Ключевые принципы проектирования для технологичности ковки

Краткое содержание

Проектирование детали с учетом технологичности штамповки требует стратегического планирования ее геометрии для облегчения процесса ковки металла. Это включает тщательный контроль ключевых параметров, таких как линия разъема, углы выемки, радиусы скруглений и толщина стенок, чтобы обеспечить плавное течение материала, предотвратить дефекты и обеспечить легкое извлечение детали из пресс-формы. Правильное проектирование минимизирует затраты, снижает объем последующей обработки и максимизирует inherent прочность кованой детали.

Основы проектирования с учетом технологичности штамповки (DFM)

Проектирование для технологичности ковки (DFM) — это специализированная инженерная практика, направленная на оптимизацию конструкции детали для процесса ковки. Основная цель — создание компонентов, которые не только функциональны, но и эффективны и экономичны в производстве. Учитывая ограничения и возможности ковки с самого начала, инженеры могут значительно снизить производственные затраты, улучшить качество готовой детали и минимизировать необходимость обширных вторичных операций, таких как механическая обработка. Как отмечают эксперты, ковка выравнивает направление волокон металла по форме детали, что улучшает механические свойства, такие как сопротивление усталости и ударная вязкость. Этот процесс позволяет получать компоненты с более высокой прочностью и долговечностью по сравнению с литьем или механической обработкой .

Основные цели DFM для ковки включают:

• Снижение сложности: Простые, симметричные формы легче ковать, требуют менее сложной оснастки и приводят к меньшему количеству дефектов.
• Обеспечение течения материала: Конструкция должна обеспечивать плавное течение металла и полное заполнение полости матрицы без образования пустот или складок.
• Стандартизация компонентов: По возможности использование стандартных размеров и элементов позволяет снизить затраты на оснастку и сократить сроки производства.
• Снижение отходов: Оптимизация исходного размера заготовки и геометрии детали уменьшает количество отходов материала, в частности, так называемых «облойных» излишков, которые удаляются после ковки.

Игнорирование этих принципов может привести к серьезным трудностям. Ошибки в проектировании могут вызвать производственные дефекты, повышенный износ инструмента, увеличение количества отходов материала и, в конечном счете, получение более слабого и дорогого конечного продукта. Для компаний из таких требовательных отраслей, как автомобильная и аэрокосмическая, крайне важно сотрудничество с опытным производителем. Например, специалисты по горячей ковке в автомобильной промышленности, такие как Shaoyi Metal Technology , используют свой опыт в изготовлении штампов и производственных процессах, чтобы гарантировать оптимизацию конструкций как по показателям эффективности, так и по экономичности — от этапа прототипирования до массового производства.

Основное геометрическое соображение 1: Линия разъёма и углы выемки

Среди наиболее важных элементов при проектировании ковки — линия разъёма и углы выемки. Эти параметры напрямую влияют на сложность штампа, течение материала и легкость извлечения готовой детали из инструмента. Тщательно продуманный подход к этим аспектам имеет фундаментальное значение для успешной и эффективной операции ковки.

Линия разъёма

Линия разъёма — это поверхность, по которой соприкасаются две половины штампа для ковки. Её расположение является ключевым решением в процессе проектирования и должно быть чётко указано на чертеже поковки. В идеале линия разъёма должна находиться в одной плоскости и проходить по наибольшей проецируемой площади детали. Это способствует сбалансированному течению материала и минимизирует усилия, необходимые для ковки компонента. Согласно рекомендациям Engineers Edge , правильно расположенная линия разъема также помогает контролировать направление волокон и предотвращает образование выемок, которые затруднили бы выталкивание детали из штампа.

Углы наклона

Углы вытяжки — это небольшие конусности, применяемые ко всем вертикальным поверхностям поковки, параллельным направлению движения штампа. Их основное назначение — облегчить извлечение детали из штампа после формования. При недостаточном угле вытяжки деталь может заклинивать, что приведет к повреждению как самой детали, так и дорогостоящего штампа. Требуемый угол вытяжки зависит от сложности детали и материала, используемого для ковки, однако типичные углы вытяжки для стальных поковок находятся в диапазоне от 3 до 7 градусов . Недостаточный угол вытяжки может вызывать дефекты, увеличивать износ штампа и замедлять производственный цикл.

Основное геометрическое соображение 2: Ребра, перегородки и радиусы

Помимо общей формы, проектирование конкретных элементов, таких как ребра жесткости, стенки и радиусы углов и галтелей, имеет важное значение для технологичности изготовления. Эти элементы должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать плавное течение материала и предотвращать распространенные дефекты при штамповке, а также гарантировать структурную целостность конечной детали.

Ребра жесткости и стенки

Ребра жесткости — это узкие выступающие элементы, которые часто используются для повышения прочности и жесткости детали без значительного увеличения веса. Стенки — это тонкие участки материала, соединяющие ребра жесткости и другие элементы. При проектировании этих элементов крайне важно соблюдать их пропорции. Высокие и узкие ребра могут быть трудно заполняемыми материалом, что приводит к дефектам. Общее эмпирическое правило заключается в том, что высота ребра не должна превышать шести его толщин. Кроме того, толщина ребра должна быть равна или меньше толщины стенки, чтобы избежать проблем при обработке.

Радиусы углов и галтелей

Одно из наиболее важных правил при проектировании ковки — избегать острых внутренних и внешних углов. Острые углы затрудняют течение металла, что приводит к дефектам, таким как наплывы и холодные спайки, когда материал складывается сам на себя. Они также создают концентрации напряжений как в штампе, так и в готовой детали, что может сократить срок службы при циклических нагрузках. Очень важно использовать достаточно большие радиусы внутренних переходов (фасок) и внешних углов. Такие закруглённые края способствуют плавному течению металла во все части полости штампа, обеспечивают её полное заполнение и более равномерно распределяют напряжения. Это не только повышает прочность детали, но и увеличивает срок службы штампов для ковки за счёт снижения износа и риска образования трещин.

Управление течением материала: толщина сечения и симметрия

Основы физики ковки заключаются в принудительном деформировании твёрдого металла, заставляя его течь подобно густой жидкости в желаемую форму. Следовательно, управление этим потоком материала имеет первостепенное значение для изготовления детали без дефектов. Ключевым моментом является поддержание постоянной толщины сечения и максимально возможное использование симметрии.

Резкие изменения толщины стенок могут вызвать серьёзные проблемы. Металл всегда будет двигаться по пути наименьшего сопротивления, и внезапный переход от толстой к тонкой части может ограничить течение, препятствуя полному заполнению тонкого участка. Это также может создавать температурные градиенты при охлаждении, что приводит к короблению или растрескиванию. Идеальная конструкция поковки предполагает одинаковую толщину стенок по всей детали. Когда изменения неизбежны, их следует выполнять постепенно, с плавными, коническими переходами. Это обеспечивает равномерное распределение давления и позволяет металлу равномерно заполнять все области штампа.

Симметрия — ещё один мощный инструмент для конструктора. Симметричные детали по своей природе проще в ковке, поскольку способствуют равномерному течению материала и упрощают конструкцию штампов. Усилия распределяются более равномерно, а деталь менее подвержена деформации в процессе ковки и последующего охлаждения. В тех случаях, когда это допустимо по условиям эксплуатации, проектирование простых симметричных форм почти всегда приводит к более надёжному, экономически эффективному производственному процессу и получению готовой детали более высокого качества.

Планирование постобработки: припуски и допуски под механическую обработку

Хотя ковка позволяет изготавливать детали, форма которых близка к окончательной (почти готовая форма), зачастую требуется дополнительная механическая обработка для достижения жёстких допусков, определённой чистоты поверхности или создания элементов, которые невозможно получить ковкой. Ключевым аспектом проектирования с учётом технологичности является планирование таких операций постобработки уже на начальном этапе.

«Припуск на обработку» — это дополнительный материал, намеренно добавляемый к поковке на поверхностях, которые в дальнейшем будут подвергаться механической обработке. Это гарантирует наличие достаточного слоя материала для удаления и достижения окончательных точных размеров. Типичный припуск на обработку может составлять около 0,06 дюйма (1,5 мм) на каждую поверхность, однако это значение может варьироваться в зависимости от размера и сложности детали. При назначении этого припуска конструктор должен учитывать суммирование предельных допусков и углы выемки.

Толерантность в ковчеге, естественно, более слабая, чем в прецизионной обработке. Для управления расходами важно установить реалистичные допустимые допустимые значения для поддельной части. Попытка удержать излишне строгие допустимые отклонения от ковки может значительно увеличить стоимость инструмента и показатель отказов. Вместо этого в конструкции следует различать критические поверхности, которые будут обработаны, и некритические поверхности, которые могут оставаться в форме ковки. Если на чертеже четко указать эти требования, дизайнеры смогут создать деталь, которая будет функциональной и экономичной в производстве, преодолев разрыв между необработанной и готовой деталью.

Часто задаваемые вопросы

1. - Посмотрите. Какие конструктивные соображения при ковчеге?

Основные соображения по проектированию ковки включают выбор правильного материала, определение геометрии деталей для облегчения потока металла и указание ключевых особенностей. К ним относятся расположение разделительной линии, адекватные углы протяжения для выброса части, щедрые радиусы филе и угла, чтобы избежать концентрации напряжения, и поддержание равномерной толщины стенки. Кроме того, конструкторы должны планировать допустимые отклонения от обработки и реалистичные допустимые отклонения для послекопных работ.

2. Посмотрите. Как вы проектируете деталь для производства?

Проектирование деталей для производства, или DFM, включает в себя упрощение конструкции для снижения сложности и затрат. Ключевые принципы включают сокращение общего количества деталей, использование стандартных компонентов, когда это возможно, проектирование многофункциональных деталей и выбор материалов, которые легко обрабатываются. Особенно для ковки это означает проектирование для равномерного потока материала, избегание острых углов и минимизацию необходимости вторичных операций.

3. Что характеризует проектирование с учетом технологичности?

Проектирование с учетом технологичности (DFM) характеризуется проактивным подходом, при котором производственный процесс учитывается на ранних стадиях проектирования. Его основные принципы включают оптимизацию конструкции для упрощения изготовления, экономической эффективности и качества. Это означает сосредоточение внимания на таких аспектах, как выбор материалов, производственные возможности, стандартизация и минимизация сложности, чтобы обеспечить надежное и эффективное производство конечного продукта.