Q2: ¿Cómo se predice y compensa el efecto de recuperación elástica en el diseño de herramientas de perfilado?, particularmente para acero de alta resistencia (HSS) perfiles?
El efecto springback—la recuperación elástica de un material después de haber sido deformado plásticamente—es el mayor desafío técnico en el diseño del perfilado., especialmente al procesar Acero de alta resistencia (HSS). La predicción y la compensación se basan en una combinación de modelos teóricos., datos empíricos, y sofisticadas técnicas de simulación numérica.
1. La física del springback
La recuperación elástica se produce porque no toda la tensión aplicada durante el proceso de flexión causa tensión permanente. (plástico) deformación; Una parte de la tensión permanece en el material como tensión elástica residual. Cuando el material sale del soporte del rollo, se elimina la carga de formación, y esta energía elástica almacenada se libera, haciendo que el ángulo de curvatura final de la pieza se abra (aumentar) y el radio aumentará en comparación con la forma de la herramienta.
A. Ángulo de recuperación elástica (\(\Delta \alpha\))
La diferencia entre el ángulo del troquel. (\(\alpha_d\)) y el ángulo de la parte final (\(\alpha_p\)) es el ángulo de recuperación elástica (\(\Delta \alpha\)):
B. Relación de recuperación elástica (\(S_R\))
Una medida común es la relación de recuperación elástica., \(K\), cual es la razón del radio final (\(R_f\)) al radio inicial (\(R_i\)):
Para un diseño exitoso, el radio de la herramienta (\(R_{\texto{herramienta}}\)) debe estar **sobredoblado** a un radio más pequeño (\(R_{\texto{herramienta}} < R_{\texto{final}}\)) compensar.
2. Modelos teóricos de predicción
La magnitud del springback es directamente proporcional al módulo de elasticidad. (\(E\)) y el límite elástico (\(\sigma_y\)), e inversamente proporcional al espesor del material (\(t\)) y el radio de curvatura (\(R\)).
A. Teoría de flexión simple (Ecuación simplificada)
Para un material doblado sobre un radio \(R\) y espesor \(t\), la relación simplificada para el cambio de curvatura (\(\Delta \kappa = \frac{1}{R_f} – \fractura{1}{R_{\texto{herramienta}}}\)) a menudo se aproxima por:
Esta ecuación resalta que **mayor límite elástico (\(\sigma_y\)) conduce a una recuperación elástica significativamente mayor** (proporcional a \(\sigma_y^2\)), Es por eso que HSS presenta un gran desafío.. Cuanto mayor sea la resistencia del acero (p.ej., AHSS, Acero DP), cuanto mayor sea la energía elástica residual.
B. La influencia de las propiedades materiales
Los parámetros de entrada clave para la predicción del springback son:
- Fuerza de producción (\(\sigma_y\)) y máxima resistencia a la tracción (UTS): HSS tiene un mucho mayor \(\sigma_y\), aumentando dramáticamente la magnitud del springback.
- Módulo elástico (\(E\)): Para la mayoría de los aceros, \(E\) es relativamente constante (aprox. \(200 \texto{ GPa}\)), pero influye en la rigidez general.
- Exponente de endurecimiento por deformación (\(n\)): La cantidad de endurecimiento por trabajo que ocurre durante el conformado afecta la eficacia \(\sigma_y\) en pases posteriores, complicando el cálculo.
3. Estrategias de compensación en el diseño de herramientas (Doblar demasiado)
La compensación se logra diseñando el **perfil de herramienta (patrón de flores)** ser ligeramente diferente del perfil final de la pieza deseada.
A. Sobreflexión directa
Esta es la técnica más común.. en el pase final, el ángulo de los rollos (\(\alfa_{\texto{rollo}}\)) se hace más pequeño que el ángulo objetivo (\(\alfa_{\texto{objetivo}}\)) en una cantidad igual al ángulo de recuperación elástico previsto (\(\Delta \alpha\)):
Para HSS, esta cantidad de sobreflexión es sustancialmente mayor que para el acero dulce, A veces es necesario cerrar los espacios entre los rodillos con más fuerza que el espesor del material para inducir una mayor deformación plástica..
B. Doblado por tensión (Extensión)
La aplicación de **tensión longitudinal** controlada a la tira durante el proceso de formación puede reducir significativamente la recuperación elástica.. La tensión desplaza el eje neutro de flexión hacia el interior del radio de curvatura., forzar una mayor parte de la sección transversal del material hacia la región de deformación plástica por tracción y reducir el contenido de deformación elástica. Esto se logra comúnmente usando:
- Rollos de avería: En las primeras gradas, el espacio entre los rollos se ajusta para estirar ligeramente la banda central.
- Desenrollado/alimentación controlados: La contratensión del desbobinador se puede regular con precisión.
4. Método de elementos finitos (FEM) Simulación
Para perfiles HSS complejos (como correas C/Z, Decoración, o vigas automotrices), Los modelos teóricos son insuficientes debido a los efectos acumulativos de múltiples pasadas y a los complejos estados de tensión tridimensionales.. Método de elementos finitos (FEM) la simulación es obligatoria.
El proceso FEM implica:
- mallado: La tira de metal se divide en miles de pequeños elementos..
- Modelado: Los perfiles en rollo, propiedades de los materiales (incluyendo anisotropía y curva de endurecimiento), y se ingresan los coeficientes de fricción.
- Simulación: Se simula el movimiento progresivo de la franja por las gradas, Seguimiento del historial de tensiones y deformaciones de cada elemento..
- Descarga/Cálculo Springback: Después del pase final, Se eliminan las cargas de formación simuladas., y el software calcula la recuperación elástica del modelo para predecir la forma final del perfil con alta precisión..
- Iteración: Luego, el diseñador del rollo modifica la geometría del rollo. (el ángulo y el radio de sobreflexión) en el software hasta que la forma final simulada coincida con las especificaciones objetivo, un proceso que puede implicar docenas de iteraciones antes de cortar las herramientas físicas.
En resumen, compensación por recuperación elástica, especialmente en perfilado HSS, Evoluciona desde principios teóricos simples hasta mecánica computacional avanzada. (FEM) y diseño de herramientas refinado (flexión excesiva y flexión por tensión) para garantizar que el producto final cumpla con las estrictas tolerancias dimensionales requeridas.
