Холодне формування Super Duplex: розрахунок пружинного повернення та конструкція інструменту

Супер дуплекс з нержавіючої сталіповертає приблизно в два-три рази більшу пружність, ніж 316L в еквівалентній операції холодного-формування, головним чином завдяки високому-відношенню-до-модуля текучості. Цей посібник дає виробникам та інженерам інструментів методи розрахунку, порівняльні дані та правила-проектування штампу, необхідні для досягнення допуску на розміри під час першого виробничого циклу.

Супердуплексна нержавіюча сталь -, головним чином UNS S32750 (SAF 2507) і UNS S32760 -, вказується скрізь, де важлива стійкість до хлориду та механічна міцність: морські платформи, підводні колектори, опріснювальні труби та хімічні технологічні резервуари. Їх збалансована аустенітна-феритна мікроструктура забезпечує приблизно вдвічі більшу межу текучості стандартних аустенітних марок, таких як 316L, але ця ж міцність є причиною того, що деталі холодного{7}}формування відхиляються від геометрії інструменту далі, ніж очікують виробники. Отримання правильного кута згину на першому елементі - замість третього - залежить від правильного розрахунку пружності та внесення компенсації в матрицю перед її вирізанням. У цій статті описано обидва.

Що ускладнює холодну форму з супердуплексної нержавіючої сталі?

Супердуплекс важко формувати в холодному стані, оскільки його межа текучості (більше або дорівнює 550 МПа) приблизно в 2,5–2,7 рази вища, ніж у 316L, тоді як його модуль пружності (≈200 ГПа) майже не змінюється -, тому деформація, яка пружно відновлюється після зняття навантаження, пропорційно набагато більша, створюючи більшу пружину, вищу необхідну силу формування та вужче вікно безпечного-вигину-.

Механічною властивістю, яка визначає пружність, є не лише межа текучості, а відношення межі текучості до модуля пружності (σy /E). Вищий коефіцієнт означає, що більша загальна деформація матеріалу при згині зберігається еластично та відновлюється, коли пуансон втягується. У таблиці нижче порівнюються три класи, які найчастіше обговорюються разом у виробничому цеху.

Таблиця 1 - Порівняння механічних властивостей, що стосуються пружного-вигину в холодному стані. Співвідношення σy/E та відносна пружинна віддача виводяться з наведених значень міцності та модуля; розглядати як орієнтир для оцінки, а не як заміну тестування купона.

Три практичні наслідки випливають безпосередньо з таблиці 1:

Радіуси вигину, як правило, повинні бути більшими, ніж еквівалентна аустенітна частина, щоб уникнути розтріскування поверхні на зовнішньому волокні, оскільки супердуплекс має нижчий запас подовження, ніж 316L при заданому рівні міцності.

Вимоги до потужності преса зростають приблизно пропорційно межі текучості, тому гальма та матриці розміром 304/316L часто мають недостатню потужність для супердуплексу такої ж товщини.

Холодна деформація понад приблизно 10% деформації, як правило, супроводжується відпалом у розчині та швидким гартом як для відновлення фазового балансу аустеніт-ферит, так і для відновлення пластичності матеріалу перед подальшим формуванням.

Як розрахувати пружинну віддачу для супердуплексних вигинів?

Використовуйте рівняння-відношення радіуса-відновлення (Гардінера) разом із розрахунком допуску-коефіцієнта K-вигину-: обчисліть співвідношення σy·R/(E·t) для вигину, знайдіть вільний радіус після розвантаження, а потім перетворіть зміну радіуса в кутовий перегин. Для типового вигину S32750 3 мм із внутрішнім радіусом 3t, це передбачає приблизно 3–6 градусів кутового стрибка проти приблизно 1–2 градусів для 316L з такою ж геометрією.

Крок 1 - Припуск на згин і K-фактор

Коефіцієнт K- визначає нейтральну вісь згину як частку товщини матеріалу, виміряну від внутрішньої поверхні, і використовується для обчислення довжини розгорнутої (пласкої моделі):

BA=π (R + K·t) (A / 180)

Де BA – припуск на згин, R – внутрішній радіус згину, t – товщина матеріалу, K – коефіцієнт нейтральної -осі, а A – кут згину в градусах. Для аустенітного та дуплексного нержавіючого листового матеріалу цехова практика зазвичай використовує K ≈ 0,33 для R < 2t і K ≈ 0,40–0,50 для R більше або дорівнює 2t. Порівняно з 316L вищий показник-деформаційного зміцнення супердуплексу зміщує нейтральну вісь до внутрішнього радіуса, тому K-фактори, отримані з аустенітних таблиць, слід перевіряти за допомогою пробного згину, а не припускати.

Крок 2 - Коефіцієнт пружної пружини (рівняння Гардінера)

Для чистого згинання листа або плити класичне пружне{0}}зв’язок відновлення між радіусом інструмента (під навантаженням) Ri та вільним (без навантаження) радіусом Rf є:

Ri / Rf=4 (Ri·σy / E·t)³ − 3 (Ri·σy / E·t) + 1

Це рівняння показує, чому співвідношення σy/E у таблиці 1 є керуючою змінною: зі збільшенням σy/E права-бічна сторона падає далі нижче 1, тобто Rf зростає відносно Ri - деталь відкривається більше після того, як інструмент відпускає її.

Спрацьований приклад

Розглянемо пластину S32750 товщиною 3 мм, зігнуту до внутрішнього радіуса 9 мм (3t) із σy=550 МПа та E=200,000 МПа:

Ri·σy / (E·t)=(9 × 550) / (200 000 × 3)=4,950 / 600,000=0.00825

Ri/Rf=4(0,00825)³ − 3(0,00825) + 1=0.00000226 − 0.02475 + 1=0.9753

Rf=Ri / 0.9753=9.23 мм - зростання радіуса на 2,5% після розвантаження

Той самий розрахунок для 316L при ідентичній геометрії (σy=190 МПа) дає Ri/Rf ≈ 0,9905, приблизно на 40% менше зростання радіуса. Оскільки кутова пружність поєднується з довжиною дуги над повним вигином, ця різниця радіусів зазвичай перетворюється на вимоги до кутового вигину в 2–3 рази більші для супердуплексу, ніж для 316L - відповідно до-повідомлених діапазонів 3–6 градусів проти 1–2 градусів, що використовуються в галузі.

Крок 3 - Перетворення на кутовий перегин

Коли Rf відомий, кут пружності Δ є різницею між кутом інструмента (мішені) і кутом, який фактично утримує вільна частина. Потім інструмент обрізають до початкового кута (цільовий кут + Δ), щоб після пружного відновлення деталь розслабилася до цілі. Це значення перегину -, а не номінальний кут друку -, це те, що має відображатися на кресленнях штампу та матриці.

Який метод прогнозування пружинного повернення є найточнішим?

Аналітичні формули (коефіцієнт K- плюс Гардінер) є достатньо точними для-проектування матриці та котирування; необхідні емпіричні пробні згини для завершення обробки інструменту перед виробництвом; а нелінійний аналіз кінцевих елементів із каліброваною анізотропною моделлю зміцнення є найточнішим методом і виправданий, коли допуск є жорстким, деталь велика або переробка штампу буде дорогою.

Таблиця 2 - Порівняння методів прогнозування пружності для супердуплексного холодного формування.

Практичний робочий процес поєднує в собі всі три: використовуйте аналітичні формули для визначення розміру матриці та оцінки завдання, запустіть FEA, щоб уточнити кут перегину та позначити будь-який ризик розтріскування на зовнішньому волокні, а також підтвердьте фізичним пробним згином на матеріалі-серії перед різанням загартованого інструменту. Оскільки дуплексні сорти демонструють-від-нагрівання межі текучості в межах однієї специфікації, повторна{4}}перевірка пружності при зміні сертифіката заводу є хорошою практикою навіть для повторної роботи.

Як мають бути розроблені інструменти, щоб компенсувати супердуплексну пружину?

Розробіть пуансон і матрицю відповідно до кута перегину, розрахованого в Розділі 2 (а не кута друку), вкажіть великий внутрішній радіус вигину, щонайменше 3–4× товщини матеріалу, використовуйте карбування або карбування, а не повітряне згинання, де це дозволяє тоннаж, і розмір преса для 2–3× тоннажу, необхідного для еквівалентної деталі 316L.

Перегинання

Найпоширенішим методом компенсації є просто різання інструмента під кутом, більшим, ніж вимагає друк, щоб еластичне відновлення повернуло деталь до цільового кута. Значення перегину надходить безпосередньо з Δ у Розділі 2, і його слід -перевіряти щоразу, коли змінюється товщина матеріалу, партія котушки або радіус вигину.

Дно та карбування

Повітряне згинання -, коли пуансон не повністю прилягає до матриці -, відбувається швидко, але залишає відкат в основному неконтрольованим, оскільки радіус згину не фіксується інструментами. Закріплення дна (прилягання деталі до стінок матриці) і карбування (прикладення достатньої сили для локального відновлення зони згину) механічно обмежують кінцевий радіус і кут, суттєво зменшуючи розкид пружини. Для карбування потрібен найвищий тоннаж із трьох методів, але він дає найбільш повторюваний кут для високо-міцного матеріалу, такого як супердуплекс.

Радіус матриці та радіус носа пуансона

• Внутрішній радіус вигину: мінімальна товщина 3× для листів і плит S32750/S32760 приблизно до 12 мм, у порівнянні зі стандартною мінімальною товщиною 1–2× для 316L, щоб уникнути розтріскування зовнішніх-волокон, враховуючи нижчий запас подовження.
• Радіус плеча матриці: має розмір, щоб уникнути подряпин - двостороння робота-швидко твердне, тому малий або гострий радіус матриці збільшує опір поверхні та може порізати поверхню пластини, погіршуючи пасивний-корозійно-стійкий шар.
• Отвір матриці (ширина V-): зазвичай товщина 8–10× для стандартного повітряного/нижнього згинання; більш вузькі отвори ще більше підвищують попит на тоннаж і збільшують ризик того, що зовнішня поверхня буде позначена перфорацією.

Зазор і змащення

Зазор-до-штампу має бути збільшений порівняно з аустенітною практикою - приблизно на 10–15% більше, ніж зазор, який використовується для 316L такої ж товщини -, щоб відповідати вищим навантаженням формування без надмірного зносу інструменту. Потрібне мастило, що не містить хлору, призначене для нержавіючої сталі, як для запобігання истиранию внаслідок нагартування, так і для запобігання забруднення хлоридами, яке може ініціювати точкову точку після експлуатації деталі.

Наскільки більше пружинної компенсації потрібно Super Duplex порівняно з 316L і 2205?

Як загальне керівництво з планування, очікуйте приблизно 1–2 градуси кутової пружини для 316L, 2–4 градуси для стандартного дуплексу 2205 та 3–6 градусів для супердуплексу S32750/S32760 на еквівалентному згині на 90 градусів - цифри, які завжди повинні бути підтверджені пробним згином або FEA перед різанням виробничого інструменту, оскільки фактичні значення змінюються з товщиною, радіусом і млин багато.

Таблиця 3 - Порівняльні допуски на холодне формування- для поширених сімейств нержавіючої сталі. Значення є загальними-галузевими плановими діапазонами виробництва, а не заміною випробувань- і партій-спеціальних.

Який тоннаж преса та параметри процесу слід вказати?

Вимірюйте тоннаж преса, використовуючи фактичну межу текучості матеріалу (а не загальну нержавіючу сталь за замовчуванням), вкажіть V-отвір матриці товщиною 8–10×, запустіть швидкість згинання повільніше, ніж для аустенітних сортів, щоб обмежити адіабатичне нагрівання в зоні згину, і проведіть роботу через 100% перевірку розмірів після відкидання, а не покладайтеся на початкове налаштування інструменту.

Зазвичай використовувана формула тоннажу-повітряного вигину така:

F = (1.42 × L × σt × t²) / V

Де F — сила в кН, L — довжина вигину в мм, σt — міцність на розрив у МПа, t — товщина в мм, а V — ширина отвору матриці в мм. Оскільки супердуплексна міцність на розрив (795–930 МПа для S32750) майже вдвічі більша, ніж у 316L, те саме рівняння показує, що тоннаж приблизно подвоюється для еквівалентної геометрії - причина, чому багато виробників вважають, що їхні існуючі інструменти 316L занижуються-якщо вони переходять до супердуплексної пластини тієї ж товщини.

Чи потрібен проміжний відпал під час холодного формування?

Так - відпал у розчині та швидке загартування рекомендовані щоразу, коли сукупна холодна деформація перевищує приблизно 10 % деформації, і необхідні після останнього етапу формування незалежно від рівня деформації, щоб відновити фазовий баланс аустеніту-фериту та повну стійкість сплаву до корозії.

Холодна обробка зміщує фазовий баланс супердуплексу зі співвідношенням аустеніт-ферит приблизно 50/50, що надає марці комбіновану міцність і корозійні характеристики, і може сприяти окрихченню інтерметалічних фаз, якщо матеріал згодом піддається дії підвищеної робочої температури. Листи даних заводу та виробника для S32750 вказують мінімальну температуру відпалу розчину приблизно 1052 градуси (1925 градусів F) з наступним швидким загартовуванням на повітрі або воді з подальшим травленням і пасивацією для повного відновлення пасивного поверхневого шару, який може порушити холодне формування та будь-яке пов’язане з цим тепло.

Часті запитання

Наскільки супердуплексна нержавіюча сталь відпружується після холодного згинання?

На типовому вигині під кутом 90 градусів супердуплексна нержавіюча сталь (UNS S32750/S32760) демонструє кутовий відкат приблизно на 3–6 градусів у порівнянні з приблизно 1–2 градусами для аустенітної нержавіючої сталі 316L за тієї ж товщини та радіуса. Точне значення залежить від товщини, радіуса згину та фактичної межі текучості матеріалу, тому його слід підтвердити пробним згином.

Яка формула використовується для розрахунку пружності при згинанні нержавіючої сталі?

Рівняння Гардінера є стандартною аналітичною формулою: Ri/Rf=4(Ri·σy/E·t)³ − 3(Ri·σy/E·t) + 1, де Ri — радіус інструменту, Rf — вільний радіус після розвантаження, σy — межа текучості, E — модуль пружності, а t — товщина матеріалу. Зазвичай він поєднується з розрахунком допуску-коефіцієнта K-згину для розробки плоскої-схеми.

Який мінімальний радіус вигину для супердуплексної нержавіючої сталі?

Мінімальний внутрішній радіус вигину в 3-4 рази більше товщини матеріалу є загальною початковою рекомендацією для S32750 і S32760 проти 1-2-кратної товщини для 316L, тому що супердуплекс має менший запас подовження на вищому рівні міцності та більш схильний до розтріскування зовнішніх-волокон при малих радіусах.

Чому супердуплексна нержавіюча сталь вимагає більшої сили формування, ніж 316L?

Супер дуплекс має мінімальну межу текучості приблизно 550 МПа та міцність на розрив приблизно 795–930 МПа для S32750, що майже вдвічі перевищує значення для 316L. Оскільки сила згину залежить від міцності на розтяг, вимоги до вантажопідйомності преса зростають пропорційно - зазвичай у 2,3-2,7 рази від вантажопідйомності, необхідної для еквівалентної деталі 316L.

Чи потребує супердуплексна нержавіюча сталь відпал після холодного формування?

так Відпал у розчині з наступним швидким загартовуванням повітрям або водою рекомендується, коли сукупна холодна деформація перевищує приблизно 10%, і зазвичай необхідний після останнього етапу формування для відновлення збалансованої мікроструктури аустеніту-фериту та повної стійкості сплаву до корозії.

Аналітичний розрахунок чи FEA кращий для прогнозування наддуплексного стрибка?

Аналітичних формул достатньо для ранньої оцінки та початкового визначення розміру матриці. Нелінійний аналіз кінцевих елементів із каліброваною моделлю зміцнення є більш точним і вартий додаткового часу для деталей із вузькими-допусками, великої чи товстої пластини чи будь-якої роботи, де двічі нарізати новий інструмент було б дорого.