Q2: Як прогнозується та компенсується ефект пружності в конструкції інструменту для формування валків, особливо для високоміцної сталі (HSS) профілі?
The пружинний ефект— пружне відновлення матеріалу після його пластичної деформації — це найбільша технічна проблема в дизайні формування валків, особливо при обробці Високоміцна сталь (HSS). Прогнозування та компенсація спираються на комбінацію теоретичних моделей, емпіричні дані, та складні методи чисельного моделювання.
1. Фізика Springback
Пружинна віддача виникає тому, що не всі навантаження, що застосовуються під час процесу згинання, є постійними (пластик) деформація; частина напруги залишається в матеріалі як залишкова пружна деформація. Коли матеріал виходить із кліті, формувальне навантаження знімається, і ця накопичена пружна енергія вивільняється, в результаті чого кінцевий кут вигину деталі відкривається (збільшення) а радіус збільшити порівняно з формою інструменту.
А. Кут відкидання (\(\Delta \alpha\))
Різниця між кутом нахилу матриці (\(\alpha_d\)) і кут кінцевої частини (\(\alpha_p\)) – кут відкидання (\(\Delta \alpha\)):
Б. Спрингбек Коефіцієнт (\(S_R\))
Загальною мірою є коефіцієнт пружності, \(K\), що є відношенням кінцевого радіуса (\(R_f\)) до початкового радіуса (\(R_i\)):
Для вдалого дизайну, радіус обробки (\(R_{\текст{інструмент}}\)) має бути **перегнутий** до меншого радіусу (\(R_{\текст{інструмент}} < R_{\текст{остаточний}}\)) компенсувати.
2. Теоретичні моделі для прогнозування
Величина пружності прямо пропорційна модулю пружності (\(E\)) і межа текучості (\(\sigma_y\)), і обернено пропорційна товщині матеріалу (\(t\)) і радіус вигину (\(R\)).
А. Проста теорія згину (Спрощене рівняння)
Для матеріалу, зігнутого по радіусу \(R\) і товщина \(t\), спрощене співвідношення для зміни кривизни (\(\Delta \kappa = \frac{1}{R_f} – \frac{1}{R_{\текст{інструмент}}}\)) часто апроксимується:
Це рівняння підкреслює, що **вищий межа текучості (\(\sigma_y\)) призводить до значно більшої пружності** (пропорційно \(\sigma_y^2\)), тому HSS є серйозною проблемою. Чим вище міцність сталі (напр., AHSS, ДП Сталь), тим більше залишкова пружна енергія.
Б. Вплив властивостей матеріалу
Ключовими вхідними параметрами для прогнозування відскоку є:
- Межа текучості (\(\sigma_y\)) і гранична міцність на розрив (UTS): HSS має набагато вище \(\sigma_y\), різко збільшуючи величину відкидання.
- Модуль пружності (\(E\)): Для більшості сталей, \(E\) є відносно постійним (прибл. \(200 \текст{ ГПа}\)), але це впливає на загальну жорсткість.
- Показник деформаційного зміцнення (\(n\)): Величина зміцнення, яке відбувається під час формування, впливає на ефективність \(\sigma_y\) у наступних проходах, ускладнення розрахунку.
3. Стратегії компенсації в проектуванні інструментів (Надмірне згинання)
Компенсація досягається шляхом розробки **профілю інструменту (квітковий візерунок)** дещо відрізнятися від бажаного кінцевого профілю частини.
А. Пряме надмірне згинання
Це найпоширеніша техніка. У фінальному проході, кут нахилу валків (\(\alpha_{\текст{рол}}\)) робиться меншим за цільовий кут (\(\alpha_{\текст{мета}}\)) величиною, яка дорівнює прогнозованому куту відскоку (\(\Delta \alpha\)):
Для HSS, ця величина перевигину значно більша, ніж для м'якої сталі, іноді вимагають, щоб зазори між роликами були закриті щільніше, ніж товщина матеріалу, щоб викликати більшу пластичну деформацію.
Б. Розтягнення згинання (Розтягування)
Застосування контрольованого **поздовжнього натягу** до стрічки під час процесу формування може значно зменшити пружинну віддачу. Натяг зміщує нейтральну вісь згину всередину радіуса згину, посилення більшої частини поперечного перерізу матеріалу в область пластичної деформації розтягування та зменшення вмісту пружної деформації. Це зазвичай досягається за допомогою:
- Розбивка Роллс: У ранніх трибунах, зазор між валками регулюється так, щоб трохи розтягнути центральне полотно.
- Контрольоване розмотування/подача: Зворотний натяг на розмотувачі можна точно регулювати.
4. Метод скінченних елементів (FEM) Симуляція
Для складних профілів HSS (як C/Z Purlins, Профнастил, або Автомобільні балки), теоретичних моделей недостатньо через багатопрохідні кумулятивні ефекти та складні тривимірні напружені стани. Метод скінченних елементів (FEM) моделювання є обов'язковим.
Процес FEM передбачає:
- Мешінг: Металева стрічка розділена на тисячі дрібних елементів.
- Моделювання: Рулонні профілі, властивості матеріалу (включаючи анізотропію та криву зміцнення), і вводяться коефіцієнти тертя.
- Симуляція: Імітується поступальний рух смуги по трибунах, відстеження історії напруг і деформацій для кожного елемента.
- Розрахунок розвантаження/відкидання: Після фінального проходу, змодельовані формувальні навантаження видаляються, і програмне забезпечення розраховує пружне відновлення моделі для прогнозування кінцевої форми профілю з високою точністю.
- Ітерація: Потім дизайнер рулону змінює геометрію рулону (кут і радіус перегину) у програмному забезпеченні, доки змодельована остаточна форма не відповідатиме цільовим специфікаціям, процес, який може включати десятки ітерацій, перш ніж фізичний інструмент буде вирізано.
Підсумовуючи, компенсація пружинної віддачі, особливо при формуванні рулонів HSS, розвивається від простих теоретичних принципів до передової обчислювальної механіки (FEM) і вдосконалений дизайн інструментів (перегинання і згинання напруги) щоб кінцевий продукт відповідав необхідним жорстким допускам на розміри.
