Negli ultimi anni, l’utilizzo di materiali moderni quali gli acciai alto-resistenziali e l’alluminio per la produzione di parti stampate per il mercato automotive è sensibilmente aumentato. Da quando le parti stampate con questi materiali sono risultate essere maggiormente affette da fenomeni di ritorno elastico rispetto a quelle stampate con materiali tradizionali, il calcolo dello springback e la sua compensazione sono diventate vere e proprie sfide per l’industria dell’automobile. Per vincere queste sfide ed ottenere simulazioni accurate del calcolo del ritorno elastico, è necessaria una descrizione del processo il più accurata possibile.
Analizziamo il ritorno elastico di un rinforzo montante A. La maggior parte della geometria è formata nel corso della prima operazione di imbutitura. Dopo le operazioni di rifilatura e foratura, la parte è quasi completamente nella sua forma finale. Nel corso dell’ultima operazione la piccola flangia al fondo dell’elemento viene rialzata. La figura 1 mostra la lamiera al termine di ogni operazione. In particolare, procedendo da sinistra verso destra, si possono notare: lo spezzone iniziale, la lamiera dopo l’imbutitura, la lamiera dopo la rifila e la foratura, e la forma finale dell’elemento dopo la flangiatura.
Il processo descritto in figura 1 può essere simulato applicando due modelli differenti, A e B, che sono descritti in dettaglio di seguito. La figura 2 mostra i risultati della simulazione del ritorno elastico basati su questi modelli differenti. Dopo avere eseguito una analisi libera del ritorno elastico, i valori mostrati rappresentano uno scostamento dalla distanza normale. La differenza nei valori del ritorno elastico delle due simulazioni apre alla domanda sul perché ci sia una differenza.
Una simulazione accurata dell’intero processo include l’imbutitura e tutte le operazioni secondarie, oltre al calcolo del ritorno elastico. La posizione iniziale dei tool è mostrata in figura 3: la prima operazione, l’imbutitura, viene eseguita con un solo colpo utilizzando un premilamiera con doppia curvatura. Un bordino a geometria variabile controlla il flusso del materiale. L’operazione di imbutitura è la stessa per entrambe le simulazioni A e B; tuttavia le operazioni secondarie sono simulate in modo diverso.
Le 4 immagini della figura 4 mostrano imbutitura, rifilatura, flangiatura e ritorno elastico. Al termine dell’imbutitura sopra descritta, i contorni della rifilatura e dei fori sono definiti sull’elemento. Durante la simulazione, gli elementi all'interno del contorno dei fori e al di fuori della rifilatura vengono semplicemente eliminati. Questo è un approccio molto comune nella simulazione dello stampaggio lamiera. Successivamente per simulare l’operazione di flangiatura ed evitare pieghe indesiderate, il foglio di lamiera è fissato con dei clamps. L'area superiore piatta viene tenuta con un utensile piatto. Al termine del processo, la parte viene liberata da tutti i tool e dai vincoli e si applica un ritorno elastico libero.
La simulazione mostrata in figura 5 è più simile ad un processo di officina. Le 5 immagini mostrano l’imbutitura, una rifila a settori eseguita nell’operazione T30, un’altra rifila nell’operazione T40, la flangiatura ed il ritorno elastico. Questa rappresentazione accurata dell’intero processo è chiamato simulazione di ciclo completo. Al termine dell’imbutitura sopra descritta, la rifilatura e la foratura sono divise in 2 operazioni. In realtà, il processo di rifilatura è segmentato in quanto deve essere possibile il rilascio dello sfrido. Se le flange fossero completamente rifilate in una volta sola, sarebbe impossibile rimuovere il materiale di scarto durante la produzione automatizzata. Durante la rifilatura e la foratura, una grande quantità di forza è richiesta per separare il foglio di materiale. Per questo motivo la lamiera deve essere fortemente bloccata per evitare formature e movimenti indesiderati. La seconda e la terza immagine della figura 5 mostrano come gli utensili di chiusura seguono la geometria dell’elemento. Di nuovo, nel corso dell’operazione di flangiatura l’elemento è completamente bloccato per evitare formature e movimenti indesiderati. L’ultimo step di questa simulazione consiste nell’apertura dei tool e dei vincoli e nell’applicazione del ritorno elastico libero.
I risultati del ritorno elastico mostrati in figura 2 evidenziano differenze basate sui diversi processi simulati. Le differenze più rilevanti tra i processi A e B applicati sono relative alla cinematica dei tool utilizzati per le operazioni secondarie. Una potenziale causa dei risultati diversi potrebbe essere un certa quantità di deformazione plastica nel corso della chiusura degli utensili nelle operazioni di rifila T30 e T40. Per determinare se si verifica una deformazione plastica durante la chiusura dell'utensile, occorre analizzarne la velocità. La figura 6 mostra la velocità della deformazione plastica alla chiusura dei tool nell’operazione T30. La velocità della deformazione plastica non è analizzata solamente nel layer centale della lamiera ma anche nel layer superiore ed inferiore. L'immagine centrale, che rappresenta il layer centrale difficilmente mostra qualsiasi velocità di deformazione plastica mentre per gli strati superiore e inferiore è evidente una certa velocità di deformazione plastica nei raggi.
Questa deformazione di spessore indica una certa deformazione nella piega dei raggi. Generalmente, queste deformazioni elasto-plastiche provocano distinguibili variazioni di geometria dovute proprio al ritorno elastico. Lo springback provocato dalla leggera deformazione dovuta alla chiusura degli utensili avviene solo nel processo B. Nel processo A, invece, la chiusura degli utensili per le operazioni secondarie non viene simulata. Il risultato è che gli effetti del ritorno elastico non appaiono nei risultati della simulazione.
In sintesi, per ottenere risultati affidabili di ritorno elastico, occorre considerare le condizioni di processo corrette, cioè il processo deve essere attentamente studiato e descritto nel modo più corretto possibile nella simulazione. Risultati accurati di ritorno elastico dipendono da condizioni di processo opportunamente studiate ed analizzate, in quanto possono influenzare significativamente i risultati finali.