2º trimestre: Como o efeito de retorno elástico é previsto e compensado no projeto de ferramentas de perfilagem, especialmente para aço de alta resistência (HSS) perfis?
O efeito de retorno elástico—a recuperação elástica de um material após ter sido deformado plasticamente—é o maior desafio técnico no projeto de perfilagem, especialmente ao processar Aço de alta resistência (HSS). A previsão e a compensação baseiam-se numa combinação de modelos teóricos, dados empíricos, e técnicas sofisticadas de simulação numérica.
1. A Física do Springback
O retorno elástico ocorre porque nem toda a tensão aplicada durante o processo de flexão causa (plástico) deformação; uma parte da tensão permanece no material como deformação elástica residual. Quando o material sai do suporte do rolo, a carga de formação é removida, e esta energia elástica armazenada é liberada, fazendo com que o ângulo de dobra final da peça se abra (aumentar) e o raio deve aumentar em comparação com o formato da ferramenta.
UM. Ângulo de retorno elástico (\(\Delta \alpha\))
A diferença entre o ângulo da matriz (\(\alpha_d\)) e o ângulo final da peça (\(\alpha_p\)) é o ângulo de retorno elástico (\(\Delta \alpha\)):
B. Taxa de retorno elástico (\(S_R\))
Uma medida comum é a taxa de retorno elástico, \(K\), qual é a razão entre o raio final (\(R_f\)) para o raio inicial (\(R_i\)):
Para um design de sucesso, o raio da ferramenta (\(R_{\texto{ferramenta}}\)) deve ser **curvado demais** para um raio menor (\(R_{\texto{ferramenta}} < R_{\texto{final}}\)) compensar.
2. Modelos teóricos para previsão
A magnitude do retorno elástico é diretamente proporcional ao módulo de elasticidade (\(E\)) e a força de rendimento (\(\sigma_y\)), e inversamente proporcional à espessura do material (\(t\)) e o raio de curvatura (\(R\)).
UM. Teoria de Flexão Simples (Equação Simplificada)
Para um material dobrado em um raio \(R\) e espessura \(t\), a relação simplificada para a mudança na curvatura (\(\Delta \kappa = \frac{1}{R_f} – \fratura{1}{R_{\texto{ferramenta}}}\)) é frequentemente aproximado por:
Esta equação destaca que **maior resistência ao escoamento (\(\sigma_y\)) leva a um retorno elástico significativamente maior** (proporcional a \(\sigma_y^2\)), é por isso que o HSS representa um grande desafio. Quanto maior a resistência do aço (por exemplo, AHSS, Aço DP), maior será a energia elástica residual.
B. A influência das propriedades dos materiais
Os principais parâmetros de entrada para previsão de retorno elástico são:
- Força de rendimento (\(\sigma_y\)) e resistência à tração final (UTS): HSS tem um valor muito maior \(\sigma_y\), aumentando drasticamente a magnitude do retorno elástico.
- Módulo Elástico (\(E\)): Para a maioria dos aços, \(E\) é relativamente constante (aprox.. \(200 \texto{ GPa}\)), mas influencia a rigidez geral.
- Expoente de endurecimento por deformação (\(n\)): A quantidade de endurecimento que ocorre durante a conformação afeta a eficácia \(\sigma_y\) nas passagens subsequentes, complicando o cálculo.
3. Estratégias de compensação no projeto de ferramentas (Flexão excessiva)
A compensação é obtida projetando o **perfil de ferramenta (padrão de flor)** ser ligeiramente diferente do perfil final da peça desejado.
UM. Flexão excessiva direta
Esta é a técnica mais comum. Na passagem final, o ângulo dos rolos (\(\alfa_{\texto{rolar}}\)) é menor que o ângulo alvo (\(\alfa_{\texto{alvo}}\)) por um valor igual ao ângulo de retorno elástico previsto (\(\Delta \alpha\)):
Para HSS, esta quantidade de flexão excessiva é substancialmente maior do que para o aço-carbono, às vezes exigindo que as lacunas do rolo sejam fechadas com mais força do que a espessura do material para induzir mais deformação plástica.
B. Flexão de tensão (Alongamento)
Aplicar **tensão longitudinal** controlada à tira durante o processo de conformação pode reduzir significativamente o retorno elástico. A tensão desloca o eixo neutro de flexão em direção ao interior do raio de curvatura, forçando mais da seção transversal do material para a região de deformação plástica de tração e reduzindo o conteúdo de deformação elástica. Isto é comumente conseguido usando:
- Rolos de detalhamento: Nas primeiras arquibancadas, a folga entre os rolos é ajustada para esticar levemente a teia central.
- Desbobinamento/Alimentação Controlada: A contratensão no desbobinador pode ser regulada com precisão.
4. Método dos Elementos Finitos (FEM) Simulação
Para perfis HSS complexos (como terças C/Z, Deck, ou Vigas automotivas), modelos teóricos são insuficientes devido a efeitos cumulativos de múltiplas passagens e estados de tensão tridimensionais complexos. Método dos Elementos Finitos (FEM) simulação é obrigatória.
O processo FEM envolve:
- Malha: A tira de metal é dividida em milhares de pequenos elementos.
- Modelagem: Os perfis de rolo, propriedades dos materiais (incluindo anisotropia e curva de endurecimento), e os coeficientes de atrito são inseridos.
- Simulação: Simula-se o movimento progressivo da tira pelas arquibancadas, rastreando o histórico de tensão e deformação para cada elemento.
- Cálculo de Descarga/Springback: Após a passagem final, as cargas de formação simuladas são removidas, e o software calcula a recuperação elástica do modelo para prever a forma final do perfil com alta precisão.
- Iteração: O designer do rolo então modifica a geometria do rolo (o ângulo e o raio de curvatura excessiva) no software até que a forma final simulada corresponda às especificações alvo, um processo que pode envolver dezenas de iterações antes que o ferramental físico seja cortado.
Resumindo, compensação por springback, especialmente na perfilagem HSS, evolui de princípios teóricos simples para mecânica computacional avançada (FEM) e design de ferramentas refinado (flexão excessiva e flexão por tensão) para garantir que o produto final atenda às rigorosas tolerâncias dimensionais exigidas.
