Конструиране за производство чрез метално штамповане: Инженерен справочник

Накратко

Дизайн за производимост (DFM) при метално штамповане е стратегическа инженерна практика за оптимизиране на геометрията на детайлите, за да съответства на физическите принципи на работата на штамповъчния прес и формите. Като проектират детайли, които спазват ограниченията на материала — вместо да се борят с тях — инженерите могат да намалят разходите за инструменти с до 50%, да ускорят производственото време и да елиминират чести дефекти като пукания или връщане след огъване.

Основата на DFM при штамповане се основава на спазването на проверени „Златни правила“ за геометрията. Ключови съотношения включват осигуряване диаметърът на отворите да е поне равен на дебелината на материала (1T) , поддържане на минимален радиус на огъване от 1T , за да се предотвратят пукания, и запазване на разстояние между елементи и зоните за огъване с коефициент 1,5T + Радиус . Прилагането на тези ограничения още в началната фаза на CAD е най-ефективният начин да се гарантира производствената осъществимост.

Инженерният бизнес случай: Защо DFM има значение при штамповане

При штампирането на метали цената на частта се определя до голяма степен преди да бъде поръчан първият лист метал. Около 70% от крайните производствени разходи на продукта са заложени в фазата на проектиране. "Отвъд стената" инженерство, при което проектите се предоставят на производителя без предварителна консултациячесто води до сложни изисквания за инструменти, които увеличават разходите експоненциално. Част, проектирана без DFM, може да изисква сложна прогресивна машина с 20 станции и скъпи движения на слайдовете, докато оптимизирана версия за DFM може да бъде произведена с по-прост инструмент с 12 станции.

Колаборативният DFM служи като мост между идеалната геометрия и суровата реалност на студеното формоване на стомана. Той премества фокуса от въпроса „може ли това да бъде направено?“ към „може ли това да бъде направено ефективно?“. Като включат производствен партньор още в началото, инженерите могат да идентифицират факторите, влияещи на разходите, като тесни допуски, изискващи прецизно шлифоване, или елементи, които изискват вторични операции за отстраняване на заострените ръбове. Например, увеличаването на неточен отворен допуск от ±0,002" до ±0,005" може значително да удължи живота на инструмента и да намали цената на отделната детайл.

Това е особено важно при прехода от прототип към серийно производство. Дизайн, който работи при лазерна рязка (малки серии), често не успява при щамповане (големи серии) поради различните фактори на напрежение. Партньори като Shaoyi Metal Technology специализира се в преодоляването на тази разлика, като предлага инженерна подкрепа, която гарантира, че проектите, валидирани във фаза на прототип, са достатъчно здрави за високоскоростни линии за штампиране с голям обем. Използването на тези знания на ранна възраст предотвратява скъпоструващата "циклична редизайн на инструментите", която е причина за много нови продукти.

Избор на материали и стратегия за насочване на зърното

Изборът на материали при штампиране е компромис между функция, форма и цена. Докато функционалността определя основната сплав (напр. неръждаема стомана 304 за корозионна устойчивост или алуминий 5052 за тегло), специфичната темпер и посока на зърното диктуват производимостта. По-твърдите материали предлагат по-голяма издръжливост, но са по-склонни към пукнатини по време на сложни формиращи операции.

Критичната роля на насочването на зърното

Листата метал се произвеждат чрез валцуване, което удължава структурата на зърното на метала в посоката на валцуването. Тази анизотропия означава, че материалът се държи различно в зависимост от това как е формиран спрямо зърното:

• Сгъване перпендикулярно на зърното: Най-силната ориентация. Материалът може да издържи по-малки радиуси без пукане, тъй като структурата на зърното се огъва, а не се раздира.
• Огъване успоредно (по) зърното: Най-слабата ориентация. Зърната лесно се отделят, което води до пукнатини по външния радиус, особено при по-твърди сплави като алуминий 6061-T6 или високовъглеродна стомана.

Инженерите трябва да посочат посоката на зърното на чертежа, ако са необходими тесни огъвания. Ако геометрията на детайла изисква огъвания в няколко посоки, често се използва ориентация под 45 градуса спрямо зърното като компромис, за да се осигури баланс между якост и формируемост по всички елементи.

Ръководни принципи за критична геометрия: отвори, процепи и ребра

Физиката на взаимодействието между пробойника и матрицата налага строги математически ограничения за изрязаните елементи. Нарушаването на тези съотношения създава слаби участъци в матрицата, които се счупват преждевременно, водейки до простои и разходи за поддръжка. Таблицата по-долу обобщава приетите "практически правила" за стандартни щамповъчни операции.

Близост на отвор до огъване: Един от най-честите грешки е поставянето на отвор твърде близо до огъване. Докато метала се разтегля около радиуса, всеки елемент в "зоната на деформация" ще се изкриви. Ако проектът изисква строго отвор близо до огъване, штампата трябва да го пробие след след огъването (което изисква допълнителна станция/разходи) или да се използва специален релефен рез. Стандартната формула, за да се гарантира кръгла форма на отвора, е ръбът му да бъде поне 1,5 пъти материалната дебелина плюс радиуса на огъване на разстояние от допирателната линия на огъването.

Правила за огъване и формоване: Радиуси, Фланци и Релефи

Огъването не е просто прегъване; то е контролирана пластична деформация. За постигане на последователни огъвания без повреди, трябва да се контролират три параметъра: Минимален радиус на огъване, Дължина на фланец и Огъващ релеф.

Минимален радиус на огъване

Остри вътрешни ъгли са враг на штамповани части. Радиус нула (остър ъгъл) създава точка на концентрация на напрежението, която неизбежно води до пукнатини. За повечето дуктилни метали като валцованата стомана (CRS) или мек алуминий Минимален вътрешен радиус на огъване трябва да бъде ≥ 1T . По-твърди материали, като неръждаема стомана, често изискват ≥ 2T или по-голям радиус. Проектирането с по-големи радиуси удължава живота на инструмента и намалява риска от повреда на детайла.

Минимална дължина на фланш

За точно огъване на фланец материала трябва да остане в контакт с матрицата през целия процес на формоване. Ако фланецът е твърде кратък, той ще се плъзне в отвора на V-матрицата преди завършване на огъването, което води до деформиран, непаралелен ръб. Стандартното правило е, че Дължината на фланеца трябва да бъде поне 3 до 4 пъти по-голяма от дебелината на материала . Ако се изисква по-къс фланец, штампачът може да се наложи да оформи по-дълъг фланец и да го отреже при последваща операция, което увеличава разходите за детайла.

Отвори за релаксация при огъване

Когато един огъв не преминава по цялата ширина на детайла, материала в краищата на линията на огъване ще се скъса, освен ако не бъде добавено "отпускане при огъване". Отпускането представлява малък правоъгълен или полукръгъл отвор, изрязан в основата на фланеца. Този отвор отделя огънатия материал от неогънатия, предотвратявайки скъсване и деформация. Дълбочината на отпускането обикновено трябва да надхвърля радиуса на огъване + дебелината на материала.

Допуски в реалността срещу разходи

Степента на строгост на допуските е най-големият фактор, влияещ върху цената на штамповъчните матрици. Въпреки че съвременното прецизно штамповане може да постига допуски до ±0,001 инча, изискването за такива стойности по целия детайл е ненужно и скъпо. По-строгите допуски изискват по-прецизни компоненти на матрицата (рязане с жичен EDM), по-често поддържане (заточване) и по-бавни скорости на пресата.

• Блокови допуски: За некритични елементи (например отвори за минимални зазори, вентилационни отвори) използвайте стандартни блокови допуски (обикновено ±0,005" до ±0,010").
• Размери между елементи: Задавайте размери на критичните елементи един спрямо друг, а не спрямо ръба на детайла. Ръбът често се получава чрез операция за отрязване, която по своята природа има по-голяма променливост в сравнение с пробитото отвор. Задаването на размери от отвор до отвор запазва по-тясна верига от допуски там, където това има значение.
• Само критични елементи: Прилагайте GD&T (Геометрично задаване на размери и допуски) само когато е абсолютно необходимо за сглобяването. Ако допускът за ъгъла на фланеца бъде стеснен от ±1° до ±0,5°, производителят на штампета може да се наложи да добави станция за повторно ударяване в матрицата, за да контролира огъването след деформацията, което увеличава инвестициите в инструментите.

Чести дефекти и предпазване от тях (Контролен списък за DFM)

Инженерите могат да предвидят и да изключат често срещани видове повреди, като извършат бърз контролен списък за DFM, преди да финализират CAD модела.

• Заравняния: Всички штамповани ръбове имат заострености от страната на "пречупването". Уверете се, че чертежът Ви посочва "Посока на заостреността", така че остри ръбове да не се намират на повърхност, с която потребителят работи. Стандартна допустима височина на заостреността е 10% от дебелината на материала.
• Възстановяване на формата: Еластичното възстановяване след огъване причинява разтваряне на ъгъла. Докато пресформата компенсира това в инструмента, използването на последователни класове материали (например специална високопрочна нисколегирана стомана) помага за запазване на еднородността. Избягвайте смяната на доставчици на материали по време на производството, за да се предотвратят отклонения.
• Ойл Канинг: Големи, плоски, неподдържани участъци от тънък метал имат тенденция да изпъкват или да „пукат“ като кене за масло. Добавянето на ребра, релефи или стъпала заздравява детайла, без да добавя тегло, и предотвратява този дефект.

Инженерство за ефективност

Овладяването на проектирането за осъществимост при штамповане на метал не означава компрометиране на проектната цел; става дума за усъвършенстване спрямо реалността. Като се спазват физическите принципи на процеса на штамповане — спазване на минимални съотношения, избор на подходяща стратегия за зърнестост на материала и внимателно прилагане на допуски — инженерите могат да намалят разходите и да гарантират дългосрочна стабилност на производството. Детайл, оптимизиран за пресата, е детайл, оптимизиран за печалба, качество и скорост.

Често задавани въпроси

1. Какъв е минималният размер на отвора за метално щанцоване?

Като цяло диаметърът на пробит отвор не би следвало да е по-малък от дебелината на материала (1T). За високопрочни материали като неръждаема стомана често се препоръчва съотношение от 1,5T или 2T, за да се предотврати счупването на пуансона. Ако са необходими по-малки отвори, може да се наложи те да бъдат изсверловани или обработени чрез вторична операция.

2. Как влияе посоката на зърното на метала върху огъването?

Посоката на зърното при метала се формира по време на процеса на валяне на листовия материал. Огъването перпендикулярно на (напречно на) зърното е по-силно и позволява по-малки радиуси без напукване. Огъването успоредно на зърното е по-слабо и по-склонно към пукнатини по външния радиус. Критичните конструктивни огъвания винаги трябва да бъдат ориентирани напречно на зърното.

3. В какво се състои разликата между щанцоване и пробиване?

Бланкингът е операцията по изрязване на цялостната външна форма на детайла от металната лента; премахнатата част е полезният елемент. Пробиването (или перфориране) е операцията по изрязване на вътрешни отвори или форми; премахнатата част е отпадъчен материал (слъг). Двете са режещи операции, но изпълняват различни цели в последователността на умиращата станция.