Процесс листовой штамповки известен уже давно. На протяжении своей истории он совершенствовался, усложнялся, автоматизировался, вовлекая в свое развитие новые материалы и технологии. И до сих пор этот процесс требует исключительных знаний, умений и опыта, и объединяет множество людей для решения сложных и многогранных задач. В этой статье мы начнем цикл о штамповке со свойств материалов и их влияния на процесс.

Менеджер

Немного о штамповке

Впервые о штамповке заговорили в 16 веке, когда совершенствовали производство монет. До этого времени использовалась чеканка, которая была известна еще со времен лидийцев, проживавших на территории современной Турции. Позднее был разработан серийный процесс штамповки деталей велосипедов, который получил распространение во многих странах. Современная штамповка ушла далеко вперед. Высокотехнологичное оборудование, использующее множество автоматических функций, более сложная подготовка к процессу настройки, дальнейшего производства и обслуживания, обеспечению безопасности, усовершенствованные измерение и контроль качества готовой детали. Все это требует от специалистов и вовлеченного персонала исключительных компетенций и опыта.

Штамповка — процесс деформирования стального листа или полосы для получения деталей, пригодных к дальнейшей окраске или сборке. Это может быть операция в одну стадию, когда детали придают нужную форму, а может быть многостадийный процесс, если требуется более сложная геометрия и дальнейшая обработка.

Эффективность производства зависит от многих параметров. Чем правильнее они подобраны, тем точнее получается деталь и меньше возникает брака.

Начнем со стали

Ранее мы писали о том, какие бывают стали и какими свойствами они обладают. Мягкие стали традиционно используются в автомобильной отрасли, в том числе для лицевых деталей автомобиля. Для деталей под нагрузкой требуется более прочный прокат, а постоянное стремление инженеров к снижению веса кузова привело к появлению семейства новых высокопрочных сталей AHSS (от англ. Advanced high-strength steels). Материалы высокой прочности, особенно гигастали — это вызов для штамповщиков и производителей современных штампов.

При использовании AHSS необходимо учитывать более высокие нагрузки на технологическое оборудование: как штампы, изгибо- растяжные машины, линии вырубки и продольной резки заготовок. Повышаются требования к энергетической составляющей, производительности, техническому обслуживанию и износу штампов. Более критичным становится управление пружинением, следует избегать операций постдеформирования и использовать лазерную резку, так как детали после штамповки могут иметь очень высокую прочность.

Почему важно оценивать штампуемость материалов? Современные детали автомобиля имеют сложную форму, они различаются по глубине, содержат дополнительные отверстия и выступы. Способность стали к вытяжке характеризует общую формуемость (от англ. global formability), когда относительно большие области материала деформируются одновременно, то есть «глобально». Распределение деформации в рамках детали зависит от механических свойств стали. Для измерения общей штампуемости традиционно используются испытания на растяжение: показатель деформационного упрочнения (n- value), равномерное и полное удлинение, а также кривая пределов формуемости FLC (от англ. forming limit curve). В условиях общей формуемости при приложении силы штампа сталь постепенно утоняется, образуется «шейка», нагрузка концентрируется и при превышении предела прочности происходит разрыв материала. При местной формуемости (от англ. local formability) учитывается локальная концентрированная деформация на кромке, местах изгибов и отверстий. Особая чувствительность появляется при операциях резки и вырубки, когда кромки подвержены дополнительной нагрузке.

Для понимания и оценки общей формуемости важны диаграммы деформирования, которые дают представление о механических свойствах стали. Получить их можно экспериментальным путем — в лаборатории — при испытании образца на разрывной машине. Испытательное оборудование позволяет получить диаграмму деформирования стали в координатах условное (номинальное) напряжение — условная (номинальная) деформация (от англ. engineering stress-strain curve), которая вычислена с использованием данных о площади поперечного сечения и длине образца до начала испытаний. Для учета утонения образца при растяжении используется диаграмма деформирования в координатах истинное напряжение — истинная деформация (от англ. true stress-strain curve). Она более точная, но требует измерений образца утонения образца в ходе испытаний. Обычно для сравнения разных типов сталей используются кривые номинальных напряжений и деформаций. Истинные напряжения — деформации используются при моделировании процесса штамповки в программном обеспечении, когда можно получить визуальную оценку штампуемости конкретной детали из определенной марки стали.

Если сравнивать материалы по пластичности, то наиболее эффективно использовать кривые напряжения-деформации.

Свойства материала, влияющие на штампуемость:

Предел текучести (yield strength);

предел прочности (tensile strength);

равномерное (uniform elongation) и полное удлинение (total elongation);

модуль Юнга (Young’s modulus);

коэффициент деформационного упрочнения n (work hardening coefficient);

коэффициент анизотропии r (anisotropy ratio);

площадка текучести (yield point elongation) для стареющих сталей.

Упругое напряжение — модуль Юнга

Проведение испытаний на растяжение имитирует процесс реальной вытяжки материала при штамповке. При первоначальной деформации создаются упругие напряжения и упругие деформации. Поведение стали на упругом участке деформирования определяется модулем Юнга (модулем упругости) и коэффициентом Пуассона. Упругий участок продолжается до тех пор, пока деформации обратимы, и в материале не формируется пластическое течение. В этом состоянии материал еще способен вернуть исходную форму, и эта способность называется упругим возвратом.

Данный показатель учитывается, когда речь идет о достижении согласованной формы и размеров конечной детали. Величина пружинения прямо пропорциональна уровню накопленной упругой деформации, которая зависит от модуля упругости и предела текучести материала. Наклон линии модуля упругости зависит от атомной структуры металла. Так например, уровень пружинения (отклонения от формы после штамповки) стали составит всего 1/3 от уровня пружинения алюминия, потому что модуль упругости стали в 3 раза выше модуля упругости алюминия.

Стадия текучести

При превышении действующих напряжений предела текучести происходит переход от упругой деформации к пластической. Величину напряжений, при которых происходит формирование 0.2% остаточной деформации, принято называть условным пределом текучести. Знание предела текучести позволяет дать оценку относительной упругой разгрузки, а значит сделать вывод об уровне пружинения материала. Для мягкой стали с низким пределом текучести уровень пружинения может быть в четыре раза меньше, чем для микролегированной стали (HSLA), а если сравнивать мягкую сталь с ультрапрочной мартенситной сталью (MS), то уровень пружинения может быть в восемь раз меньше.

Некоторые металлы имеют нелинейный характер деформирования до наступления предела текучести. При этом напряжение падает, и на диаграмме появляются два предела текучести — верхний и нижний, а также более плоский участок — так называемая площадка текучести. Это характерно для стареющих материалов — марок с BH-эффектом. С течением времени площадка текучести может расти, и это может вызвать проблемы при штамповке — появление линий скольжения или линий Чернова-Людерса, которые видны даже после покраски детали. Такой эффект критичен для лицевых деталей. Для стареющих марок ограничивают срок хранения до штамповки и проводят испытания на искусственное старение.

Стадия пластической деформации — феномен деформационного упрочнения

После окончания упругой области и достижения предела текучести кривая растет уже не так быстро, но напряжение все еще увеличивается. Пластичный материал способен выдерживать нагрузку некоторое время даже после достижения предела прочности. Это объясняется таким свойством материала, как деформационное упрочнение. Коэффициент деформационного упрочнения n-value определяет как общую формуемость, так и склонность к локальным разрывам. В зоне наибольшей деформации металл достигает наибольшего упрочнения, замедляется скорость деформации, изменение поверхности происходит более равномерно.

Обычно n-value определяют на диапазоне удлинения 10-20%. Это связано с тем, что на протяжении долгого времени использовались традиционные стали — мягкие и микролегированные (HSLA). Для таких материалов значения n постоянны на всем участке деформации. Феномен новых высокопрочных сталей AHSS — в том, что значения n- value меняются с увеличением деформации. Скорость деформационного упрочнения будет выше на начальном этапе, поэтому многие автопроизводители для таких сталей предъявляют дополнительные требования к n-value на диапазоне удлинения 4-6%.

Низкоуглеродистые мягкие стали являются наилучшим материалом, когда требуется глубокая вытяжка. Они имеют самые высокие значения коэффициента n. Высокопрочные стали, как правило, имеют низкие значения n-value и меньшую способность к вытяжке. Из-за этого области с высокой деформацией более подвержены утонению и разрывам при штамповке.

Однако, благодаря своей особенности, AHSS стали также показывают себя с хорошей стороны при штамповке. Двухфазные стали (DP) демонстрируют наибольшую скорость начального деформационного упрочнения при удлинении ниже 8%. Стали с изменяемой пластичностью (TRIP) также имеют высокие значения n-value. Это достигается благодаря уникальной микроструктуре — наличию остаточного аустенита, который во время деформации превращается в мартенсит, и это дает материалу дополнительную прочность. Это свойство относится и к уже деформированной детали из TRIP-стали, что делает материал идеальным для использования в зонах возможной деформации автомобиля.

Стадия диффузионного утонения — предел прочности

При постепенном повышении нагрузки поперечное сечение образца начинает уменьшаться. В момент, когда уровень деформации превышает деформационное упрочнение, нагрузка максимальна. У образца наблюдается образование так называемой «шейки». Участки образца выше и ниже «шейки» перестают деформироваться. Материал достигает своего предела прочности.

Стадия локального утонения

Несмотря на то, что нагрузка уже не растет, процесс утонения продолжает иметь место. Это состояние перед разрывом, когда на материале возникает узкая полоса-перемычка, примерно на 54 градуса от оси образца. Это еще не разрыв, но в этой области могут возникать высокие деформации. Этот предел обычно используют для кривой пределов деформации (FLC).

Стадия разрыва — полное удлинение

Деформация, которая продолжается в области шейки, рано или поздно провоцирует разрыв. Величина дополнительной деформации шейки зависит от микроструктуры, включений в стали или частиц на границах зерен, которые могут ускорить разрушение. Параметр, который измеряют с момента начала деформации до разрыва, называется полным удлинением.

Направленность свойств — коэффициент анизотропии

Еще одно свойство стали — степень пластической деформации или коэффициент анизотропии r-value. Он характеризует способность материала сопротивляться утонению при воздействии растягивающих сил. Коэффициент рассчитывается как отношение изменения истинной ширины к изменению истинной толщины. Чем выше r-value — тем лучше. Когда коэффициент анизотропии превышает единицу, материал лучше сопротивляется утонению

Эффекты скорости деформации

Механические свойства, присущие стали в исходном состоянии, чувствительны к скорости деформации и могут изменяться. Согласно исследованиям, проведенным WorldAutoSteel, до достижения традиционной скорости при штамповке, предел текучести и прочности могут увеличиваться на 16-20 МПа каждый раз, когда скорость деформации увеличивается на порядок. При больших скоростях деформации (10-3/сек и выше) рост свойств более существенный. Также эти изменения зависят от типа марки стали. На параметр деформационного упрочения — n-value, скорость деформации почти не оказывает влияния.

Эффекты скорости деформации важно учитывать, чтобы прогнозировать изменение свойств материала в случае аварии или краш-теста.

Статья основана на материалах международной ассоциации автомобильной стали — WorldAutoSteel, членом которой является ПАО «Северсталь».

Уважаемые читатели, присылайте свои вопросы, предложения по этой статье или другим интересующим темам на адрес инжинирингового портала. Ваша обратная связь важна для команды инжинирингового портала. Спасибо за внимание.

С уважением, команда Инжинирингового портала

Перечень использованных ресурсов:

Материалы блога AHSS WorldAutoSteel: статья 1 и статья 2.
Справочник высокопрочных сталей ассоциации WorldAutoSteel — Advanced High-Strength Steels Application Guidelines Version 6.0.