El springback es una de las formas más comunes de chatarra en el procesamiento de chapa, así como una de las dificultades técnicas en los procesos de plegado.
Al mismo tiempo, también es uno de los principales defectos en el proceso de estampado de chapa, afectando seriamente la precisión dimensional y la calidad de la apariencia de las piezas. Es un defecto difícil de controlar en los procesos de producción prácticos.
1. Fenómeno del resorte elástico de la chapa
El springback es una deformación elástica inversa que se produce durante la descarga y es un fenómeno común en el proceso de estampado de chapa.
La recuperación elástica es particularmente severa durante los procesos de doblado y estirado, lo que tiene un impacto significativo en la precisión dimensional, la eficiencia de producción y los beneficios económicos de las piezas.
2. Mecanismo de recuperación elástica de chapa metálica
Cuando una lámina de metal se somete a un momento de flexión externo, primero sufre una deformación elástica por flexión.
En la etapa de curvatura elástica, la deformación de la chapa es mínima cuando el radio de curvatura es grande y el radio de curvatura interior de la chapa no coincide con el radio de la esquina del punzón.
En la zona de deformación por flexión, el material en el lado interior de la curvatura (cerca del lado del punzón) se comprime y acorta, y el estado de tensión es compresión uniaxial.
El lado exterior de la curvatura (cerca del lado de la matriz) de la chapa se estira y se alarga, y el estado de tensión es tensión uniaxial.
Desde el interior hacia el exterior de la superficie plegada, el grado de acortamiento y estiramiento disminuye gradualmente, y hay una capa de fibras entre las dos zonas de deformación donde la longitud permanece constante y la deformación es cero, llamada capa neutra.
Asimismo, entre la transición de la tensión de tracción a la tensión de compresión, existe una capa de tensión donde la tensión tangencial es cero, llamada capa de tensión neutra.
En general, se considera que estas dos capas neutras de diferentes propiedades se superponen en una sola capa neutra.
A medida que aumenta el momento de flexión, aumenta la deformación por flexión de la chapa y el metal de las superficies interior y exterior de la chapa alcanza primero el límite elástico.
La lámina de metal comienza a pasar de la etapa de deformación elástica a la etapa de deformación elástico-plástica, y la distribución de tensiones cambia con el aumento del momento flector.
La zona de deformación plástica se expande desde la superficie hacia adentro y la zona de deformación elástica en el medio de la lámina disminuye gradualmente, hasta que toda la sección transversal entra en estado plástico.
La segunda imagen en la Figura 1 muestra el cambio de tensión causado por el momento flector inverso. La tercera imagen muestra la tensión residual que puede provocar el retorno elástico. La razón principal del retorno elástico a la flexión se debe a la deformación elástica del material.
Cuando se dobla una lámina de metal, la capa interior se somete a tensiones de compresión y la capa exterior a tensiones de tracción.
Aunque estas dos tensiones exceden el límite elástico durante la flexión elástico-plástica, de hecho, siempre habrá una zona de deformación elástica donde la tensión es menor que el límite elástico durante la transición de tensión de tracción a tensión de compresión.
Debido a la presencia de la zona elástica, la pieza de trabajo inevitablemente rebotará después de la descarga.
Cuando el radio de curvatura relativo es mayor, la proporción de la zona de deformación elástica es mayor, lo que hace que este tipo de recuperación elástica sea más significativo.
Para explicar la recuperación elástica de manera más intuitiva, se introduce una fórmula para la cantidad de recuperación elástica.
El springback es una deformación elástica inversa que se produce durante la descarga después de la flexión. La fórmula de cálculo clásica para la recuperación elástica de chapa es:
Donde: Δρ es el cambio de curvatura; ρ es el radio de curvatura antes de la descarga; ρ' es el radio de curvatura después de la descarga; M es el momento flector; E es el módulo de elasticidad; I es el momento de inercia de la sección plegada bruta; eres el ratio de Poisson; t es el momento de flexión interna de la lámina antes del retorno elástico.
Reordenando la fórmula anterior, podemos obtener la relación entre el radio de curvatura antes y después de la descarga:
De las relaciones entre los parámetros en la ecuación anterior, podemos ver que la diferencia en el radio de curvatura de la parte doblada antes y después de la descarga, es decir, la cantidad de recuperación elástica, está determinada por el momento flector M, el momento de inercia L la forma de la sección transversal de la pieza en bruto, el módulo de elasticidad E del material y el radio de curvatura ρ de la deformación por flexión.
Cuanto mayor sea el momento flector M aplicado a la pieza en bruto antes de la descarga, mayor será el radio de curvatura ρ de la deformación por flexión.
Cuanto menor sea el módulo de elasticidad E del material, mayor será la cantidad de recuperación elástica.
Si hay dos partes rectas del brazo a ambos lados de la parte doblada, el fenómeno de recuperación elástica que se produce durante la descarga también se manifestará como un cambio en el ángulo entre los dos brazos rectos.
Cuando se produce una recuperación elástica durante la descarga, la longitud de la capa neutra en la parte doblada no cambia.
Por lo tanto,
donde ρ y ρ' son los radios de curvatura antes y después de la descarga, y θ y θ' son los ángulos antes y después de la descarga.
En operaciones prácticas, para asegurar el ángulo de la parte doblada, se debe considerar el ángulo de los troqueles superior e inferior en el diseño del molde de compresión.
Dado que hay muchos factores que afectan el tamaño del ángulo de recuperación elástica, es muy difícil calcular su tamaño con precisión. Generalmente se utilizan como referencia algunos datos empíricos.
3. Medidas para resolver el Springback
(1) Elija el material adecuado.
Bajo la premisa de cumplir con los requisitos, se deben utilizar materiales con límites elásticos más bajos y módulos elásticos más altos tanto como sea posible para reducir o eliminar la recuperación elástica y lograr una mayor calidad de flexión.
Además, la tolerancia del espesor de la pieza en bruto, la calidad del acabado superficial y la planitud tienen una gran influencia en el retorno elástico a la flexión. Para piezas con requisitos de alta precisión de flexión, es particularmente importante fortalecer la selección de la calidad de la pieza en bruto.
(2) Diseñar una estructura de piezas razonable.
Elija un radio de curvatura relativo más pequeño. Un radio de curvatura relativo más pequeño es beneficioso para reducir la recuperación elástica.
Generalmente, cuando el radio de curvatura es ≤3-5 veces el espesor de la chapa, se considera que toda la zona de curvatura de la chapa ha entrado en estado plástico. Sin embargo, un radio de curvatura demasiado pequeño puede provocar grietas en la zona de curvatura.
El radio de curvatura mínimo del material indicado en la literatura actual se basa principalmente en datos empíricos y puede utilizarse como referencia para diseñar el radio de curvatura de la pieza.
Cambie la forma del producto sin cambiar la función original del producto, realice bridas o dobleces en la parte doblada, o presione nervaduras de refuerzo adecuadas en el punto de doblado.
Se restringirá la deformación elástica, lo que no solo puede reducir la recuperación elástica después de la flexión, sino también mejorar la rigidez de las piezas.
(3) Diseñar un proceso de capacitación razonable.
Corrija la curva.
El ángulo de recuperación elástica de la flexión corregida es significativamente menor que el de la flexión libre, y cuanto mayor es la fuerza de corrección, menor es la recuperación elástica.
La fuerza de corrección concentrará la fuerza de punzonado en la zona de deformación por flexión, forzando la extrusión de la capa metálica interna.
Después de enderezar la lámina, tanto la capa interior como la exterior se estiran, y las tendencias de recuperación elástica de las zonas de tensión y compresión después de la descarga se compensan entre sí, reduciendo así la recuperación elástica. Este método es adecuado para pequeñas esquinas redondeadas con una pequeña zona de deformación.
Tratamiento térmico.
Para algunos materiales duros y materiales que han sido trabajados en frío y endurecidos, el recocido antes de doblarlos puede reducir su dureza y límite elástico, reduciendo así la recuperación elástica. Al mismo tiempo, también puede reducir la fuerza de flexión y luego endurecerse después de doblarse.
El recocido generalmente utiliza recristalización, recocido normal y brillante. El templado local de la parte doblada de la lámina de metal puede reducir el límite elástico y lograr el objetivo de eliminar el retorno elástico.
Flexión excesiva.
Durante el proceso de producción de plegado, debido a la recuperación elástica de la chapa, aumentará el ángulo de deformación y el radio de curvatura de la chapa.
Por lo tanto, se puede utilizar un método para hacer que el grado de deformación de la lámina metálica en el molde exceda el grado teórico de deformación para reducir la recuperación elástica.
Doblado en caliente.
Se puede utilizar calentamiento y doblado, y se pueden seleccionar temperaturas adecuadas según los diferentes tipos de chapa. Debido a un tiempo de ablandamiento suficiente, se puede reducir la cantidad de recuperación elástica.
Levanta la flexión.
Las piezas con radios de curvatura relativos relativamente grandes pueden utilizar el método de ahuecamiento y flexión. Este método aplica tensión tangencial mientras se dobla la chapa para cambiar el estado y la distribución de la tensión dentro de la chapa.
La magnitud del esfuerzo de tracción aplicado debe causar que el esfuerzo total en cada punto de la zona de deformación por flexión sea ligeramente mayor que el límite elástico del material, permitiendo que toda la sección esté en el rango de deformación plástica por tracción.
De esta manera, la dirección tensión-deformación de las zonas interior y exterior es consistente y, después de la descarga, las tendencias de recuperación elástica de las capas interior y exterior se compensan entre sí, reduciendo la recuperación elástica.
Endurecimiento de la esquina interior.
La compresión se aplica desde dentro del área de flexión para eliminar el retorno elástico. Este método es más eficaz cuando hay curvaturas simétricas en ambos lados de la chapa en forma de U.
Las curvas en forma de L a veces producen desviaciones dimensionales, por lo que este método no es adecuado para formar productos que requieren resistencia y elasticidad.
Controlar el estrés residual.
Al dibujar y formar, agregue formas convexas locales (protuberancias circulares) en la superficie de la herramienta y luego elimine la forma agregada en el proceso posterior para cambiar el equilibrio de la tensión residual en el material y eliminar la recuperación elástica.
(4) Diseñe un espacio libre razonable para el molde.
Para el doblado en forma de U, la recuperación elástica disminuye a medida que aumenta la profundidad de apertura del molde cóncavo y disminuye el espacio del molde. La holgura del molde se debe mantener entre el 110% y el 115% del espesor de la chapa para lograr efectos óptimos de control de formación y recuperación elástica.
Para requisitos de alta precisión de flexión, el valor de holgura del lado de flexión se puede establecer de acuerdo con el espesor de la hoja, utilizando curvas ligeramente más delgadas para reducir la recuperación elástica.
También se puede utilizar tecnología de flexión por tracción o moldes de separación ajustables para reducir la recuperación elástica. Para doblar en forma de V, preste atención a controlar la altura del molde cerrado.
(5) Elija una estructura de molde razonable.
Utilice moldes para doblar caucho de poliuretano.
Los moldes de caucho de poliuretano se pueden utilizar para doblar piezas con piezas delgadas.
Debido a que los moldes para doblar caucho de poliuretano pueden transmitir la presión de manera uniforme en todas las direcciones y lograr un doblado sin espacios, la pieza doblada se ajusta perfectamente a la superficie convexa del molde, colocando la pieza en un estado de tensión de compresión de tres vías. Incluso se puede conseguir una curvatura similar al dibujo, reduciendo la recuperación elástica y consiguiendo una alta calidad de curvatura.
Utilice moldes de curvatura en forma de cuña inclinada.
Los moldes de doblado de cuña inclinada utilizan el método de doblado de corrección de extrusión, que generalmente puede obtener piezas dobladas de mayor calidad.
Para piezas de trabajo con altos requisitos de precisión en blanco, el hombro del molde se puede utilizar para presionar longitudinalmente el extremo de la parte doblada, permitiendo que tanto el lado interior como el exterior de la zona de deformación por flexión reciban tensión de compresión para reducir el retorno elástico.
Método de compensación.
En función de la dirección y la magnitud de la recuperación elástica de la parte doblada, la forma geométrica y el tamaño de la parte funcional del molde se pueden controlar para compensar la recuperación elástica después de la flexión. En el doblado de un solo ángulo, el molde convexo se reduce mediante un ángulo de recuperación elástica.
En el doblado de doble ángulo, se hace una pendiente igual al ángulo de recuperación elástica en la pared del molde convexo de modo que se pueda realizar la compensación correspondiente para el ángulo de recuperación elástica después del doblado, o la placa superior y la parte inferior del molde convexo se fabrican en una forma de arco, de modo que la superficie curva en la parte inferior de la pieza vuelva a ser recta después de la recuperación elástica, y se compense la recuperación elástica en ambos lados.
La compensación de recuperación elástica de chapa basada en la tecnología CAE también se puede utilizar para procesar el modelo matemático CAD después de la compensación de recuperación elástica, lo que reduce el número de correcciones de recuperación elástica reales.
