Детали из листового металла: лазерная резка и гибка — что учесть в конструкции

Как делают листовую деталь

Маршрут почти всегда одинаковый. Конструктор рисует деталь в CAD как листовое тело, программа строит плоскую развёртку. Технолог раскладывает развёртки на листе, лазер их вырезает, после чего детали зачищают от грата и везут на листогиб. Там пуансон вдавливает лист в V-образную матрицу и загибает полки в заданном порядке. Дальше запрессовывают гайки и стойки, при необходимости проваривают углы и красят. Для начала маршрута нужны лазерный станок по металлу и листогиб. Если смотреть на одну линейку, у Wattsan это, например, волоконный 1313A и электрический пресс SB 3012 с усилием 30 т и длиной гиба 1250 мм.

Лазер почти не ограничивает конструктора: он вырежет любой контур, отверстие или паз. Ограничения появляются на гибе. Пуансону нужно место, полке нужна опора на матрице, металлу нужен радиус, чтобы не треснуть. Большинство правил ниже касаются именно гиба.

Радиус гиба

При гибке наружные волокна металла растягиваются, внутренние сжимаются. Чем меньше радиус, тем сильнее растяжение снаружи. Слишком малый радиус даёт трещины на наружной стороне гиба, особенно у твёрдых и малопластичных сплавов.

При гибке в воздухе радиус задаёт матрица. Производитель гибочного инструмента Wila рекомендует для стали толщиной до 3 мм канавку шириной в 6–8 толщин листа: при гибе на 90° внутренний радиус получается примерно равным толщине. Узкая канавка даёт меньший радиус, но требует большего усилия, широкая — больший радиус.

Значения в справочниках заметно расходятся: одни приводят минимально возможный радиус для отожжённого металла, другие дают консервативный радиус для серийного производства. Таблица выше — ориентир для конструктора. Окончательный радиус лучше согласовать с цехом: он гнёт тем инструментом, который у него есть, и знает, как ведёт себя его металл.

Минимальная длина полки

Короткая полка не ляжет на обе кромки матрицы и соскользнёт в канавку. Wila формулирует правило так: полка должна быть чуть длиннее половины ширины канавки. При канавке в 8 толщин это больше 4 толщин листа, и Protolabs в своих правилах конструирования даёт тот же минимум: полка не короче четырёх толщин материала.

Для листа 2 мм это 8 мм, для листа 3 мм — 12 мм. Если нужна полка короче, есть три пути: согнуть с более длинной полкой и потом обрезать, заказать гибку на узкой матрице (с меньшим радиусом и большим усилием) или переделать конструкцию.

Отверстия, пазы и вырезы рядом с гибом

Металл в зоне гиба тянется и сжимается, и отверстие, попавшее в эту зону, превращается в овал. Чем ближе отверстие к линии гиба, тем сильнее искажение.

Если отверстие всё-таки должно стоять у самого гиба, его можно вырезать после гибки (на трубном лазере или сверлением) либо сделать продольный паз по линии гиба, который «заберёт» деформацию.

Разгрузочные вырезы

Когда гиб заканчивается не на кромке детали, а внутри контура, металл на конце гиба рвётся, потому что одна часть сгибается, а соседняя остаётся плоской. Поэтому в конце линии гиба делают разгрузочный вырез.

Обычное правило: ширина выреза не меньше толщины листа, а заходить за линию гиба он должен примерно на радиус плюс половину толщины. Скруглённый конец выреза лучше прямоугольного: от острого угла чаще идёт трещина. CAD-системы добавляют такие вырезы автоматически, но их размер стоит проверить по правилам выше.

Развёртка и K-фактор

Длина плоской заготовки не равна сумме наружных размеров полок: при гибе металл снаружи растягивается, а внутри сжимается. Посередине толщины проходит нейтральный слой, длина которого не меняется. Он лежит не точно по центру, а смещён к внутренней стороне гиба.

Длина дуги нейтрального слоя на гибе (припуск на гиб) считается так:

BA = A × π/180 × (R + K × T)

где A — угол гиба в градусах, R — внутренний радиус, K — K-фактор, T — толщина листа.

Пример. Уголок из стали толщиной 2 мм, внутренний радиус 2 мм, гиб 90°, K-фактор 0,4. Наружные размеры полок 50 и 30 мм.

• Припуск на гиб: BA = 90 × π/180 × (2 + 0,4 × 2) = 1,571 × 2,8 ≈ 4,40 мм.
• Прямые участки полок без зоны гиба: 50 − 2 − 2 = 46 мм и 30 − 2 − 2 = 26 мм.
• Длина развёртки: 46 + 26 + 4,40 = 76,4 мм.

Если взять K = 0,5, развёртка выйдет на 0,3 мм длиннее. На одном гибе это немного, но на корпусе с шестью гибами ошибка набегает до двух миллиметров и стенки не сойдутся. Поэтому K-фактор или таблицу гибов берут у цеха, который будет гнуть: она получена на его инструменте и его металле.

Допуски: лазер точнее гибки

Лазер держит размеры на плоской развёртке в пределах десятых долей миллиметра. Гибка добавляет погрешность на каждом гибе: угол, положение линии гиба относительно упора, разброс толщины листа. Ориентиры по допускам Protolabs:

Из таблицы следует главное правило: точные размеры привязывайте к элементам одной плоскости. Если два отверстия должны совпасть с ответной деталью, а лежат на разных полках, сделайте одно из них овальным или предусмотрите регулировку. Как допуски назначают в целом, описано в справочнике допусков и посадок.

Что влияет на качество кромки

Кромку определяет вспомогательный газ. Углеродистую сталь режут кислородом: процесс быстрее, но на кромке остаётся оксидная плёнка, или окалина. Под порошковую покраску её лучше снять, иначе краска может отслоиться вместе с плёнкой. Нержавейку и алюминий режут азотом, кромка получается светлой и сразу годится под сварку. Ширина реза, или керф, у волоконного лазера на тонком листе — десятые доли миллиметра, программа раскроя учитывает её сама.

О выборе между лазером, плазмой и гидроабразивом для разных толщин — в сравнении способов резки.

Чек-лист перед отправкой файла в цех