Ratkaisuja AHSS-terästen reunojen muovattavuuteen liittyviin ongelmiin

Pitkälle kehitettyjen erikoislujien terästen (AHSS) leikattujen reunojen muovaaminen edellyttää riittävää sitkeyttä, sillä muutoin reunat voivat rikkoutua. Tällöin ne halkeilevat reikien tai laippojen ympäriltä.

Tässä artikkelissa kerrotaan, miten AHSS-teräksen reunan halkeilu voi johtua sekä leikkaus- että muovausprosesseista. Jaamme myös parhaat käytännöt leikkaukseen, työkaluihin ja materiaalien testaukseen reunojen virheiden vähentämiseksi. Artikkelissa käsitellään viimeisimmän Docol® Edge Ductility -webinaarin kohokohtia SSAB:n Senior Forming Specialist -asiantuntijan Vili Kestin kanssa.

Missä reunojen muovattavuutta tarvitaan?

Tavallisesti reunojen muovattavuutta tarvitaan aina, kun leikattuja reunoja muovataan. Esimerkiksi autoteollisuuden alustasovelluksissa osia leikataan tai rei'itetään usein mekaanisesti sarjatuotantoprosessissa. Leikattuihin reunoihin kohdistuu monenlaista jännitystä, kuten reiän laajennusta, kauluksen muovausta, laipan venytystä jne.

Kun ajoneuvojen AHSS-osissa käytetään yhä monimutkaisempia rakenteita, leikattujen reunojen muovauksesta ilman murtumia voi tulla entistä haastavampi prosessi – erityisesti kuumavalssattujen AHSS-terästen tapauksessa. Myös osan väsymisominaisuudet voivat kärsiä, jos reuna-alueilla esiintyy alkavia vikoja, kuten säröilyä.

Esimerkkejä AHSS-teräksen reunojen muovattavuusongelmista

Esimerkkejä AHSS-teräksen reunojen muovattavuusongelmista

Tässä näkyy tyypillinen ongelma: reiän reunassa on tapahtunut murtuma reiän laajennusprosessin aikana. Murtuma on alkanut reiän kehältä, jossa näkyy karkea, mekaanisesti leikattu pinta.

Toinen esimerkki AHSS-teräksen reunojen muovattavuusongelmista

Toinen esimerkki: tässä on lähikuva tyypillisestä laippahalkeamasta alueella, jolla muovauksen aikana esiintyi suuria vetojännityksiä.

Simulointiohjelmisto voi olla erittäin tehokas niiden kriittisten alueiden (esim. kovan jännityksen) tunnistamisessa, jotka eivät aluksi ehkä näytä alttiilta halkeamille.

Mekaaniset leikkausprosessit, kuten reiän lävistys, aiheuttavat tehokasta muokkauslujittumista sekä mahdollisesti aukkoja ja pursetta leikattuja reunoja pitkin. Nämä kaikki muodostavat ”murtumiselle altistuneen alueen” eli SAZ-alueen (shear affected zone).

SSAB on tehnyt mikrokovuusmittauksia ja todennut, että mitä lähemmäs leikattua reunaa mennään, sitä suurempaa muokkauslujittumista havaitaan. Tämä vähentää reunan muodonmuutoskapasiteettia jo ennen muovausta.

AHSS-teräksen mikrorakenteesta riippuen SAZ-alueen lähelle voi olla sulkeumia, karbideja, faasirajoja jne.

Työkalut, leikkausvälykset ja reunojen muovattavuus

Ensimmäinen paras käytäntö muovauksen aikana on tietää työkalujen kulumisnopeus (ja seurata sitä). Tyypillisesti alustavaa kulumisnopeutta seuraa tasaantuminen ja sitten kiihtyvä kulumisnopeus. Samanlainen kuvio esiintyy tavallisesti jäysteen muodostumisessa: ks. kaavio. Kummassakin tapauksessa kannattaa pitää työkalut kunnossa, ennen kuin ennakoitu kiihtyvä kuluminen alkaa. Kuluneet työkalut voivat vähentää huomattavasti reiän laajennuskykyä (HER) joissakin AHSS-teräksissä.

Sijoita mahdollisuuksien mukaan jäyste reunan sisäpuolelle. Ulkoreunan jäysteet aiheuttavat usein vikoja myöhemmissä taivutusvaiheissa.

Reiän laajennuskykyä voidaan kasvattaa käyttämällä ihanteellista leikkausvälystä kyseisellä AHSS-teräslaadulle. Joissakin tapauksissa se on suurempi kuin reiän laajennuskyvyn ISO 16630 -standardin mukainen 12 prosenttia. Tarkista AHSS-valmistajalta leikkausvälykset teräslaadun ja käyttötarkoituksen mukaisesti.

Työkalujen huoltaminen ja yhtenäiset leikkausvälykset liittyvät toisiinsa. Sekä leikkausvälys että leikattava AHSS-teräs vaikuttavat työkalujen kulumiseen. Työkalun jäykkyys on myös tärkeää: jäykkyys helpottaa tasaisten leikkausvälysten saavuttamista reikien ympärillä ja pitkissä laipoissa.

Murtumiselle altistunut alue voidaan poistaa vaihtamalla leikkausmenetelmäksi poraus, koneistus tai lankaleikkaus (EDM). Valitettavasti poraaminen, koneistus ja EDM ovat aikaa vieviä prosesseja, eivätkä ne sovellu suuriin tuotantoeriin. Lämpöleikkausmenetelmät, kuten laser tai plasma, voivat parantaa reunojen muovattavuutta, mutta ne voivat aiheuttaa lämpönsä vuoksi kovuusgradientteja.

Työkalujen, leikkausvälysten ja reunojen muovattavuuden kaavio

Esilävistys voi parantaa merkittävästi reiän laajennuskykyä / reunojen muovattavuutta

Monissa teknisissä tutkimuksissa näytetään, että esilävistys eli kahdessa osassa tehtävä leikkaus voi merkittävästi parantaa AHSS-teräksen reiän laajennuskykyä ja siten reunojen muovattavuutta.

Esilävistyksessä käytetään yhtä porrastettua lävistintä tai kahta erillistä lävistystä aloitusreiän tekemiseen ja sen jälkeen viimeistelyyn. Ihanteellisten tulosten saavuttamiseksi leikattavan tai lävistetyn renkaan paksuus on valittava huolellisesti. Esilävistys voi parantaa merkittävästi reiän laajennuskykyä, mutta parannuksen määrä vaihtelee teräslaadusta toiseen tämän kaavion mukaisesti.

Esilävistys voi parantaa merkittävästi reiän laajennuskykyä / reunojen muovattavuutta

Samat AHSS-nimet, erilainen reunojen muovattavuus

Reunojen muovattavuus voi vaihdella merkittävästi eri teräslajeissa, vaikka niiden lujuustasot olisivat samat. Huomaat myös eroja eri teräksentuottajien välillä, jotka tarjoavat näennäisesti ”samannimistä” laatua.

Lisäksi reiän laajennuskyvyn ja perinteisen myötölujuuden, murtolujuuden tai venymän välillä ei ole selvää korrelaatiota. (Viimeaikaisissa julkaisuissa on havaittu mahdollinen korrelaatio todellisen paksuuden murtumajännitysten ja reiän laajennuskyvyn välillä. Jos lisätutkimus vahvistaa korrelaation, toivomme saavamme kirjoittaa siitä tulevissa katsauksissamme.)

Tässä on esimerkiksi neljä eri teräslaatua, joiden murtolujuus on vähintään 800 MPa. Oikean teräslaadun valitseminen parantaa merkittävästi reunojen muovausominaisuuksia.

Toinen huomioonotettava seikka AHSS-teräksiä valittaessa: todellisissa konepajaolosuhteissa voi olla vaikeaa pitää leikkausvälykset yhtenäisinä. Tässä kaaviossa näytetään, miten Docol® HE (High Edge) -teräslaadussa reunojen laatu ja muovattavuus eri leikkausvälyksillä ovat paremmat kuin perinteisillä AHSS-teräksillä.

Tuloskaavio, reiän laajennuskyky
Tuloskaavio, reiän laajennuskyky, S355MC vs Docol 355 HE, eri välykset [%]

ISO 16630 -standardin ylittäminen: 3-ulotteinen reunojen muovausrajakaavio

Nykyinen maailmanlaajuinen standardi reiänlaajennuskokeille on ISO 16630, jota on laajasti kritisoitu siitä, että se tuottaa epävarmoja ja vaihtelevia tuloksia.

ISO 16630 kattaa vain yhden jännitys-/venymätilan. Tosielämän tuotantoon liittyy kuitenkin usein erilaisia reunankuormitustapauksia. Myös samoissa autonosissa reunoihin voi kohdistua erilaisia jännitys-/venymätiloja.

Voimme käyttää erilaisia testejä kattamaan laajemman valikoiman jännitys-/venymäkuormitustapauksia, mukaan lukien online digitaalinen kuvakorrelaatiomittaus (DIC). SSAB:n tutkijoiden käyttämiä testejä:

  • Nakajima-reiänlaajennustesti
  • KWi-reiänlaajennustesti
  • Diabolo-testi
  • Kaksoistaivutustesti
  • Reiän vetolujuuskoe

SSAB:n tutkijat kehittävät parhaillaan uutta konseptia kuvaamaan ”reunan yleinen muovattavuus”. Lähestymistapa käyttää kaikkia yllä mainittuja testejä AHSS-näytteen testaamiseksi kolmeen eri suuntaan (ε1, ε2 ja ε3) kolmiulotteisen reunan muovausrajakaavion (FLD) luomiseksi. Jännitysrajat on piirretty juuri ennen murtumista.

Kolmiulotteiset reunan muovausrajakaaviot ovat hyvä tapa verrata visuaalisesti eri materiaaleja ja niiden yleistä reunojen muovattavuutta. Niitä voidaan käyttää tehokkaasti myös simulaatioissa. Pysy siis kuulolla!

Pintakaavio

Haluatko lisätietoja terästemme 3D reunojen muovausrajakaavioista?

Onko sinulla kysyttävää reunojen muovattavuuden määrittämisestä tietylle AHSS-teräkselle ja auton osalle?

5