Q2: Come viene previsto e compensato l'effetto del ritorno elastico nella progettazione degli utensili per la profilatura?, in particolare per l'acciaio ad alta resistenza (HSS) profili?
IL effetto ritorno elastico—il recupero elastico di un materiale dopo che è stato deformato plasticamente—è la più grande sfida tecnica nella progettazione della profilatura, soprattutto durante la lavorazione Acciaio ad alta resistenza (HSS). La previsione e la compensazione si basano su una combinazione di modelli teorici, dati empirici, e sofisticate tecniche di simulazione numerica.
1. La fisica del ritorno elastico
Il ritorno elastico si verifica perché non tutta la sollecitazione applicata durante il processo di piegatura provoca danni permanenti (plastica) deformazione; una parte dello stress rimane nel materiale come deformazione elastica residua. Quando il materiale esce dal supporto a rulli, il carico di formazione viene rimosso, e questa energia elastica immagazzinata viene rilasciata, provocando l'apertura dell'angolo di piegatura finale della parte (aumento) e il raggio da aumentare rispetto alla forma dell'utensile.
UN. Angolo del ritorno elastico (\(\Delta \alpha\))
La differenza tra l'angolo della matrice (\(\alpha_d\)) e l'angolo della parte finale (\(\alpha_p\)) è l'angolo del ritorno elastico (\(\Delta \alpha\)):
B. Rapporto del ritorno elastico (\(S_R\))
Una misura comune è il rapporto di ritorno elastico, \(K\), che è il rapporto tra il raggio finale (\(R_f\)) al raggio iniziale (\(R_i\)):
Per una progettazione di successo, il raggio dell'utensile (\(R_{\testo{attrezzo}}\)) deve essere **piegato eccessivamente** con un raggio più piccolo (\(R_{\testo{attrezzo}} < R_{\testo{finale}}\)) per compensare.
2. Modelli teorici per la previsione
L’entità del ritorno elastico è direttamente proporzionale al modulo elastico (\(E\)) e il limite di snervamento (\(\sigma_y\)), ed inversamente proporzionale allo spessore del materiale (\(t\)) e il raggio di curvatura (\(R\)).
UN. Teoria della flessione semplice (Equazione semplificata)
Per un materiale piegato su un raggio \(R\) e spessore \(t\), la relazione semplificata per la variazione di curvatura (\(\Delta \kappa = \frac{1}{R_f} – \frac{1}{R_{\testo{attrezzo}}}\)) è spesso approssimato da:
Questa equazione evidenzia che **maggiore carico di snervamento (\(\sigma_y\)) porta ad un ritorno elastico significativamente maggiore** (proporzionale a \(\sigma_y^2\)), ecco perché l'HSS rappresenta una sfida importante. Maggiore è la resistenza dell'acciaio (per esempio., AHSS, Acciaio DP), maggiore è l'energia elastica residua.
B. L'influenza delle proprietà dei materiali
I parametri di input chiave per la previsione del ritorno elastico sono:
- Forza di snervamento (\(\sigma_y\)) e resistenza alla trazione massima (UTS): HSS ha un valore molto più alto \(\sigma_y\), aumentando drasticamente l’entità del ritorno elastico.
- Modulo elastico (\(E\)): Per la maggior parte degli acciai, \(E\) è relativamente costante (ca. \(200 \testo{ GPa}\)), ma influenza la rigidità complessiva.
- Esponente di indurimento della deformazione (\(n\)): La quantità di incrudimento che si verifica durante la formatura influisce sull'efficacia \(\sigma_y\) nei passaggi successivi, complicando il calcolo.
3. Strategie di compensazione nella progettazione di utensili (Piegamento eccessivo)
La compensazione si ottiene progettando il **profilo dell'utensile (motivo floreale)** essere leggermente diverso dal profilo finale della parte desiderata.
UN. Piegatura eccessiva diretta
Questa è la tecnica più comune. Nel passaggio finale, l'angolo dei rulli (\(\alfa_{\testo{rotolo}}\)) viene ridotto rispetto all'angolo target (\(\alfa_{\testo{bersaglio}}\)) di una quantità pari all'angolo di ritorno elastico previsto (\(\Delta \alpha\)):
Per l'HSS, questa quantità di piegatura eccessiva è sostanzialmente maggiore rispetto a quella dell'acciaio dolce, a volte è necessario che gli spazi tra i rulli vengano chiusi più stretti dello spessore del materiale per indurre una maggiore deformazione plastica.
B. Flessione della tensione (Allungamento)
L'applicazione di una **tensione longitudinale** controllata alla striscia durante il processo di formatura può ridurre significativamente il ritorno elastico. La tensione sposta l'asse neutro di piegatura verso l'interno del raggio di curvatura, forzando una parte maggiore della sezione trasversale del materiale nella regione di deformazione a trazione plastica e riducendo il contenuto di deformazione elastica. Ciò è comunemente ottenuto utilizzando:
- Rotoli di ripartizione: Nelle prime tribune, lo spazio tra i rulli viene regolato per allungare leggermente il nastro centrale.
- Svolgimento/avanzamento controllato: La tensione posteriore sullo svolgitore può essere regolata con precisione.
4. Metodo degli elementi finiti (FEM) Simulazione
Per profili HSS complessi (come gli arcarecci C/Z, Piano di calpestio, o travi automobilistiche), i modelli teorici sono insufficienti a causa degli effetti cumulativi multi-pass e dei complessi stati di stress tridimensionali. Metodo degli elementi finiti (FEM) la simulazione è obbligatoria.
Il processo FEM prevede:
- Meshing: La striscia metallica è divisa in migliaia di piccoli elementi.
- Modellazione: I profili dei rulli, proprietà del materiale (compresa l'anisotropia e la curva di indurimento), e vengono immessi i coefficienti di attrito.
- Simulazione: Viene simulato il movimento progressivo del nastro attraverso i cavalletti, tenere traccia della storia di stress e deformazione per ogni elemento.
- Calcolo dello scarico/ritorno elastico: Dopo il passaggio finale, i carichi di formatura simulati vengono rimossi, e il software calcola il recupero elastico del modello per prevedere la forma del profilo finale con elevata precisione.
- Iterazione: Il progettista del rullo modifica quindi la geometria del rullo (l'angolo e il raggio di piegatura eccessiva) nel software finché la forma finale simulata non corrisponde alle specifiche target, un processo che può comportare dozzine di iterazioni prima che l'attrezzatura fisica venga tagliata.
In sintesi, compensazione del ritorno elastico, soprattutto nella profilatura in HSS, evolve da semplici principi teorici alla meccanica computazionale avanzata (FEM) e un design raffinato degli utensili (piegatura eccessiva e flessione in tensione) per garantire che il prodotto finale soddisfi le strette tolleranze dimensionali richieste.
