برگشت فنری در خمکاری
پدیده برگشت فنری در خمکاری ورقهای فولادی، یکی از مهمترین چالشهای فنی در فرآیند شکلدهی فلزات است. که مستقیماً بر دقت ابعادی قطعه نهایی تأثیر میگذارد.
این پدیده زمانی رخ میدهد که پس از اعمال نیرو و انجام خمکاری، ورق بخشی از تغییر شکل خود را بازیابی کرده. و به حالت اولیه بازمیگردد، که نتیجهی آزاد شدن تنشهای الاستیک محبوس در ساختار فلز است.
🔍 تعریف علمی برگشت فنری
در حین خمکاری، ورق ابتدا تحت تغییر شکل الاستیک قرار میگیرد و سپس با عبور از تنش تسلیم، وارد مرحله تغییر شکل پلاستیک میشود. پس از برداشتن نیرو، بخش الاستیک تغییر شکل به حالت اولیه بازمیگردد. در حالی که بخش پلاستیک باقی میماند. این بازگشت جزئی باعث تغییر زاویه خم و شعاع انحنا نسبت به مقدار طراحیشده میشود.
📊 عوامل مؤثر بر برگشت فنری
- نوع فولاد: فولادهای با مدول یانگ بالا و استحکام کششی زیاد، برگشت فنری بیشتری دارند.
🧱 گریدهای فولادی با مدول یانگ بالا و استحکام کششی زیاد
| نام گرید | مدول یانگ تقریبی | استحکام کششی | کاربردها | ویژگیها |
| AISI 1095 | ~210 GPa | تا 850 MPa | فنرها، تیغهها، ابزار دقیق | فولاد پرکربن با سختی بالا؛ برگشت فنری زیاد |
| AISI 4140 | ~210 GPa | 655–1080 MPa | قطعات خودرو، شفتها، ابزار صنعتی | فولاد آلیاژی با کروم و مولیبدن؛ مقاوم در برابر سایش |
| AISI 4340 | ~210 GPa | تا 1080 MPa | صنایع هوافضا، قطعات سنگین | فولاد آلیاژی با سختی بالا و مقاومت کششی زیاد |
| ST52-3 (DIN 1.0570) | ~210 GPa | حدود 600 MPa | سازههای فلزی، ماشینآلات | فولاد ساختمانی با چقرمگی خوب و برگشت فنری متوسط |
| S690QL | ~210 GPa | تا 900 MPa | سازههای سنگین، پلها | فولاد با استحکام بالا و قابلیت جوشکاری؛ برگشت فنری قابل توجه |
🔍 نکات فنی مهم
- مدول یانگ (Young’s Modulus): نشاندهنده سختی کشسانی ماده است. هرچه بیشتر باشد، ماده در برابر تغییر شکل الاستیک مقاومت بیشتری دارد.
- استحکام کششی (Tensile Strength): حداکثر نیرویی که ماده قبل از شکست تحمل میکند. فولادهای با استحکام بالا معمولاً برگشت فنری بیشتری دارند.
- فولادهای فنری مثل AISI 1095 بهطور خاص برای برگشتپذیری طراحی شدهاند، بنابراین در خمکاری باید زاویه قالب اصلاح شود.
- ضخامت ورق: ورقهای نازکتر معمولاً برگشت فنری بیشتری نشان میدهند.
📐 تأثیر ضخامت ورق در برگشت فنری
در فرآیند خمکاری، ورقهای نازکتر معمولاً برگشت فنری بیشتری دارند. دلیل این موضوع:
- کاهش مقاومت خمشی: ورق نازک در برابر تغییر شکل خمشی مقاومت کمتری دارد، بنابراین پس از برداشتن نیرو، راحتتر به حالت اولیه بازمیگردد.
- نسبت شعاع خم به ضخامت (R/t): هرچه این نسبت بیشتر باشد، برگشت فنری نیز بیشتر خواهد بود. در ورقهای نازک، این نسبت معمولاً بالاست.
- توزیع تنش غیر یکنواخت: در ورقهای نازک، تنشهای کششی و فشاری در سطح ورق بهسرعت آزاد میشوند، که باعث برگشت بیشتر میشود.
🧱 گریدهای فولادی رایج در ورقهای نازک با برگشت فنری قابل توجه
| گرید فولاد | ضخامتهای رایج | استحکام کششی | ویژگیها | میزان برگشت فنری |
| ST12 (ورق روغنی نورد سرد) | 0.5–2 mm | ~270 MPa | شکلپذیری بالا، مناسب برای خمکاری دقیق | متوسط |
| ST14 | 0.5–1.5 mm | ~280 MPa | انعطافپذیرتر از ST12، مناسب برای قطعات پیچیده | متوسط |
| ST37 | 1–3 mm | ~370 MPa | فولاد ساختمانی با جوشپذیری بالا | کم تا متوسط |
| ST52 | 1.5–4 mm | ~520 MPa | استحکام بالا، مناسب برای قطعات صنعتی | زیاد |
| AISI 1095 (فولاد فنری) | 0.3–1 mm | تا 850 MPa | برگشتپذیری بالا، مناسب برای فنرها و تیغهها | بسیار زیاد |
| AISI 301 (فولاد ضدزنگ فنری) | 0.2–1 mm | تا 930 MPa | مقاوم به خوردگی، برگشت فنری بالا | زیاد |
🔧 نکته کاربردی: اگر هدف خمکاری دقیق با حداقل برگشت فنری باشد، استفاده از گریدهایی با استحکام کششی پایینتر و ضخامت بیشتر توصیه میشود. در مقابل، اگر برگشت فنری بخشی از عملکرد قطعه است (مثل فنرها)، گریدهایی مثل AISI 1095 یا 301 انتخاب بهتری هستند.
- شعاع خمکاری: شعاعهای بزرگتر منجر به افزایش برگشت فنری میشوند.
🔄 تأثیر شعاع خمکاری بر برگشت فنری
در فرآیند خمکاری، هرچه شعاع خمکاری بزرگتر باشد، میزان برگشت فنری نیز بیشتر خواهد بود. دلیل این موضوع:
- در شعاعهای بزرگ، تغییر شکل پلاستیک کمتر و سهم تغییر شکل الاستیک بیشتر است.
- پس از برداشتن نیرو، بخش الاستیک تمایل بیشتری به بازگشت دارد.
- این موضوع در ورقهای نازک و فولادهای با مدول یانگ بالا بیشتر دیده میشود.
🧱 مثالهایی از گریدهای فولادی و رفتار آنها در شعاعهای بزرگ
| گرید فولاد | نوع | ضخامت رایج | استحکام کششی | رفتار در شعاع خم بزرگ |
| AISI 1095 | پرکربن فنری | 0.3–1 mm | تا 850 MPa | برگشت فنری بسیار زیاد؛ نیاز به اصلاح زاویه قالب |
| ST12 | نورد سرد | 0.5–2 mm | ~270 MPa | برگشت فنری متوسط؛ مناسب برای خمهای دقیق |
| S355MC | فولاد سازهای با استحکام بالا | 1–3 mm | ~550 MPa | برگشت فنری قابل توجه در شعاعهای بزرگ |
| AISI 301 | فولاد ضدزنگ فنری | 0.2–1 mm | تا 930 MPa | برگشت فنری زیاد؛ مناسب برای قطعات فنری |
| ST52-3 | فولاد ساختمانی | 2–4 mm | ~520 MPa | برگشت فنری متوسط تا زیاد؛ در شعاعهای بزرگ باید اصلاح شود |
📐 مثال عددی ساده
فرض کنیم ورق فولادی ST52 با ضخامت 2mm را با دو شعاع مختلف خم کنیم:
- شعاع خم 10mm → زاویه برگشت فنری ~3°
- شعاع خم 30mm → زاویه برگشت فنری ~7°
نتیجه: با افزایش شعاع خم، زاویه برگشت فنری تقریباً دو برابر میشود.
📌 نکات طراحی
- در طراحی قالب خمکاری، اگر شعاع خم بزرگ باشد، باید زاویه قالب را بیشتر از زاویه نهایی مورد نظر در نظر گرفت.
- در گریدهایی مثل AISI 1095 یا 301، حتی در شعاعهای کوچک هم برگشت فنری قابل توجه است، بنابراین اصلاح قالب ضروری است.
- استفاده از شبیهسازی عددی (مثل Abaqus) برای پیشبینی دقیق رفتار برگشت فنری توصیه میشود.
- روش خمکاری: خمکاری سرد، گرم یا القایی تأثیر متفاوتی بر میزان برگشت دارد.
🔧 <a href="http://<h2 id="خمکاری">مقایسه روشهای خمکاریمقایسه روشهای خمکاری و تأثیر آنها بر برگشت فنری
| روش خمکاری | توضیح | تأثیر بر برگشت فنری | گریدهای مناسب |
| خمکاری سرد | انجام در دمای محیط؛ رایجترین روش | برگشت فنری زیاد به دلیل تنشهای الاستیک بالا | ST12، ST14، AISI 1095، AISI 301 |
| خمکاری گرم | گرمکردن ورق تا دمای مشخص قبل از خم | برگشت فنری کاهش مییابد؛ تغییر شکل پلاستیک بیشتر | ST52، S355MC، AISI 4340 |
| خمکاری القایی | استفاده از میدان الکترومغناطیسی برای گرمکردن موضعی | کنترل دقیق شکلدهی؛ برگشت فنری کم و یکنواخت | لولههای فولادی بدون درز (مانیسمان)، AISI 4130، فولادهای آلیاژی مقاوم به حرارت |
📌 توضیح بیشتر با مثال گریدها
🔹روش خمکاری سرد
- AISI 1095: فولاد فنری با سختی بالا؛ برگشت فنری زیاد، مناسب برای تیغهها و فنرها.
- ST12 / ST14: فولاد نورد سرد با شکلپذیری خوب؛ برگشت فنری متوسط، مناسب برای قطعات دقیق.
- AISI 301: فولاد ضدزنگ فنری؛ برگشت فنری زیاد، مناسب برای قطعات الاستیک.
🔹 شیوه خمکاری گرم
- ST52-3: فولاد ساختمانی با استحکام بالا؛ در خمکاری گرم، برگشت فنری کاهش مییابد.
- S355MC: فولاد سازهای با قابلیت خمکاری گرم؛ مناسب برای قطعات سنگین.
- AISI 4340: فولاد آلیاژی با مقاومت بالا؛ در دمای بالا شکلپذیری بهتر و برگشت فنری کمتر.
🔹 خمکاری القایی
- AISI 4130: فولاد کروم-مولیبدن؛ مناسب برای خمکاری القایی در صنایع هوافضا و نفت.
- فولاد مانیسمان (بدون درز): در خطوط انتقال سیالات، خمکاری القایی باعث کاهش ترکخوردگی و برگشت فنری میشود.
📈 نکته صنعتی مهم
طبق مطالعه منتشرشده در ژورنال مهندسی مکانیک و ارتعاشات، افزایش دما در فرآیند خمکاری باعث کاهش قابل توجه برگشت فنری میشود. همچنین زمان نگهداری در دمای بالا نیز بر کاهش برگشت فنری مؤثر است. این یافتهها با شبیهسازی عددی در نرمافزار Abaqus و آزمایشهای تجربی تأیید شدهاند.
- تنشهای پسماند و اثر باوشینگر: تغییرات در ساختار داخلی فلز پس از تغییر شکل پلاستیک، میتواند رفتار برگشت فنری را پیچیدهتر کند.
⚙️ تعریف تنشهای پسماند (Residual Stress)
تنش پسماند به تنشهایی گفته میشود که پس از پایان فرآیند بارگذاری (مثل نورد، خمکاری یا جوشکاری)، درون ساختار فلز باقی میمانند. این تنشها میتوانند کششی یا فشاری باشند و باعث تغییر رفتار مکانیکی قطعه در مراحل بعدی شکلدهی بشوند.
🔄 اثر باوشینگر (Bauschinger Effect)
اثر باوشینگر زمانی رخ میدهد که فلز پس از تغییر شکل پلاستیک در یک جهت، در جهت مخالف رفتار متفاوتی نشان میدهد. بهطور خاص، تنش تسلیم در جهت مخالف کاهش مییابد. این اثر ناشی از تجمع نابجاییها و تنشهای پسماند در ساختار داخلی فلز است.
📌 نتیجه: در خمکاری، اگر ورق قبلاً نورد یا کشیده شده باشد، برگشت فنری ممکن است بیشتر یا غیرخطی بشود. چون تنشهای پسماند و اثر باوشینگر مسیر بازگشت ماده رو تغییر میدهند.
🧱 مثالهایی از گریدهای فولادی حساس به این پدیدهها
| گرید فولاد | نوع | حساسیت به تنش پسماند | حساسیت به اثر باوشینگر | کاربردها |
| AISI 1095 | پرکربن فنری | بالا | بالا | تیغهها، فنرها، ابزار دقیق |
| AISI 301 | ضدزنگ فنری | متوسط | بالا | قطعات الاستیک، فنرهای ضدزنگ |
| S355MC | سازهای با استحکام بالا | بالا | متوسط | قطعات خمکاریشده در سازههای سنگین |
| ST52-3 | ساختمانی | متوسط | متوسط | ماشینآلات، قطعات صنعتی |
| AISI 4130 | آلیاژی کروم-مولیبدن | بالا | بالا | صنایع هوافضا، نفت و گاز |
🔍 نکات طراحی و صنعتی
- در گریدهایی مثل AISI 1095 یا 301، اثر باوشینگر میتواند باعث برگشت فنری غیرمنتظره بشود، بهویژه اگر ورق قبلاً نورد یا کشیده شده باشد.
- در طراحی قالب خمکاری، باید تاریخچه تنش ماده در نظر گرفته بشود؛ مثلاً اگر ورق قبلاً عملیات حرارتی یا نورد سرد شده باشد. رفتارش در خمکاری متفاوت خواهد بود.
- استفاده از روشهایی مثل پخت حرارتی (Stress Relief Annealing) یا ساچمهزنی (Shot Peening) میتونه تنشهای پسماند را کاهش بدهد و رفتار خمکاری رو پایدارتر کند.
🛠 راهکارهای کاهش برگشت فنری
- طراحی قالب با زاویه اصلاحشده برای جبران برگشت
- استفاده از عملیات حرارتی یا خمکاری گرم برای کاهش تنشهای داخلی
- شبیهسازی فرآیند با نرمافزارهای اجزای محدود مانند Abaqus برای پیشبینی دقیق رفتار ورق
📈 اهمیت صنعتی
در صنایع خودروسازی، ساخت قطعات الکتریکی، تجهیزات صنعتی و سازههای فلزی، کنترل دقیق برگشت فنری برای حفظ کیفیت و کاهش ضایعات ضروری است. عدم توجه به این پدیده میتواند منجر به تولید قطعات خارج از تلرانس، افزایش هزینههای تولید و کاهش عمر مفید سازه شود.
📊 جدول محاسبه تقریبی برگشت فنری در خمکاری ورق فولادی
| پارامتر | مقدار نمونه | توضیح |
| ضخامت ورق (t) | 2 mm | ضخامت ورق فولادی |
| شعاع خم قالب (R) | 10 mm | شعاع خم اولیه |
| زاویه خم طراحیشده (θ) | 90° | زاویه مورد نظر در طراحی |
| مدول یانگ فولاد (E) | 210 GPa | خاصیت کشسانی فولاد |
| تنش تسلیم (σy) | 250 MPa | نقطه شروع تغییر شکل پلاستیک |
| نسبت برگشت فنری (S) | ~5° | زاویهای که پس از آزادسازی نیرو برگشت میکند |
| زاویه نهایی پس از برگشت | ~85° | زاویه واقعی پس از خمکاری |
فرمول تقریبی برگشت فنری:
$$ S = theta left(1 – frac{σ_y}{E} right) $$.
که در آن ( S ) زاویه برگشت فنری، ( theta ) زاویه خم طراحیشده، ( σ_y ) تنش تسلیم، و ( E ) مدول یانگ است.
استیل دی –Steel day
02166396590– 09922704358
مطالعه بیشتر: لوله اسپیرال-فروش لوله فولادی-کاربرد لوله اسپیرال در صنعت-لوله آلیاژی-لوله مارپیچ
مطالعه بیشتر: فولاد 8070-میلگرد 8070-گرد 8070-فولاد حرارتی-21CrMoV5-11 -فولاد سازه ای
مطالعه بیشتر: فولاد مخزنی – ورق مخزن سازی – ورق مخزنی – روش ساخت مخازن تحت فشار
مطالعه بیشتر: قالب سازی پلاستیک-فولاد قالب پلاستیک-فولاد 2738-فولاد 2312-فولاد 7225
مطالعه بیشتر: یارانه زغال سنگ به صنعت برای کنترل قیمت واردات
مطالعه بیشتر: استیل 303- فولاد زنگ نزن 303 آستنیتی-فروش انواع استنلس استیل
قیمت فولاد آلیاژی در ایران تحت تأثیر نوسانات جهانی قرار گرفته است.