Накратко

Връщането след деформация е еластичното възстановяване на формата на листовия метал след процеса на оформяне и представлява критичен проблем при проектирането на шанцови инструменти за автомобилна промишленост, който води до неточности в размерите и скъпоструващи производствени закъснения. Влиянието на връщането след деформация е значително по-голямо при използването на високопрочни стомани с усъвършенствани свойства (AHSS). Ефективното управление изисква прецизно прогнозиране на това поведение и активно създаване на компенсиран дизайн на инструмента, при който повърхнините на инструмента се модифицират, за да се гарантира крайната детайл да се върне в точно определената целева форма.

Разбиране на явлението връщане след деформация и неговото критично влияние в автомобилното производство

При формоването на листови метали, отскокът се отнася до геометричната промяна, която детайл изпитва след освобождаване на формовъчното налягане и неговото премахване от матрицата. Това явление възниква, защото материала претърпява както постоянна (пластична), така и временна (еластична) деформация по време на щамповането. След като инструментите бъдат премахнати, запазената еластична енергия в материала кара детайла частично да се върне към първоначалната си форма. Това очевидно дребно еластично възстановяване може да има сериозни последици за света на автомобилното производство, където се изисква висока прецизност.

Въздействието от неконтролирания отскок е сериозно и води до поредица от негативни ефекти в производствения процес. Неточното прогнозиране директно води до детайли, които не отговарят на геометричните допуски. Това размерно отклонение създава значителни предизвикателства на по-късно етапи, като компрометира цялостността и качеството на крайния автомобил. Основните негативни ефекти включват:

• Размерни отклонения: Последната част не съвпада с предвидената CAD геометрия, което води до лошо прилягане и отделка.
• Затруднения при монтажа: Компонентите с несъответстващи размери могат да затруднят или направят невъзможни процесите на автоматизиран и ръчен монтаж, което причинява спирания в производствената линия.
• Увеличени цикли за проба на матрици: Инженерите са принудени да минават през скъп и отнемащ време цикъл на проба и грешка, при който матриците се модифицират и тестват многократно, за да се постигне правилната форма на детайла.
• По-високи проценти на скрап: Детайлите, които не могат да бъдат поправени или сглобени, трябва да бъдат изхвърлени, което увеличава отпадъците от материали и разходите за производство.
• Намалена рентабилност: Съчетанието от загубено време, труд и материали директно влияе върху финансовата устойчивост на проекта.

Проблемът с пружинирането е особено остър при използването на съвременни материали като високопрочни стомани (AHSS). Както е обяснено в насоките от AHSS Insights , тези материали имат високо съотношение между границата на провличане и Модула на Юнг, което означава, че по време на формоване те натрупват значително повече еластична енергия. Когато тази енергия се освободи, резултатният отскок е много по-изразен в сравнение с конвенционалните меки стомани. Това явление се проявява в няколко различни режима, включително промяна на ъгъла (отклонение от ъгъла на инструмента), извиване на страничната стена (кривина в стената на канал) и усукване (торзионно завъртане поради неуравновесени остатъчни напрежения).

Основни фактори, влияещи на поведението при отскока

Интензивността на отскока не е случайна; тя се определя от предвидим набор от променливи, свързани със свойствата на материала, геометрията на инструментите и процесните параметри. Подробното разбиране на тези фактори е първата стъпка към ефективно прогнозиране и компенсиране. Дизайнерите на матрици трябва да анализират тези елементи, за да предвидят как ще се държи материала под налягане при формоване.

Свойствата на материала са основен фактор. Стали с по-висока граница на пластичност и якост при опън, като TRIP и микролегираните стомани, използвани широко в автомобилни компоненти, показват по-значително еластично връщане. Това се дължи на факта, че материалите с по-висока якост изискват по-голяма сила за пластично деформиране, което от своя страна натрупва повече еластична енергия, освобождавана при разтоварване. Дебелината на ламарината също има значение; по-тънките калибри, често използвани за намаляване на теглото на превозните средства, притежават по-малка структурна огъваемост и са по-податливи на отклонения във формата.

Геометрията на инструментите е също толкова важен фактор. Комплексно проучване върху стоманени ламарини за автомобилна промишленост установи, че изборът на инструменти може да окаже по-голямо влияние в сравнение с определени характеристики на материала. Изследване, публикувано в списанието Материали показа, че диаметърът на матрицата има по-значимо влияние върху еластичното възстановяване от анизотропията на материала. По-специално, проучването заключава, че по-големите радиуси на матрицата водят до по-голямо еластично възстановяване, тъй като предизвикват по-малка пластична деформация, което прави еластичното възстановяване по-забележимо. Това подчертава важността от оптимизирането на конструкцията на инструментите и матриците като основен метод за контрол на еластичното възстановяване.

За да се осигури ясна рамка за анализ, ключовите фактори на влияние и техните ефекти са обобщени по-долу:

Напреднали стратегии за проектиране на матрици за компенсиране на възстановяването

Ефективното управление на възстановяването изисква преход от реактивни корекции към превантивни проектиращи стратегии. Най-напредналата подход е известен като компенсиране на възстановяването, при който матрицата умишлено се проектира с „неправилна“ форма. Тази „компенсирана“ повърхност на матрицата оформя листовия метал по такъв начин, че еластично да се възстанови в желаната, размерно точна геометрия. Например, ако се предвижда, че огъване под 90 градуса ще се възстанови с 2 градуса, матрицата трябва да бъде проектирана така, че да огъне детайла до 92 градуса.

Докато традиционните методи като овърбандинг или койнинг съществуват, често те разчитат на скъп експериментален подход чрез проби и грешки. Съвременната компенсация е процес, задвижван от симулации, при който в работния поток за проектиране се интегрират сложни софтуерни решения. Този подход осигурява по-точен, ефективен и надежден начин за постигане на правилни инструменти от първия път. За сложни автомобилни компоненти сътрудничеството със специалисти в тази област е от решаващо значение. Фирми като Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. илюстрират този съвременен подход, като използват напреднали CAE симулации за проектиране на персонализирани шанцово-кухинни форми за автомобилна преса, които предварително отчитат поведението на материала, осигурявайки точност за производители на оригинални оборудвания (OEM) и доставчици от първо ниво.

Работният процес при компенсацията, задвижвана от симулации, следва ясен, систематичен подход:

1. Начална симулация на оформяне: Използвайки метода на крайните елементи (FEA), инженерите симулират целия процес на шанцоване с номиналната геометрия на матрицата, за да предвидят точно крайната форма на детайла, включително големината и посоката на отскока.
2. Изчисляване на компенсацията: Софтуерът сравнява прогнозираната форма след отпружиняване с целевата проектна геометрия. След това изчислява необходимите геометрични корекции за повърхностите на матрицата, за да се компенсира това отклонение.
3. Модификация на CAD модел: Изчислените корекции се прилагат автоматично към CAD модела на матрицата, като се създава нова, компенсирана геометрия на работната повърхност.
4. Валидираща симулация: Провежда се окончателна симулация с използване на компенсираната конструкция на матрицата, за да се потвърди, че детайлът ще се върне в правилните размери след отпружиняване. Тази стъпка за валидиране потвърждава ефективността на стратегията, преди да бъде започнато физическото изработване на инструмента.

Този превантивен метод значително намалява нуждата от скъпи и отнемащи време преизработки и корекции на матриците по време на фазата на практически проби, което ускорява излизането на продукта на пазара и намалява общите производствени разходи.

Ролята на симулациите и предиктивния анализ в съвременното проектиране на матрици

Точното предвиждане чрез софтуер за симулация е основата на съвременната компенсация на пружинирането. Анализът чрез метода на крайните елементи (FEA) позволява на инженерите виртуално да моделират цялата операция по штамповка — от силата на държача на заготовката до скоростта на пробивника — за да прогнозират окончателната форма на детайла с изключителна точност. Както се описва в техническия наръчник от ETA, Inc. тази предсказателна възможност позволява създаването на компенсирани повърхности на инструментите още преди започване на производството, превръщайки проектирането на матрици от реактивно изкуство в предсказателна наука.

Въпреки това ефективността на симулацията не е безусловна и се сблъсква със значителни предизвикателства. Основно ограничение е, че точността на резултата напълно зависи от качеството на входните данни. Неточна характеристика на материала, особено при сложни класове AHSS, може да доведе до грешни прогнози за пружинирането. Проучванията показват, че основните модели за изотропно накърняване често са недостатъчни за прогнозиране на пружинирането при високопрочни стомани, тъй като не отчитат явления като ефекта на Баушингер, при който границата на остатъчна деформация на материала се променя при обратно натоварване (например огъване и разгъване по радиус на матрица). За постигане на надеждни резултати са необходими напреднали модели на материали и прецизни данни от физически изпитвания.

Въпреки тези предизвикателства ползите от използването на симулации са неоспорими, когато те се прилагат правилно. Те осигуряват мощна рамка за оптимизиране на конструкцията на матриците и намаляване на производствените рискове.

Предимства на симулациите

• Намалява броя на скъпите и отнемащи време физически проби на матрици.
• Намалява общите разходи, като минимизира нивата на скрап и ръчните корекции на матрици.
• Ускорява цикъла на развитие на продукта и въвеждането му на пазара.
• Позволява тестване и валидиране на сложни геометрии и нови материали във виртуална среда.

Недостатъци на симулацията

• Точността на прогнозиране силно зависи от прецизните входни данни за материала.
• Може да изисква значителни изчислителни ресурси, необходима е голяма изчислителна мощност и време.
• Може да изисква специализирани познания за правилното тълкуване на резултатите и прилагане на напреднали модели на материали.
• Неточното моделиране може да доведе до неправилна компенсация, което изисква скъпи преработки на матрици.