Снижение отходов при штамповке металла: 5 технических стратегий для повышения рентабельности

Краткое содержание

Сокращение отходов при штамповке металла — это не просто поддержание порядка; это наиболее эффективный способ повышения рентабельности, поскольку стоимость сырья, как правило, составляет 50–70% общей стоимости детали. Чтобы превратить отходы из безвозвратных затрат в конкурентное преимущество, производителям необходимо применять триадный подход: Проектирование для изготовления (DFM) , Оптимизация инструмента (например, усовершенствованная компоновка и сбор остатков), а также Контроль процесса (контроль на основе датчиков). Основным показателем успеха является Коэффициент использования материала (MUR) — процент исходного листового материала, который переходит в готовую деталь.

В данном руководстве рассматриваются технические стратегии максимизации коэффициента использования материала: от внедрения «нано-соединений» для более плотной компоновки до применения датчиков «активного регулирования скорости», предотвращающих дефекты в режиме реального времени. Переходя от простого удаления отходов к инженерным методам их сокращения, операции штамповки могут значительно повысить свою рентабельность.

Стратегия оптимизации 1: Продвинутое трассирование и использование материалов

Наиболее очевидная возможность сокращения отходов заключается в проектировании размещения заготовок на полосе. Раскрой относится к методу размещения деталей на металлической полосе с целью минимизации пустого пространства (перемычек) между ними. Хотя стандартные компоновки «одна деталь на штамп» просты в проектировании, они зачастую оставляют избыточные отходы в виде скелетных обрезков. Продвинутые стратегии, такие как компоновка «две детали на штамп» или «взаимозацепляющееся» трассирование, могут повысить коэффициент использования материала на 5–15%, что напрямую влияет на конечную прибыль.

Мощной техникой является трассирование по точному контуру использование современных технологий, таких как нано-соединения . Как подробно описано лидерами отрасли, такими как TRUMPF, нано-замки — это крошечные фиксирующие выступы, которые соединяют деталь с лентой, заменяя собой более крупные традиционные микро-замки. Поскольку эти выступы минимальны, детали можно размещать непосредственно вплотную друг к другу, не рискуя их смещением или столкновением. Такая близость позволяет значительно уплотнить компоновку, уменьшая ширину перемычек между деталями и эффективно увеличивая количество продукции с каждого рулона.

Другой сложный подход — комбинированная компоновка деталей , где меньший, другой компонент штампуется из области отходов более крупной детали. Классический пример, приведённый компанией ESI Engineering Specialties, — производитель снаряжения для дайвинга, выпускающий 20 000 D-образных колец в год. Инженеры поняли, что могут штамповать меньшее кольцо, похожее на шайбу, из внутреннего выреза «D» большого кольца — материала, который в противном случае был бы выброшен. Это фактически позволяет получить две детали за счёт стоимости материала одной. Однако здесь действует важное эмпирическое правило: объём производства большой детали должен быть равен или превышать объём меньшей вложенной детали, чтобы избежать накопления запасов ненужных компонентов.

Контрольный список для проверки размещения заготовок на ленте

• Ширина мостика: Оптимизирована ли ширина перемычки для данной толщины материала?
• Направление волокон: Ориентированы ли изгибы перпендикулярно направлению волокон, чтобы предотвратить растрескивание?
• Поворот детали: Может ли поворот детали на 180 градусов обеспечить взаимное блокирование?
• Смешанное размещение: Есть ли в спецификации (BOM) меньшая деталь, которая может поместиться в зоне отходов?

Стратегия оптимизации 2: Конструирование и инженерные решения для штампов

После оптимизации компоновки основное внимание переключается на физическое оснащение. Дизайна прогрессивной штампы предоставляет уникальные возможности по восстановлению материала с помощью «отходных штампов» или «восстановительных штампов». Отходный штамп — это вторичный инструмент, предназначенный специально для приема отходов (обрези), образующихся при основной операции, и вырубки из них пригодной детали. Хотя это увеличивает стоимость оснастки, долгосрочная экономия при высоком объеме производства зачастую оправдывает такие вложения.

Для непрерывного производства некоторые производители штамповки используют метод «сшивания обрези» . Как отмечается в технических обсуждениях издания The Fabricator, куски обрези иногда можно механически соединять вместе (с помощью зажимов-защелок или аналогичных устройств), чтобы создать непрерывную ленту, которую можно подавать во вторичный прогрессивный штамп. Такое изобретательное инженерное решение позволяет автоматизировать подачу того, что ранее было россыпью отходов. Однако инженеры должны быть осторожны стабилизацией при деформации . Металл, который уже был деформирован или подвергнут нагрузке на первой операции, может потерять пластичность, что делает его непригодным для глубокой вытяжки при вторичной обработке. Он лучше всего подходит для простых кронштейнов или плоских компонентов.

Проверка этих сложных концепций оснастки до перехода к твердой стали имеет решающее значение. Именно здесь партнерство с производителем, ориентированным на технические возможности, становится необходимым. Компании, такие как Shaoyi Metal Technology предложение комплексные решения по штамповке которые преодолевают разрыв между быстрым прототипированием и массовым производством. Используя их способность поставлять квалифицированные прототипы всего за пять дней, инженеры могут на ранних этапах проектирования проверить течение материала и возможность размещения заготовок, обеспечивая реализуемость агрессивных стратегий сокращения отходов в соответствии со стандартами высокотоннажного автомобильного производства (IATF 16949).

Стратегия оптимизации 3: предотвращение дефектов и контроль процесса

Отходы — это не только остаточный каркас; это также детали, которые вы выбрасываете. Необходимо различать проектируемые отходы (внутренние отходы) и производственные отходы (дефектные детали) имеет важное значение. В то время как проектные отходы являются результатом конструктивного выбора, производственные отходы — это следствие сбоя в процессе. Типичные дефекты, такие как снижение количества слизи —когда пробиваемая заготовка прилипает к торцевой поверхности пуансона и повреждает следующую деталь—могут испортить тысячи деталей, если их не обнаружить.

Для борьбы с этим производители всё чаще внедряют датчики в штамп современные системы, такие как Активное регулирование скорости о котором сообщает TRUMPF, используют датчики для контроля излучения процесса и автоматической регулировки скорости подачи. Если система обнаруживает потенциальную проблему, например неправильное формирование расплавленного материала или неудаление пробивки, она может скорректировать параметры или немедленно остановить пресс. Это меняет парадигму с «проверки качества после факта» (сортировки бракованных деталей) на «производство качества внутри процесса».

Еще одним инструментом снижения производственных отходов является внедрение технологии Системы зрения и Drop & Cut технология. Для оставшихся листов — концов рулонов или заготовок, которые всё ещё имеют пригодную к использованию площадь — камеры могут накладывать графику деталей на видеопоток с листа в реальном времени. Операторы могут перетаскивать цифровые файлы деталей на оставшийся материал, чтобы немедленно вырезать запасные части. Это гарантирует, что даже «непригодные» концевые участки рулонов приносят доход, а не отправляются в переработку.

Стратегия оптимизации 4: проектирование с учётом технологичности (DFM)

Самое экономически эффективное время для снижения отходов — это до того, как был изготовлен штамп. Проектирование для производительности (DFM) включает сотрудничество между конструкторами изделий и инженерами по штамповке, чтобы адаптировать геометрию компонентов под стандартные ширины полосы. Часто незначительное изменение — например, уменьшение ширины фланца на 2 мм или изменение радиуса угла — позволяет разместить деталь на более узкой стандартной катушке или плотнее уложить её рядом с соседней.

Выбор материала также имеет значение. Инженерам следует оценить, можно ли деталь изготовить штамповкой вместо механической обработки . Механическая обработка — это процесс, при котором до 80% заготовки превращается в стружку (отходы). В отличие от этого штамповка является процессом получения заготовки требуемой формы. Как отмечает ESI, переход от детали, изготавливаемой механической обработкой, к штампованной не только резко снижает количество отходов материала, но зачастую и повышает скорость производства. Кроме того, конструкторы должны учитывать направление волокон . Ориентация детали на ленте исключительно для максимальной укладки без учёта направления волокон может привести к растрескиванию при гибке и, как следствие, к 100-процентному браку этой партии. Сбалансированный подход DFM учитывает экономию материала с точки зрения надёжности процесса.

Заключение: Превращение отходов в прибыль

Снижение количества отходов при штамповке металла — это многопрофильная задача, которая вознаграждает точность и креативность. Отказавшись от восприятия отходов как просто "издержек бизнеса", производители могут раскрыть значительную скрытую прибыль. Внедрение передовых стратегий раскроя, таких как нано-соединения, творческое повторное использование обрезков с помощью восстановительных матриц и применение интеллектуальных датчиков, создаёт надёжную систему, в которой использование материала максимизируется.

Успех требует изменения мышления: каждый квадратный дюйм рулона нужно рассматривать как потенциальный доход. Будь то незначительные корректировки конструкции для удобства производства (DFM), позволяющие лучше разместить детали на листе, или инвестиции в интеллектуальные системы управления прессом, предотвращающие тысячи дефектов, цель остаётся прежней — максимизировать коэффициент использования материала (MUR) и обеспечить, чтобы единственный металл, покидающий завод, был в виде качественных, реализуемых деталей.

Часто задаваемые вопросы

1. В чём разница между отходами и потерями при штамповке металла?

Хотя эти термины часто используются как синонимы, «лом» обычно относится к перерабатываемому металлу (например, обрезкам или отходам), который при продаже дилеру имеет определённую остаточную стоимость. «Отходы» или «мусор», как правило, обозначают неперерабатываемые материалы или ресурсы, не имеющие ценности для восстановления. Однако в условиях бережливого производства любой купленный, но не проданный в виде продукта материал считается отходом, подлежащим минимизации.

2. Как компоновка деталей снижает затраты на материалы?

Компоновка оптимизирует размещение деталей на металлической ленте, минимизируя пустое пространство между ними. Используя такие методы, как взаимное блокирование деталей, их поворот или размещение мелких деталей в зонах отходов более крупных, производители могут выпускать больше деталей с одного рулона. Поскольку затраты на материалы зачастую составляют 50–70 % общей стоимости детали, увеличение количества деталей с одного рулона напрямую снижает себестоимость единицы продукции.

3. Какие наиболее распространённые дефекты приводят к образованию отходов при штамповке?

Распространённые дефекты, приводящие к браку деталей (производственным отходам), включают снижение количества слизи (где отходы затягиваются обратно в матрицу), заусенцы (острые кромки из-за затупившегося инструмента или неправильного зазора), расслоение/трещины (часто из-за проблем с направлением волокон), и появление морщин . Предотвращение этих дефектов требует регулярного обслуживания матриц и контроля процесса.

4. Что такое вырубной штамп для отходов или восстановительный штамп?

Вырубной штамп для отходов, также известный как восстановительный штамп, — это специализированный штамповочный инструмент, предназначенный для изготовления более мелкой детали с использованием материалом (отходов), образующихся при основной операции штамповки. Например, обрезки металла от рамы автомобильного окна могут подаваться в вырубной штамп для производства небольшого кронштейна, что позволяет получить бесплатный материал для вторичной детали.

5. Как направление волокон влияет на уровень отходов?

Металлическая полоса имеет «направление волокон», аналогичное древесине, которое формируется в процессе прокатки. Изгибание металла параллельно направлению волокон может вызвать трещины на внешней стороне изгиба, что приведёт к отбраковке деталей. Разработка схемы раскроя полосы таким образом, чтобы критические изгибы выполнялись перпендикулярно направлению волокон, предотвращает появление трещин, даже если это означает несколько меньшую плотность размещения заготовок.