Materiaalkeuze en verwerking

Aandachtspunten bij bewerken van hoge sterkte staal

Knippen van hoge sterkte staal

Het knippen van hoge sterkte staal op een guillotineschaar moet met zorg gebeuren. Belangrijke aspecten zijn gereedschapsslijtage, de kwaliteit van het snijvlak, de benodigde knipkracht en de maatnauwkeurigheid van de plaat.

Om overmatige slijtage te voorkomen moet het materiaal waaruit de messen worden gemaakt een grote kracht kunnen weerstaan.

Instelling van de juiste knipspleet is belangrijk om slijtage te verminderen, een maximale maatnauwkeurigheid te realiseren en een schoon snijvlak met minimale braam te produceren. Voor plaatmaterialen met hoge sterkte moet met een grotere knipspleet worden gewerkt. Daarnaast speelt de kwaliteit en stabiliteit van de machine een belangrijke rol. Een minder nauwkeurige en minder robuuste schaar vraagt om een grotere snijspleet.

Onder de verschillende omstandigheden moet de knipspleet als volgt worden ingesteld, waarbij de exacte instelling zoals gezegd afhankelijk is van de conditie van de schaar:

De maatnauwkeurigheid bij het knippen van hoge sterkte staal is vergelijkbaar met die van omvormstaal, mits op vergelijkbare installaties (gebruik hooghouder). Maar bij het knippen van smalle stroken (10 tot 40 maal de plaatdikte) zal de optredende torsie in de geknipte strook groter zijn dan voor zachtere materialen. De torsie wordt veroorzaakt door de grotere knipspleet en wordt versterkt wanneer de knipkracht groter is.

Voor het knippen van smalle stroken (10 tot 40 maal de plaatdikte) zal de optredende torsie bij het knippen van hoge sterkte staal groter zijn dan voor zachtere materialen, als gevolg van de grotere snijspleet.

Ponsen en lasersnijden

De band of de plaat van hoge sterkte staal is meestal de basis voor een serie bewerkingen waarin het eindproduct vorm krijgt. Ponsen is misschien wel de meest gebruikte techniek, maar de laatste jaren is er sprake van een toename van flexibele snijtechnieken zoals lasersnijden.

In tegenstelling tot het knippen worden bij het ponsen gesloten contouren gesneden, waarbij de snijdende delen symmetrisch worden belast. Er zijn geen principiële verschillen te verwachten tussen volgstempels of transferstempels enerzijds of inlegstempels anderzijds, wel moet bij volgstempels ervoor gezorgd worden dat het bandmateriaal door middel van richten voldoende vlak en spanningsvrij is.

De snijspleet u/2 kan bij het ponsen vanwege de symmetrische belasting kleiner zijn dan bij het knippen. Naast de sterkte van het plaatmateriaal spelen de kwaliteit en stabiliteit van de pers en het ponsgereedschap een belangrijke rol bij de instelling van de snijspleet.

Om na te gaan of een bestaande machine geschikt is voor het verwerken van hoge sterkte staal kan de maximale ponskracht worden berekend met de onderstaande formule.

Fmax = k · As · Rm

As = π· D · s

Rm = treksterkte

Om de totale proceskracht te bepalen moet aan de ponskracht nog de neerhouderkracht worden toegevoegd. Deze bedraagt 5 tot 15% van de maximale ponskracht, afhankelijk van de verhouding tussen diameter en dikte en de grootte van de snijspleet.

De toename van de ponskracht door het gebruik van hoge sterkte staal kan worden gecompenseerd door de snijders of snijplaten af te schuinen.

Bij het snijden van hoge sterkte staal moet rekening worden gehouden met een grotere stempelslijtage als gevolg van de hogere vlaktedrukken, die op snijder en snijplaat werken. Voor het ponsen van kleine gaten in hoge sterkte staal wordt een recht snijgat aanbevolen.

De kans op het opkomen van het schrot is hierbij reëel. Bij het ponsen van hoge sterkte staal verdient het daarom de aanbeveling de lossingshoek van het doorvalgat ruimer te nemen dan gebruikelijk. Dit is van belang om het vastlopen van het schrot in de snijplaat te voorkomen.

Hoge sterkte stalen hebben veelal een fijnkorrelige structuur die zorgt voor de hoge sterkte in combinatie met relatief goede omvormeigenschappen. Met thermisch snijden worden de materiaaleigenschappen beïnvloed omdat de warmte-inbreng plaatselijk de microstructuur van het staal kan veranderen. Dit kan leiden tot een lokale sterkte-afname of verbrossing. Bij lasersnijden is warmtebeïnvloede zone erg klein (0,125 mm), waardoor dit een uitstekende methode is voor het scheiden van hoge sterkte stalen. De invloed van het snijproces op de eigenschappen van het materiaal beperkt zich tot een zeer klein deel rondom de snede.

Net als voor conventionele stalen zijn er ook speciaal ontwikkelde lasergrades in hoge sterkte beschikbaar. Hiermee kunnen snijsnelheid en snijkwaliteit gemaximaliseerd kunnen worden en aanzienlijk kostenbesparingen (door sneller snijden) of kwaliteitsverbeteringen gerealiseerd worden.

Ook waterstraalsnijden beinvloedt de eigenschappen van het materiaal niet omdat er geen sprake is van warmte-inbreng. Het water verlaat de spuitmond met een druk van 4000 bar en een snelheid van 900 m/sec. Voor het snijden van metalen worden slijpstoffen aan het water toegevoegd. Waterstraalsnijden is dus net als lasersnijden een uitstekend snijproces voor hoge sterkte staal, maar wordt minder toegepast vanwege de hoge complexiteit.

Buigen van hoge sterkte staal

Het omvormen van hoge sterkte staal is lastiger dan het omvormen van vervormingsstalen. Het verschil zit hem in:

• De minimale buigradius. Voor hoge sterkte stalen bedraagt deze in sommige gevallen 2 keer de plaatdikte. Dit is dus groter dan de minimale buigradius voor omvormstalen, die afhankelijk van het buigproces 0,5 tot 1 keer de plaatdikte bedraagt. De omvormbaarheid van moderne hoge sterkte stalen is echter zodanig, dat er complexe producten mee kunnen worden gemaakt. Zo zijn bijvoorbeeld ook hoge sterkte stalen beschikbaar waarmee een minimale buigradius van 0,5 tot 1 keer de plaatdikte kan worden gehaald.
• De terugvering. Deze is voor hoge sterkte stalen aanzienlijk groter dan voor omvormstalen, zoals in figuur 10 is aangegeven. De terugvering wordt enerzijds bepaald door materiaaleigenschappen als elasticiteitsmodulus, trekvastheid en verstevigingsfactor en anderzijds door de grootte van de buigradius. Om terugvering van het hoge sterkte staal te minimaliseren verdient het de aanbeveling om producten te construeren met een zo klein mogelijke buigradius. Hierbij dient natuurlijk rekening gehouden te worden met de minimale buigradius van het materiaal.

De keuze voor het optimale buigproces is afhankelijk van de afmetingen en geometrie van het product, de gewenste nauwkeurigheid en de seriegrootte.

Het vrijbuigen is in feite een driepuntsbuiging door zijn flexibiliteit de meest toegepaste buigmethode. Vrijbuigen is een flexibele technologie omdat door aanpassing van de weglengte van de stempel de buighoek wordt bepaald. De terugvering bij vrijbuigen is relatief groot en afhankelijk van de eigenschappen van de gebruikte plaat. De terugvering kan sinds de introductie van hoekmeetsystemen snel en adequaat worden gecorrigeerd. Indien de buigbank is voorzien van een hoekmeetsysteem is de grotere terugvering van hoge sterkte staal dus geen bezwaar.

Matrijsbuigen kan worden toegepast wanneer de gevraagde tolerantiesop productradius en producthoek klein zijn. Door gebruik van hoge kalibreerdrukken kunnen bij kleine buigradii (< 5 x de plaatdikte) hoektoleranties van ±0,25° en radiustoleranties van ± 0,1 mm worden gerealiseerd. Bij een kleine radius kan een kalibreerdruk van 5 maal de trekvastheid nodig zijn om de terugvering te compenseren. Kalibreerdrukken voor hoge sterkte staal zijn dus hoger dan voor vervormingsstalen. Dit maakt in veel gevallen een productgebonden gereedschap noodzakelijk, hetgeen voor kleine series een economisch probleem vormt.

Bij het strijkbuigen wordt de uitslag door een neerhouder op het ondergereedschap geklemd en brengt het strijkmes de buiging tot stand. Bij dit proces treden oppervlaktebeschadigingen op als gevolg van grote wrijvingskrachten. Deze oppervlaktebeschadigingen zijn minimaal, indien het strijkmes van een torpedovorm is voorzien. Voor het strijkbuigen van hoge sterkte staal is deze stempelgeometrie aan te bevelen.

Persen: complexe producten met hoge sterkte

Persen is een productieproces dat vaak voor grote series wordt toegepast en waarbij in enkele stappen een complexe vorm in een plaat wordt gedrukt. In theorie is persen te verdelen in twee verschillende typen vervorming, dieptrekken en strekken.

Plaatmateriaal moet voor het dieptrekproces makkelijk te stuiken zijn (hoge r-waarde), het strekproces stelt hoge eisen aan de versteviging van het hoge sterkte staal (hoge n-waarde). Beide eigenschappen zijn voor hoge sterkte staal minder goed dan voor de vervormingsstalen. De onderstaande tabel laat zien dat de dieptrekbaarheid van de specifiek ontwikkelde DC06 (vervormingsstaal) aanzienlijk beter is dan de hoge sterkte stalen, terwijl het gedrag bij strekken minder verschil oplevert.

Naast het invloed van het plaatmateriaal wordt de moeilijkheidsgraad van het dieptrekken bepaald door de dieptrekverhouding β en de absolute productafmetingen.

Rolvormen

Rolvormen worden toegepast om relatief lange profielen uit band te vervaardigen door middel van een profileerwals. De kern van het proces is dat met kleine opeenvolgende vervormingen per processtap (stands) uiteindelijk zeer complexe profielen kunnen worden vervaardigd. Het materiaal gedraagt zich hierbij anders dan bij de eerdergenoemde buigprocessen. Het aantal stands dat nodig is om een profiel te rolvormen, wordt bepaald door:

• de productvorm

• de profileerlijn (afstand tussen stands, zijrollen)

• de maat- en vormnauwkeurigheid van het product

• het bandmateriaal

Hoge sterkte staal laat zich uitstekend rolvormen, mits rekening wordt gehouden met de grotere terugvering.

Verbinden van hoge sterkte staal

Hoge sterkte staal reageert over het algemeen ongunstig op warmte-inbreng. Afhankelijk van de afkoelsnelheid kan een materiaalverbrossing of een sterktevermindering optreden. Laserlassen verdient in dit kader de voorkeur, omdat de warmtebeïnvloede zone circa 1 mm groot is aan beide zijde van de smeltzone. Bij booglassen meet deze zone meer dan 2 mm.

Lasertechnologie maakt het ook mogelijk om te werken met zogenaamde geleidelassen, die geschikt zijn voor dun materiaal en waarbij een nabewerking in veel gevallen overbodig is.

Ondanks de negatieve invloed van de laswarmte kunnen hoge sterkte stalen met de gebruikelijke lasprocessen worden gelast. Het voor dunne plaat populaire TIG-lassen is minder geschikt voor hoge sterkte staal omdat de warmteconcentratie en warmte-inbreng hoog is. Het MAG-lassen is een veel toegepaste lasmethode voor plaatdikten tussen 5 en 20 mm. Hierbij wordt een elektrische boog in stand gehouden tussen een automatisch aangevoerde afsmeltende elektrode en het product.

Bij weerstandslassen (puntlassen is de meest bekende techniek) worden twee overlappende plaatdelen gedurende een bepaalde tijd tussen twee elektroden geklemd. Voor het verbinden van hoge sterkte staal kan deze lasmethode zonder problemen worden toegepast. De warmteontwikkeling is zeer lokaal en het contactvlak van de elektrode waardoor de lasstroom loopt is zeer klein. Het spreekt voor zich, dat de lasinstellingen (stroomsterkte, laskracht, lastijd en de grootte van het elektrode contactvlak) voor het hoge sterkte staal moeten worden aangepast.

Een alternatief voor lassen is het mechanisch verbinden. Eén van de meest populaire technieken om plaat te verbinden is het drukvoegen. Hierbij wordt door een omvormproces een verbinding tot stand gebracht. Voordelen van deze verbindingstechniek tijdens productie zijn:

• geen bevestigingsmaterial nodig
• geen thermische beïnvloeding (voor hoge sterkte staal van groot belang)
• het verbinden van verschillende materialen is mogelijk
• de kwaliteit van de verbinding is door online procescontrole goed te beheersen

De omvormbaarheid waarover hoge sterkte stalen beschikken is ruim voldoende voor mechanisch verbinden. Een vergelijking met puntlassen levert het volgende beeld: