Трибологические свойства стального проката

Основные моменты исследования

Идея совместного проекта возникла после вебинара, проведенного экспертами компании TriboForm, входящей в состав AutoForm Engineering — разработчика программного обеспечения для компьютерного моделирования процесса холодной листовой штамповки. Наибольшее впечатление произвели примеры автопроизводителей о том, как добиться высокой сходимости результатов симуляции и тестовой штамповки: на экране монитора деталь светится зеленым цветом, все отлично, а в цехе на детали разрыв. Часто существенное влияние на конечный результат оказывают мелочи. Обычно в ходе симуляции коэффициент трения между стальной заготовкой и поверхностью штампа считался постоянным и равным 0,15. На практике коэффициент трения динамично меняется в зависимости от четырех групп факторов:

И если учесть эти нюансы и связать с изменением значения коэффициента трения в процессе штамповки, то картина на экране монитора полностью повторит то, что лежит на контрольном столе в цехе штамповки.

Мы решили пойти чуть дальше и с помощью коллег проверить, какие параметры из перечисленных выше в большей или меньшей степени влияют на изменение коэффициента трения при штамповке типовой автомобильной детали — лицевой панели двери. Повышенный коэффициент трения приводит к интенсивному износу штамповочной оснастки, шелушению покрытия оцинкованной заготовки, снижению интервалов между очисткой поверхности штампа.

Работа разделилась на четыре основных этапа:

• В лабораторию TriboForm в Нидерландах направили образцы оцинкованной сверхнизкоуглеродистой стали толщиной 0,65 мм и трех типов масел от производителей Fuchs, Houghton и Quaker для проведения серии лабораторных тестов на оборудовании Tribometer. Результаты теста — база для создания трибологической системы для комбинации «марка стали — тип масла».
• Там же в Нидерландах эксперты в лаборатории с помощью оптического металлографического 3D микроскопа создали виртуальную модель поверхности наших образцов для того, чтобы загрузить в программное обеспечение TriboForm. Это второй, завершающий компонент для создания трибологической системы.
• Следующим этапом стало моделирование процесса штамповки типовой лицевой панели двери в программном обеспечении AutoForm с коэффициентом трения, автоматически рассчитывающимся на базе трибологической системы, а не равном 0,15 постоянно. Варьируя параметры процесса штамповки, шероховатость оснастки, микрогеометрию поверхности заготовки, тип и количество промасливания, температуру и другие переменные, эксперты AutoForm провели сотни симуляций. Цель этой задачи заключалась в том, чтобы определить рейтинг факторов, влияющих на распределение коэффициента трения по областям контакта заготовки и оснастки в процессе штамповки.
• В итоге комплексной работы Северстали, TriboForm и AutoForm мы:

Трение при штамповке

Трение, износ и параметры смазки входят в область исследования трибологии — науки, которая занимается описанием контактного взаимодействия твердых деформируемых тел при их перемещении. Почему это важно изучать? Практически, это влияет на износ штампов и шелушение поверхности металла при штамповке. Кроме того, модель трения можно заложить в моделирование штамповки и тем самым повысить его точность.

В процессе штамповки заготовка всегда находится в контакте с оснасткой, и это не статическое, а динамическое взаимодействие, так как металл движется, или «течет» по поверхности оснастки. На первый взгляд и заготовка, и инструмент выглядят гладкими, но если смотреть на них под микроскопом, можно увидеть сложный рельеф поверхности. Этот рельеф называется профилем шероховатости и состоит из серии выступов и впадин разной высоты, глубины и расстояния. Из-за этих неровностей на поверхности листа и оснастки возникает сопротивление относительному движению. Это сопротивление и называется трением. Соотношение между силой трения и силой контакта между двумя движущимися объектами определяется коэффициентом трения µ и зависит от трибологической системы и процесса штамповки.

Влияние смазки при штамповке высокопрочных сталей

Использование смазки при штамповке очень важно. Это влияет на контроль потока металла, распределение напряжений и деформаций в штампе, снижает риск повреждения поверхности оснастки из-за трения. Одной из функций смазки также является снижение температуры нагрева в зонах деформации.

Модели трения, которые используются для обычных мягких марок, уже не подходят для новых высокопрочных марок AHSS. Специфика штамповки таких сталей — в том, что повышенная прочность металла и уменьшенная толщина листа требуют большей энергии штампов и прижимных сил. Это вызывает повышение температуры нагрева и детали, и оснастки. Такой нагрев обычно вызывает снижение вязкости смазки, что приводит к истиранию и образованию задиров.

Кроме этого, материал оснастки должен обладать большей твердостью, поэтому используются специальные легированные стали. Все это вносит свои трибологические эффекты и предъявляет новые требования к смазочным материалам, которые должны обладать низким коэффициентом трения и способностью сохранять химический состав и вязкость при повышенных температурах.

В справочнике ассоциации WorldAutoSteel приведены рекомендации Fuchs Lubricants Guideline по выбору типа смазки для высокопрочных сталей AHSS.

Перечень использованных ресурсов:

• Материалы вебинара компании TriboForm (входит в состав AutoForm Engineering).
• Справочник высокопрочных сталей ассоциации WorldAutoSteel — Advanced High-Strength Steels Application Guidelines Version 6.0.
• Материалы блога AHSS WorldAutoSteel: статья 1 и статья 2