Metāla štampēšanas ražošanas dizains: Inženierzinātņu rokasgrāmata

TL;DR

Dizaina ražošanai (DFM) metāla štampēšanai ir stratēģiska inženierprakse, kuras mērķis ir optimizēt daļas ģeometriju, lai tā atbilstu štampēšanas preses un matriču iespējām. Dizainējot detaļas, kas ievēer materiāla ierobežojumus—nevis cīnās pret tiem—inženieri var samazināt rīkojuma izmaksas līdz pat 50 %, paātrināt piegādes laiku un novērst bieži sastopamus trūdumus, piemēram, plaisāšanu vai atsperēšanos.

Štampēšanas DFM pamatā ir ievērošana pierādītās ģeometrijas „Zelta likumos“. Svarīgi attiecības ietver urbuma diametru vismaz vienādā ar materiāla biezumu (1T) , nodrošinot minimālo liekuma rādiusu 1T , lai novērstu lūzumus, un uzturēt elementus no liekuma zonām attālībā 1,5T + Rādius . Šo ierobežojumu ieviešana agrīnā CAD fāzē ir visefektīvākais veids, kā nodrošināt ražošanas iespējamību.

Inženieru biznesa pamatojums: kāpēc DFM ir svarīgs štampēšanā

Metāla štampēšanā daļas izmaksas lielā mērā tiek noteiktas jau pirms tiek pasūtīts pirmais metāla loks. Aptuveni 70% no produkta galīgajām ražošanas izmaksām tiek fiksētas jau projektēšanas fāzē. Inženierijas pieeja "pāri sienai" — kad dizaini tiek nodoti ražotājam bez iepriekšējas konsultēšanās — bieži noved pie sarežģītiem formēšanas veidņu prasībām, kas izmaksas palielina eksponenciāli. Bez DFM (dizaina piemērotība ražošanai) izstrādāta daļa varētu prasīt sarežģītu progresīvo matricu ar 20 stacijām un dārgām slīdošām ierīcēm, savukārt ar DFM optimizētu versiju varētu izgatavot ar vienkāršāku 12 staciju rīku.

Kopīgs DFM kalpo kā tiltu starp ideālo ģeometriju un aukstās formēšanas tērauda rūgtajiem realitātēm. Tas pārbīda fokusu no jautājuma „vai šo var izgatavot?” uz jautājumu „vai šo var izgatavot efektīvi?”. Iesaistoties ražošanas partnerī early, inženieri var identificēt izmaksu faktorus, piemēram, ciešas pieļaujamās novirzes, kas prasa precīzu slīpēšanu, vai elementus, kas nepieciešama sekundārā nodiluma noņemšana. Piemēram, nekritiska cauruma pieļaujamās novirzes atslābināšana no ±0,002 collas līdz ±0,005 collām var ievērojami pagarināt instrumenta kalpošanas laiku un samazināt detaļas vienības cenu.

Šis ir īpaši svarīgi, pārejot no prototipa ražošanā. Konstrukcija, kas darbojas ar lāzerrezēšanu (zems apjoms), bieži neizdodas spiedformē (liels apjoms) dažādu sprieguma faktoru dēļ. Partneri, piemēram, Shaoyi Metal Technology specializējas šīs atstarpes pārvarēšanā, nodrošinot inženieru atbalstu, kas garantē, ka prototipēšanas fāzē validētie dizaini ir pietiekami izturīgi augstas ātruma un liela apjoma stampēšanas līnijām. Savlaicīga šādas ekspertīzes izmantošana novērš dārgo "darbarīku pārprojektēšanas ciklu", ar kuru saskaras daudzi produktu ieviešanas procesi.

Materiālu izvēle un graudu virziena stratēģija

Materiālu izvēle stampēšanā ir kompromisa meklēšana starp funkcionalitāti, veidojamību un izmaksām. Lai gan funkcionalitāte nosaka bāzes sakausējumu (piemēram, nerūsējošo tēraudu 304 korozijizturībai vai alumīniju 5052 svara samazināšanai), konkrētais temperatūra un rievu virziens nosaka ražošanas iespējas. Cietāki materiāli piedāvā lielāku izturību, taču tiem ir lielāka tendence plaisāt sarežģītās formēšanas operācijās.

Graudu virziena kritiskā nozīme

Loksnes metāls tiek ražots velmēšanas procesā, kurā metāla graudu struktūra tiek izstiepta velmēšanas virzienā. Šī anizotropija nozīmē, ka materiāls uzvedas atšķirīgi atkarībā no tā, kā to veido attiecībā pret graudiem:

• Liekšana perpendikulāri (šķērsām) graudam: Vislielākā orientācija. Materiāls iztur pievilcīgāku rādiusu, nesaprastojot, jo graudu struktūra tiek novilkta, nevis izvilkta.
• Sliec līdzīgi (ar) graudaugiem: Vismazākā orientācija. Grūts ir viegli atdalāms, kas rada lūzes ārējā rādiusā, īpaši cietākajās sakausēs, piemēram, 6061-T6 alumīnija vai augstas oglekļa satura tērauda.

Ja ir vajadzīgi stingri pagriezieni, inženieriem jānorāda grumbu virziens uz drukas. Ja daļas ģeometrija prasa sagāzumus vairākās virzienās, 45° orientāciju attiecībā pret graudu bieži izmanto kā kompromisu, lai līdzsvarotu stiprumu un formabilitāti visās iezīmēs.

Kritiskās ģeometrisko pamatnostādnes: caurumi, sloksnes un tīkli

Šķiet, ka ar šo interfeisu var tikt panākta atšķirība. Ja šie rādītāji netiek ievēroti, rodas vājas izkārnījumos esošās daļas, kas pirms laika izkropļojas, un tas rada pārtraukšanas laiku un uzturēšanas izmaksas. Turpmāk tabulā ir apkopoti standartu zīmēšanas operāciju konsensusa "piemērs".

Attālums starp caurumu un liekumu: Viens no visbiežāk sastopamajiem kļūdām ir novietot caurumu pārāk tuvu liekumam. Kā metāls izstiepjas ap rādiusu, jebkurš elements „deformācijas zonā” mainīs formu. Ja dizains stingri prasa caurumu tuvu liekumam, presētājam tas jāizurbj pēc pēc liekšanas (pievienojot staciju/maksu) vai jāizmanto speciāla atslodzes griezums. Standarta formula, lai nodrošinātu apaļu caurumu, ir novietot tā malu vismaz 1,5 reizes lielāku par materiāla biezumu plus liekuma rādiuss attālumā no liekuma pieskares līnijas.

Liekšanas un formēšanas noteikumi: rādiusi, flanцы un atslodzes

Liekšana nav vienkārši saliekšana; tā ir kontrolēta plastiska deformācija. Lai sasniegtu vienmērīgus liekumus bez bojājumiem, ir jākontrolē trīs parametri: minimālais liekuma rādiuss, flanģa garums un liekuma atslodze.

Minimālais liekuma rādiuss

Asi iekšējie stūri ir pretpolieciem izspiestiem detaļām. Nulles rādiuss (asi stūrains) izveido sprieguma koncentrācijas punktu, kas neizbēgami noved pie plaisām. Lielākajai daļai plastīgu metālu, piemēram, aukstā velmēta tērauda (CRS) vai mīksta alumīnija, Minimālajam iekšējam liekuma rādiusam jābūt ≥ 1T . Cietāki materiāli, piemēram, nerūsējošais tērauds, bieži prasa ≥ 2T vai lielāku. Projektējot ar pietiekami lieliem rādiusiem, tiek pagarinēts instrumenta kalpošanas laiks un samazināts detaļas bojājuma risks.

Minimālais malas garums

Lai precīzi noliektu flanča malu, materiālam visu veidošanas procesa laiku jāpaliek saskarē ar matrici. Ja flancis ir pārāk īss, tas pirms liekuma pabeigšanas iekritīs V-formas matricas atverē, rezultējot deformētā, nestandarta paralēlā malā. Standarta noteikums ir, ka Flanča garumam jābūt vismaz 3 līdz 4 reizes lielākam par materiāla biezumu . Ja nepieciešams īsāks flancis, izstrādātājam var būt jāizveido garāks flancis un to noņemt nākamajā operācijā, kas palielina detaļas ražošanas izmaksas.

Liekšanas atbrīvojumi

Ja liekulis nepārklāj visas detaļas platumu, materiāls pie liekuma līnijas galastipiem plīsīs, ja vien netiek pievienots "liekuma atlaides" elements. Atlaide ir neliels taisnstūrveida vai pusapaļš izgriezums, kas izgatavots uz flanša pamatnes. Šis izgriezums atdala saliekto materiālu no nesaliekta materiāla, novēršot plaisāšanu un deformāciju. Atlaides dziļumam parasti jāpārsniedz liekuma rādiuss + materiāla biezums.

Tolerances attiecībā pret realitāti un izmaksām

Toleranču stingrums ir lielākais faktors, kas ietekmē stiprinājuma veidņu izmaksas. Lai gan mūsdienu precīzs stiprinājums spēj sasniegt toleranci līdz ±0,001 collēm, prasīt šādu precizitāti visai detaļai ir nevajadzīgi un dārgi. Ciešākas tolerances prasa precīzākus veidņu komponentus (griezumu ar vada EDM), biežāku apkopi (ass atjaunošanu) un lēnākus preses ātrumus.

• Bloka tolerances: Nekritiskiem elementiem (piemēram, caurumiem, ventilācijas atverēm) balstieties uz standarta bloka tolerancēm (parasti ±0,005” līdz ±0,010”).
• Dimensiju noteikšana no elementa līdz elementam: Dimensijas kritiskās funkcijas viena no otras, nevis no daļas malas. Mala bieži tiek izgatavota ar apgriezējdarbību, kurai dabiski ir lielāka mainīguma pakāpe salīdzinājumā ar izdurto caurumu. Dimensiju norādīšana no cauruma līdz caurumam saglabā šaurāku pieļaujamo noviržu ķēdi tieši tajās vietās, kur tas ir svarīgi.
• Tikai kritiskās funkcijas: Pielietojiet GD&T (Ģeometriskās dimensijas un tolerances) tikai tad, kad tas ir absolūti nepieciešams montāžai. Ja flanča leņķa toleranci sašaurina no ±1° līdz ±0,5°, iespējams, ka žaketei jāpievieno atkārtotas trieciena stacija veidnē, lai kontrolētu atsprūšanu, kas palielina rīkojumtehniskās ieguldījuma izmaksas.

Biežākie defekti un to novēršana (DFM pārbaudes saraksts)

Inženieri var paredzēt un izstrādāt projekta risinājumus, kas novērš biežas atteices, veicot ātru DFM pārbaudes sarakstu pirms CAD modeļa galīgas apstiprināšanas.

• Noslauki: Visām žaketejas malām ir uzkalniņi uz "lūzuma" puses. Pārliecinieties, ka zīmējumā norādīta "Uzkalniņa virziena", lai asās malas neatrastos virsmā, kuru lietotājs satiek. Standarta pieļaujamais uzkalniņa augstums ir 10% no materiāla biezuma.
• Atsperošana: Elastīgā atjaunošanās pēc liekšanas izraisa leņķa paplašināšanos. Lai gan presējs kompensē šo efektu rīkā, vienmērīgu materiālu klasi (piemēram, specifisku augstas izturības zemu leģējumu tēraudu) izmantojot, palīdz nodrošināt vienveidību. Izvairieties mainīt materiālu piegādātājus ražošanas laikā, lai novērstu variācijas.
• Eļļas kanniņa: Lielas, plakanas, neatbalstītas plānas metāla laukumi mēdz izlocīties vai "pokšķināt" kā eļļas kanniņa. Rievu, reljefu vai pakāpienu pievienošana uzlabo detaļas stingrumu, neuzliekot papildu svaru, un novērš šo defektu.

Efektivitātes inženierija

Metāla štampēšanas ražošanas ērtības projektēšana nav par dizaina mērķa kompromisi; tas ir par tā pielāgošanu reālajiem apstākļiem. Ievērojot štampēšanas procesa fizikas likumus — ievērojot minimālos attiecības standartus, izvēloties pareizo materiāla struktūras stratēģiju un lietojot tolerances saprātīgi — inženieri var samazināt izmaksas un nodrošināt ilgtermiņa ražošanas stabilitāti. Detaļa, kas ir optimizēta presei, ir optimizēta arī peļņai, kvalitātei un ātrumam.

Bieži uzdotie jautājumi

1. Kāds ir minimālais caurules izmērs metāla štancēšanai?

Parasti, puncētas caurules diametram nevajadzētu būt mazākam par materiāla biezumu (1T). Augstas izturības materiāliem, piemēram nerūsējošajam tēraudam, bieži tiek ieteikts attiecības 1,5T vai 2T, lai novērstu punchas lūzumu. Ja nepieciešamas mazākas caurules, tās var būt nepieciešams urbt vai apstrādāt kā sekundāru operāciju.

2. Kā materiāla grauda virziena ietekmē liekšanu?

Metāla grauda virzienam rodas loksnes valcēšanas procesā. Liekšana perpendikulāri (šķērsām) graudam ir stiprāka un ļauj ciešākus rādiusus bez plaisāšanas. Liekšana paralēli graudam ir vājāka un ārējā rādiusā ir vairāk pakļauta plaisām. Svarīgi strukturālie liekumi vienmēr jāorientē šķērsām graudam.

3. Kāda ir atšķirība starp blankingu un pircingu?

Blanks veidošana ir metāla lentes ārējā kontūras izgriešanas operācija; noņemtā detaļa ir lietderīgā daļa. Caurumu izgriešana (vai puncēšana) ir iekšējo caurumu vai formu izgriešanas operācija; noņemtā detaļa ir atkritumi (čaula). Abas ir griešanas operācijas, taču kalpo dažādiem mērķiem matricas stacijas secībā.