ENสอบถาม

ปั๊มเย็นเหล็ก 1180-1470 MPa: ต้องรู้อะไรบ้าง

ชิ้นส่วนที่เคยต้องเข้าเตา 900 °C วันนี้ออกมาจากเครื่องปั๊มเย็นได้แล้ว นี่คือสิ่งที่เปลี่ยนไปเมื่อเหล็กแข็งแรงระดับนี้ และวิธีทำให้ถูกตั้งแต่ก่อนกัดแม่พิมพ์

จากเตาอบสู่เครื่องปั๊มเย็น

หลายปีที่ผ่านมา ชิ้นส่วนที่แข็งแรงที่สุดของตัวถังรถ เช่นเสา ราวหลังคา และคานกันกระแทก ผลิตด้วย hot stamping คือให้ความร้อนแผ่นประมาณ 900 °C แล้วขึ้นรูปและชุบแข็งในแม่พิมพ์ ได้ผลดี แต่ต้องใช้เตายาวกว่า 30 m และพลังงานมาก

ต่อมาผู้ผลิตเหล็กพัฒนาเกรดที่ขึ้นรูปเย็นได้ที่ 1180 MPa ไปจนถึงประมาณ 1470-1500 MPa ชิ้นส่วนเหล่านี้ขึ้นรูปที่อุณหภูมิห้องบนเครื่องปั๊มทั่วไป แต่เหล็กระดับนี้มีพฤติกรรมในแม่พิมพ์ต่างไปมาก และปัญหาที่ตามมามองเห็นได้ยากกว่าตอนทดลองปั๊ม

ข้อแลกเปลี่ยนในกราฟเดียว

ความแข็งแรงกับการยืดตัวสวนทางกัน ในเหล็กรีดเย็นของผู้ผลิตรายหนึ่ง elongation ลดจาก 17% ที่ 980 MPa เหลือ 6% ที่เกรด 1500

1000120014001600481216การยืดตัว El (%)TS (MPa)980 D980 B1180 B1300 B1500 Bยิ่งแข็งแรง ยิ่งยืดได้น้อย
ข้อมูล: เหล็กรีดเย็นของ Kobe Steel หนา 1.2 mm (D = เกรดที่ออกแบบมาสำหรับงานดึงขึ้นรูป, B = เกรดที่ออกแบบมาสำหรับงานดัด) กราฟวาดใหม่โดย JSIM

เลื่อนซ้าย-ขวาเพื่อดูกราฟทั้งหมด

กราฟแสดงค่าทั่วไปจากผู้ผลิตรายเดียว แต่ข้อกำหนดของเหล็กให้เป็นช่วง และเหล็กม้วนที่ส่งมาจริงอาจอยู่ตรงไหนก็ได้ในช่วงนั้น:

ช่วงคุณสมบัติตามข้อกำหนดของเหล็กรีดเย็น 980 ถึง 1500 MPa (VDA 239-100 ข้อมูลจากเอกสารเหล็ก SSAB Docol)
ระดับความแข็งแรง (MPa)ตัวอย่างเกรด (VDA 239-100)YS (MPa)TS (MPa)El A80 ต่ำสุด (%)
980CR780Y980T-CP780-950980-11406
1180CR900Y1180T-CP900-11001180-13505
1300CR1030Y1300T-MS1030-13301300-15503
1470-1500CR1220Y1500T-MS1220-15201500-17503

เลื่อนซ้าย-ขวาเพื่อดูตารางทั้งหมด

ช่วงเหล่านี้กว้าง เหล็กเกรด 1180 ม้วนหนึ่งอาจมีค่า YS ตั้งแต่ 900 ถึง 1100 MPa และความต่างนี้อย่างเดียวก็เปลี่ยนปริมาณ springback ของชิ้นงานได้ การจำลองการขึ้นรูปจึงควรใช้ข้อมูลที่วัดจากวัสดุจริง ไม่ใช่ค่าจากแคตตาล็อก หมายเหตุ ค่า elongation ต่ำสุดในตารางวัดด้วยความยาวพิกัด 80 mm (A80) และใช้กับความหนาตั้งแต่ 0.60 mm จึงเทียบกับค่าในกราฟโดยตรงไม่ได้

ในกราฟ D คือเกรดที่ออกแบบมาสำหรับงานดึงขึ้นรูปและยืด ซึ่ง uniform elongation ดี ส่วน B คือเกรดสำหรับงานดัด ที่ยอมเสียส่วนนั้นไปบ้างเพื่อให้ local elongation และค่า hole expansion ดีขึ้น ซึ่งสำคัญที่รอยดัดและขอบตัด ที่ความแข็งแรงระดับนี้ การเลือกเกรดตามวิธีขึ้นรูปสำคัญพอ ๆ กับการเลือกตามความแข็งแรง

สองหมุดหมายที่ควรรู้

  • Nissan 1.2 GPa (2013) Nissan พัฒนาเหล็ก 1.2 GPa ที่ยืดตัวได้พอจะปั๊มเย็นเป็นชิ้นส่วนตัวถัง โดยควบคุมโครงสร้างระดับต่ำกว่าไมครอน ใช้ครั้งแรกใน Infiniti Q50 ที่ชิ้นเสริมเสากลางและราวหลังคา
  • JFE Steel 1.5 GPa เหล็กมาร์เทนไซต์ทั้งเนื้อ ผลิตด้วยการชุบน้ำที่อัตราเย็นตัวกว่า 1,000 °C/s เมื่อปั๊มเย็นแล้วใช้แทนชิ้นที่เคย hot stamping ได้ เริ่มจากชิ้นเสริมกลางหลังคา แล้วใช้ในชิ้นส่วนโครงสร้างหลายชิ้นของ Toyota Prius เพื่อคุม springback ของชิ้นยาวโค้ง JFE พัฒนาวิธี "stress reverse forming" ที่ใช้ Bauschinger effect ลดความเค้นที่เป็นต้นเหตุของ springback

ปัญหาสี่ข้อที่ยากขึ้น

1. Springback

Springback คือความท้าทายหลักของการปั๊มเย็นเหล็กระดับนี้ ยิ่งแข็งแรง การคืนตัวหลังแม่พิมพ์เปิดยิ่งมาก ชิ้นยาวโค้งจะบิดและโก่ง ผู้ผลิตเหล็กแนะนำให้ใช้การจำลองการขึ้นรูปปรับรูปทรงชิ้นงาน ใช้แนวดัดตรง ออกแบบรัศมีมุม และ draw bead ดู Springback คืออะไร และลดได้อย่างไร

2. รอยแตกที่รอยดัดและขอบตัด

เมื่อยืดตัวได้แค่ 6-8% ส่วนเผื่อจึงเหลือน้อย เหล็กมาร์เทนไซต์ 1500 MPa เกรดหนึ่งรับประกันการดัดที่รัศมี 4.0 เท่าของความหนา และมีค่า hole expansion ประมาณ 40% รัศมีที่แคบกว่านั้น หรือขอบตัดที่ถูกยืด อาจแตกในจุดที่ forming limit diagram ไม่เห็นปัญหา ดู รอยแตก stretch flange และ 3D-FLD

3. รอยแตกที่มาทีหลัง

เมื่อเกินประมาณ 1000 MPa เหล็กจะไวต่อไฮโดรเจน การแตกล่าช้าต้องมีสามอย่างพร้อมกัน คือเหล็กที่ไว ไฮโดรเจน และความเค้นสูง ขอบที่เฉือนมาเสี่ยงเป็นพิเศษ ไฮโดรเจนอาจมาจากน้ำมันหล่อลื่น การ pickling การชุบสังกะสีด้วยไฟฟ้า หรือขั้นเตรียมผิวก่อน e-coat มีการทดสอบเช่น SAE J3215 ใช้จัดอันดับวัสดุ ดู การทำนายการแตกล่าช้า

4. แรงปั๊มและการสึกของแม่พิมพ์

แรงขึ้นรูปและแรงตัดเพิ่มตามความแข็งแรง บางสายการผลิตเปลี่ยนไปใช้ servo press และแม่พิมพ์ต้องใช้วัสดุทนสึกและการเคลือบผิว

ปั๊มเย็นหรือ hot stamping

เปรียบเทียบการปั๊มเย็นกับ hot stamping สำหรับชิ้นส่วนความแข็งแรงสูงพิเศษ
ปั๊มเย็นHot stamping
ความแข็งแรงโดยทั่วไปส่วนใหญ่ 1000-1200 MPa บางเกรด 1400-1500 MPaประมาณ 1500 MPa ด้วย 22MnB5 เกรดใหม่สูงกว่านั้น
อุปกรณ์ใช้เครื่องปั๊มที่มีอยู่เตายาวกว่า 30 m ที่ราว 900 °C มักใช้กำลังเกิน 2 MW
Springbackต้องจัดการแทบไม่มี
ความซับซ้อนของรูปทรงปานกลางสูง
การตัดขอบใช้แม่พิมพ์ตัดมักใช้เลเซอร์
ต้นทุนผู้ผลิตเหล็กรายหนึ่งอ้างว่าต่ำกว่าได้ถึง 28%สูงกว่า

เลื่อนซ้าย-ขวาเพื่อดูตารางทั้งหมด

ไม่มีวิธีไหนชนะทุกกรณี hot stamping ยังเหมาะกับรูปทรงที่ซับซ้อนมาก ส่วนการปั๊มเย็นชนะเรื่องพลังงาน ต้นทุน และรอบเวลา เมื่อรูปทรงเอื้อและคุม springback ได้

การจำลองเข้ามาช่วยตรงไหน

ทุกปัญหาข้างต้นตรวจได้ก่อนกัดแม่พิมพ์ แต่ต้องใช้แบบจำลองวัสดุที่ถูกต้อง ที่ความแข็งแรงระดับนี้ แบบจำลอง isotropic hardening แบบง่ายไม่พอสำหรับ springback ต้องรวม Bauschinger effect ซึ่งเป็นปรากฏการณ์เดียวกับที่ JFE ใช้ใน stress reverse forming และเป็นสิ่งที่ โมเดล Yoshida-Uemori ให้ได้

เช็กลิสต์ก่อนย้ายชิ้นงานไปใช้เหล็ก 1180-1470 MPa

  • มีข้อมูลวัสดุที่วัดจริงของเกรดและผู้ผลิตนั้น รวมถึงพฤติกรรมแบบวนรอบสำหรับ springback หรือยัง
  • เกรดเป็นชนิดงานดึงขึ้นรูปหรืองานดัด และตรงกับวิธีขึ้นรูปชิ้นงานหรือไม่
  • จำลอง springback และการชดเชยแล้วหรือยัง ดู กรณีศึกษาชิ้นเสา 980 MPa
  • ตรวจขอบตัด รอยดัดแคบ และความเค้นตกค้าง สำหรับรอยแตกที่ขอบและการแตกล่าช้าแล้วหรือยัง ดู JESOLVA-Forming
  • เครื่องปั๊มและแม่พิมพ์รับแรงขึ้นรูปและแรงตัดได้หรือไม่

แหล่งอ้างอิง

กำลังวางแผนชิ้นงานเหล็ก 1180-1470 MPa

บอกชิ้นงานและเกรดเหล็ก วิศวกร JSIM จะแนะนำว่าควรจำลองอะไรก่อน

ส่งข้อสอบถาม