什麼是回彈

彎曲等加工後除去負荷時,因彈性回復而使形狀回復的現象。降伏應力越高、楊氏係數越低的材料越大。

日文名稱: スプリングバック

「回彈」出現在1領域的1道練習題中(材料的加工與接合等)。

這個名詞所屬的領域: 材料的加工與接合

為什麼會回彈

彎曲板材時,外側受拉、內側受壓,斷面大部分發生塑性變形。即使如此,斷面中仍殘留約為降伏應力程度的應力,從模具取出時,形狀會依對應此應力的彈性應變而回復。這就是回彈。回彈的大小大致由降伏應力與楊氏模數的比 Y/E 決定,降伏應力越高、楊氏模數越低的材料越大。不只彎曲,沖壓的引伸與膨出也會發生,使零件的尺寸與形狀走樣,是沖壓加工設計中最棘手的問題之一。

曲率回復的估計

忽略加工硬化,假設整個斷面都已塑性變形,每單位板寬的彎矩為 Yt²/4,彎曲剛性為 Et³/12,因此卸載造成的曲率回復為 Δ(1/R) = 3Y/(Et)(t為板厚)。例如把 Y = 300 MPa、t = 1 mm 的板彎成半徑10 mm,回彈後的半徑對鋼(E = 210 GPa)約為10.45 mm,對鋁合金(E = 70 GPa)約為11.5 mm。楊氏模數為3分之1,回彈約為3倍。曲率回復一定,因此彎曲越緩,相對於原形狀的回復比例越大。

高張力鋼板與形狀走樣

汽車車身為了減重而使用強度高的高張力鋼板,但其楊氏模數與軟鋼幾乎相同,只有降伏應力較高,因此回彈變大。沖壓帽形斷面時,不只角部的角度張開,也會發生側壁翹曲(壁翹)、零件整體扭轉等形狀走樣。在V形彎曲中,依條件也可能發生比彎曲角度更往閉合側回復的負回彈(spring-go)。單純的彎曲公式無法完全預測,因此實際上以成形模擬來預測。

對策

對策的基本是先多彎回彈的分量(過彎)。在彎曲結束時以模具強力壓住而壓縮彎曲部、使整個斷面塑性變形的方法(觸底、壓印),以及一邊施加拉力一邊彎曲、使斷面應力分布接近均勻的方法也有效。近年來,為了抵消以成形模擬預測的回彈而預先修正模具形狀的設計已很普遍。在材料方面,加熱以降低降伏應力的溫間成形,以及在高溫成形並在模具中淬火的熱沖壓,也能抑制高強度零件的回彈。

練習回彈的題目

將板材彎曲加工後從模具取出時,因彈性回復而使彎曲角度回復的回彈,在下列何者中容易變大?板厚與彎曲半徑相同。

  1. A降伏應力低、楊氏係數高的軟而剛的材料
  2. B與降伏應力及楊氏係數無關,只由加工速度決定
  3. C降伏應力高、楊氏係數低的材料
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正確答案:C. 降伏應力高、楊氏係數低的材料

彎曲後的板材斷面上,塑性變形之後仍殘留約為降伏應力程度的應力,除去負荷時會回復與該應力相應的彈性應變(約為 σ/E)。因此降伏應力越高、楊氏係數越低,回彈越大。楊氏係數相同而強度高的高強度鋼板,以及楊氏係數約為鋼的3分之1的鋁合金板,回彈大,難以使形狀吻合。認為軟而剛的材料的選項正好相反,認為只由加工速度決定的選項也錯誤。對策有預先多彎回彈的份量、在模具中用力壓緊使彎曲部塑性變形等方法。

常見問題

回彈的大小由什麼決定?

主要由降伏應力與楊氏模數的比 Y/E、板厚與彎曲半徑決定。Y/E 越大、板厚越薄、彎曲半徑越大,回復的比例越大。也隨加工硬化的大小、與模具的摩擦及彎曲方法而改變。

板厚越厚回彈越大嗎?

在相同彎曲半徑下,板厚越厚,曲率的回復越小。因為曲率回復 Δ(1/R) ≈ 3Y/(Et) 與板厚成反比。不過彎曲厚板需要大的力,外側容易裂、內側容易起皺,須注意其他問題。

鈦合金與鋁合金的回彈大嗎?

有偏大的傾向。楊氏模數約為鋼一半的鈦合金,以及約3分之1的鋁合金,在相同降伏應力下回彈約為鋼的2~3倍。鈦合金的降伏應力也高,因此特別大,常使用加熱成形的方法。

解析中的「回彈」

出現「回彈」的題目(1題)

  1. 將板材彎曲加工後從模具取出時,因彈性回復而使彎曲角度回復的回彈,在下列何者中容易變大?板厚與彎曲半徑相同。

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