Sprężynowanie blachy to naturalne zjawisko, które występuje po odciążeniu elementu wygiętego na prasie krawędziowej. Materiał częściowo odzyskuje pierwotny kształt, dlatego po wyjęciu detalu z narzędzi uzyskany kąt może być większy, a promień gięcia nieco inny niż w chwili działania nacisku. Jeżeli tego efektu nie uwzględni się podczas przygotowania technologii, gotowy element może nie mieścić się w założonych tolerancjach.
Skali sprężynowania nie da się określić jedną wartością odpowiednią dla każdej blachy. Zależy ona jednocześnie od właściwości materiału, jego grubości, promienia gięcia, kierunku walcowania, geometrii narzędzi oraz zastosowanej metody gięcia. Dlatego skuteczna kompensacja powinna wynikać z danych materiałowych, dokumentacji detalu i prób technologicznych, zwłaszcza przy produkcji seryjnej oraz elementach o podwyższonych wymaganiach dokładnościowych.
Podczas gięcia zewnętrzne warstwy blachy są rozciągane, a wewnętrzne ściskane. Część przekroju ulega trwałemu odkształceniu plastycznemu, ale część energii pozostaje związana z odkształceniem sprężystym. Po cofnięciu stempla następuje częściowy powrót odkształcenia sprężystego, przez co ramiona detalu rozchylają się. W strefie gięcia pozostają jednak naprężenia własne. W praktyce różnicę pomiędzy kątem w czasie obciążenia a kątem po odciążeniu określa się jako kąt sprężynowania.
Zjawiska nie należy utożsamiać z błędem maszyny. Występuje ono również w prawidłowo prowadzonym procesie i jest konsekwencją właściwości materiału. Zadaniem technologa jest przewidzenie jego skali oraz takie dobranie parametrów procesu, aby po odciążeniu detal osiągnął kąt wskazany w dokumentacji.
Najważniejsze znaczenie ma relacja pomiędzy granicą plastyczności materiału a jego modułem sprężystości. Im większy jest stosunek granicy plastyczności do modułu sprężystości, tym większa jest zwykle tendencja do powrotu sprężystego. Na końcowy wynik wpływają jednak także umocnienie materiału, stan dostawy, tolerancja grubości, promień gięcia, długość linii gięcia, geometria stempla i matrycy, siła oraz głębokość zagłębienia stempla, a także ułożenie detalu względem kierunku walcowania.
W praktyce nawet arkusze oznaczone tym samym gatunkiem mogą nie zachowywać się identycznie. Dopuszczalne różnice właściwości mechanicznych i grubości, pochodzenie materiału z różnych partii czy wcześniejsze operacje technologiczne mogą zmieniać uzyskiwany kąt. Z tego względu parametry ustalone dla jednej partii materiału wymagają kontroli po jej zmianie.
Wyższa granica plastyczności oznacza, że do wywołania trwałego odkształcenia potrzeba większego naprężenia. Przy porównywalnej geometrii i warunkach gięcia wyższa granica plastyczności zwykle oznacza większy powrót sprężysty po odciążeniu, dlatego stale o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości zazwyczaj sprężynują mocniej niż typowe stale o niższej granicy plastyczności. Jednocześnie wymagają one odpowiedniego doboru siły gięcia oraz dopuszczalnego promienia wewnętrznego.
Moduł sprężystości opisuje sztywność materiału w zakresie odkształceń odwracalnych. Przy porównywalnej granicy plastyczności niższy moduł sprężystości sprzyja większemu sprężynowaniu. Dlatego przy planowaniu procesu nie wystarcza sama nazwa grupy materiałowej. Należy uwzględnić dane dla konkretnego gatunku, stanu dostawy i grubości. Jest to istotne między innymi przy porównywaniu stali węglowych i nierdzewnych, które mogą różnić się zarówno granicą plastyczności, jak i modułem sprężystości oraz przebiegiem umocnienia.
Orientacyjną podatność na sprężynowanie można wiązać ze stosunkiem Re/E, gdzie Re oznacza granicę plastyczności, a E moduł sprężystości. Większa wartość tego ilorazu wskazuje z reguły na większy powrót sprężysty. Nie jest to jednak wzór pozwalający samodzielnie wyznaczyć dokładny kąt korekty, ponieważ nie obejmuje geometrii detalu, narzędzi ani sposobu prowadzenia procesu.
Znaczenie ma nie tylko sama grubość arkusza, lecz przede wszystkim stosunek wewnętrznego promienia gięcia r do grubości blachy t. Im większa wartość r/t, tym łagodniejsze jest odkształcenie przekroju i tym mniejszy udział materiału przechodzi w stan plastyczny. W rezultacie większa część odkształcenia pozostaje sprężysta, a po odciążeniu ramiona detalu silniej się rozchylają.
Oznacza to, że przy tej samej grubości zwiększenie promienia zwykle nasila sprężynowanie. Z kolei przy tym samym promieniu cieńsza blacha ma większy stosunek r/t i również może wykazywać większy powrót sprężysty. Nie należy jednak bez ograniczeń zmniejszać promienia w celu poprawy dokładności kąta. Zbyt mały promień zwiększa odkształcenia na zewnętrznej powierzchni gięcia i może doprowadzić do przewężenia, zarysowania lub pęknięcia materiału. Minimalny bezpieczny promień trzeba zawsze dobrać do gatunku, grubości, stanu materiału i kierunku walcowania.
Geometria stempla i matrycy decyduje o rozkładzie naprężeń oraz o tym, jak duża część przekroju ulegnie trwałemu odkształceniu. Istotne są przede wszystkim promień stempla, kąt narzędzi, szerokość rozwarcia matrycy oraz głębokość wejścia stempla. Większe rozwarcie matrycy prowadzi zazwyczaj do uzyskania większego promienia wewnętrznego, co może zwiększać sprężynowanie. Mniejsze rozwarcie może ograniczyć powrót kąta, ale równocześnie podnosi wymaganą siłę i może pogorszyć stan powierzchni albo zwiększyć ryzyko uszkodzenia detalu.
Znaczenie ma również metoda gięcia. W gięciu swobodnym kąt jest kształtowany głównie przez głębokość zagłębienia stempla, a materiał nie przylega na całej powierzchni do narzędzi. Metoda ta jest elastyczna, lecz bardziej wrażliwa na zmienność właściwości blachy. Gięcie z dociskiem do dna matrycy oraz kalibrowanie mogą ograniczyć sprężynowanie dzięki większemu uplastycznieniu przekroju, wymagają jednak większej siły, odpowiednich narzędzi oraz oceny wpływu procesu na powierzchnię i właściwości elementu. Wybór rozwiązania powinien wynikać z geometrii, materiału, tolerancji i wielkości serii.
Blacha walcowana może wykazywać anizotropię, czyli różne zachowanie zależnie od kierunku pobrania i ułożenia elementu. Struktura oraz wydłużone pasma materiału powstające podczas walcowania wpływają na plastyczność, wymagany promień i powtarzalność gięcia. Dlatego detale wycięte pod różnym kątem względem kierunku walcowania nie zawsze zachowują się identycznie, nawet gdy mają taki sam kształt i pochodzą z jednego arkusza.
Z punktu widzenia ograniczenia pęknięć najkorzystniejsze jest zwykle prowadzenie linii gięcia prostopadle do kierunku walcowania. Gięcie równolegle do kierunku walcowania może wymagać większego promienia wewnętrznego, szczególnie w materiałach o mniejszej plastyczności i przy małym stosunku promienia do grubości. Zależność tę trzeba sprawdzić w danych materiałowych, ponieważ jej znaczenie zmienia się wraz z gatunkiem, grubością i stanem dostawy.
Kierunek walcowania jest szczególnie ważny przy kompensacji przez mocniejsze przegięcie. Zwiększenie odkształcenia może poprawić końcowy kąt, ale jednocześnie podnosi odkształcenia rozciągające na zewnętrznej powierzchni. Jeśli linia gięcia jest niekorzystnie zorientowana albo promień jest zbyt mały, próba skompensowania sprężynowania może doprowadzić do pęknięć. Kompensację kąta należy więc rozpatrywać razem z dopuszczalnym promieniem gięcia, a nie jako niezależną korektę.
Najczęściej stosuje się przegięcie, czyli nadanie podczas obciążenia kąta mniejszego niż docelowy. Po cofnięciu stempla ramiona elementu rozchylają się do wymaganej wartości. Wielkość korekty zależy od materiału i geometrii, dlatego powinna być ustalana na podstawie obliczeń technologicznych, doświadczenia oraz pomiaru pierwszych wykonanych detali.
Do podstawowych sposobów ograniczania i kompensowania zjawiska należą:
Nie ma jednej uniwersalnej tabeli korekt, która zagwarantuje właściwy wynik dla wszystkich detali. Wartości orientacyjne mogą pomóc w przygotowaniu pierwszej próby, ale ostateczna korekta powinna zostać potwierdzona pomiarem. Przy krótkich seriach pozwala to uniknąć wykonania większej liczby elementów poza tolerancją, a przy produkcji powtarzalnej umożliwia zapisanie sprawdzonych parametrów dla konkretnego materiału i geometrii.
Najlepsze rezultaty uzyskuje się wtedy, gdy technolog otrzymuje kompletny model lub rysunek detalu, informację o gatunku i grubości blachy, wymagany promień wewnętrzny, tolerancję kąta oraz, jeśli ma znaczenie, wskazany kierunek walcowania. Na dokumentacji należy podawać geometrię oczekiwaną po odciążeniu. Kąt roboczy i wielkość przegięcia są parametrami procesu, które dobiera wykonawca do materiału, narzędzi i warunków realizacji.
Warto również sprawdzić, czy zakładana tolerancja jest uzasadniona funkcją części. Bardzo wąska tolerancja zwiększa liczbę pomiarów i korekt, a w niektórych przypadkach może wymagać dodatkowych operacji. Jeżeli detal ma być następnie spawany, skręcany lub łączony z innymi elementami, trzeba ocenić nie tylko pojedynczy kąt, lecz także wpływ odchyłki na całą geometrię zespołu.
Sprężynowania nie można całkowicie wyeliminować, ale można je skutecznie przewidywać i kompensować. Istotne znaczenie ma połączenie danych o materiale z odpowiednim doborem narzędzi, kontrolą orientacji arkusza, próbą technologiczną i pomiarem gotowego detalu. Im większa wytrzymałość materiału, większy stosunek promienia do grubości oraz bardziej wymagająca tolerancja, tym ważniejsze staje się dokładne przygotowanie procesu.
Calmtec Service realizuje gięcie blach ze stali węglowej i nierdzewnej na prasach krawędziowych o długości roboczej 3 i 6 m oraz nacisku do 440 ton. Możliwość połączenia gięcia z wcześniejszym cięciem lub walcowaniem ułatwia przygotowanie elementów zgodnie z dokumentacją klienta. Przekazanie pełnych danych materiałowych i geometrycznych już na etapie zapytania pozwala właściwie dobrać technologię oraz ograniczyć ryzyko odchyłek wynikających ze sprężynowania.
