Как проходит процесс изготовления листового металла от начала до конца?

Изготовление листового металла представляет собой совокупность производственных процессов, которые превращают плоские листы металла в готовые структурные или функциональные компоненты. Для инженеров, заказывающих металлические детали на заказ, менеджеров по закупкам, нанимающих услуги по изготовлению, и групп разработчиков, разрабатывающих новые сборки, понимание того, как работает полная последовательность изготовления — что делает каждый этап процесса, в каком порядке и почему — имеет важное значение для написания точных спецификаций, оценки возможностей поставщика и предотвращения дорогостоящих проблем проектирования для технологичности на поздних стадиях цикла разработки.

В этом руководстве последовательно рассматривается весь процесс изготовления листового металла, от сырья до готовой детали, объясняя, чего достигает каждый этап и как выбор оборудования и параметров процесса на каждом этапе влияет на качество конечной детали.

Что такое изготовление листового металла?

Производство листового металла включает в себя все операции резки, формовки, соединения и отделки, применяемые к металлическому листу — обычно стали, нержавеющей стали, алюминию, меди или оцинкованной стали — для производства деталей и сборок. Листовой металл определяется его толщиной: обычно от 0,5 до 6 мм для большинства готовых компонентов, хотя в некоторых конструкционных приложениях используются более толстые пластины, а в некоторых приложениях точной электроники используется более тонкий фольгированный материал.

Различие между изготовлением листового металла и механической обработкой важно для принятия решений о выборе поставщиков: механическая обработка удаляет материал из твердой заготовки путем резки, тогда как изготовление листового металла в основном работает путем резки, изгиба и соединения плоских листов. Обработка листового металла обычно выполняется быстрее, с большей материалоемкостью и с меньшими затратами, чем обработка несущих конструкций, кронштейнов, панелей, рам и компонентов корпуса. Механическая обработка — это подходящий процесс для прецизионных твердых деталей — валов, корпусов, сложной трехмерной геометрии — которые невозможно сформировать из плоского листа.

Этап 1. Лазерная резка — изготовление плоской заготовки

Процесс изготовления обычно начинается с лазерной резки: изготовления плоской 2D-заготовки, которая будет подвергаться дальнейшей обработке на последующих этапах. Станок для лазерной резки с ЧПУ направляет мощный лазерный луч — обычно волоконный лазер мощностью 2000–20 000 Вт для резки металла — на поверхность листа, плавя и испаряя материал вдоль запрограммированной траектории резки, в то время как вспомогательный газ (азот или кислород) выдувает расплавленный материал из пропила.

Волоконная лазерная резка обладает рядом эксплуатационных характеристик, которые сделали ее доминирующей технологией резки в современном производстве листового металла. Высококачественная обработка мягкой стали и нержавеющей стали, как правило, достаточно гладкая, чтобы в большинстве случаев не требовать дополнительной обработки. Скорость резки значительно выше, чем плазменная резка, особенно на более тонком материале. А узкая ширина пропила — обычно 0,1–0,3 мм в зависимости от толщины материала и мощности лазера — максимально увеличивает использование материала и позволяет аккуратно вырезать мелкие детали (пазы, отверстия, выступы) за одну операцию.

На этапе лазерной резки в заготовке также вырезаются выступы, пазы и установочные элементы для последующей гибки и сборки. Правильное проектирование этих функций на этапе лазерного программирования упрощает все последующие операции и значительно сокращает время сборки — хорошо спроектированная плоская заготовка с точно расположенными пазами собирается сама во время сварки, что во многих случаях устраняет необходимость в приспособлениях.

Этап 2. Пробойный пресс — пробивание отверстий и форм

Для компонентов, требующих большого количества одинаковых отверстий, прорезей, решеток или тисненых форм на листе, обработка на штамповочном прессе с ЧПУ обеспечивает преимущество в скорости по сравнению с лазерной резкой для этих конкретных функций. В штамповочном прессе используется закаленный инструмент (пуансон), проталкиваемый сквозь лист в соответствующую матрицу, чтобы прорезать чистое отверстие или форму за один ход. Современные револьверные пробивные прессы с ЧПУ оснащены несколькими инструментами во вращающейся револьверной головке и могут выполнять сложные схемы отверстий и формованные элементы на высокой скорости — 300–600 ходов в минуту для стандартных операций штамповки.

Обработка на штамповочном прессе особенно выгодна для компонентов из листового металла, для которых требуются вентиляционные жалюзи, выдавленные отверстия для нарезания резьбы, рельефные ребра жесткости или формы потайных отверстий — элементы, которые лазерная резка не может обеспечить, поскольку они требуют деформации материала, а не удаления материала. Во многих производственных процессах лазерная резка и штамповка дополняют друг друга: лазерная резка позволяет обрабатывать сложные внешние профили и мелкие внутренние детали, тогда как штамповочный пресс эффективно справляется с повторяющимися рисунками отверстий и формованными элементами.

Этап 3. Выравнивание — обеспечение ровной заготовки перед формовкой

Перед операциями гибки или формовки листовой металл, в котором в результате хранения рулонов или предварительной обработки образовались внутренние напряжения, необходимо выровнять для достижения постоянной плоскостности. Правильная машина пропускает лист через ряд чередующихся верхних и нижних валков, которые постепенно обрабатывают градиенты внутренних напряжений, производя плоский лист без напряжений с одинаковыми свойствами материала по всей поверхности.

Выравнивание особенно важно для операций точной гибки, где изменение плоскостности заготовки напрямую приводит к угловой погрешности изогнутого компонента. Лист с изгибом 2 мм по ширине приведет к образованию изогнутой детали с соответствующим угловым отклонением, которое может выходить за пределы допуска. Для высокоточных корпусов, кронштейнов для аэрокосмической отрасли и приборных панелей, где соответствие размеров имеет решающее значение, выравнивание заготовки перед изгибом является стандартной практикой, а не дополнительным шагом.

Этап 4. Гибка — формирование 3D-формы

Гибка превращает плоскую заготовку в окончательный трехмерный профиль. Листогибочный пресс с ЧПУ зажимает лист между перфоратором (верхняя балка) и V-образной матрицей (нижний инструмент) и применяет силу для сгибания листа под запрограммированным углом. Современные листогибочные прессы с ЧПУ используют датчики измерения угла в реальном времени и адаптивные системы прогиба для компенсации прогиба машины и пружинения материала, обеспечивая угловую точность ±0,1° или выше по всей длине изгиба.

Последовательность гибки — какой изгиб делается первым, какой последним — имеет решающее значение для сложных деталей с несколькими изгибами. Неправильная последовательность может привести к столкновению частично сформированной детали с инструментом гибочного пресса во время последующего изгиба, что сделает невозможным завершение детали. Программы гибки с ЧПУ включают оптимизацию последовательности гибки как часть процесса программирования, а для новых сложных деталей пробный изгиб с заготовкой-прототипом перед запуском производства является стандартной практикой для проверки последовательности и проверки окончательных размеров по CAD.

Ключевым параметром материала для изгиба является минимальный радиус изгиба относительно толщины материала. Слишком сильный изгиб толстого или твердого материала по радиусу приводит к растрескиванию внешней поверхности изгиба. Минимальный внутренний радиус изгиба мягкой стали обычно составляет 1× толщину материала; для нержавеющей стали – 1,5–2×; для алюминия — 1–1,5× в зависимости от сплава и отпуска. Указание на чертеже детали радиуса изгиба ниже минимального для материала вынуждает производителя либо отклонить спецификацию, либо рисковать растрескиванием детали — распространенная ошибка проектирования для технологичности, которую опытный производитель выявляет на ранней стадии.

Этап 5. Сварка — соединение деталей в сборки.

Детали из листового металла, состоящие из множества деталей — корпусов, каркасов, конструктивных узлов — после гибки соединяются сваркой. Наиболее распространенными процессами сварки при изготовлении листового металла являются MIG (GMAW), TIG (GTAW) и точечная сварка, каждый из которых подходит для различных типов соединений, толщины материала и требований к качеству.

При сварке MIG используется плавящийся проволочный электрод, непрерывно подаваемый через сварочную горелку, и это стандартный процесс сборки конструкционных листового металла, где скорость сварки имеет большее значение, чем косметический внешний вид. При сварке TIG используется неплавящийся вольфрамовый электрод, что позволяет получить более чистую и контролируемую сварочную ванну. Этот процесс подходит для компонентов из нержавеющей стали, где важен внешний вид сварного шва, для тонких материалов, где риск прожога должен быть сведен к минимуму, а также для алюминия. Точечная сварка использует электрическое сопротивление в точке контакта между двумя перекрывающимися поверхностями листов, чтобы сплавить их без присадочного металла — это быстрый и последовательный метод сварки внахлестку тонких листов, обычно используемых при сборке панелей кузова автомобилей и бытовой техники.

Автоматические и роботизированные сварочные системы повышают стабильность и скорость сварки при выполнении крупномасштабных повторяющихся сборок. Для изготовления прототипов и мелкосерийного изготовления по индивидуальному заказу наиболее гибким подходом остается ручная сварка TIG и MIG опытными операторами. Выбор между ручной и автоматической сваркой должен определяться объемом, сложностью геометрии и требованиями к качеству, а не предпочтениями по умолчанию.

Этап 6. Пресс-клепка — установка крепежа

Прессовая клепка позволяет надежно установить резьбовые крепления — гайки, шпильки, стойки и крепления панелей — в компоненты из листового металла без нагревания при сварке. Гидравлический пресс-клепальная машина вдавливает крепеж в предварительно пробитое отверстие с контролируемой силой, в результате чего хвостовик крепежа с накаткой плавится в листовом материале и создает прочную, устойчивую к скручиванию установку.

Крепления, устанавливаемые запрессовкой (крепежи PEM и их эквиваленты), являются стандартными для корпусов из листового металла, панелей управления и корпусов электронного оборудования, где резьбовые соединения должны быть выполнены к тонкому листу, по которому нельзя нарезать резьбу напрямую для обеспечения достаточного зацепления резьбы. Преимущество прессовой клепки перед сварными гайками заключается в чистоте процесса — отсутствие нагрева, отсутствие сварочных брызг, отсутствие риска деформации листа из-за теплового воздействия — что делает его предпочтительным методом установки крепежа для компонентов с прецизионной окраской или порошковым покрытием, где необходимо защитить поверхность.

Этап 7. Полировка — подготовка и отделка поверхности.

Промышленная полировка компонентов из листового металла преследует две цели: подготовка поверхности для последующих процессов нанесения покрытия и окончательная косметическая отделка компонентов, которые останутся с голым металлом или матовым металлом. Полировка абразивной лентой удаляет следы сварных швов, окалину, царапины и неровности поверхности изготовленных узлов. Вибрационная чистовая обработка обрабатывает компоненты абразивным материалом для удаления заусенцев с кромок и получения однородной текстуры поверхности сложной геометрии.

Для компонентов из нержавеющей стали, предназначенных для пищевой промышленности, фармацевтики или архитектуры, где голая металлическая поверхность является окончательной отделкой, многоступенчатая полировка — грубая шлифовка, средняя полировка, тонкая полировка с постепенно более мелкими абразивами — обеспечивает матовую, зеркальную или электрополированную поверхность, указанную в применении. Значение шероховатости поверхности Ra (средняя шероховатость) должно быть указано на чертеже, если качество поверхности является функциональным требованием, а не только эстетическим.

Этап 8. Нанесение покрытия распылением — защита поверхности и внешний вид

Последним этапом для большинства конструктивных компонентов из листового металла является покрытие поверхности — обычно порошковое покрытие или окраска распылением жидкости — которое обеспечивает защиту от коррозии, устойчивость к ультрафиолетовому излучению, а также заданный цвет и внешний вид текстуры. Автоматизированные системы нанесения покрытия методом распыления используют электростатическое нанесение для достижения одинаковой толщины пленки на участках сложной формы, включая углубления и внутренние углы, на которые трудно нанести равномерное покрытие при ручном распылении.

Порошковое покрытие, при котором наносится электростатически заряженный сухой порошок, а затем отверждается в печи при температуре 180–200°C, является доминирующим видом отделки конструкционных компонентов из листового металла в промышленности, коммерческих и потребительских целях. Он образует твердую, прочную, химически стойкую пленку в один слой, без выбросов растворителей и с минимальными отходами. Толщина пленки обычно составляет 60–100 микрон по сравнению с 25–50 микронами для типичной системы жидкой грунтовки и верхнего покрытия. Для компонентов, требующих определенного уровня блеска, текстуры (гладкой, морщинистой, матовой, молоткового цвета) или соответствия цвета RAL, порошковое покрытие обеспечивает стабильные, воспроизводимые результаты для всех производственных партий.

Как оценить партнера по производству листового металла

Часто задаваемые вопросы

Какие материалы можно обрабатывать при изготовлении листового металла?

Наиболее часто изготавливаемыми листовыми металлами являются мягкая сталь (холоднокатаная и горячекатаная), нержавеющая сталь (марки 304 и 316 для большинства применений), алюминий (сплавы 5052 и 6061 являются стандартами изготовления), оцинкованная сталь и сталь с электролитическим цинкованием (SECC). Медь и латунь изготавливаются для электротехнических и декоративных целей, но требуют специальной оснастки и настройки процесса из-за их различной твердости, пластичности и теплопроводности по сравнению со сталью. Выбор материала влияет на каждый этап производственного процесса: параметры лазерной резки, радиусы изгиба, процесс сварки и совместимость покрытия меняются в зависимости от основного металла, поэтому спецификация материала является первым проектным решением при разработке любого компонента из листового металла.

Какие допуски достижимы при изготовлении листового металла?

Достижимые допуски зависят от стадии процесса. Положения отверстий и внешние профили, вырезанные лазером, на тонкой стали могут выдерживать ±0,1–0,15 мм при наличии хорошего оборудования и программирования. Размеры изгиба по своей сути менее точны из-за изменения упругости материала: ± 0,3–0,5 мм по общей длине и ± 0,1–0,3 ° по углу изгиба типичны для производственной гибки на станках с ЧПУ. В сварных узлах накапливаются допуски всех деталей и зазоров соединений; Искажение сварного шва из-за подвода тепла добавляет дополнительные различия. Для сборок, требующих жестких допусков на общие размеры, проектирование регулировочных элементов — прорезных отверстий для позиционной регулировки, справочных баз — более практично, чем попытка обеспечить жесткие допуски при компоновке только с помощью сварки.

Как подготовить чертежи для изготовления листового металла?

Чертежи изготовления листового металла должны включать как развертку (разработанный макет заготовки, показывающий профиль выреза и расположение отверстий), так и трехмерный вид (показывающий углы изгиба, направления и габаритные размеры сборки). Крайне важно указать марку и толщину материала, минимальный радиус изгиба, качество поверхности (значение Ra или характеристики покрытия), а также любые критические размеры, требующие проверки. Для сложных сборок 3D-модель CAD (формат STEP) вместе с 2D-чертежом позволяет команде программистов ЧПУ производителя работать непосредственно с геометрией, а не интерпретировать 2D-проекции. Предоставление 3D-модели значительно сокращает время подготовки цен и риск ошибок программирования сложных деталей с несколькими изгибами.

Каковы типичные сроки изготовления листового металла на заказ?

Время изготовления прототипа нестандартных компонентов из листового металла обычно составляет 5–15 рабочих дней, в зависимости от сложности детали и текущей рабочей нагрузки производителя. Сюда входит программирование, резка, гибка, сварка, отделка и контроль. Срок выполнения повторных заказов по установленным программам обычно составляет 10–25 рабочих дней. На время выполнения заказа наиболее сильно влияет этап покрытия поверхности — циклы порошкового покрытия и время отверждения добавляют к большинству заказов 3–5 дней, а также сложность этапа сварки и сборки многодетальных сборок. Предоставление полных и точных чертежей на этапе запроса и быстрое утверждение ценового предложения являются для покупателя наиболее эффективными инструментами минимизации времени выполнения заказа, поскольку циклы уточнения чертежей являются наиболее распространенной причиной задержек при изготовлении.

Лазерная резка | Пробойник Пресс | Гибочная машина | Сварка | Пресс-клепка | Полировка | Выравнивание | Напыление покрытия | Таможенные услуги | Свяжитесь с нами