Обработка листового металла, Как резать листовой металл, Штамповка металлических деталей и Детали из листового металла: Полное практическое руководство

Все, что вам нужно знать о листовом металле, в одном месте

Обработка листового металла — это промышленная и производственная дисциплина, связанная с формованием, резкой, формовкой и соединением плоских металлических заготовок (обычно толщиной от 0,5 до 6 мм) в функциональные компоненты и конструкции. Он производит самый широкий спектр металлических деталей любого производственного процесса: от автомобильных кузовных панелей и воздуховодов HVAC до электронных корпусов, кухонного оборудования и конструкционных кронштейнов. Двумя наиболее важными производственными методами обработки листового металла являются резка (включающая резку, лазерную резку, плазменную резку и штамповку) и формовка (включающая гибку, штамповку и глубокую вытяжку). Штамповка металлических деталей путем прессования листового металла между штампом и пуансоном на высокой скорости является доминирующим методом производства крупносерийных деталей из листового металла в автомобильной, бытовой, электронной и потребительской промышленности.

Если вы задаете практические вопросы, например, как ровно разрезать листовой металл, как прорезать отверстия в металле или что такое винт для листового металла, это руководство дает прямые практические ответы, основанные на реальных инструментах, методах и спецификациях, используемых профессионалами. Если вы оцениваете варианты промышленного производства Детали из листового металла или Штамповка металлических деталей , приведенные ниже рекомендации по выбору процесса и стоимости предоставят вам данные для принятия обоснованного решения.

Что такое обработка листового металла: область применения, процессы и материалы

Что такое обработка листового металла как дисциплина, включает в себя каждую операцию, выполняемую с плоским металлическим листом, от получения сырья до доставки готовых компонентов. Область применения шире, чем думает большинство людей: она включает не только резку и гибку, но также обработку поверхности, сварку, клепку, формование резьбы и сборку многокомпонентных деталей из листового металла в готовые узлы.

Основные процессы обработки листового металла

• Стрижка и резка: Разделение листового металла вдоль линии с использованием механических ножей, энергии лазера, плазменной дуги, водяной струи или штампов. Выбор метода зависит от толщины материала, требуемого качества кромки, количества, а также от того, прямой или профилированный срез.
• Гибка и формовка: Изменение формы плоского листа путем приложения силы вдоль линии (сгибание на листогибочном прессе) или поперек трехмерной матрицы (глубокая вытяжка, профилирование или вращение). Гибка образует углы и каналы; методом глубокой вытяжки производят чашки, коробки и сложные корпуса.
• Штамповка: Высокоскоростная операция прессования, которая сочетает в себе штамповку, вырубку, гибку и формовку в одно- или многоступенчатой последовательности штампов. Штамповка металлических деталей при объемах производства от тысяч до миллионов штук в год является экономически доминирующим методом производства сложных деталей из листового металла, где стоимость оснастки может быть амортизирована в достаточном объеме.
• Присоединение: Соединение деталей из листового металла сваркой (MIG, TIG, точечная сварка), клепкой, заклёпыванием, завинчиванием или клеевым соединением. Метод соединения часто указывается вместе с процессом обработки листового металла, поскольку он определяет прочность соединения, внешний вид и возможность разборки готовой сборки.
• Отделка: Операции по обработке поверхности, включая удаление заусенцев, шлифовку, порошковое покрытие, мокрую окраску, анодирование (для алюминия), гальванизацию и гальванику, которые защищают детали из листового металла от коррозии и обеспечивают необходимый внешний вид.

Распространенные материалы из листового металла и их характеристики

Как производится листовой металл: от сырого железа до готового листа

Понимание того, как изготавливается листовой металл, обеспечивает важный контекст для выбора правильного материала и толщины для конкретного применения, поскольку производственный маршрут определяет состояние поверхности, допуски на размеры и механические свойства листа еще до начала изготовления.

Этап 1: Производство стали и первичная разливка

Производство листового металла начинается на сталелитейном заводе, где железная руда или стальной лом плавится в кислородно-конвертерной печи (ОКП) или электродуговой печи (ЭДП) при температуре выше 1600 градусов Цельсия. Расплавленная сталь очищается от примесей, легируется определенными элементами (углеродом, марганцем, кремнием, хромом для нержавеющих марок) и непрерывно разливается в слябы обычно толщиной от 200 до 250 мм, шириной от 1000 до 2000 мм и длиной до 12 м. Эти слябы являются исходным материалом для всех последующих операций прокатки.

Этап 2: Горячая прокатка в рулон

Литой сляб повторно нагревается примерно до 1200 градусов по Цельсию и проходит через ряд клетей прокатного стана (обычно от 5 до 7 клетей на непрерывном стане горячей прокатки), которые постепенно уменьшают толщину с 200 мм до 1,5–12 мм за один проход. На выходе из последней прокатной клети горячекатаную полосу наматывают в рулон на моталке. Горячекатаный стальной лист, произведенный таким способом, имеет характерную темно-сине-серую оксидную окалину на поверхности (прокатную окалину) и допуски на размеры от плюс или минус 0,1 мм до 0,25 мм по толщине в зависимости от прокатного стана и действующего стандарта (ASTM A568 в США, EN 10029 в Европе).

Этап 3: Холодная прокатка для обеспечения прецизионной толщины и качества поверхности

Для изделий из листового металла, требующих более жестких допусков по толщине, более гладких поверхностей и лучшей формуемости, горячекатаный рулон дополнительно обрабатывается холодной прокаткой. Рулон сначала травят в соляной кислоте для удаления прокатной окалины, затем подвергают холодной прокатке на прокатном стане с 4 или 6 валами при комнатной температуре, чтобы уменьшить толщину еще на 30–75 % от толщины горячекатаного проката. Холодная прокатка дает блестящую, гладкую поверхность и обеспечивает допуск по толщине от плюс-минус 0,02 мм до 0,05 мм, что важно для штамповки металлических деталей в прогрессивных штампах, где постоянство размеров детали зависит от постоянной толщины поступающего материала.

После холодной прокатки нагартованная сталь отжигается (термообрабатывается) для восстановления пластичности, затем подвергается дрессировке ( дрессировке ) с небольшим обжатием от 0,5% до 2% для улучшения плоскостности поверхности и обеспечения правильной текстуры поверхности для последующих операций формовки. Готовый холоднокатаный рулон затем разрезается на необходимую ширину и либо поставляется в рулоне, либо разрезается на листы по длине для клиента.

Этап 4: Покрытие поверхности для защиты от коррозии

Оцинкованный лист производится путем пропускания холоднокатаной стальной полосы через ванну с расплавленным цинком при температуре примерно 450 градусов по Цельсию (горячее цинкование) с нанесением покрытия из цинкового сплава обычно толщиной от 7 до 14 микрон на каждой поверхности. Цинковое покрытие защищает лежащую под ним сталь как за счет барьерного действия (физическое отделение от окружающей среды), так и за счет гальванической защиты (цинк преимущественно корродирует, чтобы защитить прилегающую открытую сталь на кромках разреза). Оцинкованный лист, соответствующий спецификации G90 (ASTM A653), имеет минимальную общую массу цинкового покрытия 275 г/м² (приблизительно 19 микрон на сторону), что обеспечивает достаточную коррозионную стойкость для наружного применения в умеренном климате без дополнительной обработки поверхности.

Как разрезать листовой металл прямо: инструменты, методы и точность

Умение ровно резать листовой металл — один из самых фундаментальных навыков в работе с листовым металлом, применимый как для профессиональных производителей, так и для домашних пользователей. Правильный инструмент для прямого реза зависит от толщины металла, длины реза и того, должен ли разрез быть без заусенцев с обеих сторон пропила.

Ручные и механические режущие инструменты для прямых резов

• Настольные ножницы (гильотинные ножницы): Самый точный и чистый метод прямого реза листового металла толщиной примерно до 6 мм. Неподвижное нижнее лезвие и опускающееся верхнее лезвие режут металл с минимальной деформацией и без зоны термического влияния. Профессиональные настольные ножницы режут прямые линии с допуском плюс-минус 0,5 мм на длине реза 1200 мм. Верхнее лезвие установлено под передним углом (обычно от 1 до 3 градусов от горизонтали), чтобы уменьшить необходимую силу резания и обеспечить постепенное срезающее действие, которое сводит к минимуму деформацию. Для производства прямых распилов в количествах от одного до тысяч листов настольные ножницы являются подходящим инструментом для листов толщиной от 0,5 мм до 4,0 мм из мягкой стали и эквивалентных толщин алюминия.
• Циркулярная пила с лезвием для резки металла: Практичный портативный инструмент для прямых резов листового металла толщиной до 3 мм, когда ножницы недоступны. Используйте полотно, специально предназначенное для резки стали или алюминия (обычно полотна с твердосплавными напайками от 60 до 80 зубьев для стали и диски для циркулярных пил с мелкими зубьями для алюминия). Прикрепите стальную направляющую к листу и прижмите к ней опорную пластину пилы для получения прямого реза. Циркулярная пила выделяет стружку и тепло, поэтому надевайте полную защиту для глаз и перчатки и не допускайте присутствия персонала в зоне резки.
• Угловая шлифовальная машина с отрезным диском: Эффективен для прямых пропилов мягкой стали толщиной до 6 мм в полевых условиях, где нет возможности механической резки. Для листового металла используйте отрезной диск толщиной от 1,0 до 1,6 мм (более толстые диски тратят больше материала и выделяют больше тепла). Отметьте линию разреза маркером и в качестве ориентира используйте стальную линейку, прикрепленную к листу. При резке угловой шлифовальной машиной на нижней стороне разреза образуется заусенец, который необходимо удалить путем снятия заусенцев перед сборкой листа.
• Лобзик с лезвием для резки металла: Лучше подходит для криволинейной резки, но может использоваться и для прямой резки тонкого листа (до 2 мм мягкой стали, до 3 мм алюминия) с помощью биметаллического полотна с мелкими зубьями. Требуется прямая направляющая, прикрепленная к листу. Лобзик дает более грубую кромку реза, чем ножница, и имеет большую склонность к вибрации листа во время резки, что требует надежного зажима.
• Ножницы для жести (авиационные ножницы): Ручные ножницы для тонкого листа толщиной примерно до 1,2 мм (калибр 18) из мягкой стали и до 1,6 мм (калибр 16) алюминия. Ножницы прямые (желтая ручка) предназначены для длинных прямых разрезов. Ножницы с левым (красная ручка) и правым (зеленая ручка) срезом предназначены для криволинейных пропилов в соответствующем направлении. Оловянные ножницы скручивают обрезки в сторону от основного листа, что может деформировать край разреза тонкого материала, если ширина ножниц мала по сравнению с длиной разреза.

Как добиться точных прямых разрезов: практические советы

1. Четко отметьте линию разреза перманентным маркером или проведите разметку по стальной линейке. Для алюминия начерченная линия более заметна на блестящей поверхности, чем линия маркера.
2. Перед резкой надежно закрепите лист на устойчивой поверхности. Незакрепленный лист вибрирует во время резки, вызывая следы вибрации на кромке среза и потенциальное заклинивание лезвия или диска.
3. При резке электроинструментом зажмите стальной уголок или прямой стержень параллельно и на стороне реза отмеченной линии на точном расстоянии от края опорной плиты инструмента до лезвия. Это гарантирует, что инструмент движется прямо, и оператору не требуется визуально следить за линией во время управления инструментом.
4. Выполняйте рез за один непрерывный проход с постоянной скоростью подачи. Остановка и повторный запуск в середине резки изменяет подвод тепла и может привести к застреванию диска или лезвия в пропиле.
5. Перед транспортировкой или сборкой удалите заусенцы со всех обрезанных кромок с помощью напильника, инструмента для удаления заусенцев или настольного шлифовального станка. Острые обрезанные кромки могут привести к травмам рук и предотвратить соединение деталей из листового металла заподлицо при сборке.

Как вырезать отверстия в металле: методы от базовых до производственных

Чтобы научиться вырезать отверстия в металле, необходимо выбрать правильный метод с учетом размера, формы и количества отверстий, а также толщины и твердости металла. Одно отверстие диаметром 10 мм в алюминиевом листе толщиной 1 мм требует совершенно иного подхода, чем вырезание 500 одинаковых отверстий диаметром 50 мм в стали толщиной 3 мм для производственной партии штампованных металлических деталей.

Сверла: стандартный метод для круглых отверстий диаметром до 25 мм.

Для круглых отверстий диаметром примерно до 25 мм в листовом металле толщиной до 6 мм наиболее прямым подходом является стандартное спиральное сверло на сверлильном станке или ручная дрель. Основные соображения по сверлению чистых отверстий в листовом металле:

• Используйте правильный тип сверла: Стандартные спиральные сверла из быстрорежущей стали (HSS) подходят для работы с мягкой сталью, алюминием и медным листом. Для листов из нержавеющей стали используйте сверла из быстрорежущей стали с содержанием кобальта (класса M35 или M42) или сверла с твердосплавными напайками, чтобы справиться с наклепом, возникающим на режущей кромке аустенитной нержавеющей стали.
• Контролируйте скорость подачи: В листовом металле сверло быстро пробивает заднюю поверхность после того, как острие отрывается от передней поверхности, в результате чего канавки захватывают лист и сильно его вращают, если сверло не закреплено прочно. Чтобы предотвратить это, всегда прижимайте тонкий лист к подложке и уменьшайте давление подачи непосредственно перед прорывом.
• Используйте смазочно-охлаждающую жидкость: Нанесите небольшое количество смазочно-охлаждающей жидкости (сульфированная смазочно-охлаждающая жидкость для стали, WD-40 или легкое машинное масло для алюминия) на точку сверления. Это уменьшает нагрев режущей кромки, продлевая срок службы сверла и улучшая качество отверстия. Для листов нержавеющей стали смазочно-охлаждающая жидкость обязательна, поскольку сухое сверление нержавеющей стали вызывает быстрое наклепение на кромке отверстия, что приводит к затуплению кончика сверла в пределах первого миллиметра проникновения и часто приводит к поломке сверла или прожжению отверстия.

Ступенчатые сверла: самый практичный инструмент для изготовления отверстий в листовом металле

Ступенчатые сверла (также называемые юнитами или ступенчатыми сверлами) представляют собой конические сверла со ступенями разного диаметра, вырезанными на поверхности, каждый шаг больше предыдущего, обычно с шагом 2 мм. С помощью одноступенчатого сверла можно проделать отверстия от наименьшего диаметра на кончике до наибольшего диаметра у основания, охватывая весь диапазон размеров, необходимых для большинства отверстий для выбивки электрических отверстий, втулок и крепежных деталей в листовом металле.

Ступенчатое сверло — единственный наиболее полезный инструмент для вырезания отверстий в металле в листе толщиной до 3 мм, поскольку оно самоцентрируется, производит чистые отверстия без заусенцев в тонком листе без прорыва и не требует направляющего отверстия. Постепенное увеличение диаметра также делает ступенчатые сверла самокорректирующими диаметр отверстия: если оператор прекращает сверление на правильном шаге диаметра, отверстие становится точно нужного размера без каких-либо проб и ошибок.

Кольцевые пилы: круглые отверстия большого диаметра

Для круглых отверстий диаметром от 25 до 150 мм в листовом металле толщиной до 4 мм стандартным подходом является кольцевая пила (также называемая дырорезом), установленная на сверлильном станке или ручной дрели. Кольцевая пила состоит из цилиндрического пильного полотна с зубьями на нижней кромке, приводимого в движение центральной оправкой с направляющим сверлом, которое центрирует пилу в отмеченном месте отверстия до того, как зубья зацепятся за металл. Используйте биметаллические кольцевые пилы (зубы из быстрорежущей стали на гибком стальном корпусе) для большинства работ по обработке листового металла. Кольцевые пилы с твердосплавными напайками доступны для более твердых материалов, включая нержавеющую сталь и закаленный лист.

Выбивные пробойники: очистка отверстий в листовом металле корпуса

Набор выбивных пробойников состоит из пуансона из закаленной стали и соответствующей матрицы, стянутых вместе болтом с резьбой, позволяющим прорезать чистое отверстие в тонком листовом металле за одно действие. Выбивные пробойники являются стандартным инструментом для вырезания точных круглых, квадратных и фасонных отверстий в электрических шкафах, панелях управления и распределительных коробках, поскольку они создают чистое отверстие без заусенцев без нагревания и деформации окружающего листа. Стандартный набор гидравлических выбивателей позволяет прорезать отверстия диаметром от 14 до 150 мм в листовом металле толщиной до 3 мм с гидравлическим усилием примерно от 20 до 100 кН в зависимости от размера отверстия и материала.

Лазерная резка и плазменная резка: изготовление производственных отверстий

Для производства деталей из листового металла, требующих точных отверстий любой формы, промышленными стандартными процессами являются лазерная и плазменная резка. Станок для волоконной лазерной резки может вырезать отверстия размером до толщины материала (то есть отверстие диаметром 1,5 мм в стальном листе толщиной 1,5 мм) с точностью позиционирования плюс-минус 0,05 мм и качеством кромки, в большинстве случаев не требующим вторичного удаления заусенцев. Плазменная резка быстрее и требует меньших затрат на метр разреза, чем лазерная, но создает зону термического влияния и слегка сужающийся пропил, что ограничивает ее использование для прецизионных отверстий диаметром менее 10 мм в листе толщиной менее 3 мм.

Что такое винт для листового металла: конструкция, функции и выбор

Чтобы понять, что такое шуруп для листового металла, необходимо четко отличать его от шурупов для дерева и крепежных винтов, на которые он внешне похож. Шуруп для листового металла — это саморез, специально предназначенный для создания собственной резьбы в листовом металле по мере его завинчивания, без необходимости предварительного нарезания отверстия. Геометрия резьбы, конструкция наконечника и твердость винта для листового металла оптимизированы для крепления «металл к металлу» в тонком листе.

Как работают шурупы для листового металла

Когда винт для листового металла вкручивается в предварительно просверленное пилотное отверстие в листовом металле, острая резьба на хвостовике винта смещает и разрезает листовой материал наружу, образуя сопрягающуюся резьбу в стенке отверстия. Диаметр направляющего отверстия намеренно меньше основного (наружного) диаметра резьбы винта, обычно на 0,1–0,4 мм в зависимости от размера винта и толщины листа, чтобы в резьбе было достаточно материала для нарезания. Правильно выбранный винт для листового металла в правильном направляющем отверстии обеспечивает длину зацепления резьбы, равную полной толщине листа, обеспечивая сопротивление выдергиванию от 500 до 2000 Н в зависимости от размера винта, толщины листа и материала.

Типы шурупов для листового металла по Point Design

• Тип А (острое острие, грубая резьба): Оригинальная конструкция винта из листового металла с коническим наконечником в виде буравчика и широко расположенной резьбой. Подходит для тонких листов (менее 1,5 мм), когда острие некоторых материалов можно пробить без направляющего отверстия. В современной практике используется реже, поскольку тип AB обеспечивает лучшую производительность.
• Тип AB (острое острие, тонкая резьба): Усовершенствованная версия типа А с более острым кончиком и меньшим шагом резьбы, обеспечивающая лучшее удержание резьбы в более тонких материалах. Наиболее широко используемый тип шурупов для листового металла в общем производстве.
• Тип B (тупое острие): Имеет тупой кончик, предназначенный для использования в предварительно просверленных отверстиях, а не для самопрокалывания. Обеспечивает большее зацепление резьбы в резьбовом отверстии, поскольку полный профиль резьбы начинается сразу на кончике, а не сужается в какой-то точке. Используется в листах большей толщины, где не ожидается, что винт начнет свое собственное отверстие.
• Самосверлящие винты (ТЕК): Имейте наконечник в виде сверла, который просверливает собственное направляющее отверстие до того, как секция резьбы войдет в зацепление. Устраните отдельный этап сверления во многих операциях сборки листового металла. Доступны размеры сверла, рассчитанные на прорезание стали определенной толщины: сверло 1 (до 1,6 мм), сверло 2 (до 2,4 мм), сверло 3 (до 4,8 мм), сверло 5 (до 12,7 мм).

Правильные размеры направляющих отверстий для шурупов из листового металла

Штамповка металлических деталей: как производятся детали из листового металла в больших объемах

Штамповка металлических деталей является наиболее экономически важным и объемным производственным процессом при обработке листового металла. Понимание того, как работает штамповка, что она производит и когда она является правильным выбором для конкретного компонента, позволяет инженерам и специалистам по закупкам принимать правильные решения о производстве или покупке деталей из листового металла во всех отраслях.

Как работает штамповка металла

При штамповке металла используется гидравлический или механический пресс, чтобы пробить или проникнуть в листовой металл, прижатый к штампу. Набор штампов определяет геометрию готовой детали: пуансон и штамп представляют собой зеркальные формы, разделенные небольшим зазором (обычно от 5% до 15% толщины материала), который определяет качество срезанной кромки или точность сформированной формы. Операции по штамповке металлических деталей включают в себя:

• Гашение: Вырубка плоской заготовки определенной контурной формы из листа или полосы. Заготовка является исходной формой для последующих операций формования. При последовательной штамповке вырубка и все последующие операции формования происходят в одной многопозиционной матрице, которая обрабатывает непрерывную рулонную полосу через каждую станцию ​​с каждым ходом пресса.
• Пирсинг (перфорация): Вырезание отверстий в листе по контуру детали. Происходит одновременно с или после вырубки прогрессивной матрицы. Прецизионная штамповка на штамповочном прессе позволяет получать отверстия с точностью позиционирования плюс или минус 0,05 мм при скорости производства от 20 до 400 ударов в минуту.
• Гибка в штампе: Формирование углов, каналов и фланцев в заготовке по мере ее прохождения через штамповочные станции. Гибка в штампе с прогрессивной штамповкой происходит точнее и быстрее, чем гибка отдельных заготовок на листогибочном прессе, что делает его предпочтительным методом для крупногабаритных деталей из листового металла с множественными изгибами.
• Глубокий рисунок: Вытягивание плоской заготовки в форму чашки или коробки путем вдавливания ее в полость матрицы пуансоном. Производит корпуса, чашки, корпуса и кастрюли, используемые в автомобилях, бытовой технике и потребительских товарах. Успешная глубокая вытяжка детали может иметь отношение глубины к диаметру от 0,5 до 1,0 за одну вытяжку, что требует тщательного выбора материала (сплавы с высоким удлинением), смазки и контроля силы держателя заготовки, чтобы предотвратить разрывы в угловых радиусах или образование складок в области фланца.

Когда штамповка металлических деталей — правильный выбор

Экономика штамповки металлических деталей определяется амортизацией затрат на оснастку. Простая вырубная матрица с одной станцией для небольшого кронштейна стоит от 2000 до 8000 долларов США. Сложный прогрессивный штамп для многофункциональных автомобильных деталей из листового металла стоит от 50 000 до 500 000 долларов США и более. Затраты на оснастку фиксированы независимо от объема производства, поэтому:

• Ниже 500 штук: Штамповка редко бывает экономичной. Лазерная резка и гибка гибочным прессом более рентабельны, поскольку не требуются инвестиции в оснастку.
• От 500 до 5000 штук: Простые штампы для штамповки (вырубка, простая прошивка и гибка) могут быть экономичными для простой геометрии. Сложные прогрессивные штампы пока не оправданы при таком объеме.
• Более 5000 штук: Штамповка становится все более конкурентоспособной по мере увеличения объема и снижения амортизации оснастки на единицу продукции. При объеме производства 50 000 штук и выше компания «Штамповка металлических деталей» почти всегда обеспечивает самую низкую стоимость за штуку для компонентов в пределах геометрических возможностей процессов штамповки.
• Более 500 000 штук в год: Прогрессивная штамповка на автоматических прессах с рулонной подачей со скоростью от 100 до 400 ходов в минуту является единственным экономически выгодным методом производства плоских и формованных деталей из листового металла в таком масштабе. Компоненты автомобильного кузова, корпуса разъемов, детали бытовой техники и корпуса бытовой электроники производятся таким образом.

Качество и допуски штампованных деталей из листового металла

При штамповке металлических деталей в хорошо обслуживаемом прогрессивном штампе достигаются следующие типичные допуски для производства деталей из листового металла:

• Диаметр отверстия: плюс-минус 0,05–0,10 мм.
• Положение отверстия относительно базовой точки: плюс или минус 0,10–0,20 мм.
• Размер контура заготовки: плюс-минус 0,10–0,20 мм.
• Угол изгиба: плюс или минус от 0,5 до 1,0 градуса.
• Высота или глубина формовки: плюс-минус 0,10–0,30 мм.

Эти допуски более жесткие, чем достижимые при ручной гибке листогибочным прессом (обычно плюс-минус 0,5 мм по формообразующим размерам и плюс-минус 1 градус по углам), что является одной из причин, по которой штамповка металлических деталей в прецизионных штампах рекомендуется для компонентов, где сборка между несколькими деталями из листового металла имеет решающее значение для функционирования продукта.

Детали из листового металла в промышленности: применение и рекомендации по проектированию

Детали из листового металла являются одними из самых распространенных компонентов в современной экономике. Они образуют конструкцию, корпуса, кронштейны и соединительные элементы практически во всех категориях продуктов: от бытовой электроники до тяжелого промышленного оборудования. Понимание того, какие отрасли промышленности больше всего полагаются на детали из листового металла и какие принципы проектирования делают эти детали технологичными и экономически эффективными, является важным знанием для любого инженера или покупателя, работающего в промышленном производстве.

Ключевые отрасли промышленности и их требования к деталям из листового металла

• Автомобильная промышленность: Панели кузова, поддоны пола, двери, капоты, стойки конструкции, каркасы сидений, кронштейны и теплозащитные экраны. Автомобильная промышленность является крупнейшим потребителем штампованных металлических деталей в мире, ежегодно перерабатывая более 100 миллионов тонн стальных и алюминиевых листов. Автомобильные детали из листового металла должны соответствовать жестким допускам по размерам при сборке «белого кузова», высокому качеству поверхности окрашенных видимых поверхностей и заданным свойствам поглощения энергии удара для компонентов конструкции.
• Электроника и электрооборудование: Шасси, корпуса, экраны, кронштейны, радиаторы, корпуса разъемов и компоненты шин. В деталях из листового металла электроники обычно используется тонкий алюминий (от 0,5 до 2,0 мм) или холоднокатаная сталь (от 0,5 до 1,5 мм), и для них требуются прецизионные перфорированные отверстия для монтажа разъемов и компонентов с позиционными допусками плюс-минус 0,1 мм или меньше.
• ОВиК и строительные услуги: Воздуховоды, камеры статического давления, заслонки, корпуса диффузоров и кожухи для оборудования. Детали из оцинкованной листовой стали доминируют в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха из-за коррозионной стойкости, необходимой во влажных воздушных потоках, со стандартными размерами от 0,55 до 1,5 мм для секций воздуховодов и до 3,0 мм для корпусов оборудования.
• Медицинское оборудование: Каркасы оборудования для визуализации, лотки для хирургических инструментов, больничная мебель и корпуса оборудования. Для деталей из медицинского листового металла требуется нержавеющая сталь (класса 304 или 316) с чистотой поверхности Ra менее 0,8 микрона для любой поверхности, которая контактирует с пациентами или инструментами, и они должны соответствовать требованиям системы качества ISO 13485.
• Аэрокосмическая промышленность: Обшивки фюзеляжа, нервюры крыла, панели мотогондол, внутренние конструкции памятников и кронштейны. В производстве деталей из листового металла для аэрокосмической отрасли в основном используются алюминиевые сплавы (2024, 7075, 6061) и титан, производимые с самыми жесткими допусками в отрасли (плюс-минус 0,05 мм на критических поверхностях посадки) в соответствии с сертифицированными системами управления качеством AS9100.

Рекомендации по проектированию экономичных деталей из листового металла

• Соблюдайте минимальный радиус изгиба: Минимальный внутренний радиус изгиба для данного материала примерно равен 0,5–1,0 толщины материала для мягкой стали и 1,0–2,0 толщины для нержавеющей стали и алюминия. Указание меньших радиусов изгиба, чем минимальный для материала, приводит к растрескиванию на изгибе, что требует использования более дорогого материала с более высоким удлинением или изменения процесса для достижения такой геометрии.
• Расстояние от отверстия до края должно быть выше минимального: Для перфорированных отверстий в деталях из листового металла минимальное расстояние от центра отверстия до любого края или соседнего отверстия должно быть как минимум в 1,5 раза больше диаметра отверстия. Меньшее расстояние приводит к тому, что пуансон искажает материал между отверстием и кромкой во время штамповки, создавая заусенцы или выдергивания материала, что ослабляет деталь.
• Избегайте жестких допусков на формованные размеры, если это не требуется функционально: Каждое ужесточение допуска на детали из листового металла увеличивает стоимость контроля, увеличивает процент брака во время производства и может потребовать дополнительных операций формовки или вторичной механической обработки. Укажите допуски, основываясь на фактической посадке сборки и функциональных требованиях к детали, а не на общем предположении «чем плотнее, тем лучше».
• Стандартизируйте толщину материала для всех деталей из листового металла в сборке: Использование одинаковой толщины материала для всех деталей в сварной или резьбовой сборке упрощает закупку, снижает затраты на хранение запасов и позволяет использовать общие инструменты для операций вырубки и формовки нескольких деталей. Если требуются разные толщины, ограничьте количество датчиков, используемых в одной сборке, до минимума, необходимого для удовлетворения конструктивных требований.

Часто задаваемые вопросы

1. Что такое обработка листового металла и чем она отличается от других процессов изготовления металла?

Обработка листового металла — это дисциплина изготовления компонентов из плоского листового металла толщиной обычно от 0,5 до 6 мм с использованием операций резки, формовки, соединения и отделки. Он отличается от других процессов изготовления металлов, таких как механическая обработка (при которой материал удаляется из твердой заготовки для создания трехмерных форм), литье (при котором расплавленный металл заливается в форму) и ковка (при которой используется сжимающая сила на нагретых металлических заготовках). Обработка листового металла начинается с плоской заготовки и меняет ее форму без удаления значительного количества материала, что делает ее более экономичной, чем механическая обработка. Определяющим преимуществом обработки листового металла является его способность производить легкие, прочные детали сложной геометрии с высокой производительностью и конкурентоспособной стоимостью с помощью таких процессов, как штамповка металлических деталей, лазерная резка и гибка на листогибочном прессе.

2. Как изготавливают листовой металл и от чего зависит его допуск по толщине?

Листовой металл изготавливается путем горячей прокатки стальных слябов при температуре 1200 градусов Цельсия до толщины рулона с последующей холодной прокаткой при комнатной температуре для точного контроля толщины и улучшения качества поверхности. Допуск на толщину определяется оборудованием прокатного стана, целевой толщиной и применимым стандартом (ASTM A568 для горячей прокатки, ASTM A568 и EN 10131 для холодной прокатки). Холоднокатаный лист имеет допуск по толщине от плюс-минус 0,02 до 0,05 мм, тогда как горячекатаный лист имеет допуск от плюс-минус 0,1 до 0,25 мм. Для штамповки металлических деталей, требующих постоянного потока материала в формовочных штампах, всегда предпочтителен холоднокатаный лист с жесткими допусками по толщине, поскольку изменение толщины материала напрямую вызывает изменение размеров детали при операциях глубокой вытяжки и гибки.

3. Что такое шуруп для листового металла и чем он отличается от шурупа для дерева или крепежного шурупа?

Винт для листового металла — это саморез с закаленной резьбой, предназначенный для врезания в листовой металл через предварительно просверленное направляющее отверстие, создавая собственную сопрягающуюся резьбу без необходимости использования резьбового отверстия или гайки. Шуруп для дерева имеет более грубую, более широко расположенную резьбу и конический корпус, предназначенный для сжатия волокон древесины и захвата за счет трения. Машинный винт имеет прецизионную резьбу, предназначенную для сопряжения с предварительно нарезанным отверстием или гайкой с заданным шагом, и не образует резьбы в подложке. Ключевое практическое отличие заключается в том, что для винта из листового металла требуется только просверленное зазорное отверстие в верхнем листе и направляющее отверстие немного меньшего размера в нижнем листе, тогда как для машинного винта требуется нарезанная резьба в нижнем листе или гайка на задней поверхности.

4. Как ровно разрезать листовой металл без дорогостоящего оборудования?

Чтобы разрезать листовой металл по прямой без среза, наиболее эффективным подходом является прочное прижатие стальной линейки или углового стержня к листу на расстоянии смещения линии реза, а затем запуск циркулярной пилы с твердосплавным лезвием, рассчитанным на металл, против направляющей. Для листов толщиной менее 1,5 мм прямые авиационные ножницы (желтая ручка), направляемые по отмеченной линии, обеспечивают достаточно прямой рез без необходимости использования электроинструментов. Для точных прямых разрезов тонкого алюминия (менее 2 мм) острый канцелярский нож, надрезанный 3–5 раз вдоль линейки, позволяет аккуратно разрезать лист вдоль линии надреза, аналогично надрезу и щелканию стекла.

5. Как вырезать в металле отверстия для ввода электропроводки в корпус?

Для вырезания входных отверстий кабелепровода в корпусе из листового металла набор пробойников является профессиональным стандартным инструментом, поскольку он позволяет получить чистое отверстие без заусенцев точного диаметра, необходимого для монтажа кабелепровода, без деформации панели корпуса. Для одного отверстия или там, где нет набора для выбивки, ступенчатое сверло может проделать чистые отверстия диаметром до 30 мм в листе толщиной до 3 мм. Для больших отверстий кабелепровода диаметром более 50 мм необходимо использовать кольцевую пилу подходящего размера. Всегда удаляйте заусенцы с края отверстия после резки, независимо от используемого метода, чтобы защитить изоляцию кабелепровода от истирания в точке входа и предотвратить травмы во время установки.

6. В чем разница между штамповкой металлических деталей и деталями из листового металла, вырезанными лазером?

В компании Stamping Metal Parts используется закаленная матрица и пуансон для одновременного формирования полной геометрии детали в ходе одно- или многоэтапной операции прессования с очень высокой скоростью (от 20 до 400 деталей в минуту), при этом стоимость оснастки составляет от 2 000 до 500 000 долларов США в зависимости от сложности. Лазерная резка Детали из листового металла производятся на станке для лазерной резки с ЧПУ, который вырезает контур детали и внутренние элементы из плоского листа с помощью сфокусированного лазерного луча, не требуя специального инструмента (программа обработки детали написана в программном обеспечении), но производит детали на более медленных скоростях (от 1 до 20 деталей в минуту для сложных профилей). Лазерная резка экономически выгодна для небольших и средних объемов (менее 5000 штук), а также для сложных профилей, которые требуют дорогостоящего прогрессивного инструмента. Штамповка экономически выгодна при объеме производства более 5000 штук в год, при этом стоимость оснастки амортизируется до долей цента за штуку.

7. Какой размер направляющего отверстия следует использовать для винта № 10 из мягкой стали толщиной 1,5 мм?

Для винта № 10 для листового металла (основной диаметр 4,8 мм) из мягкой стали толщиной 1,5 мм рекомендуемый диаметр направляющего отверстия составляет 4,0 мм. Этот меньший размер обеспечивает достаточно материала для винтовой резьбы, чтобы нарезать надежную сопряженную резьбу в стенке направляющего отверстия, не требуя чрезмерного крутящего момента, который может сорвать резьбу или вывернуть выемку привода. Если направляющее отверстие слишком велико (более 4,3 мм для винта № 10 из стали), зацепление резьбы будет недостаточным, и винт будет вытягиваться с силой, меньшей номинальной. Если направляющее отверстие слишком маленькое (менее 3,7 мм), крутящий момент будет чрезмерным, и выемка головки винта может содраться до того, как винт будет полностью посажен.

8. Может ли штамповка металлических деталей производить резьбу или только плоские и фигурные формы?

Штамповка металлических деталей позволяет создавать резьбовые элементы посредством операций формирования резьбы в штампе. Экструдированные отверстия (также называемые экструдированными фланцами или заусенцами) создаются в штамповочной матрице с помощью прокалывающего пуансона, за которым следует отбортовочный пуансон, который вытягивает воротник материала вверх вокруг пробитого отверстия, увеличивая толщину материала по периметру отверстия с толщины одного листа до 2-3 раз толщины листа. Затем в этот воротник нарезают резьбу с помощью прокатного метчика для создания несущей внутренней резьбы в детали из листового металла без необходимости использования отдельной гайки или приварной гайки. Выдавленное резьбовое отверстие в холоднокатаном стальном листе толщиной 1,5 мм с резьбой М5 обеспечивает зацепление резьбы от 3 до 4 мм, что достаточно для загрузки стандартных крепежных винтов в узлах легкой и средней нагрузки.

9. Какие варианты отделки поверхности доступны для деталей из листового металла после изготовления?

Детали из листового металла могут быть обработаны с помощью широкого спектра процессов обработки поверхности в зависимости от требуемой коррозионной стойкости, внешнего вида и функциональных свойств. Распространенные варианты отделки включают: порошковое покрытие (электростатическое нанесение порошка термореактивного полимера, обеспечивающее толщину защитно-декоративного покрытия от 60 до 120 микрон любого цвета); мокрая окраска (меньшие капитальные затраты, чем порошковое покрытие, но обычно более тонкая пленка и меньшая долговечность); горячее цинкование (для стальных деталей из листового металла, требующих длительного срока службы на открытом воздухе без обслуживания); анодирование (для деталей из алюминиевого листового металла, образующее твердый, износостойкий оксидный слой, который может быть прозрачным или окрашенным); гальваника (цинкование, никелирование или хромирование для особых требований к защите от коррозии или проводимости); и электрополировка (для деталей из листового металла из нержавеющей стали, требующих максимальной гладкости поверхности для гигиенических или оптических применений).

10. Как указать правильный размер для моей конструкции деталей из листового металла?

Выбор правильного размера (толщины) деталей из листового металла требует баланса жесткости конструкции, грузоподъемности, веса и стоимости. В качестве отправной точки: для легких корпусов и крышек, не требующих конструктивных нагрузок, стандартно используется холоднокатаная сталь толщиной от 0,8 до 1,2 мм. Для конструкционных кронштейнов и рам, несущих умеренные нагрузки, типичным является от 1,5 до 2,5 мм. Для тяжелых конструкций из мягкой стали подходит толщина от 3,0 до 6,0 мм. Для деталей из алюминиевого листового металла увеличьте толщину примерно на 40–50 % по сравнению с эквивалентной стальной толщиной, чтобы добиться аналогичной жесткости, поскольку модуль упругости алюминия (70 ГПа) составляет примерно одну треть от модуля упругости стали (200 ГПа), а это означает, что для достижения такого же прогиба под нагрузкой необходим более толстый алюминиевый профиль. Всегда проверяйте выбор калибра, вычисляя прогиб или напряжение в случае критической нагрузки, используя стандартные формулы для балок или пластин, прежде чем выпускать конструкцию в производство.