Кузнечно-штамповочное производство, отрасль тяжёлого машиностроения, производящая различные металлические изделия (от деталей машин до предметов домашнего обихода) ковкой, штамповкой, прессованием. В основе методов К.-ш. п. лежит способность материалов деформироваться, т. е. изменять свою форму без разрушения под действием внешних сил. Выбор условий, благоприятных для пластического деформирования, производят исходя из основных положений теории обработки металлов давлением. Ценность способов К.-ш. п. заключается в том, что при обработке заготовок давлением их форма изменяется в результате перераспределения металла, а не за счёт удаления его излишка, как при обработке металлов резанием, что позволяет резко сократить отходы и одновременно увеличить прочность материала. Поэтому обработка металлов давлением применяется для изготовления наиболее ответственных деталей машин. Так, в самолёте до 80—90%, в автомобиле до 85% деталей (от общей массы) — штампованные. Машины К.-ш. п. более производительны, чем металлорежущие станки, например производительность холодновысадочных автоматов в 5—6 раз превосходит производительность токарных автоматов, причём отходы металла сокращаются в 2—3 раза. Замена механической обработки штампованием при переработке каждого млн. т проката позволяет экономить до 250 тыс. т металла.
Для увеличения пластичности при обработке давлением часто применяют нагрев, что позволяет снизить усилия в 10—15 раз по сравнению с обработкой холодной заготовки, а также избежать появления трещин и сократить время операции. В качестве нагревательных устройств в К.-ш. п. используют печи: пламенные (камерные и методические) и электрические (с нагревательными элементами и индукционные).
Основные способы обработки металлов, применяемые в К.-ш. п., характеризуются состоянием исходного материала (прокат, слиток, лист и т. д.), оборудованием (пресс, молот), инструментальной оснасткой и технологическими приёмами. По этим признакам различают: ковку (преимущественно с нагревом), объёмную и листовую штамповку (горячую и холодную), прессование (главным образом с нагревом).
Ковка — способ обработки металлов, характеризующийся тем, что течение материала в стороны, как правило, не ограничено инструментом — штампом. Ковкой получают изделия массой до 200 т. Ковка применялась ещё до освоения выплавки железа из руды, поковки из метеоритного железа производили вручную в 4—3 тыс. до н. э. В современном К.-ш. п. ковку ведут вручную или на машинах: молотах с массой падающих частей от 1 до 5000 кг и ковочно-гидравлических прессах с усилием от 2 до 200 Мн (200—20000 тс). Заготовки деформируются непосредственно верхним бойком штампа или простейшими приспособлениями, кузнечным инструментом. Для перемещения тяжёлых заготовок (до 350 т) и инструментов используют мостовые и поворотные подъёмные краны, кантователи, манипуляторы (рис. 1). Ковкой получают детали из слитков или проката.
Штамповка — способ обработки металлов давлением, при котором течение металла ограничено поверхностями полостей и выступов штампа. Верхняя и нижняя части штампа образуют замкнутую полость по форме изготовляемой детали — штамповки. В зависимости от формы заготовки (лист, прокат и т. д.), оборудования и технологических приёмов различают объёмную штамповку и листовую штамповку. Кроме того, штамповку можно осуществлять с нагревом и без нагрева. Прообразом штамповки можно считать чеканку монет. Широкое применение процесса штамповки началось в конце 18 — начале 19 вв. в связи с переходом на промышленный выпуск изделий, в частности первый патент на изготовление штампованием латунных гильз был выдан в 1796 (Германия). С появлением паровых машин на штамповочных прессах стали осуществлять различные пробивные и вырубные операции, например пробивку отверстий под заклёпки. Наибольшее развитие штамповка получила в середине 20 в. с ростом серийного и массового производства в приборо- и машиностроении, радиоэлектронной промышленности и др. отраслях, т. к. является в десятки раз производительнее ковки. Штампованные детали имеют в 2—3 раза меньшие припуски на обработку, чем кованые, т. е. выше процент использования металла. Штамповку осуществляют на молотах с массой падающих частей 0,5—30 т, криво-шинных горячештамповочных прессах с усилием от 6 до 100 Мн (600—10000 тс), гидравлических прессах с усилием до 750 Мн (75000 тс), горизонтально-ковочных машинах, кузнечно-штамповочных автоматах, гидровинтовых пресс-молотах. Чтобы сократить отход металла, уменьшить последующую обработку применяют безоблойное штампование. При горячей штамповке на молотах окалина удаляется в промежутках между первыми ударами. На прессах штамповку выполняют за один ход. В связи с этим применяют т. н. безокислительный нагрев заготовок (обычно прокат), например в индукционных печах. Это обеспечивает получение изделий почти без окалины. Труднодеформируемые материалы штампуют, как правило, на гидравлических прессах в штампах, нагретых до температуры обрабатываемого материала (например, для титановых сплавов до 800 °С), — т. н. изотермическая штамповка.
Для обеспечения более высокой чистоты поверхности, большей точности размеров изделия применяют холодную штамповку, процесс которой аналогичен горячей штамповке, но исключает нагрев.
Листовая штамповка — способ получения тонкостенных изделий плоской или пространственной формы. Тонколистовой материал (до 4 мм) штампуют без нагрева, толстолистовой (свыше 4 мм) — с нагревом. Получаемые этим способом детали имеют точные размеры и обычно не нуждаются в дальнейшей обработке резанием. В мелкосерийном и серийном производствах применяют универсальные машины и оснастку; в крупносерийном и массовом производствах используют многооперационные штампы. Штамповку выполняют на кривошипных прессах с усилием 63—50000 кн (6,3—5000 тс), с числом ходов от 5 до 15 в мин, на листоштамповочных автоматах с усилием 50—40000 кн (5—4000 тс), с числом ходов до 120 в мин, на гидравлических вытяжных прессах с усилием от 8 до 200 Мн (800—20000 тс). В массовом производстве особое значение при листовой штамповке приобретают использование комбинированных штампов, механизация и автоматизация целых участков, автоматические линии (рис. 2).
При производстве однотипных деталей из листа (толщина алюминиевого листа 1,5—2 мм, стального — 0,5—0,6 мм), в частности в авиационной промышленности, большое распространение получила т. н. штамповка резиной, позволяющая удешевить инструмент, упростить конструкцию пресса. На гидравлическом прессе простого действия укрепляется подушка из резины или др. упругого материала в металлической коробе, установленном на подвижных частях пресса. Нижний боёк штампа имеет форму штампуемой детали. Пока штампуются одни детали, подготавливают новые заготовки.
При гидравлической вытяжке, являющейся также разновидностью листовой штамповки, деформирование заготовки осуществляется непосредственно жидкостью.
Прессование — способ получения изделий из различных профилей, прутков, труб и др., при котором заготовка, помещенная в специальный контейнер, выдавливается из него пуансоном (пресс-штемпелем) через отверстие в матрице, имеющее форму (очертания) будущего изделия. Осуществляется на гидравлических прессах с усилием до 200 Мн (20000 тс). Прессование получило распространение с 60-х гг. 19 в., хотя первый патент на гидравлический пресс был выдан в 1797 (Великобритания). Прессованные изделия имеют высокую точность размеров и в большинстве случаев практически не требуют последующей механической обработки. Установка инструмента проста, что позволяет быстро переналаживать оборудование для изготовления различных изделий.
Новые способы обработки металлов. В 50-х гг. 20 в. разработаны и начали успешно внедряться в К.-ш. п. принципиально новые технологические процессы, позволяющие обрабатывать труднодеформируемые материалы (жаропрочные стали, титановые, молибденовые, вольфрамовые и др. сплавы).
При взрывном штамповании ударная волна, возникающая при сгорании заряда взрывчатого вещества, деформирует заготовку, придавая ей нужную форму. Вследствие кратковременности процесса (мсек — мксек) штампы можно изготовлять не только из дешёвых малоуглеродистых сталей, но и из таких материалов, как бетон, дерево, пластмасса и т. д.
Высокоскоростная штамповка— способ обработки труднодеформируемых материалов с высокой точностью на молотах, скорость падающей части (бабы) которых при ударе достигает 40—60 м/сек. У обычных молотов не выше 8 м/сек. Масса соударяющихся частей у высокоскоростных молотов при одинаковой энергии удара во много раз меньше, чем у обычных молотов.
Для получения различных изделий применяют деформирование заготовок силами, возникающими при взаимодействии электромагнитных полей, образующихся во время разряда мощной конденсаторной батареи (рис. 3). Этот способ, называемый электромагнитной формовкой, позволяет получать до 600 изделий в час. Применяется для изготовления различных изделий, например рефлекторов из полированных листов без последующей обработки, для соединения деталей, в том числе и из разнородных материалов (например, металла и керамики), и т. д. Разновидностью этого способа является электрогидравлическая формовка, при которой используется энергия ударной волны, образующейся в результате электрического разряда в жидкости (рис. 4).
Гидростатическое прессование, или гидроэкструзия, основано на использовании жидкости для передачи высокого давления — от 10 до 3000 Мн/м2 (100—30000 кгс/см2). Этим способом выдавливают прутки и профильные изделия, получают детали, имеющие форму тел вращения, главным образом из малопластичных и труднодеформируемых сплавов.
Изделия из порошкообразных материалов получают способом гидростатического спрессовывания (или газостатического). Материалы в эластичной (резиновой, полимерной, свинцовой, тонкой стальной и т. и.) оболочке помещают в контейнер, в который подаётся жидкость под давлением до 800 Мн/м2 (8000 кгс/см2). При этом происходит равномерное уплотнение заготовки, форма получаемых изделий повторяет форму исходной заготовки. Гидростатическое спрессовывание осуществляется при температурах до 400—500°С, a газостатическое — до 2000—2500°С. При газостатическом спрессовывании рабочей средой является нейтральный газ (обычно аргон). Давление газа достигает 200—500 Мнм2 (2000—5000 кгс/см2).
Изделия К.-ш. п. применяют в автомобильной и авиационной промышленности, тракторостроении, приборостроении, лёгкой промышленности, в производстве предметов широкого потребления. производство кузнечно-прессовых машин в СССР в 1940 составляло 4,7 тыс. штук, в 1972 составило 43,9 тыс. штук, а к 1975 достигнет 60—65 тыс. штук в год.
Лит.: Рыбаков Б. А., Ремесло древней Руси, М., 1948; Сторожев М. В., Попов Е. А., Теория обработки металлов давлением, М., 1971; Залесский В. И., Оборудование кузнечно-прессовых цехов, М., 1964; Пихтовников Р. В., Завьялова В. И., Штамповка листового металла взрывом, М., 1964; Романовский В. П., Справочник по холодной штамповке, М.— Л., 1965; Ковка и объемная штамповка стали. Справочник, под ред. М. В. Сторожева, т. 1—2, М., 1967—68.
Б. В. Розанов, В. П. Линц.
Рис. 3. Схема электромагнитной формовки: 1 — конденсаторная батарея; 2 — разрядник; 3 — катушка индуктивности; 4 — трубная заготовка.
Рис. 1. Ковочно-гидравлический пресс с усилием 10 Мн (1000 тc), работающий с двумя манипуляторами.
Рис. 2. Схема автоматизированной линии для штамповки картеров двигателей: I — исходное положение рулона стальной ленты; II — размотка; III — чистка; IV — правка; V — подача; VI — вырубка заготовки; VII — смазка; VIII — вытяжка изделия; IX — переформовка радиусов и правка фланцев; X — обработка фланцев по контуру; XI — формовка ребер жесткости и фланцовка по контуру; XII — пробивка отверстий; 1 — разматывающее устройство; 2 — листоправильная машина; 3 — двухкривошинный пресс простого действия с валковой подачей; 4 — механизм передачи и подъема стопы заготовок; 5 — однокривошипный пресс двойного действия для вытяжки; 6 — механизм передачи изделий и съёма штампа; 7 — многопозиционный пресс с грейферной подачей; 8 — механизм транспортирования изделий и съёма штампа.
Рис. 4. Схема электрогидравлической формовки: а — установка заготовки; б — получение детали после действия разряда (формовки): 1 — ползун; 2 — электроды; 3 — подвижная матрица; 4 — вода; 5 — заготовка; 6 — неподвижная матрица; 7 — подштамповая плита; 8 — выталкиватель.