Konstruiranje za izdelavo kovinskih delov s ploskanjem: Inženirska priročnik

POVZETEK

Oblikovanje za izdelavo (DFM) pri kovinskem žiganju je strategična inženirska praksa optimizacije geometrije delov, da se uskladi z fiziko žig presa in zmogljivostmi orodij. Z oblikovanjem delov, ki upoštevajo omejitve materiala – namesto da bi se jim upirali – lahko inženirji zmanjšajo stroške orodij do 50 %, pospešijo dobavne roke in odpravijo pogoste napake, kot so razpoke ali povratno upogibanje.

Osnova DFM pri žiganju temelji na upoštevanju preizkušenih »zlatih pravil« geometrije. Ključni razmerji vključujeta zagotavljanje, da premeri lukenj znašajo najmanj debelino materiala (1T) , ohranjanje minimalnega upogibnega polmera 1T za preprečevanje lomov in ohranjanje razdalje med elementi in območji upogibanja za faktor 1,5T + polmer . Sprejetje teh omejitev že v fazi CAD je najučinkovitejši način zagotavljanja izvedljivosti proizvodnje.

Poslovni inženirski primer: Zakaj je DFM pomemben pri žiganju

Pri kovinskih žiganjih je cena sestavine v veliki meri določena že preden se naroči prvi list kovine. Približno 70 % končne proizvodne cene se zaklene že v fazi načrtovanja. Inženiring »prek stene« – ko se zasnovi izdelavo proizvajalcu brez predhodnega posvetovanja – pogosto povzroči zapletene zahteve orodij, ki stroške eksponentno povečajo. Sestavina, ki ni zasnovana po načelih DFM-ja, bi lahko zahtevala zapleteno progresivno matrico s 20 postajami in dragimi drsnimi deli, medtem ko bi jo bilo mogoče pri DFM-optimalni različici izdelati s preprostejšim orodjem s 12 postajami.

Sodelovalni DFM služi kot most med idealno geometrijo in surovo resničnostjo jekla za hladno oblikovanje. Osredotočenje se premakne od "ali je to mogoče?" na "ali je to mogoče narediti učinkovito?" Če se zgodaj povežejo s proizvajalcem, lahko inženirji prepoznajo dejavnike, ki vplivajo na stroške, kot so tesne tolerance, ki zahtevajo natančno brušenje, ali značilnosti, ki zahtevajo sekundarne postopke razbrusanja. Na primer, sproščanje tolerance nekritičnih lukenj z ± 0,002 "na ± 0,005" lahko bistveno podaljša življenjsko dobo orodja in zmanjša ceno dela.

To je še posebej pomembno pri povečanju velikosti od prototipa do proizvodnje. Projekt, ki deluje za lasersko rezanje (majhna prostornina), pogosto ne uspe v tiskalniku za žigovanje (visoka prostornina) zaradi različnih stresnih dejavnikov. Partnerji, kot so Shaoyi Metal Technology specializirani za premagovanje te vrzeli, ki nudi inženirsko podporo, ki zagotavlja, da so zasnove, potrjene v fazi izdelave prototipov, dovolj robustne za hitre, velike količine črpalk za stampiranje. Če se takšno znanje vnaprej izkoristi, se prepreči drago "obtok ponovne zasnove orodja", ki je prizadela številne uvedbe izdelkov.

Izbira materiala in usmeritev zrna

Izbira materiala pri žigovanju je kompromis med funkcijo, oblikljivostjo in stroški. Medtem ko funkcionalnost določa osnovno zlitino (npr. nerjaveče jeklo 304 za odpornost na korozijo ali aluminij 5052 za težo), specifična temperatura in smer zrna narekuje proizvodljivost. Trdji materiali imajo večjo trdnost, vendar so bolj nagnjeni k razpokanju med zapleteni postopki oblikovanja.

Pomembna vloga usmerjanja žit

Listo kovine se proizvaja z valjanjem, ki podaljša strukturo zrn kovine v smeri valjanja. Ta anizotropnost pomeni, da se material obnaša drugače glede na to, kako je oblikovan glede na zrno:

• Sklop v pravokotnem smeri (na križ) zrna: Najmočnejša usmerjenost. Material lahko prenese manjše krivinske polmere brez razpok, ker se struktura zrna prepogiba namesto da bi se raztrgala.
• Upogibanje vzporedno (v smeri) z zrnom: Najšibkejša usmerjenost. Zrna se enostavno ločijo, kar povzroči lomljenje na zunanjem polmeru, še posebej pri trših zlitinah, kot je aluminij 6061-T6 ali visokoogljična jekla.

Inženirji morajo na risbi natančno določiti smer zrna, če so potrebni tesni upogi. Če geometrija dela zahteva upoge v več smerih, se pogosto uporabi usmeritev pod kotom 45 stopinj glede na smer zrna, kar predstavlja kompromis za uravnoteženje trdnosti in oblikovalnosti po vseh karakteristikah.

Smernice za kritične geometrije: odprtine, žlebovi in rebra

Fizika med ploščo in orodjem postavlja stroge matematične omejitve za izrezane elemente. Kršitev teh razmerij ustvari šibke dele orodja, ki se hitro poškodujejo, kar povzroči prostoj in stroške vzdrževanja. Spodnja tabela povzema splošno sprejete »pravila palca« za standardne operacije žiganja.

Razdalja med luknjo in upogibom: Ena najpogostejših napak je postavitev luknje preblizu upogibu. Ko se kovina razteza okoli krivinskega radija, se vsaka značilnost v »conji deformacije« izkrivi. Če načrtovanje natančno zahteva luknjo blizu upogiba, mora stiskalnik luknjo izbušiti po pred upogibanjem (dodajanje postaje/stroški) ali uporabiti specializirano kompenzacijsko rezino. Standardna formula, da ostane luknja okrogla, je, da se njeno robo postavi vsaj 1,5-krat toliko kot debelina materiala plus upogibni radij stran od tangentne črte upogiba.

Pravila za upogibanje in oblikovanje: Radiji, flanci in kompenzacijski rezi

Upogibanje ni le prepogibanje; gre za nadzorovano plastično deformacijo. Za dosledna upogibanja brez okvar je treba nadzorovati tri parametre: najmanjši upogibni radij, dolžino flanca in upogibni kompenzacijski rez.

Minimalni radij upogiba

Ostri notranji koti so sovražniki kovinskih delov iz žigu. Polmer nič (ostr kót) ustvari točko koncentracije napetosti, ki neizogibno vodi do razpok. Za večino duktilnih kovin, kot sta valjana jekla (CRS) ali mehki aluminij, Najmanjši notranji upogibni polmer mora biti ≥ 1T . Trši materiali, kot je nerjaveče jeklo, pogosto zahtevajo ≥ 2T ali več. Oblikovanje z dovolj velikimi polmeri podaljša življenjsko dobo orodja in zmanjša tveganje okvare dela.

Najmanjša dolžina krila

Da se krilce natančno upogne, mora material ostati v stiku s kalupom med celotnim procesom oblikovanja. Če je krilce prekratek, bo pred zaključkom upogiba drsnil v odprtino V-kalupa, kar bo povzročilo deformiran, neparalelen rob. Standardno pravilo je, da Dolžina krilca mora biti vsaj 3 do 4 krat debelina materiala . Če je potrebno krajše krilce, mora žigant morda oblikovati daljše krilce in ga kasneje odrezati v naslednjem postopku, kar poveča stroške izdelave.

Olajšave pri upogibanju

Ko se ukrivljanje ne razteza čez celotno širino dela, bo material na koncih črte ukrivljanja počen, razen če se doda »odpravo ukrivljanja«. Odprava je majhen pravokoten ali polkrožni zareze, izrezan v podnožju krilca. Ta zareza loči upognjeni material od nepogrnjenega materiala in preprečuje počenje in deformacijo. Globina odprave naj bi običajno presegala polmer ukrivljanja + debelino materiala.

Dopusti za resničnost proti stroškom

Strogo dopuščanje je najpomembnejši dejavnik pri določanju stroškov žigosnih orodij. Čeprav sodobno natančno žigosanje doseže dopustne tolerance do ±0,001 palca, pa je zahtevanje takšne natančnosti po celotnem delu nepotrebno in dragoceno. Ožji dopusti zahtevajo natančnejše komponente orodij (rezane z žico EDM), pogostejšo vzdrževanje (brusenje) in počasnejše hitrosti stiskalke.

• Blok dopustov: Za necentralne lastnosti (npr. odprtine za prostor, prezračevalni otvori) uporabite standardne blok dopuste (običajno ±0,005" do ±0,010").
• Dimenzioniranje med lastnostmi Dimenzije kritičnih lastnosti glede druga na drugega, ne glede na rob dela. Rob je pogosto izdelan s postopkom obrezovanja, ki ima od same narave večjo variabilnost kot prebita luknja. Dimenzioniranje iz luknje v luknjo ohranja tesnejši nabor tolerance tam, kjer to šteje.
• Samo kritične lastnosti: Uporabite GD&T (geometrijsko dimenzioniranje in toleriranje) samo tam, kjer je to popolnoma nujno za sestavo. Če se toleranca kota flanca zoži z ±1° na ±0,5°, mora izdelovalec orodja morda dodati postaj za ponovni udarec v orodje, da bi nadziral povratni učinek upogiba, s čimer poveča vlaganje v orodja.

Pogoste napake in preprečevanje (kontrolni seznam DFM)

Inženirji lahko napovedujejo in zasnujejo odpravljanje pogostih oblik odpovedi tako, da pred dokončanjem CAD modela opravijo hitro preverjanje s kontrolnim seznamom DFM.

• Briši: Vsi žigosani robovi imajo ostružke na strani »zloma«. Zagotovite, da vaš risba določa »smer ostružka«, da ostre robove ne bo na površini, s katero uporabnik rokova. Standardna dovoljena višina ostružka je 10 % debeline materiala.
• Povračilo oblike: Elastična obnova po upogibanju povzroči odpiranje kota. Medtem ko žagalni orodjar to kompenzira v orodju, uporaba doslednih razredov materiala (npr. določeno visoko trdno nizko zlitino jeklo) pomaga ohraniti enakomernost. Spreminjanje dobaviteljev materiala sredi proizvodnje je treba izogibati, da se preprečijo razlike.
• Oil Canning: Velika, ravna, nepodprta območja tankega kovinskega lista imajo tendenco do izbočevanja ali »pocenja« kot oljna plošča. Dodajanje rebričkov, tiskanih vzorcev ali stopnic poveča togost dela brez dodajanja mase in preprečuje to napako.

Inženiring za učinkovitost

Obvladovanje načrtovanja za izdelavo pri kovinskih žaganjih ni v nasprotju z namenom oblikovanja; gre za njegovo popravljanje glede na realnost. Z upoštevanjem fizike postopka žaganja—upoštevanjem minimalnih razmerij, izbiro primernega strategije zrna materiala ter previdno uporabo dopustnih odstopanj—inženirji zmanjšujejo stroške in zagotavljajo dolgoročno stabilnost proizvodnje. Del, optimiziran za stiskalno napravo, je del, optimiziran za dobiček, kakovost in hitrost.

Pogosta vprašanja

1. Kako velika je najmanjša odprtina za kovanje kovin?

Splošno pravilo pravi, da mora biti premer izkovanega odprtine vsaj enak debelini materiala (1T). Pri visoko trdnih materialih, kot je nerjavno jeklo, se pogosto priporoča razmerje 1,5T ali 2T, da se prepreči lom kovka. Če so potrebne manjše odprtine, jih je morda treba izvrteti ali obdelati v dodatni operaciji.

2. Kako vpliva smer zrna materiala na upogibanje?

Smer zrna kovine nastane med valjanjem pločevine. Upogibanje pravokotno na zrno je tršje in omogoča ožje polmere brez razpok. Upogibanje vzporedno z zrnom je šibkejše in bolj nagnjeno k razpoke na zunanjem polmeru. Konstrukcijsko pomembni upogi naj bodo vedno usmerjeni prečno na zrno.

3. Kaka je razlika med izrezovanjem in izbijanjem?

Blankanje je operacija, pri kateri se izrezuje splošna zunanja oblika dela iz traku kovine; odstranjeni del je uporaben kos. Prebadanje (ali vrtanje) je operacija, pri kateri se izrezujejo notranje luknje ali oblike; odstranjeni del je odpadek (žig). Oba postopka sta rezalna, vendar imata različni nameni v zaporedju operacij orodne postaje.