Explicação do retorno elástico na dobragem de chapas metálicas

A flexão de chapas metálicas envolve deformação plástica e elástica. Após a remoção do força de flexãoa deformação elástica desaparece imediatamente, restando apenas a deformação plástica.

Isso resulta em uma discrepância entre a forma e o tamanho da peça dobrada e a matriz de dobra, um fenômeno que chamamos de retorno elástico. O diagrama esquemático do retorno elástico é mostrado na Figura 1-1.

Em operações de dobra, o retorno elástico é uma ocorrência comum e um fator significativo que afeta a precisão das peças dobradas.

A diferença de forma e tamanho entre a peça dobrada e a matriz de dobra é conhecida como valor de retorno elástico. O ângulo de retorno elástico da dobra é denotado por ∆φ=φ-φ_凸e o valor de retorno elástico do raio de curvatura é denotado por ∆r=r-r_凸. Quando o raio de curvatura é grande, além de determinar o ângulo de retorno elástico ∆φ, o valor de retorno elástico ∆r da curvatura o raio também deve ser calculado.

1. Fatores que influenciam o retorno elástico de peças dobradas

Os fatores que influenciam o retorno elástico de peças dobradas são numerosos e altamente complexos. Aqui, discutiremos principalmente alguns dos mais significativos.

1.1 Impacto das propriedades mecânicas do material

O tamanho do ângulo de retorno elástico é diretamente proporcional à resistência ao escoamento α_a do material e inversamente proporcional ao módulo de elasticidade (E). Ou seja, quanto maior for a resistência ao escoamento e menor for o módulo de elasticidade do material, menor será o retorno elástico; inversamente, maior será o retorno elástico.

Para peças dobradas com requisitos de alta precisão, para minimizar o retorno elástico, o aço de baixo carbono deve ser escolhido em vez de materiais como aço de alto carbono ou aço inoxidável.

1.2 Impacto do raio de curvatura relativo

Quanto maior o raio de curvatura relativo (r/t), menor o grau de deformação por curvatura, resultando em uma região menor de deformação plástica dentro do blank e um grau menor de deformação geral. Assim, a proporção de deformação plástica na deformação total diminui, levando a um maior retorno elástico.

Por outro lado, um raio de flexão relativo menor significa um grau mais alto de deformação de flexão, resultando em um retorno elástico menor. Esse é um conceito importante. Quando as propriedades do material permitirem, o filete de peças dobradas de chapa metálica deve escolher o menor raio de curvatura possível para melhorar a precisão da usinagem.

É particularmente notável que as peças com grandes raios de curvatura apresentam certos desafios no controle da precisão e da qualidade da usinagem.

1.3 Influência do ângulo central de flexão (α)

Quando o raio de curvatura e a espessura do material são fixos, quanto maior o ângulo central de curvatura (α=180°-φ), maior a área envolvida na deformação de curvatura, e a quantidade acumulada de deformação elástica também aumenta, levando a um maior retorno elástico total.

Por outro lado, um ângulo central de flexão menor significa uma área de deformação menor, resultando em uma quantidade acumulada menor de deformação elástica e, portanto, em um retorno elástico total menor.

1.4 Impacto da força de flexão F

Considerando um determinado raio de curvatura, ângulo central e espessura do material, uma força de curvatura maior F resulta em menos retorno elástico, enquanto uma força de curvatura menor resulta em mais retorno elástico.

1.5 Impacto do método de flexão

Na flexão livre (conforme mostrado na Figura 1-2), a peça de trabalho sob a influência da ranhura da matriz rebate na mesma direção tanto na parte da borda reta quanto na parte R do canto redondo, resultando em um retorno elástico máximo e nenhum retorno elástico negativo. A direção do retorno elástico durante a flexão de correção da peça de trabalho é mostrada na Figura 1-3.

Em termos de retorno elástico da borda reta da peça de trabalho, sob a influência da superfície em forma de V da matriz, a peça bruta entra em contato com o punção em três pontos, conforme mostrado na Figura 1-3a. À medida que o punção continua a descer, a direção de deformação da borda reta é oposta à da flexão livre (veja a Figura 1-2).

Após a conclusão da flexão, sob o efeito da força de flexão, a superfície deformada produzida na peça bruta durante o processo de flexão é achatada novamente e adere completamente ao punção e à matriz, conforme mostrado na Figura 1-3b.

Após a remoção da força de flexão, o recuo da borda reta da peça de trabalho é em direção ao interior da forma de V (recuo negativo), enquanto a parte R do canto arredondado recua em direção ao exterior da forma de V (recuo positivo), com as duas direções de recuo sendo opostas.

Para o retorno elástico da parte R do canto redondo da peça de trabalho, a ação compressiva do punção e da matriz reduz a tensão de tração das fibras externas da parte R do canto redondo, criando uma tensão compressiva próxima à camada neutra da parte R do canto redondo.

À medida que a força de correção aumenta, a zona de tensão de compressão se estende gradualmente para a camada externa, indicando que toda ou a maior parte da seção transversal do blank está sob tensão de compressão. Portanto, a direção do retorno elástico das áreas interna e externa da parte R do canto redondo é consistente e, portanto, o retorno elástico da parte R na flexão de correção é muito menor do que na flexão livre.

A partir da análise acima, fica evidente que o retorno elástico da parte de flexão R e da parte reta se cancelam mutuamente. O retorno elástico geral pode ser positivo, zero ou negativo, dependendo do raio de curvatura relativo (r/t), da largura da ranhura inferior da matriz Bv, do ângulo central a de curvatura e da magnitude da força de curvatura F.

Quando o raio de curvatura relativo (r/t) é pequeno, a largura da ranhura inferior da matriz Bv é grande, o ângulo central a é pequeno e a força de curvatura F é grande, ocorrerá um retorno elástico negativo; caso contrário, ocorrerá um retorno elástico positivo. Na produção real, há muitos fatores que influenciam o retorno elástico, o que dificulta o controle do retorno elástico a zero.

Portanto, parâmetros como o raio de curvatura relativo (r/t), a largura da ranhura inferior da matriz Bv e a força de flexão F devem ser selecionados adequadamente para controlar o retorno elástico e garantir a precisão e a qualidade da peça dobrada.

1.6 A influência da forma e do tamanho da peça dobrada

A forma, o tamanho e a estrutura da matriz da peça dobrada também afetam seu retorno elástico. Quando a borda reta da peça dobrada é curta, o retorno elástico é maior. O retorno elástico de uma peça dobrada em forma de V é maior do que o de uma peça dobrada em forma de U. Quanto mais complexa for a peça dobrada, quanto mais cantos arredondados na peça R forem formados em uma única dobra, maior será a restrição mútua durante a dobra, maior será o componente de formação do desenho e menor será o valor do retorno elástico.

Ao dobrar uma peça em forma de U, a folga entre as matrizes convexa e côncava tem um efeito significativo no retorno elástico da peça em forma de U. Quanto maior a folga, maior o retorno elástico. Quanto maior a folga, maior o retorno elástico; por outro lado, quanto menor a folga, menor o retorno elástico devido ao efeito de afinamento (extrusão) da matriz na placa. Quando a profundidade da matriz côncava é muito pequena, o retorno elástico também é grande.

Além disso, ao dobrar uma peça em forma de U sem usar uma ferramenta superior e sem correção, o endireitamento da forma do arco inferior e o retorno elástico do arco resultarão em um retorno elástico para fora (positivo).

Se nenhuma ferramenta superior for usada e a correção for realizada posteriormente, como a forma do arco inferior é achatada por último, ocorrerá um retorno elástico na mesma direção da forma do arco inferior quando a matriz convexa subir, resultando em um retorno elástico para dentro (negativo).

Se for usada uma ferramenta superior, o material na parte inferior da matriz convexa não se flexionará desde o início, e a peça de trabalho só poderá produzir um retorno elástico para fora. Portanto, ao ajustar a pressão da ferramenta superior, o retorno elástico da parte inferior e da parte do arco pode se cancelar mutuamente, possivelmente produzindo uma peça de trabalho com retorno elástico mínimo.

2. Determinação do valor do retorno elástico da peça dobrada

Na prática de produção, para fabricar uma peça com um determinado formato e precisão dimensional, muitas vezes surge a questão de determinar o tamanho do valor do retorno elástico. Há muitos fatores que afetam o retorno elástico, e os métodos de cálculo teóricos são extremamente complexos e altamente imprecisos, não tendo, portanto, valor prático. Normalmente, o valor do retorno elástico é determinado inicialmente com base em dados empíricos e cálculos simples e, em seguida, corrigido após vários testes de flexão.

2.1 Valor de retorno elástico para raio de curvatura relativo (r/t)<5

Quando o raio de curvatura relativo (r/t)<5, a alteração no raio de curvatura não é significativa e pode ser ignorada, considerando-se apenas o retorno elástico do ângulo. O retorno elástico para um único ângulo livre de 90° é mostrado na Tabela 1-1.

Tabela 1-1 Ângulo de retorno de mola para flexão livre simples de 90°

2.2 O valor de rebote da flexão livre quando o raio de curvatura relativo (r/t) >10

A partir da análise acima, pode-se deduzir que quanto maior o raio de curvatura relativo (r/t), menor o grau de deformação de curvatura e, consequentemente, maior a recuperação. Além de a peça apresentar rebote angular, há também um rebote significativo no raio de curvatura. Nesses casos, os cálculos podem ser realizados usando a fórmula de flexão de plástico puro e, em seguida, corrigidos na produção real.

Conforme ilustrado na figura 1-1, as fórmulas de cálculo para o raio da peça de trabalho da matriz convexa e o ângulo central da peça arredondada, de acordo com cálculos puros, são as seguintes:

Na fórmula,

• r_凸 - o raio de filete da peça dobrada (mm);
• r - o raio de filete do punção (mm);
• α - o ângulo central do comprimento do arco correspondente ao raio de filete r da peça dobrada (α = 180° - φ);
• α_凸 - o ângulo central do comprimento do arco correspondente ao raio do filete r_凸 do punção (α = 180° - φ_凸);
• t - a espessura do material usado na peça dobrada (mm);
• E - o módulo de elasticidade do material (MPa);
• δa - a resistência ao escoamento do material (MPa).

3. Medidas para reduzir o retorno elástico em peças dobradas

No processo de flexão de peças de chapa metálica, o retorno elástico está sempre presente devido à ocorrência simultânea de deformação plástica e elástica, e não pode ser eliminado.

Portanto, na produção prática, devem ser tomadas medidas para compensar os erros causados pelo retorno elástico das peças dobradas para garantir a qualidade do produto.

Os métodos comuns para reduzir o retorno elástico geralmente incluem técnicas de compensação, métodos de correção, alteração das condições de tensão e aprimoramento do projeto de estruturas de peças dobradas.

Há muitos fatores que afetam o retorno elástico de peças dobradas, e diferentes medidas devem ser tomadas para diferentes fatores de influência, ou uma combinação de vários métodos pode ser usada para reduzir o retorno elástico.

3.1 Aprimorar o projeto estrutural de peças dobradas

Sem afetar o uso funcional da peça dobrada, a melhoria de alguns projetos estruturais da peça dobrada pode reduzir o ângulo de retorno elástico. Por exemplo, a supressão das nervuras de reforço na área de dobra (Fig. 7-4a) ou o uso de bordas formadas (Fig. 7-4b) pode aumentar a rigidez e a deformação plástica da peça dobrada, reduzindo assim o retorno elástico.

Sob as condições de atender aos requisitos de uso, o uso de materiais com alto módulo de elasticidade, baixa resistência ao escoamento, baixa dureza e boa plasticidade pode reduzir o retorno elástico e facilitar o controle do retorno elástico.

3.2 Adotar medidas de processo para reduzir o retorno elástico da dobra

1) Substitua a flexão livre por uma flexão corretiva.

2) No caso de chapas metálicas endurecidas por trabalho a frio, o recozimento pode ser realizado antes da dobra para reduzir a resistência ao escoamento (a), minimizando assim o ressalto. O endurecimento pode ser feito após a dobra, mas é preciso ter cuidado: se o recozimento afetar a capacidade de uso do material, esse processo não deve ser adotado.

3) O raio do punção deve ser o mais próximo possível do raio de curvatura mínimo, e a profundidade da matriz deve ser geralmente >10t.

4) Para curvas grandes (longas) com um raio de curvatura relativo (r/t>100), a maior parte da peça bruta está em deformação elástica, resultando em um rebote significativo. Algumas podem até ser impossíveis de formar usando métodos de dobra convencionais. Nesses casos, a dobra por tração pode ser usada.

A flexão por tração é uma processo de estampagem em que a chapa de metal é dobrada em uma determinada curvatura, forma e tamanho, conforme mostrado na Figura 1-5a. É adequado para peças com um grande raio de curvatura relativo e é amplamente utilizado na fabricação de vasos de alta pressão, chapas de aço e esqueletos de cascos de navios, vários vasos e bordas de armários.

A flexão por tração envolve a aplicação de uma certa tensão de tração à peça bruta antes da flexão. A força combinada dessa tensão de tração e da tensão de compressão da camada interna da dobra do blank deve ser ligeiramente maior do que a força de rendimento do material (a), e a deformação da dobra é concluída sob esse estado de tração. A distribuição da tensão interna no blank durante a flexão por tração é mostrada na Figura 1-5b.

Há três métodos de flexão por tração: flexão após a aplicação de tensão de tração, aplicação de tensão de tração durante a flexão e alongamento após a flexão. Entre esses três métodos, o alongamento após a flexão resulta no menor valor de rebote.

A flexão por tração não só aumenta a deformação da peça dobrada, mas também causa uma deformação plástica quase uniforme em toda a seção transversal da peça dobrada. Assim, ela pode reduzir bastante o ressalto da peça dobrada.

5) Para peças dobradas que exigem precisão, um processo de remodelagem pode ser adicionado após a dobra.

3.3 Medidas adotadas na estrutura do molde de dobra

Com base no valor estimado ou experimental do ressalto, podemos compensar (ou deduzir) a forma e o tamanho da peça de trabalho do molde, permitindo que a peça dobrada obtenha a forma e o tamanho exigidos pelo desenho do produto.

1) Materiais macios, como 0215, 0235, 08, 10, 20, latão macio H2, etc., têm um ângulo de rebote de flexão φ <5°. Quando o desvio da espessura do material é pequeno, uma inclinação (ângulo de compensação de rebote) pode ser projetada no punção ou na matriz. A folga entre o punção e a matriz é igual à espessura mínima do material, ou até mesmo uma folga negativa pode ser usada para superar o ressalto, conforme mostrado na Figura 1-6.

2) Para materiais macios, como Q215, Q235, 08, 10, 20 e latão macio H62, quando a espessura do material for superior a 0,8 mm e o raio de curvatura for grande, a parte de trabalho do punção pode ser projetada para ter uma saliência localizada. Isso concentra a pressão de trabalho do punção no canto da dobra.

Ao aumentar a tensão na dobra, aumentamos o componente de deformação plástica na zona de deformação, melhoramos a distribuição da tensão e, assim, reduzimos a deformação elástica e minimizamos o retorno elástico, conforme mostrado na Figura 1-7.

3) Para materiais duros, como Q275, 45, 50, latão duro H62 etc., quando o raio de curvatura r>t, o ângulo de compensação de retorno elástico pode ser projetado na matriz ou no punção de acordo com o valor de retorno elástico pré-estimado ou obtido experimentalmente, para eliminar o retorno elástico.

Como alternativa, a parte superior do molde pode ser projetada como uma superfície arqueada (para dobra em forma de U), conforme mostrado na Figura 1-8, produzindo uma dobra reversa local na parte inferior. Ou seja, quando a peça é removida do molde, o ressalto da curva reversa causa um retorno elástico negativo em ambos os lados, compensando o retorno elástico positivo das paredes laterais.

4) Para a dobra em forma de Z, os dois ângulos de dobra da dobra em forma de Z podem ter valores de retorno elástico diferentes, o que pode resultar em superfícies superior e inferior não paralelas na peça em forma de Z. Para evitar esse fenômeno, o punção e a matriz devem ser inclinados para fora em um ângulo de Δφ. Para chapas laminadas a frio com espessura inferior a 1 mm, o ângulo de inclinação geralmente é de 2° a 3°, conforme mostrado na Figura 1-9.

5) Para materiais mais macios, um molde de borracha pode ser usado em vez de um molde rígido, conforme mostrado na Figura 1-10. Como a borracha pode transmitir pressão em todas as direções como um líquido dentro de um recipiente rígido, o processo de dobra sofre alterações benéficas em comparação com o uso de um molde rígido.

A chapa é totalmente apoiada na borracha, e o suporte central é mais forte do que os laterais, de modo que, quando as duas paredes retas da chapa são dobradas em torno do canto redondo do punção, elas aderem totalmente à superfície do punção, e a parte da parede reta não é propensa a dobrar demais, reduzindo o retorno elástico.

Se forem usados elastômeros de borracha de alta dureza, o efeito será ainda melhor. Além da alta precisão, o uso de matrizes de borracha não deixa arranhões na superfície das peças dobradas, e a versatilidade das matrizes de borracha e elastômero de borracha é muito boa.

3.4 Ajuste da folga da matriz para reduzir o retorno elástico na dobra

Reduzindo a folga da matriz contribui para diminuir o retorno elástico. Quando a folga entre as faces da matriz de dobra é menor do que a espessura do material, o retorno elástico pode ser significativamente reduzido, ou até mesmo resultar em um leve retorno elástico negativo. Dobra de um lado adequada folga da matriz é entre 0,02 mm e 0,5 mm menor do que a espessura do material, normalmente definida como 0,03 mm.

Folgas excessivamente pequenas podem levar ao afinamento do material, arranhões na superfície da peça e redução da vida útil da matriz. Quando a espessura da chapa em branco sofre um desvio negativo, uma folga muito grande formada entre o punção e a matriz também pode causar retorno elástico. A solução é projetar matrizes de dobra com folga ajustável, conforme mostrado na Figura 1-11.