Основни стратегии за проектиране на матрици за високопрочна стомана

Накратко

Проектирането на матрици за табличен прес от високопрочна стомана (HSS) изисква напълно различен подход в сравнение с меките стомани. Уникалните свойства на HSS, като висока якост на опън и намалена формируемост, водят до значителни предизвикателства, като увеличена еластична деформация и по-високи сили при табличния прес. Успехът зависи от създаването на изключително здрави конструкции на матрици, избора на напреднали износостойки инструментални материали и покрития, както и от използването на софтуер за симулация на формоване, за да се предвидят и предотвратят проблеми още преди започване на производството.

Основни предизвикателства: Защо табличният прес с HSS изисква специализирано проектиране на матрици

Стоманите с висока якост (HSS) и напредналите стомани с висока якост (AHSS) са основа на съвременното производство, по-специално в автомобилната индустрия, за създаване на леки, но безопасни конструкции на превозни средства. Въпреки това, тяхната превъзходна механична якост води до усложнения, които правят конвенционалния дизайн на матрици неадекватен. За разлика от меките стомани, HSS има значително по-високи показатели за якост на опън, като при някои класове те надхвърлят 1200 MPa, комбинирани с намалена удължаваемост или еластичност. Тази комбинация е основната причина за уникалните предизвикателства при штамповката на HSS.

Най-забележимият проблем е връщането след огъване или еластичното възстановяване на материала след формоване. Поради високата си граница на пластичност, ВЧС има по-голяма склонност да се върне към първоначалната си форма, което затруднява постигането на размерна точност в крайната детайл. Това изисква специализирани процеси с матрици, които включват прекомерно огъване или последващо разтегляне за компенсация. Освен това огромната сила, необходима за формоване на ВЧС, оказва екстремно напрежение върху конструкцията на матрицата, което води до ускорено износване и по-висок риск от ранно повреждане, ако матрицата не е изработена да издържа на тези натоварвания. Според Ръководство за проектиране на штамповане от високоякостна стомана , процес, който работи за мека стомана, не винаги ще даде приемливи резултати за ВЧС, често довеждайки до дефекти като напуквания, пукнатини или сериозна размерна нестабилност.

Тези разлики в материалните свойства изискват напълно преразглеждане на процеса по проектиране на матрици. По-високата тонажна мощност, която е необходима, не само повлиява избора на преса, но също така изисква по-здрава конструкция на матрицата. По-ниската формируемост на ВЧС означава, че проектирането на детайлите изисква тясно сътрудничество между конструкторите и инженерите по матрици, за да се създадат геометрии с по-плавни преходи и подходящи радиуси, за да се избегне разрушаване на материала по време на штамповане. Без специализиран подход производителите са изправени пред скъпоструващи цикли на проби и грешки, ниско качество на детайлите и повредени инструменти.

Основни принципи на конструирането на структурни матрици за ВЧС/АВЧС

За да се противодейства на огромните сили и да се управлява уникалното поведение на HSS, структурният дизайн на матрицата трябва да бъде изключително здрав. Това не означава просто използване на повече материал; включва стратегически подход към огъваемостта, разпределението на силите и контрола на движението на материала. Основната цел е създаването на матрица, която да устои на огъване под натоварване, тъй като дори минимално огъване може да доведе до неточности в размерите и непостоянно качество на детайлите. Това често води до по-тежки комплекти матрици, по-дебели плочи и усилени насочващи системи, за да се осигури прецизна подравка между пуансона и полостта по цялото ходово на пресата.

Ефективното управление на потока от материали е още един ключов аспект при структурното проектиране. Елементи, които са опционални или по-малко важни за въглеродна стомана, стават задължителни за ВЧС. Напрегателите например трябва да бъдат внимателно проектирани и разположени, за да осигурят точно ограничаващо усилие и да предотвратят неконтролирано движение на материала, което може да причини гънки или пукнатини. При някои напреднали процеси към матрицата се добавят елементи като „блокиране на хода“, за да се предизвика умишлено издърпване на страничните стени на детайла в края на хода на пресата. Тази техника, известна като последващо издърпване или „формиране на форма“, помага за минимизиране на остатъчните напрежения и значително намаляване на изскокването.

Проектирането и изграждането на тези сложни инструменти изисква дълбоки познания. Например, водещи компании в областта като Shaoyi Metal Technology специализират се в производството на персонализирани штамповъчни форми за автомобилна индустрия, като използват напреднали CAE симулации и управление на проекти, за да предлагат високоточни решения за OEM производители. Работата им по проектиране на прогресивни форми за ВЛС (високоякостна стомана), включваща множество формообразуващи станции, трябва да бъде прецизно планирана, за да се отчетат накърняването и остатъчната деформация на всеки етап. Структурата на многопозиционна прогресивна форма за ВЛС е значително по-сложна и трябва да бъде инженерно разработена така, че да издържа на натрупаните напрежения при всички операции.

Основен контролен списък за конструкцията на форми за ВЛС

• Усилени комплекти форми: Използване на по-дебели плочи от стомана с по-високо качество за основата на формата и държача на пробойника, за предотвратяване на огъване.
• Надеждна система за насочване: Прилагане на по-големи водещи пинове и втулки и разглеждане на системи с налягане и смазване за приложения с висока товароносимост.
• Компоненти с джобове и фиксиращи ключове: Фиксиране чрез джобове и ключове на всички формообразуващи стомани и вметки в основата на формата, за предотвратяване на всякакво движение или изместване под налягане.
• Оптимизиран дизайн на протягащите ролки: Използвайте симулация, за да определите идеалната форма, височина и разположение на усукващите ленти, за да контролирате потока от материал, без да причинявате пукнатини.
• Функции за компенсация на огъването след премахване на натоварването: Проектирайте повърхнини за оформяне с изчислени ъгли на преогъване, за да се отчете огъването на материала след премахване на натоварването.
• Наковани плочи за износване: Включете наковани плочи за износване в областите с високо триене, например под клиновидни плъзгачи или на повърхности на стегални елементи.
• Достатъчна тонажност на пресата: Осигурете шперслухът да е проектиран за преса с достатъчна тонажност и размер на леглото, за да поеме високите натоварвания при оформянето, без да компрометира машината.

Избор на материал за шперслух и спецификации на компонентите

Производителността и дълголетието на матрица, използвана за щамповане на високоякостна стомана, са директно свързани с материалите, от които е изработена. Екстремните налягане и абразивни сили, генерирани по време на формоване на ВЯС, бързо унищожават матрици, изработени от обикновени инструментални стомани. Поради това изборът на подходящи материали за критични компоненти като пуансоны, матрици и формови вставки не е подобрение, а основно изискване за издръжлив и надежден процес. Изборът зависи от конкретния клас високоякостна стомана, обема на производството и тежестта на формовата операция.

Високопроизводителни инструментални стомани за студена обработка, като D2 или прахови метални (PM) класове, често са изходна точка. Тези материали предлагат по-добра комбинация от твърдост, якост и устойчивост на компресионно натоварване в сравнение с обикновените инструментални стомани. За още по-висока производителност, особено в зони с голямо износване, се нанасят напреднали повърхностни покрития. Покритията, нанесени чрез физическо парно депониране (PVD) и химично парно депониране (CVD), създават изключително твърд, смазочен повърхностен слой, който намалява триенето, предотвратява задирания (прехвърляне на материал от ламарината към матрицата) и значително удължава живота на инструмента.

Освен основните формообразуващи повърхности, са необходими специализирани компоненти за прецизност и издръжливост. Пробойниците трябва да бъдат специално проектирани с подходящ материал, геометрия и покритие, за да издържат на високите ударни и пробойни сили. Ръководните и позициониращи компоненти, като например насочващи шини и позициониращи центрове, също изискват закаляване и прецизно шлифоване, за да се осигури точна позиция на заготовката, което е от решаващо значение за качеството на детайлите при стъпкообразните матрици. Всеки компонент трябва да бъде подбран така, че да отговаря на по-високите изисквания при штамповка на ВЧС.

Ролята на симулацията в съвременното проектиране на матрици за високоякостни стомани

По-рано проектирането на матрици за трудни материали силно зависеше от опита и интуицията на опитни проектиранти. Това често включваше продължителен и скъп процес на практически проби и грешки. Днес софтуерът за симулация на формоване се е превърнал в незаменим инструмент за справяне със сложностите при штампиране на високоякостни стомани. Както наблягат доставчиците на решения като AutoForm Engineering , симулацията позволява на инженерите точно да предвиждат и отстраняват възможни производствени проблеми във виртуална среда, задълго преди да бъде изрязана стоманата за матрицата.

Софтуерът за симулация на процеса на штамповане, използващ метода на крайните елементи (FEA), създава цифров двойник на целия процес на формоване. Чрез въвеждане на геометрията на детайла, свойствата на високоякостния стоманен материал (HSS) и параметрите на процеса на матрицата, софтуерът може да прогнозира критични резултати. Той визуализира течението на материала, идентифицира области, склонни към прекомерно отслабване или пукане, и най-важното – предсказва степента и посоката на пружиниране. Тази предварителна информация позволява на проектиращите итеративно да модифицират дизайна на матрицата — чрез настройка на протеглянещите ленти, промяна на радиусите или оптимизация на формата на заготовката — за да разработят стабилен и ефективен процес от самото начало.

Възвръщаемостта на инвестициите от симулацията е значителна. Тя рязко намалява нуждата от физически проби на матрици, което съкращава водещото време и намалява разходите за разработка. Чрез цифрова оптимизация производителите могат да подобрят качеството на детайлите, да намалят отпадъците от материали и да осигурят по-стабилно производство. За ВЧС, където границата на грешка е изключително малка, симулацията превръща проектирането на матрици от реактивно изкуство в предиктивна наука, осигурявайки, че сложните детайли отговарят на най-строгите изисквания за безопасност и производителност.

Типичен работен процес за симулация при оптимизация на матрици

1. Първоначален анализ на осъществимост: Процесът започва с импортиране на 3D модела на детайла. Провежда се бърза симулация, за да се оцени общата формируемост на конструкцията с избраната марка ВЧС, като се идентифицират потенциални проблемни зони.
2. Проект на процеса и повърхност на матрицата: Инженерите проектират виртуалния процес за изтегляне, включително броя на операциите, повърхнините на прихващача и първоначалната конфигурация на протягане. Това служи като основа за подробна симулация.
3. Определяне на свойствата на материала: Специфичните механични свойства на избрания ВЛС (например предел на овъждане, якост на опън, удължение) се въвеждат в базата данни за материали на софтуера. Точността тук е от решаващо значение за надеждни резултати.
4. Пълна симулация на процеса: Софтуерът симулира цялата последователност от штампиране, анализира напреженията, деформациите и движението на материала. Генерира подробни доклади, включително графики за формуемост, които подчертават рисковете от пукане, гънки или прекомерно разтъняване.
5. Прогнозиране и компенсиране на еластичното възстановяване: След симулацията на формоване се извършва анализ на възвръщането. Софтуерът изчислява окончателната форма на детайла след възвръщане и може автоматично да генерира компенсирани повърхности на матрицата, за да се противодейства на деформацията.
6. Окончателна валидация: Компенсираната конструкция на матрицата се преизследва чрез симулация, за да се потвърди, че готовата штампована детайл ще отговаря на всички размерни допуски, осигурявайки устойчив и ефективен производствен процес.

Интегриране на напреднали принципи за съвременен дизайн на матрици

Развитието на дизайна на матрици за штамповане на високопрочни стомани отбелязва значителен преход от традиционните, базирани на опит практики към сложна инженерно задвижвана дисциплина. Основните предизвикателства, които възникват при работа с ВПС — а именно екстремни сили, голямо остатъчно деформиране и увеличен износ — правят старите методи ненадеждни и неефективни. Успехът в тази изискваща област сега зависи от интегрирането на здрава структурна инженерия, напреднала материалознание и предиктивни технологии за симулация.

Овладяването на дизайна на матрици за високоякостни стомани вече не означава просто да се построи по-здрав инструмент; става дума за създаване на по-интелигентен процес. Като се разберат поведението на материала и се използват цифрови инструменти за оптимизиране на всеки аспект на матрицата – от нейната обща структура до покритието на бойника – производителите могат да преодолеят вродените трудности при формоването на тези напреднали материали. Този интегриран подход не само позволява производството на сложни, висококачествени части, но и гарантира надеждността и дълголетието на самия инструмент. Докато търсенето на леки и безопасни компоненти продължава да расте, тези напреднали принципи на проектиране ще останат задължителни за конкурентно и успешно производство.

Често задавани въпроси относно дизайна на матрици за високоякостни стомани

1. Какъв е най-големият предизвикателство при штамповането на високоякостна стомана?

Най-значимото и устойчиво предизвикателство е управлението на еластичното възстановяване. Поради високата граница на овлажняване на ВЧМ, материала има силна тенденция да се възстанови еластично или да се деформира след освобождаване на формовъчното налягане. Прогнозирането и компенсирането на това движение е от решаващо значение за постигане на необходимата размерна точност на крайната детайл и често изисква сложни симулации и стратегии за компенсация на матриците.

2. Как се различава междинното разстояние на матрицата при ВЧМ в сравнение с мека стомана?

Междинното разстояние на матрицата — зазорината между пуансона и кухината на матрицата — обикновено е по-голямо и по-критично за ВЧМ. Докато меката стомана може да се оформя с по-широки зазорини, при ВЧМ често се изисква зазорина да е точно определен процент от дебелината на материала, за да се осигури чисто срязване по време на тримоване и точно управление на материала по време на формоване. Неправилната зазорина може да доведе до прекомерни задръжки, високи напрежения върху режещите ръбове и преждевременно износване на матриците.

3. Могат ли да се използват едни и същи смазки за твърда неръждаема стомана (HSS) и за формоване на мека стомана?

Не, за формоването на HSS са необходими специализирани смазки. Екстремните налягане и температури, възникващи на повърхността на матрицата при формоването на HSS, могат да доведат до разграждане на стандартните смазки, което води до триене, залепване и повреди по инструмента. Необходими са високоефективни смазки с екстремно налягане (EP), включително синтетични масла, филмови смазки или специализирани покрития, за да осигурят стабилна бариера между матрицата и заготовката, гарантирайки гладко течение на материала и защитаване на инструментите.