Прессование: процесс, виды и практические применения

Что такое прессование?

Прессование — это процесс создания объектов с фиксированным поперечным сечением путем проталкивания материала через матрицу желаемого поперечного сечения. Его два главных преимущества перед другими производственными процессами — возможность создавать очень сложные поперечные сечения и обрабатывать хрупкие материалы, поскольку материал испытывает только давление и сдвиговые напряжения. Оно также создает отличную чистоту поверхности и дает значительную свободу формы в процессе проектирования.

Вязание — похожий процесс, использующий прочность материала на разрыв, чтобы протащить его через матрицу. Оно ограничивает количество изменения, которое можно выполнить за один проход, поэтому оно ограничено более простыми формами, и обычно требуются несколько стадий. Вязание — основной способ производства проволоки. Металлические прутки и трубы также часто изготавливаются вязанием.

Прессование может быть непрерывным (теоретически производящим бесконечно длинный материал) или полунепрерывным (производящим много деталей). Его можно выполнять с горячим или холодным материалом. Обычно прессуемые материалы включают металлы, полимеры, керамику, бетон, лепную глина и пищевые продукты. Продукты прессования обычно называются прессоватыми изделиями (экструдатами).

Также называемое «фланцеванием отверстий», полые полости внутри прессованного материала не могут быть произведены с помощью простой плоской матрицы прессования, потому что не было бы способа поддержать центральный перегородку матрицы. Вместо этого матрица принимает форму блока с глубиной, начиная с профиля формы, поддерживающей центральную секцию.

Форма матрицы затем внутренне меняется вдоль своей длины в конечную форму, с подвешенными центральными элементами, поддерживаемыми сзади матрицы. Материал течет вокруг опор и срастается для создания желаемой закрытой формы.

Прессование металлов также может увеличивать их прочность.

Характеристики прессования

• Способно создавать сложные поперечные сечения, которые будут единообразны на всей длине экструдатов.
• Факторы, влияющие на качество прессования: конструкция матрицы, коэффициент прессования, температура заготовки, смазка и скорость прессования. Ознакомьтесь с подробным руководством по проектированию для прессования металлов «Как проектировать детали для прямого прессования металлов», чтобы понять 5 ключевых переменных проектирования прессования металлов и советы по проектированию для производства (DFM) прессования.
• Аналогично любому другому процессу формовки металлов, оно может выполняться как горячим, так и холодным способом, хотя процесс обычно проводится при повышенных температурах для уменьшения силы прессования и улучшения пластичности материала.
• Низкая стоимость за счет уменьшения отходов сырья и высокой производительности.
• Хрупкий материал может быть деформирован без разрыва, так как он оказывает только сжимающие и сдвиговые силы в заготовке.
• Полученные детали имеют отличную чистоту поверхности, минимизирующую постобработку механической обработкой.
• Прессование металлов склонно производить выгодную вытянутую зернистую структуру в направлении материала.
• Минимальная толщина стенки ~1 мм (алюминий) до ~3 мм (сталь) может быть достигнута.

Виды процесса прессования

Прессование металлов можно подразделить и сгруппировать в следующие категории в зависимости от направления потока прессования, среды, используемой для приложения силы, рабочей температуры и т.д.:

• Прямое прессование
• Обратное прессование
• Гидростатическое прессование
• Боковое или вертикальное прессование
• Горячее прессование
• Холодное прессование
• Ударное прессование

1. Прямое прессование

Прямое прессование, иногда называемое прямой экструзией, является наиболее распространенным типом прессования. Начинается с загрузки нагретой заготовки (только для горячего прессования, обсуждается позже) в контейнер прессовой полости, где за ней устанавливается манжета.

Затем механический или гидравлический пресс давит на материал, чтобы вытолкнуть его через матрицу. Затем, пока еще горячая, деталь растягивается для выпрямления. Этот процесс красиво анимирован в Core Materials.

При прямом прессовании высокое трение, вызванное сталями при высоких температурах, снижается с помощью расплавленного стекла в качестве смазки, в то время как масла с графитовым порошком используются для смазки при низких температурах. Манжета используется для защиты кончика прессового штока (пуансона или пресса) при горячем прессовании.

Когда пуансон достигает конца хода, небольшая часть заготовки, называемая «остаток», не может быть протолкнута через отверстие матрицы.

Преимущества прямого прессования металлов

• Не требуется модификация заготовки.
• Может использоваться как для горячего, так и для холодного прессования.
• Простое оснащение по сравнению с другими процессами прессования.

Недостатки прямого прессования металлов

• Высокое требование к силе из-за трения.
• Остаток остается внутри полости.
• Сила, необходимая для толкания пуансона, меняется по мере его движения.

2. Обратное прессование

При обратном прессовании матрица расположена на конце гидравлического пуансона и движется к заготовке внутри полости, чтобы протолкнуть материал через матрицу.

Этот процесс потребляет меньше энергии из-за стационарного контейнера заготовки, вызывающего меньше трения на заготовке. Однако поддержка прессованной детали затруднена, когда экструдат выходит из матрицы.

Преимущества обратного прессования металлов

• Меньшее трение и меньше потребляемая мощность.
• Может использоваться как для горячего, так и для холодного прессования.
• Простое оснащение по сравнению с другими процессами прессования.

Недостатки обратного прессования металлов

• Трудно поддерживать прессованную деталь.
• Полостотелый пуансон ограничивает приложенную нагрузку.

3. Гидростатическое прессование

При гидростатическом прессовании камера/полость делается меньше заготовки и заполняется гидравлической жидкостью, которая передает силу от пуансона к заготовке. Хотя тройственные силы приложены жидкостью, давление улучшает формуемость заготовки. Герметичность жидкости должна рассматриваться на ранних стадиях, чтобы избежать утечек и проблем с падением давления.

Хотя гидравлическая жидкость устраняет трение между стенкой и заготовкой, изолируя их, из-за требований к специализированному оборудованию, высокого времени наладки и низкой производительности, его применение в промышленности ограничено по сравнению с другими процессами прессования.

Преимущества гидростатического прессования металлов

• Низкое требование к мощности/силе из-за отсутствия трения.
• Высокая производительность и высокие коэффициенты редукции.
• Нижняя температура заготовки.
• Равномерный поток материала за счет сбалансированного распределения силы.
• Можно прессовать крупные заготовки и большие поперечные сечения.
• Остаток заготовки не остается в контейнере.

Недостатки гидростатического прессования металлов

• Заготовки требуют подготовки заточкой одного конца для соответствия углу входа матрицы.
• Возможно только холодное прессование.
• Трудно удерживать жидкость под высоким давлением.

4. Боковое прессование

При боковом прессовании контейнер находится в вертикальном положении, а матрица расположена сбоку. Этот процесс подходит для материалов с низкой температурой плавления.

5. Ударное прессование

Ударное прессование входит в категорию холодного прессования, очень похоже на обратное прессование и ограничено более мягкими металлами, такими как свинец, алюминий и медь. Как показывает схема, пуансон толкается вниз с высокой скоростью и экстремальной силой на заготовку, чтобы экструдировать ее назад.

Толщина экструдата является функцией зазора между пуансоном и полостью матрицы. Экструдаты снимаются с пуансона с помощью сборочной пластины.

Для ударного прессования часто используется механический пресс, и деталь формируется с высокой скоростью и за относительно короткий ход.

Поскольку силы, действующие на пуансон и матрицу, крайне высоки, оснащение должно иметь достаточную ударную стойкость, усталостную прочность и силу для прессования металла ударом. Ударное прессование можно разделить на следующие три типа по направлению потока материала:

• Прямое
• Обратное
• Комбинированное

При прямом ударном прессовании металл течет в том же направлении, в котором приложена сила, тогда как при обратном ударном прессовании он течет в противоположном направлении.

Преимущества ударного прессования металлов

• Экономия сырья до 90%.
• Сокращение времени механической обработки до 75%.
• Исключение вторичных операций механической обработки.
• Сокращение многосборных сборок.
• Улучшение механических свойств для прочности материала и механической обработки за счет холодной деформации материала.
• Значительное снижение общей стоимости детали до 50%.
• Полые тонкостенные трубы, закрытые с одного конца, часто производятся в промышленности обратным ударным прессованием.

Недостатки ударного прессования металлов

• Производится, пока деталь симметрична относительно оси, по которой она формируется.
• Многие детали, сформированные ударом в промышленности, потребуют дальнейших производственных процессов, таких как ковка, жужжение или механическая обработка, перед завершением.

Применение прессования

• Прессование широко используется в производстве труб и полых труб.
• Алюминиевое прессование используется в строительных работах во многих отраслях.
• Этот процесс используется для производства рам, дверей, окон и т.д. в автомобильной промышленности.
• Прессование широко используется для производства пластиковых изделий.

Преимущества прессования

• Высокий коэффициент прессования (это отношение площади поперечного сечения заготовки к площади поперечного сечения прессованной детали).
• Легко создает сложные поперечные сечения.
• Этот процесс может выполняться как с хрупкими, так и с пластичными материалами.
• Высокие механические свойства могут быть достигнуты холодным прессованием.

Недостатки прессования

• Высокая начальная или наладочная стоимость.
• Требуется высокая сжимающая сила.