Конструирование для изготовления штамповки металла: Инженерное руководство

Краткое содержание

Проектирование с учетом технологичности (DFM) для штамповки металла — это стратегическая инженерная практика оптимизации геометрии деталей с целью согласования с физическими принципами работы штамповочного пресса и возможностями матриц. Разрабатывая детали с учетом ограничений материала — а не против них — инженеры могут сократить затраты на оснастку до 50 %, ускорить сроки поставки и устранить типичные дефекты, такие как трещины или пружинение.

Основа DFM при штамповке заключается в соблюдении проверенных «золотых правил» геометрии. Ключевые соотношения включают обеспечение того, что диаметр отверстий составляет не менее толщины материала (1T) , соблюдение минимального радиуса изгиба 1T для предотвращения разрушений и размещение элементов на расстоянии от зон изгиба, равном 1,5T + радиус . Применение этих ограничений на раннем этапе проектирования в CAD — наиболее эффективный способ обеспечить возможность производства.

Бизнес-обоснование с инженерной точки зрения: почему DFM важен при штамповке

В процессе металлической штамповки стоимость детали в значительной степени определяется ещё до того, как будет сделан первый заказ листового металла. Примерно 70% окончательной производственной стоимости изделия фиксируются на этапе проектирования. Инженерия по принципу «через стену» — при которой проекты передаются производителю без предварительных консультаций — зачастую приводит к сложным требованиям к оснастке, что многократно увеличивает затраты. Деталь, спроектированная без учёта требований технологичности (DFM), может потребовать сложной многооперационной матрицы с 20 позициями и дорогостоящими салазками, тогда как оптимизированная с точки зрения DFM версия могла бы изготавливаться с помощью более простой 12-позиционной оснастки.

Сотрудничающая DFM служит мостом между идеальной геометрией и суровой реальностью холодноформовой стали. Это смещает фокус с "можно ли это сделать?" на "можно ли это сделать эффективно?" Взаимодействуя с партнером по производству на ранней стадии, инженеры могут определить факторы, влияющие на стоимость, такие как строгие допустимые значения, требующие точной шлифовки, или особенности, требующие вторичных операций по очистке от шлифовки. Например, ослабление некритической толерантности отверстий с ± 0,002 "до ± 0,005" может значительно продлить срок службы инструмента и снизить цену на деталь.

Это особенно важно при масштабировании от прототипа до производства. Дизайн, который работает для лазерной резки (низкий объем), часто терпит неудачу в штамповом пресе (высокий объем) из-за различных факторов напряжения. Партнеры вроде Shaoyi Metal Technology специализируются на преодолении этого разрыва, предлагая инженерную поддержку, которая гарантирует, что проекты, проверенные на этапе прототипирования, достаточно прочны для высокоскоростных линий штампования большого объема. Раннее использование таких знаний предотвращает дорогостоящую "связь редизайна инструментов", которая страдает от многих запусков продуктов.

Выбор материала и стратегия направления зерна

Выбор материала в штамповке - это компромисс между функцией, формальностью и стоимостью. Хотя функциональность диктует базовый сплав (например, нержавеющая сталь 304 для коррозионной стойкости или алюминий 5052 для веса), специфические темперамент и направление волокон диктуют возможность изготовления. Более жесткие материалы имеют большую прочность, но более склонны к трещинам во время сложных формовочных операций.

Критическая роль направления зерна

Лист металла производится путем проката, который удлиняет структуру зерна металла в направлении рулона. Эта анизотропия означает, что материал ведет себя по-разному в зависимости от того, как он сформирован относительно зерна:

• Сгибание зерна перпендикулярно: Сильнейшая ориентация. Материал может выдерживать более тесные радиусы без трещин, потому что зернистая структура скорее складывается, чем распадается.
• Сгибание параллельно зерна: Самая слабая ориентация. Зерна легко отделяются, что приводит к переломам на наружном радиусе, особенно в более жестких сплавах, таких как 6061-T6 алюминий или высокоуглеродистая сталь.

Инженеры должны указать направление зерна на печати, если требуются плотные изгибы. Если геометрия деталей требует изгиба в нескольких направлениях, ориентация 45 градусов относительно зерна часто используется в качестве компромисса для сбалансированной прочности и формальности во всех особенностях.

Критические геометрические принципы: отверстия, отверстия и сети

Физика интерфейса для пробивания и пробивания накладывает строгие математические ограничения на особенности резки. Нарушение этих соотношений создает слабые секции, которые ломаются преждевременно, что приводит к простоям и затратам на обслуживание. В таблице ниже приведены консенсусные "правила" для стандартных операций штампования.

Близость от отверстия до изгиба: Одна из самых распространенных ошибок - это ставить отверстие слишком близко к повороту. По мере того как металл растягивается вокруг радиуса, любая особенность в "зоне деформации" будет искажаться. Если дизайн требует прокола вблизи изгиба, штампер должен пробить его после изгиба (добавление станции/стоимости) или использование специализированного разреза. Стандартная формула, чтобы гарантировать, что отверстие остается круглым, заключается в том, чтобы поместить его край, по крайней мере 1,5 раз толщину материала плюс радиус изгиба от касания изгиба.

Правила изгиба и формования: лучи, фланцы и рельефы

Сгибание - это не просто складывание, это контролируемая пластическая деформация. Чтобы достичь последовательных изгибов без сбоев, необходимо контролировать три параметра: минимальный радиус изгиба, длину фланца и облегчение изгиба.

Минимальный радиус изгиба

Острые внутренние углы - враги штампованных деталей. Радиус нуля (острый угол) создает точку концентрации напряжения, которая неизбежно приводит к трещинам. Для большинства пластичных металлов, таких как холоднокатаная сталь (CRS) или мягкий алюминий, Минимальный внутренний радиус изгиба должен быть ≥ 1 Т - Я не знаю. Для более жестких материалов, таких как нержавеющая сталь, часто требуется ≥ 2Т или больше. Проектирование с большим радиусом увеличивает срок службы инструмента и снижает риск отказа деталей.

Минимальная длина фланца

Чтобы точно изгибать фланц, материал должен оставаться в контакте с штампом на протяжении всего процесса формирования. Если фланц слишком короткий, он проскользнет в V-открытие до завершения изгиба, в результате чего получится искаженный, непараллельный край. Стандартное правило заключается в том, что Длина фланца должна быть не менее чем в 3-4 раза больше толщины материала - Я не знаю. Если требуется более короткий фланц, штамперу может потребоваться сформировать более длинный фланц и подстричь его в последующей операции, что увеличивает стоимость деталей.

Разгрузочные вырезы при изгибе

Когда изгиб не охватывает всю ширину детали, материал на концах линии изгиба будет разрываться, если не будет добавлено "рельеф изгиба". Рельеф представляет собой небольшую прямоугольную или полукруглую выемку, вырезанную в основание фланца. Эта выемка изолирует изогнутый материал от неизогнутого материала, предотвращая разрыв и деформацию. Глубина рельефа обычно должна превышать радиус изгиба + толщину материала.

Толерантность к реальности против стоимости

Строгость допуска является единственным крупнейшим драйвером стоимости штамповки. В то время как современная точность штамповки может достигать толерантности, как тесный, как ± 0,001 дюйма, требуя это по всей части является ненужным и дорогостоящим. Более узкие допуски требуют более точных деталей штампа (резания проволоки EDM), более частого обслуживания (острей), и более медленных скоростей прессования.

• Размеры допуска блоков: Для некритических элементов (например, отверстий, вентиляционных отверстий) используют стандартные допуски блока (обычно от ±0,005" до ±0,010").
• Размерность от функции к функции: Размер критических особенностей друг от друга, а не от края части. Край часто производится при операции обрезки, которая по своей сути имеет большую изменчивость, чем пробитые отверстия. Размеры от отверстия к отверстию укрепляют цепочку терпимости там, где это важно.
• Только критические признаки: Применять GD&T (Геометрическое измерение и толерантность) только в тех случаях, когда это абсолютно необходимо для сборки. Если допустимость угла фланца усиливается с ±1° до ±0,5°, штамперу может потребоваться добавить станцию повторного нанесения на матрицу для контроля отступа, увеличивая инвестиции в инструменты.

Частые дефекты и профилактика (контрольный список ДФМ)

Инженеры могут предвидеть и разработать общие режимы сбоев, выполняя быстрый контрольный список DFM до окончания CAD-модели.

• Заусенцы: Все штампованные края имеют выпуклости на стороне "разрыв". Убедитесь, что на чертеже указано "направление Бурра", чтобы острые края не были на поверхности для обработки пользователем. Стандартная допустимая высота бура составляет 10% от толщины материала.
• Упругая деформация: Эластичное восстановление после изгиба приводит к раскрытию угла. В то время как штампер компенсирует это в инструменте, использование последовательных материалов (например, специфическая высокопрочная низколегированная сталь) помогает поддерживать консистенцию. Избегайте смены поставщиков материалов в середине производства, чтобы избежать изменений.
• Консервирование масла: Большие, плоские, не поддерживаемые области тонкого металла, как правило, сгибаются или "вырываются" как масло. Добавление ребер, рельефов или ступеней затвердевает деталь, не добавляя весу, что предотвращает этот дефект.

Инженерное производство для повышения эффективности

Мастерство в дизайне для изготовления в металлоломпе не означает компромисс с намерением дизайна; это означает уточнение его для реальности. Уважая физику процесса штампования, соблюдая минимальные пропорции, выбирая правильную стратегию зерна и разумно применяя допустимые отклонения, инженеры могут снизить затраты и обеспечить долгосрочную стабильность производства. Часть, оптимизированная для прессы, оптимизирована для прибыли, качества и скорости.

Часто задаваемые вопросы

1. Какой минимальный размер отверстия для штамповки металла?

Как правило, диаметр пробивного отверстия не должен быть меньше толщины материала (1T). Для высокопрочных материалов, таких как нержавеющая сталь, часто рекомендуется соотношение 1,5T или 2T, чтобы предотвратить поломку пуансона. Если требуются меньшие отверстия, их, возможно, придётся просверлить или обработать механически в качестве вторичной операции.

2. Как направление волокон материала влияет на гибку?

Направление волокон металла формируется в процессе прокатки листа. Гибка перпендикулярно волокнам (поперёк) является более прочной и позволяет выполнять изгибы с меньшим радиусом без трещин. Гибка параллельно волокнам менее прочна и более склонна к образованию трещин на внешнем радиусе. Критические конструкционные изгибы всегда должны выполняться поперёк волокон.

3. В чём разница между вырубкой и пробивкой?

Бланкинг — это операция вырезания общей внешней формы детали из металлической ленты; извлекаемая деталь является полезной частью. Протыкивание (или пробивка) — это операция вырезания внутренних отверстий или форм; извлекаемая часть является отходом (вырезкой). Обе операции относятся к резке, но выполняют разные функции в последовательности станций штампа.