Q2: Wie wird der Rückfederungseffekt bei der Konstruktion von Rollformwerkzeugen vorhergesagt und kompensiert?, insbesondere für hochfesten Stahl (HSS) Profile?
Der Rückfederungseffekt– die elastische Erholung eines Materials nach seiner plastischen Verformung – ist die größte technische Herausforderung beim Rollformdesign, vor allem bei der Verarbeitung Hochfester Stahl (HSS). Vorhersage und Kompensation basieren auf einer Kombination theoretischer Modelle, empirische Daten, und ausgefeilte numerische Simulationstechniken.
1. Die Physik des Springbacks
Eine Rückfederung tritt auf, weil nicht die gesamte während des Biegevorgangs ausgeübte Spannung zu einer dauerhaften Rückfederung führt (Plastik) Verformung; Ein Teil der Spannung verbleibt im Material elastische Restdehnung. Wenn das Material das Walzgerüst verlässt, die Umformlast wird entfernt, und diese gespeicherte elastische Energie wird freigesetzt, Dadurch öffnet sich der endgültige Biegewinkel des Teils (Zunahme) und der Radius soll im Vergleich zur Form des Werkzeugs größer werden.
A. Rückfederungswinkel (\(\Delta \alpha\))
Der Unterschied zwischen dem Matrizenwinkel (\(\alpha_d\)) und der Endteilwinkel (\(\alpha_p\)) ist der Rückfederungswinkel (\(\Delta \alpha\)):
B. Rückfederungsverhältnis (\(S_R\))
Ein gängiges Maß ist das Rückfederungsverhältnis, \(K\), Das ist das Verhältnis des Endradius (\(R_f\)) zum Anfangsradius (\(R_i\)):
Für ein gelungenes Design, der Werkzeugradius (\(R_{\Text{Werkzeug}}\)) muss auf einen kleineren Radius **übergebogen** werden (\(R_{\Text{Werkzeug}} < R_{\Text{Finale}}\)) zu kompensieren.
2. Theoretische Modelle zur Vorhersage
Die Größe der Rückfederung ist direkt proportional zum Elastizitätsmodul (\(E\)) und die Streckgrenze (\(\sigma_y\)), und umgekehrt proportional zur Materialstärke (\(t\)) und der Biegeradius (\(R\)).
A. Einfache Biegetheorie (Vereinfachte Gleichung)
Für ein über einen Radius gebogenes Material \(R\) und Dicke \(t\), die vereinfachte Beziehung für die Krümmungsänderung (\(\Delta \kappa = \frac{1}{R_f} – \frak{1}{R_{\Text{Werkzeug}}}\)) wird oft angenähert durch:
Diese Gleichung unterstreicht die **höhere Streckgrenze (\(\sigma_y\)) führt zu deutlich höherer Rückfederung** (proportional zu \(\sigma_y^2\)), Deshalb stellt HSS eine große Herausforderung dar. Je höher die Festigkeit des Stahls (z.B., AHSS, DP-Stahl), desto größer ist die restliche elastische Energie.
B. Der Einfluss von Materialeigenschaften
Die wichtigsten Eingabeparameter für die Rückfederungsvorhersage sind::
- Streckgrenze (\(\sigma_y\)) und ultimative Zugfestigkeit (UTS): HSS hat eine viel höhere \(\sigma_y\), die Größe der Rückfederung drastisch erhöht.
- Elastizitätsmodul (\(E\)): Für die meisten Stähle, \(E\) ist relativ konstant (ca. \(200 \Text{ GPa}\)), aber es beeinflusst die Gesamtsteifigkeit.
- Verfestigungsexponent (\(n\)): Der Grad der Kaltverfestigung, die beim Umformen auftritt, beeinflusst die Wirksamkeit \(\sigma_y\) in nachfolgenden Durchgängen, was die Berechnung erschwert.
3. Vergütungsstrategien im Werkzeugdesign (Überbeugen)
Der Ausgleich wird durch die Gestaltung des Werkzeugprofils erreicht (Blumenmuster)** etwas vom endgültigen gewünschten Teilprofil abweichen.
A. Direktes Überbiegen
Dies ist die gebräuchlichste Technik. Im letzten Durchgang, der Winkel der Rollen (\(\Alpha_{\Text{rollen}}\)) kleiner als der Zielwinkel gemacht wird (\(\Alpha_{\Text{Ziel}}\)) um einen Betrag, der dem vorhergesagten Rückfederungswinkel entspricht (\(\Delta \alpha\)):
Für HSS, Dieses Ausmaß der Überbiegung ist wesentlich größer als bei Weichstahl, Manchmal ist es erforderlich, dass die Walzenspalte enger als die Materialdicke geschlossen werden, um eine stärkere plastische Verformung zu bewirken.
B. Spannungsbiegen (Dehnen)
Durch die Anwendung einer kontrollierten **Längsspannung** auf das Band während des Umformprozesses kann die Rückfederung erheblich reduziert werden. Spannung verschiebt die neutrale Biegeachse in Richtung der Innenseite des Biegeradius, Dadurch wird ein größerer Teil des Materialquerschnitts in den Bereich der plastischen Zugspannung gedrückt und der Anteil der elastischen Spannung verringert. Dies wird üblicherweise erreicht durch:
- Pannenrollen: In den frühen Tribünen, Der Spalt zwischen den Walzen wird so eingestellt, dass die Mittelbahn leicht gedehnt wird.
- Kontrolliertes Abwickeln/Vorschub: Die Rückspannung der Abwickelhaspel lässt sich präzise regulieren.
4. Finite-Elemente-Methode (FEM) Simulation
Für komplexe HSS-Profile (wie C/Z-Pfetten, Terrassendielen, oder Fahrzeugträger), Die theoretischen Modelle sind aufgrund kumulativer Mehrdurchgangseffekte und komplexer dreidimensionaler Spannungszustände unzureichend. Finite-Elemente-Methode (FEM) Simulation ist Pflicht.
Der FEM-Prozess beinhaltet:
- Verzahnung: Der Metallstreifen ist in tausende kleine Elemente unterteilt.
- Modellieren: Die Rollenprofile, Materialeigenschaften (einschließlich Anisotropie und Verfestigungskurve), und Reibungskoeffizienten werden eingegeben.
- Simulation: Die fortschreitende Bewegung des Streifens durch die Tribünen wird simuliert, Verfolgung des Spannungs- und Belastungsverlaufs für jedes Element.
- Entlastungs-/Rückfederungsberechnung: Nach dem letzten Durchgang, Die simulierten Umformlasten werden entfernt, und die Software berechnet die elastische Erholung des Modells, um die endgültige Profilform mit hoher Genauigkeit vorherzusagen.
- Iteration: Anschließend ändert der Rollenkonstrukteur die Rollengeometrie (der Überbiegewinkel und -radius) in der Software, bis die simulierte Endform den Zielvorgaben entspricht, ein Prozess, der Dutzende von Iterationen umfassen kann, bevor das physische Werkzeug geschnitten wird.
Zusammenfassend, Ausgleich der Rückfederung, insbesondere beim HSS-Rollformen, entwickelt sich von einfachen theoretischen Prinzipien zu fortgeschrittener Computermechanik (FEM) und raffiniertes Werkzeugdesign (Überbiegen und Zugbiegen) um sicherzustellen, dass das Endprodukt die erforderlichen engen Maßtoleranzen einhält.
