ZKRATKA

Pruženie je elastická relaxácia plechu po tvárnení, ktorá môže spôsobiť nepresnosti rozmerov hotových súčiastok. Na jeho predchádzanie je potrebný komplexný prístup. Kľúčové stratégie zahŕňajú mechanické kompenzačné techniky, ako je nadohýbanie (ohýbanie za cieľový uhol), kalendrovanie (pôsobenie vysokého tlaku na ohyb) a dôrazové predpätie, ktoré využíva prvky ako napínacie guľôčky na vytvorenie ťahu a stabilizáciu súčiastky. Pokročilé metódy zahŕňajú optimalizáciu nástrojov, využitie metódy konečných prvkov (FEA) pri návrhu nástrojov a starostlivý výber materiálu, aby sa znížila prirodzená tendencia materiálu vracať sa do pôvodného tvaru.

Pochopenie príčin pruženia

Pri tvárnení plechov je pružný odskok geometrická zmena, ktorú súčiastka prekonáva po uvoľnení tvárniaceho tlaku. Tento jav má svoje korene v základných vlastnostiach kovu. Keď je plech ohýbaný, prechádza trvalou (plastickou) a dočasnou (pružnou) deformáciou. Vonkajší povrch je natiahnutý v dôsledku ťažných napätí, zatiaľ čo vnútorný povrch je stlačený. Po odstránení nástroja sa uvoľní uložená pružná energia, čo spôsobí čiastočné vrátenie materiálu do pôvodného tvaru. Toto odrazové pôsobenie je pružný odskok, ktorý môže viesť k výrazným odchýlkam od návrhových špecifikácií.

Niekoľko kľúčových faktorov priamo ovplyvňuje závažnosť pružného odskoku. Najdôležitejšie sú vlastnosti materiálu; kovy s vysokým pomerom medze klzu k Youngovmu modulu pružnosti, ako sú pokročilé vysokopevnostné ocele (AHSS), ukladajú viac pružnej energie a preto vykazujú výraznejší pružný odskok. Ako je uvedené v technickom sprievodcovi od ETA, Inc. , to je hlavný dôvod, prečo moderné materiály na ľahkú konštrukciu predstavujú väčšie výrobné výzvy. Hrúbka materiálu tiež zohráva rolu, keďže hrubšie plechy zvyčajne vykazujú menší odskok v dôsledku väčšieho objemu prebiehajúcej plastickej deformácie.

Geometria dielu je ďalším kľúčovým faktorom. Komponenty s veľkými ohybovými polomermi, komplexnými krivkami alebo ostrými uhlami sú viac náchylné na odskok. Nakoniec všetky procesné parametre – vrátane tlaku pri tvárnení, charakteristík matrice a mazania – prispievajú k konečnému tvaru. Zle navrhnutá matica alebo nedostatočný tlak môžu spôsobiť, že sa materiál nepresne nastaví, čo vedie k nadmernému elastickejmu návratu. Porozumenie týmto základným príčinám je prvým krokom k implementácii účinných stratégií prevencie a kompenzácie.

Hlavné techniky kompenzácie: Pretáčanie, kalibrovanie a poťahovanie

Na odstránenie pruženia používajú inžinieri niekoľko dobre zavedených mechanických techník. Tieto metódy fungujú buď kompenzáciou očakávanej zmeny rozmerov, alebo zmenou stavu napätia v materiáli, aby sa minimalizovala pružná relaxácia. Každá technika má špecifické aplikácie a kompromisy.

Predohybanie je najintuitívnejším prístupom. Spočíva v úmyselnom tvarenení súčiastky do ostrejšieho uhla, ako je požadované, s očakávaním, že sa pružením vráti do správneho konečného rozmeru. Hoci je tento prístup jednoduchý v princípe, na jeho dokonalé zvládnutie často vyžaduje veľa pokusov a omylov. Kovárenstvo , známe tiež ako dolnácia alebo kalenie, zahŕňa pôsobenie veľmi vysokého tlakového zaťaženia v ohybovom polomere. Tento intenzívny tlak plasticky deformuje štruktúru zŕn materiálu, trvalo fixuje ohyb a výrazne znižuje pružné deformácie, ktoré spôsobujú pruženie. Avšak kalenie môže ztenčiť materiál a vyžaduje vyšší tlak na lisoch.

Po-ťahanie je vysoce účinnou metódou na kontrolu uhlových zmien a valenia bočných stien, najmä pri zložitých dieloch vyrobených z AHSS. Ako je podrobne opísané AHSS Guidelines , táto technika aplikuje rovinné napätie na diel po hlavnej operácii tvárnenia. Často sa to dosahuje pomocou prvkov nazývaných zámkové lišty v nástroji, ktoré uzamknú prírubu a natiahnu bočnú stenu dielu minimálne o 2 %. Táto akcia zmení rozdelenie napätia zo zmiešaných ťažných a tlakových síl na takmer výlučne ťažné, čo výrazne zníži mechanické sily spôsobujúce odskok. Výsledkom je diel s vyššou rozmerovou stabilitou.

Porovnanie primárnych metód kompenzácie odskoku

Pokročilé stratégie: Návrh nástrojov a optimalizácia procesu

Okrem priamych kompenzačných metód je kľúčová proaktívna prevencia prostredníctvom inteligentného návrhu nástrojov a procesov, najmä pri náročných materiáloch ako je AHSS. Návrh samotnej matrice je výkonným nástrojom. Parametre, ako sú medzery matrice, polomer puncu a použitie ťažných gulí, je potrebné starostlivo optimalizovať. Napríklad tesnejšie medzery matrice môžu obmedziť nežiaduce ohyby a rovnanie, čo pomáha minimalizovať pružnosť. Príliš ostré polomery puncu však môžu zvýšiť riziko strihových lomov u vysokopevnostných materiálov.

Moderná výroba čoraz viac závisí od simulácie, ktorá umožňuje predčasne riešiť problémy s pružným návratom. Kompenzácia návrhu matrice, riadená metódou konečných prvkov (FEA), je sofistikovaný prístup, pri ktorom sa celý proces tvárnenia simuluje, aby sa presne predpovedal pružný návrat hotového dielu. Tieto údaje sa potom použijú na úpravu geometrie matrice a vytvorenie kompenzovaného povrchu nástroja. Matica úmyselne vytvorí „nesprávny“ tvar, ktorý sa po uvoľnení napätia vráti do presného požadovaného tvaru. Tento simulačne riadený postup výrazne skracuje náročnú a drahú fázu fyzického ladenia. Poprední výrobcovia špeciálnych nástrojov, ako napríklad Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. , využívajú pokročilé CAE simulácie na dodávanie vysokej presnosti tvárnic pre automobilový priemysel, pričom tieto komplexné správanie materiálov berú do úvahy už od začiatku.

Ďalšou pokročilou stratégiou je optimalizácia procesu. Horúce tvarovanie, alebo lisovacie kalenie, je transformačný proces, ktorý eliminuje pružné odkladanie už návrhom. Pri tejto metóde sa oceľová polotovar zahreje na viac ako 900 °C, tvaruje a potom rýchlo zohádzuje vo forme. Tento proces vytvára úplne zkalenú martenzitickú mikroštruktúru, čo vedie k výrobe dielu s extrémne vysokou pevnosťou a prakticky bez pružného odkladania. Napriek vysokej účinnosti vyžaduje horúce tvarovanie špecializované zariadenia a má dlhšie pracovné cykly v porovnaní s studeným tvarovaním. Iné úpravy procesu, ako napríklad aktívna regulácia sily podložky, umožňujú premenné pôsobenie tlaku počas zdvihu lisu, čím vzniká efekt následného predpätia, ktorý stabilizuje diel bez potreby fyzických zarážok.

Úloha konštrukcie výrobku a výber materiálu

Boj proti pruženiu začína dlho pred výrobou nástroja – začína sa už návrhom výrobku a výberom materiálu. Geometriu samotnej súčiastky možno navrhnúť tak, aby odolávala uvoľňovaniu elastickej napätosti. Ako vysvetľuje EMD Stamping, vyhýbanie sa náhlym zmenám tvaru môže znížiť tendenciu k spätnému odrazu. Okrem toho môžu byť do súčiastky zahrnuté tuhnutím zvyšujúce prvky, ako sú záševy, zvislé žľaby alebo stupňovité flangy, ktoré mechanicky uzamknú elastické deformácie v súčiastke a zabránia jej deformácii po tvárnení. Tieto prvky zvyšujú tuhosť a pomáhajú udržať požadovaný tvar.

Napríklad pridanie zvislých rebier na bočné steny dielu tvaru U môže výrazne znížiť uhlovú deformáciu aj skrútenie zosilnením konštrukcie. Vodítka AHSS uvádzajú príklady toho, ako sa to uplatňuje u automobilových komponentov, ako sú stĺpy B alebo zosilnenia predných nosníkov. Návrhári však musia brať do úvahy kompromisy. Hoci tieto prvky fixujú pružné deformácie, zároveň vytvárajú zostávajúce napätia vo vnútri dielu. Tieto napätia sa môžu uvoľniť počas následných operácií, ako je strihanie alebo zváranie, čo môže spôsobiť nové deformácie. Preto je nevyhnutné simulovať celý výrobný proces, aby bolo možné predvídať tieto následné účinky.

Výber materiálu je základným krokom. Výber materiálu s nižšou pružnosťou alebo vyššou tvárivosťou môže prirodzene znížiť problémy s pružením. Hoci snaha o ľahčenie často vyžaduje použitie vysokopevnostných ocelí, je nevyhnutné poznať vlastnosti rôznych tried. Spolupráca s dodávateľmi materiálov a využitie údajov o tvárivosti môže pomôcť inžinierom pri výbere materiálu, ktorý vyváži požiadavky na pevnosť a výrobnú realizovateľnosť, čím sa vytvorí základ pre predvídateľnejší a lepšie kontrolovateľný proces tvárnenia.

Často kladené otázky

1. Ako sa vyhnúť efektu pruženia pri plechových dieloch?

Na zabránenie efektu pružného návratu môžete použiť niekoľko techník. Pôsobením vysokého tlakového napätia na ohybový polomer pomocou kalenia alebo dnoformovania sa materiál plasticky deformuje, čím sa minimalizuje pružná obnova. Medzi ďalšie metódy patrí preohybovanie, aplikovanie poformovacieho ťažného napätia (post-stretching), optimalizácia návrhu nástroja s vhodnými medzerami a polomermi a v niektorých prípadoch použitie tepla počas procesu tvárnenia.

2. Ako sa dá pružný návrat minimalizovať?

Pružný návrat sa dá minimalizovať výberom vhodných materiálov s nižšou medzou klzu, návrhom súčiastok s prvkami, ktoré zvyšujú tuhosť (napríklad žliabky alebo okraje), a optimalizáciou procesu tvárnenia. Kľúčové úpravy procesu zahŕňajú použitie techník ako preohybovanie, kalenie a zabezpečenie úplného vyformovania súčiastky. Veľmi účinné sú aj pokročilé metódy, ako je aktívne riadenie sily viazacieho ramena a použitie simulácií na vytvorenie kompenzovaného nástroja.

3. Čo spôsobuje pružný návrat?

Prúžok je spôsobený elastickou obnovou materiálu po tvárnení. Keď sa kov ohýba, prechádza plastickou (trvalou) a elastickej (dočasnou) deformáciou. Pevnostné napätie vytvorené počas tvárnenia – ťažné na vonkajšom povrchu a tlakové na vnútornom povrchu – nie je úplne odstránené. Keď sa odstráni tvárniaci nástroj, tieto zvyškové pružné napätia spôsobia, že materiál sa čiastočne vráti do pôvodného tvaru.

4. Čo je pravidlo 4T pre plech?

Pravidlo 4T je návrhovým odporúčaním používaným na zabránenie deformácii alebo trhlín v blízkosti ohybov. Hovorí, že akýkoľvek prvok, ako je diera alebo drážka, by mal byť umiestnený vo vzdialenosti najmenej štyrikrát väčšej ako hrúbka materiálu (4T) od ohybovej čiary. Tým sa zabezpečí, že materiál okolo prvku nebude oslabený alebo skreslený napätím pri ohybe.