Springback é uma das formas mais comuns de sucata no processamento de chapas metálicas, bem como uma das dificuldades técnicas nos processos de dobra.
Ao mesmo tempo, é também um dos principais defeitos no processo de estampagem de chapas metálicas, afetando seriamente a precisão dimensional e a qualidade da aparência das peças. É um defeito difícil de controlar em processos práticos de produção.
1. Fenômeno Springback de Chapa Metálica
Springback é uma deformação elástica reversa que ocorre durante a descarga e é um fenômeno comum no processo de estampagem de chapas metálicas.
O Springback é particularmente severo durante os processos de dobra e trefilação, o que tem um impacto significativo na precisão dimensional, na eficiência da produção e nos benefícios econômicos das peças.
2. Mecanismo de Springback de Chapa Metálica
Quando uma chapa metálica é submetida a um momento fletor externo, ela primeiro sofre deformação elástica por flexão.
No estágio de flexão elástica, a deformação da chapa metálica é mínima quando o raio de curvatura é grande e o raio de curvatura interno da chapa metálica não coincide com o raio do canto do punção.
Na zona de deformação por flexão, o material no lado interno da dobra (próximo ao lado do punção) é comprimido e encurtado, e o estado de tensão é compressão uniaxial.
O lado externo da dobra (perto do lado da matriz) da chapa metálica é esticado e alongado, e o estado de tensão é a tensão uniaxial.
De dentro para fora da superfície dobrada, o grau de encurtamento e alongamento diminui gradativamente, e há uma camada de fibras entre as duas zonas de deformação onde o comprimento permanece constante e a deformação é zero, chamada camada neutra.
Da mesma forma, entre a transição da tensão de tração para a tensão de compressão, existe uma camada de tensão onde a tensão tangencial é zero, chamada camada de tensão neutra.
Em geral, considera-se que estas duas camadas neutras de propriedades diferentes se sobrepõem numa única camada neutra.
À medida que o momento fletor aumenta, a deformação por flexão da chapa metálica aumenta e o metal nas superfícies interna e externa da chapa atinge primeiro o limite de escoamento.
A chapa metálica começa a transição do estágio de deformação elástica para o estágio de deformação elástico-plástica, e a distribuição de tensões muda com o aumento do momento fletor.
A zona de deformação plástica se expande da superfície para dentro e a zona de deformação elástica no meio da chapa diminui gradualmente, até que toda a seção transversal entre no estado plástico.
A segunda imagem da Figura 1 mostra a mudança de tensão causada pelo momento fletor reverso. A terceira imagem mostra a tensão residual que pode causar retorno elástico. A principal razão para o retorno elástico à flexão é devido à deformação elástica do material.
Quando a chapa metálica é dobrada, a camada interna é submetida a tensões de compressão e a camada externa é submetida a tensões de tração.
Embora estas duas tensões excedam a tensão de escoamento durante a flexão elástico-plástica, na verdade, sempre haverá uma zona de deformação elástica onde a tensão é inferior à tensão de escoamento durante a transição da tensão de tração para a tensão de compressão.
Devido à presença da zona elástica, a peça de trabalho irá inevitavelmente saltar para trás após a descarga.
Quando o raio de curvatura relativo é maior, a proporção da zona de deformação elástica é maior, o que torna este tipo de retorno elástico mais significativo.
Para explicar o retorno elástico de forma mais intuitiva, é introduzida uma fórmula para a quantidade de retorno elástico.
O retorno elástico é uma deformação elástica reversa que ocorre durante a descarga após a flexão. A fórmula de cálculo clássica para retorno elástico de chapa metálica é:
Onde: Δρ é a mudança na curvatura; ρ é o raio de curvatura antes do descarregamento; ρ' é o raio de curvatura após o descarregamento; M é o momento fletor; E é o módulo de elasticidade; I é o momento de inércia da seção bruta dobrada; você é o índice de Poisson; t é o momento fletor interno da chapa antes do retorno elástico.
Reorganizando a fórmula acima, podemos obter a relação entre o raio de curvatura antes e depois do descarregamento:
A partir das relações entre os parâmetros da equação acima, podemos ver que a diferença no raio de curvatura da peça dobrada antes e depois do descarregamento, ou seja, a quantidade de retorno elástico, é determinada pelo momento fletor M, o momento de inércia EU da forma da seção transversal da peça bruta, do módulo de elasticidade E do material e do raio de curvatura ρ da deformação por flexão.
Quanto maior o momento fletor M aplicado à peça bruta antes do descarregamento, maior será o raio de curvatura ρ da deformação por flexão.
Quanto menor o módulo de elasticidade E do material, maior será a quantidade de retorno elástico.
Se houver duas partes retas do braço em ambos os lados da parte dobrada, o fenômeno de retorno elástico que ocorre durante a descarga também se manifestará como uma mudança no ângulo entre os dois braços retos.
Quando ocorre a recuperação elástica durante o descarregamento, o comprimento da camada neutra na peça dobrada não muda.
Portanto,
onde ρ e ρ' são os raios de curvatura antes e depois do descarregamento, e θ e θ' são os ângulos antes e depois do descarregamento.
Nas operações práticas, para garantir o ângulo da parte dobrada, o ângulo das matrizes superior e inferior deve ser considerado no projeto do molde de compressão.
Como existem muitos fatores que afetam o tamanho do ângulo de retorno elástico, é muito difícil calcular com precisão seu tamanho. Geralmente, alguns dados empíricos são usados como referência.
3. Medidas para resolver Springback
(1) Escolha o material apropriado.
Sob a premissa de atender aos requisitos, materiais com limites de escoamento mais baixos e módulos elásticos mais elevados devem ser utilizados tanto quanto possível para reduzir ou eliminar o retorno elástico e obter maior qualidade de flexão.
Além disso, a tolerância de espessura da peça bruta, a qualidade do acabamento superficial e a planicidade têm grande influência no retorno elástico à flexão. Para peças com requisitos de alta precisão de dobra, é particularmente importante fortalecer a seleção da qualidade da peça bruta.
(2) Projete uma estrutura de peças razoável.
Escolha um raio de curvatura relativo menor. Um raio de curvatura relativo menor é benéfico para reduzir o retorno elástico.
Geralmente, quando o raio de curvatura é ≤3-5 vezes a espessura da chapa metálica, considera-se que toda a zona de dobra da chapa entrou no estado plástico. No entanto, um raio de curvatura muito pequeno pode causar rachaduras na zona de curvatura.
O raio de curvatura mínimo do material fornecido na literatura atual é baseado principalmente em dados empíricos e pode ser usado como referência para projetar o raio de curvatura da peça.
Altere a forma do produto sem alterar a função original do produto, execute flangeamento ou dobra na parte dobrada ou pressione nervuras de reforço adequadas no ponto de dobra.
A deformação do retorno elástico será restrita, o que pode não apenas reduzir o retorno elástico após a flexão, mas também melhorar a rigidez das peças.
(3) Projete um processo de formação razoável.
Corrija a curva.
O ângulo de retorno elástico da flexão corrigida é significativamente menor do que o da flexão livre, e quanto maior a força de correção, menor o retorno elástico.
A força de correção concentrará a força de punção na zona de deformação por flexão, forçando a extrusão da camada interna de metal.
Depois que a folha é corrigida, ambas as camadas interna e externa são esticadas, e as tendências de retorno elástico das zonas de tensão e compressão após o descarregamento se compensam, reduzindo assim o retorno elástico. Este método é adequado para pequenos cantos arredondados com uma pequena zona de deformação.
Tratamento térmico.
Para alguns materiais duros e materiais que foram trabalhados a frio e endurecidos, o recozimento antes da dobra pode reduzir sua dureza e tensão de escoamento, reduzindo assim o retorno elástico. Ao mesmo tempo, também pode reduzir a força de flexão e então endurecer após a flexão.
O recozimento geralmente usa recristalização, recozimento normal e brilhante. O revenido local da parte dobrada da chapa metálica pode reduzir o limite de escoamento e atingir o objetivo de eliminar o retorno elástico.
Dobra excessiva.
Durante o processo de produção de dobra, devido à recuperação elástica da chapa metálica, o ângulo de deformação e o raio de curvatura da chapa aumentarão.
Portanto, um método para fazer com que o grau de deformação da chapa metálica no molde exceda o grau de deformação teórico pode ser usado para reduzir o retorno elástico.
Dobra quente.
Aquecimento e dobra podem ser usados, e temperaturas apropriadas podem ser selecionadas de acordo com diferentes tipos de chapas metálicas. Devido ao tempo de amolecimento suficiente, a quantidade de retorno elástico pode ser reduzida.
Puxe a flexão.
Peças com raios de curvatura relativos relativamente grandes podem usar o método de escavação e dobra. Este método aplica tensão tangencial enquanto dobra a chapa metálica para alterar o estado de tensão e a distribuição dentro da chapa metálica.
A magnitude da tensão de tração aplicada deve fazer com que a tensão total em cada ponto da zona de deformação por flexão seja ligeiramente maior que a tensão de escoamento do material, permitindo que toda a seção esteja na faixa de deformação por tração plástica.
Desta forma, a direção tensão-deformação das zonas interna e externa é consistente e, após a descarga, as tendências de retorno elástico das camadas interna e externa se compensam, reduzindo o retorno elástico.
Endurecimento do canto interno.
A compressão é aplicada de dentro da área de flexão para eliminar o retorno elástico. Este método é mais eficaz quando há dobras simétricas em ambos os lados da chapa metálica em uma dobra em forma de U.
As curvas em forma de L às vezes produzem desvios dimensionais, portanto este método não é adequado para formar produtos que exijam resistência e elasticidade.
Controle o estresse residual.
Ao desenhar e formar, adicione formas convexas locais (saliências circulares) na superfície da ferramenta e, em seguida, elimine a forma adicionada no processo subsequente para alterar o equilíbrio da tensão residual no material para eliminar o retorno elástico.
(4) Projete uma folga razoável do molde.
Para flexão em forma de U, o retorno elástico diminui à medida que a profundidade de abertura do molde côncavo aumenta e a folga do molde diminui. A folga do molde deve ser mantida entre 110% a 115% da espessura da chapa metálica para formação ideal e efeitos de controle de retorno elástico.
Para requisitos de alta precisão de dobra, o valor da folga lateral da dobra pode ser definido de acordo com a espessura da chapa, usando dobras ligeiramente mais finas para reduzir o retorno elástico.
A tecnologia de flexão por tração ou moldes com folga ajustável também podem ser usados para reduzir o retorno elástico. Para dobra em forma de V, preste atenção ao controle da altura do molde fechado.
(5) Escolha uma estrutura de molde razoável.
Use moldes para dobrar borracha de poliuretano.
Moldes de borracha de poliuretano podem ser usados para dobrar peças com peças finas.
Como os moldes para flexão de borracha de poliuretano podem transmitir pressão uniformemente em todas as direções e obter flexão sem folgas, a peça dobrada se ajusta perfeitamente à superfície convexa do molde, colocando a peça em um estado de tensão compressiva de três vias. Pode até conseguir uma dobra semelhante ao desenho, reduzindo o retorno elástico e alcançando alta qualidade de dobra.
Use moldes de dobra de cunha inclinados.
Os moldes de dobra em cunha inclinada usam o método de dobra por correção de extrusão, que geralmente pode obter peças dobradas de maior qualidade.
Para peças de trabalho com altos requisitos de precisão da peça bruta, o ressalto do molde pode ser usado para pressionar longitudinalmente a extremidade da peça dobrada, permitindo que ambos os lados interno e externo da zona de deformação por flexão recebam tensão de compressão para reduzir o retorno elástico.
Método de compensação.
Com base na direção e magnitude do retorno elástico da peça dobrada, a forma geométrica e o tamanho da parte funcional do molde podem ser controlados para compensar o retorno elástico após a dobra. Na flexão de ângulo único, o molde convexo é reduzido por um ângulo de retorno elástico.
Na dobra de ângulo duplo, uma inclinação igual ao ângulo de retorno elástico é feita na parede do molde convexo para que a compensação correspondente possa ser feita para o ângulo de retorno elástico após a dobra, ou a placa superior e a parte inferior do molde convexo são feitas em forma de arco, de modo que a superfície curva na parte inferior da peça fique reta novamente após o retorno elástico, e o retorno elástico em ambos os lados seja compensado.
A compensação de retorno elástico de chapa metálica baseada na tecnologia CAE também pode ser usada para processar o modelo matemático CAD após a compensação de retorno elástico, reduzindo o número de correções de retorno reais.
