Накратко

Пробиването на високопрочна стомана води до три основни инженерни предизвикателства: сериозно връщане след извиване поради висока граница на пластичност, бързо износване на инструмента от екстремни контактни налягане и опасен обратен тонаж (пробиване) което може да повреди вътрешните компоненти на пресата. Преодоляването на тези предизвикателства изисква преход от традиционни практики за мека стомана към напреднали стратегии за смекчаване, включително симулации въз основа на напрежението за компенсация, използване на инструментални стомани от пореста металургия (PM) със специализирани покрития и серво технология за преси за управление на енергията при по-ниски скорости. Успешното производство зависи от оптимизиране на целия процес — от дизайна на матриците до смазването — за запазване на размерната точност без компрометиране на живота на оборудването.

Предизвикателство 1: Възврат и контрол на размерите

Най-разпространеният проблем при штамповането на високоякостна стомана (AHSS) и високоякостни нисколегирани (HSLA) материали е остатъчната деформация — еластичното възстановяване на метала след премахване на формовъчното натоварване. За разлика от меката стомана, която запазва относително добре формата си, AHSS има значително по-висока граница на пластичност, което води до интензивно „връщане назад“. Това геометрично отклонение не е просто линейно връщане; често се проявява като извиване на страничните стени и усукване, което прави контрола на размерите изключително труден за прецизни компоненти.

Традиционните методи проба-грешка са неефективни за AHSS. Вместо тях, инженерите трябва да разчитат на напреднали анализ чрез крайни елементи (FEA) които използват модели за прогнозиране, базирани на напрежение, а не на прости критерии, базирани на деформация. Симулацията позволява на проектантите на матрици да прилагат геометрична компенсация — целенасочено прекомерно огъване или деформиране на повърхността на матрицата, така че детайлът да се върне в правилната крайна форма. Въпреки това, самата симулация често е недостатъчна без механично намесване.

Практическите процесни корекции също са от решаващо значение. Методи като ротационно гъване и използването на фиксиращи стъпки или „монетни гратиси“ могат да помогнат за фиксиране на напреженията в материала. Според Производителят , използването на серво прес технология за програмиране на „задържане“ в долната точка на хода позволява на материала да се отпусне под натоварване, значително намалявайки еластичното възстановяване. Този подход за „закрепване на формата“ е много по-ефективен от простото ударно оформяне, което изисква прекомерна тонаж и ускорява износването на инструмента.

Предизвикателство 2: Износване на инструменти и разрушаване на матрици

Повишените граници на пластичност на AHSS материали — често надхвърлящи 600 MPa или дори 1000 MPa — оказват огромно контактно налягане върху штамповите инструменти. Тази среда създава висок риск от залепване, рязане и катастрофално разрушаване на инструмента. Стандартни инструментални стомани като D2 или M2, които се справят добре при мека стомана, често преждевременно се повреждат при обработка на AHSS поради абразивния характер на материала и високата енергия, необходима за оформянето му.

За да се справят с това, производителите трябва да модернизират до Инструментални стомани от прахова металургия (PM) . Класове като PM-M4 предлагат изключителна устойчивост на износване при сериен режим, докато PM-3V осигурява необходимата якост за предотвратяване на образуване на люспи при високонапрежни приложения. Освен избора на материал, подготовката на повърхността е от съществено значение. Wilson Tool препоръчва преминаване от цилиндрично шлифоване към право линейно шлифоване на пуансоните. Тази надлъжна текстура намалява триенето при извличане и минимизира риска от залепване по време на фазата на вдървяване.

Повърхностните покрития са последната линия на отбрана. Напреднали покрития чрез физическо утаяване от парна фаза (PVD) и термично дифузионни (TD) покрития, като титан карбонитрид (TiCN) или ванадий карбид (VC), могат да удължат живота на инструмента до 700% в сравнение с непокрити инструменти. Тези покрития осигуряват твърда, смазваща бариера, която издържа на екстремната топлина, генерирана от деформационната енергия на високоякостна стомана.

Предизвикателство 3: Мощност на преса и натоварвания при внезапно освобождаване

Една скрита опасност при штамповането на високопрочна стомана е въздействието върху самата преса, по-специално относно енергиен капацитет и обратен тонаж (пробиване с рязко освобождаване на енергия). Механичните преси се оценяват по товароносимост близо до долната част на хода, но формоването на AHSS изисква висока енергия много по-рано в хода. Освен това, когато материала се счупи (пробие), изведнъж освободената потенциална енергия изпраща ударна вълна обратно през конструкцията на пресата. Тази натоварване от „пробиване с рязко освобождаване“ може да унищожи лагерите, буталните пръти и дори рамата на пресата, ако надвиши допустимата за уреда обратна товароносимост (типично само 10–20% от напредъчната мощност).

За намаляване на тези сили е необходимо внимателно избиране на оборудването и инженеринг на матриците. Използването на стъпаловидни дължини на пуансоните и прилагането на ъгли на отрязване в режещите ръбове може да разпредели натоварването при пробиване във времето, което намалява пиковия удар. Въпреки това, при тежкотоварни конструкционни компоненти често самата възможност на пресата е ограничаващ фактор. Партньорството със специализиран производител често е задължително за безопасно поемане на такива натоварвания. Например, Комплексните штамповъчни решения на Shaoyi Metal Technology включват преси с възможности до 600 тона, което позволява стабилното производство на тежки автомобилни компоненти като контролни ръчички и подрамници, които биха претоварили по-малки стандартни преси.

Управлението на енергията е още един ключов фактор. Забавянето на традиционна механична преса, за да се намалят ударните натоварвания, неволно води до намаляване на наличната енергия на маховото колело (която е пропорционална на квадрата от скоростта), което може да доведе до спиране на пресата. Серво пресите решават този проблем, като осигуряват пълно разполагане с енергия дори при ниски скорости, позволявайки бавен и контролиран процес на продънване, който предпазва както матрицата, така и задвижващата система на пресата.

Предизвикателство 4: Ограничения възможности за формоване и пукане по ръбовете

С увеличаването на якостта на стоманата, пластичността ѝ намалява. Този компромис се проявява като пукане по ръбовете , особено при операции за фланширане или разширяване на отвори. Микроструктурните фази, които придават на AHSS високата якост (като например мартенсит), могат да служат като места за зараждане на пукнатини, когато материала се отрязва. Стандартен процеп при рязане от 10% от дебелината на материала, често използван при мека стомана, често води до лошо качество на ръба и последващо разрушаване по време на формоване.

Оптимизирането на процепа в матрицата е основната мярка за противодействие. Според MetalForming Magazine , аустенитните неръждаеми марки могат да изискват междинни разстояния до 35-40% от дебелината на материала, докато феритните и двуфазните стомани обикновено изискват 10-15% или оптимизирани „инженерни междинни разстояния“, за да се минимизира зоната с натрупана твърдост по ръба на срязване. Рязането с лазер е алтернатива за прототипи, но при масово производство инженерите често използват операция по отстраняване на ръба — вторично срязване, което премахва материал с натрупана твърдост по ръба преди последната формовъчна стъпка — за възстановяване на крехкостта на ръба и предотвратяване на пукания.

Заключение

Успешното щанцоване на високоякостна стомана не е просто въпрос на прилагане на по-голяма сила; то изисква фундаментално преосмисляне на процеса на производство. От прилагането на симулационно управлени корекции за отпружване до използването на инструментални стомани PM и серво преси с висока мощност, производителите трябва да разглеждат AHSS като отделен клас материали. Като предварително отчитат физиката на еластичното възстановяване, износването и механиката на скъсване, производителите могат да произвеждат по-леки и по-здрави компоненти, без да имат забранително високи проценти на скрап или повреди на оборудването.

Често задавани въпроси

1. Какъв е най-големият проблем при щанцоването на високоякостна стомана?

Най-значимият проблем обикновено е връщане след извиване , при който материала еластично възстановява формата си след премахване на формовъчната сила. Това затруднява постигането на тесни размерни допуски и изисква напреднали стратегии за симулация и коригиране на матриците.

2. Как се намалява износването на инструментите при щанцоване на AHSS?

Изнасянето на инструмента се намалява чрез използване на инструментални стомани от порошки (PM), като PM-M4 или PM-3V, които предлагат по-висока устойчивост и износоустойчивост. Освен това, нанасянето на напреднали покрития като PVD или TD (термично дифузионно) и оптимизирането на посоката на шлифоване на пуансона (напречна спрямо цилиндрична) са съществени стъпки за удължаване на живота на инструмента.

3. Защо обратното усилие е опасно за пресите за щамповане?

Обратното усилие, или пробиването, възниква, когато материала се счупи и натрупаната енергия в рамата на пресата се освободи внезапно. Тази ударна вълна създава обратна сила върху свързващите точки. Ако тази сила надвишава номиналната стойност на пресата (обикновено 10–20% от предния капацитет), това може да доведе до катастрофални повреди на лагерите, кривите валове и конструкцията на пресата.