Супер дуплекс за студено формоване: изчисление с пружинно връщане и проектиране на инструменти

Супер дуплекс от неръждаема стоманавръща грубо два до три пъти по-еластичен пружинен откат от 316L при еквивалентна операция на студено{1}}формоване, движено основно от високото си съотношение-якост на провлачване-към-модула. Това ръководство дава на производителите и инженерите на инструменти методите за изчисление, сравнителните данни и правилата за-дизайн на матрици, необходими за постигане на толеранс на размерите при първото производство.

Супердуплексните неръждаеми стомани - главно UNS S32750 (SAF 2507) и UNS S32760 - са определени навсякъде, където устойчивостта на хлорид и механичната якост имат значение: офшорни платформи, подводни колектори, тръбопроводи за обезсоляване и съдове за химически процеси. Тяхната балансирана аустенитна-феритна микроструктура осигурява приблизително двойно по-висока граница на провлачване в сравнение със стандартните аустенитни класове като 316L, но същата здравина е причината студеноформованите части да се връщат по-далеч от геометрията на инструмента, отколкото производителите очакват. Получаването на правилния ъгъл на огъване на първия артикул - вместо на третия - зависи от правилното изчисляване на пружинното връщане и изграждането на компенсация в матрицата, преди да бъде изрязана. Тази статия разглежда и двете.

Какво прави супер дуплексната неръждаема стомана трудна за студена форма?

Супер дуплексът е труден за студено формоване, тъй като неговата граница на провлачване (по-голяма или равна на 550 MPa) е приблизително 2,5–2,7 пъти по-висока от 316L, докато неговият модул на еластичност (≈200 GPa) е почти непроменен -, така че деформацията, която се възстановява еластично след премахване на натоварването, е пропорционално много по-голяма, произвеждайки по-голяма пружина, по-висока необходима сила на формоване и по-тесен прозорец с безопасен-огъващ-радиус.

Механичното свойство, което управлява пружинното връщане, не е само границата на провлачване, а съотношението между границата на провлачване и модула на еластичност (σy /E). По-високото съотношение означава, че повече от общото напрежение на огъване на материала се съхранява еластично и се възстановява, след като поансонът се прибере. Таблицата по-долу сравнява трите степени, които най-често се обсъждат заедно в производствен магазин.

Таблица 1 - Сравнение на механични свойства, приложимо за пружиниращо връщане при студено{1}}огъване. съотношението σy/E и относителното пружинно връщане се извличат от изброените стойности на якост и модул; разглеждайте като ръководство за оценка, а не като заместител на тестване на купони.

Три практически последствия следват директно от таблица 1:

Радиусите на огъване обикновено трябва да бъдат по-големи от еквивалентната аустенитна част, за да се избегне напукване на повърхността на външното влакно, тъй като супер дуплексът има по-нисък резерв на удължение от 316L при дадено ниво на якост.

Изискванията за тонаж на пресата нарастват приблизително пропорционално на границата на провлачване, така че спирачките и матриците, оразмерени за работа 304/316L, често са недостатъчно-захранени за супер дуплекс със същата дебелина.

Студената деформация над около 10% деформация обикновено е последвана от отгряване в разтвор и бързо охлаждане, както за възстановяване на фазовия баланс аустенит-ферит, така и за възстановяване на пластичността на материала преди по-нататъшно формоване.

Как изчислявате Springback за супер дуплексни завои?

Използвайте уравнението за съотношението на радиуса на-възстановяване (Gardiner)-заедно с изчисление на допустимата стойност на K-коефициента на огъване-: изчислете съотношението σy·R/(E·t) за огъване, решете за свободния радиус след разтоварване, след това преобразувайте промяната на радиуса в ъглово огъване. За типичен 3 mm S32750 огъване при 3t вътрешен радиус, това прогнозира приблизително 3–6 градуса ъглова пружина, срещу приблизително 1–2 градуса за 316L при същата геометрия.

Стъпка 1 - Разрешение за огъване и K-фактор

Коефициентът K- локализира неутралната ос на огъване като част от дебелината на материала, измерена от вътрешната повърхност, и се използва за изчисляване на разгъната (плоска) дължина:

BA=π (R + K·t) (A / 180)

Където BA е допускането на огъване, R е вътрешният радиус на огъване, t е дебелината на материала, K е факторът на неутралната -ос и A е ъгълът на огъване в градуси. За аустенитни и дуплексни неръждаеми листове практиката в магазина обикновено използва K ≈ 0,33 за R < 2t и K ≈ 0,40–0,50 за R По-голямо или равно на 2t. Показателят за по-високо напрежение-втвърдяване на Super duplex измества неутралната ос леко към вътрешния радиус в сравнение с 316L, така че K-факторите, получени от аустенитни таблици, трябва да бъдат потвърдени с пробно огъване, вместо да се приемат.

Стъпка 2 - Коефициент на еластична пружина (уравнение на Гардинър)

За чисто огъване на лист или плоча, класическата еластична{0}}връзка на възстановяване между радиуса на инструмента (натоварен) Ri и свободния (ненатоварен) радиус Rf е:

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

Това уравнение показва защо съотношението σy/E в таблица 1 е контролиращата променлива: с увеличаването на σy/E дясната-страна пада още под 1, което означава, че Rf нараства по-голямо спрямо Ri - частта се отваря повече, след като инструментът я освободи.

Работен пример

Да разгледаме плоча от 3 mm S32750, огъната до 9 mm вътрешен радиус (3t) с σy=550 MPa и 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 - 2,5% нарастване на радиуса след разтоварване

Същото изчисление за 316L при идентична геометрия (σy=190 MPa) дава Ri/Rf ≈ 0,9905, приблизително 40% по-малко нарастване на радиуса. Тъй като ъгловата еластична обратна връзка се комбинира с дължина на дъгата над пълния завой, тази разлика в радиуса обикновено се превръща в изисквания за ъглово прегъване 2–3 пъти по-големи за супер дуплекс, отколкото за 316L - в съответствие с полето-отчетени диапазони от 3–6 градуса срещу 1–2 градуса, използвани в индустрията.

Стъпка 3 - Преобразуване в ъглово огъване

След като Rf е известен, ъгълът на пружиниране Δ е разликата между ъгъла на инструмента (целта) и ъгъла, който действително държи свободната част. След това инструментите се нарязват до начален ъгъл от (целеви ъгъл + Δ), така че след еластичното възстановяване частта да се отпусне към целта. Тази стойност на прегъване -, а не номиналният ъгъл на печат -, е това, което трябва да се появи на чертежите на щанца и матрица.

Кой метод за прогнозиране на Springback е най-точен?

Аналитичните формули (K-фактор плюс Gardiner) са достатъчно точни за първо{1}}проектиране на матрицата и цитиране; необходими са емпирични пробни завои за финализиране на инструменталната екипировка преди производството; и нелинейният анализ на крайните елементи с калибриран анизотропен модел на втвърдяване е най-точният метод и е оправдан винаги, когато толерансът е тесен, частта е голяма или преработването на матрицата би било скъпо.

Таблица 2 - Сравнение на методите за прогнозиране на пружинното връщане за супердуплексно студено формоване.

Практическият работен процес съчетава и трите: използвайте аналитичните формули за оразмеряване на матрицата и офериране на заданието, стартирайте FEA, за да прецизирате ъгъла на прегъване и да отбележите всеки риск от напукване на външното влакно, и потвърдете с физическо пробно огъване върху производствен-партиден материал, преди да изрежете закалени инструменти. Тъй като дуплексните класове показват вариация от-на-топлинна граница на провлачване в рамките на една и съща спецификация, повторното -потвърждаване на пружинното връщане при промени в сертификата на мелницата е добра практика дори за повторна работа.

Как трябва да бъдат проектирани инструментите, за да компенсират Super Duplex Springback?

Проектирайте щанцата и матрицата спрямо ъгъла на прегъване, изчислен в раздел 2 (а не ъгъла на печат), посочете щедър вътрешен радиус на огъване от поне 3–4 × дебелина на материала, използвайте изрязване на дъно или монети вместо въздушно огъване, където тонажът позволява, и оразмерете пресата за 2–3 × тонажа, необходим за еквивалентна част от 316L.

Пренавеждане

Най-често срещаният метод за компенсация е простото рязане на инструмента до по-голям включен ъгъл, отколкото изисква отпечатъкът, така че еластичното възстановяване връща детайла обратно към целевия ъгъл. Стойността на свръхогъване идва директно от Δ в раздел 2 и трябва да се -проверява отново, когато дебелината на материала, партидата на намотките или радиусът на огъване се променят.

Дъно и монети

Въздушното огъване -, при което поансонът не приляга напълно на материала към матрицата -, е бързо, но оставя пружинното връщане до голяма степен неконтролирано, тъй като радиусът на огъване не е фиксиран чрез инструменти. Закрепването на дъното (поставянето на детайла изцяло срещу стените на матрицата) и изковаването (прилагане на достатъчно сила за локално повторно-отстъпване на зоната на огъване) механично ограничават крайния радиус и ъгъл, като значително намаляват разсейването при пружиниране. Коване изисква най-високия тонаж от трите метода, но дава най-повторяемия ъгъл при високо-здрав материал като супер дуплекс.

Радиус на матрицата и радиус на носа на щанца

• Вътрешен радиус на огъване: минимум 3 × дебелина за S32750/S32760 лист и плоча до приблизително 12 mm, срещу обичайния минимум 1–2 × дебелина, използван за 316L, за да се избегне напукване на външните-влакна, предвид по-ниския резерв за удължение.
• Радиус на рамото на матрицата: оразмерен така, че да се избегне натъртване - дуплексната работа-се втвърдява бързо, така че малък или остър радиус на матрицата увеличава съпротивлението на повърхността и може да наруши повърхността на плочата, компрометирайки пасивния слой,-устойчив на корозия.
• Отвор на матрицата (V-ширина): обикновено 8–10 × дебелина за стандартно въздушно/долно огъване; по-тесните отвори повишават допълнително търсенето на тонаж и увеличават риска от маркиране на външната повърхност на перфоратора.

Изчистване и смазване

Хлабината-до-щанца трябва да бъде увеличена в сравнение с аустенитната практика - приблизително с 10–15% повече от хлабината, използвана за 316L със същата дебелина -, за да поеме по-високите натоварвания при формоване без прекомерно износване на инструмента. Необходима е-смазка за формоване без хлор, предназначена за неръждаема стомана, както за контролиране на стърчането от втвърдяване при работа, така и за избягване на замърсяване с хлорид, което може да инициира питинг, след като частта е в експлоатация.

От колко повече пружинна компенсация се нуждае Super Duplex в сравнение с 316L и 2205?

Като общо ръководство за планиране, очаквайте приблизително 1–2 градуса ъглова пружина за 316L, 2–4 градуса за стандартен дуплекс 2205 и 3–6 градуса за супер дуплекс S32750/S32760 при еквивалентни 90 градусови огъвания - цифри, които винаги трябва да бъдат потвърдени чрез пробно огъване или FEA преди рязане на производствени инструменти, тъй като действителните стойности се променят с дебелина, радиус и мелница много.

Таблица 3 - Сравнителни допустими стойности за-студено формоване в обичайните семейства от неръждаема стомана. Стойностите са общи производствени-обхвати за планиране на индустрията, а не заместител на- и партида-специфични тестове.

Какъв тонаж на пресата и параметрите на процеса трябва да бъдат посочени?

Оразмерете тонажа на пресата, като използвате действителната граница на провлачване на материала (а не общата стойност на неръждаема стомана по подразбиране), посочете V-отвор на матрицата с дебелина 8–10×, пуснете скоростта на огъване по-бавна от тази за аустенитни класове, за да ограничите адиабатното нагряване в зоната на огъване, и прекарайте заданието през 100% проверка на размерите след пружиниране, вместо да разчитате на първоначалната настройка на инструмента.

Често използваната формула за въздушно{0}}огъване на тонажа е:

F = (1.42 × L × σt × t²) / V

Където F е сила в kN, L е дължина на огъване в mm, σt е якост на опън в MPa, t е дебелина в mm и V е ширина на отвора на матрицата в mm. Тъй като якостта на супер дуплекс на опън (795–930 MPa за S32750) е почти двойно по-голяма от тази на 316L, същото уравнение показва грубо удвояване на тонажа за еквивалентна геометрия - причината, поради която много производители смятат, че съществуващата им инструментална екипировка 316L е под-оценена, след като преминат към супердуплексна плоча със същата дебелина.

Необходимо ли е междинно отгряване по време на студено формоване?

Да - отгряването в разтвор и бързото охлаждане се препоръчват винаги, когато кумулативната студена деформация надвиши приблизително 10% деформация и се изискват след крайната стъпка на формоване, независимо от нивото на деформация, за възстановяване на фазовия баланс на аустенит-ферита и пълната устойчивост на корозия на сплавта.

Студената работа измества фазовия баланс на супердуплекса от съотношението приблизително 50/50 аустенит-ферит, което придава на класа неговата комбинирана якост и корозионни характеристики и може да насърчи крехкост на интерметалните фази, ако материалът впоследствие бъде изложен на повишена работна температура. Листовете с данни за мелницата и производителя за S32750 определят минимална температура на отгряване на разтвора около 1052 градуса (1925 градуса F), последвана незабавно от бързо закаляване с въздух или вода, с ецване и пасивиране след това, за да се възстанови напълно пасивния повърхностен слой, който студеното формоване и всякаква свързана топлина могат да нарушат.

Често задавани въпроси

Колко супер дуплексна неръждаема стомана пружинира след студено огъване?

При типично огъване на 90 градуса, супердуплексната неръждаема стомана (UNS S32750/S32760) показва приблизително 3–6 градуса ъглова пружина, в сравнение с около 1–2 градуса за аустенитна неръждаема стомана 316L при същата дебелина и радиус. Точната стойност зависи от дебелината, радиуса на огъване и действителната граница на провлачване на материала, така че трябва да се потвърди с пробно огъване.

Каква формула се използва за изчисляване на пружинното връщане при огъване на неръждаема стомана?

Уравнението на Гардинър е стандартната аналитична формула: Ri/Rf=4(Ri·σy/E·t)³ − 3(Ri·σy/E·t) + 1, където Ri е радиусът на инструмента, Rf е свободният радиус след разтоварване, σy е границата на провлачване, E е модулът на еластичност и t е дебелината на материала. Обикновено се съчетава с изчисление на допустимото-огъване на фактора K-за развитие на плосък-модел.

Какъв е минималният радиус на огъване за супердуплексна неръждаема стомана?

Минимален вътрешен радиус на огъване от 3 до 4 пъти дебелината на материала е обичайна начална препоръка за S32750 и S32760, срещу 1 до 2 пъти дебелина за 316L, тъй като супер дуплексът има по-малък резерв за удължение при по-високото си ниво на якост и е по-склонен към напукване на външните -влакна при малки радиуси.

Защо супердуплексната неръждаема стомана изисква повече сила на формоване от 316L?

Супер дуплексът има минимална граница на провлачване от около 550 MPa и якост на опън от приблизително 795–930 MPa за S32750, близо до двойно повече от стойностите за 316L. Тъй като силата на огъване варира с якостта на опън, изискванията за тонаж на пресата нарастват пропорционално - обикновено 2,3 до 2,7 пъти тонажа, необходим за еквивалентна част от 316L.

Нуждае ли се от отгряване от неръждаема стомана със супер дуплекс след студено формоване?

да Отгряването в разтвор, последвано от бързо закаляване с въздух или вода, се препоръчва, след като кумулативната студена деформация надхвърли приблизително 10%, и обикновено се изисква след крайната стъпка на формоване, за да се възстанови балансираната микроструктура на аустенит-ферит и пълната устойчивост на корозия на сплавта.

Дали аналитичното изчисление или FEA е по-добро за прогнозиране на супердуплексно връщане?

Аналитичните формули са достатъчни за ранна оценка и първоначално оразмеряване на матрицата. Нелинейният анализ на крайните елементи с калибриран модел на закаляване е по-точен и си заслужава добавеното време за детайли с тесни-допуски, голяма или дебела плоча или всяка работа, при която двукратното рязане на нови инструменти би било скъпо.