Proiectare pentru fabricație: Stantarea metalică - Manualul Ingineresc

REZUMAT

Proiectarea pentru fabricabilitate (DFM) în cazul amprentării metalice este o practică inginerească strategică care constă în optimizarea geometriei pieselor pentru a se alinia cu fizica presei și capacitățile matriței. Prin proiectarea pieselor astfel încât să respecte constrângerile materialelor – nu să le combată – inginerii pot reduce costurile de scule cu până la 50%, pot accelera timpii de livrare și pot elimina defectele frecvente, cum ar fi crăpările sau revenirea elastică.

Baza DFM-ului pentru amprentare constă în respectarea unor reguli dovedite de geometrie, denumite "Reguli de Aur". Rapoarte esențiale includ asigurarea faptului că diametrul găurilor este cel puțin egal cu grosimea materialului (1T) , menținerea unui raz minim de îndoire de 1T pentru a preveni fisurarea și păstrarea elementelor la distanță de zonele de îndoire printr-un factor de 1,5T + Rază . Adoptarea acestor constrângeri din faza inițială CAD este cea mai eficientă metodă de a garanta fezabilitatea producției.

Argumentul tehnic comercial: De ce este important DFM-ul în amprentare

În stampilarea metalelor, costul unei piese este în mare parte determinat înainte ca prima folie de metal să fie comandată. Aproximativ 70% din costul final de producție al unui produs este blocat în timpul fazei de proiectare. Ingineria "over-the-wall", în care proiectele sunt prezentate producătorului fără consultare prealabilă, duce adesea la cerinţe complexe de unelte care ridică exponenţial costurile. O piesă proiectată fără DFM ar putea necesita un matriciu progresiv complex cu 20 de stații și acțiuni scurte, în timp ce o versiune optimizată pentru DFM ar putea fi produsă cu un instrument mai simplu de 12 stații.

DFM colaborativ servește ca o punte între geometria ideală și realitatea dură a oțelului de formare la rece. Se schimbă accentul de la "se poate face asta?" la "se poate face eficient?" Prin contactarea timpurie cu un partener de producție, inginerii pot identifica factorii de cost, cum ar fi toleranțele stricte care necesită măcinare de precizie sau caracteristicile care necesită operațiuni secundare de deburring. De exemplu, relaxarea toleranței de găuri non-critice de la ± 0,002 "la ± 0,005 " poate prelungi semnificativ durata de viață a uneltelor și poate reduce prețul piesei.

Acest lucru este deosebit de important atunci când se face o creștere la scară largă de la prototip la producție. Un proiect care funcționează pentru tăierea cu laser (volumul redus) eşuează adesea într-o presă de ștampilare (volumul mare) din cauza diferitelor factori de stres. Parteneri ca Shaoyi Metal Technology se specializează în acoperirea acestei decalaje, oferind suport de inginerie care asigură faptul că designurile validate în faza de prototipare sunt suficient de robuste pentru linii de stampare rapide și cu volum mare. Valorificarea timpurie a unor astfel de expertize previne costisitoarea „buclă de reproiectare a sculelor” care afectează multe lansări de produse.

Selectia materialelor și strategia direcției graunului

Selectia materialelor în procesul de stampare reprezintă un compromis între funcționalitate, formabilitate și cost. Deși funcționalitatea dictează aliajul de bază (de exemplu, Oțel Inoxidabil 304 pentru rezistență la coroziune sau Aluminiu 5052 pentru reducerea greutății), anumite temperament și direcția graierului dictează fabricabilitatea. Materialele mai dure oferă o limită de curgere mai mare, dar sunt mai predispuase la fisurare în timpul operațiunilor complexe de formare.

Rolul critic al direcției graunului

Metalul sub formă de foaie este produs prin laminare, proces care alungește structura grauniculară a metalului în direcția laminării. Această anizotropie înseamnă că materialul se comportă diferit în funcție de modul în care este prelucrat relativ la direcția graunului:

• Îndoire perpendiculară (transversal) pe direcția graunului: Orientarea cea mai puternică. Materialul poate rezista la raze mai strânse fără să se crape, deoarece structura granulară este îndoită, nu separată.
• Îndoirea paralelă (în sensul) cu grana: Orientarea cea mai slabă. Grănii se separă ușor, ceea ce duce la fisuri pe raza exterioară, în special în aliaje mai dure, precum aluminiul 6061-T6 sau oțelul cu înalt conținut de carbon.

Inginerii trebuie să specifice direcția granei pe desen dacă sunt necesare îndoiri strânse. Dacă geometria piesei impune îndoiri în mai multe direcții, o orientare la 45 de grade față de grana este adesea folosită ca un compromis pentru a echilibra rezistența și formabilitatea în toate caracteristicile.

Ghiduri critice de geometrie: Găuri, Fante și Pereți subțiri

Fizica interfeței între poans și matriță impune limite matematice stricte asupra caracteristicilor tăiate. Încălcarea acestor rapoarte creează secțiuni slabe ale matriței care se rup prematur, ducând la întreruperi ale producției și costuri de întreținere. Tabelul de mai jos sintetizează consensul „regulilor empirice” pentru operațiile standard de ambutisare.

Proximitatea găurii față de îndoit: Una dintre cele mai frecvente erori este plasarea unei găuri prea aproape de o îndoită. Pe măsură ce metalul se întinde în jurul razei, orice element situat în „zona de deformare” se va distorsiona. Dacă un design necesită strict o gaură în apropierea unei îndoituri, cel care efectuează ambutisarea trebuie să o decupeze după după îndoire (adăugând o stație/cost) sau să utilizeze o tăietură specială de eliberare. O formulă standard pentru a menține gaura rotundă este să plaseze marginea ei la cel puțin 1,5 ori grosimea materialului plus raza de îndoire distanță față de tangenta îndoitului.

Reguli pentru îndoire și formare: Raze, Flanșe și Degajări

Îndoirea nu este doar o împăturare; este o deformare plastică controlată. Pentru a obține îndoituri consistente fără defecte, trebuie controlate trei parametri: Raza minimă de îndoire, Lungimea flanșei și Degajarea la îndoit.

Raza minimă de îndoire

Colțurile ascuțite din interior sunt dușmanii pieselor stampilate. Un racord cu rază zero (colț ascuțit) creează un punct de concentrare a tensiunii care, în mod inevitabil, duce la crăpare. Pentru majoritatea metalelor ductile, cum ar fi oțelul laminat la rece (CRS) sau aluminiul moale, Raza minimă interioară de îndoire trebuie să fie ≥ 1T . Materialele mai dure, cum ar fi oțelul inoxidabil, necesită adesea ≥ 2T sau mai mult. Proiectarea cu raze generoase prelungește durata de viață a sculei și reduce riscul de defectare a piesei.

Lungime minimă a flanșei

Pentru a îndoi corect o flanșă, materialul trebuie să rămână în contact cu matrița pe tot parcursul procesului de formare. Dacă o flanșă este prea scurtă, aceasta va aluneca în deschiderea V-a matriței înainte ca îndoitura să fie completă, rezultând o muchie deformată și neparalelă. O regulă standard este că Lungimea flanșei trebuie să fie cel puțin de 3 până la 4 ori grosimea materialului . Dacă este necesară o flanșă mai scurtă, cel care realizează stamparea poate fi nevoit să formeze o flanșă mai lungă și apoi să o taie într-o operațiune ulterioară, ceea ce crește costul piesei.

Decupări de relief la îndoitură

Atunci când o îndoire nu se extinde pe întreaga lățime a unei piese, materialul de la capetele liniei de îndoire se va rupe, dacă nu se adaugă o „degajare pentru îndoit”. O degajare este o crestătură mică, dreptunghiulară sau semicirculară, tăiată în baza flanșei. Această crestătură izolează materialul îndoit de cel neîndoit, prevenind ruperea și deformarea. Adâncimea degajării trebuie să depășească în mod obișnuit raza de îndoire + grosimea materialului.

Toleranțe reale vs. Cost

Severitatea toleranțelor este factorul cel mai important care influențează costul matriței de stampare. Deși tehnologia modernă de stampare de precizie poate atinge toleranțe de până la ±0,001 inchi, cererea acestora pentru întreaga piesă este inutilă și scumpă. Toleranțele mai strânse necesită componente ale matriței mai precise (tăiate cu fir EDM), întreținere mai frecventă (ascuțire) și viteze mai lente ale presei.

• Toleranțe bloc: Pentru caracteristicile necritice (de exemplu, găuri de trecere, ventilații), folosiți toleranțele standard bloc (în mod tipic ±0,005 inchi până la ±0,010 inchi).
• Cotare între elemente Cotele caracteristicilor critice trebuie definite în raport una cu cealaltă, nu față de marginea piesei. Marginea este adesea realizată prin operații de tăiere, care au în mod natural o variabilitate mai mare decât o gaură perforată. Dimensionarea gaură-la-gaură menține lanțul de toleranțe mai strâns acolo unde acesta contează.
• Doar caracteristici critice: Aplicați GD&T (Dimensionare Geometrică și Toleranțare) doar acolo unde este absolut necesar pentru asamblare. Dacă toleranța unghiului unei flanșe este strânsă de la ±1° la ±0.5°, cel care realizează piesa poate fi nevoit să adauge o stație suplimentară în matriță pentru a controla revenirea elastică, ceea ce crește investiția în scule.

Defecte frecvente și prevenirea acestora (Lista de verificare DFM)

Inginerii pot anticipa și elimina din proiectare modurile comune de defectare, efectuând o listă rapidă de verificare DFM înainte de finalizarea modelului CAD.

• Bavuri: Toate marginile pieselor stampilate au bavuri pe partea „de rupere”. Asigurați-vă că desenul specifică „Direcția bavurii”, astfel încât muchiile ascuțite să nu se afle pe suprafețele manipulate de utilizator. Înălțimea standard acceptabilă a bavurii este de 10% din grosimea materialului.
• Revenire elastică: Recuperarea elastică după îndoire determină deschiderea unghiului. Deși matrița compensează acest efect în sculă, utilizarea unor calități de material constante (de exemplu, oțeluri slab aliate cu înaltă rezistență specifice) ajută la menținerea consistenței. Evitați schimbarea furnizorilor de material în mijlocul producției pentru a preveni variațiile.
• Deformație tip cutie de ulei: Suprafețele mari, plane și nesuportate ale metalelor subțiri tind să se onduleze sau să „popească” precum o cutie de ulei. Adăugarea de nervuri, reliefuri sau trepte întărește piesa fără a-i crește greutatea, prevenind această defecțiune.

Proiectare pentru eficiență

Stăpânirea proiectării pentru fabricabilitate în ştanţare metalică nu presupune compromiterea intenției de design, ci optimizarea acesteia pentru realitate. Prin respectarea fizicii procesului de ştanţare — respectarea rapoartelor minime, alegerea unei strategii corespunzătoare a direcției de laminare a materialului și aplicarea judicioasă a toleranțelor — inginerii pot reduce costurile și pot asigura stabilitatea pe termen lung a producției. O piesă optimizată pentru presă este o piesă optimizată pentru profit, calitate și viteză.

Întrebări frecvente

1. Care este dimensiunea minimă a găurii pentru amprentarea metalului?

În general, diametrul unei găuri perforate nu ar trebui să fie mai mic decât grosimea materialului (1T). Pentru materialele înalte rezistență, cum ar fi oțelul inoxidabil, se recomandă adesea un raport de 1,5T sau 2T pentru a preveni ruperea poansonului. Dacă sunt necesare găuri mai mici, acestea ar putea necesita foraj sau prelucrare ca operațiune secundară.

2. Cum influențează direcția grafului materialului îndoirea?

Direcția grafului metalic este creată în timpul procesului de laminare a tablei. Îndoirea perpendiculară pe (transversal față de) graf este mai puternică și permite raze mai strânse fără crăpare. Îndoirea paralelă cu graful este mai slabă și mai predispusă la fisuri pe raza exterioară. Îndoirile structurale critice ar trebui întotdeauna orientate transversal față de graf.

3. Care este diferența dintre decupare și perforare?

Decuparea este operația de tăiere a formei exterioare generale a piesei din bandă metalică; piesa îndepărtată este partea utilă. Perforarea (sau punzonarea) este operația de tăiere a găurilor sau formelor interne; piesa îndepărtată este deșeu (bucată inutilă). Ambele sunt operații de tăiere, dar au roluri diferite în secvența de operare a matriței.