Kľúčové princípy návrhu pre výrobnosť pri kovaní

ZKRATKA

Navrhovanie súčiastky s ohľadom na výrobnú prispôsobiteľnosť kovaním vyžaduje strategické plánovanie jej geometrie za účelom uľahčenia procesu kovania. Zahŕňa to starostlivú kontrolu kľúčových prvkov, ako je rozdeľovacia rovina, sklonové uhly, polomery zaoblení a hrúbka stien, aby sa zabezpečil hladký tok materiálu, predišlo sa chybám a umožnilo sa jednoduché vybratie súčiastky z formy. Správny dizajn minimalizuje náklady, zníži dodatočné spracovanie a maximalizuje vlastnú pevnosť kovaného dielu.

Základy dizajnu z hľadiska výrobkovej prispôsobiteľnosti pri kovaní (DFM)

Navrhovanie pre výrobnosť kovaním (DFM) je špecializovaná inžinierska prax zameraná na optimalizáciu konštrukcie súčiastky pre proces kovania. Hlavným cieľom je vytvoriť komponenty, ktoré nie sú len funkčné, ale aj efektívne a nákladovo výhodné pri výrobe. Zohľadnením obmedzení a možností kovania od samého začiatku môžu inžinieri výrazne znížiť výrobné náklady, zlepšiť kvalitu konečnej súčiastky a minimalizovať potrebu rozsiahlych sekundárnych operácií, ako je obrábanie. Ako podrobne uvádzajú odborníci, kovanie zarovnáva tok kovových zŕn do tvaru súčiastky, čo zvyšuje mechanické vlastnosti, ako je odolnosť voči únave materiálu a rázovej húževnatosti. Tento proces vytvára komponenty s vyššou pevnosťou a trvanlivosťou v porovnaní s liatím alebo obrábaním .

Základné ciele DFM pre kovanie zahŕňajú:

• Znižovanie zložitosti: Jednoduché, symetrické tvary sa dajú jednoduchšie kovať, vyžadujú menej zložité nástroje a vedú k menšiemu počtu chýb.
• Zabezpečenie toku materiálu: Návrh musí umožniť kovu hladký tok a úplné zaplnenie dutiny formy bez vytvárania prázdnych miest alebo prehnutí.
• Štandardizácia komponentov: Využitie štandardných rozmerov a prvkov, pokiaľ je to možné, môže znížiť náklady na tvárnicu a dobu výroby.
• Minimalizácia odpadu: Optimalizácia počiatočnej veľkosti polotovaru a geometrie dielu znižuje materiálový odpad, najmä tzv. 'liatinu', ktorá sa odstraňuje po kovaní.

Ignorovanie týchto princípov môže viesť k významným problémom. Zlé konštrukčné rozhodnutia môžu mať za následok výrobné chyby, zvýšené opotrebenie nástrojov, vyšší odpad materiálu a nakoniec slabší a drahší finálny výrobok. Pre spoločnosti v náročných odvetviach, ako je automobilový priemysel a letecký priemysel, je nevyhnutné spolupracovať s odborným výrobcom. Napríklad odborníci na horúce kovanie v automobilovom priemysle, ako napríklad Shaoyi Metal Technology , využívajú svoje know-how v oblasti výroby foriem a výrobných procesov, aby zabezpečili optimalizáciu návrhov z hľadiska výkonu aj efektivity, a to od prototypov až po sériovú výrobu.

Základné geometrické zváženie 1: Rozdeľovacia rovina a kresové úhly

Medzi najdôležitejšie prvky pri návrhu kovaných dielov patria rozdeľovacia rovina a kresové úhly. Tieto vlastnosti priamo ovplyvňujú zložitosť foriem, tok materiálu a jednoduchosť vyberania hotového dielu z nástroja. Dôkladne premyslený prístup k týmto aspektom je základom úspešnej a efektívnej kováčskej operácie.

Rozdeľovacia rovina

Rozdeľovacia rovina je plocha, kde sa stretávajú dve polovice kovacej formy. Jej umiestnenie je kritickou rozhodovacou záležitosťou v procese návrhu a mala by byť jasne označená na každom výkrese kovaného dielu. Ideálne by rozdeľovacia rovina mala ležať v jednej rovine a mala by byť umiestnená okolo najväčšej priemetanej plochy dielu. To pomáha zabezpečiť vyvážený tok materiálu a minimalizuje sily potrebné na vykovanie súčiastky. Podľa odporúčaní od Engineers Edge , správne umiestnená rozdeľovacia čiara tiež pomáha riadiť smer toku zrna a zabraňuje vytváraniu podrezov, ktoré by znemožnili vysunutie dielu z formy.

Výkresové skosenia

Kozubové uhly sú malé skosenia aplikované na všetky zvislé plochy kovaného dielu, ktoré sú rovnobežné s pohybom formy. Ich hlavným účelom je uľahčiť jednoduché vybratie dielu z formy po jeho vytvarovaní. Bez dostatočného kozuba sa diel môže zaseknúť, čo môže spôsobiť poškodenie nielen samotnej súčasti, ale aj nákladnej formy. Požadovaný uhol kozuba závisí od zložitosti dielu a materiálu, ktorý sa kuje, ale typické kozubové uhly pri ocelových kovaninách sa pohybujú od 3 do 7 stupňov . Nedostatočný kozub môže spôsobiť chyby, zvyšovať opotrebovanie formy a spomaľovať výrobný cyklus.

Základné geometrické zváženie 2: Ribs, Webs a Radii

Okrem celkového tvaru je pri výrobe rozhodujúci aj dizajn konkrétnych prvkov, ako sú žebra, steny a polomery rohov a zaoblení. Tieto prvky je potrebné navrhnúť tak, aby zabezpečili hladký tok materiálu a predišli bežným chybám pri kovaní, a zároveň zaručili štrukturálnu pevnosť konečného dielu.

Žebra a steny

Žebra sú úzke, vystupujúce prvky, ktoré sa často používajú na zvýšenie pevnosti a tuhosti dielu bez nadmerného zvyšovania hmotnosti. Steny sú tenké časti materiálu, ktoré spájajú žebra a iné prvky. Pri návrhu týchto prvkov je nevyhnutné dodržiavať ich správne proporcie. Vysoké, úzke žebra môžu byť ťažko zaplniteľné materiálom, čo môže viesť k vzniku chýb. Všeobecným odporúčaním je, aby výška žebra nepresahovala šesťnásobok jeho hrúbky. Navyše by mala byť hrúbka žebra rovná alebo menšia ako hrúbka steny, aby sa predišlo problémom pri spracovaní.

Polomery rohov a zaoblení

Jedným z najdôležitejších pravidiel pri návrhu kovaných dielov je vyhýbanie sa ostrým vnútorným a vonkajším rohom. Ostré rohy bránia toku kovu, čo môže viesť k chybám, ako sú prekrytia alebo studené závesy, kde sa materiál prehýba sám do seba. Taktiež vytvárajú koncentrácie napätia v diele aj v konečnom produkte, čo môže skrátiť únavovú životnosť. Je nevyhnutné používať dostatočne veľké polomery zaoblenia (vnútorné) a rohov (vonkajšie). Tieto zaoblené hrany pomáhajú hladkému toku kovu do všetkých častí dutiny formy, zabezpečujú jej úplné zaplnenie a rovnomernejšie rozloženie napätia. To nielen zvyšuje pevnosť dielu, ale tiež predlžuje životnosť kovacích nástrojov znížením opotrebenia a rizika praskania.

Riadenie toku materiálu: hrúbka prierezu a symetria

Základná fyzika kovania spočíva v tom, že pevný kov je nútený prúdiť ako hustá tekutina do požadovaného tvaru. Preto je riadenie tohto toku materiálu rozhodujúce pre vytvorenie bezchybného dielu. Kľúčové je zachovanie konzistentnej hrúbky prierezu a využitie symetrie, kde len je možné.

Náhle zmeny hrúbky steny môžu spôsobiť významné problémy. Kov bude vždy sledovať cestu najmenšieho odporu a náhlý prechod z hrubej na tenkú časť môže obmedziť tok, čo bráni úplnému zaplneniu tenkej časti. To môže tiež vytvoriť tepelné gradienty počas chladenia, čo vedie k skresleniu alebo prasklinám. Ideálny návrh kovaného dielu zachováva rovnomernú hrúbku steny po celom diele. Ak sú zmeny nevyhnutné, mali by sa vykonávať postupne, so zladenými, pozvoľne sa zužujúcimi prechodmi. Tým sa zabezpečí rovnomerné rozloženie tlaku a kov rovnomerne prúdi do všetkých oblastí formy.

Symetria je ďalším výkonným nástrojom pre konštruktéra. Symetrické diely sú zásadne jednoduchšie kované, pretože podporujú vyvážený tok materiálu a zjednodušujú návrh nástrojov. Sily sú rozložené rovnomernejšie a diel je menej náchylný na deformácie počas kovania a následného chladnutia. Kedykoľvek to aplikácia umožňuje, navrhovanie jednoduchých, symetrických tvarov takmer vždy vedie k robustnejšiemu, cenovo efektívnejšiemu výrobnému procesu a kvalitnejšiemu konečnému komponentu.

Plánovanie dodatočnej úpravy: prídavky na obrábanie a tolerancie

Hoci kovanie dokáže vyrábať diely, ktoré sú veľmi blízke svojmu konečnému tvaru (takmer hotový tvar), často je potrebné sekundárne obrábanie, aby boli dosiahnuté tesné tolerancie, špecifické povrchové úpravy alebo prvky, ktoré nie je možné kovať. Dôležitou súčasťou návrhu z hľadiska výrobnej vhodnosti je plánovanie týchto dodatočných úprav od samého začiatku.

„Obrábací prídavok“ je dodatočný materiál zámerné pridaný k kovanému dielu na plochách, ktoré budú neskôr obrábané. Tým sa zabezpečí dostatočný materiálový prídavok na odstránenie, aby boli dosiahnuté konečné presné rozmery. Typický obrábací prídavok môže byť približne 0,06 palca (1,5 mm) na každú plochu, avšak táto hodnota sa môže meniť v závislosti od veľkosti a zložitosti dielu. Pri určovaní tohto prídavku musí konštruktér zohľadniť najhorší prípad sčítania tolerancií a sklonové uhly.

Tolerance pri kovaní sú prirodzene voľnejšie ako pri presnom obrábaní. Nastavenie realistických tolerancií pre predkovaný diel je kľúčové pre riadenie nákladov. Pokus o dosiahnutie zbytočne tesných tolerancií pri kovaní môže výrazne zvýšiť náklady na náradie a mieru odmietania výrobkov. Namiesto toho by mal dizajn jasne rozlišovať medzi kritickými plochami, ktoré budú následne obrábané, a nekritickými plochami, ktoré môžu zostať v stave po kovaní. Jasnou komunikáciou týchto požiadaviek na výkrese môžu konštruktéri vytvoriť diel, ktorý je zároveň funkčný a ekonomický na výrobu, čím sa prekoná priepasť medzi surovým kovaním a hotovým komponentom.

Často kladené otázky

1. Aké sú konštrukčné aspekty pri kovaní?

Hlavné návrhové aspekty pri kovaní zahŕňajú výber vhodného materiálu, definovanie geometrie dielu na usmernenie toku kovu a špecifikáciu kľúčových prvkov. Medzi ne patrí poloha rozdelenia formy, dostatočné vyklonovacie uhly pre vysunutie dielu, široké rádiusy zaoblení a rohov na zníženie koncentrácie napätia a udržanie rovnomernej hrúbky stien. Okrem toho musia konštruktéri plánovať rezervy na obrábanie a realistické tolerancie pre operácie po kovaní.

2. Ako navrhujete súčiastku na výrobu?

Návrh súčiastky na výrobu, teda DFM, zahŕňa zjednodušenie konštrukcie za účelom zníženia zložitosti a nákladov. Kľúčové princípy zahŕňajú zníženie celkového počtu súčiastok, používanie štandardných komponentov, ak je to možné, navrhovanie viacfunkčných súčiastok a výber materiálov, ktoré sa ľahko spracúvajú. Konkrétne pri kovaní to znamená navrhovanie pre rovnomerný tok materiálu, vyhýbanie sa ostrým rohom a minimalizáciu potreby sekundárnych operácií.

3. Čo charakterizuje dizajn z hľadiska výrobkovej prispôsobiteľnosti?

Dizajn z hľadiska výrobkovej prispôsobiteľnosti (DFM) je charakterizovaný proaktívnym prístupom, pri ktorom sa proces výroby berie do úvahy už v ranom štádiu návrhu. Jeho základné princípy zahŕňajú optimalizáciu konštrukcie z hľadiska jednoduchosti výroby, hospodárnosti a kvality. To znamená sústrediť sa na prvky, ako je výber materiálu, výrobné možnosti, štandardizácia a minimalizácia zložitosti, aby sa zabezpečilo spoľahlivé a efektívne výrobné procesy konečného produktu.