Каковы фундаментальные особенности холодной листовой штамповки как вида ОМД? Я поделюсь своими соображениями на этот счет, прежде всего как практик, на основе опыта работы со штампами для массового производства кузовных деталей. Ключевая отличительная черта процесса холодной деформации листа по сравнению с объемной штамповкой — толщина, как заготовки, так и готового изделия многократно меньше его ширины и длины. Методами листовой штамповки получают как боковины кузова автомобиля длиной 4 м и шириной 1,5 метра, так и мелкие детали, помещающиеся на ладони, но толщина подобных изделий чаще всего от 0,6 мм до 4 мм; есть редкие примеры-исключения вроде штампованной танковой башни или частей корпуса ядерного реактора, там толщина заготовки более 40 мм, но это процесс «горячий» и по своим особенностям ближе к горячей объемной штамповке. Подумаем, что вытекает из ограниченности толщины.
1. Снижение жесткости
С одной стороны, это означает снижение жесткости — мы чисто физически можем согнуть как лист, так и готовое изделие (разумеется, за исключением горячей листовой штамповки с закаливанием перехода после вытяжки сразу на штампе) — а небольшая жесткость косвенно влияет на геометрию конечного изделия. Каким образом это проявляется? В феномене пружинения — проявления остаточных напряжений после завершения пластической деформации, которая неизбежно содержит в себе элемент деформации упругой.
Строго говоря, эти остаточные напряжения проявляются и в горячей объемной штамповке — там их чаще всего называют короблением, и они происходят как после самой деформации, так и после термической обработки, проявляясь уже при механической обработке, особенно для титановых и алюминиевых сплавов (мне приходилось видеть, как после закалки на воду и последующем отпуске детали буквально выкручивает, а при закалке в масле такого не происходило).
Но в случае холодной листовой штамповки никакой последующей механической обработки, как правило, нет — иначе этот процесс был бы нецелесообразен экономически и невозможен для массового производства; и именно в ее случае мы имеем дело с самым прямым и неустранимым воздействием пружинения, после которого деталь либо скручивается и имеет «пропеллерную» форму, либо имеет отклонения по объему, либо «отстреливает» от контрольного приспособления и сборочного стенда при малейшем «разневоливании». И, соответственно, заложенная в самом процессе по умолчанию низкая жесткость листа/изделия лишь увеличивает степень пружинения при проверке на контрольном приспособлении или при сборке.
Именно поэтому расчет необходимого усилия вытяжки всегда учитывает и остаточные напряжения: пружинение может увеличиваться как от чрезмерной деформации, так и от деформации недостаточной, когда определенные участки и зоны фактически остаются той же толщины, что на исходной заготовке, а еще чаще оно проявляется именно из-за разницы в напряженно-деформированном состоянии по разным зонам.
2. Создание натяжения
Второй важнейший фактор, вытекающий из определения процесса деформации листа — необходимость создания натяжения как листа при основной формообразующей операции — вытяжке, так и локальных участков перехода на последующих операциях (дотяжка, обрезка-пробивка, гибка, фланцовка, правка).
И тут мы подходим к основной дилемме холодной листовой штамповки: без натяжения — работающего прижима на вытяжке — мы не можем получить ни одной сколько-нибудь сложной детали, разве что детали с гибки; без прижима по периферии заготовки создаются волны такой амплитуды, что они начинают образовывать гофры и складки; гофры и складки «собирают» необходимый для набора формы металл и делают невозможным получение заданной формы, вплоть до повреждения штамповой оснастки. С избыточным натяжением мы впадаем в другую крайность: вытяжной переход разрывает по стенкам или острым радиусам формы — и мы так же не можем получить изделие требуемой формы.
Эта степень натяжения до 60-х годов прошлого века определялась «на глаз». Наши предки опытным путем определяли как допустимую степень гофрообразования в зонах сжатия на прижимных поверхностях, при которой волны и гофры не помешают получению нужной формы, так и допустимую степень глубины вытяжки/наклона стенок/остроты радиусов, при которой переход «не разорвет».
Великий Стюард Килер (1934-2019) создал научную основу для определения «окна формуемости». Он создал кривые предельного формообразования, с помощью которых либо физическим путем, либо путем компьютерного моделирования мы можем определить выполнимость или невыполнимость штамповки той или иной детали, с учетом механических характеристик материала и его толщины (содержащейся в кривых предельного формообразования) и конкретной геометрии детали — она содержится в «облаке» точек, которое накладывается на кривую предельного формообразования, и так составляется диаграмма предельного формообразования (Forming Limit Diagram, FLD). Таким образом, научная основа для детального понимания процесса вытяжки листа имеется.
3. Споттинг
И наконец, поговорим о «споттинге» и вообще сложности штампов для листовой штамповки — по сравнению со штампами для горячей объемной (это третий важнейший фактор, идущий от малой толщины заготовки). Мало кто способен понять, как описанная выше информация о FLD стыкуется с практикой — а именно, почему при изготовлении и запуске любого штампа вытяжки (и других операций тоже) для детали сложной конфигурации слесарь вручную «подгоняет» с помощью абразивного инструмента поверхности прижима, а также матрицы, спаривая ее под пуансон, используя инженерную краску («споттинг»)?
Ничего подобного мы не наблюдаем для процессов горячей объемной штамповки, где оснастка изготавливается методами механической обработки. В чем же дело? Отчего для штампов листовой штамповки все еще сохраняется этот «ремесленный» аспект ручной доводки? Скажу больше: по сравнению со штампами 70-х годов он еще и возрастает.
Раньше штампы наши предки могли получать с минимальной степенью доводки, мы же без нее обойтись не только не можем, но и эксплуатировать современные штампы без нее просто невозможно. Этот «откат назад» и возрастание степени важности ручной доводки штампов связан с определенными тенденциями в… дизайне кузовных деталей.
В конце 70-х годов появились такие направления в построении кузовов, для которых понадобились детали достаточно сложной формы, со сложными стилевыми поверхностями, перепадами формы, линиями стиля с резкими радиусами и т. п. И эти тенденции лишь усиливались с каждым десятилетием: посмотрите на боковины Audi A7; передние крылья любого люксового «кроссовера» Lexus или Volvo; двери нашей «Весты»; капот Renault Arkana. Доводка требуется, во-первых, для того, чтобы получить физически детали без складок или гофр с учетом неравномерности толщины металла при его вытяжке, которую пока что невозможно до конца промоделировать и просимулировать: симуляция лишь показывает нам зоны потенциального утончения и разрыва металла, а также зоны его сжатия — там, где образуются гофры. Это позволяет нам оптимизировать поверхности прижима, набора формы, предусмотреть правильную конфигурацию перетяжных ребер — но этап «споттинга» и спаривания штампов по отпечатку краски никак не отменяет.
Второе, для чего требуется доводка: устранение видимых дефектов на лицевых деталях, могущих быть замеченными потребителем на готовой машине. Характерные «провалы» в зоне дверных ручек на панелях дверей; «двойные» линии стиля-перетяжки, идущие параллельно острым стилевым радиусам; некрасивые «ореолы» вокруг зоны окошек на боковинах, «шишки», волнистость на видимых фланцах багажника или капота — всё это устраняется только ручной доводкой штампа, и лишь в малой степени может быть учтено заранее в концепции штампа (пресловутая «ложная» форма, позволяющая компенсировать подобный дефект).
Чаще всего приходится работать со штампами: «весомо, грубо, зримо». Проявляется провал вокруг зоны лючка бензобака на боковине после фланцовки? Скорее всего, придется наплавлять пуансон локально в зоне провала на детали, вручную доводить, получая локальный припуск в +0,1 мм, подгонять верхний штамп (съемник) под низ, с риском получить «шишку» вместо провала. Так это и работает. Этот «ремесленный» аспект работы со штампами для «лицевых» деталей непредставим для большинства деталей объемной штамповки, и связан он с человеческим восприятием — «воспринимаемым качеством». Наверное, поэтому мы можем сказать, что в случае наружных панелей кузова листовая штамповка имеет и человеческое измерение 🙂
Тем она и сложна и интересна.
Эксперт Иван Лещинский