2 квартал: Как прогнозируется и компенсируется эффект пружинения при проектировании профилегибочной оснастки?, особенно для высокопрочной стали (HSS) профили?
The springback effect—the elastic recovery of a material after it has been plastically deformed—is the single greatest technical challenge in roll forming design, especially when processing High-Strength Steel (HSS). Prediction and compensation rely on a combination of theoretical models, empirical data, and sophisticated numerical simulation techniques.
1. The Physics of Springback
Springback occurs because not all the stress applied during the bending process causes permanent (plastic) deformation; a portion of the stress remains in the material as residual elastic strain. When the material exits the roll stand, the forming load is removed, and this stored elastic energy is released, causing the part’s final bend angle to open up (increase) and the radius to increase compared to the shape of the tooling.
А. Springback Angle (\(\Delta \alpha\))
Разница между углом штампа (\(\alpha_d\)) и конечный угол детали (\(\alpha_p\)) это угол упругого возврата (\(\Delta \alpha\)):
Б. Коэффициент упругости (\(S_R\))
Распространенной мерой является коэффициент упругости., \(K\), что является отношением конечного радиуса (\(R_f\)) до начального радиуса (\(R_i\)):
Для успешного дизайна, радиус инструмента (\(Р_{\текст{инструмент}}\)) должен быть **перегнут** до меньшего радиуса (\(Р_{\текст{инструмент}} < Р_{\текст{финальный}}\)) компенсировать.
2. Теоретические модели для прогнозирования
Величина упругого возврата прямо пропорциональна модулю упругости. (\(E\)) и предел текучести (\(\sigma_y\)), и обратно пропорциональна толщине материала (\(t\)) и радиус изгиба (\(R\)).
А. Простая теория изгиба (Упрощенное уравнение)
Для материала, изогнутого по радиусу \(R\) и толщина \(t\), упрощенное соотношение для изменения кривизны (\(\Delta \kappa = \frac{1}{Р_ф} – \гидроразрыв{1}{Р_{\текст{инструмент}}}\)) часто аппроксимируется:
Это уравнение подчеркивает, что **более высокий предел текучести (\(\sigma_y\)) приводит к значительному увеличению упругости** (пропорционально \(\sigma_y^2\)), вот почему УСЗ представляет собой серьезную проблему. Чем выше прочность стали (например, АХСС, ДП Сталь), тем больше остаточная упругая энергия.
Б. Влияние свойств материала
Ключевые входные параметры для прогнозирования упругого возврата::
- Предел текучести (\(\sigma_y\)) и предельная прочность на разрыв (ОТС): HSS имеет гораздо более высокий \(\sigma_y\), резко увеличивая величину пружинения.
- Модуль упругости (\(E\)): Для большинства сталей, \(E\) является относительно постоянным (приблизительно. \(200 \текст{ ГПа}\)), но это влияет на общую жесткость.
- Показатель деформационного упрочнения (\(n\)): Степень наклепа, возникающего во время формовки, влияет на эффективность \(\sigma_y\) в последующих проходах, усложнение расчета.
3. Стратегии компенсации при проектировании оснастки (Чрезмерный изгиб)
Компенсация достигается за счет разработки **профиля оснастки. (цветочный узор)** немного отличаться от окончательного желаемого профиля детали.
А. Прямой перегиб
Это самая распространенная техника. В финальном проходе, угол рулонов (\(\альфа_{\текст{рулон}}\)) делается меньше заданного угла (\(\альфа_{\текст{цель}}\)) на величину, равную прогнозируемому углу упругого возврата (\(\Delta \alpha\)):
Для HSS, эта величина перегиба значительно больше, чем для мягкой стали., иногда требуется, чтобы зазоры между валками закрывались плотнее, чем толщина материала, чтобы вызвать большую пластическую деформацию.
Б. Натяжение, изгиб (Растяжка)
Применение контролируемого **продольного натяжения** к полосе в процессе формования может значительно снизить упругость.. Натяжение смещает нейтральную ось изгиба внутрь радиуса изгиба., перемещение большей части поперечного сечения материала в область пластической деформации растяжения и уменьшение содержания упругой деформации. Обычно это достигается с помощью:
- Разбивочные броски: На первых трибунах, зазор между валками регулируется так, чтобы слегка растянуть центральное полотно.
- Контролируемое разматывание/подача: Обратное натяжение разматывателя можно точно регулировать..
4. Метод конечных элементов (ФЭМ) Моделирование
Для сложных профилей HSS (как C/Z прогоны, Террасная доска, или Автомобильные балки), теоретические модели недостаточны из-за многопроходных кумулятивных эффектов и сложных трехмерных напряженных состояний.. Метод конечных элементов (ФЭМ) моделирование является обязательным.
Процесс FEM включает в себя:
- Сетка: Металлическая полоса разделена на тысячи мелких элементов..
- Моделирование: Рулонные профили, свойства материала (включая анизотропию и кривую закалки), и коэффициенты трения вводятся.
- Моделирование: Имитируется поступательное движение полосы по трибунам., отслеживание истории напряжений и деформаций для каждого элемента.
- Расчет разгрузки/пружинения: После финального прохода, моделируемые формовочные нагрузки удаляются, и программное обеспечение рассчитывает упругое восстановление модели, чтобы с высокой точностью предсказать окончательную форму профиля..
- Итерация: Затем конструктор валков изменяет геометрию валков. (угол и радиус перегиба) в программном обеспечении до тех пор, пока смоделированная окончательная форма не будет соответствовать целевым спецификациям., процесс, который может включать десятки итераций, прежде чем будут вырезаны физические инструменты.
В итоге, компенсация за пружинение, особенно при профилировании рулонов HSS, развивается от простых теоретических принципов к продвинутой вычислительной механике (ФЭМ) и усовершенствованный дизайн оснастки (чрезмерный изгиб и изгиб с напряжением) чтобы гарантировать, что конечный продукт соответствует требуемым жестким размерным допускам..
