PLASTICKÉ VLASTNOSTI VYSOKOPEVNOSTNÍCH MATERIÁLŮ DĚLENÝCH NESTANDARDNÍMI TECHNOLOGIEMI

Transkript

1 PLASTICKÉ VLASTNOSTI VYSOKOPEVNOSTNÍCH MATERIÁLŮ DĚLENÝCH NESTANDARDNÍMI TECHNOLOGIEMI PLASTIC PROPERTIES OF HIGH STRENGHT STEELS CUTTING BY SPECIAL TECHNOLOGIES Pavel Doubek a Pavel Solfronk a Michaela Kolnerová a Jiří Sobotka a a Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní, Katedra strojírenské technologie - Oddělení tváření kovů a plastů, Hálkova 6, , Liberec, ČR, pavel.doubek@tul.cz 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

2 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 [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 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 ) Tabulka 1: Mechanické vlastnosti materiálů využitých pro experimentální měření Typ oceli R p0,2 [MPa] R m [MPa] A 80 [%] H220PD RA-K 40/ CP-W MS-W

3 Table 1: Mechanical properties of steels used for experimental measuring Type of Steel Yield Strenght R p0,2 [MPa] Strenght R m [MPa] Ductility A 80 [%] H220PD RA-K 40/ CP-W MS-W 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

4 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

5 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 Rp 0.2, [MPa] plasmou laserem vodním paprskem Broušeno Frézováno [%] Obr.4. Mechanické vlastnosti matriálu H220PD. Fig. 4. Mechanical properties of H220PD material Rp 0.2, [MPa] [%] 200 plasmou laserem vodním paprskem Broušeno Frézováno 0 Obr.5. Mechanické vlastnosti matriálu RA-K 40/70. Fig. 5. Mechanical properties of RAK 40/70 material Rp 0.2, [MPa] [%] 650 plasmou laserem vodním paprskem Broušeno Frézováno 12 Obr.6. Mechanické vlastnosti matriálu CPW 800. Fig. 6. Mechanical properties of CPW 800 material. 5

6 1400 7,5 Rp0.2, [MPa] ,5 6 5,5 [%] 800 plasmou laserem vodním paprskem Broušeno Frézováno 5 Obr.7. Mechanické vlastnosti matriálu MSW Fig. 7. Mechanical properties of MSW 1200 material. Obr.8. Křivky zpevnění materiálu RAK 40/70 Fig. 8. Stress-strain curves MSW

7 Obr.9. Křivky zpevnění materiálu CPW 800 Fig. 9. Stress-strain curves of MSW 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

8 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 LITERATURA [1] Statická zkouška tahem ČSN EN , [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