AHSS-simulaatiot ajoneuvosuunnitteluun:

1. Huomioitavaa muovatuissa AHSS leikatuissa reunoissa

Aloitetaan ensimmäistä ongelmasta, joka koskee AHSS-teräksen muovaussimulaatioista: leikattujen reunojen venyttämisestä. Sinun on oltava tietoinen tilanteista, joissa leikatussa reunassa on yksiaksiaalinen jännitys.

Muovausrajakaaviota ei voida käyttää ohjeena reunojen venyttämisessä yksinkertaisesti siksi, että kun testaamme materiaalia laboratoriossa ja muodostamme muovausrajakäyrän, AHSS-terästä ei testata leikatussa reunassa, vaan keskellä teräslevyä.

Reunan sitkeyden ja venymäarvojen välillä ei myöskään ole korrelaatiota. Siten AHSS-banaanikäyräkaaviota ei voida käyttää reunan kestävyyden arvioimiseen.

AHSS-reunan sitkeyteen vaikuttaa voimakkaasti leikkaustyökalun suunnittelu. SSAB:n Knowledge Service Centerissä testataan autoteollisuuden Docol®-AHSS-teräksiä, jotta kuhunkin teräslaatuun löytyy ihanteellinen leikkausvälys.

AHSS-simulaatioita monimutkaistaa se, että reunojen muovattavuus muuttuu sarjatuotannossa leikkaustyökalun kulumisen vuoksi. Joissakin simulaatio-ohjelmistoissa on alettu ottaa huomioon reunojen venyttäminen. Oletusarvot ovat suurimpia laserleikatuissa reunoissa, niiden jälkeen uusilla työkaluilla lävistetyissä reunoissa ja sitten kuluneilla työkaluilla lävistetyissä reunoissa.

AHSS-simulaatioissa keskityttiin siis seuraaviin seikkoihin:

• Missä reuna venyy?
• Kuinka paljon reuna venyy?
• Millainen reunan venyminen on kyseessä?

2. Käytä käytännön testiä AHSS leikattuihin reunoihin kohdistuvan jännityksen validointiin

AHSS-terästen erilaista käyttäytymistä voidaan tarkastella monella eri tavalla ja eri suunnissa: levyn pinnan suunnassa, paksuuden suunnassa sekä lujuuden ja leikatun reunan suunnassa.

SSAB on laatinut kaksinkertaisen taivutuskokeen, jonka avulla varmistetaan AHSS-teräksen enimmäistaivutuskulma ennen säröilyä.

Vertaamme kaksinkertaisen taivutuskokeen tuloksia reiänlaajennuskokeeseen. Lisäksi testien välillä voi olla suuria eroja hyväksyttävillä venymätasoilla. Esimerkiksi 1 mm:n 980 DP -teräksellä voi olla 46 prosentin enimmäisvenymä reiänlaajennuskokeessa, mutta vain 11 prosenttia kaksinkertaisessa taivutuskokeessa.

 

3. Tarkkaile suuria jännityksiä, jotka risteävät esijännitetyt AHSS-alueet

ISO 16630 -reiänlaajennuskoe reunojen muovattavuudelle suoritetaan AHSS-näytteelle ilman esijännitystä. Todellisuudessa on tavallista, että AHSS-levyt on esijännitetty ennen leikkaamista ja lopullista leikattujen reunojen venytystä. Tilanteeseen on vaikea suunnitella yleistä testiä, sillä suuren näytteen (100 x 100 mm) esivenyttäminen reiänlaajennussuhteeseen on haastavaa. Miten AHSS-teräksen käyttäytymistä voidaan ennustaa tässä tilanteessa?

Pelkän reiänlaajennustestin tulosten sijaan voit simuloida osan ja tarkkailla suuria jännityksiä esijännitetyillä alueilla. Jos niitä ilmenee, sinulla on muutamia vaihtoehtoja. Voit vaihtaa materiaalin AHSS-teräkseen, jonka reunojen muovattavuus on parempi saadaksesi lisäturvamarginaalia. Voit myös säätää osan suunnittelua niin, että esijännitys pysyy vähäisempänä. Voit myös yrittää siirtää esijännitystä toiselle alueelle, jolloin lopullinen osaan kohdistuva jännitys on vähäisempi.

4. Pyydä SSAB:tä määrittämään jännitystasot taivutuksessa

Muovausrajakaavio soveltuu elementeille, joissa on sama jännitys koko paksuudella. Kun AHSS-terästä taivutetaan, sen ulkopinnat venyvät, sisäpuoli puristuu ja keskiosassa on neutraali, muovaamaton kerros. Simulaatioissa käytetään vakionäkymää, joka näyttää neutraalin kerroksen.

Sen sijaan kannattaisi kiinnittää huomiota jännityksen määrään levyn uloimmassa kerroksessa. Kun teet tämän, älä kuitenkaan käytä muovausrajakaaviota ulkopinnan murtumisen määrittämiseen, sillä se voi johtaa liian konservatiiviseen tulokseen.

Millä tasoilla AHSS-teräksen taivuttaminen on turvallista? Pyydä meiltä arvoja. Olemme esimerkiksi testanneet muovauslaboratoriossamme 2,0 mm:n Docol® 1400M -teräksen asiakkaallemme Saksassa. Taivutuksessa mittasimme 18 prosentin jännitystä. Se on paljon suurempi kuin 10 prosentin jännitys, jonka saamme tämän materiaalin muovausrajakaaviosta paksuuden ollessa yhtä suuri (muovausrajakaaviotesti).

5. Käytä inkrementaalisia muovaussimulaatioita apuna ilmiöiden, kuten taivutuksen, tarkkailussa

Jos taivuttelet metallia edestakaisin, se murtuu lopulta. Tällöin materiaaliin on kertynyt vaurioita. Tätä käyttäytymistä ei voida havaita muovausrajakaaviosta ja se on haastava mallintaa.

Meillä oli esimerkiksi asiakas, jonka simulaatioissa ei havaittu ongelmia AHSS-muovauksessa – niissä ei näkynyt jännityksiä, jotka olisivat ylittäneet raja-arvot. Tuotannon aikana tapahtui kuitenkin murtumia! Sen vuoksi toteutimme inkrementaalisen muovaussimulaation, jonka tuloksena syntyi erityinen arvo, kumuloitunut venymä (ks. kuva).

 

6. Varo liiallista riippuvuutta AHSS-terästen korkeista mekaanisista toleransseista

Joskus meille väitetään, että kaikki tuotannon epävakaus johtuu materiaalin vaihteluista. AHSS-materiaalien tasalaatuisuudella on toki väliä, mutta se ei ole koko totuus.

Itse asiassa teemme toistettavuusanalyysejä, joissa verrataan Docol^®-teräksiämme tavallisiin VDA-teräksiin. Eräässä tapauksessa tarkasteltiin yksinkertaista laippaa, joka on valmistettu monifaasiteräksestä (CP) 980, jonka toleranssi on ±1° VDA 239:n mukaisesti. Koko analyysiprosessi on nähtävissä webinaarissamme: Autoteollisuuden AHSS-simulaatiot: 10 tärkeintä huomioon otettavaa seikkaa.

Analyysi osoitti, että kyseinen osa, kun se oli valmistettu Docol^® 980 CP -teräksestä, oli 628 kertaa epätodennäköisemmin toleranssin ulkopuolella kuin yleisestä VDA 980 CP:stä valmistettu osa. Tämä johtui Docol^®-materiaalin korkeammista mekaanisista toleransseista.

Materiaalin tasalaatuisuus on aina toivottavaa, erityisesti AHSS-/UHSS-/Gigapascal-terässovelluksissa, joissa tarvitaan tiukkoja mekaanisia toleransseja. On kuitenkin riskialtista suunnitella AHSS-osia, jotka ovat riippuvaisia korkeasta mekaanisesta toleranssista. Tuotannon aikana kuvaan astuu monia muitakin tekijöitä: prosessivariaatioita, työkalujen kulumista, voitelua jne.

Haluamme painottaa, että yksi toistettavan AHSS-prosessin tärkeimmistä parametreista on osien tarkka suunnittelu, korkean lujuuden geometrioiden hyödyntäminen, pienet säteet, vahvistusten strateginen käyttö jne.

 

7. Optimoi AHSS-teräksen muovaus

Muovauksen optimoinnissa on otettava huomioon monia parametreja, kuten toteutettavuus, toistettavuus, käytettävissä oleva puristus ja työkalujen kuluminen.

Simulaatiowebinaarissamme näet, miten stimuloimme samaa AHSS-auton osaa kolmella eri muovaustavalla: "Draw + Flange"; "Flange + Cam trim"; and "Flange with Cams".

Tässä sivuosien mallissa "Draw + Flange" simulaatiossa takaisinjouston maksimi on 10 mm ja näyttää hyvältä muutenkin. "Flange + Cam trim" simulaatiossa takaisinjouston enimmäissiirtymä on 13 mm, mutta kuperan pinnan suunnassa on toleranssiongelmia. "Flange with Cams" simulaatiossa esiintyy suuria jännityksiä leikatuissa reunoissa ja suuria poikkeavuuksia muodon tarkkuudesta taitettujen säteiden vuoksi.

8. Rypyttymismissimulaatiot saattavat olla liian konservatiivisia

Korkealujuusteräsosat, joissa on puristetut reunalaipat eikä lainkaan mahdollisuutta käyttää levynpidätintä, on simuloitava rypyttymisen havaitsemiseksi. Kuvassa on 4 mm:n paksuisesta AHSS-teräksestä valmistettu osa. Simuloimme osaa kolmella eri tavalla todellisiin prototyyppeihin vertaamiseksi:

1. Kun simulaatio tehtiin kuori-elementeillä ilman kontaktia itseen, lopputuloksena oli vähäinen kyky palautua rypyttymisestä sen ilmetessä. Todellisuudessa muovauksen jälkeen ei kuitenkaan näy ryppyjä.
2. Simulaatio, jossa käytetään täysin integroituja kiinteitä elementtejä ilman kontaktia itseen. Lopputulos oli lähempänä todellisuutta, mutta ryppyjä oli vielä jäljellä muovauksen jälkeen.
3. Simulaatio, jossa käytetään Solid-elementtiä ja kontaktia itseen. Lopputulos vastasi todellisuutta.

AHSS-prässäyssimulaatioissa yleisin lähestymistapa on käyttää kuorielementtiä ilman kontaktia itseen. Rypyttymistaipumuksen määrittelyssä tämä on hyvin konservatiivinen elementtityyppi. Ainakin voidaan sanoa, että jos rypyttymistä ei tapahdu, kun käytössä on kuorielementti ilman kontaktia itseen, sitä ei tule tapahtumaan todellisuudessakaan. Kuten esimerkistä käy ilmi, tämä lähestymistapa voi kuitenkin asettaa AHSS-osalle rajoituksia, mitä ei ole todellisuudessa.

9. Havaitseeko AHSS-simulaatio levyn reaktiovoimat, jotka voivat johtaa työkalun avautumiseen?

Kun käytetään AHSS-/UHSS-/Gigapascal-teräksiä, levyn reaktiovoima kasvaa, kun käytetään levynpidätintä. Jos AHSS-teräksen reaktiovoima on suurempi kuin levynpidättimen voima, työkalu avautuu. Tämä johtaa hallitsemattomaan prosessiin: voi syntyä ryppyjä ja säröjä, ja AHSS-simulaatioiden ja todellisuuden välillä voi olla erittäin huono korrelaatio. Varmista

siis tarkkaan, että levynpidättimen ja puristimien voimat ovat riittävät. Joissakin simulaatio-ohjelmistoissa on ominaisuuksia, joilla voidaan havaita AHSS-nauhalevyn reaktiovoima työkalun avauksen aikana. Toisissa ohjelmistoissa levynpidättimeen lisätään voimaa, jotta työkalut pysyvät kiinni. On kuitenkin erittäin tärkeää tarkistaa, tapahtuuko tämä simulointiohjelmistossa vai ei.

10. Ota huomioon epälineaariset muodonmuutokset

On tärkeää kiinnittää huomiota epälineaarisiin murtumiin, koska muovausrajakäyrä on kehitetty lineaarisille venymäpoluille. Muovaus tapahtuu siis vain yhteen suuntaan, kunnes murtuma ilmenee.

Tämä tarkoittaa sitä, että kun AHSS-osan yhtä aluetta muovataan yhä uudelleen monivaiheisessa muovaustyökalussa, syntyy tilanne, joka ei ole samanlainen kuin muovausrajakaaviossa. Todellisuudessa tulos voi olla joko parempi tai huonompi muodonmuutoksen kulusta riippuen.

Joissakin simulointiohjelmissa voidaan ottaa huomioon epälineaariset muodonmuutokset. Esimerkiksi AutoForm-materiaalikorteissa on epälineaarinen muovauskaavio, joka laskee ja muuntaa epälineaariset muodonmuutokset ja sijoittaa ne muovausrajakaavioon. Tästä voi olla paljon hyötyä monivaiheisessa muovauksessa, mutta joskus jopa silloin, kun muovaus tehdään vain yhdessä vaiheessa, kuten seuraavassa esimerkissä.

Vasemmalla olevassa kuvassa on perinteinen muovausrajakaavio AHSS-osalle (joka tässä tapauksessa on Docol^® 1000 DP -terästä), ja siinä näkyy punaista yhdellä alueella, mikä tarkoittaa sitä, että venymät ovat muovausrajan yläpuolella. Oikealla olevassa kuvassa näkyy kuitenkin epälineaarinen (muunneltu) tulos, joka osoittaa, että osa on itse asiassa kunnossa.