En los últimos años se ha incrementado el uso de materiales modernos tales como aceros de alto límite elástico y el aluminio en la producción de piezas estampadas de automoción. Estas piezas se ven más afectadas por el fenómeno del springback desde que se realizan con dichos materiales que aquellas piezas fabricadas con aceros convencionales de embutición profunda, por lo que la previsión del springback y su compensación se han convertido en una problemática desafiante para la industria de la automoción. Para superar esos retos y conseguir una simulación de springback precisa, es necesario una rigurosa descripción del proceso.
Vamos a analizar el springback de una pieza ejemplo, un refuerzo de pilar A. La mayor parte de la geometría de la pieza se forma durante la primera operación conocida como embutición profunda. Después de cortar las pestañas y punzonar los agujeros, la pieza tiene casi su forma final. En la última operación se dobla hacia arriba la pequeña pestaña localizada al final de la pieza. La imagen 1 muestra la chapa después de cada paso del proceso. De izquierda a derecha se muestra: la chapa inicial, la chapa tras la etapa de embutición profunda, la chapa tras la etapa de corte y punzonado y la pieza final después del doblado.
El proceso descrito en la imagen 1 se puede simular aplicando dos configuraciones diferentes, A y B, que se describen con más detalle a continuación. En la imagen 2 se muestran los resultados del springback de una simulación basados en estas distintas configuraciones. Tras el análisis del springback libre, los valores que se muestran representan desplazamientos en la dirección normal. La diferencia de los valores del springback en las dos simulaciones hace surgir la pregunta de por qué hay una diferencia.
Una simulación exacta del proceso completo de conformado incluye la embutición y las operaciones secundarias así como el springback. La posición inicial de las herramientas se muestra en la imagen 3. En la primera operación, la operación de embutición, se realiza una embutición de simple efecto con un pisador de doble curvatura. Un freno segmentado con una geometría variable controla el flujo de material. La operación de embutición es idéntica para las simulaciones A y B, sin embargo, las operaciones secundarias se simulan de manera distinta.
Las cuatro imágenes de la imagen 4 representan la embutición, el corte, el doblado y el springback. Tras la definición del proceso de embutición según la explicación anterior, se definen en la pieza los cortes de contorno y los punzonado. Así, durante la simulación simplemente el cálculo simplemente elimina aquellos elementos localizados dentro de un contorno de punzonado y aquellos situados fuera de un contorno de corte. Este es una aproximación de cálculo muy común en la simulación de conformado. Para simular las operaciones de doblado y controlar mejor cualquier movimiento no deseado de la pieza, ésta se sujeta. En nuestro caso, le área plana de la parte superior de la pieza se define con una herramienta plana. Al final del proceso, la pieza se libera de todas las herramientas y sujeciones y se aplica el springback libre.
La configuración de la simulación en la imagen 5 es similar a la configuración del proceso en un taller. Las cinco imágenes representan la embutición, el corte segmentado T30, el corte segmentado T40, doblado y springback. Esta precisa representación del proceso completo se llama simulación de ciclo completo. Después de la configuración de la embutición tal y como se explicó anteriormente, el proceso de cortado y punzonado se divide en dos operaciones. En la realidad, el proceso de corte se segmenta para que sea posible el corte del retal en la zona de la pestaña. Si toda la pestaña se cortase de una vez, sería imposible quitar el material sobrante durante la producción automatizada. En el corte y punzonado se necesita una gran cantidad de fuerza para separar el material de la chapa. Así, la chapa tiene que sujetarse fuertemente para evitar movimientos y deformaciones indeseados. La segunda y tercera imagen en la imagen 5 más abajo representan cómo el pisador y la matriz de doblado siguen la geometría de la pieza. Durante la operación de doblado la pieza también se sujeta completamente para evitar movimientos y deformaciones indeseados. El último paso en la simulación es quitar todas las herramientas y sujeciones y finalmente aplicar el springback libre.
Los resultados de springback mostrados en la imagen 2 muestran diferencias basadas en las distintas configuraciones de simulación. La mayor diferencia entre las configuraciones A y B es la cinemática de herramienta de las operaciones secundarias. Una posible causa para los diferentes resultados podría ser una cierta cantidad de deformación plástica durante el cierre de la herramienta en las operaciones de corte T30 y T40. Para determinar si la deformación plástica ocurre durante el cierre de herramienta se analiza el ratio de deformación plástica.
La imagen 6 muestra el ratio de deformación plástica al cerrar el pisador y la matriz en la operación T30. El ratio de deformación plástica no solo se analiza en la capa media, sino también en la superior e inferior de la chapa. La imagen del medio, que representa la capa media, muestra claramente ningún ratio de deformación plástica mientras que las capas de arriba y de abajo muestran una cierta cantidad de ratio de deformación plástica en los radios. Esta deformación a través del espesor indica alguna deformación de doblado en esos radios. Generalmente las deformaciones elástico-plásticas de doblado dan como resultado desviaciones distinguibles en la geometría debido al springback. El springback causado por la ligera deformación de doblado debido al cierre del pisador y matriz solo aparece en la configuración de proceso B. En la configuración de proceso A, el cierre de herramientas en las operaciones secundarias no se simula. Como resultado, este efecto en el springback no aparece en los resultados de la simulación.
En resumen, para obtener resultados fiables de springback, se tienen que considerar las condiciones correctas del proceso, la configuración del proceso se tiene que estudiar cuidadosamente y describir también de forma precisa en la simulación. Los resultados exactos de springback dependen de la descripción de proceso seleccionada adecuadamente ya que pueden influir sobre los resultados de forma significativa.