Tvarovanie za studena Super Duplex: Výpočet odpruženia a návrh nástrojov

Super duplexná nehrdzavejúca oceľvracia približne dva až trikrát pružnejšie spätné pruženie ako 316L pri ekvivalentnej operácii tvárnenia za studena-, ktorá je poháňaná predovšetkým pomerom vysokého{2}}pevnosti-k-modulu. Táto príručka poskytuje výrobcom a nástrojovým inžinierom metódy výpočtu, porovnávacie údaje a pravidlá-na navrhovanie lisovníc, ktoré sú potrebné na dosiahnutie rozmerovej tolerancie pri prvej výrobe.

Super duplexné nehrdzavejúce ocele -, najmä UNS S32750 (SAF 2507) a UNS S32760 -, sú špecifikované všade tam, kde záleží na odolnosti voči chloridom a mechanickej pevnosti: pobrežné plošiny, podmorské rozvody, odsoľovacie potrubia a nádoby na chemické procesy. Ich vyvážená austenitická-feritická mikroštruktúra poskytuje približne dvojnásobnú medzu klzu v porovnaní so štandardnými austenitickými triedami, ako je 316L, ale rovnaká pevnosť je dôvodom, prečo súčiastky tvarované za studena-vyskočia z geometrie nástroja ďalej, než výrobcovia očakávajú. Správne určenie uhla ohybu na prvom článku - namiesto tretieho - závisí od správneho výpočtu spätného pruženia a zabudovania kompenzácie do matrice pred jej vyrezaním. Tento článok obsahuje obe možnosti.

Čo sťažuje tvarovanie super duplexnej nehrdzavejúcej ocele za studena?

Super duplex sa ťažko tvaruje za studena, pretože jeho medza klzu (väčšia alebo rovná 550 MPa) je zhruba 2,5–2,7-krát vyššia ako 316L, zatiaľ čo jeho modul pružnosti (≈200 GPa) je takmer nezmenený -, takže napätie, ktoré sa elasticky obnoví po odstránení zaťaženia, je proporcionálne oveľa väčšie, čím vzniká väčšie odpruženie a vyššia požadovaná pružnosť bezpečné-okno s polomerom{7}}ohybu.

Mechanická vlastnosť, ktorou sa riadi spätné pruženie, nie je samotná medza klzu, ale pomer medze klzu k modulu pružnosti (σy /E). Vyšší pomer znamená, že väčšia časť celkového ohybového napätia materiálu sa elasticky uloží a obnoví sa, keď sa razník zatiahne. Nasledujúca tabuľka porovnáva tri druhy, o ktorých sa vo výrobnom závode najčastejšie diskutuje.

Tabuľka 1 - Porovnanie mechanických vlastností relevantné pre odpruženie za studena-. pomer σy/E a relatívna spätná pružina sú odvodené z uvedených hodnôt pevnosti a modulu; považovať za sprievodcu odhadom, nie ako náhradu za testovanie kupónov.

Tri praktické dôsledky vyplývajú priamo z tabuľky 1:

Polomery ohybu musia byť vo všeobecnosti väčšie ako ekvivalentná austenitická časť, aby sa zabránilo praskaniu povrchu na vonkajšom vlákne, pretože super duplex má pri danej úrovni pevnosti nižšiu rezervu predĺženia ako 316L.

Požiadavky na tonáž lisu sa zvyšujú približne úmerne k medze klzu, takže brzdy a matrice dimenzované na prácu s objemom 304/316 l sú často pod-napájaním pre superduplex rovnakej hrúbky.

Po deformácii za studena nad približne 10 % deformácie vo všeobecnosti nasleduje rozpúšťacie žíhanie a rýchle ochladzovanie, aby sa obnovila rovnováha austenit-feritovej fázy a aby sa obnovila ťažnosť materiálu pred ďalším tvarovaním.

Ako vypočítate odpruženie pre super duplexné ohyby?

Použite rovnicu pomeru -polomeru -pružnosti (Gardiner) spolu s výpočtom K-faktora ohybu-: vypočítajte pomer σy·R/(E·t) pre ohyb, vyriešte voľný polomer po odľahčení a potom preveďte zmenu polomeru na uhlový prehyb. Pre typický 3 mm ohyb S32750 pri vnútornom polomere 3t to predpovedá približne 3–6 stupňov uhlového odpruženia oproti približne 1–2 stupňom pre 316L pri rovnakej geometrii.

Krok 1 - Prídavok na ohyb a K-faktor

K-faktor lokalizuje neutrálnu os ohybu ako zlomok hrúbky materiálu meranej z vnútorného povrchu a používa sa na výpočet rozvinutej dĺžky (plochého vzoru):

BA=π (R + K·t) (A / 180)

Kde BA je prídavok na ohyb, R je vnútorný polomer ohybu, t je hrúbka materiálu, K je neutrálny -faktor osi a A je uhol ohybu v stupňoch. Pre austenitické a duplexné nehrdzavejúce plechy sa v dielenskej praxi zvyčajne používa K ≈ 0,33 pre R < 2t a K ≈ 0,40–0,50 pre R Väčšie alebo rovné 2t. Exponent tvrdnutia s vyšším napätím v Super duplexe mierne posúva neutrálnu os smerom k vnútornému polomeru v porovnaní s 316L, takže K-faktory odvodené z austenitických tabuliek by sa mali overiť skúšobným ohybom a nie predpokladať.

Krok 2 - Pomer elastického odpruženia (Gardinerova rovnica)

Pre čisté ohýbanie plechu alebo dosky je klasický elastický{0}}vzťah medzi polomerom Ri nástroja (zaťaženým) a voľným (nezaťaženým) polomerom Rf:

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

Táto rovnica ukazuje, prečo je pomer σy/E v tabuľke 1 riadiacou premennou: ako sa σy/E zvyšuje, pravá -strana klesá ďalej pod 1, čo znamená, že Rf sa zväčšuje v porovnaní s Ri -, diel sa po uvoľnení nástroja viac otvára.

Spracovaný príklad

Uvažujme 3 mm platňu S32750 ohnutú na vnútorný polomer 9 mm (3t) s σy=550 MPa a E=200,000 MPa:

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 mm - a 2,5 % nárast polomeru po vyložení

Rovnaký výpočet pre 316L pri rovnakej geometrii (σy=190 MPa) dáva Ri/Rf ≈ 0,9905, približne o 40 % menší nárast polomeru. Pretože zlúčeniny s uhlovým odpružením s dĺžkou oblúka po celom ohybe, tento rozdiel v polomere sa zvyčajne premieta do požiadaviek na uhlové prehnutie, ktoré sú 2- až 3-krát väčšie pre super duplex ako pre 316L -, čo je v súlade s poľami- hlásenými rozsahmi 3 až 6 stupňov oproti 1 až 2 stupňom používaným v celom odvetví.

Krok 3 - Konverzia na uhlové prehnutie

Keď je známe Rf, uhol pruženia Δ je rozdiel medzi uhlom nástroja (cieľovým) a uhlom, ktorý voľná časť skutočne drží. Nástroje sa potom narežú na počiatočný uhol (cieľový uhol + Δ ), takže po elastickom zotavení sa diel uvoľní k cieľu. Táto hodnota prehnutia - nie nominálny uhol tlače - je to, čo by sa malo objaviť na výkresoch razidla a matrice.

Ktorá metóda predpovede Springback je najpresnejšia?

Analytické vzorce (K-faktor plus Gardiner) sú dostatočne presné na prvý-návrh matrice a citovanie; na finalizáciu nástrojov pred výrobou sú potrebné empirické skúšobné ohyby; a nelineárna analýza konečných prvkov s kalibrovaným modelom anizotropného kalenia je najpresnejšia metóda a je opodstatnená vždy, keď je tolerancia tesná, súčiastka je veľká alebo prepracovanie matrice by bolo nákladné.

Tabuľka 2 - Porovnanie metód predpovede pruženia pre super duplexné tvárnenie za studena.

Praktický pracovný postup kombinuje všetky tri: použite analytické vzorce na určenie veľkosti matrice a uvedenie zákazky, spustite FEA na spresnenie uhla prehnutia a označte akékoľvek riziko prasknutia na vonkajšom vlákne a potvrďte fyzickým skúšobným ohybom na výrobnom-materiáli pred rezaním kalených nástrojov. Pretože duplexné triedy vykazujú zmeny medzi medzou klzu-k{3}}teplu v rámci rovnakej špecifikácie, opätovné overenie{4}}odpruženia pri zmene certifikátu frézy je dobrou praxou aj pri opakovanej zákazke.

Ako by mali byť nástroje navrhnuté tak, aby kompenzovali super duplexné odpruženie?

Navrhnite razidlo a matricu podľa uhla prehnutia vypočítaného v časti 2 (nie uhol tlače), špecifikujte veľkorysý vnútorný polomer ohybu s hrúbkou materiálu aspoň 3–4×, používajte radšej spodné ohýbanie alebo razenie ako ohýbanie vzduchom všade tam, kde to tonáž umožňuje, a dimenzujte lis na 2–3× tonáž potrebnú pre ekvivalentný diel 316L.

Prílišné ohýbanie

Najbežnejšou metódou kompenzácie je jednoducho rezanie nástroja do väčšieho uhla, ako vyžaduje tlač, takže elastické zotavenie vráti diel späť do cieľového uhla. Hodnota nadmerného ohybu pochádza priamo z Δ v Časti 2 a mala by sa znova -skontrolovať pri každej zmene hrúbky materiálu, šarže zvitku alebo polomeru ohybu.

Dno a razenie

Ohýbanie vzduchom -, kde razník úplne nedosadá materiál na matricu -, je rýchle, ale pruženie necháva do značnej miery nekontrolované, pretože polomer ohybu nie je fixovaný nástrojmi. Dno (usadenie dielu úplne k stenám lisovnice) a razenie (aplikovanie dostatočnej sily na lokálne obnovenie zóny ohybu) mechanicky obmedzujú konečný polomer a uhol, čím sa podstatne znižuje rozptyl pruženia. Razenie vyžaduje najvyššiu tonáž z troch metód, ale poskytuje najviac opakovateľný uhol na vysokopevnostnom materiáli, ako je super duplex.

Polomer zápustky a polomer priebojníka

• Vnútorný polomer ohybu: minimálna 3× hrúbka pre plech a plech S32750/S32760 až do približne 12 mm oproti bežnému minimu 1–2× hrúbky používanému pre 316L, aby sa predišlo praskaniu vonkajších-vlákien vzhľadom na nižšiu rezervu predĺženia.
• Polomer ramena lisovnice: dimenzovaný tak, aby nedochádzalo k zadretiu - duplexná práca-rýchlo tvrdne, takže malý alebo ostrý polomer lisovnice zvyšuje odpor povrchu a môže narušiť povrch dosky, čím sa ohrozí pasívna vrstva odolná voči korózii-.
• Otvor matrice (V-šírka): zvyčajne 8–10× hrúbka pre štandardné ohýbanie vzduchom/spodkom; užšie otvory ďalej zvyšujú nároky na tonáž a zvyšujú riziko, že priebojník označí vonkajší povrch.

Vôľa a mazanie

Vôľa dierovača-k{1}}zápustke by sa mala oproti austenitickej praxi zväčšiť - približne o 10 – 15 % väčšia ako vôľa používaná pre 316L rovnakej hrúbky -, aby sa prispôsobilo vyššiemu zaťaženiu tvárnenia bez nadmerného opotrebovania nástroja. Vyžaduje sa bezchlórové- tvarovacie mazivo určené pre nehrdzavejúcu oceľ, aby sa zabránilo odieraniu spôsobenému vytvrdzovaním a aby sa zabránilo kontaminácii chloridmi, ktorá by mohla spôsobiť tvorbu jamiek, keď je diel v prevádzke.

O koľko viac kompenzácie odpruženia potrebuje Super Duplex v porovnaní s 316L a 2205?

Ako všeobecný návod na plánovanie očakávajte približne 1–2 stupne uhlového odpruženia pre 316L, 2–4 stupne pre štandardný duplex 2205 a 3–6 stupňov pre super duplex S32750/S32760 na ekvivalentnom 90-stupňovom ohybe -, ktorý by mal byť vždy potvrdený skúšobným ohybom alebo FEA pred zmenou výrobných hodnôt a polomerov s nástrojmi, od r.

Tabuľka 3 - Porovnávacie dávky na tvárnenie za studena-v bežných rodinách nehrdzavejúcej ocele. Hodnoty sú všeobecnými výrobnými-rozsahmi plánovania odvetvia, nie náhradou za testovanie- a šarže-špecifické.

Aké lisovacie tonáže a parametre procesu by sa mali špecifikovať?

Veľkosť lisovacej tonáže s použitím skutočnej medze klzu materiálu (nie je to všeobecná predvolená hodnota z nehrdzavejúcej ocele), špecifikujte otvor V- matrice s hrúbkou 8–10×, rýchlosť ohýbania pomalšie ako pri austenitických triedach, aby sa obmedzilo adiabatické zahrievanie v zóne ohybu, a namiesto spoliehania sa na počiatočné nastavenie nástroja veďte úlohu cez 100 % kontrolu rozmerov po odpružení.

Bežne používaný vzorec tonáže pri vzduchovom-ohybe je:

F = (1.42 × L × σt × t²) / V

Kde F je sila v kN, L je dĺžka ohybu v mm, σt je pevnosť v ťahu v MPa, t je hrúbka v mm a V je šírka otvoru matrice v mm. Pretože super duplexná pevnosť v ťahu (795–930 MPa pre S32750) je takmer dvojnásobná v porovnaní s 316L, rovnaká rovnica ukazuje tonáž zhruba zdvojnásobenie ekvivalentnej geometrie - dôvod, prečo mnohí výrobcovia považujú svoje existujúce nástroje 316L za podhodnotené-, keď prejdú na superduplexnú platňu rovnakej hrúbky.

Je počas tvárnenia za studena potrebné prechodné žíhanie?

Áno - rozpúšťacie žíhanie a rýchle kalenie sa odporúčajú vždy, keď kumulatívna deformácia za studena presiahne približne 10 % deformácie a sú potrebné po poslednom kroku tvárnenia bez ohľadu na úroveň deformácie, aby sa obnovila rovnováha austenitickej-feritovej fázy a úplná odolnosť zliatiny voči korózii.

Práca za studena posúva fázovú rovnováhu superduplexu od pomeru približne 50/50 austenitu-feritu, ktorý tejto triede dodáva kombinovanú pevnosť a koróznu výkonnosť a môže podporovať krehnutie intermetalických fáz, ak je materiál následne vystavený zvýšenej prevádzkovej teplote. Údajové listy mlyna a výrobcu pre S32750 špecifikujú minimálnu teplotu rozpúšťacieho žíhania okolo 1052 stupňov (1925 stupňov F), po ktorej okamžite nasleduje rýchle ochladenie vzduchom alebo vodou s následným morením a pasiváciou, aby sa úplne obnovila pasívna povrchová vrstva, ktorú môže narušiť tvarovanie za studena a akékoľvek súvisiace teplo.

Často kladené otázky

Koľko odpruží super duplexná nehrdzavejúca oceľ po ohýbaní za studena?

Pri typickom ohybe 90 stupňov vykazuje super duplexná nehrdzavejúca oceľ (UNS S32750/S32760) približne 3–6 stupňov uhlového odpruženia v porovnaní s približne 1–2 stupňami pre austenitickú nehrdzavejúcu oceľ 316L pri rovnakej hrúbke a polomere. Presná hodnota závisí od hrúbky, polomeru ohybu a skutočnej medze klzu materiálu, preto by sa mala potvrdiť skúšobným ohybom.

Aký vzorec sa používa na výpočet spätného pruženia pri ohýbaní nehrdzavejúcej ocele?

Gardinerova rovnica je štandardný analytický vzorec: Ri/Rf=4(Ri·σy/E·t)³ − 3(Ri·σy/E·t) + 1, kde Ri je polomer nástroja, Rf je voľný polomer po odľahčení, σy je medza klzu, E je modul pružnosti a t je hrúbka materiálu. Zvyčajne sa spáruje s výpočtom K-faktora ohybu-príspevku na vývoj plochého-vzoru.

Aký je minimálny polomer ohybu pre super duplexnú nehrdzavejúcu oceľ?

Minimálny vnútorný polomer ohybu 3 až 4-násobok hrúbky materiálu je bežným východiskovým odporúčaním pre S32750 a S32760 oproti 1 až 2-násobku hrúbky pre 316L, pretože super duplex má menšiu rezervu predĺženia pri vyššej úrovni pevnosti a je náchylnejší na vonkajšie-praskanie vlákien pri úzkych polomeroch.

Prečo super duplexná nehrdzavejúca oceľ vyžaduje väčšiu tvarovaciu silu ako 316L?

Super duplex má minimálnu medzu klzu približne 550 MPa a pevnosť v ťahu približne 795–930 MPa pre S32750, takmer dvojnásobok hodnôt pre 316L. Keďže ohybová sila sa mení s pevnosťou v ťahu, požiadavky na tonáž lisu sa úmerne zvyšujú - bežne 2,3 až 2,7-násobkom tonáže potrebnej na ekvivalentný diel s objemom 316 l.

Potrebuje super duplexná nehrdzavejúca oceľ po tvárnení za studena žíhanie?

áno. Roztokové žíhanie, po ktorom nasleduje rýchle ochladzovanie vzduchom alebo vodou, sa odporúča, keď kumulatívna deformácia za studena presiahne približne 10 % a vo všeobecnosti sa vyžaduje po poslednom kroku tvárnenia na obnovenie vyváženej mikroštruktúry austenit{2}}feritu a plnej odolnosti zliatiny voči korózii.

Je analytický výpočet alebo FEA lepší na predpovedanie super duplexného odpruženia?

Na skorý odhad a počiatočné dimenzovanie matrice postačujú analytické vzorce. Nelineárna analýza konečných prvkov s kalibrovaným modelom kalenia je presnejšia a stojí za dodatočný čas v prípade dielov s tesnou-toleranciou, veľkých alebo hrubých plechov alebo akejkoľvek práce, pri ktorej by bolo dvojité rezanie nových nástrojov nákladné.