Navrhovanie pre výrobnosť: kovové kĺzanie – Inžinierska príručka

ZKRATKA

Navrhovanie pre výrobnosť (DFM) pri kovovom väzaní je strategická inžinierska prax optimalizácie geometrie súčiastok tak, aby zodpovedala fyzike lisy na väzanie a možnostiam nástrojov. Ak súčiastky navrhujeme tak, aby rešpektovali materiálové obmedzenia – namiesto toho, aby s nimi bojovali – inžinieri môžu znížiť náklady na nástroje až o 50 %, skrátiť dodací termín a odstrániť bežné chyby ako praskliny alebo pruženie.

Základom DFM pri väzaní je dodržiavanie overených „zlatých pravidiel“ geometrie. Kľúčové pomery zahŕňajú zabezpečenie toho, že priemer otvorov je najmenej rovný hrúbke materiálu (1T) , zachovanie minimálneho polomeru ohybu 1T na zabránenie zlomeninám a udržiavanie prvkov mimo ohybových zón o veľkosti 1,5T + polomer . Použitie týchto obmedzení už v fáze CAD je najúčinnejším spôsobom, ako zabezpečiť výrobnú realizovateľnosť.

Inžiniersky podnikateľský prípad: Prečo je DFM dôležitý pri väzaní

Pri tvárnení kovov je cena súčiastky do značnej miery určená už pred objednaním prvého plechu. Približne 70 % konečných výrobných nákladov produktu je uzamknutých už počas fázy návrhu. Inžiniersky prístup typu „cez stenu“ – keď sa výrobcom odovzdajú návrhy bez predchádzajúcej konzultácie – často vedie k zložitým požiadavkám na nástroje, ktoré exponenciálne zvyšujú náklady. Súčiastka navrhnutá bez DFM by mohla vyžadovať komplexnú postupnú matricu s 20 stanicami a drahými posuvnými mechanizmami, zatiaľ čo verzia optimalizovaná podľa DFM by mohla byť vyrobená jednoduchším nástrojom s 12 stanicami.

Spolupráca pri DFM slúži ako most medzi ideálnou geometriou a príkrou realitou tvárnenia oceľe za studena. Presúva zameranie z otázky „či sa to dá vyrobiť?“ na otázku „či sa to dá efektívne vyrobiť?“. Zapojením výrobného partnera už v skorom štádiu môžu inžinieri identifikovať faktory ovplyvňujúce náklady, ako sú tesné tolerancie vyžadujúce presné brúsenie alebo prvky vyžadujúce sekundárne odhrotovacie operácie. Napríklad zmierenie netuhostnej tolerancie otvoru z ±0,002" na ±0,005" môže výrazne predĺžiť životnosť nástroja a znížiť cenu jednotlivých dielov.

To je obzvlášť dôležité pri prechode od prototypu k sériovej výrobe. Konštrukcia, ktorá funguje pri laserovom rezaní (malé množstvo), často zlyhá pri lisovaní (veľké množstvo) kvôli odlišným mechanickým namáhaniam. Partneri ako Shaoyi Metal Technology sa špecializujú na prekonávanie tohto rozdielu a ponúkajú inžiniersku podporu, ktorá zabezpečí, že návrhy overené v fáze prototypovania, sú dostatočne odolné pre vysokorýchlostné a veľkoobjemové lakovacie linky. Využitie takejto odbornej znalosti v skorom štádiu predchádza nákladnému „cyklu opätovného navrhovania nástrojov“, ktorý komplikuje mnohé spustenia výrobkov.

Výber materiálu a stratégia smeru zrna

Výber materiálu pri tvárnení je kompromis medzi funkčnosťou, tvárniteľnosťou a nákladmi. Zatiaľ čo funkčnosť určuje základnú zliatinu (napr. nehrdzavejúcu oceľ 304 pre odolnosť voči korózii alebo hliník 5052 pre zníženie hmotnosti), konkrétne stav smykové smer vlákien určujú výrobnú možnosť. Tvrdšie materiály ponúkajú vyššiu medzu klzu, no sú náchylnejšie na praskanie počas komplexných tvárnicích operácií.

Kľúčová úloha smeru zrna

Plech sa vyrába valcovaním, ktoré predlžuje štruktúru zrna kovu v smere valcovania. Táto anizotropia znamená, že materiál sa správa inak v závislosti od toho, ako sa tvaruje vzhľadom na smer zrna:

• Ohýbanie kolmo (naprieč) zrnu: Najpevnejšia orientácia. Materiál môže odolávať menším polomerom ohybu bez praskania, pretože štruktúra zrna je ohýbaná, nie trhaná.
• Ohyb rovnobežne (smerom) so zrnitosťou: Najslabšia orientácia. Zrná sa ľahko oddelia, čo vedie k trhlinám na vonkajšom polomere, najmä u tvrdších zliatin, ako je hliník 6061-T6 alebo vysokouhlíková oceľ.

Inžinieri musia uviesť smer zrnitosti na výkrese, ak sú potrebné tesné ohyby. Ak geometria dielu vyžaduje ohyby v viacerých smeroch, často sa používa orientácia pod uhlom 45 stupňov voči smeru zrnitosti ako kompromis na vyváženie pevnosti a tvárnosti vo všetkých prvkoch.

Smernice pre kritické geometrie: otvory, drážky a spojovacie priestory

Fyzika kontaktu medzi razníkom a matricou ukladá prísne matematické limity pre rezané prvky. Porušenie týchto pomerov vytvára slabé úseky matrice, ktoré predčasne prasknú, čo spôsobuje prestoje a náklady na údržbu. Nasledujúca tabuľka sumarizuje všeobecne prijímané „pravidlá palca“ pre štandardné klenutie operácie.

Vzdialenosť diery od ohybu: Jednou z najčastejších chýb je umiestnenie diery príliš blízko ohybu. Keď sa kov natiahne okolo polomeru, akýkoľvek prvok v „zone deformácie“ sa skreslí. Ak návrh vyžaduje dieru blízko ohybu, lisovač musí dieru prebiť po po ohybe (čo znamená pridať stanicu/náklady) alebo použiť špeciálny uvoľňovací rez. Štandardný vzorec na zabezpečenie kruhového tvaru diery je umiestniť jej okraj aspoň 1,5-násobok hrúbky materiálu plus polomer ohybu od dotykovej čiary ohybu.

Pravidlá ohybu a tvárnenia: Polomery, príruby a uvoľnenia

Ohyb nie je len prekladanie; ide o riadenú plastickú deformáciu. Na dosiahnutie konzistentných ohybov bez porúch je potrebné kontrolovať tri parametre: minimálny polomer ohybu, dĺžku príruby a uvoľnenie ohybu.

Minimálny polomer záhybu

Ostré vnútorné rohy sú nepriateľom kovaných dielov. Polomer nula (ostrý roh) vytvára bod koncentrácie napätia, ktorý nevyhnutne vedie k prasknutiu. Pre väčšinu kovov s dobrou tažnosťou, ako je studenoválecaná oceľ (CRS) alebo mäkké hliník, Minimálny vnútorný ohybový polomer by mal byť ≥ 1T . Tvrdšie materiály, ako napríklad nehrdzavejúca oceľ, často vyžadujú ≥ 2T alebo väčší. Návrh s širokými polmery predlžuje životnosť nástroja a zníži riziko zlyhania dielu.

Minimálna dĺžka príruby

Aby sa dosiahol presný ohyb flangy, materiál musí počas celého procesu tvárnenia zostať v kontakte s formou. Ak je flanga príliš krátka, spadne do otvoru V-formy skôr, než je ohyb dokončený, čo má za následok deformovaný, nepárový okraj. Štandardné pravidlo je, že Dĺžka flangy musí byť aspoň 3 až 4-násobok hrúbky materiálu . Ak je potrebná kratšia flanga, lisovacia firma môže musieť vytvoriť dlhšiu flangu a následne ju orezať v ďalšej operácii, čo zvyšuje náklady na diel.

Ohybové výrezy

Ak sa záhyb neprekrýva celou šírkou časti, materiál na konci záhybovej línie sa roztrhne, pokiaľ sa nepridá "zľava z záhybu". Relief je malý obdĺžnikový alebo polokruhový zárez vyrezaný do základne ohybu. Tento zárez izoluje ohnutý materiál od neohnutý, čím sa zabraňuje trhaní a deformácii. Hĺbka reliéfu by mala zvyčajne presiahnuť polomer záhybu + hrúbku materiálu.

Tolerancia voči skutočnosti a náklady

Tolerančná prísnosť je najväčším faktorom nákladov na lisovanie. Zatiaľ čo moderné presné lisovanie môže dosiahnuť tolerancie tak tesné ako ± 0,001 palca, vyžadovanie tohto v celej časti je zbytočné a drahé. Pri užších toleranciách je potrebné presnejšie komponenty (rezanie drôtom EDM), častšiu údržbu (ostrihanie) a pomalšie tlačové rýchlosti.

• Blokové tolerancie: V prípade nekritických prvkov (napr. otvory, otvory na vzduch) sa opierajú o štandardné tolerancie bloku (obvykle ±0,005" až ±0,010").
• Rozmerovanie funkcií: Kritické rozmery uvádzajte medzi sebou, nie od okraja súčiastky. Okraj je často vytvorený strihaním, ktoré z princípu má vyššiu premennosť ako priepichnutá diera. Rozmery typu diera–diera udržiavajú tesnejší reťazec tolerancií tam, kde to naozaj záleží.
• Iba kritické prvky: Použite GD&T (geometrické tolerancie tvaru a polohy) len tam, kde je to nevyhnutne potrebné pre montáž. Ak sa uhol flangy zprieži z ±1° na ±0,5°, môže lisár musieť pridať do nástroja ďalšiu stanicu na opätovné pretlačenie za účelom kontroly odrážania materiálu, čo zvýši náklady na nástroj.

Bežné chyby a ich prevencia (kontrolný zoznam DFM)

Inžinieri môžu predvídať a navrhnúť odstránenie bežných režimov porúch spustením rýchleho kontrolného zoznamu DFM pred finálnym uzatvorením CAD modelu.

• Hrany: Všetky lísované hrany majú otok na strane zlomu. Uistite sa, že váš výkres určuje „Smer otoku“, aby ostré hrany neboli na povrchu, ktorý sa dotýka používateľa. Štandardná povolená výška otoku je 10 % hrúbky materiálu.
• Návratnosť: Elastická obnova po ohýbaní spôsobuje otváranie uhla. Zatiaľ čo lisovacia forma kompenzuje tento jav, použitie konzistentných materiálových tried (napr. špecifická vysokopevnosťová oceľ s nízkym obsahom zliatin) pomáha udržať konzistentnosť. Vyhnite sa zmene dodávateľa materiálu počas výroby, aby ste predišli odchýlkam.
• Oil Canning: Veľké, rovinné, nepodopreté plochy tenkého kovu majú tendenciu vybočiť alebo „prasknúť“ ako olejová plechovka. Pridaním žebrov, vytlačenín alebo schodovitých prvkov zosilníte súčasť bez pridania hmotnosti a týmto zamedzíte tejto chybe.

Inžinierstvo pre efektívnosť

Ovládanie návrhu pre výrobnosť pri kovovom lisovaní nie je o obmedzení pôvodného návrhu, ale o jeho prispôsobení reálnym podmienkam. Respektovaním fyzikálnych zákonov procesu lisovania – dodržaním minimálnych pomerov, výberom správnej stratégie smeru zrna materiálu a rozumným používaním tolerancií – môžu inžinieri znížiť náklady a zabezpečiť dlhodobú stabilitu výroby. Súčasť optimalizovaná pre lis je súčasť optimalizovaná pre zisk, kvalitu a rýchlosť.

Často kladené otázky

1. Aká je minimálna veľkosť otvoru pri kovovom väzbení?

Ako všeobecné pravidlo by priemer vyrazovaného otvoru nemal byť menší ako hrúbka materiálu (1T). U vysoce pevných materiálov, ako je nehrdzavejúca oceľ, sa často odporúča pomer 1,5T alebo 2T, aby sa predišlo zlomeniu razníka. Ak sú potrebné menšie otvory, môžu byť nutné dodatočne vyvŕtané alebo obrábané.

2. Ako ovplyvňuje smer zrna materiálu ohýbanie?

Smer zrna kovu vzniká počas valcovacieho procesu plechu. Ohýbanie kolmo na zrno je pevnejšie a umožňuje tesnejšie polomery bez praskania. Ohýbanie rovnobežne so zrnami je slabšie a náchylnejšie k trhlinám na vonkajšom polomere. Kritické konštrukčné ohyby by mali byť vždy orientované cez zrno.

3. Aký je rozdiel medzi strihaním a vyražovaním?

V prípade, že sa výrobok vyrába z kovu, je potrebné použiť len jednu časť. Piercing (alebo perforácia) je operácia rezania vnútorných dier alebo tvarov; odstránený kus je šrot (slug). Oba sú rezacie operácie, ale slúžia rôznym účelom v sekvencii stanice.