فولاد پیشرفته ی با قدرت بالا فرآیند نقاشی عمیق را تغییر می دهد

تصور کنید با یک چالش تولیدی حیاتی روبرو هستید: تبدیل ورق‌های فولادی سخت به اجزای پیچیده و دقیق. در صنایعی مانند خودروسازی و هوافضا، کشش عمیق یک فرآیند محوری است که عملکرد محصول، راندمان هزینه و انعطاف‌پذیری طراحی را تعیین می‌کند. فولادهای سنتی اغلب محدودیت‌هایی در قابلیت کشش دارند، اما فولاد با استحکام بالا (AHSS) در حال ایجاد انقلابی در این چشم‌انداز است.

کشش عمیق یک فرآیند شکل‌دهی ورق فلزی است که از قالب‌ها و پرس‌ها برای تبدیل قطعات خام مسطح به قطعات سه‌بعدی استفاده می‌کند. برخلاف شکل‌دهی کششی، کشش عمیق خالص شامل حداقل تغییر ضخامت است و عمدتاً به جریان مواد از ناحیه فلنج به داخل حفره قالب متکی است. اگرچه تعریف دقیقی وجود ندارد، فرآیندهایی که در آن عمق کشش از قطر بیشتر باشد، معمولاً به عنوان کشش عمیق طبقه‌بندی می‌شوند.

نسبت کشش محدود (LDR) به عنوان شاخص اصلی قابلیت کشش عمیق یک ماده عمل می‌کند. LDR که از طریق آزمایش‌های فنجانی ارزیابی می‌شود، نشان‌دهنده حداکثر نسبت قطر قطعه خام به قطر سنبه است که می‌تواند با موفقیت کشیده شود (همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است). مقادیر LDR بالاتر نشان‌دهنده قابلیت کشش عمیق برتر است و امکان تولید اجزای عمیق‌تر و پیچیده‌تر را فراهم می‌کند.

در طول آزمایش LDR، فلز از قطعات خام دایره‌ای از طریق شعاع قالب به دیواره‌های فنجان جریان می‌یابد. حرکت مواد به انتقال از قطعه خام مسطح به دیواره‌های جانبی عمودی محدود می‌شود، بدون هیچ جریانی در ناحیه پایه. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، تنش شعاعی و فشرده‌سازی محیطی بر روی فلنج تحت یک سنبه تخت عمل می‌کنند، در حالی که فشار نگهدارنده قطعه خام از چروک شدن جلوگیری می‌کند.

کشش عمیق موفقیت‌آمیز به سه عنصر به هم پیوسته بستگی دارد: خواص مواد، پارامترهای فرآیند و طراحی قالب.

ناهمسانگردی نرمال (r _m ) به طور قابل توجهی بر عملکرد آزمایش فنجانی تأثیر می‌گذارد. هنگامی که r _m بیش از 1 باشد، LDR افزایش می‌یابد. قابل ذکر است، LDR حساسیت کمی به استحکام یا شاخص سخت‌شدگی کرنش (مقدار n) نشان می‌دهد. فولادهای با استحکام بالا با UTS >450 مگاپاسکال و فولادهای نورد گرم معمولاً r _m ≈1 و LDR بین 2.0–2.2 را نشان می‌دهند. در حالی که فولادهای دو فازی (DP) و HSLA مقادیر LDR مشابهی را نشان می‌دهند، فولادهای TRIP قابلیت کشش عمیق کمی بهبود یافته را نشان می‌دهند.

این بهبود ناشی از تبدیل آستنیت به مارتنزیت وابسته به حالت تغییر شکل است (شکل 3). انقباض فلنج باعث ایجاد تبدیل کمتری نسبت به تغییر شکل کرنش صفحه در دیواره‌های فنجان می‌شود و مناطق دیواره قوی‌تری ایجاد می‌کند که LDR را افزایش می‌دهد. شکل 4 مزایای افزایش LDR را در سراسر گریدهای فولادی با استحکام کششی معادل نشان می‌دهد.

روغن‌کاری مناسب اصطکاک و نیروی کشش را کاهش می‌دهد و در عین حال جریان مواد را بهبود می‌بخشد. فشار بهینه نگهدارنده قطعه خام از چروک شدن جلوگیری می‌کند بدون اینکه حرکت مواد را محدود کند و سرعت کشش باید با خواص مواد و پیکربندی قالب همسو باشد.

شعاع قالب به طور بحرانی بر جریان مواد و توزیع تنش تأثیر می‌گذارد—شعاع‌های بیش از حد کوچک باعث شکستگی می‌شوند، در حالی که شعاع‌های بزرگ باعث چروک شدن می‌شوند. تنظیمات فاصله باید ضخامت مواد را در خود جای دهد و مواد قالب نیاز به انتخاب دقیق برای مقاومت در برابر سایش، استحکام و سازگاری با عملیات حرارتی دارند.

AHSS استحکام، شکل‌پذیری و چقرمگی استثنایی را برای غلبه بر محدودیت‌های سنتی ترکیب می‌کند:

• استحکام پیشرفته: طراحی‌های سبک وزن را از طریق کاهش مواد در حالی که عملکرد را حفظ می‌کند، امکان‌پذیر می‌کند
• شکل‌پذیری برتر: تغییر شکل بیشتر را برای هندسه‌های پیچیده در خود جای می‌دهد
• چقرمگی برجسته: ایمنی و قابلیت اطمینان را از طریق جذب انرژی برتر بهبود می‌بخشد

انواع مختلف AHSS ویژگی‌های کشش متفاوتی را نشان می‌دهند:

• فولاد دو فازی (DP): فریت (برای شکل‌پذیری) و مارتنزیت (برای استحکام) را ترکیب می‌کند و به LDR ≈2.0–2.2 می‌رسد (شکل 5). توجه داشته باشید که دو برابر شدن استحکام تسلیم بر LDR تأثیری ندارد.
• فولاد TRIP: مکانیسم تبدیل منحصر به فرد، قابلیت کشش را از طریق تشکیل مارتنزیت ناشی از کرنش افزایش می‌دهد.
• فولاد HSLA: راه‌حل‌های مقرون به صرفه با خواص متعادل ارائه می‌دهد.
• فولاد مارتنزیتی (MS): استحکام بالایی را ارائه می‌دهد اما به دلیل شکل‌پذیری محدود به رویکردهای شکل‌دهی تخصصی نیاز دارد.

شکل 6 عمق فنجان قابل دستیابی را برای این انواع فولاد نشان می‌دهد.

کشش عمیق موفقیت‌آمیز به طراحی متفکرانه قطعه و قالب نیاز دارد:

• هندسه قطعه: از گوشه‌های تیز، لبه‌های مستقیم و انتقال‌های ناگهانی خودداری کنید. شعاع‌های صاف را ترجیح دهید
• ساختار قالب: شعاع و فاصله را برای مدیریت جریان مواد و توزیع تنش بهینه کنید

در حالی که مقدار r در درجه اول بر شکل‌پذیری فنجان با کف صاف تأثیر می‌گذارد، شکل‌های پیچیده مانند کف‌های نیمکره‌ای حساسیت بیشتری را نسبت به مقدار n و ریزساختار ایجاد می‌کنند. قطعات جعبه‌ای شکل به تجزیه و تحلیل مشابه فنجان‌های چهار قسمتی نیاز دارند، با دیواره‌های جانبی که از طریق خم شدن/باز شدن مواد جریان یافته از ناحیه فلنج تشکیل می‌شوند.

این صنعت در حال تکامل به سمت کنترل فرآیند هوشمند از طریق حسگرها و هوش مصنوعی، شبیه‌سازی دیجیتال برای بهینه‌سازی قالب و مواد و روش‌های سازگار با محیط زیست است. در حالی که مقادیر r بالاتر به طور کلی LDR را افزایش می‌دهند، مقادیر مطلق به روغن‌کاری، نیروی نگهدارنده قطعه خام، شعاع قالب و سایر پارامترهای سیستم بستگی دارد. شکل 7 نشان می‌دهد که چگونه ویسکوزیته روان‌کننده بر عملکرد تأثیر می‌گذارد.