Bagaimana efek springback diprediksi dan dikompensasi dalam desain perkakas roll forming, khususnya untuk Baja Kekuatan Tinggi (HSS) profil?

Q2: Bagaimana efek springback diprediksi dan dikompensasi dalam desain perkakas roll forming, khususnya untuk Baja Kekuatan Tinggi (HSS) profil?

Itu efek pegas kembali—pemulihan elastis suatu material setelah mengalami deformasi plastis—merupakan tantangan teknis terbesar dalam desain roll forming, terutama saat pengolahan Baja Kekuatan Tinggi (HSS). Prediksi dan kompensasi bergantung pada kombinasi model teoritis, data empiris, dan teknik simulasi numerik yang canggih.

1. Fisika Springback

Springback terjadi karena tidak semua tegangan yang diberikan selama proses pembengkokan bersifat permanen (plastik) deformasi; sebagian dari tegangan tetap berada pada material sebagai regangan elastis sisa. Saat material keluar dari roll stand, beban pembentuk dihilangkan, dan energi elastis yang tersimpan ini dilepaskan, menyebabkan sudut tikungan akhir bagian itu terbuka (meningkatkan) dan radiusnya meningkat dibandingkan dengan bentuk perkakasnya.

A. Sudut Springback (\(\Delta \alpha\))

Perbedaan antara sudut mati (\(\alpha_d\)) dan sudut bagian akhir (\(\alpha_p\)) adalah sudut pegas (\(\Delta \alpha\)):

\Delta \alpha = \alpha_p – \alfa_d

B. Rasio Springback (\(S_R\))

Ukuran yang umum adalah rasio springback, \(K\), yang merupakan perbandingan jari-jari akhir (\(R_f\)) ke radius awal (\(R_i\)):

K = \frac{R_f}{R_i}

Untuk desain yang sukses, radius perkakas (\(R_{\teks{alat}}\)) harus **tertekuk** ke radius yang lebih kecil (\(R_{\teks{alat}} < R_{\teks{terakhir}}\)) untuk memberi kompensasi.

2. Model Teoritis untuk Prediksi

Besarnya springback berbanding lurus dengan modulus elastisitas (\(E\)) dan kekuatan luluh (\(\sigma_y\)), dan berbanding terbalik dengan ketebalan bahan (\(t\)) dan radius tikungan (\(R\)).

A. Teori Pembengkokan Sederhana (Persamaan Sederhana)

Untuk bahan yang dibengkokkan pada suatu radius \(R\) dan ketebalan \(t\), hubungan yang disederhanakan untuk perubahan kelengkungan (\(\Delta \kappa = \frac{1}{R_f} – \frak{1}{R_{\teks{alat}}}\)) sering kali didekati dengan:

\Delta \kappa \propto \frac{4 \sigma_y^2}{Et} \kiri( \frak{1}{R_{\teks{alat}}} \Kanan)^2

Persamaan ini menyoroti bahwa **kekuatan luluh lebih tinggi (\(\sigma_y\)) menghasilkan pengembalian yang jauh lebih besar** (sebanding dengan \(\sigma_y^2\)), itulah sebabnya HSS menghadirkan tantangan besar. Semakin tinggi kekuatan baja tersebut (misalnya, AHSS, Baja DP), semakin besar energi elastis sisa.

B. Pengaruh Sifat Material

Parameter masukan utama untuk prediksi springback adalah:

Kekuatan Hasil (\(\sigma_y\)) dan Kekuatan Tarik Tertinggi (UTS): HSS memiliki jauh lebih tinggi \(\sigma_y\), secara dramatis meningkatkan besarnya springback.
Modulus Elastis (\(E\)): Untuk sebagian besar baja, \(E\) relatif konstan (kira-kira. \(200 \teks{ IPK}\)), tapi itu mempengaruhi kekakuan secara keseluruhan.
Eksponen Pengerasan Regangan (\(n\)): Banyaknya pengerasan kerja yang terjadi pada saat pembentukan mempengaruhi efektifitasnya \(\sigma_y\) dalam lintasan berikutnya, mempersulit perhitungan.

3. Strategi Kompensasi dalam Desain Perkakas (Membungkuk secara berlebihan)

Kompensasi dicapai dengan merancang **profil perkakas (pola bunga)** menjadi sedikit berbeda dari profil bagian akhir yang diinginkan.

A. Membungkuk secara langsung

Ini adalah teknik yang paling umum. Di umpan terakhir, sudut gulungan (\(\alfa_{\teks{gulungan}}\)) dibuat lebih kecil dari sudut target (\(\alfa_{\teks{target}}\)) dengan jumlah yang sama dengan sudut pegas yang diprediksi (\(\Delta \alpha\)):

\alfa_{\teks{gulungan}} = \alpha_{\teks{target}} – \Delta \alpha

Untuk HSS, jumlah pembengkokan berlebih ini jauh lebih besar dibandingkan baja ringan, terkadang mengharuskan celah gulungan ditutup lebih rapat daripada ketebalan material untuk menyebabkan lebih banyak deformasi plastis.

B. Pembengkokan Ketegangan (Peregangan)

Menerapkan **ketegangan longitudinal** yang terkontrol pada strip selama proses pembentukan dapat mengurangi pegas secara signifikan. Ketegangan menggeser sumbu netral lentur ke arah dalam radius tikungan, memaksa lebih banyak penampang material ke daerah regangan tarik plastik dan mengurangi kandungan regangan elastis. Hal ini biasanya dicapai dengan menggunakan:

Gulungan Kerusakan: Di tribun awal, jarak antar gulungan disesuaikan untuk sedikit meregangkan jaring tengah.
Decoiling/Umpan Terkendali: Ketegangan balik pada decoiler dapat diatur secara tepat.

4. Metode Elemen Hingga (FEM) Simulasi

Untuk profil HSS yang kompleks (seperti C/Z Purlins, Penghiasan, atau balok Otomotif), model teoritis tidak mencukupi karena efek kumulatif multi-pass dan keadaan tegangan tiga dimensi yang kompleks. Metode Elemen Hingga (FEM) simulasi adalah wajib.

Proses FEM melibatkan:

Jala: Strip logam dibagi menjadi ribuan elemen kecil.
Pemodelan: Profil gulungan, sifat material (termasuk anisotropi dan kurva pengerasan), dan koefisien gesekan dimasukkan.
Simulasi: Pergerakan progresif strip melalui tribun disimulasikan, melacak riwayat stres dan regangan untuk setiap elemen.
Perhitungan Bongkar/Springback: Setelah umpan terakhir, beban pembentukan yang disimulasikan dihilangkan, dan perangkat lunak menghitung pemulihan elastis model untuk memprediksi bentuk profil akhir dengan akurasi tinggi.
Perulangan: Perancang gulungan kemudian memodifikasi geometri gulungan (sudut dan radius lentur berlebih) dalam perangkat lunak hingga bentuk akhir yang disimulasikan sesuai dengan spesifikasi target, sebuah proses yang dapat melibatkan lusinan iterasi sebelum perkakas fisik dipotong.

Singkatnya, kompensasi untuk springback, terutama dalam pembentukan gulungan HSS, berkembang dari prinsip teoritis sederhana ke mekanika komputasi tingkat lanjut (FEM) dan desain perkakas yang disempurnakan (pembengkokan berlebihan dan pembengkokan tegangan) untuk memastikan produk akhir memenuhi toleransi dimensi ketat yang disyaratkan.