Części do tłoczenia stali to elementy metalowe utworzone z płaskiej blachy stalowej lub zwoju poprzez prasowanie, wykrawanie, gięcie lub ciągnienie w prasie do tłoczenia. Występują praktycznie w każdym wytwarzanym produkcie – od paneli karoserii samochodowych i wsporników konstrukcyjnych po obudowy urządzeń i urządzenia przemysłowe. Wybór odpowiedniego gatunku stali jest najważniejszą decyzją w procesie tłoczenia stali, ponieważ determinuje odkształcalność, wytrzymałość, koszt, spawalność i wykończenie powierzchni.
W tym przewodniku omówiono ponad 20 popularnych gatunków stali stosowanych do tłoczenia, porównano blachy walcowane na gorąco i walcowane na zimno, omówiono wyzwania stojące przed stalą o wysokiej wytrzymałości oraz omówiono opcje obróbki powierzchni i najlepsze praktyki projektowania pod kątem produkcji (DFM). Metal Stamping Parts Ltd przetwarza tysiące ton stali rocznie do zastosowań motoryzacyjnych, przemysłowych i konsumenckich.
Wybór gatunku stali do tłoczenia
Wybór odpowiedniego gatunku stali wymaga zrównoważenia właściwości mechanicznych, odkształcalności, jakości powierzchni i kosztów. Poniższe tabele przedstawiają najczęściej stosowane gatunki w światowym przemyśle tłoczenia.
Gatunki stali walcowanej na zimno (JIS / EN / ASTM)
| Gatunek (JIS) | Odpowiednik EN | Odpowiednik ASTM | C (%) | Mn (%) | Granica plastyczności (MPa) | Wytrzymałość na rozciąganie (MPa) | Wydłużenie (%) | wartość r | Zastosowanie |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SPCC | DC01 | A1008 CS Typ B | ≤0.12 | ≤0.50 | 140–280 | 270–410 | ≥37 | — | Panele ogólnego przeznaczenia, wsporniki |
| SPCD | DC03 | A1008 CS Type A | ≤0.10 | ≤0.45 | 140–260 | 270–390 | ≥39 | ≥1.3 | Zastosowania rysunkowe, płytkie rysunki |
| SPCE | DC04 | A1008 DS Type A | ≤0.08 | ≤0.40 | 120–240 | 270–370 | ≥41 | ≥1.6 | Głębokie tłoczenie, wewnętrzne panele samochodowe |
| SPCF | DC05 | A1008 DDS | ≤0.06 | ≤0.35 | 110–220 | 270–350 | ≥43 | ≥1.9 | Bardzo głębokie tłoczenie, złożone kształty |
| SPCG | DC06 | A1008 EDDS | ≤0.02 | ≤0.25 | 100–200 | 270–330 | ≥45 | ≥2.1 | Bardzo głębokie tłoczenie, odsłonięte panele |
| SPFH490 | — | A1011 HSLA 50 | ≤0.12 | ≤1.60 | ≥325 | ≥490 | ≥23 | — | Strukturalny części, ramy siedzeń |
| SPFH540 | — | A1011 HSLA 60 | ≤0.12 | ≤1.80 | ≥355 | ≥540 | ≥20 | — | Wzmocnienia podwozia |
Gatunki stali walcowanej na gorąco
| Gatunek (JIS) | Odpowiednik EN | C (%) | Granica plastyczności (MPa) | Wytrzymałość na rozciąganie (MPa) | Wydłużenie (%) | Zastosowanie |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SPHC | DD11 / HR1 | ≤0.15 | ≥205 | ≥270 | ≥27 | Formowanie ogólne, części niekrytyczne |
| SPHD | DD12 / HR2 | ≤0.10 | — | ≥270 | ≥30 | Zastosowania do rysowania |
| SPHE | DD13 / HR3 | ≤0.06 | — | ≥270 | ≥33 | Głębokie tłoczenie, konstrukcje samochodowe |
| SS400 | S235JR | ≤0.22 | ≥205 | 400–510 | ≥21 | Wsporniki konstrukcyjne, części o dużej grubości |
| SS490 | S275JR | ≤0.25 | ≥245 | 490–610 | ≥19 | Elementy konstrukcyjne o dużej wytrzymałości |
| SM490A | S355JR | ≤0.20 | ≥275 | 490–610 | ≥22 | Elementy konstrukcyjne wymagające spawalności |
Zaawansowane gatunki stali o wysokiej wytrzymałości (AHSS)
| Gatunek | Typ | Plastyczność (MPa) | UTS (MPa) | Wydłużenie (%) | Promień zgięcia (×t) | Zastosowanie |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DP590 | Dwufazowy | 330–410 | ≥590 | ≥20 | 1.0 | Odporne na uderzenia wsporniki, wzmocnienia |
| DP780 | Dwufazowy | 440–560 | ≥780 | ≥14 | 1.5 | Słupki B, belki zderzaków |
| DP980 | Dwufazowy | 600–740 | ≥980 | ≥10 | 2.5 | Wzmocnienia konstrukcyjne |
| DP1180 | Dwufazowy | 850–1050 | ≥1,180 | ≥5 | 4.0 | Wsporniki o bardzo wysokiej wytrzymałości |
| TRIP590 | TRIP | 380–460 | ≥590 | ≥24 | 1.0 | Konstrukcje pochłaniające energię |
| TRIP780 | TRIP | 450–550 | ≥780 | ≥18 | 1.5 | Konstrukcje awaryjne |
| CP780 | Faza złożona | 620–750 | ≥780 | ≥10 | 2.0 | Wzmocnienia podwozia |
| CP1180 | Faza złożona | 900–1100 | ≥1,180 | ≥5 | 3.5 | Belki przeciwwłamaniowe |
| MS1200 | Martenzytyczny | 950–1150 | ≥1,200 | ≥4 | 5.0 | Wzmocnienia zderzaków, belki drzwi |
| FB590 | Ferryt-bainit | 380–480 | ≥590 | ≥18 | 1.0 | Koła, części podwozia |
| TWIP980 | TWIP | 400–500 | ≥980 | ≥50 | 0.5 | Przyszłe lekkie konstrukcje |
Gatunki stali nierdzewnej do tłoczenia
| Gatunek | Typ | Plastyczność (MPa) | UTS (MPa) | Wydłużenie (%) | Magnetyczne? | Zastosowanie |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SUS304 | Austenityczny | 205 | 520 | ≥40 | Nie | Panele AGD, sprzęt spożywczy |
| SUS301 | Austenityczny | 205–510 | 520–1,270 | ≥40–10 | Nie | Sprężyny, zaciski (utwardzają się) |
| SUS430 | Ferryt | 205 | 450 | ≥22 | Tak | Ozdobne wykończenia, elementy wydechu |
| SUS410 | Martenzytyczny | 205 | 440 | ≥20 | Tak | Sztućce, części zaworów |
| SUS316L | Austenityczny | 175 | 480 | ≥40 | Nie | Morskie, chemiczne, medyczne |
Aby uzyskać więcej informacji na temat możliwości tłoczenia stali nierdzewnej, zobacz nasze tłoczenie stali nierdzewnej .
Stal walcowana na gorąco a stal walcowana na zimno: którą wybrać?
Proces walcowania zasadniczo zmienia jakość powierzchni stali, dokładność wymiarową i zachowanie mechaniczne. Poniższe porównanie pomoże Ci wybrać odpowiedni materiał wyjściowy dla Twojej aplikacji tłoczenie stali .
| Właściwość | Walcowane na gorąco (HR) | Walcowane na zimno (CR) |
|---|---|---|
| Jakość powierzchni | Zgorzelina walcownicza, szorstka (Ra 3–8 µm) | Gładka, czysta (Ra 0,5–1,5 µm) |
| Tolerancja grubości | ±0,10–0,15 mm | ±0,02–0,05 mm |
| Tolerancja szerokości | ±1,0–2,0 mm | ±0,2–0,5 mm |
| Typowy zakres grubości | 1,6–12,0 mm | 0,4–3,2 mm |
| Granica plastyczności | Niższa (po walcowaniu) | Większy (utwardzany przez zgniot) |
| Wydłużenie | Wyższe | Niższy |
| Koszt na tonę | 15–25% niższy | Wyższe |
| Najlepsze dla | Części konstrukcyjne, ciężkie wsporniki, komponenty niewidoczne | Widoczne panele, części precyzyjne, płytkie i średnie ciągnienia |
| Typowe operacje tłoczenia | Wykrawanie, gięcie, formowanie | Wykrawanie, ciągnienie, formowanie, przekłuwanie |
| Przyczepność farby | Wymaga usuwania zgorzeliny | Doskonała po czyszczeniu |
Praktyczna zasada: Walcowane na zimno do wszystkiego, co jest widoczne, ma krytyczne znaczenie wymiarowe lub wymaga rysowania. Walcowane na gorąco stosuje się do części konstrukcyjnych, gdzie wykończenie powierzchni nie jest krytyczne, a grubość przekracza 3 mm.
Tłoczenie stali o wysokiej wytrzymałości: wyzwania i rozwiązania
Ponieważ lekkość pojazdów samochodowych sprzyja przyjęciu gatunków AHSS, tłoczniki stają przed nowymi wyzwaniami, z którymi nie mogą sobie poradzić tradycyjne narzędzia i procesy ze stali miękkiej.
Wyzwanie 1: Nadmierne sprężynowanie
Stale o wysokiej wytrzymałości mają stosunek granicy plastyczności do wytrzymałości na rozciąganie na poziomie 0,65–0,90 (w porównaniu z 0,50–0,60 w przypadku stali miękkiej), powodując znaczny powrót sprężystości po formowaniu.
Rozwiązania:
– Wygięcie o 2–5° w zależności od gatunku (kompensacja metodą prób i błędów lub symulacją MES).
– Używaj obrotowych narzędzi do gięcia, które kontrolują przepływ materiału przez strefę gięcia.
– Zastosuj serwoprasy z programowalnym zatrzymaniem w dolnym martwym punkcie, aby odprężyć część w matrycy.
– Projektuj części z koralikami usztywniającymi lub wytłoczeniami, aby zachować kształt.
Wyzwanie 2: Przyspieszone zużycie narzędzi
Twarde mikrostruktury (martenzyt, bainit) w stali AHSS ścierają powierzchnie narzędzi 3–10 razy szybciej niż stal miękka.
Rozwiązania:
– W przypadku umiarkowanych ilości należy stosować stal narzędziową D2 lub DC53 z powłoką PVD (TiAlN lub CrN).
– Przejdź na płytki węglikowe lub stale narzędziowe PM (metalurgia proszków) (ASP-23, VANADIS 4E) do produkcji na dużą skalę.
– Zwiększ luz matrycy do 10–12% grubości materiału (w porównaniu z 5–7% w przypadku stali miękkiej).
– Nałożyć suchą warstwę lub smary pod wysokim ciśnieniem, aby zmniejszyć tarcie.
Wyzwanie 3: Wymagania spawalnicze
Gatunki AHSS wymagają dokładnej kontroli parametrów spawania, aby uniknąć zmiękczania w strefie wpływu ciepła (HAZ).
Rozwiązania:
– Użyj punktowego zgrzewania oporowego z adaptacyjną kontrolą prądu.
– Zoptymalizuj siłę elektrody i czas trzymania dla każdego gatunku.
– Rozważ spawanie laserowe złączy doczołowych, gdzie kontrola HAZ ma kluczowe znaczenie.
– Sprawdź wytrzymałość spoiny zgodnie ze standardami AWS D8.1M lub specyficznymi dla OEM.
Wyzwanie 4: Pękanie przy małych promieniach
Gatunki DP i martenzytyczne mają ograniczone wydłużenie (4–14%), przez co zagięcia o małych promieniach są podatne na pękanie.
Rozwiązania:
– Minimalny projektowy promień gięcia ≥ 2× grubość materiału dla DP780; ≥ 4× dla DP1180.
– Jeśli to możliwe, orientuj zagięcia prostopadle do kierunku walcowania.
– W przypadku najbardziej wymagających geometrii należy zastosować formowanie na ciepło (200–300°C).
– Rozważ dostosowane półfabrykaty spawane – używaj stali AHSS tylko tam, gdzie wymagana jest wytrzymałość i stali miękkiej w uformowanej strefie.
Opcje obróbki powierzchniowej części tłoczonych ze stali
Obróbka powierzchniowa chroni przed korozją, poprawia wygląd i zwiększa przyczepność farby. Poniższa tabela porównuje cztery najczęstsze opcje tłoczonych części stalowych.
| Obróbka | Proces | Masa / grubość powłoki | Odporność na mgłę solną (godziny) | Przyczepność farby | Spawalność po obróbce | Koszt względny | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cynkowanie elektrolityczne (EG) | Elektroosadzanie cynku | 5–15 µm | 200–500 | Doskonała | Dobry | Low-Medium | Panele eksponowane w samochodach |
| Cynkowanie ogniowe (GI) | Zanurzenie w stopiony cynk | 45–90 g/m² (obie strony) | 300–1,000 | Dobra (po obróbce) | Dostateczne | Średni | Panele urządzeń, HVAC, budownictwo |
| Fosforanowanie (żelazo lub cynk) | Konwersja chemiczna | 1–3 µm | 50–150 | Doskonała | Dobry | Bardzo niskie | Powłoka malarska wszystkich części stalowych |
| Powłoka elektroforetyczna (e-coat) | Farba elektroforetyczna | 15–25 µm | 500–1,000 | N/A (jest farbą) | Słaby | Średni | Podwozia samochodowe, wsporniki |
| Dacromet / Geomet | Płatki cynkowo-aluminiowe | 6–10 µm | 500–1,000+ | Dostateczne | Dostateczne | Średnio-wysoki | Elementy złączne, części zawieszenia, wysoka korozja |
| Malowanie proszkowe | Natrysk elektrostatyczny + wypalanie | 60–80 µm | 1,000+ | N/A (jest wykończeniem) | Nie dotyczy | Średni | Sprzęt zewnętrzny, meble, obudowy |
Przewodnik doboru:
– Dla powierzchni narażonych na działanie czynników motoryzacyjnych klasy A: EG + e-coat + warstwa nawierzchniowa.
– Do części konstrukcyjnych pracujących w środowiskach korozyjnych: GI lub Dacromet.
– W przypadku niedrogich wsporników wewnętrznych: fosforanowanie + malowanie proszkowe.
– Do elementów złącznych odpornych na korozję: Dacromet lub Geomet.
Wskazówki DFM dotyczące części tłoczonych ze stali
Zasady projektowania pod kątem produkcji zmniejszają koszty matryc, poprawiają jakość części i skracają czas realizacji. Zastosuj te wytyczne na etapie koncepcyjnym, aby uniknąć późniejszych kosztownych rewizji matrycy.
Zasady geometrii
- Minimalny promień zgięcia: 0,5× grubość materiału dla stali miękkiej CR; 1,0–4,0× dla AHSS (w zależności od gatunku).
- Minimalna średnica otworu: ≥ grubość materiału; ≥ 2× grubość dla otworów w obszarach rozciąganych kołnierzy.
- Minimalna szerokość kołnierza: ≥ 3× grubość materiału + promień zgięcia.
- Odległość wcięcia do zgięcia: ≥ grubość materiału + promień zgięcia, aby zapobiec zniekształceniom.
- Orientacja szczeliny: Prostopadła do linii zagięcia, aby uniknąć rozdarcia.
Wytyczne dotyczące tolerancji
| Cecha | Osiągalna tolerancja | przy dodatkowych operacjach |
|---|---|---|
| Profil pusty | ±0,05–0,10 mm | ±0,02 mm (dokładne wygaszanie lub golenie) |
| Pozycja otworu | ±0,05 mm | ±0,02 mm (obróbka końcowa) |
| Kąt zgięcia | ±1° | ±0,25° (prasa krawędziowa z koronowaniem CNC) |
| Płaskość | 0,2 mm/100 mm | 0,05 mm/100 mm (tłoczenie + wymiarowanie) |
| Zadziory na krawędziach | ≤ 0,10 mm | ≤ 0,03 mm (gratowanie) |
Optymalizacja materiałów i kosztów
- Standaryzacja grubości części w zespole w celu zmniejszenia zapasów materiałów.
- Wydajne zagnieżdżanie części w układzie paskowym — w przypadku matryc progresywnych typowe jest 60–75% wykorzystania materiału; poniżej 55% uzasadnia przeprojektowanie.
- Rozważ połączenie wielu części w jeden wytłoczony zespół, aby zmniejszyć liczbę części i operacje łączenia.
- Określ obróbkę powierzchni tylko tam, gdzie jest to konieczne — selektywne powlekanie lub powlekanie miejscowe oszczędza koszty.
- Skorzystaj z podstaw , czym jest tłoczenie metali , aby wybrać pomiędzy matrycą progresywną, matrycą transferową lub linią tandemową w oparciu o objętość i złożoność.
Często zadawane pytania
Jaka jest różnica pomiędzy stalą SPCC i SPCE do tłoczenia?
SPCC to stal walcowana na zimno ogólnego przeznaczenia o maksymalnej zawartości węgla 0,12%, odpowiednia do prostych zgięć i płytkich ciągnięć. SPCE ma niższą granicę węgla (≤0,08%), niższą zawartość manganu (≤0,40%) i znacznie wyższe wydłużenie (≥41% w porównaniu z ≥37%), co czyni go znacznie lepszym do operacji głębokiego tłoczenia. SPCE ma również gwarantowaną wartość r (współczynnik odkształcenia plastycznego) ≥1,6, co oznacza, że jest odporny na ścieńczenie podczas rozciągania. Użyj SPCC do wsporników i części płaskich; użyj SPCE, gdy część wymaga głębokiego tłoczenia lub złożonego formowania.
Kiedy do tłoczenia należy używać stali walcowanej na gorąco zamiast stali walcowanej na zimno?
Wybierz stal walcowaną na gorąco, jeśli część ma charakter konstrukcyjny, a nie kosmetyczny, grubość przekracza 3,2 mm (powyżej większości dostępnych walcowanych na zimno), nie są wymagane wąskie tolerancje wymiarowe lub głównym czynnikiem wpływającym na cenę jest koszt. Stal walcowana na gorąco kosztuje 15–25% mniej za tonę i ma większe wydłużenie, co pomaga w zginaniu i formowaniu grubych profili. Jednak jego powierzchnia walcownicza wymaga piaskowania lub wytrawiania przed malowaniem, a tolerancje grubości wynoszą ± 0,10–0,15 mm w porównaniu z ± 0,02–0,05 mm w przypadku walcowania na zimno.
Jak zapobiec pękaniu podczas tłoczenia zaawansowanej stali o wysokiej wytrzymałości?
Pękanie stali AHSS zwykle występuje przy promieniach zgięcia, które są zbyt małe w stosunku do zdolności gatunku do wydłużenia. Dla DP590 projektowe promienie zgięcia ≥ 1× grubość materiału; dla DP780 ≥ 1,5×; dla DP980 ≥ 2,5×; oraz dla gatunków martenzytycznych (MS1200) ≥ 5× grubość. Ustawić zagięcia prostopadle do kierunku walcowania, stosować smary pod wysokim ciśnieniem i rozważyć formowanie na gorąco (200–300 °C) w przypadku najbardziej wymagających geometrii. Przeprowadzenie symulacji FEA przed zbudowaniem matrycy pozwala na wczesną identyfikację ryzyka pęknięć.
Jaka obróbka powierzchni jest najlepsza dla części tłoczonych ze stali na zewnątrz?
W przypadku długotrwałej ekspozycji na zewnątrz, cynkowanie ogniowe (GI) zapewnia najlepszy stosunek kosztów do ochrony z odpornością na mgłę solną wynoszącą 300–1000 godzin, w zależności od masy powłoki. W przypadku części wymagających dekoracyjnego wykończenia, malowanie proszkowe na fosforanowanej powierzchni zapewnia doskonałą odporność na korozję (ponad 1000 godzin mgły solnej) z możliwością wyboru koloru i tekstury. Powłoki płatkowe Dacromet lub Geomet cynkowo-aluminiowe są idealne do elementów złącznych i małych części, w przypadku których problemem jest jednolitość grubości powłoki i ryzyko kruchości wodorowej.
Jaki jest dobry stopień wykorzystania materiału do progresywnego tłoczenia stali?
Stopień wykorzystania materiału wynoszący 60–75% uważa się za dobry w przypadku stopniowego tłoczenia części stalowych. Wskaźniki poniżej 55% sugerują, że należy sprawdzić układ części pod kątem optymalizacji zagnieżdżenia — typowe ulepszenia obejmują obracanie orientacji części, dzielenie linii przycięcia między sąsiadującymi częściami lub przeprojektowanie geometrii paska nośnego. W przypadku prostych części prostokątnych można osiągnąć wykorzystanie powyżej 75%. Wszelkie odpady wykończeniowe należy ocenić pod kątem wtórnego wykorzystania mniejszych części z tego samego paska.
Wniosek
Skuteczne tłoczenie stali rozpoczyna się od dopasowania gatunku do zastosowania. Stal miękka (SPCC – SPCE) pozwala na opłacalną obróbkę większości części ogólnego przeznaczenia, podczas gdy gatunki AHSS (DP, TRIP, CP, MS) zapewniają stosunek wytrzymałości do masy wymagany w zastosowaniach motoryzacyjnych i przemysłowych – kosztem ściślejszej kontroli procesu i twardszego oprzyrządowania. Wybór obróbki powierzchni, tolerancje i zasady DFM dodatkowo określają, czy tłoczona część stalowa zapewnia niezawodne działanie po konkurencyjnych kosztach.
Gotowy do omówienia kolejnego projektu tłoczenia stali? Skontaktuj się z Metal Stamping Parts Ltd za wsparcie inżynieryjne, wskazówki dotyczące wyboru materiałów i konkurencyjną wycenę produkcji.