Valmistettavuuden suunnittelu metallin valssaus: Insinöörin käsikirja

TL;DR

Valmistettavuuden suunnittelu (DFM) metallin syvämuovauksessa on strateginen tekniikka, jossa osan geometriaa optimoidaan ottamalla huomioon syvämuovauskoneen ja muottien toiminnan fysiikka. Suunnittelemalla osat materiaalirajoitteita kunnioittaen – sen sijaan että vastustaisi niitä – insinöörit voivat vähentää työkalukustannuksia jopa 50 %:lla, nopeuttaa toimitusaikoja ja eliminoida yleisiä virheitä, kuten halkeamista tai kimpoamista.

Syvämuovauksen DFM:n ydin perustuu todistettujen geometrian "kultaisiin sääntöihin". Keskeisiä suhteita ovat reikien halkaisijan oltava vähintään yhtä suuri kuin materiaalin paksuus (1T) , taipumussäteen vähimmäiskoon säilyttäminen arvolla 1T halkeamisen estämiseksi, sekä piirteiden pitäminen riittävän kaukana taivutusvyöhykkeistä tekijällä 1,5T + säde . Näiden rajoitteiden käyttöönotto jo CAD-vaiheessa on tehokkain tapa taata tuotantokelpoisuus.

Tekninen liiketoimintaperuste: Miksi DFM on tärkeää syvämuovauksessa

Metallin valmistuksessa osan hinta määräytyy suurelta osin jo ennen kuin ensimmäistä metallilevyä edes tilataan. Tuotteen lopullisen tuotantokustannuksista noin 70 % lukittuu suunnitteluun vaiheessa. 'Yli muurin' -suunnittelu, jossa suunnitelmia heitetään valmistajalle ilman aiempaa konsultointia, johtaa usein monimutkaisiin työkaluvaatimuksiin, jotka kasvattavat kustannuksia eksponentiaalisesti. Osaa, joka on suunniteltu ilman DFM:ää, saatattaa vaatia monimutkaisen edistyvän muotin 20 asemilla ja kalliilla liukuosilla, kun taas DFM-optimoidun version voitaisiin valmistaa yksinkertaisemmalla 12-asemaisella työkalulla.

Yhteistyöllinen DFM toimii sillana ideaalisen geometrian ja kylmämuovatun teräksen ankaran todellisuuden välillä. Se siirtää keskittymisen kysymyksestä "voidaanko tätä valmistaa?" kysymykseen "voidaanko tätä valmistaa tehokkaasti?" Varsinaisen valmistajan kanssa varhaisessa yhteistyössä insinöörit voivat tunnistaa kustannustekijät, kuten tiukat toleranssit, jotka edellyttävät hiontatyötä, tai ominaisuudet, jotka vaativat lisäsorvauksia. Esimerkiksi ei-kriittisen reiän toleranssin löyhentäminen arvosta ±0,002 tuumaa arvoon ±0,005 tuumaa voi merkittävästi pidentää työkalujen käyttöikää ja vähentää kappalehintaan.

Tämä on erityisen tärkeää siirryttäessä prototyypistä tuotantoon. Suunnitelma, joka toimii laserleikkauksessa (pieni volyymi), epäonnistuu usein silloin kun siirrytään painoleikkaukseen (suuri volyymi) erilaisten rasitustekijöiden vuoksi. Kuten kumppanit Shaoyi Metal Technology erikoistumme tämän kuilun kuromiseen ja tarjoamme teknistä tukea, joka varmistaa prototyyppivaiheessa vahvistettujen suunnitelmien olevan riittävän kestäviä korkean nopeuden ja suurten volyymin vaappauslinjoille. Tällaisen asiantuntemuksen hyödyntäminen varhain estää kalliin "työkalu-uudelleensuunnittelu-silmukan", joka haittaa monia tuotejulkaisuja.

Materiaalin valinta ja raekuviota koskeva strategia

Materiaalin valinta vaappauksessa on kompromissi toiminnallisuuden, muovattavuuden ja hinnan välillä. Vaikka toiminnallisuus määrittää perusalumiinialan (esim. ruostumaton teräs 304 korroosionkestävyyttä varten tai alumiini 5052 painon vuoksi), tarkat luonne ja puurata määräävät valmistettavuuden. Kovemmat materiaalit tarjoavat suuremman myötölujuuden, mutta ne ovat alttiimpia halkeamiselle monimutkaisissa muovausoperaatioissa.

Raekuvioiden keskeinen rooli

Levymetalli valmistetaan vierintämenetelmällä, jossa metallin rakeen rakenne venyy vierintäsuuntaan. Tämä anisotropia tarkoittaa, että materiaali käyttäytyy eri tavoin riippuen siitä, miten sitä muovataan raekuvion suhteen:

• Taitto kohtisuoraan raekuvioon nähden (poikki raekuvion) Vahvin suuntautuminen. Materiaali kestää tiukempia kaaria halkeamatta, koska raerakenne taittuu vetämisen sijaan erilleen.
• Taivutus yhdensuuntaisesti raen kanssa: Heikoin suuntautuminen. Rakeet erottuvat helposti, mikä johtaa murtumisiin ulomman kaaren osalla, erityisesti kovissa seoksissa kuten 6061-T6-alumiinissa tai hiilellisessä teräksessä.

Ingenjöörin on määriteltävä raesuunta piirustuksessa, jos vaaditaan tiukkoja taivutuksia. Jos osan geometria edellyttää taivutuksia useissa suunnissa, käytetään usein 45 asteen kulmaa raesuhteessa kompromissina, jotta saavutetaan tasapaino lujuuden ja muovattavuuden välillä kaikissa ominaisuuksissa.

Kriittiset geometriaohjeet: Reikien, lohkojen ja verkkopalkkien suunnittelu

Punssin ja muotin välinen fysiikka asettaa tiukat matemaattiset rajat leikkausominaisuuksille. Näiden suhteiden rikkominen luo heikkoja muottiosia, jotka murtuvat ennenaikaisesti, mikä johtaa seisokkeihin ja huoltokustannuksiin. Alla oleva taulukko tiivistää yleisesti hyväksytyt "sormisäännöt" standarditoimille leikkaustoimenpiteille.

Reiän ja taivutuksen välinen etäisyys: Yksi yleisimmistä virheistä on reiän sijoittaminen liian lähelle taivutusta. Kun metalli venyy säteen ympärillä, kaikki ominaisuudet "muodonmuutosvyöhykkeellä" vääristyvät. Jos suunnittelussa vaaditaan tiukasti reikä lähellä taivutusta, painoammon on iskettävä se - Sen jälkeen. ennen taivutusta (lisäämällä vaihe/kustannus) tai käytettävä erikoista vapautusleikkausta. Vakioyhtälö, jolla varmistetaan pyöreä reikä, on sijoittaa sen reuna vähintään 1,5 kertaa materiaalin paksuus plus taivutussäde taivutuksen tangenttiviivan ulkopuolelle.

Taivutus- ja muovausperiaatteet: Säteet, liekit ja vapautukset

Taivutus ei ole vain taittaminen; se on hallittua plastista muodonmuutosta. Jotta saavutetaan tasaisia taivutuksia vaurioitumatta, kolme parametria on hallittava: minimi taivutussäde, liekin pituus ja taivutuksen vapautus.

Minimitaivutussäde

Terävät sisäkulmat ovat vaarallisia muovattaville osille. Nollasäde (terävä kulma) luo jännityskeskittymän, joka väistämättä johtaa halkeamiin. Useimmille muovatuille metalleille, kuten kylmävalssatulle teräkselle (CRS) tai pehmeälle alumiinille, Vähimmäissisäsäde tulisi olla ≥ 1T . Kovemmat materiaalit, kuten ruostumaton teräs, vaativat usein ≥ 2T tai suuremman säteen. Suunnittelussa kannattaa käyttää riittäviä kaarevuussäteitä, jotta työkalujen kesto paranee ja osan rikkoutumisen riski vähenee.

Pienin liepeen pituus

Jotta liepeen taivutus on tarkka, materiaalin on pysyttävä tiiviissä kosketuksessa muottiin koko muovausprosessin ajan. Jos liepe on liian lyhyt, se uppoaa V-muotin aukkoon ennen kuin taivutus on valmis, mikä johtaa vääristyneeseen, epäyhdensuuntaiseen reunaan. Yleissääntönä on, että Liepeen pituuden tulee olla vähintään 3–4 kertaa materiaalin paksuus . Jos lyhyempi liepe tarvitaan, muovausyrityksen on saatettava muodostettava pidempi liepe ja katkaistava se myöhemmässä vaiheessa, mikä lisää osakustannusta.

Taivutusleikkaukset

Kun taite ei ulotu osan koko leveydelle, materiaali taiteviivan päädyissä repeää, ellei siihen lisätä "taiteen vapautusta". Vapaus on pieni suorakulmainen tai puolipyöreä lovi, joka leikataan liepeen alustaan. Tämä lovi eristää taivutetun materiaalin taivuttomasta materiaalista, estäen rei'itymisen ja muodonmuutokset. Vapauden syvyyden tulisi yleensä olla suurempi kuin taiteen säde + materiaalin paksuus.

Toleranssit käytännössä vs. kustannus

Toleranssien tiukkuus on yksittäinen suurin tekijä, joka vaikuttaa leikkuumuottien hintaan. Vaikka nykyaikainen tarkka leikkaus voi saavuttaa toleransseja aina ±0,001 tuumaan asti, ei ole tarpeellista eikä edullista vaatia tätä koko osassa. Tiukemmat toleranssit edellyttävät tarkempia muottikomponentteja (langaleikattu), useampaa huoltotoimenpidettä (terävöinti) ja hitaampia puristusnopeuksia.

• Lohkotoleranssit: Ei-kriittisiin ominaisuuksiin (esim. vapaustilalle tarkoitetut reiät, ilmaventtiilit) voidaan käyttää standardi-lohkotoleransseja (tyypillisesti ±0,005" – ±0,010").
• Ominaisuudesta ominaisuuteen mitoitus: Mitoita kriittiset ominaisuudet toisiinsa nähden rather than osan reunaan nähden. Reuna tuotetaan usein leikkaamalla, mikä sisäisesti aiheuttaa suurempaa vaihtelua verrattuna lävistettyyn reikään. Reikä-reikä mitoitus pitää toleranssiketjun tiukempana siellä, missä se on tärkeää.
• Vain kriittiset ominaisuudet: Käytä GD&T:tä (geometrista mitoitusta ja tolerointia) ainoastaan silloin, kun se on ehdottoman välttämätöntä kokoonpanon kannalta. Jos liitoksen kulmatoleranssi kiristetään arvosta ±1° arvoon ±0,5°, puristajan saattaa joutua lisäämään uudelleeniskun työkaluun hallitakseen kimpoamista, mikä lisää työkaluinvestointia.

Yleiset vioittumat ja niiden ehkäisy (DFM-tarkistuslista)

Ingenieurit voivat ennakoida ja suunnitella yleiset vikaantumismoodit pois ajamalla nopean DFM-tarkistuslistan ennen CAD-mallin viimeistelyä.

• Reunamurskeet: Kaikilla leikatuilla reunoilla on kiilto "murtumapuolella". Varmista, että piirustuksessasi määritellään "Kiilon suunta", jotta terävät reunat eivät jää käyttäjän kosketuspinnalle. Vakiomaksimikiilon korkeus on 10 % materiaalin paksuudesta.
• Kimmoisuus: Taipumisen jälkeinen kimmoinen palautuminen aiheuttaa kulman avaamisen. Vaikka muotin suunnittelija kompensoi tätä työkalussa, johdonmukaisten materiaaliluokkien (esim. tietyt korkean lujuuden alhaiset seosteräkset) käyttö auttaa ylläpitämään johdonmukaisuutta. Vaihtele materiaalitoimittajia kesken tuotannon välttääksesi vaihtelua.
• Oil Canning: Suuret, tasaiset, tuentamattomat ohuiden metallien alueet pääsevät helposti napahtamaan tai "poksahdumaan" kuin öljykanu. Rivojen, painovalokuvien tai askelten lisääminen jäykistää osaa lisäämättä massaa, estäen tämän virheen.

Tehokkuuden suunnittelu

Valmistettavuuden suunnittelun hallitseminen metallimuovauksessa ei tarkoita suunnittelutarkoitusten heikentämistä; se tarkoittaa niiden hiontaa todellisuutta varten. Kunnioittamalla muovausprosessin fysiikkaa—noudattamalla vähimmäissuhteita, valitsemalla oikea materiaalin jyvässtrategia ja soveltamalla toleransseja harkiten—insinöörit voivat alentaa kustannuksia ja taata pitkän aikavälin tuotantojatkuvuuden. Pressiä varten optimoitu osa on osa, joka on optimoitu voittoa, laatua ja nopeutta varten.

Usein kysytyt kysymykset

1. Mikä on pienin reiän koko metallin leikkauksessa?

Yleisesti ottaen poratun reiän halkaisijan ei tulisi olla pienempi kuin materiaalin paksuus (1T). Korkean lujuuden materiaaleille, kuten ruostumattomalle teräkselle, suositellaan usein suhdetta 1,5T tai 2T punchin murtumisen estämiseksi. Jos tarvitaan pienempiä reikiä, ne saattavat vaatia poraamista tai koneistusta lisätoimenpiteenä.

2. Miten materiaalin jyväsuounta vaikuttaa taivutukseen?

Metallin jyväsuounta muodostuu levyn valssausprosessissa. Taivutus kohtisuoraan jyväsuounnan poikki on vahvempaa ja sallii tiukemmat säteet halkeamatta. Taivutus yhdensuuntaisesti jyväsuojan kanssa on heikompaa ja alttiimpaa halkeamiselle ulomman säteen kohdalla. Rakennevaatimusten mukaiset taivutukset tulisi aina suunnata poikittain jyväsuojan suhteen.

3. Mikä on ero tyhjennyksen ja porauksen välillä?

Leikkaus on toiminto, jossa osan ulompi muoto leikataan metallinauhalta; poistettu osa on hyödyllinen osa. Reikien poraus (tai lyönti) on toiminto, jossa tehdään sisäisiä reikiä tai muotoja; poistettu osa on roskaksi (hakaksi). Molemmat ovat leikkaustoimenpiteitä, mutta niillä on eri tarkoitus työkalun vaiheessa.