Накратко

Проектирането на матрици за алуминиеви панели за кариерата е специализиран инженерен процес, насочен към създаването на здрави стоманени инструменти (матрици), използвани за оформяне на алуминий. Основните производствени методи са изтегляне, екструзия и леене под налягане, като всеки изисква уникален тип матрица. Ефективният дизайн трябва да отчита специфичните свойства на алуминия – като неговата лекота, формируемост и склонност към пукане – за да се контролира потокът на метала, да се предотвратят дефекти и да се осигури крайният автомобилен компонент да отговаря на точни спецификации.

Основи на проектирането на матрици за алуминиеви панели

При металообработката матрицата е специализиран инструмент, използван за рязане или оформяне на материали чрез преса. За алуминиеви кариерни панели тези матрици обикновено се изработват от висококачествена инструментална стомана, като H13, проектирани да издържат на огромно налягане и високи температури. Основното предизвикателство при проектирането на матрици за алуминиеви кариерни панели се състои в адаптирането към уникалните характеристики на алуминиевите сплави. В сравнение със стоманата алуминият е по-лек и по-склонен към разкъсване или пукане, ако не бъде правилно оформен, но предлага отлична формируемост, когато се управлява правилно.

Производственият процес подлага матрицата и алуминиевата пръчка или лист към екстремни сили. Например, при екструзията на алуминий налягането може да надхвърли 100 000 паунда на квадратен инч (psi). Конструкцията на матрицата трябва да насочва тази сила, за да се осигури равномерно течение на алуминия в желаната форма, без да се получават дефекти като гънки, пукнатини или непостоянна дебелина на стените. Матрица за екструзия на алуминий например представлява термично обработен стоманен диск с прецизно изработено отворено сечение, наречено още диафрагма, което определя напречното сечение на профила. Конструкцията на този отвор е от решаващо значение за контролиране на скоростта и разпределението на металното течение.

Първите съображения на един дизайн-инженер са целевият производствен процес и геометрията на крайната детайл. Изборът между таблопробиване, екструзия или преципитационно леене определя основната структура на матрицата. Дизайнът трябва също да отчита топлинния режим, тъй като натрупването на топлина може да повлияе както на живота на матрицата, така и на крайните свойства на алуминия. В крайна сметка успешната матрица е резултат от внимателно инженерство, което балансира материални свойства, физиката на процеса и желаните структурни и естетически резултати на каросерията.

Основни производствени процеси и свързаните с тях типове матрици

Производството на алуминиеви панели за каросерии включва няколко различни производствени процеса, като всеки зависи от специфичен тип дизайна на матрицата. Трите основни метода са автомобилно таблопробиване, алуминиева екструзия и алуминиево преципитационно леене. Разбирането на разликите е от решаващо значение за избора на правилния подход за конкретен компонент — от вратов панел до структурна рама.

Щампи за автомобилно щамповане

Пресоването е най-често срещаният процес за големи телесни панели като врати, капаци и фенерони. То включва оформянето на плосък лист от алуминий между две половини на матрица в преса за пресоване. Процесът обикновено е последователен и използва серия от специализирани матрици. Както посочват експерти по автомобилно производство, тази последователност включва няколко ключови етапа. Първо, измъквателната матрица извършва първоначалното основно оформяне, разтягайки плоския заготовък, за да създаде основната триизмерна форма на панела. След това, матрици за рязане и пробиване премахват излишния материал от ръбовете и създават необходимите отвори за компоненти като дръжки или светлини. След това, формилки за крачестици огъват ръбовете, за да създадат повърхности за сглобяване и добавят огъваемост. Накрая, матрици за повторно нанасяне на удар се използват за изостряне на контурите и коригиране на евентуално еластично връщане, осигурявайки панелът да отговаря на точни размерни допуски. Водещи доставчици в тази област, като Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. , се специализират в създаването на тези сложни, персонализирани матрици за автомобилно пресоване за големи производители на оригинални части (OEM), като осигуряват висока прецизност при производството в големи серии.

Алюминиеви екструзионни дискове

Екструзията се използва за създаване на части с постоянна напречна секция, като прозоречни рамки, конструкционни релси и декоративни елементи. При този процес нагрята алуминиева заготовка се избутва през отвор на матрица. Има три основни категории екструзионни матрици. Цели матрици , най-простият тип, произвеждат форми без затворени кухини, като ъгли или плоски профили. Кухи матрици са по-сложни и се използват за създаване на профили с една или повече затворени кухини, например квадратна тръба. Тези матрици използват мандрил за оформяне на вътрешната кухина. Полу-кухи матрици създават профили, които частично обграждат кухина, и са по-сложни за проектиране в сравнение с масивните матрици поради деликатния баланс на потока на метала, който е необходим. За Съвет на производителите на алуминиеви профили отбелязва, че ефективният дизайн на екструзионни матрици зависи от контрола на скоростта на потока на метала чрез настройване на дължините на лагерите, за да се осигури равномерно излизане на всички части от профила през матрицата.

Лити алуминиев корпус

Пресоването под налягане е идеално за производството на сложни, детайлни алуминиеви части чрез впръскване на разтопен метал в стоманена форма (калъп) под високо налягане. Този процес често се използва за компоненти като моторни скоби, кутии на предавки и структурни възли, където са необходими висока прецизност и детайли. Калъпите обикновено се изработват в две половини, които се заключват заедно по време на впръскването и след това се разделят, за да се извади затвърдялата част. Проектирането на тези калъпи е изключително сложно, тъй като трябва да осигури правилен поток на разтопения метал, контролира охлаждането за предотвратяване на дефекти и да улесни изваждането на детайла.

9 критични аспекти при проектирането на алуминиеви отливки чрез пресоване под налягане

Ефективното прецизно леене изисква повече от създаването на полост във формата на детайл. То включва набор от принципи, известни като проектиране за производство (DFM), чиято цел е оптимизиране на детайла за ефективно и висококачествено производство. Въз основа на всеобхватен ръководство за проектиране на прецизно леене от алуминий , спазването на конкретни правила за проектиране е от съществено значение за предотвратяване на дефекти и намаляване на разходите. Тези аспекти заедно формират основните правила за проектиране на форми.

1. Разделителна линия: Това е линията, където се срещат двете половини на формата. Позицията ѝ е първостепенно решение, тъй като определя къде ще се образува излишният материал (напречник), който след това трябва да бъде премахнат. Добре поставена разделяща линия опростява довършителната обработка след производството.
2. Свиване: Докато разтопеният алуминий се охлажда, той се свива (обикновено 0,4–0,6%). Формата трябва да бъде проектирана малко по-голяма от крайния детайл, за да се компенсира това свиване. Свиването може също да причини детайлът да се залепи за вътрешните елементи на формата, което затруднява изхвърлянето му.
3. Чернова: Чертежът е леко стъпиране, приложено към всички повърхнини, успоредни на посоката на движение на матрицата. Този ъгъл, подобен на този при тава за мафини, е от съществено значение, за да може отлятата детайл да бъде лесно изваден от матрицата без повреди.
4. Стена на тръбата: Стените трябва да са възможно най-еднородни по дебелина. Твърде тънки стени могат да причинят затварянето на разтопения метал, преди формата напълно да се запълни, докато прекалено дебелите стени губят материал и увеличават времето за охлаждане, което забавя производството.
5. Закръгления и радиуси: Остри ъгли са проблем при леене под налягане, тъй като могат да предизвикат турбуленция в потока от метал и да доведат до слабости. Добавянето на заоблени вътрешни ъгли (фаски) и външни ъгли (радиуси) позволява на метала да тече гладко, увеличавайки конструктивната цялостност на детайла.
6. Босове: Това са изпъкнали елементи, често използвани като точки за монтиране. Те трябва да бъдат внимателно проектирани, за да се запази еднородна дебелина на стените, често чрез изпразване на централната им част, за да се избегнат дефекти като следи от уседане.
7. Ребра: За да се повиши здравината на дадена част, без да се увеличава дебелината на стената, конструкторите могат да добавят тънки конструктивни усилвания, наречени ребра. Те също помагат за насочване на разтопения метал към сложни области на матрицата.
8. Подрязвания: Това са елементи, които попречват директното изхвърляне на детайла от матрицата. Въпреки че понякога са необходими, те трябва да се избягват, когато е възможно, тъй като изискват сложни и скъпи механизми за матрици, като странични ядра, за да бъдат изработени.
9. Отвори и прозорци: Включването на отвори и прозорци директно в дизайна на матрицата премахва нуждата от вторични операции като свредлене или фрезоване. Това спестява значително време и разходи, но изисква внимателно проектиране, за да се осигури правилен поток на метала около тези елементи.

Процес на производство и изработка на матрици

Създаването на матрица за алуминиеви панели на купето е прециозен, многостепен процес, при който блок върхова стомана се превръща в високоефективен производствен инструмент. Процесът започва с цифров дизайн, при който инженерите използват CAD (Компютърно подпомагано проектиране) софтуер, за да моделират матрицата, и FEA (Анализ чрез крайни елементи), за да симулират течението на метала и топлинното поведение. Тази симулация помага да се идентифицират потенциални проблеми, преди да бъде обработена някаква стомана, като оптимизира проекта по отношение на производителност и дълготрайност.

След като дизайна е окончателно утвърден, започва физическото производство. Блок от инструментална стомана H13 обикновено се обработва с машини с числово програмно управление (CNC), които могат да извършват сложни резове с изключителна прецизност. За сложни елементи или много твърди материали може да се използва електроерозионна обработка с жица (Wire EDM). След механичната обработка матрицата преминава през критичен процес на термична обработка, за да се затвърди стоманата, като по този начин придобива способността да издържа на огромните налягане и температури по време на производството. Накрая повърхностите се полират и понякога се покриват с обработки като нитриране, за да се повиши устойчивостта на износване и да се подобри течението на алуминия.

Самият матричен инструмент е част от по-голяма сглобка, известна като комплект матрици или инструментален пакет. Тази сглобка, често наричана матричен комплект, се състои от две половини: покривната матрица и изхвърлящата матрица. Двете половини се монтират в машината за леене под налягане и се разделят, за да се позволи премахването на затвърдения детайл. Сложността и размерът на този инструментален комплект влияят върху общата цена, която може значително да варира в зависимост от сложността на профила, дали е кух или масивен, както и от очаквания обем на производството. Правилното поддържане, включително редовно почистване и повторно полирване, е от съществено значение за управление на износването и удължаване на работния живот на инструмента.

Често задавани въпроси

1. Какво е правилото за проектиране на матрици?

Няма едно единствено "правило за дизайн на форми", а по-скоро съвкупност от най-добри практики и принципи, често наричани Дизайн за производство (DFM). При прецисното леене тези правила включват важни аспекти като определяне на правилната равнина на разделяне, влагане на конусности за лесно изваждане на детайла, поддържане на еднаква дебелина на стените, използване на заобления и радиуси, за да се избегнат остри ъгли, както и проектиране с оглед на свиването на материала. Спазването на тези насоки помага да се осигури възможността за производство на детайла, минимизира дефектите и намалява производствените разходи.

2. Как се прави алуминиева форма?

Създаването на матрица за формоване на алуминий е сложен процес. Той започва с цифров дизайн, използвайки CAD софтуер, който често се проверява с FEA симулации. Блок от висококачествена инструментална стомана (като H13) след това се обработва прецизно с CNC машини или Wire EDM, за да се създаде формата на матрицата. Обработената матрица преминава през термична обработка за втвърдяване, последвана от полирване на повърхността и понякога специални покрития, за подобряване на издръжливостта и теча на метала. Готовата матрица се монтира в комплект инструменти заедно със спомагателни елементи като подпори и основи, готова за употреба в преса.

3. Как изглежда матрицата за алуминиево екструдиране?

Една алуминиева матрица за екструзия обикновено представлява дебел, кръгъл диск от закалена стомана. В центъра му има прецизно изработен отвор, който съвпада с желаната напречна форма на крайния екструдиран профил. При масивни форми това е единична плоча. При кухи форми матрицата е по-сложна, често многокомпонентна конструкция (като портовата матрица), включваща мандрил, който оформя вътрешното пространство, докато алуминият преминава около него и се заварява отново, преди да напусне матрицата.