PLASTICKÉ VLASTNOSTI VYSOKOPEVNOSTNÍCH MATERIÁLŮ DĚLENÝCH NESTANDARDNÍMI TECHNOLOGIEMI

METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________

PLASTICKÉ VLASTNOSTI VYSOKOPEVNOSTNÍCH MATERIÁLŮ DĚLENÝCH NESTANDARDNÍMI TECHNOLOGIEMI PLASTIC PROPERTIES OF HIGH STRENGHT STEELS CUTTING BY SPECIAL TECHNOLOGIES Pavel Doubeka Pavel Solfronka Michaela Kolnerováa Jiří Sobotkaa a

Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní, Katedra strojírenské technologie - Oddělení tváření kovů a plastů, Hálkova 6, 461 17, Liberec, ČR, [email protected] Abstrakt Příspěvek se zabývá problematikou vlivu způsobu dělení materiálu na jeho následné plastické vlastnosti při operacích tváření. Pro zjištění tohoto vlivu bylo využito statické zkoušky tahem . Výsledkem experimentálního měření je porovnání plastických vlastností u vybraných hlubokotažných a vysokopevnostních ocelových plechů dělených pomocí plasmy, laseru, vodního paprsku a třískového obrábění. Cílem příspěvku je seznámit čtenáře se získanými výsledky. Abstract The article deals with the influence of different types of material cutting on its successive plastic properties in the forming processes. The static tensile test were used for findings of this influence. The result of experimental measuring is the comparison of plastic properties of chosen deep-drawing and high strength steel sheets beeing cut by plasma, laser, water jet and cutting operation. The aim of this paper is to make listeners acquainted with the acquired results. 1.

ÚVOD Nejrozšířenější technologií, která se používá při přípravě polotovarů z hlubokotažných plechů je stříhání. Při stavbě karoserie však stále roste podíl vysokopevnostních plechů, které se běžnými technologiemi v takovém rozsahu nedají dělit z důvodu jejich vysoké pevnosti. Proto se k přípravě polotovaru z vysokopevnostních plechů začínají využívat moderní technologie, mezi které patří řezání laserem, plasmou či vodním paprskem. Vzhledem k tomu, že po výrobě polotovaru určeného pro tváření se plocha řezu již dále neupravuje, má způsob dělení polotovaru vliv na plastické vlastnosti materiálu při následných operacích tváření. Přesně řečeno má vliv především na rozvoj deformace v okolí řezné hrany. Průvodní jevy spojené s volbou řezné technologie, které mají zásadní vliv na následné operace tváření jsou: tepelně ovlivněné pásmo a s ním spojená změna struktury u tzv. „teplých“ technologií, deformační zpevnění u tzv. „studených“ technologií, kvalita řezné hrany(vznik mikrotrhlin, otřep apod.). 2. POUŽITÉ TECHNOLOGIE, MATERIÁLY A EXPERIMENT Technologie dělení materiálů: 1

METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Pro porovnání vlivu vybraných technologií dělení materiálů na jejich následné plastické vlastnosti byly vybrány tyto technologie: • dělení laserem, • dělení plasmou, • dělení vodním paprskem, • třískové obrábění. 2.1 Použité zkoušky: Jako základního experimentu bylo použito statické zkoušky tahem dle EN-ČSN 10 002-1. [1] Podle této normy byly zhotoveny zkušební tělesa jednotlivými technologiemi podle předepsaných technologických podmínek. Pro srovnávací měření byly použity vzorky vyrobeny mechanickým třískovým obráběním a broušením. 2.2 Materiály použité pro měření:[2] Volba materiálů byla provedena s ohledem na jejich pevnost, tažnost a především využití v automobilovém průmyslu tak, aby byl zastoupen soubor ocelových plechů v širším rozsahu plastických vlastností. Vybrána byla hlubokotažná ocel H220PD (dle EN10292) a vysokopevnostní oceli: RA-K 40/70, CP-W 800 a MS-W 1200. H220PD je ocel válcovaná za studena, žárově pozinkovaná. Je tvořena čistě feritickou strukturou, díky které má vysokou tažnost, ale relativně malou pevnost. Tloušťka zkoušeného materiálu byla 1,95 mm. RA-K 40/70 patří do skupiny TRIP ocelí vykazujících BH efekt. Ve struktuře může být obsaženo až 20 % zbytkového austenitu.. Tato ocel je válcována za studena. Použitý plech má tloušťku 1,50 mm a je žárově pozinkován. CP-W 800 patří do skupiny vícefázových ocelí (CP steels), které jsou tvořeny feritem, bainitem a martenzitem. Tato ocel je válcována za tepla a následně žíhána z důvodu odstranění vnitřního pnutí. Použitý plech má tloušťku 2,05 mm a je galvanicky pozinkovaný. MS-W 1200 je ocel válcovaná za tepla, patřící do skupiny martenzitických ocelí. Struktura je tvořena martenzitem a menším obsahem feritu. Jemnozrnná struktura je získána termomechanickým zpracováním. Použitý plech má tloušťku 1,85 mm a je bez ochranného povlaku. Mechanické vlastnosti použitých materiálů udávané výrobcem jsou uvedeny v tabulce. 1. Grafické porovnání mechanických hodnot použitých materiálů, je patrný na obr. 1. Křivky odpovídají broušeným vzorkům.(Výroba dle ČSN EN 10 002-1) Tabulka 1: Mechanické vlastnosti materiálů využitých pro experimentální měření Typ oceli

Rp0,2 [MPa]

Rm [MPa]

A80 [%]

H220PD RA-K 40/70 CP-W 800 MS-W 1200

220

340

≥400 680 900

≥700 800-980 1200-1450

39 24 10 5

2

METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Table 1: Mechanical properties of steels used for experimental measuring Type of Steel

Yield Strenght Rp0,2 [MPa]

Strenght Rm [MPa]

Ductility A80 [%]

H220PD RA-K 40/70 CP-W 800 MS-W 1200

220

340

≥400 680 900

≥700 800-980 1200-1450

39 24 10 5

Obr.1. Křivky zpevnění použitých materiálů Fig. 1. Stress –strain curves of used materials 2.3 Kvalita střižné hrany Za účelem porovnání výsledné kvality řezného povrchu byly zhotoveny detailní fotografie bočního pohledu řezu. Na fotografiích na obr. 2, je vidět výsledná kvalita povrchu u materiálu CP-W 800. U ostatních materiálů je kvalita střižné plochy obdobná.

3


děleno plasmou (plasma cutting)

děleno laserem (laser cutting)

děleno vodním paprskem (watter cutting)

broušeno (gringing)

Obr.2. Řezná hrana materiálu CPW 800 u jednotlivých technologií Fig.2. Cut edge of CPW800 for individual technologies V souvislosti s ovlivněním struktury materiálu u „teplých“ technologií dělení bylo též provedeno hodnocení metalografických výbrusů. S ohledem na rozsah článku jsou zde uvedeny pouze fotografie metalografických výbrusů materiálu MSW 1200, viz obr 3. Tyto výsledky nebudou dále komentovány.

Obr. 3. Metalografické výbrusy řezné hrany materiálu MS-W 1200, zvětšeno 22,5x. Fig 3. Scratch pattern of cutting edge of MS-W 1200, zoom 22,5x

4

METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 3. ZÍSKANÉ VÝSLEDKY Ze statické zkoušky tahem byly pro jednotlivé technologie dělení hodnoceny základní mechanické vlastnosti a tažnost použitých materiálů. Počet vzorků v každé sérii měření byl n = 9. Získané výsledky jsou uvedeny v grafech na obr. 4.až 7. Křivky zpevnění pro materiál RAK 40/70 a CPW 800 jsou uvedeny na obrázku 8. a 9

300

47 45 43 41

250

A 50

Rp 0,2

Rm

A 50

Rm

Rp 0,2

A 50

Rm

Rp0,2

A 50

Rm

Rp0,2

A 50

150

Rm

200

100 Děleno plasmou Děleno laserem

Děleno vodním paprskem

Broušeno

A 50 [%]

51 49

Rp 0,2

Rp0.2 , Rm [MPa]

350

39 37 35

Frézováno

800

35

700

30

20

500

A50

10 Rm

Rp0,2

A 50

Rm

Rp0,2

A 50

Rm

A50

Rm

Rp0,2

A 50

Rm

300

Rp0,2

15

400

A50 [%]

25

600

Rp 0,2

Rp0.2 , Rm [MPa]

Obr.4. Mechanické vlastnosti matriálu H220PD. Fig. 4. Mechanical properties of H220PD material.

200

5 0

Děleno plasmou

Děleno laserem


Broušeno

Frézováno

A50

Rm

Rp0,2

A 50

700

Rm

650

13 12

Děleno plasmou

Děleno laserem


Broušeno

Frézováno

Obr.6. Mechanické vlastnosti matriálu CPW 800. Fig. 6. Mechanical properties of CPW 800 material.

5

A50 [%]

14 Rp0,2

750 A50

15

Rm

800 Rp0,2

16

A 50

850

Rm

17

Rp0,2

900

A50

18

Rm

950

Rp0,2

Rp 0.2 , Rm [MPa]

Obr.5. Mechanické vlastnosti matriálu RA-K 40/70. Fig. 5. Mechanical properties of RAK 40/70 material.

7,5

1300

7

1200

6,5

1100 6

A50

Rm

Rp0,2

A50

Rm

Rp0,2

A50

Rm

Rp0,2

A50

Rm

Rp0,2

A50

900

Rm

1000

800

5,5 5

Děleno plasmou

Děleno laserem


Broušeno

Frézováno

Obr.7. Mechanické vlastnosti matriálu MSW 1200. Fig. 7. Mechanical properties of MSW 1200 material.

Obr.8. Křivky zpevnění materiálu RAK 40/70 Fig. 8. Stress-strain curves MSW 1200.

6

A50 [%]

1400

Rp0,2

Rp0.2 , Rm [MPa]



Obr.9. Křivky zpevnění materiálu CPW 800 Fig. 9. Stress-strain curves of MSW 1200. 4. ZÁVĚR V prováděných experimentech byla ověřena skutečnost, že technologie třískového obrábění mají nejmenší vliv na následné plastické vlastnosti u všech měřených materiálů. Ovšem z pohledu produktivity výroby nejsou příliš ideálním řešením. U technologie vodního paprsku, byly zjištěny přibližně stejné pevnostní charakteristiky jako u broušení a frézování. Ovšem z důvodu nerovného a hrubého povrchu, způsobeného vlivem použitého abraziva, byl zaznamenán pokles tažnosti.To je způsobeno iniciací trhliny od povrchu řezné hrany. Největší pokles tažnosti byl zjištěn u materiálu RA-K 40/70.Tento materiál je ovšem na vnější vruby apod. velmi citlivý.[3] U ostatních materiálů byla vždy tažnost vyšší než u „teplých“ technologií. Nevýhodou použití této technologie zůstává vznik koroze od účinku pracovního média (voda) a vysoké ekonomické náklady. V případě použití laseru nelze přesně říci, zda je vhodný či nikoli. Materiál RA-K 40/70 prokázal extrémní citlivost na tuto technologii, a proto v tomto případě nelze použít. U materiálu H220PD, CP-W800 a MS-W1200 byly naměřené hodnoty obdobné jako u vodního paprsku. Použití laseru je velmi produktivní a řádově 2x levnější než použití vodního paprsku. Nevýhodou však zůstává tepelně ovlivněné pásmo. Dělení pomocí plasmového oblouku se u všech materiálů použitých pro experimentální měření prokázalo jako nejméně vhodné. Nevýhodou je široká tepelně ovlivněná oblast a

7

METAL 2007 22.-24.5.2007, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ kvalita řezné hrany. Tyto dva faktory mají zdrcující vliv na následné plastické vlastnosti materiálu. Vzhledem k nabídce velkého množství ocelových plechů, které se používají v automobilovém průmyslu, je nutné se věnovat dalšímu výzkumu u ostatních materiálů. V případě volby lepších řezných podmínek jednotlivých technologií, je velmi pravděpodobné, že by došlo k menšímu ovlivnění tvářitelnosti materiálu, a proto je nutné věnovat pozornost i této problematice. Tento příspěvek vznikl za podpory GA CR 101/07/P113 Tento příspěvek vznikl za podpory MSM 4674788501

LITERATURA [1] Statická zkouška tahem ČSN EN 10 002-1, 2002. [2] Technické listy materiálů, Technická dokumentace fy Thyssen Krupp. [3] Doubek, P.: Rozvoj deformace a mezní stavy pevnostních plechů při vyšších deformačních rychlostech. Disertační práce, TU Liberec 2006.

8

PLASTICKÉ VLASTNOSTI VYSOKOPEVNOSTNÍCH MATERIÁLŮ DĚLENÝCH NESTANDARDNÍMI TECHNOLOGIEMI

Recommend Documents