Sprężynowanie

Sprężynowanie to zjawisko częściowego powrotu materiału do poprzedniego kształtu po usunięciu obciążenia. Występuje wtedy, gdy element został odkształcony pod wpływem siły, ale po jej usunięciu część odkształcenia sprężystego zanika. W efekcie końcowy kształt elementu różni się od kształtu nadanego podczas obciążenia.

Typowym przykładem jest gięcie drutu lub blachy. Podczas docisku materiał przyjmuje kształt narzędzia, np. stempla, ale po jego odsunięciu element częściowo się „odgina”. To odchylenie od oczekiwanego kształtu nazywa się właśnie sprężynowaniem.

Na czym polega sprężynowanie?

Sprężynowanie wynika z obecności odkształceń sprężystych w materiale. Podczas obciążenia element może odkształcać się jednocześnie sprężyście i plastycznie. Po usunięciu siły część sprężysta zanika, natomiast część plastyczna pozostaje.

W praktyce oznacza to, że:

• materiał nie zachowuje dokładnie kształtu narzędzia,
• element częściowo wraca w stronę pierwotnej geometrii,
• końcowy kąt gięcia może być inny niż kąt podczas formowania,
• konieczne jest przewidywanie tego efektu już na etapie projektowania.

Im większy udział odkształcenia sprężystego, tym większe sprężynowanie.

Kąt sprężynowania

Wielkość sprężynowania często opisuje się za pomocą kąta sprężynowania. Jest to różnica pomiędzy kątem elementu podczas obciążenia a kątem po usunięciu siły.

Kąt sprężynowania zależy przede wszystkim od:

• właściwości materiału,
• geometrii elementu,
• grubości lub średnicy przekroju,
• promienia gięcia,
• wielkości odkształcenia plastycznego,
• sposobu działania narzędzia.

Duża siła przywracająca materiału powoduje większą tendencję do powrotu sprężystego.

Sprężystość i plastyczność

Ostateczny kształt elementu po odciążeniu zależy od dwóch podstawowych właściwości materiału: sprężystości i plastyczności. Sprężystość odpowiada za powrót materiału do poprzedniego kształtu, natomiast plastyczność odpowiada za trwałą zmianę geometrii.

Można to ująć następująco:

• odkształcenie sprężyste zanika po usunięciu obciążenia,
• odkształcenie plastyczne pozostaje w materiale,
• sprężynowanie jest skutkiem odzyskania części odkształcenia sprężystego,
• im większa plastyczna deformacja, tym mniejszy względny powrót sprężysty.

Dlatego materiały miękkie i łatwo odkształcalne plastycznie mogą wykazywać mniejsze sprężynowanie niż materiały o dużej sprężystości.

Przykłady sprężynowania

Sprężynowanie można łatwo zaobserwować w codziennych i technicznych sytuacjach. Drut wygięty do określonego kształtu po zwolnieniu nacisku nie pozostaje idealnie w pozycji nadanej przez narzędzie. Podobnie blacha po gięciu może lekko się odchylić, przez co gotowy element nie osiąga dokładnie zaprojektowanego kąta.

Typowe przykłady występowania sprężynowania to:

• gięcie drutu,
• tłoczenie blach,
• gięcie profili,
• formowanie elementów karoserii,
• produkcja sprężyn,
• kształtowanie cienkościennych części metalowych.

Zjawisko to jest szczególnie ważne w produkcji seryjnej, gdzie nawet niewielka różnica wymiarowa może utrudnić montaż elementów.

Od czego zależy wielkość sprężynowania?

Wielkość sprężynowania nie jest stała i zależy od wielu czynników. Ten sam materiał może zachowywać się inaczej w zależności od geometrii elementu oraz sposobu formowania.

Najważniejsze czynniki to:

• moduł sprężystości materiału,
• granica plastyczności,
• stosunek odkształcenia sprężystego do plastycznego,
• grubość blachy lub średnica drutu,
• promień gięcia,
• kształt elementu,
• warunki kontaktu z narzędziem.

Przykładowo, element wygięty w kształt litery U może wykazywać inne sprężynowanie niż element o bardziej otwartym kształcie. Również cienka blacha może zachowywać się inaczej niż grubszy element, ponieważ rozkład naprężeń i odkształceń w przekroju jest inny.

Znaczenie w projektowaniu

Sprężynowanie jest bardzo ważne podczas projektowania części formowanych plastycznie. Jeżeli nie zostanie uwzględnione, gotowy element może nie spełniać wymagań wymiarowych.

W praktyce inżynierskiej sprężynowanie wpływa na:

• dokładność kształtu,
• tolerancje wymiarowe,
• jakość montażu,
• powtarzalność produkcji,
• konieczność korekty narzędzi.

Dlatego narzędzia do gięcia i tłoczenia często projektuje się z tzw. kompensacją sprężynowania. Oznacza to, że narzędzie nadaje materiałowi nieco inny kształt niż docelowy, aby po odciążeniu element osiągnął wymagane wymiary.

Sprężynowanie w analizie MES

W metodzie elementów skończonych sprężynowanie analizuje się głównie w symulacjach procesów formowania, gięcia i tłoczenia. Analiza MES pozwala przewidzieć, jak bardzo element odchyli się po usunięciu obciążenia.

W symulacji uwzględnia się m.in.:

• właściwości sprężysto-plastyczne materiału,
• kontakt z narzędziami,
• tarcie,
• duże odkształcenia,
• historię obciążenia,
• etap odciążenia po formowaniu.

Dzięki symulacji sprężynowania można wcześniej ocenić, czy projekt narzędzia wymaga korekty.