Стальные штампованные детали — это металлические компоненты, изготовленные из плоского стального листа или рулона путем прессования, выру•и, изгиба или волочения в штамповочном прессе. Они присутствуют практически в каждом произведенном продукте — от автомобильных кузовных панелей и конструктивных кронштейнов до корпусов бытовой техники и промышленного оборудования. Выбор правильной марки стали является самым важным решением при штамповке стали, поскольку он определяет формуемость, прочность, стоимость, свариваемость и качество поверхности.
В этом руководстве рассматриваются более 20 распространенных марок стали, используемых при штамповке, сравниваются горячекатаные и холоднокатаные листы, рассматриваются проблемы, связанные с высокопрочной сталью, а также рассматриваются варианты обработки поверхности и лучшие практики проектирования для производства (DFM). Metal Stamping Parts Ltd ежегодно перерабатывает тысячи тонн стали для автомобильной, промышленной и потребительской продукции.
Выбор марки стали для штамповки
Выбор правильной марки стали требует баланса механических свойств, формуемости, качества поверхности и стоимости. В таблицах ниже представлены наиболее широко используемые марки в мировой штамповочной промышленности.
Марки холоднокатаной стали (JIS / EN / ASTM)
| Марка (JIS) | EN Эквивалент | ASTM Эквивалент | C (%) | Mn (%) | Предел текучести (МПа) | Предел прочности (МПа) | Удлинение (%) | значение r | Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SPCC | DC01 | A1008 CS Тип B | ≤0.12 | ≤0.50 | 140–280 | 270–410 | ≥37 | — | Панели общего назначения, кронштейны |
| SPCD | DC03 | A1008 CS Type A | ≤0.10 | ≤0.45 | 140–260 | 270–390 | ≥39 | ≥1.3 | Чертежи, неглубокая вытяжка |
| SPCE | DC04 | A1008 DS Type A | ≤0.08 | ≤0.40 | 120–240 | 270–370 | ≥41 | ≥1.6 | Глубокая вытяжка, внутренние панели автомобилей |
| SPCF | DC05 | A1008 DDS | ≤0.06 | ≤0.35 | 110–220 | 270–350 | ≥43 | ≥1.9 | Сверхглубокая вытяжка, сложные формы |
| SPCG | DC06 | A1008 EDDS | ≤0.02 | ≤0.25 | 100–200 | 270–330 | ≥45 | ≥2.1 | Сверхглубокая вытяжка, открытые панели |
| SPFH490 | — | A1011 HSLA 50 | ≤0.12 | ≤1.60 | ≥325 | ≥490 | ≥23 | — | Конструкционные детали, каркасы сидений |
| SPFH540 | — | A1011 HSLA 60 | ≤0.12 | ≤1.80 | ≥355 | ≥540 | ≥20 | — | Усилители шасси |
Марки горячекатаной стали
| Марка (JIS) | EN Эквивалент | C (%) | Предел текучести (МПа) | Предел прочности (МПа) | Удлинение (%) | Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SPHC | DD11 / HR1 | ≤0.15 | ≥205 | ≥270 | ≥27 | Общие формовочные, некритические детали |
| SPHD | DD12 / HR2 | ≤0.10 | — | ≥270 | ≥30 | Приложения для рисования |
| SPHE | DD13 / HR3 | ≤0.06 | — | ≥270 | ≥33 | Глубокая вытяжка, автомобильные конструкции |
| SS400 | S235JR | ≤0.22 | ≥205 | 400–510 | ≥21 | Конструктивные кронштейны, толстостенные детали |
| SS490 | S275JR | ≤0.25 | ≥245 | 490–610 | ≥19 | Конструктивные элементы для тяжелых условий эксплуатации |
| SM490A | S355JR | ≤0.20 | ≥275 | 490–610 | ≥22 | Элементы конструкции, требующие свариваемости |
Марки усовершенствованной высокопрочной стали (AHSS)
| Марка | Тип | Предел текучести (МПа) | UTS (МПа) | Удлинение (%) | Радиус изгиба (×t) | Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DP590 | Двухфазный | 330–410 | ≥590 | ≥20 | 1.0 | Противоударные кронштейны, усилители |
| DP780 | Двухфазный | 440–560 | ≥780 | ≥14 | 1.5 | Центральные стойки, балки бампера |
| DP980 | Двухфазный | 600–740 | ≥980 | ≥10 | 2.5 | Структурные усиления |
| DP1180 | Двухфазный | 850–1050 | ≥1,180 | ≥5 | 4.0 | Сверхпрочные кронштейны |
| TRIP590 | TRIP | 380–460 | ≥590 | ≥24 | 1.0 | Энергопоглощающие конструкции |
| TRIP780 | TRIP | 450–550 | ≥780 | ≥18 | 1.5 | Аварийные конструкции |
| CP780 | Комплексная фаза | 620–750 | ≥780 | ≥10 | 2.0 | Усилители шасси |
| CP1180 | Комплексная фаза | 900–1100 | ≥1,180 | ≥5 | 3.5 | Противовзломные балки |
| MS1200 | Мартенситный | 950–1150 | ≥1,200 | ≥4 | 5.0 | Усилители бампера, дверные балки |
| FB590 | Феррит-бейнит | 380–480 | ≥590 | ≥18 | 1.0 | Колеса, детали шасси |
| TWIP980 | TWIP | 400–500 | ≥980 | ≥50 | 0.5 | Легкие конструкции будущего |
Марки нержавеющей стали для штамповки
| Марка | Тип | Предел текучести (МПа) | UTS (МПа) | Удлинение (%) | Магнитный? | Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SUS304 | Аустенитный | 205 | 520 | ≥40 | Нет | Приборные панели, пищевое оборудование |
| SUS301 | Аустенитный | 205–510 | 520–1,270 | ≥40–10 | Нет | Пружины, зажимы (упрочненные) |
| SUS430 | Феррит | 205 | 450 | ≥22 | Да | Декоративная отделка, компоненты выхлопной системы |
| SUS410 | Мартенситный | 205 | 440 | ≥20 | Да | Столовые приборы, детали клапанов |
| SUS316L | Аустенитный | 175 | 480 | ≥40 | Нет | Морской, химический, медицинский |
Для получения дополнительной информации о возможностях штамповки нержавеющей стали см. раздел штамповка нержавеющей стали .
Горячекатаная и холоднокатаная сталь: что выбрать?
Процесс прокатки коренным образом меняет качество поверхности стали, точность размеров и механическое поведение. Приведенное ниже сравнение поможет вам выбрать правильный исходный материал для вашего приложения штамповка стали .
| Свойство | Горячекатаный (HR) | Холоднокатаный (CR) |
|---|---|---|
| Качество поверхности | Окалина, шероховатая (Ra 3–8 мкм) | Гладкая, чистая (Ra 0,5–1,5 мкм) |
| Допуск по толщине | ±0,10–0,15 мм | ±0,02–0,05 мм |
| Допуск по ширине | ±1,0–2,0 мм | ±0,2–0,5 мм |
| Типовой диапазон толщины | 1,6–12,0 мм | 0,4–3,2 мм |
| Предел текучести | Низкий (в прокатном состоянии) | Высший (наклепанный) |
| Удлинение | Выше | Ниже |
| Стоимость за тонну | На 15–25 % ниже | Выше |
| Лучше всего подходит для | Конструктивные детали, тяжелые кронштейны, невидимые компоненты | Видимые панели, прецизионные детали, мелкая и средняя вытяжка |
| Типичные операции штамповки | Выру•а, ги•а, формовка | Выру•а, волочение, формовка, прошивка |
| Адгезия краски | Требуется удаление окалины | Превосходно после очистки |
Эмпирическое правило: Используйте холоднокатаный прокат для всего видимого, размерно-критического или требующего рисования. Используйте горячекатаный прокат для деталей конструкций, где качество поверхности не является критическим, а толщина превышает 3 мм.
Штамповка высокопрочной стали: проблемы и решения
Поскольку облегчение автомобильной промышленности стимулирует внедрение марок AHSS, штамповщики сталкиваются с новыми проблемами, с которыми традиционные инструменты и процессы обработки мягкой стали не могут справиться.
Проблема 1: чрезмерное пружинение
Высокопрочные стали имеют отношение текучести к растяжению 0,65–0,90 (по сравнению с 0,50–0,60 для мягкой стали), что приводит к значительному упругому восстановлению после формовки.
Решения:
– Перегиб на 2–5° в зависимости от уклона (методом проб и ошибок или компенсация, моделируемая FEA).
— используйте вращающиеся инструменты для ги•и, которые контролируют поток материала через зону изгиба.
– Применяйте сервопрессы с программируемой задержкой в нижней мертвой точке для снятия напряжения с детали в штампе.
— создавайте детали с ребрами жесткости или тиснением для фиксации формы.
Проблема 2: ускоренный износ инструмента
Твердые микроструктуры (мартенсит, бейнит) в AHSS истирают поверхности инструмента в 3–10 раз быстрее, чем мягкая сталь.
Решения:
– используйте инструментальную сталь D2 или DC53 с PVD-покрытием (TiAlN или CrN) для умеренных объемов.
– Переход на твердосплавные пластины или инструментальные стали PM (порошковая металлургия) (ASP-23, VANADIS 4E) для крупносерийного производства.
– Увеличьте зазор матрицы до 10–12 % толщины материала (по сравнению с 5–7 % для мягкой стали).
— нанесите сухую смазку или смазку под высоким давлением для уменьшения трения.
Задача 3: Требования к сварке
Марки AHSS требуют тщательного контроля параметров сварки, чтобы избежать размягчения зоны термического влияния (ЗТВ).
Решения:
— использовать контактную точечную сварку с адаптивным контролем тока.
— оптимизируйте силу электрода и время удержания для каждого сорта.
– Рассмотрите возможность использования лазерной сварки для стыковых соединений, где контроль ЗТВ имеет решающее значение.
— проверка прочности сварного шва в соответствии с AWS D8.1M или стандартами OEM.
Проблема 4: Растрескивание при малых радиусах
DP и мартенситные марки имеют ограниченное удлинение (4–14%), что делает изгибы малого радиуса склонными к растрескиванию.
Решения:
– Расчетный минимальный радиус изгиба ≥ 2× толщины материала для DP780; ≥ 4× для DP1180.
— по возможности ориентируйте изгибы перпендикулярно направлению прокатки.
– используйте теплую формовку (200–300 °C) для самых сложных геометрий.
– Рассмотрите возможность изготовления сварных заготовок по индивидуальному заказу – используйте AHSS только там, где необходима прочность, и мягкую сталь в зоне формования.
Варианты обработки поверхности стальных штампованных деталей
Обработка поверхности защищает от коррозии, улучшает внешний вид и улучшает адгезию краски. В таблице ниже сравниваются четыре наиболее распространенных варианта штампованных стальных деталей.
| Обработка | Процесс | Вес/толщина покрытия | Устойчивость к солевому туману (часы) | Адгезия краски | Свариваемость после обработки | Относительная стоимость | Типичное применение |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Электрогальванизация (EG) | Электроосаждение цинка | 5–15 мкм | 200–500 | Отличная | Хорошо | Низкая-средняя | Открытые автомобильные панели |
| Горячее цинкование (GI) | Погружение в расплавленный цинк | 45–90 г/м² (обе стороны) | 300–1,000 | Хорошее (после обработки) | Удовлетворительный | Средний | Панели приборов, HVAC, строительство |
| Фосфатирование (железо или цинк) | Химическая конверсия | 1–3 мкм | 50–150 | Отличная | Хорошо | Очень низкий | Предварительная окраска всех стальных деталей |
| Электропокрытие (e-покрытие) | Электрофоретическая краска | 15–25 мкм | 500–1,000 | Н/Д (это краска) | Плохо | Средний | Днище автомобиля, кронштейны |
| Dacromet / Geomet | Цинк-алюминиевые чешуйки | 6–10 мкм | 500–1,000+ | Удовлетворительный | Удовлетворительный | Средне-высокий | Крепежи, детали подвески, устойчивые к коррозии |
| Порошок покрытие | Электростатическое распыление + обжиг | 60–80 мкм | 1,000+ | Н/Д (это отделка) | Н/Д | Средний | Наружное оборудование, мебель, корпуса |
Руководство по выбору:
– Для автомобильных открытых поверхностей класса А: EG + e-coat + верхнее покрытие.
– Для деталей конструкций, находящихся в агрессивных средах: GI или Dacromet.
– Для экономичных внутренних кронштейнов: фосфатирование + порошковое покрытие.
– Для крепежных изделий, подверженных высокой коррозии: Dacromet или Geomet.
Советы DFM по штамповке стальных деталей
Принципы проектирования для производства снижают стоимость штампа, улучшают качество деталей и сокращают время выполнения заказа. Применяйте эти рекомендации на этапе разработки концепции, чтобы избежать дорогостоящих доработок матрицы в дальнейшем.
Правила геометрии
- Минимальный радиус изгиба: 0,5× толщины материала для мягкой стали CR; 1,0–4,0× для AHSS (зависит от степени).
- Минимальный диаметр отверстия: ≥ толщины материала; Толщина ≥ 2× для отверстий в зонах с растянутыми полками.
- Минимальная ширина фланца: ≥ 3× толщина материала + радиус изгиба.
- Расстояние от надреза до изгиба: ≥ толщина материала + радиус изгиба для предотвращения деформации.
- Ориентация прорези: Перпендикулярно линии сгиба во избежание разрывов.
Руководство по допуску
| Характеристика | Достижимый допуск | с дополнительными операциями |
|---|---|---|
| Заготовленный профиль | ±0,05–0,10 мм | ±0,02 мм (тонкая выру•а или строгание) |
| Положение отверстия | ±0,05 мм | ±0,02 мм (после механической обработки) |
| Угол изгиба | ±1° | ±0,25° (листогибочный пресс с выпуклостью на станке с ЧПУ) |
| Плоскостность | 0,2 мм/100 мм | 0,05 мм/100 мм (штамповка + калибровка) |
| Заусенец на кромке | ≤ 0,10 мм | ≤ 0,03 мм (удаление заусенцев) |
Оптимизация материалов и затрат
- Стандартизируйте калибр всех деталей в сборке, чтобы сократить запасы материалов.
- Эффективное размещение деталей на полосе — для прогрессивных штампов характерен коэффициент использования материала 60–75 %; ниже 55% требует редизайна.
- Рассмотрите возможность объединения нескольких деталей в одну штампованную сборку, чтобы сократить количество деталей и количество операций соединения.
- Указывайте обработку поверхности только там, где это необходимо — выборочное или локализованное покрытие экономит затраты.
- Используйте основные принципы , что такое штамповка металла , чтобы выбрать между прогрессивной матрицей, трансферной матрицей или тандемной линией в зависимости от объема и сложности.
Часто задаваемые вопросы
В чем разница между сталью SPCC и SPCE для штамповки?
SPCC — это холоднокатаная сталь общего назначения с максимальным содержанием углерода 0,12 %, подходящая для простых изгибов и неглубокой вытяжки. SPCE имеет более низкий предел углерода (≤0,08%), меньше марганца (≤0,40%) и значительно более высокое удлинение (≥41% против ≥37%), что делает его намного лучше для операций глубокой вытяжки. SPCE также имеет гарантированное значение r (коэффициент пластической деформации) ≥1,6, что означает, что он устойчив к истончению во время растяжения. Используйте SPCC для кронштейнов и плоских деталей; используйте SPCE, когда деталь требует глубокой вытяжки или сложной формовки.
Когда для штамповки следует использовать горячекатаную сталь вместо холоднокатаной стали?
Выбирайте горячекатаную сталь, если деталь является конструкционной, а не косметической, толщина превышает 3,2 мм (больше, чем у большинства холоднокатаных изделий), жесткие допуски на размеры не требуются или стоимость является основным фактором. Горячекатаная сталь стоит на 15–25% дешевле за тонну и имеет большее удлинение, что помогает при ги•е и формировании толстых профилей. Однако его поверхность прокатной окалины требует пескоструйной обработки или травления перед покраской, а допуски по толщине составляют ±0,10–0,15 мм против ±0,02–0,05 мм для холоднокатаного проката.
Как предотвратить растрескивание при штамповке высокопрочной стали?
Растрескивание в AHSS обычно происходит при радиусах изгиба, которые слишком малы для способности данного сорта к удлинению. Для DP590 расчетный радиус изгиба ≥ 1× толщины материала; для DP780 ≥ 1,5×; для DP980 ≥ 2,5×; а для мартенситных марок (MS1200) — толщина ≥ 5×. Ориентируйте изгибы перпендикулярно направлению прокатки, используйте смазку под высоким давлением и рассмотрите возможность горячей формовки (200–300 °C) для наиболее сложных геометрий. Запуск моделирования FEA до изготовления штампа позволяет заранее выявить риски растрескивания.
Какая обработка поверхности лучше всего подходит для штампованных стальных деталей, находящихся на открытом воздухе?
При длительном воздействии на открытом воздухе горячее цинкование (GI) обеспечивает наилучшее соотношение цены и защиты, обеспечивая устойчивость к солевому туману в течение 300–1000 часов в зависимости от веса покрытия. Для деталей, требующих декоративной отделки, порошковое покрытие на фосфатированной поверхности обеспечивает отличную коррозионную стойкость (более 1000 часов солевого тумана) с возможностью выбора цвета и текстуры. Цинк-алюминиевые чешуйчатые покрытия Dacromet или Geomet идеально подходят для крепежных изделий и мелких деталей, где важны однородность толщины покрытия и риск водородного охрупчивания.
Каков оптимальный коэффициент использования материала для прогрессивной штамповки стали?
Коэффициент использования материала 60–75 % считается подходящим для прогрессивной штамповки стальных деталей. Показатели ниже 55 % предполагают, что компоновку детали следует пересмотреть для оптимизации раскроя — общие улучшения включают поворот ориентации детали, совместное использование линий обрезки между соседними деталями или изменение геометрии несущей полосы. Для простых прямоугольных деталей можно достичь коэффициента использования более 75%. Любой лом обрезков должен быть проверен на предмет выру•и более мелких деталей из той же полосы для вторичного использования.
Заключение
Успешная штамповка стали начинается с подбора марки в соответствии с применением. Мягкая сталь (SPCC–SPCE) позволяет экономично обрабатывать большинство деталей общего назначения, а марки AHSS (DP, TRIP, CP, MS) обеспечивают соотношение прочности к весу, необходимое для автомобильного и промышленного применения, — за счет более жесткого контроля процесса и более жесткой оснастки. Выбор обработки поверхности, допуски и принципы DFM дополнительно определяют, будет ли штампованная стальная деталь обеспечивать надежную работу по конкурентоспособной цене.
Готовы обсудить ваш следующий проект по штамповке стали? Свяжитесь с Metal Stamping Parts Ltd за техническую поддержку, рекомендации по выбору материалов и конкурентоспособное производственное предложение.