Design til fremstilling ved metalstansning: Engineering-håndbogen

TL;DR

Design for Manufacturability (DFM) for metalstansning er den strategiske ingeniørpraksis, der optimerer komponentgeometri, så den svarer til stanspressens og værktøjets fysiske muligheder. Ved at designe komponenter, der respekterer materialebegrænsninger—i stedet for at kæmpe imod dem—kan ingeniører reducere værktøjsomkostninger med op til 50 %, fremskynde leveringstider og eliminere almindelige defekter som revner eller springback.

Kernen i stansnings-DFM bygger på overholdelse af beviste "gyldne regler" for geometri. Nøgletal omfatter sikring af, at huldiameter mindst svarer til materialtykkelsen (1T) , vedligeholdelse af en minimum bueradius på 1T for at forhindre brud, og holde funktioner placeret væk fra bøgningszoner med en faktor på 1,5T + Radius . At indføre disse begrænsninger tidligt i CAD-fasen er den mest effektive måde at sikre produktionsegnethed.

Det tekniske forretningsgrundlag: Hvorfor DFM er vigtig i stansning

I metalstempling bestemmes omkostningerne i høj grad, før det første metalplade nogensinde bestilles. Omkring 70% af en produkts endelige produktionsomkostninger er låst inde i designfasen. "Over-the-wall" engineering, hvor design sendes til producenten uden forudgående konsultationresulterer ofte i komplekse værktøjsbehov, der øger omkostningerne eksponentielt. En del, der er designet uden DFM, kan kræve en kompleks progressiv formning med 20 stationer og dyre glidningshandlinger, mens en DFM-optimeret version kan produceres med et enklere 12-stationsværktøj.

Samarbejdende DFM fungerer som en bro mellem den ideelle geometri og den barske virkelighed i koldformet stål. Det skifter fokus fra "kan det gøres?" til "kan det gøres effektivt?" Ved at samarbejde med en produktionspartner tidligt kan ingeniører identificere omkostningsfaktorer som stramme tolerancer, der kræver præcisionsslibning, eller funktioner, der kræver sekundære afbrænding. For eksempel kan en afspænding af en ikke-kritisk hultolerance fra ± 0,002 "til ± 0,005" betydeligt forlænge værktøjs levetiden og reducere prisen på den enkelte del.

Dette er især vigtigt, når man skalerer fra prototype til produktion. Et design, der fungerer til laserskæring (lavt volumen), svigter ofte i en stemplerpress (høj volumen) på grund af forskellige belastningsfaktorer. Partnerskaber som Shaoyi Metal Technology specialiserer sig i at overveje dette hul ved at tilbyde teknisk støtte, der sikrer, at de designs, der valideres i prototypsfasen, er robuste nok til at kunne anvendes på højhastighedsstemplingstrækninger med store mængder. Hvis man gør brug af denne ekspertise tidligt, forhindres det, at man ofte bliver nødt til at lave nye værktøjer, hvilket er dyrt.

Materialsælge og kornstyringsstrategi

Materialsælget i stempling er en kompromis mellem funktion, formbarhed og omkostninger. Mens funktionaliteten bestemmer basislegeringen (f.eks. rustfrit stål 304 for korrosionsbestandighed eller aluminium 5052 for vægt), er den specifikke temperament og korndirection diktere fremstillingsmuligheden. Hårdere materialer har større udbytthed, men er mere tilbøjelige til at revne under komplekse formningsprocesser.

Den afgørende rolle, der spilles af at styre kornet

Læsemetal fremstilles ved valsing, som forlænger metalens kornstruktur i rullens retning. Denne anisotropitet betyder, at materialet opfører sig forskelligt afhængigt af, hvordan det dannes i forhold til kornet:

• Bøjning lodret (på tværs af) kornet: Den stærkeste retning. Materialet kan klare strammere radier uden at revne, fordi kornstrukturen foldes i stedet for trækkes fra hinanden.
• Bøjning parallelt (med) kornet: Den svageste retning. Kornene adskiller sig nemt, hvilket fører til brud på ydre radius, især i hårde legeringer som 6061-T6 aluminium eller stål med højt carbonindhold.

Ingeniører skal angive kornretningen på tegningen, hvis der kræves stramme bøjninger. Hvis geometrien for en del kræver bøjninger i flere retninger, anvendes ofte en orientering på 45 grader i forhold til kornet som kompromis for at opnå en balance mellem styrke og formbarhed på tværs af alle funktioner.

Vigtige retningslinjer for geometri: Huller, spalter og stiver

Fysikken i stans- og matrisedelen sætter strenge matematiske grænser for skårne funktioner. Overtrædelse af disse forhold skaber svage diesektioner, der knækker for tidligt, hvilket fører til nedetid og vedligeholdelsesomkostninger. Tabellen nedenfor opsummerer de almindeligt accepterede 'tommelfingerregler' for standard stansoperationer.

Afstand fra hul til bøjning: En af de mest almindelige fejl er at placere et hul for tæt på en bøjning. Når metallet strækkes omkring radius, vil enhver geometri i "deformationszonen" blive forvrænget. Hvis en konstruktion kræver et hul tæt på en bøjning, skal stanseren enten slå det igennem efter efter bøjning (tilføje station/omkostning) eller bruge et specialiseret aflastningsudskæringsmetode. En standardformel for at sikre, at et hul forbliver rundt, er at placere kanten mindst 1,5 gange materialetykkelsen plus bøjningsradius væk fra bøjningstangenten.

Regler for bøjning og formning: Radier, flanger og aflastninger

Bøjning er ikke blot foldning; det er en kontrolleret plastisk deformation. For at opnå ensartede bøjninger uden fejl skal tre parametre kontrolleres: minimumsbøjningsradius, flangelængde og bøgningsaflastning.

Minimum bøjning radius

Skarpe indvendige hjørner er fjenden af stansede dele. En radius på nul (skarpt hjørne) skaber et spændingskoncentreringspunkt, der uundgåeligt fører til revnedannelse. For de fleste sejre metaller som koldvalsede stål (CRS) eller blødt aluminium, bør Minimum Indvendig Bøjningsradius være ≥ 1T . Hårdere materialer, såsom rustfrit stål, kræver ofte ≥ 2T eller større. Ved at dimensionere generøse radier forlænges værktøjslevetiden og reducerer risikoen for deltesvigt.

Minimums flange-længde

For at bøje en flange præcist, skal materialet forblive i kontakt med formen gennem hele formningsprocessen. Hvis en flange er for kort, vil den glide ind i V-formens åbning inden bøjningen er færdet, hvilket resulterer i en forvrænget, ikke-parallelt kant. En standardregel er, at Flangelængde skal være mindst 3 til 4 gange materialetykkelsen . Hvis en kortere flange er påkrævet, kan det være nødvendigt for stanseren at forme en længere flange og herefter skære den til i en efterfølgende operation, hvilket øger deleomkostningen.

Bøjningsudskæringer

Når en bøjning ikke strækker sig over hele bredden af en del, vil materialet ved enderne af bøjningslinjen revne, medmindre der tilføjes en "Bøjningsudligning". En udligning er en lille rektangulær eller halvcirkelformet not, som er udskåret i bunden af flansen. Denne not isolerer det bøjede materiale fra det ubøjede materiale og forhindrer revner og deformationer. Dybden af udligningen bør typisk overstige bøjningsradius + materialetykkelse.

Tolerancer i forhold til virkelighed mod omkostninger

Strengheden af tolerancer er den eneste største faktor, der påvirker omkostningerne til stansværktøjer. Selvom moderne præcisionsstansning kan opnå tolerancer så stramme som ±0,001 tommer, er det unødvendigt og dyr at kræve dette over hele delen. Strammere tolerancer kræver mere præcise værktøjsdele (skåret med wire EDM), hyppigere vedligeholdelse (slipning) og langsommere pressehastigheder.

• Bloktolerancer: For ikke-kritiske funktioner (f.eks. passageshuller, ventilationsåbninger) skal standard bloktolerancer anvendes (typisk ±0,005" til ±0,010").
• Funktions-til-funktion-målfastsættelse: Dimensionér kritiske funktioner i forhold til hinanden frem for i forhold til delekanten. Kanten er ofte fremstillet ved en beskæringsoperation, som i sig selv har større variation end et igennemborede hul. Dimensionering fra hul til hul holder toleranceslæden strammere der, hvor det betyder noget.
• Kun kritiske funktioner: Anvend GD&T (Geometrisk dimensionering og tolerancering) kun hvor det absolut er nødvendigt for samling. Hvis en flangevinkelstolerance strammes fra ±1° til ±0,5°, kan stanseren være nødt til at tilføje en genudformningsstation i værktøjet for at kontrollere fjedring, hvilket øger investeringen i formværktøjet.

Almindelige defekter og forebyggelse (DFM-checklisten)

Ingeniører kan forudsige og designe fælles fejlmåder ud ved at gennemgå en hurtig DFM-checkliste, inden CAD-modellen afsluttes.

• Spån: Alle stansede kanter har spån på 'brud'-siden. Sørg for, at tegningen angiver 'Spånsretning', så skarpe kanter ikke befinder sig på overflader, der berøres af brugeren. En standardtilladt spånhøjde er 10 % af materialetykkelsen.
• Springback: Elastisk genopretning efter bukning forårsager, at vinklen åbner sig. Mens støberen kompenserer for dette i værktøjet, hjælper anvendelse af konsekutive materialegrader (f.eks. bestemt højstyrke lavlegeret stål) med at opretholde konsistens. Undgå at skifte materialeleverandører midt i produktionen for at forhindre variation.
• Oil Canning: Store, flade, usunderstøttede områder af tyndt metal har en tilbøjelighed til bukke eller „pop“ som en olåndåse. Tilføjelse af forstivninger, prægede elementer eller trin forstivner emnet uden at øge vægten, hvilket forhindrer denne fejl.

Engineering for Effektivitet

Mestrings af Design for Fremstillingsvenlighed inden for metalstansning handler ikke om at kompromittere designmålet; det handler om at raffinere det for virkeligheden. Ved at respektere fysikken i stansningsprocessen — overholde minimumsfornuft, vælge den rigtige materialekornstrategi og anvende tolerancer fornuftigt — kan ingeniører reducere omkostninger og sikre langvarig produktionsstabilitet. En del, der er optimeret for pressen, er en del, der er optimeret for profit, kvalitet og hastighed.

Ofte stillede spørgsmål

1. Hvad er den mindste hullængde for metalstansning?

Som generel regel bør diameteren på et stanset hul ikke være mindre end materialetykkelsen (1T). For højstyrke materialer som rustfrit stål anbefales ofte en størrelse på 1,5T eller 2T for at forhindre brud på stansen. Hvis der kræves mindre huller, kan de skulle borres eller bearbejdes i en sekundær operation.

2. Hvordan påvirker materialekornets retning bøjningen?

Metalkornets retning opstår under pladens valsering. Bøjning vinkelret på (tværs over) kornet er stærkere og tillader strammere radier uden revner. Bøjning parallelt med kornet er svagere og mere udsat for sprækker på yder-radius. Kritiske strukturelle bøjninger bør altid udføres tværs over kornet.

3. Hvad er forskellen mellem afskæring og stansning?

Blankning er en operation, hvor den samlede ydre form af en del bliver skåret ud fra en metalstrimmel; den fjernede del er den nyttige del. Piercing (eller punching) er en operation, hvor der skåres indvendige huller eller former; den fjernede del er affald (slug). Begge er skæreoperationer, men har forskellige formål i sekvensen af stansstationer.