Gyakorlati öntési DFM: Stratégiák a költségek és a minőség érdekében

TL;DR

A gyártásra tervezett öntési kialakítás (DFM) egy alapvető mérnöki gyakorlat, amely a alkatrészek hatékony és költséghatékony előállítását célozza. A fő cél a gyártási bonyolultság minimalizálása, amely csökkenti a költségeket, és javítja a végső termék minőségét. Ez magában foglalja az alapvető elvek betartását, például a megfelelő dőlésszögek alkalmazását, hogy az alkatrész könnyen kiegyensúlyozottan kiléphessen az öntőformából, az egységes falvastagság fenntartását a pórusossághoz hasonló hibák elkerülése érdekében, valamint a lekerekítések és bordák stratégiai használatát a szilárdság növelésére anyagmegtakarítás mellett.

Az öntési DFM alapelvei: Dőlésszög, falvastagság és lekerekítések

Az alakításra alkalmas, hatékony öntési kialakítás alapjai néhány olyan alapvető elven nyugszanak, amelyek közvetlenül befolyásolják a minőséget, a költségeket és a gyártási sebességet. Ezeknek az alapelveknek – az előhajlításnak, a falvastagságnak, valamint a lekerekítések és görbületi sugarak használatának – elsajátítása az első lépés egy olyan alkatrész létrehozása felé, amely nemcsak működőképes, hanem gazdaságosan is előállítható. Figyelmen kívül hagyásuk sorozatos problémákhoz vezethet, például nehéz kiegyenestéshez, anyagpazarláshoz vagy súlyos szerkezeti meghibásodásokhoz. Ezek az alapelvek a fémöntet die-ben történő áramlásának és szilárdulásának fizikai törvényszerűségeire adnak megoldást.

A a merítőszög az a kissé ferde dőlésszög, amelyet minden olyan felületre alkalmaznak, amely párhuzamos a nyitódási iránnyal. Ez a kis dőlés, általában 1–3 fok között, alapvető fontosságú ahhoz, hogy az öntött alkatrész sérülés nélkül kiengedhető legyen az űrből. Amikor az olvadt fém lehűl és összehúzódik, szorosan rátapadhat a forma belső elemeire. Előhajlítás hiányában a kiegyenestéshez szükséges erő deformálhatja vagy eltörheti az alkatrészt. Ahogyan részletesen ismertetve van Gabrian tervezési útmutatója , a külső falaknál kisebb hajlítás szükséges, mivel az alkatrész összehúzódik tőlük, míg a belső falaknál és furatoknál nagyobb hajlításra van szükség, mert a fém összehúzódik körülöttük.

A egyforma falvastagság valószínűleg az egyik legfontosabb DFM-szabály. Amikor a falvastagság jelentősen változik, az olvadt fém különböző sebességgel hűl le. A vastagabb szakaszoknak hosszabb időre van szükségük a megszilárduláshoz, ami belső feszültségeket, porozitást (gázbuborékokat) és besüllyedéseket okozhat a felületen. Ugyanakkor túl vékony falak esetén a fém előre megszilárdulhat, így a forma nem töltődik be teljesen – ezt a hibát rövid öntésként ismerjük. A legtöbb tervezés 1,5 mm és 4 mm közötti falvastagságot céloz meg. Ha a vastagságváltozások elkerülhetetlenek, az átmenetnek fokozatosnak és simának kell lennie, hogy biztosítsa az egységes fémáramlást és hűlést.

Végül, az éles sarkok elkerülése kritikus fontosságú. Ezt úgy érhetjük el, hogy lekerekítések és ívek —görbült átmenetek felületek között. A lekerekítéseket belső sarkoknál alkalmazzák, míg a görbületi sugarakat külső sarkokon használják. Az éles belső sarkok feszültségkoncentrációs pontokká válnak, amelyek terhelés alatt meghibásodási pontokként jelentkezhetnek. Emellett megzavarják az olvadt fém sima áramlását, örvénylést okozva, ami porozitáshoz vezethet. Már akár 0,5 mm-es nagyvonalú lekerekítések és görbületi sugarak alkalmazása is javítja a fémáramlást, megerősíti az alkatrészt, és lehetővé teszi egy szilárdabb és megbízhatóbb végső termék készítését.

Kulcsfontosságú tervezési ajánlások

• Kihajlási szögek: Minden függőleges felületre legalább 1–2 fokos hajlítást kell alkalmazni, hogy a rész könnyedén kiengedhető legyen. Belső falaknál és mélyebb elemeknél növelni kell a szöget.
• Falvastagság: Törekedjen az egységes vastagságra az egész alkatrészben. Ha a vastagságnak változnia kell, akkor fokozatos átmeneteket alkalmazzon a hibák elkerülése és az egyenletes hűtés biztosítása érdekében.
• Lekerekítések és görbületi sugarak: Cserélje le az összes éles sarkot lekerekített élekre. Belső sarkoknál használjon lekerekítéseket, külső sarkoknál pedig görbületi sugarakat a feszültség csökkentése és a fémáramlás javítása érdekében.

Alkatrészek megerősítése és tömegcsökkentés: bordák, támaszok és zsebek

A DFM egyik központi célja olyan alkatrészek előállítása, amelyek kielégítik a szilárdsági követelményeket felesleges anyag nélkül, mivel az növeli a költségeket és a ciklusidőt. Három fő elem segíti a tervezőket ezen egyensúly elérésében: bordák, támaszok és zsebek. Megfelelő tervezés esetén ezek az elemek javítják a szerkezeti integritást és a funkcionalitást, miközben egyidejűleg optimalizálják az alkatrészt a nyomásos öntési folyamathoz. Lehetővé teszik erős, könnyű konstrukciók kialakítását, amelyek hatékonyan gyárthatók.

Csíkok vékony, falhoz hasonló elemek, amelyek egy alkatrész merevségének és szilárdságának növelésére szolgálnak anélkül, hogy megnövelnék annak általános falvastagságát. Ez kritikus fontosságú a torzulás megelőzése és a szilárdság-súly arány javítása érdekében. Bordák alkalmazásával a tervező fenntarthatja az alkatrész vékony, egységes falvastagságát, miközben a kritikus területeket megerősíti. Az optimális eredmény érdekében a bordákat általában a fő falvastagság kb. 60%-ára kell méretezni, hogy elkerüljék a hűlési nyomok megjelenését az ellentétes felületen. Ezen túlmenően a bordák csatornáként is működhetnek, segítve az olvadt fém áramlását a forma távolabbi vagy bonyolultabb területeire.

Támasztóelemek hengeres kiálló részek, amelyek rögzítési pontokként, távtartókként vagy csavarok elhelyezésére szolgálnak. Ahelyett, hogy a rész vastag szakaszába fúrnának lyukakat az öntés után, a kiálló részeket közvetlenül az alkatrész tervezése során be lehet építeni, így jelentős időt és másodlagos műveleteket lehet megtakarítani. Az egységes falvastagság elvének betartása érdekében a kiálló részeket ki kell vájni, azaz középen lyukkal kell ellátni őket. Ez megakadályozza, hogy vastag anyagtömegként viselkedjenek, amely lassan hűl le és hibákat okozhat. A fő falakhoz generózus letörésekkel és merevítőkkel kell kapcsolódniuk, hogy biztosítsák a szilárdságot és a zavartalan fémáramlást.

A további anyagmegtakarítás és az alkatrész súlyának csökkentése érdekében a tervezők célirányosan hozzáadhatnak zsebek vagy üreges szelvények. Ezt a folyamatot gyakran „kivájásnak” nevezik, amely során anyagot távolítanak el a szerkezetileg nem kritikus területekről. Ezekkel az üregekkel meg lehet tartani az egységes falvastagságot az alkatrészben, még összetett geometriák esetén is. Ez nemcsak anyagköltséget takarít meg, hanem csökkenti az öntőforma hűtési idejét is, így rövidebb gyártási ciklusokat eredményez. Gondos elemzés szükséges annak biztosítására, hogy a kivájt részek ne veszélyeztessék az alkatrész általános szilárdságát vagy működését.

Forma és kidobás optimalizálása: elválasztó vonalak, alulmaradók és tűk

Egy sikeres nyomásos öntvény alkatrész a geometria és az űr mechanikájának szinergiájából származik. Az eszköz figyelembe vétele nélkül hozott tervezési döntések drága, összetett formákhoz és magas hibarátához vezethetnek. A területen kulcsfontosságú szempontok közé tartozik az elválasztó vonal elhelyezése, az alulmaradások kezelése, valamint az ütközőcsapok helyének meghatározása. Ezekben a területekben gondos tervezés egyszerűsíti az eszközt, csökkenti a költségeket, és biztosítja, hogy az alkatrész megbízhatóan eltávolítható legyen az öntőformából az öntés után.

A elválasztási vonal az a varrat, ahol a két sabunak találkozik. Helyének meghatározása az egyik első és legfontosabb döntés a szerszámtervezés során, mivel szinte minden más jellemzőt érint. Egyszerű, sík elválasztási vonalat mindig előnyben részesítenek, mivel ez egyszerűbbé és olcsóbbá teszi a szerszám megmunkálását. Egy összetett, nem síkbeli elválasztási vonal jelentősen növelheti a szerszámköltségeket, és problémákat okozhat a többletfém képződésével – vékony fémréteg jelenik meg a varratnál, amelyet későbbi műveletben el kell távolítani. A tervezőknek úgy kell orientálniuk az alkatrészt, hogy a lehető legegyenesebb elválasztási vonal kialakítható legyen.

Alávágások olyan jellemzők, amelyek megakadályozzák, hogy egy alkatrészt közvetlenül kiejtsenek egy egyszerű kétrészes öntőformából. Ilyenek például a süllyesztett felületek vagy azok a jellemzők, amelyek miatt az alkatrész beragadna az öntőformába. Bár funkcionális szempontból néha elengedhetetlenek, az alátörések kerülendők, mivel oldalsó magokat vagy csúszóelemeket igényelnek – mozgó alkatrészeket az öntőformán belül, amelyek kialakítják az alátörés jellemzőt, majd kihúzódnak a kiejtés előtt. Ezek az elemek jelentős költséget, bonyolultságot és potenciális hibalehetőséget jelentenek az eszköz számára. Ha az alátörés elkerülhetetlen, fontos egy gyártási partnervel együttműködni, hogy a leghatékonyabb szerszámkialakítást találják meg. A vállalatok, amelyek saját házilag rendelkeznek szerszámkialakítási képességekkel, értékes szakértelmet nyújthatnak a komplex szerszámok gyártásbarát optimalizálásában.

Végül is, kivetőcsapok olyan acélrúdok, amelyek kinyomják a megszilárdult öntvényt az öntőforma üregéből. Ezek a csapok elengedhetetlenek az alkatrész eltávolításához, de szükségszerűen kis, kör alakú nyomokat hagynak az alkatrész felületén. A tervező feladata, hogy azonosítsa azokat a nem kritikus vagy nem esztétikai felületeket, ahol ezek a nyomok elfogadhatók. Az ideális megoldás, ha a kiegyensúlyozó csapok nyomai sík, erős felületeken helyezkednek el, mivel így biztosítható az egyenletes erőeloszlás a kiegyensúlyozás során, és minimalizálható az alkatrész deformálódásának kockázata. Az elfogadható helyek korai közlése az szerszámkészítővel megelőzi az esztétikai problémákat a végső terméken.

Könnyű kiegyensúlyozásra való tervezés ellenőrzőlista

• Egyszerűsítse a határoló vonalat, hogy lehetőleg sík és egyenes legyen.
• A lehető legnagyobb mértékben kerülje az alulmetszéseket, hogy elkerülje a költséges oldalsó magok és csúszók szükségességét.
• Alkalmazzon bőven megtervezett merítési szögeket az öntőforma mozgásával párhuzamos összes felületen.
• Azonosítsa a nem esztétikai felületeket, ahol a kiegyensúlyozó csapok nyomai megengedettek.
• Győződjön meg arról, hogy az alkatrészeket kiegyenesített, stabil felületeken helyezi el a deformálódás megelőzése érdekében a kiegyenesítés során.

Gyakran ismételt kérdések a nyomásos öntés gyártásközpontú tervezéséről

1. Mi tartozik bele a gyártásra optimalizált tervezésbe (DFM)?

A nyomásos öntésnél a gyártásra optimalizált tervezés (DFM) egy olyan alapelvekből álló rendszer, amelyek egy alkatrész tervezését egyszerűsítik és optimalizálják a könnyebb gyártás érdekében. A főbb szempontok közé tartozik az áthúzási szögek alkalmazása a kiegyenesítéshez, az egységes falvastagság biztosítása hibák megelőzése érdekében, lekerekítések és sugarak használata éles sarkok elkerülése érdekében, valamint merevítők és konzolok tervezése az erősség növelése mellett anyagmegtakarítással. Ide tartozik továbbá a szerszámtervezési szempontok figyelembevétele is, például az elválasztási vonal egyszerűsítése és az alulmaradások kerülése.

2. Hogyan közelíti meg a gyártásra optimalizált tervezést?

A megközelítés már a tervezés korai szakaszában elkezdődik, figyelembe véve az egész gyártási folyamatot. Gyártástechnológiai mérnökökkel való együttműködést jelent, hogy azonosítsák a lehetséges termelési kihívásokat. A kulcsfontosságú lépések közé tartozik a tervezés egyszerűsítése, az alkatrészek számának minimalizálása, az alkatrészek szabványosítása ott, ahol lehetséges, valamint a folyamatspecifikus szabályok betartása, mint például a nyomásos öntésre vonatkozók (meredekség, falvastagság stb.). A cél az, hogy proaktívan orvosolják a gyártási problémákat a rajzasztalon, ahol a változtatások olcsók, nem pedig a gyártóüzemben, ahol költségesek.

3. Mi jellemzi a gyártásra tervezést?

A gyártásra való tervezés hatékonyságra, költségcsökkentésre és minőségjavításra helyezi a hangsúlyt az intelligens tervezési döntések révén. A gyártásra optimalizált tervezés általában egyszerűbb, kevesebb anyagot használ, kevesebb másodlagos műveletet igényel, és alacsonyabb hibarátával rendelkezik. Ez tükrözi a kiválasztott gyártási folyamat képességeinek és korlátainak mély megértését, eredményképpen olyan termék születik, amely nemcsak funkcionális, hanem gazdaságos és megbízható tömeggyártás szempontjából is.