Холодная штамповка Super Duplex: расчет упругости и проектирование оснастки

Супердуплексная нержавеющая стальвозвращает примерно в два-три раза большую упругую упругость, чем 316L, при эквивалентной операции холодной-формовки, что обусловлено главным образом высоким соотношением текучести-прочности-к-модулю упругости. В этом руководстве изготовителям и инженерам-инструменталистам представлены методы расчета, сравнительные данные и правила проектирования штампов-, необходимые для соблюдения размерных допусков при первом производственном цикле.

Супердуплексные нержавеющие стали -, главным образом UNS S32750 (SAF 2507) и UNS S32760 -, применяются везде, где важны стойкость к хлоридам и механическая прочность: морские платформы, подводные манифольды, опреснительные трубопроводы и химические технологические сосуды. Их сбалансированная аустенитная-ферритная микроструктура обеспечивает примерно вдвое больший предел текучести по сравнению со стандартными аустенитными марками, такими как 316L, но эта же прочность является причиной того, что холодно-формованные детали отскакивают дальше от геометрии инструмента, чем ожидают производители. Получение правильного угла изгиба на первом изделии - вместо третьего - зависит от правильного расчета упругого возврата и создания компенсации в матрице перед ее резкой. В этой статье рассматриваются оба.

Что затрудняет холодную формовку супердуплексной нержавеющей стали?

Супердуплекс трудно формовать в холодном состоянии, поскольку его предел текучести (более или равный 550 МПа) примерно в 2,5–2,7 раза выше, чем у 316L, а его модуль упругости (≈200 ГПа) почти не изменился -, поэтому деформация, упруго восстанавливающаяся после снятия нагрузки, пропорционально намного больше, что приводит к большей упругости, более высокой требуемой формовочной силе и более узкому безопасному -радиусу изгиба- окно.

Механическим свойством, определяющим упругую отдачу, является не только предел текучести, но и отношение предела текучести к модулю упругости (σy/E). Более высокое соотношение означает, что большая часть общей деформации изгиба материала сохраняется упруго и восстанавливается после втягивания пуансона. В таблице ниже сравниваются три марки, которые чаще всего обсуждаются вместе в производственном цехе.

Таблица 1 - Сравнение механических свойств, относящихся к пружинению при холодном-изгибе. Отношение σy/E и относительная упругость рассчитываются на основе указанных значений прочности и модуля; рассматривать его как руководство по оценке, а не как замену тестирования купонов.

Из таблицы 1 непосредственно следуют три практических следствия:

Радиусы изгиба обычно должны быть больше, чем у эквивалентной аустенитной части, чтобы избежать растрескивания поверхности внешнего волокна, поскольку супердуплекс имеет меньший запас удлинения, чем 316L при данном уровне прочности.

Требования к тоннажу пресса растут примерно пропорционально пределу текучести, поэтому тормоза и матрицы, рассчитанные на работу с 304/316L, часто недостаточно-мощны для супердуплексной стали той же толщины.

Холодная деформация, превышающая около 10% деформации, обычно сопровождается отжигом на раствор и быстрой закалкой как для восстановления фазового баланса аустенит-феррит, так и для восстановления пластичности материала перед дальнейшим формованием.

Как рассчитать упругую отдачу для супердуплексных изгибов?

Используйте уравнение соотношения упругого -радиуса восстановления (Гардинера)- вместе с расчетом допуска на изгиб с коэффициентом K--: вычислите соотношение σy·R/(E·t) для изгиба, найдите свободный радиус после разгрузки, затем преобразуйте изменение радиуса в угловой перегиб. Для типичного изгиба S32750 толщиной 3 мм и внутренним радиусом 3t это прогнозирует угловое пружинение примерно на 3–6 градусов по сравнению с примерно 1–2 градусами для 316L при той же геометрии.

Шаг 1 - Допуск на изгиб и коэффициент K-

Коэффициент K- определяет нейтральную ось изгиба как долю толщины материала, измеренную от внутренней поверхности, и используется для расчета длины в развернутом виде (развертки):

BA=π (R + K·t) (A / 180)

Где BA — допуск на изгиб, R — внутренний радиус изгиба, t — толщина материала, K — коэффициент нейтральной-оси, а A — угол изгиба в градусах. Для листов аустенитной и дуплексной нержавеющей стали в цеховой практике обычно используется K ≈ 0,33 для R < 2t и K ≈ 0,40–0,50 для R больше или равного 2t. Более высокий показатель деформационного-упрочнения супердуплекса немного смещает нейтральную ось в сторону внутреннего радиуса по сравнению со сталью 316L, поэтому коэффициенты K-, полученные из аустенитных таблиц, следует проверять с помощью пробного изгиба, а не предполагать.

Шаг 2 - Коэффициент упругого упругого возврата (уравнение Гардинера)

Для чистого изгиба листа или пластины классическое соотношение упругого-восстановления между радиусом инструмента (нагруженным) Ri и свободным (ненагруженным) радиусом Rf составляет:

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

Это уравнение показывает, почему соотношение σy/E в таблице 1 является управляющей переменной: по мере увеличения σy/E правая - часть падает ниже 1, что означает, что Rf становится больше относительно Ri -, деталь открывается больше после того, как инструмент отпустит ее.

Рабочий пример

Рассмотрим пластину S32750 толщиной 3 мм, изогнутую с внутренним радиусом 9 мм (3t) с σy=550 МПа и 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 - увеличение радиуса на 2,5 % после разгрузки

Тот же расчет для 316L при идентичной геометрии (σy=190 МПа) дает Ri/Rf ≈ 0,9905, что примерно на 40% меньше роста радиуса. Поскольку угловое упругое соединение представляет собой соединение с длиной дуги по всему изгибу, эта разница в радиусах обычно приводит к тому, что требования к угловому перегибу в 2–3 раза больше для супердуплекса, чем для 316L, - в соответствии с зарегистрированными на местах-диапазонами 3–6 градусов по сравнению с 1–2 градусами, используемыми в отрасли.

Шаг 3 - Преобразование в угловой перегиб

Если Rf известен, угол упругого возврата Δ представляет собой разницу между углом инструмента (целевого) и углом, который фактически удерживает свободная часть. Затем инструмент обрезается до начального угла (целевой угол + Δ), так что после упругого восстановления деталь расслабляется до целевого значения. Это значение перегиба -, а не номинальный угол печати -, должно отображаться на чертежах пуансона и штампа.

Какой метод прогнозирования пружинистости наиболее точен?

Аналитические формулы (коэффициент К-плюс Гардинера) достаточно точны для-первого проектирования матрицы и расчета цен; необходимы эмпирические пробные изгибы для доработки оснастки перед производством; а нелинейный анализ методом конечных элементов с калиброванной моделью анизотропного упрочнения является наиболее точным методом и оправдан, когда допуски жесткие, деталь большая или переделка штампа будет дорогостоящей.

Таблица 2 - Сравнение методов прогнозирования упругого возврата для супердуплексной холодной штамповки.

Практический рабочий процесс объединяет все три: используйте аналитические формулы для определения размера штампа и расчета задания, выполните FEA, чтобы уточнить угол перегиба и отметить любой риск растрескивания внешнего волокна, и подтвердите это с помощью физического пробного изгиба материала производственной партии перед резкой закаленного инструмента. Поскольку дуплексные марки демонстрируют изменения предела текучести-к-нагреву в пределах одной и той же спецификации, повторная-проверка упругости при изменении заводского сертификата является хорошей практикой даже для повторяющихся работ.

Как следует спроектировать оснастку, чтобы компенсировать супердуплексное пружинение?

Спроектируйте пуансон и матрицу с учетом угла перегиба, рассчитанного в разделе 2 (а не угла печати), укажите большой внутренний радиус изгиба, по крайней мере, в 3–4 раза превышающий толщину материала, используйте дно или чеканку, а не гибку воздухом, где позволяет тоннаж, и выберите размер пресса в 2–3 раза больше тоннажа, необходимого для эквивалентной детали из 316L.

чрезмерный изгиб

Самый распространенный метод компенсации — это просто обрезать инструмент до большего внутреннего угла, чем требуется для печати, так что упругое восстановление возвращает деталь к целевому углу. Значение перегиба берется непосредственно из Δ в разделе 2, и его следует -перепроверять при каждом изменении толщины материала, партии рулонов или радиуса изгиба.

Дно и чеканка

Гибка воздухом -, при которой пуансон не полностью прижимает материал к матрице -, происходит быстро, но оставляет пружинение практически неконтролируемым, поскольку радиус изгиба не фиксируется инструментом. Дно (полное прилегание детали к стенкам штампа) и чеканка (приложение достаточного усилия для локального восстановления -податливости зоны изгиба) механически ограничивают окончательный радиус и угол, существенно уменьшая разброс упругости. Чеканка требует наибольшего тоннажа из трех методов, но дает наиболее воспроизводимый угол при работе с высокопрочным материалом, например супердуплексом.

Радиус матрицы и радиус вершины пуансона

• Внутренний радиус изгиба: минимальная толщина 3× для листов и пластин S32750/S32760 примерно до 12 мм по сравнению с обычным минимумом толщины 1–2×, используемым для 316L, чтобы избежать растрескивания внешнего-волокна с учетом меньшего запаса удлинения.
• Радиус заплечика штампа: выбран таким образом, чтобы избежать истирания. - Дуплексная работа-быстро затвердевает, поэтому небольшой или острый радиус штампа увеличивает поверхностное сопротивление и может привести к образованию царапин на поверхности пластины, ставя под угрозу слой, -стойкий к пассивной коррозии.
• Отверстие матрицы (ширина V-): обычно толщина 8–10× для стандартной гибки с воздухом/снизу; более узкие отверстия еще больше увеличивают потребность в тоннаже и повышают риск того, что кончик пуансона оставит след на внешней поверхности.

Зазор и смазка

Зазор между пуансоном-и-матрицей должен быть увеличен по сравнению с аустенитной практикой - примерно на 10–15 % больше, чем зазор, используемый для стали 316L той же толщины -, чтобы выдерживать более высокие нагрузки при штамповке без чрезмерного износа инструмента. Требуется смазка для формовки,-не содержащая хлора, предназначенная для нержавеющей стали, как для предотвращения истирания в результате наклепа, так и для предотвращения загрязнения хлоридами, которое может вызвать точечную коррозию после ввода детали в эксплуатацию.

Насколько больше компенсации упругой отдачи требуется для Super Duplex по сравнению с 316L и 2205?

В качестве общего руководства по планированию следует ожидать углового упругого возврата примерно на 1–2 градуса для 316L, 2–4 градуса для стандартного дуплекса 2205 и 3–6 градусов для супердуплекса S32750/S32760 при эквивалентных значениях изгиба 90 градусов -, которые всегда следует подтверждать пробным изгибом или FEA перед резкой производственного инструмента, поскольку фактические значения изменяются в зависимости от толщины, радиуса и партии стана.

Таблица 3 - Сравнительные припуски на холодную-формовку для распространенных семейств нержавеющей стали. Значения представляют собой общие диапазоны производственного-отраслевого планирования и не заменяют испытания- класса и партии-для конкретной партии.

Какой тоннаж пресса и параметры процесса следует указать?

Тоннаж калибровочного пресса с использованием фактического предела текучести материала (не стандартного стандарта для нержавеющей стали), указать V-отверстие матрицы толщиной 8–10 раз, запустить скорость изгиба медленнее, чем для аустенитных марок, чтобы ограничить адиабатический нагрев в зоне изгиба, и провести задание через 100% контроль размеров после упругого возврата, а не полагаться на начальную настройку инструмента.

Обычно используемая формула-тоннажа при изгибе в воздухе:

F = (1.42 × L × σt × t²) / V

Где F — сила в кН, L — длина изгиба в мм, σt — предел прочности в МПа, t — толщина в мм, а V — ширина отверстия матрицы в мм. Поскольку прочность на разрыв супердуплекса (795–930 МПа для S32750) почти вдвое выше, чем у 316L, то же уравнение показывает, что тоннаж примерно удваивается для эквивалентной геометрии -, поэтому многие производители обнаруживают, что существующие инструменты из 316L недооценены-, когда они переходят на супердуплексную пластину той же толщины.

Требуется ли промежуточный отжиг при холодной штамповке?

Да, - отжиг на раствор и быстрая закалка рекомендуются в тех случаях, когда совокупная холодная деформация превышает примерно 10 %, и необходимы после заключительного этапа формования независимо от уровня деформации, чтобы восстановить фазовый баланс аустенита-феррита и полную коррозионную стойкость сплава.

Холодная обработка смещает фазовый баланс супердуплекса от соотношения аустенит-феррита примерно 50/50, что придает этому сплаву совокупную прочность и коррозионные характеристики, и может способствовать охрупчиванию интерметаллических фаз, если материал впоследствии подвергается воздействию повышенной рабочей температуры. В спецификациях завода и производителя для S32750 указана минимальная температура отжига в растворе около 1052 градусов (1925 градусов по Фаренгейту) с последующей быстрой закалкой на воздухе или в воде с последующим травлением и пассивацией для полного восстановления пассивного поверхностного слоя, который может нарушить холодная формовка и любое связанное с ней тепло.

Часто задаваемые вопросы

Насколько пружинит супердуплексная нержавеющая сталь после холодного изгиба?

При типичном изгибе на 90 градусов супердуплексная нержавеющая сталь (UNS S32750/S32760) демонстрирует угловое пружинение примерно 3–6 градусов по сравнению с примерно 1–2 градусами для аустенитной нержавеющей стали 316L той же толщины и радиуса. Точное значение зависит от толщины, радиуса изгиба и фактического предела текучести материала, поэтому его следует подтвердить пробным изгибом.

По какой формуле рассчитывается пружинение при изгибе нержавеющей стали?

Уравнение Гардинера представляет собой стандартную аналитическую формулу: Ri/Rf=4(Ri·σy/E·t)³ − 3(Ri·σy/E·t) + 1, где Ri — радиус инструмента, Rf — свободный радиус после разгрузки, σy — предел текучести, E — модуль упругости, t — толщина материала. Обычно он сочетается с расчетом коэффициента изгиба K--для разработки плоской-схемы.

Каков минимальный радиус изгиба супердуплексной нержавеющей стали?

Минимальный внутренний радиус изгиба, в 3–4 раза превышающий толщину материала, является общей начальной рекомендацией для S32750 и S32760, по сравнению с 1–2-кратным увеличением толщины для 316L, поскольку супердуплекс имеет меньший запас удлинения при более высоком уровне прочности и более склонен к растрескиванию внешнего-волокна при малых радиусах.

Почему супердуплексная нержавеющая сталь требует большего усилия формовки, чем сталь 316L?

Супердуплекс имеет минимальный предел текучести около 550 МПа и предел прочности на разрыв примерно 795–930 МПа для S32750, что почти вдвое превышает значения для 316L. Поскольку сила изгиба зависит от прочности на растяжение, требования к тоннажу пресса возрастают пропорционально - обычно в 2,3–2,7 раза больше тоннажа, необходимого для эквивалентной детали из 316L.

Нуждается ли супердуплексная нержавеющая сталь в отжиге после холодной штамповки?

Да. Отжиг на раствор с последующей быстрой закалкой на воздухе или в воде рекомендуется, если совокупная холодная деформация превышает примерно 10 %, и обычно требуется после заключительного этапа формования для восстановления сбалансированной микроструктуры аустенита-феррита и полной коррозионной стойкости сплава.

Что лучше для прогнозирования пружинения супердуплекса — аналитический расчет или FEA?

Аналитических формул достаточно для ранней оценки и первоначального определения размеров штампа. Нелинейный анализ методом конечных элементов с калиброванной моделью упрочнения является более точным и стоит потраченного времени при работе с деталями с жесткими-допусками, большими или толстыми пластинами, а также с любыми работами, где двойная резка нового инструмента будет дорогостоящей.