детали;

По результатам анализа иногда принимают решение о замене исходного материала на более пластичный, о необходимости предварительной разупрочняющей термической обработки, либо используют подогрев заготовки перед деформацией.

Обязательным пунктом при разработке технологического процесса считается расчет минимально допустимого угла гибки, радиуса гибки и угла пружинения.

Радиус гибки rmin вычисляют с учетом пластичности металла заготовки, соотношения ее размеров и скорости, с которой будет проводиться деформирование (гидропрессы, с их пониженными скоростями передвижения ползуна, предпочтительнее более скоростных механических прессов). При уменьшении значения rmin все металлы претерпевают так называемое утонение — уменьшение первоначальной толщины заготовки. Интенсивность утонения определяет коэффициент утонения ?, %, который показывает, на сколько уменьшится толщина конечного изделия. Если это значение оказывается более критичного, то исходную толщину s металла заготовки приходится увеличивать.

Для малоуглеродистых листовых сталей соответствие между вышеуказанными параметрами приведено в таблице (см. табл. 1).

Таблица 1

Таким образом, при определенных условиях металл заготовки может даже несколько выпучиваться.

Не менее важным является и определение минимального радиуса гибки, который также зависит от исходной толщины металла, расположения волокон проката и пластичности материала (см. табл. 2). В том случае, когда радиус гиба слишком мал, то наружные волокна стали могут разрываться, что нарушает целостность готового изделия. Поэтому минимальные радиусы принято отсчитывать по наибольшим деформациям крайних частей заготовки, с учетом относительного сужения ? деформируемого материала (устанавливается по таблицам). При этом учитывают также и величину деформации заготовки. Например, при малых деформациях используют зависимость

а при больших деформациях — более точное уравнение вида

Таблица 2

Эффект вероятного пружинения можно учесть при помощи данных по фактическим углам пружинения ?, которые приведены в таблице 3. Данные в таблице соответствуют условиям одноугловой гибки.

Таблица 3

Определение усилия гибки

Силовые параметры гибки зависят от пластичности металла и интенсивности его упрочнения в ходе деформировании. При этом значение имеет направление прокатки исходной заготовки. Дело в том, что после прокатки металл приобретает свойство анизотропии, когда в направлении оси прокатки остаточные напряжения меньше, чем в противоположном. Соответственно, если согнуть металл вдоль волокон, то при одной и той же степени деформации вероятность разрушения заготовки существенно уменьшается. Поэтому ребро гиба располагают таким образом, чтобы угол между направлением прокатки и расположением заготовок в листе, полосе или ленте был минимальным.

Для расчета силовых параметров уточняют, как будет выполняться деформирование. Оно возможно изгибающим моментом, когда заготовка укладывается по фиксаторам/упорам, и далее деформируется свободно, либо усилием, когда в завершающий момент процесса полуфабрикат опирается на рабочую поверхность матрицы. Свободная гибка проще и менее энергоемка, зато гибка с калибровкой дает возможность получать более точные детали.

Если упрочнение металла невелико (например, гнется изделие из алюминия, либо малоуглеродистой стали), то момент можно вычислить по зависимости:

где ?т — предел текучести материала заготовки перед штамповкой.

Больший угол гиба (свыше 450) должен учитывать интенсивность упрочнения заготовки, которая зависит от размеров ее поперечного сечения:

где b — ширина заготовки.

Для расчета значений технологического усилия Р используют следующие зависимости. При одноугловой свободной гибке

, где

 наибольшая деформация сечения заготовки;

? — угол гибки;

?в — значение предела материала на прочность.

Когда гибка — несвободная (с калибровкой в конце рабочего хода ползуна), то для расчета усилия используют зависимость

где Fпр — площадь проекции заготовки, подвергаемой изгибу;

pпр — удельное усилие гибки с калибровкой, которое зависит от материала изделия:

• Для алюминия — 30…60 МПа;
• Для малоуглеродистых сталей — 75…110 МПа;
• Для среднеуглеродистых сталей — 120…150 МПА;
• Для латуней — 70…100 МПа.

Для выбора типоразмера оборудования, рассчитанные усилия увеличивают на 25…30%, и сравнивают полученный результат с номинальными (паспортными) значениями.