Дефекты штамповки металла: основные причины, предотвращение и устранение неисправностей

Каждая операция штамповки металла сталкивается с дефектами — заусенцы, трещины, складки, пружинение и царапины на поверхности являются частью процесса. Разница между прибыльным производственным циклом и грудой металлолома заключается в том, насколько быстро вы выявите основную причину и примете корректирующие меры. В Металлические штампованные детали, наша команда по обеспечению качества задокументировала более 200 дефектов за более чем 20 лет работы в прогрессивной штамповке, трансферной штамповке и глубокой вытяжке. В этом руководстве описаны наиболее распространенные дефекты, их основные причины и проверенные меры по их устранению.

Дефект штамповки — это любое отклонение от заданных размеров, поверхности или функциональных требований штампованной детали, вызванное свойствами материала, состоянием штампа, параметрами пресса или проблемами со смазкой в ​​процессе штамповки.

Обзор распространенных дефектов штамповки металлов.

Дефекты штамповки делятся на пять категорий в зависимости от места их возникновения. Понимание категории сужает объем устранения неполадок:

• Дефекты материала — непостоянная твердость, изменение толщины, включения, проблемы с направлением волокон
• Дефекты штампа — изношенные кромки, сколы вставки, смещение станций, неправильный зазор
• Дефекты пресса — изменение тоннажа, несоосность салазок, несоответствие скорости, давление амортизации
• Дефекты смазки — недостаточное количество смазки, неправильная вязкость, загрязнение, неравномерное нанесение.
• Конструктивные дефекты — малые радиусы, недостаточная степень вытяжки, плохая проработка заготовок, недостающие рельефы.

Проблемы с образованием заусенцев и качеством кромок.

Заусенцы являются наиболее распространенным дефектом штамповки — почти при каждой операции выру•и и прошивки образуется некоторый уровень заусенцев. Вопрос в том, превышает ли высота заусенцев спецификацию.

Основные причины возникновения чрезмерных заусенцев

• Износ кромок пуансона или матрицы — причина №1. Края пуансона постепенно затупляются с каждым ударом. Инструменты из углеродистой стали теряют остроту после 500 000–1 000 000 ударов; твердосплавный сплав сохраняет качество кромки при более чем 5 000 000 ударов.
• Неправильный зазор. — слишком малый или слишком широкий зазор приводит к разным рисункам заусенцев. Оптимальный зазор составляет 5–8 % толщины материала с каждой стороны для общей выру•и, 3–5 % для точных работ.
• Изменение твердости материала — поступающий материал более твердый, чем указано, требует большего срезающего усилия, что приводит к перекатыванию и заусенцам. Проверьте твердость входной катушки на соответствие характеристикам конструкции матрицы.
• Нецентральная загрузка — асимметричные детали или плохо центрированные заготовки вызывают неравномерное зацепление пуансона со штампом, концентрируя износ на одной стороне.

Корректирующие действия

Растрескивание и разрушение во время формовки

Трещины возникают, когда приложенная деформация превышает способность материала к удлинению. Это самая дорогая категория дефектов — треснувшие детали — это 100% брак.

Распространенные типы трещин

• Растрескивание кромок — трещины, начинающиеся у кромки среза заготовки и распространяющиеся в образовавшуюся область. Вызвано концентрацией напряжений, вызванных заусенцами, состоянием кромки после предварительной резки или материалом с низкой растяжимостью кромки (классы AHSS).
• Радиусное растрескивание — трещины на внешней поверхности радиуса изгиба или вытяжки. Вызвано слишком малым радиусом для минимального радиуса изгиба материала или изгибом, параллельным направлению прокатки.
• Переход от складки к трещине — при глубокой вытяжке чрезмерное давление держателя заготовки предотвращает образование складок, но приводит к чрезмерному утончению стенки, что приводит к разрушению по радиусу матрицы.
• Растрескивание углов — трещины в углах прямоугольных чертежей, когда материал растягивается одновременно в двух направлениях. Требуются волочильные валики или дополнительная геометрия для контроля течения металла.

Стратегии предотвращения

• Проверка удлинения материала — поступающий материал должен соответствовать указанному минимальному удлинению (например, ≥37% для SPCC, ≥41% для SPCE). Запросите протоколы испытаний стана для каждого рулона.
• Соблюдайте минимальный радиус изгиба. — отожженная нержавеющая сталь 304: 1,0T; 6061-T6 алюминий: 3,0T; Сталь ДП780: 1,5Т. Расчетный радиус ≥ минимального значения для вашего сплава и отпуска.
• Ориентируйте изгибы перпендикулярно направлению волокон. — изгиб параллельно направлению прокатки снижает доступное удлинение на 20–40%.
• Используйте моделирование FEA. — программное обеспечение для моделирования формовки (AutoForm, PAM-STAMP, LS-DYNA) прогнозирует утончение, растрескивание и образование складок перед изготовлением штампа. Моделирование стоимостью 5000 долларов может предотвратить переделку штампа стоимостью 50 000 долларов.

Сморщивание в деталях глубокой вытяжки

Сморщивание при глубокой вытяжке возникает, когда сжимающее кольцевое напряжение во фланце превышает сопротивление материала продольному изгибу, в результате чего во время хода волочения фланец складывается в радиальные складки.

Образование складок является аналогом растрескивания: слишком слабое давление держателя заготовки приводит к образованию складок; слишком много вызывает растрескивание. Поиск оптимального окна является центральной задачей при разработке штампов глубокой вытяжки.

Основные причины

• Недостаточное усилие держателя заготовки — наиболее распространенная причина. Постепенно увеличивайте давление подушки, пока морщины не исчезнут, не вызывая истончения.
• Чрезмерная степень вытяжки — предел одиночной вытяжки составляет ~2,0 для стали, ~1,8 для нержавеющей стали и алюминия. Превышение этого показателя требует многостадийной вытяжки с промежуточным отжигом.
• Неравномерная смазка — избыток смазки на одной стороне локально снижает трение, позволяя этой области быстрее подавать и прогибаться.
• Пустая форма — круглые заготовки для круглых чашек; некруглым заготовкам необходимы оптимизированные формы (разработанные на основе FEA или опробованные) для выравнивания потока металла.

Корректирующие действия

• Увеличивайте усилие держателя заготовки с шагом 5–10 % до тех пор, пока морщины не исчезнут.
• Добавьте натяжные валики для контроля потока металла в определенных зонах
• Переключитесь с плоского держателя заготовки на ступенчатый или контурный профиль держателя заготовки
• Если коэффициент вытяжки превышает одноступенчатый предел, добавьте станцию перетяжки
• Уменьшите вязкость смазки или переключитесь на смазку с более высоким коэффициентом трения на стороне держателя заготовки

Оши•а размеров пружинного возврата

Упругий возврат — это упругое восстановление, которое происходит после снятия формовочной нагрузки, в результате чего деталь частично возвращается к своей исходной форме. Это самый крупный источник погрешностей размеров при штампованных изгибах.

Springback влияет на каждую изогнутую или сформированную деталь. Величина зависит от предела текучести материала, отношения радиуса изгиба к толщине (R/T) и угла изгиба. Высокопрочные стали (AHSS) и алюминиевые сплавы обладают значительно большей упругостью, чем мягкая сталь.

Количественное пружинение

• Мягкая сталь (SPCC): упругое отклонение 0,5–1,5° при изгибе на 90°, R/T = 1
• Нержавеющая сталь 304: упругое отклонение 2–4° при тех же условиях
• DP780 AHSS: упругое отклонение 4–8° — требуется агрессивная компенсация
• Алюминий 6061-T6: пружинение 3–5°

Методы компенсации

• Избыточный изгиб — спроектируйте угол штампа так, чтобы он перегибался на прогнозируемую величину пружинения. Наиболее эффективен для простых изгибов.
• Днообразование/чеканка — используйте чрезвычайную силу, чтобы пластически зафиксировать изгиб, уменьшая упругую отдачу почти до нуля. Требует в 5–10 раз больше тоннажа для изгиба воздуха.
• Переменная R/T — более узкий радиус пуансона снижает упругость, но увеличивает риск растрескивания. Найдите минимальный радиус, при котором не треснет.
• Горячая штамповка — для марок AHSS с давлением выше 980 МПа горячая штамповка при 200–300°C значительно снижает упругость, сохраняя при этом прочность после закалки.

Дефекты поверхности: царапины, истирание и налипания.

Дефекты поверхности во время штамповки возникают в результате взаимодействия матрицы с заготовкой. Перенос металла (истирание), абразивные царапины и захват штампа создают видимые следы, которые неприемлемы для косметических или функциональных поверхностей.

Истирание и перенос металла

Истирание происходит, когда микроскопическая сварка между заготовкой и поверхностью штампа переносит материал на штамп, создавая все более сильные царапины на последующих деталях. Аустенитная нержавеющая сталь (304, 301) является наихудшим из-за ее склонности к наклепу и адгезионной природы.

• Профилактика: используйте инструмент с покрытием (TiN, TiAlN, DLC), увеличьте твердость поверхности штампа до ≥60 HRC, нанесите смазочные материалы высокого давления с присадками EP (противозадирные), уменьшите скорость штамповки.
• Обслуживание матрицы: полируйте поверхности штампа каждые 10 000–50 000 ходов; нанесите повторное покрытие, когда покрытие покажет износ.

Метки штампа и линии штамповки

• Линии штампа — выпуклые линии на поверхности детали, соответствующие переходам радиусов штампа. Полировка штампов с радиусом Ra ≤ 0,2 мкм для косметических деталей.
• Линии растяжения (полосы Людерса) — видимые линии на поверхностях из низкоуглеродистой стали от прерывистой текучести. Устраните это, указав дрессированную (дрессерованную) сталь или предварительную деформацию заготовки на 2–3%.
• Звукосниматель — алюминиевые и медные сплавы могут откладывать материал на поверхностях матрицы. Используйте хромированные или полированные твердосплавные матрицы с соответствующей смазкой.

Несоответствие размеров

Помимо упругого возврата, несколько других факторов вызывают нарушения размеров штампованных деталей:

• Изменение толщины материала — отклонение толщины на входе ±10 % напрямую приводит к отклонению на ±10 % размеров штампованной детали. Укажите жесткие допуски по толщине (±0,05 мм для прецизионных деталей) и проверьте поступающий материал.
• Износ штампа — прогрессивный износ штампов с разной скоростью. Первые несколько станций выру•и обычно изнашиваются быстрее, чем станции формовки. Отслеживайте изменения размеров, чтобы предсказать, когда потребуется перешлифовка.
• Тепловое расширение — высокоскоростная штамповка (600+ об/мин) выделяет тепло в штампе, вызывая термический рост. При точных работах используйте охлаждающую жидкость с контролируемой температурой и проектируйте штампы с термокомпенсацией.
• Точность подачи полосы — точность прогрессивного шага матрицы зависит от состояния подающего ролика и зацепления направляющего штифта. Изношенные подающие ролики вызывают погрешность шага ±0,1–0,3 мм, которая накапливается на всех станциях.

Дефекты, связанные с материалом

Включения и расслоения

Неметаллические включения (оксиды, сульфиды) в микроструктуре стали действуют как концентраторы напряжений, вызывая трещины во время формовки или преждевременное усталостное разрушение в процессе эксплуатации. Включения выше рейтинга ASTM E45 типа A 2.0 или типа B 1.5 должны вызывать отказ от материала для критически важных деталей.

Растрескивание кромок при AHSS.

Усовершенствованные высокопрочные стали (марки DP, TRIP, CP) имеют значительно меньшую растяжимость кромок, чем мягкая сталь. Срезанный край, который выдерживает формирование в SPCC, может треснуть в DP780. Смягчение: используйте вырезанные лазером или фрезерованные кромки вместо срезанных кромок для растягивающихся фланцев; На чертеже укажите качество кромки (высота заусенцев, глубина завальцовки).

Поверхность апельсиновой корки

Чрезмерный рост зерен (из-за отжига при слишком высокой температуре или слишком долгого времени) приводит к образованию видимой текстуры «апельсиновой корки» на сформированных поверхностях. Контролируйте температуру отжига ±10°C и укажите максимальный размер зерна (номер размера зерна ASTM E112 ≥ 6 для косметических деталей).

Краткий справочник по устранению неполадок

Профилактическое обслуживание для предотвращения дефектов

Наиболее экономически эффективным подходом к устранению дефектов при штамповке является систематическое предотвращение обслуживание штампа:

• Каждую смену: визуальный осмотр первой и последней деталей; проверка на наличие заусенцев, трещин и следов на поверхности.
• Каждые 10 000–25 000 ходов: измерение критических размеров на образцах деталей; проверка качества кромки
• Каждые 50 000–100 000 ходов: детальная проверка штампа; измерить зазор между пуансоном и штампом; проверка направляющих пальцев и втулок
• Каждые 200 000 ходов: полный разбор матрицы, очистка, перешлифовка кромок и замена компонентов
• Отслеживание данных SPC — тенденции размеров выявляют возникающие проблемы еще до того, как они образуют брак. Падение Cpk с 1,5 до 1,2 сигнализирует о необходимости обслуживания кристалла.

Часто задаваемые вопросы

Какова наиболее распространенная причина появления заусенцев при штамповке металла?

Износ кромок пуансона и матрицы является основной причиной 70–80% жалоб на заусенцы. Края пуансона постепенно затупляются с каждым ударом — инструменты из углеродистой стали требуют переточки каждые 500 000–1 000 000 ударов, в то время как твердосплавные инструменты сохраняют качество кромки при более чем 5 000 000 ударов. Установление графика профилактической перешлифовки на основе данных о качестве деталей устраняет большинство проблем с заусенцами еще до того, как они дойдут до потребителя.

Как предотвратить растрескивание при штамповке высокопрочной стали (AHSS)?

Марки AHSS (DP590, DP780, DP980, MS1200) имеют меньшее удлинение и растяжимость кромки, чем мягкая сталь. Основные профилактические меры: (1) расчетные радиусы изгиба ≥ 1,0T для DP590, ≥ 1,5T для DP780, ≥ 2,5T для DP980; (2) ориентируйте изгибы перпендикулярно направлению прокатки; (3) использовать кромки, вырезанные лазером или фрезерованные, вместо срезанных кромок для элементов растягивающихся фланцев; (4) использовать смазочные материалы высокого давления с противозадирными присадками; (5) рассмотрите возможность горячей формовки (200–300°C) для наиболее сложных форм.

Что вызывает пружинение и как это компенсировать?

Пружинное восстановление — это упругое восстановление после формовки — деталь частично возвращается к исходной форме. Он увеличивается с более высоким пределом текучести, большим соотношением R/T и меньшим углом изгиба. Методы компенсации включают перегиб (расчетный угол штампа на 2–8 ° дальше заданного в зависимости от материала), опускание / чеканку (5–10-кратный тоннаж воздушной ги•и) и использование более узких радиусов пуансона. При AHSS выше 980 МПа наиболее надежный контроль упругости обеспечивает горячая штамповка при температуре 200–300°C.

Как устранить морщины при глубокой вытяжке?

Сморщивание возникает из-за недостаточного давления держателя заготовки, чрезмерной степени вытяжки или неравномерной смазки. Начните с увеличения силы держателя заготовки с шагом 5–10%. Если морщины сохраняются при максимальном давлении подушки, добавьте натяжные валики, чтобы ограничить поток металла в определенных зонах. Если коэффициент вытяжки превышает 2,0 (сталь) или 1,8 (алюминий), добавьте станцию ​​перерисовки. Неравномерное нанесение смазки также может привести к асимметричному образованию складок — обеспечьте равномерное покрытие смазкой по всей заготовке.

Какие дефекты поверхности вызваны самой штамповочной матрицей?

Тремя наиболее распространенными поверхностными дефектами, вызванными штампом, являются: (1) истирание — микроскопическая сварка переносит металл с заготовки на штамп, создавая прогрессивные царапины. Чаще всего используется нержавеющая сталь и алюминий. Предотвратите это с помощью инструментов с покрытием TiN/DLC и противозадирных смазок. (2) Метки штампа — выпуклые линии на переходах радиуса штампа. Полировка радиусов матрицы до Ra ≤ 0,2 мкм. (3) Линии растяжения (полосы Людерса) — видимые прерывистые следы текучести на низкоуглеродистой стали. Укажите дрессированный материал, который следует исключить.

Как часто следует проверять и обслуживать штампы?

Минимальные интервалы проверки: каждую смену (визуальная проверка первой/последней детали), каждые 10 000–25 000 ходов (измерение размеров), каждые 50 000–100 000 ходов (проверка компонентов штампа) и каждые 200 000 ходов (полный разбор с перешлифовкой). Для высокоскоростной штамповки (>600 об/мин) или абразивных материалов (нержавеющая сталь, высокоуглеродистая сталь) эти интервалы следует сократить вдвое. Мониторинг критических размеров SPC обеспечивает наиболее надежный сигнал для проведения технического обслуживания — падение Cpk ниже 1,33 сигнализирует о необходимости внимания.

Заключение

Дефекты штамповки неизбежны, но с ними можно справиться. Ключом к успеху является систематическая диагностика: определите категорию дефекта (материал, штамп, пресс, смазка, конструкция), примените контрольный список основных причин и примите корректирующие меры до того, как накопится брак.

В Металлические штампованные деталинаша команда по качеству использует мониторинг SPC и профилактическое обслуживание штампов, чтобы поддерживать уровень дефектов ниже 500 PPM в производственных программах. Каждая новая матрица проходит проверку с документированной проверкой первого изделия перед выпуском в производство.

Нужна помощь с проблемой качества штамповки? Свяжитесь с нашей командой инженеров для получения поддержки по устранению неполадок или для получения информации о наших системах качества..