Passos clau del procés de disseny de matrius automotrius

TL;DR

El procés de disseny d'utillatges per a l'automoció és un flux de treball d'enginyeria sistemàtic que transforma un concepte de peça en una eina de fabricació robusta. Comença amb una anàlisi exhaustiva de la viabilitat de la peça (DFM), seguida d'una planificació estratègica del procés per crear una distribució de bandes que optimitzi l'ús del material. A continuació, el procés passa al disseny detallat de l'estructura i components de l'utillatge mitjançant CAD, a la simulació virtual per a validació i compensació del rebot, i finalitza amb la creació de dibuixos de fabricació precisos i una llista de materials (BOM) per al fabricant d'eines.

Fase 1: Viabilitat de la peça i planificació del procés

La base de qualsevol operació d'estampació automotriu exitosa es posa molt abans que es talli cap acer. Aquesta fase inicial, centrada en l'anàlisi de viabilitat de la peça i la planificació del procés, és l'etapa més crítica per prevenir errors costosos i assegurar una producció eficient. Implica un estudi profund del disseny de la peça per determinar la seva idoneïtat per a l'estampació, una pràctica coneguda com a disseny per a la fabricabilitat (DFM). Aquesta anàlisi examina característiques com cantonades agudes, embuts profunds i propietats del material per identificar possibles punts de fallada, com esquerdes o arrugues, abans que es converteixin en problemes físics costosos.

Un cop s'ha determinat que una peça és fabricable, el següent pas és crear un pla de procés, representat visualment mitjançant un esquema de tira. Aquest és el mapa estratègic de com una bobina de metall pla serà transformada progressivament en un component acabat. Tal com es detalla en una guia elaborada per Jeelix , la distribució de la tira estableix minuciosament cada operació—des de perforacions i esberlades fins a plecs i conformats—en una seqüència lògica. Els objectius principals són maximitzar l'aprofitament del material i assegurar que la tira romanca estable mentre passa per la matriu. Una distribució optimitzada pot tenir un impacte econòmic significatiu; fins i tot una millora del 1% en l'ús del material pot traduir-se en estalvis substancials en la producció automobilística d'alta volumetria.

Durant aquesta fase de planificació, els dissenyadors descomponen mentalment la peça final en una sèrie d'accions d'estampació. Per exemple, un suport complex es descompon en les seves operacions fonamentals: punxonat de forats guia, esberlats de vores, execució de plecs i, finalment, tall de la peça acabada de la tira. Aquest raonament estructurat assegura que les operacions es realitzin en l'ordre correcte, per exemple, perforar forats abans de doblegar per evitar deformacions.

Llista de verificació de consideracions clau de DFM:

• Propietats del material: És adequada l'espessor, duresa i direcció del gra del metall seleccionat per a les operacions de conformació requerides?
• Ràdios de doblegat: Tots els radis de doblegament són prou generosos per evitar esquerdes? Un radi intern inferior a 1,5 vegades l'espessor del material sovint és una alerta.
• Proximitat del forat: Els forats estan situats a una distància segura dels plecs i vores per evitar estiraments o trencaments?
• Geometria complexa: Hi ha cap característica, com motlles interiors o forats laterals, que requereixi mecanismes complexos i potencialment propensos a fallades, com càmeres laterals?
• Toleràncies: Els toleràncies especificades es poden assolir amb el procés d'estampació sense incrementar innecessàriament els costos?

Fase 2: Estructura del motlle i disseny dels components principals

Amb un pla de procés sòlid establert, l'atenció es centra en el disseny del motlle físic, una màquina de precisió composta per múltiples sistemes interdependents. L'estructura del motlle fa les funcions de marc robust, o esquelet, que manté tots els components actius perfectament alineats sota forces immenses. Aquesta base, sovint anomenada joc de motlle, consta de plaques superiors i inferiors (sabates) alineades amb precisió mitjançant passadors i buits guia. Aquest sistema d'alineació és fonamental per mantenir la precisió a nivell de micres necessària per garantir una qualitat constant de les peces i evitar col·lisions catastròfiques del motlle durant el funcionament a alta velocitat.

El nucli del motlle és el seu sistema de conformació i tall, que consta dels punsons i les cavitats del motlle (o botons) que modelen directament el metall. El disseny d'aquests components requereix una precisió extrema. Un paràmetre clau és el joc, l'escletxa reduïda entre el punson i el motlle. Segons Mekalite , aquest joc és típicament entre un 5-10% del gruix del material. Un joc insuficient augmenta la força de tall i el desgast, mentre que un excés pot esquinçar el metall i deixar rebaveles grans. La geometria, el material i el tractament tèrmic d’aquests components s’especifiquen minuciosament per garantir que puguin suportar milions de cicles.

L’elecció del material per als components de la matriu és una decisió estratègica que equilibra cost, resistència al desgast i tenacitat. S’utilitzen diferents acers d’eina segons el volum de producció i l’abrasivitat del material de la peça.

Fase 3: Validació virtual i revisió del disseny

En el disseny modern d'utillatges per a l'automoció, ha acabat l'era dels costosos i llargs assaigs físics basats en l'assaig i error. Avui dia, els dissenys es proven rigorosament en l'àmbit digital mitjançant un procés anomenat validació virtual. Mitjançant programari avançat d'enginyeria assistida per ordinador (CAE) i anàlisi per elements finits (FEA), els enginyers simulen tot el procés d'estampació per predir com es comportarà la xapa metàl·lica sota pressió. Aquest assaig virtual identifica possibles defectes com arrugues, trencaments o un aprimament excessiu abans de començar qualsevol fabricació física, permetent correccions proactives del disseny.

Un dels reptes més importants en l'estampació, especialment amb els acers d'alta resistència avançats (AHSS) utilitzats en vehicles moderns, és el retroces. Aquest fenomen es produeix quan el metall format torna parcialment a la seva forma original després de retirar la força d'estampació. El programari de simulació pot predir amb precisió la quantitat i la direcció d'aquest retroces. Això permet als dissenyadors implementar una compensació activa. Per exemple, tal com explica Jeelix, si una simulació prediu que un plec de 90 graus retrocedirà fins a 92 graus, es pot dissenyar la matriu per doblegar excessivament la peça fins a 88 graus. Quan es treu la peça, aquesta retrocedeix fins al valor objectiu perfecte de 90 graus.

El procés de validació és una comprovació sistemàtica per assegurar que el disseny sigui robust, eficient i capaç de produir peces de qualitat. Ofereix una última oportunitat de revisió i refinament abans de comprometre's amb el costós procés de fabricació d'eines.

Els passos del procés de validació virtual:

1. Executar l'anàlisi d'estampabilitat: El programari de simulació analitza el flux de material per detectar possibles defectes com esquerdes, arrugues o estirament insuficient.
2. Preveure i compensar el retroces: Es calcula el grau de retroces i les superfícies d'embutició del disseny del motlle s'ajusten automàticament per compensar-lo.
3. Calcular forces: La simulació calcula la tonelada necessària per a cada operació, assegurant que la premsa seleccionada tingui capacitat suficient i evitant danys a la premsa o al motlle.
4. Realitzar una revisió final del disseny: Un equip d’enginyers realitza una revisió exhaustiva del disseny validat per detectar qualsevol error restant o problema potencial abans de finalitzar el disseny.

Fase 4: Creació de plànols i transmissió a la fabricació

L'etapa final del procés de disseny de motlles per a l'automoció és la traducció del model digital 3D validat a un llenguatge tècnic universal que els fabricants d'eines puguin utilitzar per construir el motlle físic. Això implica crear un paquet complet de documentació tècnica, incloent dibuixos detallats i una Llista de Materials (BOM). Aquesta sortida estandarditzada és essencial per garantir que cada component es fabriqui segons les especificacions exactes, cosa crítica per a un muntatge fluid, el funcionament correcte i el manteniment eficient del motlle.

El paquet de documentació serveix com a plànol definitiu per a la construcció de l'eina. Ha de ser clar, precís i inequívoc per evitar errors costosos al taller. Aquesta planificació detallada és una característica distintiva dels fabricants experimentats del sector automobilístic. Per exemple, empreses com Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. especialitzats en transformar aquests paquets de disseny precisos en motlles d'estampació i components automotrius d'alta qualitat, aprofitant simulacions avançades i una àmplia experiència per oferir als OEM i proveïdors de nivell 1 una eficiència i qualitat excepcionals.

El paquet de disseny final conté diversos elements clau, cadascun dels quals té una funció específica en el procés de fabricació i muntatge. La qualitat i completesa d'aquesta documentació afecta directament el rendiment i la durabilitat de l'eina final.

Elements clau d'un paquet de disseny final:

• Dibuix d'conjunt: Aquest dibuix principal mostra com s'encaixen tots els components individuals en el conjunt final del motlle. Inclou les dimensions generals, l'alçada de tancament i els detalls per muntar el motlle a la premsa.
• Dibuixos de detall: Es crea un dibuix separat, molt detallat, per a cada component personalitzat que cal mecanitzar. Aquests dibuixos especifiquen les dimensions exactes, les toleràncies geomètriques, el tipus de material, el tractament tèrmic requerit i l'acabat superficial.
• Llista de materials (BOM): La llista de materials és una llista completa de totes les peces necessàries per construir el motlle. Això inclou tant els components mecanitzats personalitzats com totes les peces estàndard disponibles al mercat, com ara cargols, molles, passadors guia i buits, sovint amb els números de peça del proveïdor.