Краткое содержание

Штамповка высокопрочной стали сопряжена с тремя основными инженерными трудностями: значительным упругий возврат из-за высокого предела текучести, быстрым износа инструмента из-за экстремальных контактных давлений и опасным обратным ходом пресса (эффект «проваливания»), который может повредить внутренние компоненты пресса. Преодоление этих проблем требует перехода от традиционных методов обработки низкоуглеродистой стали к передовым стратегиям смягчения последствий, включая моделирование на основе напряжений для компенсации, использование инструментальных сталей порошковой металлургии (ПМ) со специализированными покрытиями и сервоприводные технологии прессов для управления энергией на более низких скоростях. Успешное производство зависит от оптимизации всего процесса — от проектирования матриц до смазки — с целью сохранения размерной точности без сокращения срока службы оборудования.

Проблема 1: Упругое восстановление и контроль геометрических размеров

Наиболее распространённой проблемой при штамповке высокопрочной стали (AHSS) и высокопрочных низколегированных сталей (HSLA) является пружинение — упругое восстановление металла после снятия формовочной нагрузки. В отличие от малоуглеродистой стали, которая относительно хорошо сохраняет форму, AHSS обладает значительно более высоким пределом текучести, что вызывает сильное «отскакивание». Это геометрическое отклонение представляет собой не просто линейный возврат; оно зачастую проявляется в виде изгиба боковых стенок и скручивания, что делает контроль размеров чрезвычайно сложным для прецизионных деталей.

Традиционные методы проб и ошибок неэффективны для AHSS. Вместо этого инженеры должны полагаться на передовые метода конечных элементов (МКЭ) которые используют модели прогнозирования на основе напряжений, а не простые критерии, основанные на деформации. Моделирование позволяет конструкторам матриц применять геометрическую компенсацию — намеренно чрезмерно изгибать или искажать поверхность матрицы, чтобы деталь вернулась в нужную конечную форму после пружинения. Однако одного моделирования часто недостаточно без механического вмешательства.

Практические корректировки процесса также имеют решающее значение. Такие методы, как вращательная гибка и использование фиксированные шаги или «монетные валики» могут помочь закрепить напряжения в материале. Согласно Изготовитель , использование сервопресс-технологии для программирования «выдержки» в нижней точке хода позволяет материалу расслабиться под нагрузкой, значительно снижая упругое восстановление. Такой подход «фиксации формы» намного эффективнее простого штампования, которое требует чрезмерного усилия и ускоряет износ инструмента.

Проблема 2: Износ инструмента и разрушение матриц

Повышенные пределы текучести материалов AHSS — зачастую превышающие 600 МПа или даже 1000 МПа — создают огромное контактное давление на штамповочное оборудование. Такие условия создают высокий риск задиров, сколов и катастрофического разрушения инструмента. Стандартные инструментальные стали, такие как D2 или M2, которые достаточно хорошо работают с низкоуглеродистой сталью, часто преждевременно выходят из строя при обработке AHSS из-за абразивных свойств материала и высокой энергии, необходимой для его формовки.

Для борьбы с этим производителям необходимо перейти на Инструментальные стали метода порошковой металлургии (PM) . Марки, такие как PM-M4, обеспечивают превосходную износостойкость при высоком объеме производства, в то время как PM-3V обеспечивает необходимую прочность для предотвращения сколов в условиях высоких ударных нагрузок. Помимо выбора материала, важнейшее значение имеет подготовка поверхности. Wilson Tool рекомендует перейти от цилиндрической заточки к плоской заточке пуансонов. Такая продольная текстура снижает трение при снятии и минимизирует риск задиров во время фазы возврата.

Покрытия поверхности являются последним рубежом защиты. Передовые покрытия методом физического парового осаждения (PVD) и термодиффузионные (TD) покрытия, такие как титануглероднитрид (TiCN) или карбид ванадия (VC), могут увеличить срок службы инструмента до 700 % по сравнению с непокрытыми инструментами. Эти покрытия создают твердый, хорошо смазываемый барьер, устойчивый к экстремальному нагреву, возникающему от энергии деформации высокопрочной стали.

Проблема 3: Мощность пресса и ударные нагрузки при прорыве

Скрытая опасность при штамповке высокопрочной стали — это воздействие на сам пресс, в частности с точки зрения энергетическая емкость и обратным ходом пресса (резкого прорыва). Механические прессы рассчитаны на усилие вблизи нижней мертвой точки хода, однако формовка сверхпрочной стали (AHSS) требует высокой энергии значительно раньше в ходе движения. Более того, когда материал ломается (прорывается), внезапное высвобождение накопленной потенциальной энергии создает ударную волну, распространяющуюся обратно по конструкции пресса. Нагрузка от этого «резкого прорыва» может разрушить подшипники, шатуны и даже раму пресса, если она превышает допустимую обратную нагрузку оборудования (обычно составляет лишь 10–20 % от прямой нагрузки).

Для снижения этих усилий требуется тщательный подбор оборудования и проектирование штампов. Применение разной длины пуансонов и наклонных углов на режущих кромках позволяет распределить нагрузку при прорезании во времени, уменьшая пиковую ударную нагрузку. Однако для тяжелых конструкционных компонентов зачастую ограничивающим фактором является мощность самого пресса. Для безопасной обработки таких нагрузок часто необходимо сотрудничество со специализированным производителем. Например, Комплексные решения для штамповки от Shaoyi Metal Technology включают прессы мощностью до 600 тонн, что обеспечивает стабильное производство крупногабаритных автомобильных компонентов, таких как рычаги подвески и подрамники, которые невозможно изготавливать на более мелких стандартных прессах.

Управление энергией является еще одним важным фактором. Замедление традиционного механического пресса для снижения ударных нагрузок неумышленно уменьшает доступную энергию маховика (которая пропорциональна квадрату скорости), что может привести к остановке. Сервопрессы решают эту проблему, обеспечивая полную доступность энергии даже на низких скоростях, что позволяет медленно и контролируемо пробивать материал, защищая как штамп, так и приводную систему пресса.

Проблема 4: Ограничения формовки и трещины по краям

По мере увеличения прочности стали её пластичность уменьшается. Это компромисс проявляется в виде растрескивание кромок , особенно при операциях отбортовки или расширения отверстий. Микроструктурные фазы, придающие высокопрочной стали АНГС её прочность (например, мартенсит), могут служить точками зарождения трещин при резке материала. Стандартный зазор при резке 10% от толщины материала, распространённый для мягкой стали, зачастую приводит к плохому качеству кромки и последующему разрушению при формовке.

Основной мерой противодействия является оптимизация зазора в штампе. Согласно MetalForming Magazine , аустенитные марки нержавеющей стали могут требовать зазоров до 35–40 % от толщины материала, в то время как для ферритных и двухфазных сталей обычно требуются зазоры 10–15 % или оптимизированные «спроектированные зазоры» для минимизации зоны упрочнения на кромке среза. Лазерная обрезка является альтернативой при прототипировании, однако для массового производства инженеры часто используют операцию зачистки — вторичный рез, удаляющий упрочнённый материал кромки перед окончательной формовкой — чтобы восстановить пластичность кромки и предотвратить растрескивание.

Заключение

Успешная штамповка высокопрочной стали — это не просто применение большего усилия; требуется кардинальная переработка технологического процесса. Начиная с использования моделирования для компенсации пружинения и заканчивая применением инструментальных сталей PM и сервопрессов с высокой грузоподъемностью, производители должны рассматривать ВПСС как отдельный класс материалов. Учитывая заранее физические явления упругого восстановления, износа и механики разрушения, изготовители могут производить более легкие и прочные детали, не сталкиваясь с чрезмерным уровнем брака или повреждением оборудования.

Часто задаваемые вопросы

1. Какова самая большая проблема при штамповке высокопрочной стали?

Наиболее значительной проблемой, как правило, является упругий возврат , когда материал упруго восстанавливает свою форму после снятия формовочного усилия. Это затрудняет достижение жестких размерных допусков и требует применения передового моделирования и стратегий компенсации матриц для исправления.

2. Как уменьшить износ инструмента при штамповке ВПСС?

Износ инструмента снижается за счёт применения порошковых инструментальных сталей (PM), таких как PM-M4 или PM-3V, которые обладают повышенной вязкостью и износостойкостью. Кроме того, нанесение передовых покрытий, например PVD или TD (термодиффузия), и оптимизация направления шлифовки пуансона (продольная или цилиндрическая) являются важными мерами для увеличения срока службы инструмента.

3. Почему обратное усилие опасно для штамповочных прессов?

Обратное усилие, или эффект проскальзывания, возникает, когда материал ломается, и накопленная энергия в раме пресса внезапно высвобождается. Эта ударная волна создаёт обратную силу на точках соединения. Если эта сила превышает допустимый предел пресса (обычно 10–20 % от прямого усилия), она может вызвать катастрофическое повреждение подшипников, кривошипов и конструкции пресса.