Ключевые этапы процесса проектирования автомобильных штампов

Краткое содержание

Процесс проектирования автомобильных штампов представляет собой систематизированный инженерный рабочий процесс, в ходе которого концепция детали превращается в надежный производственный инструмент. Он начинается с тщательного анализа технологичности детали (DFM), за которым следует стратегическое планирование процесса для создания развертки ленты, оптимизирующей использование материала. Далее процесс переходит к детальному проектированию конструкции штампа и его компонентов в CAD, виртуальному моделированию для проверки и компенсации пружинения, и завершается созданием точных производственных чертежей и спецификации (BOM) для изготовления инструмента.

Этап 1: Анализ осуществимости детали и планирование процесса

Основа любого успешного процесса штамповки автомобилей закладывается задолго до того, как будет обработана первая сталь. Этот начальный этап, сосредоточенный на анализе технологичности детали и планировании процесса, является наиболее важным для предотвращения дорогостоящих ошибок и обеспечения эффективного производственного процесса. Он включает тщательное изучение конструкции детали с целью определения её пригодности для штамповки — практика, известная как проектирование с учётом технологичности (DFM). Данный анализ проверяет такие особенности, как острые углы, глубокая вытяжка и свойства материала, чтобы выявить потенциальные точки отказа, например трещины или складки, ещё до того, как они превратятся в дорогостоящие физические проблемы.

После того как деталь признана технологичной, следующим шагом становится разработка плана процесса, который визуально представляется в виде ленточного макета. Это стратегическая схема, показывающая, как плоская металлическая катушка постепенно будет превращаться в готовый компонент. Как подробно описано в руководстве от Jeelix , в макете полосы тщательно прорисовывается каждая операция — от пробивки и вырезания до изгиба и формовки — в логической последовательности. Основные цели заключаются в максимальном использовании материала и обеспечении устойчивости полосы при её перемещении через штамп. Оптимизированный макет может оказать значительное экономическое влияние; даже улучшение использования материала на 1% может привести к существенной экономии при массовом производстве автомобилей.

На этом этапе проектирования конструкторы мысленно разбивают готовую деталь на серию операций штамповки. Например, сложный кронштейн разделяется на базовые операции: пробивку направляющих отверстий, вырезание краёв, выполнение изгибов и, наконец, вырубку готовой детали из полосы. Такой структурированный подход гарантирует выполнение операций в правильной последовательности — например, пробивку отверстий до изгиба, чтобы избежать деформации.

Контрольный список ключевых аспектов DFM:

• Свойства материалов: Подходит ли толщина, твёрдость и направление волокон выбранного металла для требуемых операций формовки?
• Радиусы изгиба: Достаточно ли велики все радиусы изгиба, чтобы предотвратить растрескивание? Внутренний радиус менее чем в 1,5 раза превышающий толщину материала — часто тревожный сигнал.
• Расположение отверстий: Находятся ли отверстия на безопасном расстоянии от изгибов и краёв, чтобы избежать растяжения или разрыва?
• Сложная геометрия: Требуют ли какие-либо элементы, такие как выемки или боковые отверстия, сложных и потенциально ненадёжных механизмов, например, боковых кулачков?
• Допуски: Можно ли достичь указанных допусков с помощью процесса штамповки, не увеличивая при этом затраты без необходимости?

Этап 2: Конструкция матрицы и проектирование основных компонентов

При наличии продуманного плана процесса основное внимание переключается на проектирование физической матрицы — прецизионного устройства, состоящего из нескольких взаимосвязанных систем. Конструкция матрицы служит прочным каркасом или скелетом, который удерживает все активные компоненты в идеальном положении под огромным усилием. Эта основа, часто называемая комплектом матриц, состоит из верхних и нижних пластин (колодок), точно выровненных с помощью направляющих пальцев и втулок. Система выравнивания имеет критическое значение для обеспечения точности на уровне микронов, необходимой для стабильного качества деталей, а также для предотвращения катастрофических столкновений матриц при высокоскоростной работе.

Сердцем матрицы является её формовочная и режущая система, включающая пуансоны и полости матрицы (или кнопки), которые непосредственно формируют металл. Конструирование этих компонентов требует исключительной точности. Критическим параметром является зазор — небольшой промежуток между пуансоном и матрицей. Согласно Mekalite , этот просвет обычно составляет от 5 до 10% от толщины материала. Слишком мало свободного места увеличивает силу резания и износ, а слишком много может разорвать металл и оставить большие выпуклости. Геометрия, материал и термическая обработка этих компонентов тщательно определены, чтобы они могли выдерживать миллионы циклов.

Выбор материала для самих деталей изготовления - стратегическое решение, которое балансирует стоимость, износостойкость и прочность. В зависимости от объема производства и абразивности материала деталей используются различные инструментальные стали.

Фаза 3: виртуальная проверка и обзор конструкции

В современном проектировании штампов для автомобилестроения эпоха дорогостоящего и трудоемкого физического метода проб и ошибок завершилась. Сегодня конструкции тщательно проверяются в цифровой среде с помощью процесса, называемого виртуальной валидацией. С использованием передового программного обеспечения компьютерного инженерного анализа (CAE) и метода конечных элементов (FEA) инженеры моделируют весь процесс штамповки, чтобы спрогнозировать поведение листового металла под давлением. Эта виртуальная отладка позволяет выявить потенциальные дефекты, такие как образование складок, разрывов или чрезмерного утонения, еще до начала любого физического производства, что дает возможность своевременно внести коррективы в конструкцию.

Одной из наиболее значимых проблем при штамповке, особенно с использованием высокопрочных сталей повышенной прочности (AHSS), применяемых в современных автомобилях, является пружинение. Это явление возникает, когда формованная металлическая заготовка частично возвращается к своей первоначальной форме после снятия усилия штамповки. Программное обеспечение для моделирования может точно предсказать величину и направление этого пружинения. Это позволяет конструкторам реализовать активную компенсацию. Например, как объясняет Jeelix, если моделирование показывает, что изгиб под 90 градусов вернётся к 92 градусам, матрицу можно спроектировать так, чтобы загибать деталь до 88 градусов. После освобождения деталь пружинит обратно и достигает идеальных 90 градусов.

Процесс проверки представляет собой систематическую проверку, гарантирующую надёжность, эффективность конструкции и возможность производства деталей высокого качества. Он предоставляет последнюю возможность для анализа и доработки перед переходом к дорогостоящему процессу изготовления инструментов.

Этапы процесса виртуальной проверки:

1. Проведение анализа формовки: Программное обеспечение для моделирования анализирует поток материала, чтобы выявить возможные дефекты, такие как трещины, складки или недостаточное растяжение.
2. Прогнозирование и компенсация пружинения: Рассчитывается степень пружинения, а поверхности формообразующей оснастки автоматически корректируются для его компенсации.
3. Расчет усилий: Моделирование рассчитывает усилие, необходимое для каждой операции, что обеспечивает достаточную мощность выбранного пресса и предотвращает повреждение пресса или штампа.
4. Проведение финального обзора проекта: Тщательная проверка проверенного проекта проводится группой инженеров для выявления любых оставшихся ошибок или потенциальных проблем до окончательного утверждения проекта.

Этап 4: Создание чертежей и передача в производство

Заключительный этап процесса проектирования автомобильных штампов — это преобразование проверенной 3D-цифровой модели в универсальный инженерный язык, который могут использовать изготовители инструментов для создания физического штампа. Это включает создание комплексного пакета технической документации, включающего подробные чертежи и ведомость материалов (BOM). Такой стандартизированный вывод необходим для обеспечения точного соответствия каждого компонента заданным спецификациям, что критически важно для беспроблемной сборки, правильной работы и эффективного обслуживания штампа.

Пакет документации служит окончательным чертежом для построения инструмента. Он должен быть ясным, точным и недвусмысленным, чтобы избежать дорогостоящих ошибок на производстве. Такое детальное планирование является отличительной чертой опытных производителей в автомобильной отрасли. Например, компании такие как Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. специализируемся на превращении этих точных проектных пакетов в высококачественные штампы и компоненты для автомобилестроения, используя передовые симуляции и глубокую экспертизу для обслуживания OEM-производителей и поставщиков первого уровня с исключительной эффективностью и качеством.

Окончательный проектный пакет включает несколько ключевых элементов, каждый из которых выполняет определенную функцию в технологическом процессе производства и сборки. Качество и полнота этой документации напрямую влияют на производительность и срок службы конечного инструмента.

Ключевые элементы окончательного проектного пакета:

• Чертеж сборки: Этот основной чертеж показывает, как все отдельные компоненты соединяются между собой в окончательной сборке штампа. Он включает общие размеры, высоту закрытия и детали крепления штампа в прессе.
• Детальные чертежи: Отдельный, очень подробный чертеж создается для каждого специального компонента, который необходимо обработать. На этих чертежах указаны точные размеры, геометрические допуски, тип материала, требуемая термообработка и параметры поверхности.
• Спецификация материалов (BOM): Ведомость материалов (BOM) — это полный список всех деталей, необходимых для изготовления пресс-формы. Сюда входят как компоненты с индивидуальной механической обработкой, так и все стандартные серийные детали, такие как винты, пружины, направляющие пальцы и втулки, зачастую с указанием номеров деталей поставщиков.