Approcci alla duttilità di bordo AHSS per la risoluzione dei problemi

I bordi rifilati degli acciai altoresistenziali di nuova generazione (AHSS) richiedono una duttilità di bordo sufficiente, altrimenti potrebbero rompersi e i bordi potrebbero presentare cricche lungo i fori o le flange.

Questo articolo spiega in che modo le cricche sui bordi dell'acciaio AHSS possano avere origine sia nei processi di taglio che di formatura, e illustra le migliori pratiche per il taglio, la lavorazione e la prova dei materiali, in modo da ridurre le rotture sui bordi. L'articolo tratta i punti salienti di un recente webinar Docol® sulla duttilità di bordo con Vili Kesti, Specialista senior di formatura presso SSAB.

Dove è necessaria la duttilità di bordo?

In generale, la duttilità di bordo è necessaria ogni volta che si formano bordi rifilati. Ad esempio, nelle applicazioni su telai per automobili, i componenti vengono spesso tranciati meccanicamente o punzonati in un processo di produzione in serie. Dopo il taglio ci sono molte diverse situazioni di deformazione dei bordi: ad esempio, l'espansione dei fori, la formatura dei collari, l'allungamento delle flange e così via.

Man mano che le progettazioni diventano più complesse per le parti automobilistiche in AHSS, la formatura di bordi rifilati privi di cricche può diventare un processo sempre più impegnativo, soprattutto per gli acciai AHSS laminati a caldo. Inoltre, le proprietà di fatica di un componente possono essere influenzate negativamente se le aree dei bordi presentano difetti iniziali come le cricche.

Esempi di problemi di duttilità di bordo dell'acciaio AHSS

Esempi di problemi di duttilità di bordo dell'acciaio AHSS

Un problema tipico: si è verificata una cricca sul bordo del foro durante il processo di espansione dei fori. La cricca è apparsa inizialmente in una parte della circonferenza del foro che mostra una superficie ruvida tranciata.

Un altro esempio di problemi di duttilità di bordo nell'acciaio AHSS

Un altro esempio: ecco un primo piano di una tipica cricca sulla flangia in un'area in cui sono state introdotte grandi tensioni di trazione durante la formatura.

Il software di simulazione può essere molto efficace nell'individuazione di aree critiche (ad es., sollecitazioni elevate) che inizialmente potrebbero non essere ovvi candidati per la fessurazione.

Processi di taglio meccanici, come la punzonatura, introducono un'intensa tempra di lavorazione, nonché possibili vuoti iniziali e formazione di bave lungo i bordi rifilati, tutti elementi che creano una "zona interessata da tranciatura" o SAZ.

SSAB ha effettuato misurazioni di microdurezza e ha determinato che, più ci si avvicina alla superficie dei bordi rifilati, più elevati saranno i valori di tempra. Ciò riduce la capacità di deformazione del bordo anche prima di qualsiasi processo di formatura.

I vuoti SAZ possono essere creati in prossimità di inclusioni, carburi, limiti di fase, ecc., a seconda della microstruttura dell'acciaio AHSS.

Utensili, distanze di taglio e duttilità di bordo

La prima migliore pratica durante la formatura è quella di conoscere (e tracciare su un grafico) il tasso di usura dell'utensile. Tipicamente si ottiene un tasso di usura iniziale, poi un plateau, poi un tasso accelerato. In genere, per la formazione di sbavature si verifica un modello simile: consulta la tabella. In entrambi i casi, esegui la manutenzione dell'utensile prima dell'inizio dell'accelerazione prevista. Gli utensili usurati possono ridurre notevolmente i rapporti di espansione dei fori (HER) per alcune qualità di acciaio AHSS.

Se possibile, posiziona la fresa all'interno di un bordo. Le bave all'esterno di un bordo tendono a creare difetti durante le successive operazioni di piegatura.

L'utilizzo della distanza di taglio ottimale per una qualità AHSS specifico, che in alcuni casi è superiore alla norma ISO 16630 HER del 12%, può aumentare i valori HER. Verifica con il produttore AHSS le tolleranze di taglio per una specifica qualità e applicazione.

La manutenzione degli utensili e le distanze di taglio costanti sono interconnesse. L'usura dell'utensile è influenzata sia dalla tolleranza di taglio che dal grado AHSS da tagliare. Anche la rigidezza dell'utensile è importante: la rigidezza aiuta infatti a fornire tolleranze di taglio costanti intorno ai fori e lungo le flange più lunghe.

La zona soggetta a taglio può essere eliminata modificando il metodo di taglio in foratura, lavorazione meccanica o taglio a filo (EDM). Sfortunatamente, la foratura, la lavorazione meccanica e l'EDM sono dispendiosi in termini di tempo e non possono essere utilizzati per grandi cicli di produzione. I metodi di taglio termico come il laser o il plasma possono migliorare la duttilità di bordo, ma possono creare gradienti di durezza a causa del loro calore.

Schema di utensili, tolleranze di taglio e duttilità di bordo

La pre-foratura può migliorare notevolmente la formabilità dei bordi/HER

Molti documenti tecnici dimostrano che la pre-foratura, nota anche come taglio in due fasi, può migliorare significativamente i rapporti di espansione dei fori dell'acciaio AHSS e quindi la formabilità dei bordi.

Con la pre-foratura, si ricorre a un singolo punzone a gradini o a due operazioni di punzonatura separate per creare un foro iniziale seguito da un'azione di taglio. Per ottenere risultati ottimali, è necessario scegliere attentamente lo spessore dell'anello ritagliato o punzonato risultante. La pre-foratura può migliorare notevolmente il valore HER, ma la quantità di miglioramento varia da una qualità all'altra, come mostrato in questo grafico.

La pre-foratura può migliorare notevolmente la formabilità dei bordi/HER

Stessi nomi AHSS, diverse duttilità dei bordi

La duttilità di bordo può differire significativamente da una qualità all'altra, anche quando le qualità hanno livelli di resistenza simili. Noterai anche differenze tra i vari produttori di acciaio che forniscono nominalmente la qualità "omonima".

Inoltre, non esiste una chiara correlazione tra HER e lo snervamento tradizionale, il carico di rottura o l'allungamento. (Detto questo, recenti pubblicazioni mostrano una possibile correlazione tra le tensioni effettive della frattura dello spessore e HER: se ulteriori ricerche confermano questa correlazione, speriamo di parlarne in un futuro articolo INSIGHTS.)

Ad esempio, ecco quattro diverse qualità di acciaio, tutte con un carico di rottura minimo di 800 MPa. Ovviamente, scegliendo la qualità di acciaio corretta, è possibile ottenere miglioramenti significativi nelle proprietà di formatura dei bordi.

Un'altra considerazione nella scelta degli acciai AHSS: in condizioni reali di officina può essere difficile mantenere costanti le tolleranze di taglio. Questo grafico mostra in che modo la qualità Docol® HE (a bordo alto) abbia una migliore qualità del bordo e una migliore formabilità su una gamma di tolleranze di taglio rispetto alle qualità AHSS tradizionali.

Box plot del risultato HER
Box plot del rapporto HE S355MC rispetto a Docol 355 HE con tolleranze diverse [%]

Oltre la norma ISO 16630: FLD con bordo tridimensionale

L'attuale standard mondiale per i test di espansione dei fori è la norma ISO 16630, che è stata ampiamente criticata per fornire risultati caratterizzati da un'eccessiva incertezza e variazione.

La norma ISO 16630 copre solo uno stato di sollecitazione/deformazione specifico. Tuttavia, la produzione reale spesso include diversi casi di sollecitazione sui bordi. Anche nello stesso componente automobilistico possono esserci diversi stati di sollecitazione/deformazione dei bordi.

Possiamo utilizzare diverse prove per coprire una più ampia gamma di casi di carico stress/deformazione, incluse le misurazioni online del ceppo di correlazione dell'immagine digitale (DIC). I ricercatori di SSAB utilizzano:

  • Prova HE Nakajima
  • Test HE KWi
  • Test Diabolo
  • Prova di piegatura doppia
  • Prova di trazione dei fori

I ricercatori SSAB stanno lavorando a un nuovo concetto per descrivere "la formabilità complessiva dei bordi". L'approccio utilizza tutti i test sopra elencati per testare un campione AHSS in tre direzioni diverse (ε1, ε2, e ε3), in modo da creare un diagramma tridimensionale dei limiti di formatura dei bordi (FLD), tracciando i limiti di deformazione appena prima della comparsa di cricche.

I diagrammi dei limiti di formatura dei bordi tridimensionali sono un buon modo per confrontare visivamente diversi materiali e la loro duttilità di bordo complessiva. Vi è anche la possibilità che possano essere utilizzate efficacemente nelle simulazioni: resta sintonizzato.

Tracciato superficie

Vuoi saperne di più sugli FLD con bordo tridimensionale per i nostri acciai?

O forse hai delle domande sulla determinazione della duttilità di bordo per una specifica qualità di AHSS e applicazione di parti automobilistiche?

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