Решаване на ефекта на възвратно огъване при автоштамповане: 3 доказани инженерни метода

Накратко

Решаването на проблема с връщането след извитие в автомобилното клапиране изисква многослойния инженерен подход, който надхвърля простото прекомерно огъване. Най-ефективните стратегии комбинират геометрична компенсация (като ротационно огъване и усилватели), уравновесяване на напреженията (чрез използване на след-охлаждане със stake beads, за постигане на целево 2% опънна деформация), и симулация с пълен цикъл чрез FEA за прогнозиране на еластичното възстановяване преди рязане на стоманата. За напреднали високопрочни стомани (AHSS), управлението на нееднородното разпределение на напрежения в дебелината на листа е от решаващо значение, тъй като по-високите стойности на границата на провлачване експонциално увеличават потенциала за огъване на страничните стени и промяна на ъгъла.

Физиката на връщането след извитие: Еластично възстановяване и градиенти на напрежение

За ефективно разрешаване на еластичното възвръщане, инженерите първо трябва да количествено определят механизма, който го причинява. Еластичното възвръщане се дефинира като еластично възстановяване на нееднородно разпределени напрежения в изработена чрез штамповане детайл, след премахване на формовъчното натоварване. По време на огъването листовият метал изпитва опънни напрежения във външния радиус и компресионни напрежения във вътрешния радиус. Когато инструментът бъде освободен, тези противоположни сили се стремят да се върнат в равновесие, което причинява деформация на детайла.

Това явление се управлява от материала Модул на Юнг (еластичен модул) и Якост на текучество . Когато границата на пластичност нараства — което е характерно за AHSS класове като DP980 или TRIP стомани — степента на еластично възстановяване значително се увеличава. Освен това, Ефектът на Баушингер и деградацията на еластичния модул по време на пластична деформация означават, че стандартните линейни симулационни модели често не успяват да предвидят точната величина на връщането. Основният инженерен проблем не е да се елиминира еластичността, а да се манипулира градиентът на напрежението, така че възстановяването да бъде предвидимо или неутрализирано.

Метод 1: Компенсация, базирана на процеса (след разтягане и закрепващи ребра)

Един от най-надеждните методи за неутрализиране на навиването по страничните стени — особено при детайли с формата на канал — е промяната на разпределението на еластичната деформация чрез пост-изтегляне . Целта е да се промени състоянието на напрежение на страничната стена от смесен опънно-компресионен градиент към еднородно опънно състояние през цялата дебелина.

Прилагане на закрепващи ребра

Препоръките на индустрията, включително тези на WorldAutoSteel, препоръчват прилагането на вътрешноплосък опънен усилие, за да се генерира минимум 2% опънна деформация в страничната стена. Това често се постига чрез закрепващи ребра (или фиксиращи гребени), разположени в държача на заготовката или на пуансона. Като задействат тези гребени късно в хода на пресата, процесът фиксира метала и принуждава страничната стена да се разтегне. Този преход измества нейтралната ос извън листовия метал, ефективно изравнявайки напрежението ($Δσ$), което причинява навиване.

Въпреки че са ефективни, фиксиращите гребени изискват значителна сила и здрава конструкция на матрицата. По-икономична алтернатива по отношение на материала е хитриджен гребен (или гребен-змия). Хибридните гребени проникват в листовия метал, за да създадат вълнова форма, която ограничава теча, като изискват по-малко от 25% от повърхността на обикновените фиксиращи гребени и позволяват по-малки размери на заготовките.

Активен контрол на силата на държача

За преси, оборудвани с напреднали системи за амортисьори, активен контрол на силата на държача предлага динамично решение. Вместо постоянен натиск, силата на закрепване може да се регулира така, че да нараства специално в края на хода. Този късен връх на налягането осигурява необходимото напрежение в стената, за да се намали ефектът от връщане, без да причинява разделяне или прекомерно изтъняване в ранния етап.

Метод 2: Геометрични и инструментални решения (прегъване над целевия ъгъл и ротационно прегъване)

Когато параметрите на процеса сами по себе си не могат да компенсират високата еластична възстановяваемост, са необходими физически промени в конструкцията на инструмента и детайла. Преогъване е най-често срещаната техника, при която матрицата е проектирана да огъва детайла над целевия ъгъл (например до 92° за огъване от 90°), като му позволява да се върне до правилните размери.

Ротационно прегъване срещу матрици за завиване на фланец

За прецизни детайли от AHSS, ротационно гъване често е по-добър от конвенционалните матрици за огъване с гумка. Ротационните огъвачи използват рокер, за да огънат метала, което премахва високото триене и опънното натоварване, свързано с гумката. Този метод позволява по-лесна настройка на ъгъла на огъване (често чрез просто добавяне на шайби към рокера), за да се настрои компенсацията по време на пробното огъване.

Ако са необходими матрици за огъване с фланец, инженерите трябва да приложат суперпозиция на компресионни напрежения . Това включва проектиране на радиуса на матрицата да бъде малко по-малък от радиуса на детайла и използване на обратно разтоварване на пуансона. Тази конфигурация стиска материала в радиуса, предизвиквайки пластична деформация (компресионно течение), която потушава еластичното възстановяване. Забележете, че този метод изисква прецизен контрол, за да се избегне пукане при стомани с по-висока якост.

Проектиране на ребра за засилване

Геометрията сама по себе си може да действа като стабилизатор. Добавянето на ребра за засилване , като стъпални фланци, гофри или ребра по линията на огъване, могат да „фиксират“ еластичните деформации и значително да увеличат съпротивителния момент. Например, замяната на стандартно 90-градусово напречно сечение във форма на шапка с шестоъгълно напречно сечение по принцип може да намали навиването на страничните стени, като разпределя огъващите напрежения по-благоприятно.

Метод 3: Симулация и пълен цикъл FEA

Съвременното управление на отскока при огъване разчита в голяма степен на Анализ чрез крайни елементи (FEA) . Въпреки това, честа грешка е симулирането само на операцията за изтегляне. За точна прогноза е необходима Симулация на пълен цикъл , която включва изтегляне, рязане, пробиване и фланширане.

Проучвания на AutoForm подчертават, че вторичните операции оказват значително влияние върху крайния отскок при огъване. Например, затегващите и режещи сили по време на рязане могат да предизвикат нови пластични деформации или да освободят остатъчни напрежения, които променят формата на детайла. За постигане на надеждност на симулацията инженерите трябва да:

• Използват напреднали карти на материали, които отчитат кинематичното усилване (модел на Йошида-Уемори).
• Симулирайте реалните последователности за затваряне на инструмента и освобождаване на скобите.
• Включете ефектите от гравитацията (начина, по който детайлът лежи в проверяващото устройство).

Като симулират компенсираната повърхност преди обработката на матрицата, производителите могат да намалят броя на физическите повторни обработки от 5-7 до 2-3.

Свързване на симулацията и производството

Докато симулацията осигурява насоката, физическата валидация остава окончателното предизвикателство. Преходът от цифров модел към физическо штамповане — особено при мащабиране от прототип до масово производство — изисква производствен партньор, способен да реализира тези сложни стратегии за компенсация. Компании като Shaoyi Metal Technology се специализират в преодоляването на този разрив. Със сертифициране по IATF 16949 и пресова мощност до 600 тона, те могат да валидират конструкции на инструменти за критични компоненти като управляеми рамени и подрамки, осигурявайки съвпадение между теоретичната компенсация и реалността на производствената площадка.

Сравнение на стратегиите за компенсация

Изборът на правилния метод зависи от геометрията на частта, класа на материала и обема на производството. Таблицата по-долу сравнява основните подходи.

Заключение

Решаването на пружинния ефект не е в елиминирането на законите на физиката, а в овладяването им. Като комбинират геометрично преогъване с процесно задействано последващо разтегляне и проверка на резултатите чрез стриктно моделиране на целия цикъл, инженерите в автомобилната индустрия могат да постигнат тесни допуски дори при непредвидими класове AHSS. Ключът е да се осигури уравновесяване на напреженията още в началната фаза на проектирането, вместо да се разчита само на корекции по време на пробите.

ЧЗВ

1. Защо пружинният ефект е по-сериозен при високопрочни стомани (AHSS) в сравнение с меката стомана?

Спрингбекът е пропорционален на силата на материала. АХСС има значително по-висока издръжливост (често от 590 MPa до над 1000 MPa) в сравнение с меката стомана. Това означава, че те могат да съхраняват повече еластична енергия по време на деформация, което води до по-голяма степен на възстановяване (обратна промяна), когато се освободи товарът на инструмента. Освен това AHSS често показва по-голямо изтвърдяване на работата, което допълнително усложнява разпределението на стреса.

2. Да се съобразяваме. Каква е разликата между ъгловия промяна и страничната стена?

Ъглова промяна се отнася до отклонението на ъгъла на огъване (например 90° огъване, отварящо се до 95°), причинено от простото еластично възстановяване на радиуса на огъване. Изкривяване на страничната стена е кривината на самата плоска странична стена, причинена от разликата в остатъчното напрежение между слоевете от дебелина на листовия метал. Докато ъглите често могат да бъдат фиксирани с преоблекване, за да се разреши, къдрицата на страничната стена обикновено изисква решения, базирани на напрежение, като пост-разтягане (стопчета).

3. Да се съобразяваме. Може ли увеличаването на силата на връзката да елиминира пролетния връх?

Простото увеличаване на силата на свързващия елемент в световен мащаб рядко е достатъчно, за да се елиминира обратната сила в високопрочных материали и може да доведе до разцепване или прекомерно разреждане. Въпреки това, активен контрол на силата на държача когато налягането се увеличава специално в края на ходаможе ефективно да приложи необходимото напрежение на страничната стена (пост-растяване), за да намали пролетното възстановяване, без да се компрометира формалността по време на първоначалното изтегляне.