Super Duplex de formare la rece: calculul elastic și proiectarea sculelor

Oțel inoxidabil super duplexreturnează de aproximativ două până la trei ori mai mult elastic decât 316L într-o operațiune echivalentă de formare la rece-, determinată în primul rând de raportul său ridicat de curgere-rezistență-la-modul. Acest ghid oferă producătorilor și inginerilor de scule metodele de calcul, datele comparative și regulile de-proiectare a matrițelor necesare pentru a atinge toleranța dimensională la prima execuție de producție.

Oțelurile inoxidabile super duplex -, în principal UNS S32750 (SAF 2507) și UNS S32760 -, sunt specificate acolo unde rezistența la clorură și rezistența mecanică contează ambele: platforme offshore, colectoare submarine, conducte de desalinizare și recipiente de proces chimic. Microstructura lor austenitică-feritică echilibrată oferă aproximativ dublul limitei de curgere a claselor austenitice standard, cum ar fi 316L, dar aceeași rezistență este motivul pentru care piesele formate-la rece se retrag din geometria sculei decât se așteaptă producătorii. Obținerea unghiului de îndoire corect pe primul articol - în loc de al treilea - depinde de calcularea corectă a returului elastic și de crearea compensării în matriță înainte de a fi tăiată. Acest articol trece prin ambele.

Ce face ca oțelul inoxidabil Super Duplex să fie dificil de format la rece?

Super-duplexul este dificil de format la rece, deoarece limita de curgere (mai mare sau egală cu 550 MPa) este de aproximativ 2,5–2,7 ori mai mare decât 316L, în timp ce modulul său de elasticitate (≈200 GPa) este aproape neschimbat -, astfel încât deformarea care este recuperată după ce sarcina este îndepărtată, este necesară producând o forță elastică mai îngustă și mai îngustă proporțional. fereastră cu rază-de curbare-sigură.

Proprietatea mecanică care guvernează elasticitatea nu este doar limita de curgere, ci raportul dintre limita de curgere și modulul elastic (σy /E). Un raport mai mare înseamnă că o mai mare parte a efortului total de îndoire a materialului este stocată elastic și recuperată odată ce poansonul se retrage. Tabelul de mai jos compară cele trei clase cel mai des discutate împreună într-un atelier de fabricație.

Tabelul 1 - Comparația proprietăților mecanice relevantă pentru-spălarea elastică la rece. Raportul σy/E și elasticitatea relativă sunt derivate din valorile de rezistență și modul enumerate; tratați ca un ghid de estimare, nu un substitut pentru testarea cupoanelor.

Trei consecințe practice rezultă direct din tabelul 1:

Razele de îndoire trebuie să fie în general mai mari decât piesa austenitică echivalentă pentru a evita fisurarea suprafeței pe fibra exterioară, deoarece super duplex are o rezervă de alungire mai mică decât 316L la un anumit nivel de rezistență.

Cerințele de tonaj al presei cresc aproximativ proporțional cu limita de curgere, astfel încât frânele și matrițele dimensionate pentru lucrări de 304/316L sunt adesea sub-alimentate pentru super-duplex de aceeași grosime.

Deformarea la rece peste deformarea de aproximativ 10% este, în general, urmată de o recoacere cu soluție și de stingere rapidă, atât pentru a restabili echilibrul fazei austenită-ferită, cât și pentru a reseta ductilitatea materialului înainte de formare ulterioară.

Cum se calculează Springback pentru îndoirile Super Duplex?

Utilizați ecuația raportului de-recuperare elastică (Gardiner)-împreună cu un calcul de toleranță cu {-factor de îndoire-: calculați raportul σy·R/(E·t) pentru îndoire, rezolvați raza liberă după descărcare, apoi convertiți modificarea razei într-o supraîndoire unghiulară. Pentru o curbă tipică S32750 de 3 mm la o rază interioară de 3t, aceasta prezice aproximativ 3–6 grade de retur unghiular, față de aproximativ 1–2 grade pentru 316L la aceeași geometrie.

Pasul 1 - Aportul de îndoire și factorul K-

Factorul K-localizează axa neutră de îndoire ca o fracțiune din grosimea materialului măsurată de la suprafața interioară și este utilizat pentru a calcula lungimea dezvoltată (model plat):

BA=π (R + K·t) (A / 180)

Unde BA este permisiunea de îndoire, R este raza interioară de îndoire, t este grosimea materialului, K este factorul axei-neutre și A este unghiul de îndoire în grade. Pentru foile inoxidabile austenitice și duplex, practica de atelier utilizează de obicei K ≈ 0,33 pentru R < 2t și K ≈ 0,40–0,50 pentru R Mai mare sau egal cu 2t. Exponentul de întărire la deformare mai mare-superduplex-ului deplasează ușor axa neutră spre raza interioară în comparație cu 316L, astfel încât factorii K-derivați din tabele austenitice ar trebui validați cu o îndoire de probă și nu presupuși.

Pasul 2 - Raport elastic elastic (ecuația Gardiner)

Pentru îndoirea pură a unei foi sau plăci, relația clasică de recuperare elastică-între raza sculei (încărcată) Ri și raza liberă (neîncărcată) Rf este:

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

Această ecuație arată de ce raportul σy/E din tabelul 1 este variabila de control: pe măsură ce σy/E crește, partea dreaptă-scade mai mult sub 1, ceea ce înseamnă că Rf crește în raport cu Ri - piesa se deschide mai mult după ce instrumentul o eliberează.

Exemplu lucrat

Luați în considerare o placă S32750 de 3 mm îndoită la o rază interioară de 9 mm (3t) cu σy=550 MPa și 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 - o creștere a razei de 2,5% după descărcare

Același calcul pentru 316L la geometrie identică (σy=190 MPa) dă Ri/Rf ≈ 0,9905, cu aproximativ 40% mai puțină creștere a razei. Deoarece compușii unghiular elastic cu lungimea arcului peste îndoirea completă, această diferență de rază se traduce de obicei în cerințe de supraîndoire unghiulară de 2-3 ori mai mari pentru super-duplex decât pentru 316L - în concordanță cu câmpul-raportat 3-6 grade față de intervalele de 1-2 grade utilizate în industrie.

Pasul 3 - Convertiți în supraîndoire unghiulară

Odată ce Rf este cunoscut, unghiul de retur Δ este diferența dintre unghiul sculei (țintă) și unghiul pe care îl deține de fapt partea liberă. Sculele sunt apoi tăiate la un unghi inițial de (unghi țintă + Δ ) astfel încât după recuperarea elastică piesa să se relaxeze la țintă. Această valoare de supraîndoire - nu unghiul nominal de imprimare - este ceea ce ar trebui să apară pe desenele de perforare și matriță.

Care metodă de predicție Springback este cea mai precisă?

Formulele analitice (factor K-plus Gardiner) sunt suficient de precise pentru proiectarea matriței de prima trecere și citarea; sunt necesare coturi de probă empirice pentru a finaliza sculele înainte de producție; și analiza neliniară cu elemente finite cu un model de întărire anizotrop calibrat este metoda cea mai precisă și este justificată ori de câte ori toleranța este strânsă, piesa este mare sau reluarea matriței ar fi costisitoare.

Tabelul 2 - Comparație a metodelor de predicție a returului elastic pentru formarea la rece super duplex.

Un flux de lucru practic le combină pe toate trei: utilizați formulele analitice pentru a dimensiona matrița și a cita lucrarea, rulați FEA pentru a rafina unghiul de supraîndoire și pentru a semnala orice risc de fisurare a fibrei exterioare și confirmați printr-o îndoire fizică de probă a materialului de producție-lotul înainte de a tăia sculele întărite. Deoarece gradele duplex arată variații de la căldură-la-a forței de curgere în cadrul aceleiași specificații, re-validarea returnării elastice atunci când se modifică certificatul morii este o practică bună chiar și pentru o lucrare repetată.

Cum ar trebui să fie proiectate sculele pentru a compensa pentru Springback Super Duplex?

Proiectați poansonul și matrița la unghiul de supraîndoire calculat în Secțiunea 2 (nu unghiul de imprimare), specificați o rază interioară generoasă de îndoire de cel puțin 3–4× grosimea materialului, utilizați fundul sau baterea mai degrabă decât îndoirea cu aer oriunde permite tonajul și dimensionați presa pentru 2–3× tonajul necesar pentru o piesă echivalentă de 316L.

Îndoire excesivă

Cea mai comună metodă de compensare este pur și simplu tăierea sculei la un unghi inclus mai mare decât necesită imprimarea, astfel încât recuperarea elastică readuce piesa la unghiul țintă. Valoarea de supraîndoire provine direct din Δ din Secțiunea 2 și ar trebui re-verificată ori de câte ori grosimea materialului, lotul de bobine sau raza de îndoire se modifică.

Fundă și monedă

Îndoirea cu aer - unde poansonul nu fixează complet materialul pe matriță - este rapidă, dar lasă înapoi în mare măsură necontrolat, deoarece raza de îndoire nu este fixată de scule. Fondul (așezarea completă a piesei pe pereții matriței) și baterea (aplicarea unei forțe suficiente pentru a re-reduce local zona de îndoire) constrâng ambele mecanic raza și unghiul final, reducând substanțial dispersia înapoi. Cointarea necesită cel mai mare tonaj dintre cele trei metode, dar oferă cel mai repetabil unghi pe material-de înaltă rezistență, cum ar fi super duplex.

Raza matriței și raza nasului poansonului

• Raza de îndoire interioară: minim 3× grosime pentru tabla S32750/S32760 și placa de până la aproximativ 12 mm, față de o grosime minimă comună de 1–2× utilizată pentru 316L, pentru a evita fisurarea-fibrei exterioare, având în vedere rezerva de alungire mai mică.
• Raza umărului matriței: dimensionată pentru a evita uzura - lucrarea duplex-se întărește rapid, astfel încât o rază mică sau ascuțită a matriței mărește rezistența la suprafață și poate marca suprafața plăcii, compromițând stratul rezistent la coroziune-pasiv.
• Deschiderea matriței (V-lățime): de obicei, 8–10× grosime pentru aer standard/îndoire inferioară; deschiderile mai înguste cresc și mai mult cererea de tonaj și cresc riscul ca vârful de perforare să marcheze suprafața exterioară.

Degajare și lubrifiere

Distanța dintre poanson-la-matriță trebuie mărită față de practica austenitică - cu aproximativ 10–15% mai mare decât spațiul liber folosit pentru 316L de aceeași grosime - pentru a suporta sarcinile de formare mai mari fără uzură excesivă a sculei. Este necesar un lubrifiant fără clor-conformabil pentru oțel inoxidabil, atât pentru a controla uzura cauzată de întărirea prin lucru, cât și pentru a evita contaminarea cu clorură care ar putea iniția sâmburi odată ce piesa este în funcțiune.

Cât de mult mai multă compensare Springback are nevoie de Super Duplex în comparație cu 316L și 2205?

Ca un ghid general de planificare, așteptați aproximativ 1–2 grade de retur unghiular pentru 316L, 2–4 grade pentru standard duplex 2205 și 3–6 grade pentru super duplex S32750/S32760 pe o curbă echivalentă de 90 de grade - cifre care ar trebui să fie întotdeauna confirmate de producția de încercare cu sculele de îndoire sau de încercare grosimea, raza și lotul de moară.

Tabelul 3 - Aporturi comparative de formare la rece-în familiile obișnuite de inox. Valorile sunt intervale generale de fabricație-planificare a industriei, nu un substitut pentru testele specifice de grad- și lot-.

Ce tonaj de presare și parametrii de proces ar trebui să fie specificați?

Dimensiune tonajul de presare utilizând limita de curgere reală a materialului (nu este un standard generic inoxidabil), specificați o deschidere a matriței în V-de 8–10× grosime, rulați viteza de îndoire mai mică decât pentru clasele austenitice pentru a limita încălzirea adiabatică în zona de îndoire și direcționați lucrarea printr-o inspecție dimensională 100% după revenirea cu elasticitate, mai degrabă decât pe setarea inițială a sculei.

O formulă utilizată în mod obișnuit pentru tonajul de încovoiere-aerului este:

F = (1.42 × L × σt × t²) / V

Unde F este forța în kN, L este lungimea de îndoire în mm, σt este rezistența la tracțiune în MPa, t este grosimea în mm și V este lățimea deschiderii matriței în mm. Deoarece rezistența la tracțiune super duplex (795–930 MPa pentru S32750) este aproape dublă față de 316L, aceeași ecuație arată că tonaj se dublează aproximativ pentru geometrie echivalentă - motiv pentru care mulți producători găsesc sculele 316L existente sub-odată ce trec la placa super duplex de aceeași grosime.

Este necesară recoacerea intermediară în timpul formării la rece?

Da, recoacerea cu soluție - și călirea rapidă sunt recomandate ori de câte ori deformarea cumulativă la rece depășește aproximativ 10% deformare și sunt necesare după etapa finală de formare, indiferent de nivelul de deformare, pentru a restabili echilibrul fazei de austenită-ferită și rezistența completă la coroziune a aliajului.

Lucrarea la rece modifică echilibrul de fază al super-duplexului de raportul de aproximativ 50/50 austenită-ferită care conferă gradului rezistența combinată și performanța la coroziune și poate promova faze intermetalice fragile dacă materialul este expus ulterior la temperaturi de serviciu ridicate. Fișele de date ale morii și ale producătorului pentru S32750 specifică o temperatură minimă de recoacere a soluției de aproximativ 1052 de grade (1925 de grade F), urmată imediat de o stingere rapidă cu aer sau apă, cu decapare și pasivizare ulterior pentru a restabili complet stratul de suprafață pasiv pe care formarea la rece și orice căldură asociată îl pot perturba.

Întrebări frecvente

Cât de mult revine oțelul inoxidabil super duplex după îndoirea la rece?

Pe o curbă obișnuită de 90 de grade, oțelul inoxidabil super duplex (UNS S32750/S32760) prezintă aproximativ 3–6 grade de retur unghiular, în comparație cu aproximativ 1–2 grade pentru oțelul inoxidabil austenitic 316L la aceeași grosime și rază. Valoarea exactă depinde de grosime, raza de îndoire și limita de curgere reală a materialului, așa că ar trebui să fie confirmată cu o îndoire de probă.

Ce formulă este utilizată pentru a calcula revenirea elastică în îndoirea oțelului inoxidabil?

Ecuația Gardiner este formula analitică standard: Ri/Rf=4(Ri·σy/E·t)³ − 3(Ri·σy/E·t) + 1, unde Ri este raza sculei, Rf este raza liberă după descărcare, σy este limita de curgere, E este modulul elastic și t este grosimea materialului. În mod obișnuit, este asociat cu un calcul de toleranță cu factor K-indoire-pentru dezvoltarea-modelului plat.

Care este raza minimă de îndoire pentru oțelul inoxidabil super duplex?

O rază de îndoire interioară minimă de 3 până la 4 ori grosimea materialului este o recomandare de pornire comună pentru S32750 și S32760, față de 1 până la 2 ori grosimea pentru 316L, deoarece super-duplex are o rezervă de alungire mai mică la nivelul său de rezistență mai mare și este mai predispus la fisurarea-fibrelor exterioare la raze strânse.

De ce oțelul inoxidabil super duplex necesită o forță de formare mai mare decât 316L?

Super duplex are o limită de curgere minimă de aproximativ 550 MPa și o rezistență la tracțiune de aproximativ 795–930 MPa pentru S32750, aproape dublu față de valorile pentru 316L. Deoarece forța de încovoiere crește cu rezistența la tracțiune, cerințele de tonaj al presei cresc proporțional - de obicei de 2,3 până la 2,7 ori tonajul necesar pentru o piesă echivalentă de 316L.

Oțelul inoxidabil super duplex necesită recoacere după formarea la rece?

Da. Recoacere cu soluție urmată de o stingere rapidă cu aer sau apă este recomandată odată ce deformarea cumulativă la rece depășește aproximativ 10% și este, în general, necesară după etapa finală de formare pentru a restabili microstructura echilibrată de ferită austenită-și rezistența completă la coroziune a aliajului.

Este calculul analitic sau FEA mai bun pentru prezicerea returului super duplex?

Formulele analitice sunt suficiente pentru estimarea timpurie și dimensionarea inițială a matriței. Analiza neliniară cu elemente finite cu un model de întărire calibrat este mai precisă și merită timpul adăugat pentru piese cu toleranță-strânsă, plăci mari sau groase sau orice lucrare în care tăierea de două ori a sculelor noi ar fi costisitoare.