Navrhování pro výrobu kovového stříhání: Inženýrská příručka

SHRNUTÍ

Navrhování pro výrobní přizpůsobitelnost (DFM) u kovového stříhání je strategická inženýrská praxe optimalizace geometrie dílu tak, aby odpovídala fyzikálním zásadám lisu a možnostem nástroje. Pokud jsou díly navrženy tak, aby respektovaly materiálová omezení – namísto toho, aby s nimi bojovaly – mohou inženýři snížit náklady na nástroje až o 50 %, urychlit dodací lhůty a eliminovat běžné vady jako praskliny nebo pružení.

Základem stříhacího DFM je dodržování ověřených „zlatých pravidel“ geometrie. Mezi klíčové poměry patří zajištění toho, že průměr otvorů je alespoň roven tloušťce materiálu (1T) , zachování minimálního ohybového poloměru 1T za účelem prevence zlomenin a udržení prvků mimo ohybové zóny o hodnotu 1,5T + poloměr . Použití těchto omezení již v rané fázi tvorby CAD modelu je nejúčinnějším způsobem, jak zajistit výrobní proveditelnost.

Inženýrský podnikatelský případ: Proč je DFM důležité při stříhání

Při tváření kovů je cena dílu do značné míry určena ještě před tím, než je objednán první plech. Přibližně 70 % konečných výrobních nákladů produktu je již pevně stanoveno během fáze návrhu. Inženýrský přístup typu „přes zeď“ – kdy jsou návrhy předány výrobci bez předchozí konzultace – často vede ke složitým požadavkům na nástroje, které způsobují exponenciální růst nákladů. Díl navržený bez zohlednění možností výroby (DFM) může vyžadovat složitou postupnou matrici se 20 děleními a nákladnými posuvnými prvky, zatímco verze optimalizovaná podle DFM by mohla být vyrobena pomocí jednoduššího nástroje s 12 děleními.

Společný DFM slouží jako most mezi ideální geometrií a tvrdou realitou tváření za studena z oceli. Přesouvá důraz z otázky „lze to vyrobit?“ na otázku „lze to vyrobit efektivně?“. Zapojením výrobního partnera již v rané fázi mohou inženýři identifikovat nákladové faktory, jako jsou úzké tolerance vyžadující přesné broušení, nebo prvky, které vyžadují dodatečné operace odstranění otřepů. Například uvolnění netechnologické tolerance otvoru z ±0,002“ na ±0,005“ může výrazně prodloužit životnost nástroje a snížit cenu dílu.

To je obzvláště důležité při přechodu od prototypu k sériové výrobě. Návrh, který funguje u laserového řezání (malé objemy), často selže u lisy (velké objemy) kvůli odlišným zatěžovacím faktorům. Partneři jako Shaoyi Metal Technology specializují se na překlenování této mezery a nabízejí inženýrskou podporu, která zajišťuje, že návrhy ověřené ve fázi prototypování, jsou dostatečně robustní pro vysokorychlostní linky pro tváření velkých objemů. Využití takové odbornosti již v rané fázi předchází nákladnému "cyklu přepracování nástrojů", který komplikuje mnoho uvedení výrobků na trh.

Výběr materiálu a strategie směru zrna

Výběr materiálu při tváření je kompromis mezi funkcí, tvarovatelností a náklady. Zatímco funkčnost určuje základní slitinu (např. nerezová ocel 304 pro odolnost proti korozi nebo hliník 5052 kvůli hmotnosti), konkrétní temper a směr vláken určují výrobní realizovatelnost. Tvrdší materiály nabízejí vyšší mez kluzu, ale jsou náchylnější k praskání během složitých tvářecích operací.

Klíčová role směru zrna

Plechy se vyrábí válcováním, při kterém se zrnová struktura kovu protahuje ve směru válcování. Tato anizotropie znamená, že materiál vykazuje různé vlastnosti v závislosti na tom, jak je tvářen vzhledem ke směru zrna:

• Ohýbání kolmo (napříč) směru zrna: Nejsilnější směr. Materiál snese ostřejší ohyby bez praskání, protože struktura zrna je ohýbána, nikoli trhána.
• Ohyb rovnoběžně (se) zrnem: Nejslabší směr. Zrna se snadno oddělují, což vede k lomům na vnějším poloměru, zejména u tvrdších slitin, jako je hliník 6061-T6 nebo ocel s vysokým obsahem uhlíku.

Inženýři musí ve výkresu uvést směr zrna, pokud jsou vyžadovány těsné ohyby. Pokud geometrie dílu vyžaduje ohyby ve více směrech, často se použije orientace pod úhlem 45 stupňů ke směru zrna jako kompromis pro vyvážení pevnosti a tvárnosti ve všech prvcích.

Kritická směrnice pro geometrii: díry, drážky a přepážky

Fyzika interakce mezi razníkem a deskou klade přísné matematické limity na řezané prvky. Porušení těchto poměrů vytváří slabé části nástroje, které se předčasně lábou, což vede k prostojům a nákladům na údržbu. Níže uvedená tabulka shrnuje obecně přijímaná „pravidla palce“ pro běžné kování operace.

Vzdálenost díry od ohybu: Jednou z nejčastějších chyb je umístění díry příliš blízko ohybu. Když se kov natahuje kolem poloměru, jakýkoli prvek v „deformační zóně“ se zkreslí. Pokud návrh striktně vyžaduje díru blízko ohybu, musí lisovna díru vystřihnout po před ohýbáním (což přidává stanici/náklady) nebo použít speciální uvolňovací řez. Standardní vzorec, který zajišťuje, že díra zůstane kulatá, spočívá v umístění jejího okraje alespoň 1,5násobek tloušťky materiálu plus ohybový poloměr dále od tečny ohybu.

Pravidla pro ohýbání a tváření: poloměry, příruby a uvolnění

Ohýbání není jen skládání; jedná se o kontrolovanou plastickou deformaci. Pro dosažení konzistentních ohybů bez poruch je třeba kontrolovat tři parametry: minimální ohybový poloměr, délku příruby a ohybové uvolnění.

Minimální poloměr ohybu

Ostré vnitřní rohy jsou nepřítelem tažených dílů. Poloměr nula (ostrý roh) vytváří bod soustředění napětí, který nevyhnutelně vede k prasknutí. U většiny kovů s vysokou tažností, jako je studeně vytvarovaná ocel (CRS) nebo měkký hliník, Minimální vnitřní ohybový poloměr by měl být ≥ 1T . Tvrdší materiály, jako je nerezová ocel, často vyžadují ≥ 2T nebo větší. Navrhování s širokými poloměry prodlužuje životnost nástrojů a snižuje riziko poruchy dílu.

Minimální délka příruby

Chcete-li ohnout přírubu přesně, materiál musí během celého procesu tváření zůstat ve styku s formou. Pokud je příruba příliš krátká, sklouzne do otvoru V-formy, než je ohyb dokončen, což má za následek deformovanou, ne-parallelní hranu. Obvyklé pravidlo je, že Délka příruby musí být alespoň 3 až 4násobek tloušťky materiálu . Pokud je vyžadována kratší příruba, lisovník může potřebovat vytvořit delší přírubu a následně ji zkrátit ve vedlejší operaci, čímž se zvyšuje cena dílu.

Ohybové uvolnění

Pokud ohyb neprochází celou šířkou dílu, dojde na koncích ohybové linky k trhání materiálu, pokud není přidáno "vybrání ohybu". Vybrání je malý obdélníkový nebo půlkruhový výřez vyříznutý u základny límce. Tento výřez odděluje ohnutý materiál od neohnutého, čímž zabraňuje trhání a deformaci. Hloubka vybrání by obvykle měla být větší než ohybový poloměr plus tloušťka materiálu.

Tolerance ve vztahu k realitě vs. náklady

Přísnost tolerance je největším faktorem ovlivňujícím náklady na tvářecí nástroj. I když moderní přesné stříhání dokáže dosáhnout tolerance až ±0,001 palce, požadovat takovou přesnost pro celý díl je zbytečné a nákladné. Přesnější tolerance vyžadují přesnější součásti nástroje (řezané drátovou EDM), častější údržbu (broušení) a pomalejší rychlosti lisu.

• Blokové tolerance: U necenzovaných prvků (např. průchozí otvory, ventilační otvory) použijte standardní blokové tolerance (obvykle ±0,005" až ±0,010").
• Kótování mezi prvky: Kritické rozměry uvádějte mezi sebou, nikoli vzhledem k okraji dílu. Okraj je často vytvářen operací ořezávání, která ve své podstatě vykazuje větší proměnlivost než vyvrtaný otvor. Udávání rozměrů z otvoru do otvoru udržuje toleranční řetěz těsnější tam, kde to opravdu záleží.
• Pouze kritické prvky: Aplikujte GD&T (geometrické tolerance tvaru a polohy) pouze tam, kde je to naprosto nezbytné pro montáž. Pokud je tolerance úhlu příruby zpřesněna z ±1° na ±0,5°, může být nutné přidat razicí stanici tzv. re-strike, aby bylo možné kontrolovat pružení materiálu, čímž se zvýší náklady na nástroje.

Běžné vady a jejich prevence (kontrolní seznam DFM)

Inženýři mohou před finálním uzavřením CAD modelu rychle identifikovat a navrhnout odstranění běžných režimů poruch pomocí kontrolního seznamu DFM.

• Hroty: Všechny ražené hrany mají otřepy na straně "zlomu". Ujistěte se, že váš výkres určuje "Směr otřepu", aby ostré hrany nebyly na povrchu určeném pro manipulaci uživatelem. Běžná povolená výška otřepu je 10 % tloušťky materiálu.
• Zpětné pružení: Pružné obnovení po ohybu způsobuje rozepnutí úhlu. Zatímco razník kompenzuje tento jev v nástroji, použití konzistentních tříd materiálu (např. konkrétní vysokopevnostní nízkolehovaná ocel) pomáhá udržet konzistenci. Vyhněte se změně dodavatele materiálu uprostřed výroby, aby se předešlo variabilitě.
• Oil Canning: Velké, rovné, nepodpírané plochy tenkého kovu mají sklon k vyboulení nebo „prasknutí“ jako olejová plechovka. Přidání žebroví, vytlačovaných prvků nebo stupňů zpevňuje díl, aniž by přidávalo hmotu, čímž se tomuto defektu předchází.

Inženýrství pro efektivitu

Ovládnutí návrhu pro výrobnost v procesu kovového stříhání není o kompromitaci návrhového záměru; jde o jeho zdokonalení pro realitu. Respektováním fyziky procesu stříhání – dodržením minimálních poměrů, výběrem vhodné strategie zrna materiálu a rozumným použitím tolerancí – mohou inženýři snížit náklady a zajistit dlouhodobou stabilitu výroby. Díl optimalizovaný pro lis je díl optimalizovaný pro zisk, kvalitu a rychlost.

Nejčastější dotazy

1. Jaká je minimální velikost otvoru pro kovové stříhání?

Obecně platí, že průměr prostřeleného otvoru by neměl být menší než tloušťka materiálu (1T). U vysoce pevných materiálů, jako je nerezová ocel, se často doporučuje poměr 1,5T nebo 2T, aby se předešlo zlomení razníku. Pokud jsou potřeba menší otvory, mohou muset být vyvrtány nebo opracovány jako dodatečná operace.

2. Jak ovlivňuje směr zrna materiálu ohýbání?

Směr zrna kovu vzniká během válcovacího procesu plechu. Ohýbání kolmo ke směru zrna (napříč zrnem) je pevnější a umožňuje těsnější poloměry bez praskání. Ohýbání rovnoběžně se směrem zrna je slabší a náchylnější k trhlinám na vnějším poloměru. Důležité konstrukční ohyby by měly být vždy orientovány napříč zrnem.

3. Jaký je rozdíl mezi vystřihováním a děrováním?

Vystřihování je operace, při které se vystřihne celý vnější tvar součásti z plechového pásu; odstraněný díl je užitečná část. Výstřih (nebo prostřihování) je operace, při které se vytvářejí vnitřní otvory nebo tvary; odstraněný kus je odpad (šrot). Obě operace jsou řezací, ale plní různé účely v posloupnosti stanicí razníku.