новости

В чем разница между штамповкой и глубокой вытяжкой? Руководство по сравнению процессов

Штамповка и глубокая вытяжка — это оба процесса формовки листового металла, но они служат принципиально разным целям: штамповка использует высокое усилие для резки, гибки или пробивки плоского листового металла в заданную форму, в то время как глубокая вытяжка использует растягивающие и сжимающие усилия для втягивания листового металла в трёхмерную полую полость. На практике штамповка позволяет получать плоские или слегка формованные детали, такие как кронштейны и шайбы, тогда как глубокая вытяжка позволяет получать бесшовные чашеобразные или коробчатые компоненты, такие как корпуса батарей и мойки. Ключевое различие заключается в течении материала: штамповка основана на срезе и деформации без значительного перемещения материала, в то время как глубокая вытяжка намеренно растягивает и сжимает заготовку, чтобы увеличить глубину сверх её диаметра.

В чём основные технологические различия между штамповкой и глубокой вытяжкой?

Штамповка охватывает семейство операций — вырубку, пробивку, гибку, чеканку и тиснение — выполняемых на прессе с парными штампами. Материал обычно неподвижен относительно штампа, а пуансон движется вертикально, чтобы срезать или деформировать лист. Глубокая вытяжка, напротив, является специфическим подтипом штамповки, при котором пуансон вдавливает плоскую заготовку в полость матрицы, заставляя фланец течь радиально внутрь под контролируемым давлением прижима. Критическим параметром является коэффициент вытяжки (диаметр заготовки, делённый на диаметр пуансона); коэффициент выше 1,5–2,0 обычно требует глубокой вытяжки, а не простой штамповки. Например, штамповка стального кронштейна толщиной 1,0 мм с отверстием 10 мм занимает 0,5 секунды, в то время как глубокая вытяжка чашки диаметром 50 мм и глубиной 40 мм из того же материала занимает 1,2 секунды из-за многооперационной оснастки и контроля течения материала.

Как толщина материала влияет на выбор процесса?

Толщина материала напрямую определяет, является ли штамповка или глубокая вытяжка экономически целесообразной. Штамповка может обрабатывать толщины от 0,1 мм (фольга) до 6,0 мм (толстый лист) стандартной оснасткой, но глубокая вытяжка обычно ограничена 0,3–3,0 мм для большинства серийных деталей, поскольку более толстые материалы требуют экспоненциально более высоких усилий прижима и рискуют разрывом на радиусе пуансона. Например, лист алюминия 5052 толщиной 2,0 мм можно вытянуть на глубину 30 мм с диаметром 60 мм за один ход, но стальной лист толщиной 4,0 мм с теми же размерами растрескается из-за недостаточного втягивания фланца. На нашем заводе мы рекомендуем штамповку для толщин свыше 3,0 мм, если только отношение глубины к диаметру детали не ниже 0,5, в этом случае мелкая штамповка с вытяжным штампом всё ещё возможна.

Какие допуски может обеспечить каждый процесс?

Штамповка обеспечивает более жёсткие допуски на плоских элементах: позиционирование отверстий в пределах плюс/минус 0,05 мм, углы гибки в пределах плюс/минус 0,5 градуса, а качество кромки среза с высотой заусенца менее 0,08 мм для материала толщиной до 1,5 мм. Допуски глубокой вытяжки на стенках и дне более свободные из-за пружинения и изменения толщины: прямолинейность боковой стенки обычно составляет плюс/минус 0,15 мм на 50 мм глубины, а толщина стенки может варьироваться на плюс/минус 10% от номинала. Для чашки из нержавеющей стали толщиной 1,0 мм, полученной глубокой вытяжкой, толщина дна может уменьшиться до 0,85 мм на радиусе скругления пуансона, в то время как фланец остаётся 1,0 мм. Если ваша конструкция требует запрессовки подшипника, штамповка — лучший выбор; если вам нужен герметичный бесшовный цилиндр, глубокая вытяжка обязательна.

Какие материалы подходят для штамповки, а какие для глубокой вытяжки?

Штамповка работает практически с любым пластичным металлом: низкоуглеродистая сталь (DC01, SPCC), нержавеющая сталь (304, 316), алюминий (5052, 6061), медь, латунь и даже титан в тонких листах. Глубокая вытяжка требует более высокого относительного удлинения и более низкого предела текучести: алюминиевые сплавы 3003 и 5052 отлично подходят, в то время как 6061-T6 склонен к растрескиванию; холоднокатаная сталь (SPCC, DC04) идеальна, но высокопрочные стали выше 590 МПа требуют нагрева оснастки. Например, глубокая вытяжка латуни (C26000) толщиной 0,8 мм на глубину 25 мм с диаметром 20 мм является обычной операцией, но та же геометрия из алюминия 7075-T6 приведёт к отказу, поскольку его относительное удлинение составляет всего 11% против 45% у латуни. Стоимость материала также различается: отходы при штамповке могут составлять 30–50% от заготовки, в то время как отходы при глубокой вытяжке составляют всего 10–20%, поскольку заготовка ближе к конечной форме, но глубокая вытяжка требует более дорогих смазок и покрытий штампов.

Как соотносятся стоимость оснастки и сроки поставки?

Оснастка для штамповки, как правило, проще и дешевле для плоских деталей: последовательный штамп для кронштейна стоит 5 000–15 000 долларов США со сроком изготовления 3–5 недель, в то время как совмещённый штамп для шайбы стоит 2 000–6 000 долларов США. Оснастка для глубокой вытяжки более сложна из-за пуансона, матрицы, прижима и вытяжных рёбер: однооперационный вытяжной штамп для чашки стоит 8 000–20 000 долларов США, а многооперационный штамп (три и более вытяжек) может достигать 30 000–60 000 долларов США со сроком изготовления 6–10 недель. Однако оснастка для глубокой вытяжки служит дольше, поскольку усилия распределяются по большей площади контакта — закалённый вытяжной штамп из стали D2 может произвести 500 000 деталей до восстановления, в то время как штамповочный пуансон для пробивки может требовать заточки каждые 100 000 ударов. Для малых объёмов до 1 000 деталей штамповка с лазерной резкой заготовки более экономична; для объёмов свыше 50 000 деталей более низкая себестоимость детали при глубокой вытяжке (0,05 доллара против 0,12 доллара для чашки диаметром 40 мм) оправдывает инвестиции в оснастку.

Когда следует выбирать штамповку вместо глубокой вытяжки?

Выбирайте штамповку, когда деталь по сути плоская, имеет отверстия или изгибы или требует жёстких допусков на плоскостность — например, радиаторные рёбра, ЭМС-экраны или монтажные пластины. Выбирайте глубокую вытяжку, когда деталь представляет собой полый сосуд с глубиной более половины диаметра, например, корпуса топливных фильтров, корпуса датчиков или кухонную посуду. Решение также зависит от скорости производства: штамповочный пресс работает со скоростью 50–200 ходов в минуту, в то время как пресс для глубокой вытяжки — 10–30 ходов в минуту, поскольку пуансон должен двигаться медленнее, чтобы избежать разрыва. Если ваша годовая потребность составляет 10 000 штук чашки диаметром 30 мм и глубиной 20 мм, штамповка с мелким вытяжным штампом (коэффициент вытяжки 1,3) возможна, но для глубины 60 мм (коэффициент вытяжки 2,0) требуется специализированная глубокая вытяжка с двумя или тремя операциями.

Почему геометрия детали определяет выбор процесса?

Отношение глубины детали (H) к диаметру детали (D) является основным определяющим фактором: если H/D меньше 0,5, это мелкая вытяжка, которую можно выполнить на штамповочном прессе; если H/D находится между 0,5 и 1,0, это средняя вытяжка, требующая специализированного вытяжного пресса; если H/D превышает 1,0, это глубокая вытяжка, требующая нескольких операций и отжига между ними для таких материалов, как нержавеющая сталь. Например, чашка диаметром 20 мм и глубиной 10 мм (H/D = 0,5) может быть отштампована за один удар, но чашка диаметром 20 мм и глубиной 30 мм (H/D = 1,5) требует трёх вытяжек с промежуточным отжигом, что увеличивает стоимость на 40%. Кроме того, острые внутренние углы с радиусом менее 1,0 мм невозможны при глубокой вытяжке, поскольку материал чрезмерно утоняется; штамповка может обеспечить радиусы углов 0,2 мм на гибах и пробитых отверстиях. Всегда предоставляйте 3D-модель с минимальным углом наклона стенок 0,5 градуса для стенок, полученных глубокой вытяжкой, чтобы обеспечить извлечение детали.

Каковы распространённые дефекты и как их предотвратить?

Дефекты штамповки включают заусенцы на кромках среза, пружинение на гибах и уход размеров отверстий. Высота заусенца может контролироваться ниже 0,05 мм путём поддержания зазора между пуансоном и матрицей на уровне 5–10% от толщины материала; пружинение для гибов на 90 градусов в стали толщиной 1,0 мм составляет 2–3 градуса и компенсируется перегибом в штампе. Дефекты глубокой вытяжки включают гофрообразование на фланце, разрыв на радиусе пуансона и фестоны (неровная верхняя кромка). Гофрообразование предотвращается увеличением давления прижима до 1,5–2,5 МПа для стали; разрыв предотвращается обеспечением коэффициента вытяжки ниже предела материала (1,8 для алюминия, 2,2 для низкоуглеродистой стали) и использованием радиуса пуансона не менее 4 толщин материала. Фестоны в алюминии можно уменьшить, используя перекрёстно-прокатанный лист с коэффициентом ориентации зёрен ниже 1,05.

Какова разница в себестоимости детали для типичной чашки, полученной глубокой вытяжкой?

Для чашки диаметром 40 мм и глубиной 25 мм из стали SPCC толщиной 0,8 мм штамповка с однооперационным вытяжным штампом стоит приблизительно 0,12 доллара за деталь при объёме 10 000 штук, в то время как глубокая вытяжка с двухоперационным штампом стоит 0,08 доллара за деталь при объёме 50 000 штук. Точка безубыточности составляет около 15 000 штук, выше которой более низкое время цикла и экономия материала при глубокой вытяжке становятся доминирующими. Амортизация оснастки добавляет 0,05 доллара на деталь для штамповки и 0,03 доллара на деталь для глубокой вытяжки при указанных объёмах.

Можно ли выполнять глубокую вытяжку на стандартном штамповочном прессе?

Да, но только для мелкой вытяжки с отношением H/D ниже 0,5 и с использованием гидравлического пресса с системой подушки для контроля прижима. Стандартный механический штамповочный пресс не имеет регулируемого профиля скорости и давления, необходимых для глубокой вытяжки, что создаёт риск гофрообразования или разрывов. Для производства свыше 500 деталей в день мы рекомендуем специализированный двухдействующий гидравлический вытяжной пресс усилием 200 тонн для стальных деталей толщиной 1,0 мм диаметром до 100 мм.

Какой процесс обеспечивает лучшее качество поверхности?

Глубокая вытяжка, как правило, даёт более гладкую поверхность на наружных стенках, поскольку материал растягивается под давлением, достигая Ra 0,4–0,8 мкм, в то время как штампованные кромки имеют зону среза с Ra 1,6–3,2 мкм. Однако штамповка обеспечивает лучшее качество на плоских поверхностях, поскольку матрица полирует верхнюю грань. Для декоративных деталей, таких как корпуса бытовой техники, предпочтительна глубокая вытяжка с полированной матрицей (Ra 0,2 мкм), но на внутренней поверхности будут видны следы от пуансона.

Как смазка влияет на качество глубокой вытяжки?

Смазка имеет решающее значение: хлорированное или сульфурированное масло вязкостью 100–150 сСт при 40 градусах Цельсия снижает коэффициент трения до 0,08–0,12, что позволяет выполнять более глубокие вытяжки. Без смазки коэффициент возрастает до 0,2 и выше, увеличивая риск надиров и ограничивая коэффициент вытяжки на 20%. Для нержавеющей стали используется покрытие из дисульфида молибдена при температурах до 200 градусов Цельсия; для алюминия водорастворимая эмульсия предотвращает налипание на матрицу.

Какова минимальная толщина стенки, достижимая при глубокой вытяжке?

Минимальная толщина стенки составляет приблизительно 0,3 мм для алюминия и 0,2 мм для нержавеющей стали, но дно чашки будет утоняться на 10–20% из-за растяжения. Для алюминиевой чашки толщиной 0,3 мм дно может составлять 0,24 мм на радиусе скругления, что может вызвать точечные утечки при высоком давлении. Мы рекомендуем указывать номинальную толщину 0,5 мм или более для деталей, требующих герметичности при давлении выше 1 МПа.

Когда требуется отжиг между операциями глубокой вытяжки?

Отжиг требуется, когда суммарное уменьшение толщины превышает 50%, обычно после второй вытяжки для нержавеющей стали (304) и после третьей вытяжки для алюминия 5052. Например, чашка глубиной 60 мм из стали толщиной 1,0 мм требует трёх вытяжек; отжиг при 700 градусах Цельсия в течение 10 минут после второй вытяжки восстанавливает относительное удлинение с 25% до 55%. Пропуск отжига вызывает растрескивание на радиусе пуансона с процентом отказов, превышающим 30% в наших производственных испытаниях.

Как выбрать между штамповкой и глубокой вытяжкой для новой детали?

Во-первых, измерьте глубину и диаметр детали, чтобы рассчитать отношение H/D; если оно выше 0,5, глубокая вытяжка обязательна. Во-вторых, проверьте минимальный радиус угла — если он ниже 1,0 мм, измените конструкцию или используйте штамповку с отдельной деталью дна. В-третьих, запросите анализ технологичности (DFM) у наших инженеров, которые смоделируют коэффициент вытяжки и предоставят разбивку затрат в течение 24 часов. Мы произвели более 2 миллионов компонентов глубокой вытяжкой для клиентов в автомобильной и электронной промышленности с 2004 года, с выходом годного с первого предъявления 98,5% на многооперационных вытяжках.

Для точного расчёта стоимости отправьте ваш 2D- или 3D-файл CAD с указанием материала и годового объёма. Наша инженерная команда ответит в течение 12 часов с рекомендациями по процессу, стоимостью оснастки и ценой за деталь. Свяжитесь с нами по адресу sc@bquq.com или WhatsApp +86 13713157787, или посетите www.bquq.com для получения дополнительных примеров и руководств по проектированию.

Похожие Статьи

• Точная штамповка металла: допуски, материалы и правила проектирования
• Компенсация пружинения в штамповке металла: руководство по проектированию и моделированию
• Механизмы отказов при многофизическом сопряжении в процессе штамповки и систематические стратегии предотвращения