Řešení pružného návratu při tváření automobilových dílů: 3 ověřené inženýrské metody

SHRNUTÍ

Řešení pružného návratu při automobilovém stříhání vyžaduje vícevrstvý inženýrský přístup, který jde dál než jednoduché přehýbání. Nejúčinnější strategie kombinují geometrická kompenzace (například rotační ohyb a zpevňovací lišty), vyrovnání napětí (použití tažných žebrování po protažení k dosažení cílové tahové deformace 2 %) a simulaci celého cyklu metodou konečných prvků (FEA) k předpovědi pružného návratu ještě před tím, než je ocel nařezána. U pokročilých ocelí s vysokou pevností (AHSS) je klíčové řízení nerovnoměrného rozložení napětí v tloušťce plechu, protože vyšší meze kluzu exponenciálně zvyšují riziko zkroucení boční stěny a změny úhlu.

Fyzika pružného návratu: pružná obnova a gradienty napětí

Pro efektivní řešení pružného návratu musí inženýři nejprve kvantifikovat mechanismus, který ho způsobuje. Pružný návrat je definován jako elastická relaxace nerovnoměrně rozložených napětí v lisované součásti poté, co je odstraněna deformační zátěž. Během ohybu materiál plechu zažívá tahové napětí na vnějším poloměru a tlakové napětí na vnitřním poloměru. Když jsou nástroje uvolněny, tyto opačné síly se snaží vrátit do rovnováhy, čímž způsobují deformaci součásti.

Tento jev je řízen materiálem Youngův modul pružnosti (modul pružnosti) a Mezní pevnost . Jak roste mez kluzu – což je běžné u vysoce pevnostních ocelí typu AHSS, jako je DP980 nebo TRIP oceli – množství elastické relaxace výrazně stoupá. Dále Bauschingerův efekt a degradace modulu pružnosti během plastické deformace znamenají, že standardní lineární simulační modely často nedokážou přesně předpovědět velikost návratu. Hlavní inženýrskou výzvou není eliminovat pružnost, ale ovlivnit gradient napětí tak, aby byl návrat předvídatelný nebo neutralizovaný.

Metoda 1: Kompenzace založená na procesu (po protažení a držáky)

Jednou z nejúčinnějších metod neutralizace ohýbání boční stěny – zejména u dílů ve tvaru kanálu – je změna distribuce elastické deformace prostřednictvím natahování po tváření cílem je změnit stav napětí boční stěny z kombinovaného tahového-tlakového gradientu na rovnoměrný tahový stav napříč celou tloušťkou.

Implementace držáků

Odborné směrnice, včetně těch od WorldAutoSteel, doporučují použít vnitroosovou tahovou sílu pro vytvoření minimální 2% tahové deformace v boční stěně. Toho se často dosahuje pomocí držáků (nebo zámkové kuličky) umístěné v podpažbí nebo na razníku. Tím, že se tyto kuličky zapojují pozdě v pracovním tahu lisu, proces uzamkne kov a vynutí prodloužení boční stěny. Tento posun přesune neutrální osu mimo plech, čímž efektivně vyrovná rozdíl napětí ($Δσ$), který způsobuje smáčknutí.

I když jsou zámkové kuličky účinné, vyžadují významnou uzavírací sílu a robustní konstrukci nástroje. Materiálově účinnější alternativou je hybridní kulička (nebo ostnatá kulička). Hybridní kuličky pronikají do plechu a vytvářejí vlnovitý tvar, který omezuje tok materiálu, vyžadují méně než 25 % plochy konvenčních zámkových kuliček a umožňují menší rozměry polotovaru.

Aktivní řízení síly podpažbí

U lisů vybavených pokročilými tlumicími systémy, aktivní řízení síly podpažbí nabízí dynamické řešení. Místo konstantního tlaku lze profilovat přítlak tak, aby konkrétně na konci zdvihu narostl. Tento pozdní nárůst tlaku zajistí potřebné napětí ve stěně, čímž se sníží pružení bez rizika trhlin nebo nadměrného ztenčení v rané fázi.

Metoda 2: Geometrická a nástrojová řešení (přehýbání a rotační ohýbání)

Když samotné procesní parametry nestačí k vyrovnání vysoké elastické deformace, jsou nutné fyzické úpravy nástroje a návrhu dílu. Přeohýbání je nejběžnější technikou, při které je lisovací forma navržena tak, že díl ohne dále než do cílového úhlu (např. na 92° pro ohyb 90°), aby po pružení dosáhl správných rozměrů.

Rotační ohýbání vs. tvářecí nástroje s ohybovým límcem

Pro přesné díly z AHSS rotační ohýbání je často lepší než konvenční nástroje s odsunovacím klínem. Rotační ohýbací nástroje používají kývavý rameno k ohnutí kovu, čímž eliminují vysoké tření a tahové namáhání spojené s odsunovacím klínem. Tato metoda umožňuje snadnější úpravu úhlu ohybu (často jednoduše pomocí vložek do rotačního ramene), aby bylo možné přesně nastavit kompenzaci během zkoušky.

Pokud jsou vyžadovány nástroje s odsunovacím klínem, měli by inženýři použít superpozici tlakového napětí . Spočívá v navržení poloměru nástroje o něco menšího než je poloměr dílu a využití zpětného uvolnění na razníku. Tato konfigurace materiál v místě poloměru stlačí, čímž vyvolá plastickou deformaci (tlakové přetvoření), která potlačí pružnou zpětnou deformaci. Je třeba poznamenat, že tato metoda vyžaduje přesnou kontrolu, aby nedošlo k praskání u vyšších tříd oceli.

Navrhněte zpevnění

Geometrie sama o sobě může působit jako stabilizátor. Přidáním zpevnění například stupňovité příruby, výběhy nebo žebra napříč ohybovou čarou, mohou „uvnitř“ pružné přetvoření a výrazně zvýšit průřezový modul. Například nahrazení standardního 90stupňového profilu tvaru stříšku šestiúhelníkovým průřezem může přirozeně snížit zkroucení stěny tím, že rovnoměrněji rozděluje ohybové napětí.

Metoda 3: Simulace a kompletní cyklová FEA

Moderní řízení pružnosti se silně opírá o Analyzy konečných prvků (FEA) . Běžnou chybou je však simulace pouze tahové operace. Přesná predikace vyžaduje Kompletní cyklovou simulaci která zahrnuje tažení, stříhání, razení a ohýbání přírub.

Výzkum společnosti AutoForm ukazuje, že sekundární operace výrazně ovlivňují konečnou pružnost. Například upínací a řezné síly během stříhání mohou vyvolat nová plastická přetvoření nebo uvolnit zbytková napětí, která mění tvar dílu. Pro dosažení spolehlivosti simulace musí inženýři:

• Používat pokročilé materiálové karty, které zohledňují kinematické zpevnění (model Yoshida-Uemori).
• Simulujte skutečné sekvence uzavření nástroje a uvolnění upínacích prvků.
• Zahrňte vliv gravitace (způsob, jakým díl spočívá na kontrolním přípravku).

Simulací kompenzované plochy před obráběním formy mohou výrobci snížit počet fyzických dodatečných opracování z 5–7 na 2–3.

Propojení simulace a výroby

Zatímco simulace poskytuje plán postupu, fyzická validace zůstává konečnou překážkou. Přechod od digitálního modelu k fyzickému lisování – zejména při přechodu od prototypu k sériové výrobě – vyžaduje výrobního partnera schopného realizovat tyto složité strategie kompenzace. Společnosti jako Shaoyi Metal Technology se specializují na překlenutí této mezery. Díky certifikaci IATF 16949 a lisovacím kapacitám až do 600 tun mohou ověřit návrhy nástrojů pro kritické komponenty, jako jsou řídicí ramena a rámové díly, a zajistit tak soulad teoretické kompenzace s realitou na výrobní lince.

Porovnání strategií kompenzace

Výběr správné metody závisí na geometrii dílu, třídě materiálu a objemu výroby. Níže uvedená tabulka porovnává hlavní přístupy.

Závěr

Řešení pružného návratu nespočívá v eliminaci fyzikálních zákonů, ale v jejich ovládání. Kombinací geometrického přehnutí, procesně řízeného následného protažení a ověřováním výsledků pomocí důkladné simulace celého cyklu mohou automobiloví inženýři dosáhnout úzkých tolerancí i u nepředvídatelných tříd AHSS. Klíčové je řešit vyrovnání napětí již v rané fázi návrhu, nikoli se spoléhat pouze na opravy během ladění.

Často kladené otázky

1. Proč je pružný návrat vysokopevnostních ocelí (AHSS) výraznější než u měkké oceli?

Zpětné pružení je přímo úměrné mezi kluzu materiálu. Oceli AHSS mají výrazně vyšší meze kluzu (často 590 MPa až nad 1000 MPa) ve srovnání s měkkou ocelí. To znamená, že během deformace dokážou akumulovat více elastické energie, což má za následek větší míru obnovy tvaru (zpětného pružení) po uvolnění nástroje. Kromě toho AHSS často vykazují vyšší tvrdnutí při deformaci, což dále komplikuje rozložení napětí.

2. Jaký je rozdíl mezi změnou úhlu a prohnutím boční stěny?

Úhlová změna označuje odchylku ohybového úhlu (např. otevření se 90° ohybu na 95°) způsobenou jednoduchým elastickým pružením v oblouku ohybu. Zakřivení boční stěny je zakřivení samotné rovinné boční stěny, způsobené rozdílem zbytkového napětí mezi vrstvami tloušťky plechu. Zatímco změnu úhlu lze často napravit překlopením (nadobením), prohnutí boční stěny obvykle vyžaduje řešení založená na tahu, jako je protažení po ohýbání (kolíkové drážky).

3. Věříme, že Může zvýšit sílu spojiva eliminovat springback?

Pouhé zvýšení síly vazby celosvětově je zřídka dostatečné k odstranění vzpadu v vysoce pevných materiálech a může vést k rozštěpení nebo nadměrnému ztenčení. Nicméně, aktivní řízení síly podpažbí kde je tlak zvýšen konkrétně na konci taženímůže účinně aplikovat potřebné napětí bočních stěn (post-stretch) ke snížení vzestupu, aniž by byla ohrožena tvarovatelnost během počátečního tažení.