Rozwiązywanie problemów w zakresie ciągliwości krawędzi AHSS

Formowanie krawędzi ciętych z zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości (AHSS) wymaga wysokiej plastyczności krawędzi, w przeciwnym razie krawędzie mogą ulec uszkodzeniu – pękać wzdłuż otworów lub kołnierzy.

Artykuł omawia, w jaki sposób pękanie krawędzi AHSS może występować zarówno w procesie cięcia, jak i formowania – oraz jakie są najlepsze praktyki cięcia, obrabiania i testowania materiałów w celu ograniczenia uszkodzeń krawędzi. Artykuł obejmuje najważniejsze informacje z niedawnego webinarium „Plastyczność krawędzi Docol® z Vili Kesti, starszym specjalistą ds. formowania w SSAB.

Gdzie potrzebna jest plastyczność krawędzi?

Ogólnie rzecz biorąc, plastyczność krawędzi jest potrzebna, gdy krawędzie są formowane. Na przykład w podwoziach samochodowych, części są często mechanicznie cięte lub wycinane stemplem w procesie produkcji seryjnej. Po cięciu występuje wiele różnych sytuacji naprężania krawędzi: na przykład rozszerzanie otworu, formowanie kołnierza, rozciąganie kołnierza itp.

Ponieważ projekty części samochodowych wykonanych ze stali AHSS stają się coraz bardziej złożone, formowanie krawędzi bez pęknięć może stać się coraz większym wyzwaniem – zwłaszcza w przypadku stali AHSS walcowanych na gorąco. Defekty występujące przed formowaniem, np. pęknięcia, również mogą negatywnie wpływać na właściwości zmęczeniowe części.

Przykłady problemów z plastycznością krawędzi AHSS

Przykłady problemów z plastycznością krawędzi AHSS

Oto typowy problem: pęknięcie na krawędzi otworu pojawiło się podczas procesu rozszerzania otworu. Pęknięcie rozpoczęło się w części obwodu otworu, która ma szorstką, ściętą powierzchnię.

Inny przykład problemu z plastycznością krawędzi AHSS

Inny przykład: oto zbliżenie typowego pęknięcia kołnierza w obszarze, w którym podczas formowania wprowadzono duże naprężenia rozciągające.

Oprogramowanie symulacyjne może bardzo skutecznie wykrywać krytyczne obszary (wysokich naprężeń), które pozornie nie wyglądają jak potencjalne obszary pękania.

Procesy cięcia mechanicznego, takie jak wykrawanie otworów stemplem, powodują intensywne umocnienie, a także potencjalnie powstawanie pustek i zadziorów wzdłuż krawędzi cięcia – wszystko to tworzy „strefę wpływu ścinania” (SAZ).

Firma SSAB przeprowadziła pomiary mikrotwardości i ustaliła, że im bliżej powierzchni krawędzi ciętej, tym wyższe wartości umocnienia materiału. Zmniejsza to formowalność krawędzi jeszcze przed rozpoczęciem jakiegokolwiek procesu formowania.

Pustki SAZ mogą powstawać w sąsiedztwie wtrąceń, węglików, granic faz itp., w zależności od mikrostruktury AHSS.

Narzędzia, luzy dla narzędzi tnących i plastyczność krawędzi

Pierwszą najlepszą praktyką podczas formowania jest poznanie (i opracowanie wykresu) szybkości zużycia narzędzia. Szybkość zużycia jest zazwyczaj większa na początku, następnie stabilizuje się, po czym znowu wzrasta. Podobną prawidłowość można zaobserwować w przypadku tworzenia się zadziorów; zob. wykres. W obu przypadkach należy przeprowadzić konserwację narzędzi przed przewidywanym przyspieszeniem zużycia. Zużyte narzędzia mogą znacznie obniżyć współczynniki rozszerzalności otworów (HER) dla niektórych gatunków AHSS.

W miarę możliwości umieść zadziory po wewnętrznej stronie krawędzi. Zadziory na zewnętrznej stronie krawędzi mają tendencję do tworzenia defektów podczas późniejszych operacji gięcia.

Stosowanie optymalnego luzu matrycy dla określonego gatunku AHSS – który w niektórych przypadkach jest wyższy niż norma ISO 16630 HER wynosząca 12% – może zwiększyć wartości HER. Skontaktuj się z producentem AHSS, aby uzyskać informacje na temat luzów cięcia dla określonego gatunku i zastosowania.

Konserwacja narzędzi i stałe luzy cięcia są ze sobą powiązane. Na zużycie narzędzia ma wpływ zarówno luz cięcia, jak i gatunek ciętej stali AHSS. Ważna jest również sztywność narzędzia: sztywność pomaga zapewnić stałe luzy wokół otworów i wzdłuż dłuższych kołnierzy.

Strefę wpływu ścinania można wyeliminować, zmieniając metodę cięcia na wiercenie, obróbkę skrawaniem lub elektrodrążenie wgłębne (EDM). Niestety wiercenie, obróbka skrawaniem i EDM są czasochłonne i nieopłacalne w przypadku dużych serii produkcyjnych. Metody cięcia termicznego, na przykład cięcie laserowe lub plazmowe, mogą poprawić plastyczność krawędzi, ale też tworzyć gradienty twardości ze względu na wytwarzane ciepło.

Wykres narzędzi, luzów narzędzi tnących i plastyczności krawędzi

Dziurowanie wstępne może znacznie poprawić rozszerzalność otworów/formowalność krawędzi

Wiele artykułów technicznych dostarcza dowodów na to, że wstępne dziurowanie, znane również jako dwuetapowe cięcie skrawaniem, może znacznie poprawić współczynniki rozszerzalności otworu AHSS, a tym samym formowalność krawędzi.

W przypadku wstępnego dziurowania, stosuje się pojedynczy, stopniowany stempel lub dwie oddzielne operacje wykrawania do utworzenia początkowego otworu, po którym następuje przycinanie. Żeby uzyskać optymalne wyniki, trzeba starannie dobrać grubość powstałego przyciętego lub wykrojonego pierścienia. Wstępne dziurowanie może znacznie poprawić HER, ale stopień poprawy różni się w zależności od gatunku stali, jak pokazano na tym wykresie.

Dziurowanie wstępne może znacznie poprawić rozszerzalność otworów/formowalność krawędzi

Te same nazwy AHSS, różne plastyczności krawędzi

Plastyczność krawędzi może się znacznie różnić w zależności od gatunku stali, nawet jeśli gatunki mają podobny poziom wytrzymałości. Dostrzegalne są różnice pomiędzy różnymi producentami stali dostarczającymi gatunek stali o takiej samej nazwie.

Ponadto nie ma wyraźnej korelacji między HER a tradycyjną granicą plastyczności, wytrzymałością na rozciąganie lub wydłużeniem. (Warto jednak wspomnieć, że niedawne publikacje sugerują możliwą korelację między odkształceniem rzeczywistej grubości w momencie pęknięcia a HER. Jeśli dodatkowe badania potwierdzą tę korelację, mamy nadzieję, że napiszemy o tym w przyszłym artykule INSIGHTS.)

Na przykład tutaj mamy cztery różne gatunki stali, wszystkie o minimalnej wytrzymałości na rozciąganie 800 MPa. Oczywiście, wybierając odpowiedni gatunek stali, można uzyskać znaczną poprawę właściwości formowania krawędzi.

Kolejna kwestia przy wyborze stali AHSS: w rzeczywistych warunkach warsztatowych utrzymanie stałych luzów cięcia może być trudne. Ta tabela pokazuje, że gatunek Docol® HE (o wysokiej plastyczności krawędzi) ma wyższą jakość krawędzi i lepszą podatność na formowanie w całym zakresie luzów matrycy w porównaniu z tradycyjnymi gatunkami AHSS.

Wykres pudełkowy wyników rozszerzalności otworów HER
Wykres pudełkowy rozszerzalności otworów S355MC w porównaniu z Docol 355 HE, różne luzy [%]

Wykraczając poza ISO 16630: 3-wymiarowe wykresy granic formowania krawędzi

Obecna światowa norma testowania rozszerzalności otworów, ISO 16630, jest szeroko krytykowana za dostarczanie nadmiernie niepewnych i zmiennych wyników.

ISO 16630 uwzględnia tylko jeden określony stan naprężenia/odkształcenia. Ale rzeczywista produkcja często obejmuje różne przypadki obciążenia krawędzi. Nawet w tej samej części samochodowej krawędzie mogą mieć różne stany naprężenia/odkształcenia.

Możemy przy pomocy różnych testów uwzględnić szerszy zakres przypadków naprężenia/odkształcenia, w tym pomiary odkształcenia online z wykorzystaniem cyfrowej korelacji obrazu (DIC). Badacze SSAB stosują następujące testy:

  • Próba Nakajima HE
  • Próba KWi HE
  • Próba diabolo
  • Próba podwójnego zginania
  • Próba rozciągania otworu

Technicy SSAB pracują nad nową koncepcją opisującą „ogólną formowalność krawędzi”. Próbka AHSS poddawana jest wszystkim wymienionym powyżej próbom w celu przetestowania jej w trzech różnych kierunkach (ε1, ε2 i ε3) i stworzenia trójwymiarowego wykresu granicy formowania krawędzi (FLD), wykreślającego granice odkształcenia tuż przed pęknięciem.

Trójwymiarowe wykresy granicy formowania krawędzi są dobrym sposobem wizualnego porównania różnych materiałów i ich ogólnej plastyczności krawędzi. Być może będzie można skutecznie wykorzystać je w symulacjach: zapraszamy do śledzenia najnowszych wiadomości.

Podziałka powierzchni

Czy chcesz dowiedzieć się więcej o 3-wymiarowych wykresach granic formowania krawędzi naszych stali?

A może masz pytania dotyczące określania plastyczności krawędzi dla określonego gatunku AHSS i zastosowania motoryzacyjnego?

180