Коротко

Пружне відновлення — це пружне повернення листового металу після формування, що може призводити до розбіжностей у розмірах готових деталей. Щоб запобігти цьому явищу, потрібен комплексний підхід. Основні стратегії включають механічні методи компенсації, такі як перегин (згин понад необхідний кут), клейміння (застосування високого тиску на згині) та постійне розтягування, яке використовує елементи, подібні до фіксуючих виступів, для створення натягу та стабілізації деталі. Просунуті методи передбачають оптимізацію оснащення, використання методу скінченних елементів (FEA) для проектування інструменту та ретельний вибір матеріалу, щоб зменшити природну схильність матеріалу повертатися до початкової форми.

Розуміння первинних причин пружного відновлення

При штампуванні листового металу пружне відновлення — це геометрична зміна, яку деталь зазнає після зняття формувального тиску. Це явище пов'язане з фундаментальними властивостями металу. Коли листовий матеріал згинається, він зазнає як постійної (пластичної), так і тимчасової (пружної) деформації. Зовнішній шар розтягується під дією розтягувальних напружень, тоді як внутрішній стискається. Як тільки інструмент вилучають, запасена пружна енергія звільняється, що призводить до часткового повернення матеріалу до початкової форми. Це відскакування і є пружним відновленням, яке може призвести до значних відхилень від проектних специфікацій.

Кілька ключових факторів безпосередньо впливає на ступінь пружного відновлення. Перш за все, це властивості матеріалу: метали з високим співвідношенням межі текучості до модуля Юнга, такі як просунуті високоміцні сталі (AHSS), накопичують більше пружної енергії і тому демонструють більш виражене пружне відновлення. Як зазначено в технічному посібнику компанії ETA, Inc. , це є основною причиною того, чому сучасні легкі матеріали створюють більші труднощі у виробництві. Товщина матеріалу також має значення, оскільки товстіші листи, як правило, демонструють менший пружний відгин через більший обсяг пластичних деформацій.

Геометрія деталі є ще одним важливим чинником. Компоненти з великими радіусами згину, складними кривими або гострими кутами більше схильні до пружного відгину. Нарешті, технологічні параметри — зокрема тиск штампування, характеристики матриці та змащення — всі впливають на кінцеву форму. Погано спроектована матриця або недостатній тиск можуть не забезпечити повну фіксацію матеріалу, що призводить до надмірного пружного відновлення. Розуміння цих первинних причин є першим кроком до впровадження ефективних стратегій запобігання та компенсації.

Основні методи компенсації: перевигин, клеймення та післярозтягування

Щоб компенсувати пружне відновлення, інженери використовують кілька добре відомих механічних методів. Ці методи полягають або у компенсації очікуваної зміни розмірів, або у зміні стану напружень у матеріалі з метою мінімізації пружного відновлення. Кожен із цих методів має певні сфери застосування та компромісні недоліки.

Перегинання — найбільш інтуїтивний підхід. Він полягає у навмисному формуванні деталі під більш гострим кутом, ніж потрібно, з розрахунком на те, що після пружного відновлення вона набуде правильного кінцевого розміру. Хоча концепція проста, для її вдосконалення часто потрібні численні експерименти та помилки. Коінінг , відомий також як допереднє штампування або обтискання, передбачає застосування дуже великого стискального зусилля в радіусі згину. Такий сильний тиск призводить до пластичних деформацій структури зерен матеріалу, постійно фіксує згин і значно зменшує пружні деформації, що спричиняють пружне відновлення. Однак клейміння може зробити матеріал тоншим і вимагає більшої потужності преса.

Після розтягування є дуже ефективним методом контролю кутового змінення та деформації бічних стінок, особливо для складних деталей із AHSS. Як зазначено AHSS Guidelines , ця техніка застосовує поздовжнє натягнення до деталі після основної операції формування. Це часто досягається за допомогою елементів, відомих як фіксуючі виступи (stake beads) у матриці, які блокують фланець і розтягують бічну стінку деталі мінімум на 2%. Ця дія змінює розподіл напружень з поєднання розтягувальних і стискальних сил на майже виключно розтягувальні, що значно зменшує механічні сили, які призводять до пружного повернення. Результатом є деталь із більшою розмірною стабільністю.

Порівняння основних методів компенсації пружного повернення

Передові стратегії: проектування оснащення та оптимізація процесів

Окрім прямих методів компенсації, проактивна профілактика за допомогою інтелектуального проектування оснащення та процесів має важливе значення для контролю пружного повернення, особливо при роботі з важкими матеріалами, такими як AHSS. Конструкція самої матриці є потужним інструментом. Такі параметри, як зазор матриці, радіус пуансона та використання тягових витисків, необхідно ретельно оптимізувати. Наприклад, менші зазори матриці можуть обмежити небажане згинання та розгинання, що допомагає мінімізувати пружне повернення. Однак надто гострі радіуси пуансона можуть збільшити ризик зрізних тріщин у високоміцних матеріалах.

Сучасне виробництво все більше залежить від моделювання для попереднього вирішення проблем пружного повернення. Компенсація проектування матриць, що ґрунтується на методі скінченних елементів (FEA), — це складний підхід, при якому імітується весь процес штампування для точного прогнозування пружного повернення готової деталі. Ці дані потім використовуються для зміни геометрії матриці з утворенням скоригованої робочої поверхні інструменту. Матриця навмисно формує «неправильну» форму, яка пружно повертається в точну бажану геометрію. Такий підхід, заснований на моделюванні, значно скорочує трудомісткий і коштовний етап фізичних випробувань. Технічно передові виробники спеціального обладнання, такі як Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. , використовують сучасні CAE-симуляції для поставки високоточних автомобільних штампувальних матриць, які враховують ці складні поведінкові характеристики матеріалів з самого початку.

Ще однією передовою стратегією є оптимізація процесу. Гаряче штампування, або пресове загартування, — це перетворювальний процес, який усуває пружне повернення за рахунок конструкції. У цьому методі заготовку зі сталі нагрівають понад 900 °C, формують, а потім швидко охолоджують всередині матриці. Цей процес створює повністю загартовану мартенситну мікроструктуру, в результаті чого отримують деталь надвисокої міцності майже без пружного повернення. Хоча цей метод дуже ефективний, гаряче штампування потребує спеціалізованого обладнання та має довші цикли порівняно з холодним штампуванням. Інші коригування процесу, наприклад активне регулювання зусилля прижиму, дозволяють змінювати тиск під час ходу преса, створюючи ефект післярозтяжки для стабілізації деталі без необхідності фізичних фіксуючих ребер.

Роль проектування продукту та вибору матеріалу

Боротьба з пружним відновленням починається задовго до виготовлення штампу — вона починається з проектування продукту та вибору матеріалу. Геометрію самої деталі можна розробити таким чином, щоб вона чинила опір звільненню пружних напружень. Як пояснює EMD Stamping, уникнення різких змін форми може зменшити схильність до відскоку. Крім того, використання жорстких елементів, таких як складки, вертикальні гофри чи ступінчасті фланці, може механічно «закрити» пружні деформації в деталі, запобігаючи її спотворенню після формування. Ці елементи додають жорсткості та допомагають зберегти бажану форму.

Наприклад, додавання вертикальних ребер жорсткості до бічних стінок деталі у формі U-подібного каналу може значно зменшити кутові зміни та деформацію за рахунок підсилення конструкції. У настановах AHSS наведені приклади такого підходу щодо автомобільних компонентів, таких як стійки B-стойки та передні підсилювальні елементи. Однак конструктори мають усвідомлювати наявність компромісів. Хоча такі елементи фіксують пружні деформації, вони також створюють залишкові напруження всередині деталі. Ці напруження можуть вивільнитися під час подальших операцій, таких як обрізка або зварювання, що потенційно призведе до нових спотворень. Тому надзвичайно важливо моделювати весь виробничий процес, щоб передбачити ці вторинні наслідки.

Вибір матеріалу є вирішальним кроком. Використання матеріалу з нижчою пружністю або вищою формозмінністю може природним чином зменшити проблеми, пов’язані з пружним поверненням. Хоча прагнення до зменшення ваги часто вимагає застосування сталей підвищеної міцності, важливо розуміти властивості різних марок. Співпраця з постачальниками матеріалів та використання даних про формозмінність допоможуть інженерам обрати матеріал, який забезпечує баланс між вимогами до міцності та можливістю виготовлення, створюючи основу для більш передбачуваного та контрольованого процесу штампування.

Поширені запитання

1. Як уникнути ефекту пружного повернення в листовому металі?

Щоб уникнути ефекту пружного повернення, можна використовувати кілька методів. Піддання радіуса згину високому стискальному напруженню шляхом клеймування або обмеження пластично деформує матеріал, щоб мінімізувати пружне відновлення. Інші методи включають згин із перевищенням кута, застосування післяформувального зусилля (після розтягування), оптимізацію конструкції матриці з правильними зазорами та радіусами, а в окремих випадках — використання тепла під час процесу формування.

2. Як можна зменшити пружне повернення?

Пружне повернення можна зменшити, вибираючи відповідні матеріали з нижчою межею плинності, проектуючи деталі з елементами, що збільшують жорсткість (наприклад, ребрами або фланцями), та оптимізуючи процес штампування. Ключові корективи процесу включають використання таких методів, як згин із перевищенням кута, клеймування та забезпечення повного формування деталі. Також дуже ефективними є передові методи, такі як активне регулювання зусилля прижиму та використання моделювання для створення компенсованого інструменту.

3. Що спричиняє пружне повернення?

Пружне відновлення викликається пружним поверненням матеріалу після операції формування. Коли метал вигинається, він зазнає як пластичної (постійної), так і пружної (тимчасової) деформації. Внутрішні напруження, що виникають під час формування — розтягування на зовнішній поверхні та стиснення на внутрішній поверхні — не повністю знімаються. Коли інструмент для формування видаляється, ці залишкові пружні напруження спричиняють часткове повернення матеріалу до його початкової форми.

4. Що таке правило 4T для листового металу?

Правило 4T — це рекомендація з проектування, яка використовується для запобігання деформації або розривів поблизу згинів. Воно передбачає, що будь-який елемент, такий як отвір або проріз, повинен розташовуватися на відстані щонайменше чотири рази більшій за товщину матеріалу (4T) від лінії згину. Це забезпечує, що матеріал навколо елемента не буде ослаблений або спотворений через напруження під час операції згинання.