Risoluzione del rimbalzo nello stampaggio automotive: 3 metodi ingegneristici collaudati

TL;DR

La risoluzione del rimbalzo nella stampa automobilistica richiede un approccio ingegneristico multilivello che vada oltre la semplice sovrapiegatura. Le strategie più efficaci combinano compensazione geometrica (come piegatura rotativa e rinforzi), equalizzazione delle tensioni (utilizzando anelli di precarico per raggiungere una deformazione a trazione obiettivo del 2%), e simulazione FEA a ciclo completo per prevedere il recupero elastico prima che l'acciaio venga tagliato. Per gli acciai avanzati ad alta resistenza (AHSS), è fondamentale gestire la distribuzione non uniforme delle tensioni attraverso lo spessore della lamiera, poiché resistenze a snervamento più elevate aumentano esponenzialmente la possibilità di curvatura dei bordi laterali e variazioni angolari.

La fisica del rimbalzo: recupero elastico e gradienti di tensione

Per risolvere efficacemente il fenomeno del rimbalzo, gli ingegneri devono prima quantificare il meccanismo che lo determina. Il rimbalzo è definito come il recupero elastico delle tensioni non uniformemente distribuite all'interno di un pezzo stampato, dopo la rimozione del carico di formatura. Durante la piegatura, la lamiera subisce una sollecitazione a trazione sul raggio esterno e una sollecitazione a compressione sul raggio interno. Quando gli utensili vengono rilasciati, queste forze opposte tendono a ripristinare l'equilibrio, causando una deformazione del pezzo.

Questo fenomeno è regolato dal Modulo di Young (modulo elastico) e Resistenza alla Rottura . All'aumentare della resistenza allo snervamento—una caratteristica comune negli acciai AHSS come DP980 o acciai TRIP—l'entità del recupero elastico aumenta in modo significativo. Inoltre, l' Effetto Bauschinger e il degrado del modulo elastico durante la deformazione plastica significano che i modelli standard di simulazione lineare spesso non riescono a prevedere l'esatto entità del ritorno. La sfida ingegneristica principale non è eliminare l'elasticità, ma manipolare il gradiente di tensione in modo che il recupero sia prevedibile o neutralizzato.

Metodo 1: Compensazione basata sul processo (Post-Stretch e Stake Beads)

Uno dei metodi più robusti per neutralizzare l'arricciamento del fianco—in particolare nei componenti a forma di canale—è modificare la distribuzione della deformazione elastica attraverso post-allungamento l'obiettivo è alterare lo stato di sollecitazione del fianco da un gradiente misto di trazione-compressione a uno stato uniforme di trazione lungo l'intero spessore.

Implementazione degli Stake Beads

Le linee guida del settore, incluse quelle di WorldAutoSteel, raccomandano di applicare una forza di trazione nel piano per generare una deformazione minima di 2% di deformazione a trazione nel fianco. Ciò si ottiene spesso mediante l'utilizzo di stake beads (o perline di bloccaggio) posizionate nella piastra di serraggio o sulla punzonatura. Impegnando queste perline in una fase avanzata della corsa del torchio, il processo blocca la lamiera e forza la parete laterale a stirarsi. Questo spostamento sposta l'asse neutro al di fuori della lamiera, equalizzando efficacemente la differenza di tensione ($Δσ$) che provoca l'effetto curling.

Sebbene efficaci, le perline di bloccaggio richiedono una notevole forza tonnellaggio e una costruzione robusta delle matrici. Un'alternativa più efficiente in termini di materiale è la perla ibrida (o perla a puntaspilli). Le perle ibride penetrano nella lamiera creando una forma ondulata che ne limita il flusso, richiedendo meno del 25% della superficie delle tradizionali perline di bloccaggio e consentendo l'uso di semilavorati più piccoli.

Controllo attivo della forza di serraggio

Per presse dotate di sistemi cuscinetto avanzati, controllo attivo della forza di serraggio offre una soluzione dinamica. Invece di una pressione costante, la forza del premifoglio può essere modulata in modo da aumentare specificamente alla fine della corsa. Questo picco di pressione nella fase finale garantisce la tensione necessaria della parete per ridurre il ritorno elastico senza causare fenditure o assottigliamenti eccessivi nella fase iniziale.

Metodo 2: Soluzioni Geometriche e di Utensileria (Curvatura in Eccesso e Curvatura Rotativa)

Quando i soli parametri di processo non riescono a compensare il recupero elastico ad alta resistenza, sono necessarie modifiche fisiche all'utensile e alla progettazione del pezzo. Piegatura oltre l'angolo target è la tecnica più comune, in cui la matrice è progettata per curvare il pezzo oltre l'angolo desiderato (ad esempio, fino a 92° per una curvatura a 90°), consentendo al pezzo di ritornare elasticamente alla dimensione corretta.

Curvatura Rotativa vs. Matrici con Punzone a Leva

Per particolari AHSS ad alta precisione, flessione Rotante è spesso superiore ai tradizionali punzoni per piegatura con strisciamento a flangia. Le piegatrici rotative utilizzano un rocker per ripiegare il metallo, eliminando l'elevata frizione e il carico di trazione associato alla scarpa di strisciamento. Questo metodo consente un più facile aggiustamento dell'angolo di piega (spesso semplicemente inserendo spessori sul rocker) per regolare la compensazione durante la messa a punto.

Se sono richiesti punzoni per piegatura con strisciamento a flangia, gli ingegneri dovrebbero adottare sovrapposizione di tensione compressiva . Ciò consiste nel progettare un raggio della matrice leggermente inferiore al raggio del pezzo e nell'utilizzare una svasatura posteriore sulla punzonatura. Questa configurazione comprime il materiale nel raggio, inducendo una deformazione plastica (cedimento in compressione) che riduce il recupero elastico. Si noti che questo metodo richiede un controllo preciso per evitare crepe negli acciai di grado superiore.

Progettare irrigidimenti

La geometria stessa può fungere da stabilizzatore. Aggiungendo irrigidimenti , come flange a gradino, pieghe o rinforzi lungo la linea di piegatura, possono "bloccare" le deformazioni elastiche e aumentare significativamente il modulo di resistenza. Ad esempio, sostituire una sezione a cappello standard da 90 gradi con una sezione esagonale può ridurre intrinsecamente l'effetto di curl dei fianchi distribuendo in modo più favorevole le sollecitazioni flessionali.

Metodo 3: Simulazione e FEA a Ciclo Completo

La gestione moderna del rimbalzo si basa fortemente su Analisi agli elementi finiti (FEA) . Tuttavia, un errore comune è simulare soltanto l'operazione di imbutitura. Per una previsione accurata è necessaria una Simulazione a Ciclo Completo che includa imbutitura, taglio, foratura e flangiatura.

Le ricerche di AutoForm evidenziano che le operazioni secondarie influenzano notevolmente il rimbalzo finale. Ad esempio, le forze di serraggio e di taglio durante il taglio possono indurre nuove deformazioni plastiche o rilasciare tensioni residue che alterano la forma del pezzo. Per ottenere affidabilità nella simulazione, gli ingegneri devono:

• Utilizzare carte avanzate del materiale che considerino l'incrudimento cinematico (modello Yoshida-Uemori).
• Simulare la sequenza di chiusura dell'utensile e di rilascio del legante.
• Includere gli effetti di gravità (come la parte si trova sul dispositivo di controllo).

Simulando la superficie compensata prima di lavorare il matrice, i produttori possono ridurre il numero di cicli di ricarica fisici da 5-7 a 2-3.

Collegamento tra simulazione e produzione

Mentre la simulazione fornisce la roadmap, la convalida fisica rimane l'ostacolo finale. Il passaggio da un modello digitale a uno stampaggio fisico, soprattutto quando si passa da un prototipo a una produzione di massa, richiede un partner di produzione in grado di eseguire queste complesse strategie di compensazione. Aziende come Shaoyi Metal Technology la Commissione ha deciso di avviare un'azione di cooperazione con la Comunità. Con la certificazione IATF 16949 e capacità di stampa fino a 600 tonnellate, possono convalidare i progetti di attrezzature per componenti critici come bracci di controllo e sottofabbriche, garantendo che la compensazione teorica sia allineata alla realtà in officina.

Confronto delle strategie di compensazione

La scelta del metodo giusto dipende dalla geometria della parte, dal grado del materiale e dal volume di produzione. La tabella seguente raffronta i principali approcci.

Conclusione

Risolvere il problema del springback non significa eliminare le leggi della fisica, ma padroneggiarle. Combinando la sovrapposizione geometrica con il processo di post-allungamento e verificando i risultati attraverso una rigorosa simulazione a ciclo intero, gli ingegneri automobilistici possono ottenere tolleranze strette anche con gradi AHSS imprevedibili. La chiave è affrontare la parità di tensione in fase iniziale di progettazione piuttosto che basarsi esclusivamente su correzioni di prova.

Domande Frequenti

1. il numero di Perché il springback è più severo nell'acciaio ad alta resistenza avanzata (AHSS) rispetto all'acciaio mite?

Il ritorno di primavera e' direttamente proporzionale alla resistenza al rendimento del materiale. I gradi AHSS hanno resistenza di resa significativamente più elevata (spesso da 590 MPa a oltre 1000 MPa) rispetto all'acciaio mite. Ciò significa che possono immagazzinare più energia elastica durante la deformazione, con conseguente maggiore recupero (ripresa) quando il carico dell'utensile viene rilasciato. Inoltre, l'AHSS mostra spesso un maggiore indurimento del lavoro, complicando ulteriormente la distribuzione dello stress.

2. La sua vita. Qual è la differenza tra cambiamento angolare e curl laterale?

Variazione angolare si riferisce alla deviazione dell'angolo di curva (ad esempio, una curva di 90° che si apre fino a 95°) causata da un semplice recupero elastico al raggio di curva. Curvatura del fianco è una curvatura della parete laterale piatta stessa, causata da una differenza di sollecitazione residua tra gli strati dello spessore della lamiera. Mentre il cambiamento angolare può spesso essere fissato con la sovrintesa, il curl laterale richiede in genere soluzioni basate sulla tensione come il post-stretching (perline di palo) per risolvere.

3. La sua vita. Aumentare la forza di legame può eliminare il springback?

Il semplice aumento della forza di legame è raramente sufficiente per eliminare il ritorno di forza nei materiali ad alta resistenza e può portare a spaccatura o all'eccessivo assottigliamento. Tuttavia, controllo attivo della forza di serraggio quando la pressione è aumentata specificamente alla fine della corsapuò applicare efficacemente la tensione necessaria della parete laterale (post-stretch) per ridurre il rimbalzo senza compromettere la formabilità durante il tiro iniziale.