Технология бесшовной гибки листового металла

Технология обработки листового металла постоянно совершенствуется, особенно в таких областях применения, как точная гибка нержавеющей стали, гибка декоративных деталей из нержавеющей стали, гибка алюминиевых сплавов, гибка деталей для авиационной промышленности, гибка медных листов и т. д., что предъявляет еще более высокие требования к качеству поверхности формуемой заготовки. Традиционный процесс гибки с большей вероятностью повреждает поверхность заготовки. На поверхности, контактирующей с матрицей, образуются заметные вмятины или царапины, что влияет на внешний вид конечного изделия и снижает восприятие его ценности пользователем.

1. Причины появления вмятин при гибке

Возьмем в качестве примера гибку V-образной детали. Гибка листового металла — это процесс формования, при котором металлический лист сначала подвергается упругой деформации, а затем под действием пуансона или матрицы гибочного станка переходит в пластическую деформацию. На начальном этапе пластической гибки лист изгибается свободно. По мере того как пуансон или матрица прижимают лист, лист и внутренняя поверхность V-образного паза матрицы постепенно сближаются, а радиус кривизны и плечо гибочного усилия постепенно уменьшаются. Давление продолжают прикладывать до конца хода, чтобы матрица и лист полностью соприкоснулись в трех точках, после чего V-образный гиб считается завершенным.

Во время гибки металлический лист сжимается гибочной матрицей и испытывает упругую деформацию, а точка контакта между листом и матрицей по мере продвижения процесса гибки скользит. В процессе гибки лист проходит две очевидные стадии: упругую деформацию и пластическую деформацию. Кроме того, во время гибки присутствует этап выдержки давления (трехточечный контакт между матрицей и листом), поэтому после завершения процесса на детали образуются три линии вмятин. Эти линии в основном возникают из-за продавливания и трения между листом и плечом V-образного паза матрицы, поэтому их называют вмятинами на плече. Основные причины образования вмятин на плече можно условно разделить на следующие категории.

1. Способ гибки

Как уже упоминалось выше, образование вмятин на плече связано с контактом между листом и плечом V-образного паза матрицы. Различные зазоры между пуансоном и матрицей в процессе гибки влияют на сжимающее напряжение в листе, а вероятность и степень вмятин также будут различаться. При одинаковых условиях V-образного паза чем больше угол гиба детали, тем больше растяжение металлического листа и тем длиннее путь трения листа по плечу V-образного паза; кроме того, чем больше угол гиба, тем дольше пуансон оказывает давление на лист, и тем более выражены вмятины, вызванные этими двумя факторами.

b. Конструкция V-образного паза матрицы

При гибке металлических листов разной толщины выбирается и различная ширина V-образного паза. При одинаковых условиях пуансона чем больше размер V-образного паза матрицы, тем больше ширина вмятины. Соответственно, трение между металлическим листом и плечом V-образного паза матрицы уменьшается, и глубина вмятины естественным образом снижается. Напротив, чем меньше толщина листа, тем уже V-образный паз, и тем более заметны вмятины.

Говоря о трении, еще один связанный с ним фактор, который необходимо учитывать, — это коэффициент трения. Радиус R плеча V-образного паза матрицы различается, и вызываемое им трение листа в процессе гибки также отличается. С другой стороны, если рассматривать давление, оказываемое V-образным пазом матрицы на лист, то чем больше радиус R V-образного паза, тем меньше давление между листом и плечом паза, тем слабее вмятина, и наоборот.

c. Степень смазки V-образного паза матрицы

Как уже было сказано выше, поверхность V-образного паза матрицы соприкасается с листом и вызывает трение. Когда матрица изнашивается, контактная часть между V-образным пазом и листом становится все более шероховатой, а коэффициент трения — все выше. Когда лист скользит по поверхности V-образного паза, контакт между пазом и листом фактически представляет собой точечный контакт бесчисленных шероховатых выступов с поверхностью, поэтому давление на поверхность листа соответственно возрастает, а вмятины становятся более заметными.

С другой стороны, если перед гибкой заготовки V-образный паз матрицы не очистить, остатки мусора в пазе часто вызывают заметные вмятины на листе. Такая ситуация обычно возникает при гибке оцинкованных листов, листов из углеродистой стали и других заготовок.

2.Применение технологии гибки без следов

Поскольку мы знаем, что основной причиной появления следа от гибки является трение между листом и плечиком V-образной канавки матрицы, можно исходить из причинно-ориентированного подхода и с помощью технологических решений уменьшить трение между листом и плечиком V-образной канавки матрицы. Согласно формуле трения f=μ·N, на трение влияют коэффициент трения μ и давление N, и оба этих фактора прямо пропорциональны силе трения. Соответственно, можно сформулировать следующие технологические решения.

a. Использовать неметаллические материалы для плечика V-образной канавки матрицы

Традиционный способ простого увеличения радиуса R плечика V-образной канавки матрицы не слишком эффективен для улучшения следов от гибки. С точки зрения снижения давления в паре трения можно рассмотреть замену плечика V-образной канавки на неметаллический материал, более мягкий, чем лист, например нейлон, полиуретановый эластомер и т. п., при этом сохранив требуемый эффект выдавливания. Учитывая, что эти материалы легко изнашиваются и требуют регулярной замены, в настоящее время существует несколько конструкций V-образных канавок с использованием таких материалов, как показано на рисунке.

b. Изменить плечико V-образной канавки матрицы на шариково-роликовую конструкцию

Также исходя из принципа снижения коэффициента трения в паре трения между листом и V-образной канавкой матрицы, скользящую пару трения между листом и плечиком V-образной канавки можно преобразовать в пару трения качения, тем самым значительно уменьшая силу трения, действующую на лист, и эффективно предотвращая появление следов от гибки. В настоящее время этот процесс широко применяется в индустрии пресс-форм, а безследовая гибочная матрица с шариками является типичным примером применения.

Чтобы избежать жесткого трения между роликом и V-образной канавкой безследовой гибочной матрицы с шарикоподшипником, а также облегчить вращение и смазку ролика, добавляются шарики, что позволяет одновременно снизить давление и коэффициент трения. Поэтому детали, обработанные на безследовой гибочной матрице с шарикоподшипником, в основном не имеют заметных следов, однако эффект бесследовой гибки мягких листов, таких как алюминий и медь, не очень хорош. С экономической точки зрения, поскольку конструкция безследовой гибочной матрицы с шарикоподшипником сложнее, чем несколько описанных выше конструкций матриц, стоимость обработки высока, а обслуживание затруднено, это также фактор, который руководителям предприятий необходимо учитывать при выборе.

c. Плечико V-образной канавки матрицы заменяется на откидную конструкцию

В отрасли существует еще один тип матрицы, в котором для гибки деталей применяется принцип вращения вокруг опоры за счет откидывания плечика матрицы. Эта матрица изменяет традиционную V-образную структуру стандартной матрицы и превращает наклонные поверхности с обеих сторон V-образной канавки в откидной механизм. Когда пуансон прижимает лист, откидной механизм с обеих сторон матрицы под действием давления пуансона откидывается внутрь от вершины пуансона, благодаря чему лист изгибается и формуется. В этих условиях между листом и матрицей не возникает заметного локального скольжения, а контакт происходит вблизи откидной плоскости и вершины пуансона, что позволяет избежать появления следов на деталях. Конструкция этой матрицы сложнее предыдущих, включает растяжную пружину и откидную плиту, а затраты на обслуживание и обработку выше.

d. V-образная канавка матрицы изолируется от листового металла

Вышеупомянутые методы направлены на достижение бесследовой гибки за счет изменения гибочной матрицы. Для руководителей предприятий нецелесообразно разрабатывать и закупать новый комплект матриц ради бесследовой гибки отдельных деталей. С точки зрения контактного трения, пока матрица и лист разделены, трение отсутствует. Поэтому, не изменяя гибочную матрицу, можно добиться бесследовой гибки, используя мягкую пленку, предотвращающую контакт между V-образной канавкой матрицы и листом. Эта мягкая пленка также называется защитной пленкой для бесследовой гибки, а материалы обычно включают резину, PVC (поливинилхлорид), PE (полиэтилен), PU (полиуретан) и т. д. Преимущества резины и PVC — низкая стоимость сырья, а недостатки — низкая стойкость к давлению, слабые защитные свойства и короткий срок службы; PE и PU являются отличными инженерными материалами, а защитная пленка для бесследовой гибки, изготовленная на их основе, обладает хорошей стойкостью к разрыву, поэтому имеет длительный срок службы и хорошую защиту.

Защитная пленка для гибки в основном выполняет амортизирующую функцию между заготовкой и плечиком матрицы, компенсируя давление между матрицей и листом и тем самым предотвращая появление вмятин на детали при гибке. При использовании достаточно положить гибочную пленку на матрицу, что отличается низкой стоимостью и простотой применения. Толщина пленки для бесследовой штамповки, представленной на рынке, обычно составляет 0,5 мм, а размер может быть изготовлен по индивидуальному заказу. Такая пленка обычно выдерживает около 200 гибов при давлении 2 т, обладает высокой износостойкостью, высокой стойкостью к разрыву, отличными гибочными свойствами, высокой прочностью на разрыв и относительным удлинением при разрыве, а также стойкостью к смазочным маслам и алифатическим углеводородным растворителям.

Конкуренция на рынке листообрабатывающей промышленности очень высока. Если компании хотят занять прочные позиции на рынке, им необходимо постоянно повышать уровень своей технологии обработки. При этом следует учитывать не только функциональность изделия, но и его технологичность, эстетичность, а также экономическую эффективность обработки. Применяя более эффективные и экономичные технологические методы, можно сделать изделие более простым в обработке, более экономичным и более привлекательным.