Краткое содержание

Пружинение — это упругое восстановление листового металла после формовки, которое может вызывать неточности размеров готовых деталей. Для его предотвращения требуется комплексный подход. Ключевые стратегии включают механические методы компенсации, такие как перегиб (изгиб за пределы целевого угла), калибровка (приложение высокого давления к изгибу) и последующее растяжение, при котором используются элементы, например, протяжки, для создания натяжения и стабилизации детали. Передовые методы включают оптимизацию оснастки, использование метода конечных элементов (МКЭ) при проектировании штампов и тщательный выбор материалов для снижения естественной склонности материала возвращаться в исходную форму.

Понимание коренных причин пружинения

При штамповке листового металла пружинение — это геометрическое изменение детали, происходящее после снятия формовочного давления. Это явление обусловлено фундаментальными свойствами металла. Когда лист гнётся, он подвергается как постоянной (пластической), так и временной (упругой) деформации. Наружная поверхность растягивается под действием растягивающих напряжений, в то время как внутренняя поверхность сжимается. После удаления инструмента запасённая упругая энергия высвобождается, заставляя материал частично вернуться к своей первоначальной форме. Это отскакивание и называется пружинением, и оно может привести к значительным отклонениям от проектных характеристик.

Несколько ключевых факторов напрямую влияют на степень пружинения. Прежде всего, это свойства материала: металлы с высоким соотношением предела текучести к модулю Юнга, такие как высокопрочные сталей повышенной прочности (AHSS), накапливают больше упругой энергии и, следовательно, проявляют более выраженные эффекты пружинения. Как отмечено в техническом руководстве компании ETA, Inc. , по этой причине современные материалы для облегчения конструкций создают дополнительные трудности при производстве. Толщина материала также имеет значение, поскольку более толстые листы, как правило, демонстрируют меньшую пружинистость из-за большего объема материала, подвергающегося пластической деформации.

Геометрия детали является еще одним важным фактором. Компоненты с большими радиусами изгиба, сложными кривыми или острыми углами более склонны к пружинению. Наконец, параметры процесса — включая давление штамповки, характеристики матрицы и смазку — все влияют на конечную форму. Плохо спроектированная матрица или недостаточное давление могут не обеспечить полную укладку материала, что приведет к чрезмерному упругому восстановлению. Понимание этих первопричин — это первый шаг к внедрению эффективных стратегий предотвращения и компенсации.

Основные методы компенсации: перегиб, калибровка и постнатяжка

Для компенсации пружинения инженеры используют несколько хорошо зарекомендовавших себя механических методов. Эти методы работают за счёт компенсации ожидаемого изменения размеров или изменения напряжённого состояния в материале, чтобы свести к минимуму упругое восстановление. Каждый метод имеет конкретные области применения и определённые компромиссы.

Перегиб является наиболее интуитивно понятным подходом. Он заключается в преднамеренном формовании детали под более острым углом, чем требуется, с учётом того, что она вернётся к нужному конечному размеру после пружинения. Хотя по замыслу этот метод прост, для его точной настройки часто требуются многочисленные эксперименты. Ковка , также известный как выдавливание или калибровка, предполагает приложение очень высокой сжимающей силы в зоне изгиба. Такое интенсивное давление вызывает пластическую деформацию структуры зёрен материала, фиксируя изгиб и резко снижая упругие напряжения, вызывающие пружинение. Однако выдавливание может привести к утонению материала и требует более высокой мощности пресса.

Пост-натяжение является высокоэффективным методом контроля угловых изменений и деформации боковых стенок, особенно в сложных деталях из AHSS. Как указано в Руководствам по AHSS , этот метод применяет встроенное растягивающее усилие к детали после основной операции формовки. Это часто достигается с помощью элементов, называемых стяжными бусинами в штампе, которые фиксируют фланец и растягивают боковую стенку детали как минимум на 2%. Данное действие изменяет распределение напряжений с сочетания растягивающих и сжимающих сил на почти исключительно растягивающие, что значительно снижает механические силы, вызывающие пружинение. Результатом является деталь с более высокой размерной стабильностью.

Сравнение основных методов компенсации пружинения

Передовые стратегии: проектирование оснастки и оптимизация процесса

Помимо прямых методов компенсации, проактивная профилактика с помощью интеллектуальной оснастки и рационального проектирования процесса имеет решающее значение для управления пружинением, особенно при работе со сложными материалами, такими как AHSS. Конструкция самой матрицы является мощным инструментом. Такие параметры, как зазор матрицы, радиус пуансона и использование протяжных буртиков, необходимо тщательно оптимизировать. Например, более узкие зазоры матрицы могут ограничивать нежелательное изгибание и распрямление, что помогает свести к минимуму пружинение. Однако чрезмерно острые радиусы пуансона могут увеличить риск сдвиговых разрушений в высокопрочных материалах.

Современное производство всё чаще полагается на моделирование для заблаговременного решения проблем пружинения. Компенсация проектирования штампов, основанная на методе конечных элементов (МКЭ), представляет собой сложный подход, при котором моделируется весь процесс штамповки для точного прогнозирования пружинения готовой детали. Эти данные затем используются для изменения геометрии штампа, создания компенсированной рабочей поверхности инструмента. Штамп намеренно формирует «неправильную» форму, которая возвращается в точную, требуемую геометрию за счёт пружинения. Такой основанный на моделировании подход резко сокращает дорогостоящую и трудоёмкую фазу физической отладки. Ведущие производители специализированной оснастки, такие как Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. , используют передовые CAE-симуляции для поставки высокоточных автомобильных штампов, которые с самого начала учитывают такие сложные свойства материалов.

Еще одной передовой стратегией является оптимизация процесса. Горячая штамповка, или прессовое закаление, представляет собой преобразующий процесс, который по своей природе устраняет пружинение. В этом методе заготовка из стали нагревается до температуры свыше 900 °C, формуется и затем быстро закаливается внутри матрицы. Данный процесс формирует полностью закалённую мартенситную микроструктуру, в результате чего получается деталь сверхвысокой прочности практически без пружинения. Несмотря на высокую эффективность, горячая штамповка требует специализированного оборудования и имеет более длительное время цикла по сравнению с холодной штамповкой. Другие корректировки процесса, такие как активное регулирование усилия прижима, позволяют изменять давление в ходе хода пресса, создавая эффект последующего растяжения для стабилизации детали без необходимости использования физических вытяжных бобышек.

Роль конструирования изделий и выбора материалов

Борьба с пружинением начинается задолго до изготовления штампа — она начинается с проектирования изделия и выбора материала. Геометрия самой детали может быть спроектирована таким образом, чтобы противостоять снятию упругих напряжений. Как поясняет EMD Stamping, избегание резких изменений формы может уменьшить склонность к отдаче. Кроме того, включение усиливающих элементов, таких как вытачки, вертикальные буртики или ступенчатые фланцы, может механически фиксировать упругие деформации в детали, предотвращая ее искажение после формовки. Эти элементы придают жесткость и помогают сохранить требуемую форму.

Например, добавление вертикальных ребер на боковые стенки детали в форме канала U-образного сечения может значительно уменьшить как угловые деформации, так и закручивание за счет усиления конструкции. В руководствах по AHSS приведены примеры таких решений для автомобильных компонентов, таких как стойки B и усиливающие элементы передних лонжеронов. Однако конструкторы должны учитывать существующие компромиссы. Хотя такие элементы фиксируют упругие деформации, они также создают остаточные напряжения внутри детали. Эти напряжения могут высвободиться в ходе последующих операций, таких как обрезка или сварка, что потенциально вызовет новые искажения. Поэтому крайне важно моделировать весь производственный процесс, чтобы прогнозировать подобные последствия на последующих этапах.

Выбор материала является первоначальным этапом. Использование материала с меньшей упругостью или повышенной формовываемостью изначально позволяет снизить проблемы, связанные с пружинением. Хотя стремление к облегчению конструкции зачастую требует применения высокопрочных сталей, понимание свойств различных марок имеет важное значение. Сотрудничество с поставщиками материалов и использование данных о формовываемости помогают инженерам выбрать материал, который обеспечивает баланс между требованиями к прочности и возможностями производства, создавая основу для более предсказуемого и управляемого процесса штамповки.

Часто задаваемые вопросы

1. Как избежать эффекта пружинения при гибке листового металла?

Чтобы избежать эффекта пружинения, можно использовать несколько методов. Подвергая радиус изгиба высокому сжимающему напряжению посредством выдавливания или гибки на матрице, пластически деформируют материал для минимизации упругого восстановления. Другие методы включают чрезмерный изгиб, применение растягивающего усилия после формовки (послерастяжение), оптимизацию конструкции штампа с правильными зазорами и радиусами, а в некоторых случаях — использование тепла в процессе формования.

2. Как можно минимизировать пружинение?

Пружинение можно минимизировать, выбирая подходящие материалы с более низким пределом текучести, проектируя детали с элементами, придающими жесткость (например, ребрами или фланцами), а также оптимизируя процесс штамповки. Ключевые корректировки процесса включают использование таких методов, как чрезмерный изгиб, выдавливание, а также обеспечение полной формовки детали. Передовые методы, такие как активное регулирование усилия прижима и применение моделирования для создания компенсированного инструмента, также весьма эффективны.

3. Что вызывает пружинение?

Пружинение вызвано упругим восстановлением материала после операции формовки. Когда металл изгибается, он подвергается как пластической (постоянной), так и упругой (временной) деформации. Внутренние напряжения, возникающие при формовке — растягивающие на внешней поверхности и сжимающие на внутренней — не полностью снимаются. Когда инструмент для формовки удаляется, эти остаточные упругие напряжения заставляют материал частично вернуться к своей первоначальной форме.

4. Что такое правило 4T для листового металла?

Правило 4T — это руководство по проектированию, используемое для предотвращения деформации или трещин вблизи изгибов. Оно гласит, что любой элемент, такой как отверстие или паз, должен располагаться на расстоянии не менее чем в четыре толщины материала (4T) от линии изгиба. Это обеспечивает, что материал вокруг элемента не будет ослаблен или искажён напряжениями, возникающими при операции гибки.