Устранение пружинения при штамповке в автомобилестроении: 3 проверенных инженерных метода

Краткое содержание

Решение проблемы пружинения при автомобильной штамповке требует многоуровневого инженерного подхода, выходящего за рамки простого перегиба. Наиболее эффективные стратегии объединяют геометрическая компенсация (такие как поворотное гибание и усилители жесткости), выравнивание напряжений (с использованием постнатяжных стопорных буртиков для достижения целевого растягивающего напряжения 2%), и имитационное моделирование полного цикла методом конечных элементов (FEA) для прогнозирования упругого восстановления до начала обработки стали. Для высокопрочных сталей с повышенной прочностью (AHSS) критически важно управлять неоднородным распределением напряжений по толщине листа, поскольку более высокие пределы текучести экспоненциально увеличивают вероятность коробления боковых стенок и изменения углов.

Физика пружинения: упругое восстановление и градиенты напряжений

Для эффективного решения проблемы пружинения инженеры должны сначала количественно определить механизм, вызывающий его. Пружинение определяется как упругое восстановление неравномерно распределенных напряжений в штампованной детали после снятия формовочной нагрузки. Во время изгиба листовой металл испытывает растягивающие напряжения на внешнем радиусе и сжимающие напряжения на внутреннем радиусе. Когда оснастка отпускается, эти противоположные силы стремятся вернуться к равновесию, вызывая деформацию детали.

Это явление определяется Модуль Юнга (модуль упругости) и Предельная прочность . По мере увеличения предела текучести — что характерно для высокопрочных сталей, таких как DP980 или TRIP-стали, — величина упругого восстановления значительно возрастает. Кроме того, Эффект Баушингера и снижение модуля упругости при пластической деформации означают, что стандартные линейные модели симуляции зачастую не способны точно предсказать величину обратного прогиба. Основная инженерная задача заключается не в устранении упругости, а в управлении градиентом напряжений таким образом, чтобы восстановление было предсказуемым или нейтрализованным.

Метод 1: Компенсация на основе процесса (после вытяжки и использование фиксирующих буртиков)

Один из наиболее надежных методов нейтрализации изгиба боковой стенки — особенно в деталях в форме канала — заключается в изменении распределения упругих деформаций посредством пост-натяжение цель состоит в том, чтобы изменить напряжённое состояние боковой стенки с комбинированного растягивающе-сжимающего градиента на равномерное растягивающее напряжение по всей толщине.

Применение фиксирующих буртиков

Руководящие принципы отрасли, включая рекомендации WorldAutoSteel, рекомендуют прикладывать растягивающее усилие в плоскости для создания минимальной 2% растягивающей деформации в боковой стенке. Этого часто добиваются с помощью фиксирующих буртиков (или стопорные бороздки), расположенные в прижиме или на пуансоне. Вовлекая эти бороздки поздно в ходе хода пресса, процесс блокирует металл и заставляет боковую стенку растягиваться. Этот сдвиг перемещает нейтральную ось за пределы листового металла, эффективно выравнивая разницу напряжений ($Δσ$), которая вызывает заворачивание краев.

Хотя стопорные бороздки эффективны, они требуют значительного усилия и прочной конструкции штампа. Более экономичной альтернативой по расходу материала является гибридная бороздка (или усеченная бороздка). Гибридные бороздки проникают в листовой металл, создавая волнообразную форму, которая ограничивает течение материала, занимая менее 25% площади поверхности традиционных стопорных бороздок и позволяя использовать заготовки меньшего размера.

Активное управление силой прижима

Для прессов, оснащённых передовыми системами подушек, активное управление силой прижима предлагает динамическое решение. Вместо постоянного давления усилие прижима можно регулировать, увеличивая его именно в нижней части хода. Поздний всплеск давления обеспечивает необходимое натяжение стенки, чтобы уменьшить пружинение, не вызывая растрескивания на раннем этапе или чрезмерного утонения.

Метод 2: Геометрические и инструментальные решения (загибание с перегибом и поворотное гибание)

Когда одних параметров процесса недостаточно для компенсации высокой упругой деформации, необходимы физические изменения формы инструмента и конструкции детали. Перегиб является наиболее распространённой техникой, при которой матрица проектируется таким образом, чтобы загибать деталь за пределы целевого угла (например, до 92° для изгиба на 90°), позволяя ей вернуться после пружинения к требуемым размерам.

Поворотное гибание против штампов с подгибанием фланца

Для прецизионных деталей из сверхпрочной стали вращательная гибка часто превосходит традиционные штампы с протяжкой фланца. В ротационных гибочных станках используется рычаг для загибания металла, что устраняет высокое трение и растягивающие нагрузки, связанные с направляющей колодкой. Этот метод позволяет легче регулировать угол изгиба (часто просто добавлением прокладок под рычаг), чтобы точно настроить компенсацию во время пробной отладки.

Если требуются штампы с протяжкой фланца, инженеры должны применять наложение сжимающих напряжений . Этот метод включает проектирование радиуса штампа немного меньшим, чем радиус детали, и использование обратного уклона на пуансоне. Такая конфигурация сжимает материал в области радиуса, вызывая пластическую деформацию (сжимающее течение), которая подавляет упругое восстановление. Обратите внимание, что данный метод требует точного контроля, чтобы избежать растрескивания в сталях повышенной прочности.

Конструктивные усилители жесткости

Сама геометрия может выполнять функцию стабилизатора. Добавление усилителей жесткости , такие как ступенчатые фланцы, выточки или бороздки вдоль линии изгиба, могут «фиксировать» упругие деформации и значительно увеличивать осевой момент сопротивления. Например, замена стандартного Н-образного профиля с углом 90 градусов на шестигранный поперечный профиль может по своей природе уменьшить закручивание боковых стенок за счёт более благоприятного распределения напряжений при изгибе.

Метод 3: Моделирование и полный цикл МКЭ

Современное управление пружинением в значительной степени зависит от Метода конечных элементов (МКЭ) . Однако распространённой ошибкой является моделирование только операции вытяжки. Для точного прогнозирования требуется Моделирование полного цикла , включающее вытяжку, обрезку, пробивку и отбортовку.

Исследования компании AutoForm показывают, что вторичные операции оказывают существенное влияние на окончательное пружинение. Например, силы зажима и резания при обрезке могут вызывать новые пластические деформации или снимать остаточные напряжения, изменяя форму детали. Чтобы обеспечить достоверность моделирования, инженеры должны:

• Использовать продвинутые карты материалов, учитывающие кинематическое упрочнение (модель Йошида-Уэмори).
• Моделирование фактических последовательностей закрытия инструмента и снятия прижима.
• Учет влияния силы тяжести (как деталь располагается на контрольном приспособлении).

Моделируя скомпенсированную поверхность до обработки штампа, производители могут сократить количество физических циклов доработки с 5–7 до 2–3.

Связь между моделированием и производством

Хотя моделирование определяет путь, физическая проверка остается последним препятствием. Переход от цифровой модели к реальной штамповке — особенно при переходе от прототипа к массовому производству — требует производственного партнера, способного реализовать эти сложные стратегии компенсации. Компании, такие как Shaoyi Metal Technology специализируются на преодолении этого разрыва. Имея сертификацию IATF 16949 и возможности прессов до 600 тонн, они могут проверять конструкции оснастки для критически важных компонентов, таких как рычаги подвески и каркасы, обеспечивая соответствие теоретической компенсации реальным условиям производства.

Сравнение стратегий компенсации

Выбор правильного метода зависит от геометрии детали, марки материала и объема производства. В таблице ниже сравниваются основные подходы.

Заключение

Решение проблемы пружинения заключается не в отмене законов физики, а в их освоении. Комбинируя геометрическое чрезмерное изгибание с процессно-обусловленным последующим вытяжением и проверяя результаты с помощью строгого моделирования полного цикла, инженеры автомобильной промышленности могут достигать жёстких допусков даже при использовании непредсказуемых марок ВЛСТ. Ключевое значение имеет обеспечение выравнивания напряжений на раннем этапе проектирования, а не зависимость исключительно от корректировок в ходе пробной штамповки.

Часто задаваемые вопросы

1. Почему эффект пружинения более выражен в высокопрочной стали (ВЛСТ), чем в мягкой стали?

Спрингбэк прямо пропорционален прочности материала. Степень прочности AHSS значительно выше (часто от 590 до более 1000 МПа) по сравнению с мягкой сталью. Это означает, что они могут хранить больше эластичной энергии во время деформации, что приводит к большему объему восстановления (свободы) при освобождении нагрузки на инструмент. Кроме того, AHSS часто проявляет большую закаленность работы, что еще больше усложняет распределение напряжения.

2. Посмотрите. В чем разница между изменением угла и закручиванием боковой стенки?

Изменение угла относится к отклонению угла изгиба (например, отклонение 90° до 95°), вызванное простым эластичным восстановлением на радиусе изгиба. Завивание боковой стенки является кривизной самой плоской боковой стенки, вызванной разницей в остаточных напряжениях между слоями толщины листового металла. В то время как изменение угла часто может быть зафиксировано с помощью перегиба, кривообращение боковых стен обычно требует решений, основанных на напряжении, таких как пост-растяжение (колючки).

3. Посмотрите. Может ли увеличение силы связующего устранить весенний откат?

Простое увеличение силы связующего вещества в целом редко бывает достаточно для устранения отклонений в высокопрочных материалах и может привести к расщеплению или чрезмерному истончению. Однако, активное управление силой прижима при увеличении давления в конце ходаможет эффективно накладывать необходимое натяжение боковой стенки (после растяжения), чтобы уменьшить отступление, не ущемляя формальность во время первоначального вытяжения.