AHSS-teräksen muovattavuuden määrittely uudella leikattujen reunojen taivutuskokeella

ISO 16630 -standardin mukaisen reiänlaajennus- ja kaksoistaivutuskokeen rajoitukset

Leikattujen reunojen muovattavuutta voidaan testata monin eri tavoin. Tässä artikkelissa käsitellään ensin kahta tyypillistä koetta, ISO 16630 -reiänlaajennuskoetta ja kaksoistaivutuskoetta, ja sen jälkeen tutkitaan uutta, kolmatta koetta. 

16630-reiänlaajennuskoe (eli lävistetyn reiän laajentaminen) tuottaa geometrisen tuloksen: prosenttiosuus, jonka verran reikää voidaan laajentaa, ennen kuin materiaali halkeaa koko paksuudelta. Toisin sanoen koe päättyy, kun teräksen reuna on jo vioittunut. Suuren halkeamisen lisäksi lävistetyssä reunassa voi olla mikrohalkeamia, kuten kuvasta 1 näkyy.

Kaksoistaivutuskokeessa (eli leikatun reunan taivutus kahdesti, kunnes se halkeaa) voidaan mitata leikatun reunan jännitys digitaalisen kuvan korrelaatiomittaustekniikalla (DIC). Katso kuva 2.

Sitten voimme käyttää jännitystuloksia muovaussimulaatioissamme. Vertailun vuoksi: reiänlaajennuskokeesta ei saada jännitystuloksia.

Reiänlaajennuskoe on hyvin yksinkertainen. Kaksoistaivutuskokeen tekeminen vie siihen verrattuna enemmän aikaa. Ota huomioon ensimmäisen taivutuksen säde ja laipan korkeus. Laipan korkeudesta ja näytteen paksuudesta riippuen on tarkistettava, ettei laippa ole käyristynyt.

Sitten voimme käyttää jännitystuloksia muovaussimulaatioissamme. Vertailun vuoksi: reiänlaajennuskokeesta ei saada jännitystuloksia.

Reiänlaajennuskoe on hyvin yksinkertainen. Kaksoistaivutuskokeen tekeminen vie siihen verrattuna enemmän aikaa. Ota huomioon ensimmäisen taivutuksen säde ja laipan korkeus. Laipan korkeudesta ja näytteen paksuudesta riippuen on tarkistettava, ettei laippa ole käyristynyt.

Kaksoistaivutuskokeen parantaminen jättämällä pois yksi taivutuskerta

Halusimme kehittää kaksoistaivutuskoetta, joten poistimme ensimmäisen taivutuksen. Tämä säästää hieman aikaa (yksi taivutus vähemmän), eikä meidän enää tarvitse ottaa huomioon ensimmäisen taivutuksen sisäsädettä. Sen sijaan asetamme leikatun näytteen reunallaan puristimeen tai särmäyspuristimeen. Vaikka tämä ”laippa” on helpompi vakauttaa, käytämme silti erikoistyökalua käyristymisen estämiseksi. Katso kuva 3.

Tämän uuden kokeen parametreja ovat: 

• Leikkurin säde: alussa 3 mm, ja sitä kasvatettiin 10 mm:n taivutussäteeseen asti. 
• Leikkausparametrit: teimme suoran leikkauksen leikkaustyökalulla, mutta leikkauskulmaa ja välystä voi vaihdella. 
• Näytteen korkeus: erittäin tärkeää, koska jännitys jakautuu eri tavalla materiaalin korkeuden mukaan. 
• Valssaussuunta: pitkittäin (L) tai poikittain (T). 
• Ja tietysti testattava teräslaatu.

Testasimme ensin seuraavat kuumavalssatut teräslaadut, sillä niitä käytetään tyypillisesti rungoissa, jotka vaativat erittäin paljon leikatuilta reunoilta.

Valitsimme teräksen pinnalle satunnaisen kuvion, jotta pystyimme tarkkailemaan koko muovausjaksoa. Voimme seurata vaaka- ja pystysuoraa jännitystä, murtumakohdan jännitystä ja taivutuskulmaa, kuten kuvassa 4.

Kuva 3: Parannettu taivutuskoe: AHSS-näyte asetetaan reunalleen ja taivutetaan.

Kuva 4: Uuden AHSS-teräksen leikatun reunan taivutuskokeen avulla voidaan tarkkailla vaaka- ja pystysuuntaista jännitystä, murtumakohdan jännitystä ja taivutuskulmaa.

Kuvassa 5 musta käyrä on jännitys leikatulla reunalla ja keltainen käyrä on pystysuuntainen rasitus.

Kuva 5: Jännitys AHSS-teräksen leikkausreunaa (musta käyrä) ja pystyosiota (keltainen käyrä) pitkin.

Voimmeko käyttää tällaisia DIC-mittauksia sekä enimmäisjännityksen että kuroutumisen tarkkailuun? Kuvan 6 vaakasuuntaisen jännityksen käyrä eli harmaa käyrä muistuttaa hieman ISO-standardin mukaista muovausrajakaavio-testiosiota. 

Sitten voidaan sovittaa Gaussin käyrä, poistaa sisältö käyrän taivutuspisteiden sisäpuolelta ja sovittaa uusi käyrä, kuten keltainen käyrä osoittaa. Seuraavaksi voidaan laskea delta-arvo – taivutuspisteiden välinen etäisyys – ja käyrän sovituksen enimmäisjännitys (punainen ympyrä), jota kutsumme jäljempänä CF-enimmäisarvoksi. Alkuperäisten tietojen perusteella materiaalin enimmäisjännitys on jo tiedossa.

Sen osion osalta, johon kohdistuu pystysuuntaista jännitystä, tallennamme yhden lineaarisen kertoimen (b₀) ja yhden eksponentiaalisen kertoimen (b₁), koska ne voivat osittain kuvata jännityksen keskittymistä materiaaliin tässä suunnassa, kuten kuvassa 7.

Kuva 7: Kuvaa osittain pystysuuntaista jännityksen keskittymistä AHSS-näytteen suuntaan.

Lasketun taivutussyvyyden vertaaminen AHSS-terästen todelliseen taivutussyvyyteen

Jotta voimme varmistaa, että laskelmiamme voidaan tosiasiassa käyttää kuroutumisen ennustamiseen, meidän on tiedettävä, miltä materiaali näyttää taivutussyvyydessä, katso kuva 8. 

Vaiheet:

• Etsi kulma, jossa CF-enimmäisarvo ilmenee.
• Laske taivutussyvyys seuraavalla kaavalla:
  
  

• Testaa taivutus syvyyteen, tarkkaile kuroutumista.
• Tee päätös: Onko leikatun reunan laatu hyväksyttävä tällä syvyydellä?

Kuvassa 9 näkyvät HR800HER75-teräksen testitulokset (tyypillinen reiänlaajennuskyky 75 %), joiden perusteella laskettu taivutussyvyys on 14–18 mm. Suurin sallittu taivutussyvyys on siten 18 mm.

Kuvassa 10 näkyy sama tutkimus HR700MCA-teräkselle, jonka laskettu suurin hyväksyttävä taivutussyvyys on 10 mm.

Teräsnäytteen leikkaustavalla on merkitystä taivutuskokeessa

Sillä on merkitystä, onko näytekappale tuettu leikkauksen aikana vai ei, katso kuva 11. 

Kuten kuvasta 12 käy ilmi, emokappaletta voidaan taivuttaa paljon enemmän kuin tytärkappaletta. 

Emokappaleen leikattu reuna on myös siistimpi, kuten kuvassa 13 näkyy.

Kuva 11: Kutsuimme tuettua osaa ”emoksi” ja tuetonta, katkaistua osaa ”tyttäreksi”.

Kuva 14: Tulokset 15, 20 ja 25 mm korkeista näytteistä. Mitä korkeampi näyte on, sitä suurempi on lineaarisen jännityksen keskittyminen. Halkaisija: Välien laskemiseen käytetään yksittäisiä vakiopoikkeamia.

Jos suurennamme leikkurin sädettä samassa materiaalissa (HR800HER75), kasvatamme kuroutuvan alueen leveyttä eli delta-arvoa. Saamme myös vähemmän pystysuuntaista jännitystä (alempi eksponentti). Ja pienennämme CF-kulmaa. Kun siis suurennamme leikkurin sädettä, voimme tehdä AHSS-teräkseen suurempia tai monimutkaisempia taivutuksia kuvan 15 osoittamalla tavalla.

Kuva 15: Tulokset leikkurin säteen suurentamisesta 3,5, 5, 8 ja 10 mm:iin. Kun leikkurin sädettä suurennetaan, AHSS-teräksen taivutusta voidaan lisätä. Säde: Välien laskemiseen käytetään yksittäisiä vakiopoikkeamia.

Testasimme erilaisia leikkausasetuksia, jotka on merkitty numeroilla 1, 2, 4 ja 5 kuvaan 16.

Tulokset neljästä eri leikkausasetuksesta, joista kukin on testattu sekä pitkittäis- että poikittaissuunnassa, kuvan 17 mukaisesti.

Kuva 17: Tulokset neljän eri leikkausasetuksen perusteella. L = pituussuuntainen ja T = poikittaissuuntainen. 1L tarkoittaa 10 %:n leikkausvälystä 1,25 asteen kulmassa pituussuuntaan jne. Leikkaus: Välien laskemiseen käytetään yksittäisiä vakiopoikkeamia.

Vaihtelu leikkauksessa ei vaikuta tilastollisesti merkittävältä. Yleisesti ottaen leikkausasetus 1 vaikuttaa hieman paremmalta, mikä tarkoittaa, että taivutuskulma on hieman alhaisempi, mikä on hyvä: materiaali voi taipua hieman enemmän.

Testasimme myös materiaalien esivenyttämistä 2 ja 4 prosentin plastisiin muodonmuutoksiin. Saat lisätietoja kokeista katsomalla webinaarin. Johtopäätöksemme oli, että esivenytys vähentää muovattavuutta, pienentää CF-enimmäisarvoa ja kasvattaa CF-kulmaa.

Seuraavaksi halusimme käyttää uutta taivutuskoettamme eri teräslaatujen leikattujen reunojen muovattavuuden määrittämiseen. Näytteet olivat 20 mm korkeita, leikkurin säde oli 10 mm (lukuun ottamatta 800-terästä, jossa käytettiin 5 mm:n lävistintä), leikkausvälys oli 10 % matalassa leikkauskulmassa ja leikkaus tehtiin pituussuunnassa valssaussuuntaan nähden.

Keskitymme CF-enimmäisarvoon, kuten kuvassa 18, sillä sitä on mahdollista käyttää muovaussimulaatioissa.

Mutta jos tarkoitus on tuottaa suuria osia tai monimutkaisia muotoja, katsomme CF-kulmaa, kuroutumiskulmaa, kuten kuvassa 19.

Jos CF-kulma on matala, materiaalista voi taivuttaa suuria ja monimutkaisia muotoja. On siis selvää, että HR800HER100-materiaali on parempaa kuin HR800HER75-materiaali. 

Uuden taivutuskokeen tulosten käyttö AHSS-muovaussimulaatioissa

Miten tällaiset kokeet toteutettaisiin muovaussimulaatiossa? Esimerkiksi sen määrittämiseksi, onko prässätyssä osassa haljennut reuna vai ei? CF-enimmäisarvot riippuvat jännityksen keskittymisen parametreista delta ja eksponentti b₁. Delta- ja b₁-arvoja voidaan vaihdella leikkurin säteen ja näytteen korkeuden mukaan, joten voimme testata monia erilaisia yhdistelmiä. Valmistelimme normaalin prässäyssimulaatiomme ja tarkistimme osan kriittisen alueen, joka on korostettu kuvassa 20.

Näillä kriittisillä alueilla voidaan tarkastella samantyyppisiä osioita kuin taivutuskokeessa. Kuvissa 21 ja 22 näkyy leikatun reunan ja pystysuuntaisen jännityksen samanlaisuus. 

Kuva 20: Uuden muovattavuustaivutuskokeen avulla voidaan tarkistaa muovattujen AHSS-autonosien kriittiset alueet.

Kuva 21: Uuden auto-osan vaaka- ja pystyosioiden tarkistaminen.

Kuva 22: Delta-arvon laskeminen – taivutuspisteiden välinen etäisyys.

Tutkituista osioista voidaan laskea keskittymistekijät leikkausreunan taivutuskokeiden perusteella. Yksi on delta-arvo – taivutuspisteiden välinen etäisyys, jossa kulmakerroin muuttuu. Toinen on eksponentti, jossa tämä eksponenttifunktio sovitetaan osan varsinaiseen osioon. Sitten määritämme itse osalle enimmäisjännityksen 52 %.

Jotta voisimme verrata simulointituloksiamme testiarvoihimme, meidän on kysyttävä: olemmeko jo testanneet tällaisia jännitysarvoja, deltaa ja eksponenttia b₁? Tai täytyykö testausmatriisia suurentaa, jotta ne voidaan testata? 

Tässä simuloinnin osassa delta-arvo on 12, eksponentti -0,09 ja enimmäisjännitys 52 %. Testiemme perusteella delta-arvo on 25 mm:n näytteelle lähes 12 ja alhaisin mahdollinen eksponenttimme on –0,2 – se ei ole täysin 0,1, mikä on tavoitteemme.

Kuva 23: Tarvittavan eksponentin ja deltan määrittely. Halkaisija: Välien laskemiseen käytetään yksittäisiä vakiopoikkeamia.

Trendi on kuitenkin nähtävissä: yleisesti ottaen, kun pienennämme eksponentteja, myös CF-enimmäisarvo pienenee. Kokeen CF-enimmäisarvo on noin 42–52 %, ja tuloksena on osittainen jännitys, joka on tässä tapauksessa 52 %. Tämä viittaa siihen, että materiaalilla on suuri kuroutumisriski tällaisessa muovausprosessissa. 

Yhteenveto: hyödyllinen uusi leikatun reunan taivutuskoe, joka on validoitava alalla

• Tämä uusi leikatun reunan taivutuskoe on helpompi kuin kaksoistaivutuskoe ja erittäin nopea valmistella.
• Tulosten analysointi voidaan lähes automatisoida.
• Voit testata jännityksen muutoksia leikattua reunaa pitkin ja reunan normaalilla, ja niiden vaihtelu on helppoa: esim. näytteen korkeus, leikkurin säde jne.
• Saat sekä geometrisen (CF-kulma tai kuroutumiskulma) että kuroutumisjännityksen tuloksen (CF-enimmäisarvo), joten voit verrata simulointirajojen jännitystä ja verrata materiaaleja toisiinsa geometristen tulosten avulla.
• Voit testata leikkausreunoja ja soveltaa niihin erilaisia leikkauskulmia ja välyksiä.
• Esijännityksen käyttäminen on erittäin helppoa verrattuna reiänlaajennuskokeeseen, jossa se on erittäin hankalaa.
• Uskomme testillä olevan paikkansa muovaussimulaatioiden käytännön toteutuksessa, mutta tähän tarvitaan vahvistus alan testeistä.
• Menetelmällä on yksi haittapuoli: Tämä koe ei kerro jännityksen muutoksista paksuussuunnassa – se on yksi parametri, joka saattaa lisätä monimutkaisuutta leikattujen reunojen jännitysten haastavaan maailmaan.

Onko sinulla projektia, joka edellyttää leikattujen reunojen muovattavuuden testaamista – ja haluaisit meidän arvioivan muovattavuuden? Ota yhteyttä.