Analisi degli effetti di diverse lamiere metalliche (ad es. alluminio, acciaio inossidabile, lamiera zincata) sulle prestazioni di piegatura e laminazione dei bordi

Il processo di orlatura pieghevole è un processo fondamentale della produzione automobilistica, della produzione di elettrodomestici e della lavorazione di macchinari di precisione, che influenza direttamente la resistenza strutturale, le prestazioni di tenuta e la qualità della superficie del prodotto. A causa delle differenze nella struttura cristallina, nelle proprietà meccaniche e nelle caratteristiche superficiali dei diversi materiali metallici, le caratteristiche del processo sono evidenti nel processo di piegatura e sfrangiatura. Prendendo come esempi le leghe di alluminio, l'acciaio inossidabile e la lamiera di acciaio zincato, viene analizzata sistematicamente l'influenza delle loro proprietà dei materiali sul processo di piegatura e avvolgimento e vengono proposte strategie di ottimizzazione in base all'esempio ingegneristico.
1. Meccanismo delle caratteristiche del materiale che influenzano il processo delle frange
1.1 Caratteristiche di piegatura dei bordi della lega di alluminio
Le leghe di alluminio (come la serie 6016) hanno un bordo unico nell'orlo a causa del basso carico di snervamento (circa 140–180 MPa) e dell'elevato allungamento (maggiore o uguale al 25%). Mediante l'analisi degli elementi finiti, il flusso di materiale nella zona di deformazione è uniforme e la distribuzione della distribuzione della tensione di trazione tangenziale è più uniforme rispetto all'acciaio al carbonio nel processo di apertura e rotazione dei bordi dell'alluminio 6016, riducendo efficacemente il rischio di fessurazione dei bordi. Ad esempio, nel processo di piegatura di un motore a gas di combustione, la lega di alluminio 6016 può avere un fattore di rotazione limite di 0,68, superiore del 9,7% rispetto al fattore di rotazione limite della lamiera di acciaio DC04 (0,62), consentendo una maggiore altezza di svolta e una geometria più complessa.
Tuttavia, l'elevato indice di incrudimento (valore n) della lega di alluminio (0,2-0,3) determina un maggiore rimbalzo dopo la piegatura del bordo rispetto all'acciaio. I dati di misurazione della copertura anteriore dell'auto elettrica hanno mostrato che la piega del bordo in alluminio aveva un angolo di ritorno elastico di 3,2 gradi, superiore del 77,8% rispetto allo stesso spessore delle lamiere di acciaio (1,8 gradi). Per controllare il rimbalzo, è necessario adottare le seguenti misure:
Aumentare il raggio di raccordo della flangia (consigliato r Maggiore o uguale a 0,5 t, t è lo spessore della lamiera).
Coefficiente di compensazione della matrice ottimizzato (K=1.05–1,10).
Implementare la calibrazione secondaria.
1.2 Sfida della piega laterale in acciaio inossidabile
L'acciaio inossidabile austenitico (ad esempio 304) deve affrontare due sfide principali nella piegatura a causa del carico di snervamento maggiore o uguale a 205 MPa e di un allungamento relativamente basso maggiore o uguale a maggiore o uguale al 40%:
Fessurazione del bordo: l'elevata resistenza porta ad una concentrazione di sollecitazione di trazione tangenziale concentrata nella zona di deformazione e il bordo del foro è soggetto a microfessure quando il coefficiente di rotazione è inferiore a 0,58. Un caso di studio di un'azienda di attrezzature da cucina mostra che l'acciaio inossidabile 304 presentava un tasso di rottura del 12 12% quando aveva un'altezza della flangia di 8 mm, mentre l'alluminio 6016 aveva un tasso di rottura solo del 2% nelle stesse condizioni.
Incrudimento: quando il valore n- è 0.3 -0.5, la durezza del materiale aumenta del 30%–50% dietro la piegatura del bordo, aumentando notevolmente l'usura dello stampo nella forgiatura dello stampo.
Per risolvere il problema dell'orlo in acciaio inossidabile, le pratiche ingegneristiche di solito includono:
il diametro del foro pre{0}}perforato è aumentato del 5%–8% per compensare il rimbalzo.
L'azoto liquido è stato utilizzato per ridurre lo stress da flusso del materiale.
Il coefficiente di attrito è stato ridotto dal nanolubrificante (μ inferiore o uguale a 0,08).
1.3 Caratteristiche del processo della lamiera di acciaio zincato.
Le proprietà di piegatura dei bordi della lamiera di acciaio zincato (ad es. DC04+ZE) sono fortemente influenzate dal rivestimento:
Lamiera zincata: la lamiera zincata ha uno spessore di 5 – 10 μm, con forte adesione ai substrati. Nel processo di piegatura dei bordi, il rivestimento di zinco si deforma in sincronia con i substrati e non è facile cadere. Tuttavia, la durezza del rivestimento di zinco (HV 180-220) è superiore a quella del substrato (HV 140-160), con conseguente concentrazione di stress negli angoli acuti quando i bordi si piegano.
Lamiera zincata a caldo-per immersione: con uno spessore del rivestimento di 20–40 μm e una plasticità relativamente scarsa, il rivestimento di zinco è soggetto a fessurazioni della rete quando l'altezza della flangia supera i 6 mm. I test condotti da un'azienda di elettrodomestici mostrano che quando i bordi sono stati alzati fino a 8 mm di altezza, lo strato di zincatura termica era solo al 65% solo al 65%, mentre la lamiera elettrozincata era completa al 92%.
Le soluzioni di ottimizzazione includono:
Controllare la velocità dell'orlo (inferiore o uguale a 50 mm/s) per ridurre lo sfaldamento del rivestimento.
Viene adottato il processo di piegatura a gradini (formatura in due fasi).
Aumentare l'angolo di spogliatura (1 grado –2 gradi) per ridurre l'attrito.
2. Reazione del materiale durante lo strappo
2.1 Pressione dell'orlatura e deformazione del materiale
La pressione di orlatura è un indice importante della formabilità del materiale. Basato sui dati di simulazione Dynaform:
La pressione di pre-rotolamento in lega di alluminio 6016 è stata in media di 502 N e la pressione di orlatura finale è di 1.327 N.
La pressione di pre-rotolamento della lamiera di acciaio DC04 è in media di 860N e la pressione di orlatura finale è di 1.852 N.
la lega di alluminio richiede una pressione di flessione inferiore del 40%–42% rispetto all'acciaio, principalmente a causa del suo basso modulo di elasticità (70GPa contro 70GPa). 210 GPa) e di un elevato rapporto di deformazione plastica-(valore r 1,2: 0,8).
2.2 Controllo dell'effetto onda
Il carico di snervamento del materiale influisce direttamente sulla qualità della superficie dopo l'arricciatura. 6016. La lega di alluminio ha un carico di snervamento di 140 MPa e un'altezza dell'onda di 0,15 mm dopo l'arricciatura, che è inferiore del 53% rispetto all'altezza dell'onda- (0,32 mm) della lamiera di acciaio DC04 sotto la stessa forza di arricciatura. Ciò lo rende ideale per l'orlatura di pannelli esterni automobilistici. La rugosità superficiale delle parti di orlatura in lega di alluminio può raggiungere 0,8 μm, il che soddisfa i requisiti della superficie di classe A-dei modelli di fascia alta-.
2.3 Gestione dei rientri
Nel processo di arricciatura (rientranza), la quantità di materiale che scorre nella flangia deve essere rigorosamente controllata. 6016 la rientranza della lega di alluminio è maggiore del 15%–20% rispetto alla rientranza della piastra di acciaio. Se i parametri di processo non vengono controllati adeguatamente, possono portare a:
Orlo incompleto (spazio > 0,1 mm).
Concentrazione delle sollecitazioni sui bordi (che portano a cricche da fatica).
Una casa automobilistica controlla le rientranze entro 0,3 mm mediante:
Per il prearricciatura viene utilizzato il controllo segmentato della pressione (pressione iniziale ridotta del 30%).
Aumenta la durata della permanenza (da 2 a 4 ss) durante l'orlatura finale.
Ottimizza il gioco dello stampo (1,1 t vs.
3. Pratica ingegneristica di selezione dei materiali e ottimizzazione del processo
3.1 Caso di studio: pannelli della carrozzeria automobilistica
La nuova piastra esterna della copertura anteriore dell'auto utilizza materiale in alluminio 6016 per sostituire il tradizionale materiale in acciaio, realizza miglioramenti di qualità attraverso le seguenti innovazioni di processo:
Pretrattamento del materiale: il trattamento termico T4 (trattamento in soluzione + invecchiamento naturale) ha comportato un controllo dello snervamento di 160 MPa e un aumento dell'allungamento al 28%.
Design dello stampo: Riduzione dell'attrito ed estensione della vita dello stampo da 50.000 a 200.000 settimane con rivestimento DLC (durezza HV2500).
Monitoraggio del processo: installa sensori di pressione (precisione ±1 N), regola la forza di arricciatura in tempo reale e controlla l'altezza dell'onda nell'intervallo ±0,05 mm.
3.2 Caso di studio: rivestimento interno in acciaio inossidabile di elettrodomestici
Il rivestimento del frigorifero di fascia alta-, realizzato in acciaio inossidabile 304, può risolvere il problema delle crepe sui bordi del frigorifero:
Aggiornamento della lubrificazione: il coefficiente di attrito è stato ridotto da 0,2 a 0,06 utilizzando grafene-contenente nano-lubrificante.
Miglioramento del processo: utilizzo del processo in tre-fasi di "pre-stampaggio → piegatura criogenica → trattamento di ricottura" per aumentare l'altezza del bordo da 6 mm a 10 mm.
Ottimizzazione dello stampo: aumento del raggio di flangiatura del raccordo del punzone da 0,3 t a 0,5 t e diminuzione del tasso di cricche dall'8% allo 0,5%.
3.3 Caso di studio: lamiera di acciaio zincato per strutture edili
Nella progettazione della struttura in acciaio della lamiera zincata a caldo-per la produzione di tegole, il problema del distacco del rivestimento di zinco nel processo di piegatura delle pareti viene risolto con le seguenti misure:
Controllo del rivestimento: ridurre lo spessore del rivestimento da 30 micron a 20 micron per bilanciare la resistenza alla corrosione e la modellatura.
Parametri di processo: velocità di orlo ridotta da 80 mm/s a 40 mm/s e tempo di permanenza aumentato da 1 s a 3 s.
Post-trattamento: aumento dei pellet di iniezione (intensità Almen 0,15 A) per rimuovere lo stress residuo dalla piegatura dei bordi.
4. Tendenze e sfide dello sviluppo futuro
La crescente domanda di leghe di alluminio leggere (come la serie 7075) e di acciai avanzati ad alta-resistenza (come DP980) ha portato a un aumento delle applicazioni, ponendo nuove sfide ai processi di orlatura e arricciatura:
Leghe di alluminio ad alta-resistenza: i limiti di snervamento superiori a 500 MPa richiedono lo sviluppo di processi di stampaggio termico (150–250 gradi) per ridurre la resistenza alla deformazione.
Acciai ad alta resistenza-di terza generazione: solo il 10%–15% richiede la formatura idraulica in combinazione con tecniche di riscaldamento locale.
Compositi: i problemi di legame interfacciale tra materiali diversi devono essere risolti nella piega laterale della piastra composita in acciaio-alluminio.
Conclusione:
Le diverse lamiere variano notevolmente nel processo di piegatura e bordatura: la lega di alluminio è il materiale preferito per le piastre esterne a causa del basso carico di snervamento e dell'elevato allungamento, ma richiede un controllo rigoroso del rimbalzo e della rientranza; l’acciaio inossidabile richiede miglioramenti della lubrificazione e innovazioni di processo per affrontare le fessurazioni; la lamiera di acciaio zincato richiede un equilibrio tra spessore del rivestimento e formabilità. In futuro, con lo sviluppo della scienza dei materiali e della tecnologia di formatura, il processo di piegatura e arricciatura della carrozzeria di un'automobile ibrida multi-materiale diventerà un argomento scottante, che richiede innovazione collaborativa nella progettazione dei materiali, nell'ottimizzazione degli stampi e nel controllo del processo.