냉간 성형 슈퍼 듀플렉스: 스프링백 계산 및 툴링 설계

슈퍼 듀플렉스 스테인레스 스틸주로 높은 수율-강도-대-모듈러스 비율로 인해 동등한 냉간 성형 작업에서 316L보다 약 2~3배 더 탄력적인 스프링백을 제공합니다. 이 가이드는 제작업체와 툴링 엔지니어에게 첫 번째 생산 실행에서 치수 공차를 달성하는 데 필요한 계산 방법, 비교 데이터 및 다이{6}}설계 규칙을 제공합니다.

슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(주로 UNS S32750(SAF 2507) 및 UNS S32760 -)은 해양 플랫폼, 해저 매니폴드, 담수화 배관 및 화학 공정 용기 등 염화물 저항성과 기계적 강도가 중요한 모든 곳에 지정됩니다. 균형 잡힌 오스테나이트-페라이트 미세 구조는 316L과 같은 표준 오스테나이트 등급의 항복 강도의 약 두 배를 제공하지만, 동일한 강도로 인해 냉간 성형 부품이 제작업체가 예상하는 것보다 공구 형상에서 더 멀리 튀어 나오는 이유가 됩니다. 세 번째 - 대신 첫 번째 기사 -에서 올바른 굽힘 각도를 얻는 것은 스프링백을 올바르게 계산하고 절단되기 전에 다이에 보상을 구축하는 데 달려 있습니다. 이 기사에서는 두 가지를 모두 살펴봅니다.

슈퍼듀플렉스 스테인리스강의 냉간 성형이 어려운 이유는 무엇입니까?

슈퍼 듀플렉스는 항복 강도(550MPa 이상)가 316L보다 약 2.5~2.7배 더 높고 탄성 계수(약 200GPa)가 거의 변하지 않기 때문에 냉간 성형이 어렵습니다. - 따라서 하중이 제거된 후 탄성적으로 회복되는 변형률은 비례적으로 훨씬 더 커서 스프링백이 더 크고, 필요한 성형력이 더 높으며, 안전-굽힘-반경 범위가 더 좁습니다.

스프링백을 제어하는 ​​기계적 특성은 항복 강도만이 아니라 탄성 계수에 대한 항복 강도의 비율(σy /E)입니다. 비율이 높을수록 재료의 총 굽힘 변형률이 더 많이 탄성적으로 저장되고 펀치가 수축되면 회복된다는 의미입니다. 아래 표는 제조 공장에서 가장 자주 논의되는 세 가지 등급을 비교한 것입니다.

표 1 - 냉간 굽힘 스프링백과 관련된 기계적 특성 비교- σy/E 비율 및 상대 스프링백은 나열된 강도 및 계수 값에서 파생됩니다. 쿠폰 테스트를 대체하는 것이 아니라 견적 가이드로 사용하십시오.

세 가지 실제 결과는 표 1에서 바로 나타납니다.

슈퍼 듀플렉스는 주어진 강도 수준에서 316L보다 연신율이 낮기 때문에 일반적으로 외부 섬유의 표면 균열을 방지하기 위해 굽힘 반경은 동등한 오스테나이트 부분보다 커야 합니다.

프레스 톤수 요구 사항은 대략 항복 강도에 비례하여 증가하므로 304/316L 작업에 적합한 크기의 브레이크 및 다이는 동일한 두께의 슈퍼 듀플렉스에 대해{2}}전력이 부족한 경우가 많습니다.

약 10% 변형률을 초과하는 냉간 변형은 일반적으로 오스테나이트-페라이트 상 균형을 복원하고 추가 성형 전에 재료의 연성을 재설정하기 위해 용체화 어닐링과 급속 담금질로 이어집니다.

슈퍼 듀플렉스 굽힘의 스프링백을 어떻게 계산합니까?

K-계수 굽힘-허용 계산과 함께 탄성-복구(Gardiner) 반경-비율 방정식을 사용합니다. 굽힘에 대한 σy·R/(E·t) 비율을 계산하고, 하중을 내린 후 자유 반경을 구한 다음 반경 변화를 각도 초과 굽힘으로 변환합니다. 내부 반경 3t의 일반적인 3mm S32750 굽힘의 경우 이는 대략 3~6도의 각도 스프링백을 예측하는 반면, 동일한 형상에서 316L의 경우 대략 1~2도를 예측합니다.

단계 1 - 굽힘 허용 및 K-계수

K- 계수는 내부 표면에서 측정된 재료 두께의 일부로 중립 굽힘 축을 찾고 전개(플랫 패턴) 길이를 계산하는 데 사용됩니다.

BA=π (R + K·t) (A / 180)

여기서 BA는 굽힘 허용량, R은 내부 굽힘 반경, t는 재료 두께, K는 중립{0}}축 계수, A는 굽힘 각도(도)입니다. 오스테나이트 및 이중 스테인리스 시트의 경우 작업장 실무에서는 일반적으로 R < 2t에 대해 K ≒ 0.33을 사용하고 R이 2t 이상인 경우 K ≒ 0.40–0.50을 사용합니다. 슈퍼 듀플렉스의 더 높은 변형률{8}}경화 지수는 316L에 비해 중립 축을 내부 반경 쪽으로 약간 이동시키므로 오스테나이트 테이블에서 파생된 K{10}}계수는 가정하기보다는 시험 굽힘을 통해 검증해야 합니다.

단계 2 - 탄성 스프링백 비율(Gardiner 방정식)

시트 또는 플레이트의 순수 굽힘의 경우 도구(부하) 반경 Ri와 자유(무부하) 반경 Rf 사이의 일반적인 탄성-복구 관계는 다음과 같습니다.

Ri / Rf=4 (Ri·σy / E·t)³ − 3 (Ri·σy / E·t) + 1

이 방정식은 표 1의 σy/E 비율이 제어 변수인 이유를 보여줍니다. σy/E가 증가함에 따라 오른쪽-은 1보다 더 아래로 떨어집니다. 이는 Rf가 Ri에 비해 더 커지는 것을 의미합니다. - 도구가 부품을 해제한 후 부품이 더 많이 열립니다.

실제 사례

σy=550 MPa 및 E=200,000 MPa를 사용하여 내부 반경 9mm(3t)로 구부러진 3mm S32750 플레이트를 생각해 보세요.

Ri·σy / (E·t)=(9 × 550) / (200,000 × 3)=4,950 / 600,000=0.00825

Ri/Rf=4(0.00825)³ − 3(0.00825) + 1=0.00000226 − 0.02475 + 1=0.9753

Rf=Ri / 0.9753=9.23 mm - 언로드 후 반경 2.5% 증가

동일한 형상(σy=190 MPa)에서 316L에 대한 동일한 계산은 Ri/Rf ≒ 0.9905를 제공하며 이는 반경 증가가 대략 40% 적습니다. 전체 굽힘에 걸쳐 원호 길이를 갖는 각진 스프링백 컴파운드 때문에 이러한 반경 차이는 일반적으로 업계에서 사용되는 3~6도 대 1~2도 범위에 대해 보고된 현장-과 일치하는 316L-보다 슈퍼 듀플렉스의 각도 오버벤드 요구 사항이 2~3배 더 큰 것으로 해석됩니다.

3 -단계 각도 오버벤드로 전환

Rf가 알려지면 스프링백 각도 Δ는 공구(목표) 각도와 자유 부품이 실제로 유지하는 각도 간의 차이입니다. 그런 다음 툴링을 (목표 각도 + Δ )의 초기 각도로 절단하여 탄성 회복 후 부품이 목표 지점까지 이완되도록 합니다. 공칭 인쇄 각도 -가 아닌 이 오버벤드 값 -이 펀치 및 다이 도면에 나타나야 합니다.

어떤 스프링백 예측 방법이 가장 정확합니까?

분석 공식(K-계수 + Gardiner)은 첫 번째-다이 설계 및 인용에 충분히 정확합니다. 생산 전에 툴링을 마무리하려면 경험적 시험 굽힘이 필요합니다. 보정된 이방성 경화 모델을 사용한 비선형 유한 요소 분석은 가장 정확한 방법이며 공차가 엄격하거나 부품이 크거나 다이 재작업에 비용이 많이 드는 경우 항상 정당화됩니다.

표 2 - 슈퍼 듀플렉스 냉간 성형에 대한 스프링백 예측 방법 비교.

실용적인 워크플로는 이 세 가지를 모두 결합합니다. 즉, 분석 공식을 사용하여 다이 크기를 결정하고 작업 견적을 내고, FEA를 실행하여 오버벤드 각도를 조정하고 외부 섬유에 균열이 발생할 위험을 표시하고, 경화된 툴링을 절단하기 전에 생산{0}}로트 재료에 대한 물리적 시험 벤딩을 확인합니다. 듀플렉스 등급은 동일한 사양 내에서 항복 강도의 열-간-변화를 나타내기 때문에, -밀 인증서가 변경될 때 스프링백을 재검증하는 것은 반복 작업의 경우에도 좋은 방법입니다.

슈퍼 듀플렉스 스프링백을 보상하기 위해 툴링을 어떻게 설계해야 합니까?

섹션 2에서 계산된 오버벤드 각도(인쇄 각도 아님)에 맞게 펀치와 다이를 설계하고, 재료 두께의 최소 3~4배로 넉넉한 내부 굽힘 반경을 지정하고, 톤수가 허용하는 경우 에어 벤딩 대신 바닥 가공 또는 코이닝을 사용하고, 316L 부품에 필요한 톤수의 2~3배에 맞게 프레스 크기를 조정합니다.

오버벤딩

가장 일반적인 보정 방법은 단순히 공구를 인쇄에 필요한 각도보다 더 큰 각도로 절단하여 탄성 회복을 통해 부품을 목표 각도로 되돌리는 것입니다. 오버벤드 값은 섹션 2의 Δ에서 직접 나오며 재료 두께, 코일 로트 또는 굽힘 반경이 변경될 때마다 다시 확인해야 합니다-.

바닥 및 코이닝

펀치가 다이 -에 대해 재료를 완전히 안착시키지 않는 에어 벤딩 -은 빠르지만 벤딩 반경이 툴링에 의해 고정되지 않기 때문에 스프링백이 크게 제어되지 않습니다. 바닥 만들기(부품을 다이 벽에 완전히 고정) 및 코이닝(굽힘 영역을 국부적으로 복구할 수 있을 만큼 충분한 힘을 가함-)은 모두 기계적으로 최종 반경과 각도를 제한하여 스프링백 산란을 크게 줄입니다. 코이닝에는 세 가지 방법 중 가장 높은 톤수가 필요하지만 슈퍼 듀플렉스와 같은 고강도 재료에서 가장 반복 가능한 각도를 제공합니다.-

다이 반경 및 펀치 노즈 반경

• 내부 굽힘 반경: S32750/S32760 시트의 경우 최소 3배 두께, 최대 약 12mm의 플레이트는 316L에 사용되는 일반적인 최소 1~2배 두께로, 낮은 신율 보유량을 고려하여 외부-섬유 균열을 방지합니다.
• 다이 숄더 반경: 마모를 방지하기 위한 크기 - 이중 작업-은 빠르게 경화되므로 작거나 날카로운 다이 반경은 표면 항력을 증가시키고 플레이트 표면에 흠집을 내고 수동 부식-저항층을 손상시킬 수 있습니다.
• 다이 개구부(V-폭): 표준 에어/하단 벤딩의 경우 일반적으로 두께가 8~10배입니다. 개구부가 좁을수록 톤수 수요가 더욱 증가하고 펀치 노즈가 외부 표면을 표시할 위험이 높아집니다.

클리어런스 및 윤활

과도한 공구 마모 없이 더 높은 성형 하중을 수용하려면 펀치{0}}다이 클리어런스를 오스테나이트 방식으로 증가시켜야 합니다. - 동일한 두께의 316L에 사용된 클리어런스보다 약 10~15% 더 커야 합니다.- 가공 경화로 인한 마손을 제어하고 부품 사용 후 구멍이 생길 수 있는 염화물 오염을 방지하려면 스테인리스강 등급의 염소- 비형성 윤활제가 필요합니다.

316L 및 2205와 비교하여 Super Duplex에 얼마나 더 많은 스프링백 보상이 필요합니까?

일반적인 계획 지침으로, 90도 굽힘에 해당하는 316L의 경우 약 1~2도, 표준 듀플렉스 2205의 경우 2~4도, 슈퍼 듀플렉스 S32750/S32760의 경우 3~6도를 예상합니다. - 실제 값은 두께, 반경 및 밀 로트에 따라 달라지므로 생산 툴링을 절단하기 전에 항상 시험 굽힘 또는 FEA를 통해 확인해야 합니다.

표 3 - 일반적인 스테인레스 계열의 냉간-성형 허용량 비교. 값은 일반적인 제조-산업 계획 범위이며 등급- 및 로트-별 테스트를 대체하지 않습니다.

어떤 프레스 톤수와 프로세스 매개변수를 지정해야 합니까?

재료의 실제 항복 강도(일반적인 스테인레스 기본값 아님)를 사용하여 프레스 톤수 크기를 결정하고, V- 다이 개구부를 8~10× 두께로 지정하고, 오스테나이트 등급보다 느리게 굽힘 속도를 실행하여 굽힘 영역의 단열 가열을 제한하고, 초기 도구 설정에 의존하지 않고 스프링백 후 100% 치수 검사를 통해 작업을 라우팅합니다.

일반적으로 사용되는 에어벤딩-톤수 공식은 다음과 같습니다.

F = (1.42 × L × σt × t²) / V

여기서 F는 힘(kN), L은 굽힘 길이(mm), σt는 인장 강도(MPa), t는 두께(mm), V는 다이 개구부 폭(mm)입니다. 슈퍼 듀플렉스 인장 강도(S32750의 경우 795-930MPa)가 316L의 거의 두 배에 달하기 때문에 동일한 방정식은 동일한 형상에 대해 대략 두 배의 톤수를 보여줍니다. 이는 많은 제작자가 동일한 두께의 슈퍼 듀플렉스 플레이트로 이동한 후 기존 316L 툴링이 과소평가된- 이유라고 생각합니다.

냉간 성형 시 중간 어닐링이 필요합니까?

예 - 누적 냉간 변형이 약 10% 변형률을 초과할 때마다 용액 어닐링 및 급속 담금질이 권장되며 변형률 수준에 관계없이 최종 성형 단계 후에 오스테나이트-페라이트 상 균형과 합금의 전체 내식성을 복원하기 위해 필요합니다.

냉간 가공은 슈퍼 듀플렉스의 상 균형을 등급에 결합된 강도와 부식 성능을 제공하는 대략 50/50의 오스테나이트-페라이트 비율에서 벗어나게 하며, 이후 재료가 높은 사용 온도에 노출되면 부서지기 쉬운 금속간 상을 촉진할 수 있습니다. S32750에 대한 공장 및 생산자 데이터 시트는 약 1052도(1925도 F)의 최소 용액 어닐링 온도를 명시한 후 즉시 급속 공기 또는 물 담금질을 수행하고 산세척 및 패시베이션을 통해 냉간 성형 및 관련 열이 방해할 수 있는 수동 표면층을 완전히 복원합니다.

자주 묻는 질문

냉간 굽힘 후 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 스틸이 얼마나 회복됩니까?

일반적인 90도 굽힘에서 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(UNS S32750/S32760)은 동일한 두께와 반경에서 316L 오스테나이트 스테인리스강의 경우 약 1~2도인 것과 비교하여 약 3~6도의 각도 스프링백을 나타냅니다. 정확한 값은 두께, 굽힘 반경, 소재의 실제 항복강도에 따라 달라지므로 시험 굽힘을 통해 확인해야 합니다.

스테인리스강 굽힘에서 스프링백을 계산하는 데 사용되는 공식은 무엇입니까?

Gardiner 방정식은 표준 분석 공식입니다: Ri/Rf=4(Ri·σy/E·t)³ − 3(Ri·σy/E·t) + 1, 여기서 Ri는 공구 반경, Rf는 언로드 후 자유 반경, σy는 항복 강도, E는 탄성 계수, t는 재료 두께입니다. 이는 일반적으로 플랫-패턴 개발을 위한 K-인자 굴곡-공차 계산과 쌍을 이룹니다.

슈퍼 듀플렉스 스테인레스 스틸의 최소 굽힘 반경은 얼마입니까?

재료 두께의 3~4배인 최소 내부 굽힘 반경은 S32750 및 S32760의 일반적인 시작 권장사항이며, 반면 316L의 두께는 1~2배입니다. 왜냐하면 슈퍼 듀플렉스는 더 높은 강도 수준에서 신율 보유량이 적고 좁은 반경에서 외부{7}}섬유 균열이 발생하기 쉽기 때문입니다.

슈퍼듀플렉스 스테인리스강이 316L보다 더 많은 성형력을 요구하는 이유는 무엇입니까?

슈퍼 듀플렉스는 S32750의 경우 최소 항복 강도가 약 550MPa이고 인장 강도가 약 795~930MPa로 316L 값의 두 배에 가깝습니다. 굽힘력은 인장 강도에 따라 증가하므로 프레스 톤수 요구 사항은 비례적으로 증가합니다. - 일반적으로 동등한 316L 부품에 필요한 톤수는 2.3~2.7배입니다.

슈퍼 듀플렉스 스테인레스 스틸은 냉간 성형 후 어닐링이 필요합니까?

예. 누적 냉간 변형이 약 10%를 초과하면 용체화 어닐링과 빠른 공기 또는 물 담금질이 권장되며, 일반적으로 균형 잡힌 오스테나이트-페라이트 미세 구조와 합금의 전체 내식성을 복원하기 위해 최종 성형 단계 후에 필요합니다.

슈퍼 듀플렉스 스프링백을 예측하는 데 분석 계산이나 FEA가 더 나은가요?

분석 공식은 조기 추정 및 초기 다이 크기 결정에 충분합니다. 보정된 경화 모델을 사용한 비선형 유한 요소 분석은 더 정확하며 공차가 엄격한 부품, 크거나 두꺼운 판 또는 새 툴링을 두 번 절단하는 데 비용이 많이 드는 모든 작업에 대해 추가 시간을 투자할 가치가 있습니다.