Ključna načela konstrukcije za izdelovanje s kovanjem

POVZETEK

Oblikovanje dela za izdelovanje s kovanjem zahteva strateško načrtovanje njegove geometrije, da se olajša proces kovinskega kovanja. To vključuje skrbno nadzorovanje ključnih značilnosti, kot so ločilna ravnina, izvlečni nagibi, polmeri zaokrožitev in debelina sten, da se zagotovi gladko pretakanje materiala, preprečijo napake ter omogoči enostavno odstranitev dela iz orodja. Pravilno oblikovanje zmanjšuje stroške, zmanjšuje dodatno obdelavo in maksimalizira notranjo trdnost kovanega elementa.

Osnove oblikovanja za izdelovanje s kovanjem (DFM)

Oblikovanje za izdelavo kovanja (DFM) je specializirana inženirska praksa, usmerjena v optimizacijo oblike delov za proces kovanja. Glavni cilj je ustvariti komponente, ki so ne le funkcionalne, temveč tudi učinkovite in cenovno ugodne za proizvodnjo. Z upoštevanjem omejitev in zmogljivosti kovanja že od začetka lahko inženirji znatno zmanjšajo stroške proizvodnje, izboljšajo kakovost končnega dela in zmanjšajo potrebo po obsežnih sekundarnih operacijah, kot je obdelava z odstranjevanjem materiala. Kot podrobno opisujejo strokovnjaki, kovanje poravnava tok zrn v kovini s formo dela, kar izboljša mehanske lastnosti, kot sta odpornost proti utrujanju in udarni žilavosti. Ta postopek daje komponente z večjo trdnostjo in vzdržljivostjo v primerjavi s litjem ali obdelavo z odstranjevanjem materiala .

Osnovni cilji DFM pri kovanju vključujejo:

• Zmanjševanje zapletenosti: Preproste, simetrične oblike je lažje kovati, zahtevajo manj zapleteno orodje in povzročajo manj napak.
• Z zagotavljanjem toka materiala: Oblikovanje mora omogočiti gladko pretakanje kovine in popolno zapolnitev votline kalupa, ne da bi pri tem prišlo do praznin ali prekrivanja.
• Standardizacija komponent: Kjer je mogoče, uporaba standardnih mer in značilnosti zmanjša stroške orodij in čas proizvodnje.
• Zmanjševanje odpadkov: Optimizacija začetne velikosti billete in geometrije dela zmanjša odpad materiala, še posebej t.i. 'blat' (preplav), ki se odstrani po kovanju.

Neupoštevanje teh načel lahko povzroči pomembne težave. Slabe konstrukcijske odločitve lahko povzročijo proizvodne napake, povečano obrabo orodij, večji odpadek materiala in končno šibkejši ter dražji končni izdelek. Za podjetja v zahtevnih panogah, kot sta avtomobilska in letalska, je sodelovanje s strokovnim proizvajalcem ključno. Na primer, specializirana podjetja za vroče kovanje v avtomobilski industriji, kot je Shaoyi Metal Technology , uporabljajo svoje strokovno znanje pri izdelavi kalupov in proizvodnih procesih, da zagotovijo optimalno oblikovanje izdelkov glede na zmogljivost in učinkovitost, od prototipiranja do serijske proizvodnje.

Osnovna geometrijska upoštevanja 1: Ločna ravnina in naklonski koti

Med najpomembnejše elemente pri oblikovanju kovanja spadajo ločna ravnina in naklonski koti. Ti elementi neposredno vplivajo na zapletenost orodja, tok materiala ter enostavnost odstranitve končnega izdelka iz orodja. Dobro načrtovan pristop k tem vidikom je osnova uspešnega in učinkovitega postopka kovanja.

Ločna ravnina

Ločna ravnina je površina, kjer se stikata dve polovici orodja za kovanje. Njena lega je pomembna odločitev v procesu oblikovanja in mora biti jasno označena na vsakem risbu kovanca. Po želji bi morala ležati v eni sami ravnini in biti postavljena okoli največjega projiciranega preseka dela. To pomaga zagotoviti uravnotežen tok materiala in zmanjša sile, potrebne za kovanje komponente. Glede na smernice s strani Engineers Edge , pravilno postavljena ločna črta pomaga tudi nadzorovati smer pretoka zrna in preprečuje podrezane ploskve, ki bi onemogočile izmet delovanja iz orodja.

Izhlebni koti

Nagibni koti so majhni poševni premiki, ki se uporabljajo na vseh navpičnih površinah kovanca, vzporednih s smerjo gibanja orodja. Njihova glavna naloga je omogočiti enostavno odstranitev dela iz orodja po oblikovanju. Brez ustrezne nagiba se del lahko zatakne, kar lahko povzroči poškodbe komponente in dragocenega orodja. Potreben nagibni kot je odvisen od zapletenosti dela in materiala, ki se kuje, vendar tipični nagibni koti za jeklene odlitke segajo od 3 do 7 stopinj . Nezadosten nagib lahko povzroči napake, poveča obrabo orodja in upočasni proizvodni cikel.

Osnovna geometrijska upoštevanja 2: rebra, mreže in polmeri

Poleg splošne oblike je oblikovanje določenih elementov, kot so rebra, stene in polmeri vogalov ter zaokrožitev, ključno za izdelavo. Ti elementi morajo biti zasnovani tako, da omogočajo gladko tok materiala in preprečujejo pogoste napake pri kovanju, hkrati pa zagotavljajo strukturno celovitost končnega sestavnega dela.

Rebra in stene

Rebra so ozki, izbočeni elementi, ki se pogosto uporabljajo za povečanje trdnosti in togosti delov brez prekomerne dodatne mase. Stene so tanke površine materiala, ki povezujejo rebra in druge elemente. Pri načrtovanju je ključno upoštevati njihove razmere. Visoka in ozka rebra je težko popolnoma napolniti z materialom, kar lahko povzroči napake. Splošno pravilo pravi, da višina rebra ne bi smela presegati šestkratne debeline rebra. Poleg tega naj bo debelina rebra idealno enaka ali manjša od debeline stene, da se preprečijo težave pri obdelavi.

Polmeri vogalov in zaokrožitev

Eno najpomembnejših pravil pri oblikovanju kovanj je, da se izognete osterim notranjim in zunanjim vogalom. Ostri koti ovirajo pretok kovine, kar vodi do napak, kot so krogovi in hladne zapore, kjer se material zložita na sebi. Prav tako ustvarjajo koncentracije stresa tako v obroču kot v končnem delu, kar lahko zmanjša življenjsko dobo utrujenosti. Pomembno je, da uporabite velikodušno fileto (notranji) in vogalne (zunanje) radije. Ti zaobljeni robovi pomagajo, da se kovina gladko pretaka v vse dele votline, zagotavlja popolno polnjenje in enakomerneje razdeli napetost. To ne le izboljša trdnost dela, temveč tudi podaljša življenjsko dobo kovalnih obdelovanj, saj zmanjša obrabo in tveganje za razpoke.

Upravljanje pretoka materiala: debelina odseka in simetrija

Temeljna fizika kovačevanja vključuje prisilno pretok trdne kovine kot debele tekočine v želeno obliko. Zato je upravljanje tega pretoka materiala ključnega pomena za ustvarjanje deleža brez napak. Ključ do tega je ohranjanje dosledne debeline odseka in uporabo simetrije, kadar je le mogoče.

Nenadne spremembe debeline stene lahko povzročijo velike težave. Kovina bo vedno sledila poti najmanjšega upora, nenaden prehod iz debelega v tanek lahko omeji pretok, tako da se tanek prehod ne bo popolnoma napolnil. To lahko povzroči tudi toplotne gradiente med hlajenjem, kar vodi do deformacije ali razpoka. Idealna oblikovanje kovanje ohranja enotno debelino stene v celotnem delu. Če je spremembe neizogibne, jih je treba izvajati postopoma z gladkimi, ozki prehodmi. To zagotavlja, da je pritisk enakomerno razporejen in da se kovina enakomerno pretaka v vsa področja matrice.

Simetrija je še eno močno orodje za oblikovalca. Simetrični deli so po naravi lažji za kovanje, saj spodbujajo uravnotežen tok materiala in poenostavljajo konstrukcijo orodij. Sile so porazdeljene bolj enakomerno in del je manj nagnjen k deformaciji med kovanjem ter naknadnim hlajenjem. Kadar to dopušča namena uporabe, bo načrtovanje preprostih, simetričnih oblik skoraj vedno vodilo k bolj trdnemu, cenovno učinkovitejšemu proizvodnemu procesu in končnemu sestavnemu delu višje kakovosti.

Načrtovanje dodatne obdelave: dopusti za obdelavo in tolerance

Čeprav kovanje omogoča izdelavo delov, ki so zelo blizu končni obliki (t.i. near-net shape), je pogosto potrebna sekundarna obdelava z odstranjevanjem materiala, da se dosežejo tesne tolerance, določene površinske kakovosti ali značilnosti, ki jih ni mogoče kovati. Pomemben del načrtovanja za izdelovanje je že vnaprejšnje načrtovanje teh korakov dodatne obdelave.

»Dopust za obdelavo« je dodatni material, namerno dodan kovanemu delu na površinah, ki bodo kasneje obdelane. To zagotovi dovolj materiala za odstranitev, da se dosežejo končne, natančne mere. Tipičen dopust za obdelavo znaša približno 0,06 palca (1,5 mm) na vsako površino, vendar se lahko razlikuje glede na velikost in zapletenost dela. Oblikovalec mora upoštevati najslabše možne tolerance in nagibne kote pri določanju tega dopusta.

Tolerance pri kovanju so naravno bolj ohlapne kot pri natančnem obdelovanju. Določitev realnih toleranc za kovano del je ključna za upravljanje stroškov. Poskus, da bi ohranili nepotrebno tesne tolerance kovanja, lahko dramatično poveča stroške orodij in stopnjo zavrnitve. Namesto tega mora konstrukcija razlikovati med kritičnimi površinami, ki bodo obdelane, in necenimi površinami, ki lahko ostanejo v stanju po kovanju. Z jasnim sporočanjem teh zahtev na risbi lahko konstruktorji ustvarijo del, ki je hkrati funkcionalen in ekonomičen za proizvodnjo, s čimer zapolnijo vrzel med surovim kovanim delom in končnim komponentom.

Pogosta vprašanja

1. Kakšni so konstrukcijski vidiki kovanja?

Glavni vidiki oblike pri kovanju vključujejo izbiro primernega materiala, določitev geometrije dela za omogočanje toku kovine in podajanje ključnih značilnosti. Te vključujejo položaj ločitvene ravnine, ustrezne naklonske kote za izmet dela, dovolj velike zaokrožitve in polmere kotov za preprečevanje koncentracije napetosti ter ohranjanje enakomerne debeline stene. Poleg tega morajo načrtovalci predvideti dodatke za obdelavo s stroji in realne tolerance za operacije po kovanju.

2. Kako zasnujete del za proizvodnjo?

Oblikovanje dela za proizvodnjo (DFM) vključuje poenostavitev oblike, da se zmanjša zapletenost in strošek. Ključna načela vključujejo zmanjšanje skupnega števila delov, uporabo standardnih komponent, kadar je mogoče, oblikovanje večnamenskih delov in izbiro materialov, ki jih je enostavno obdelovati. Posebej pri kovanju to pomeni oblikovanje za enakomeren tok materiala, izogibanje ostrega vogalom in zmanjšanje potrebe po sekundarnih operacijah.

3. Kaj znači oblikovanje za izdelovanje?

Oblikovanje za izdelovanje (DFM) je značilno po proaktivnem pristopu, pri katerem se proces izdelovanja upošteva že v zgodnji fazi načrtovanja. Njegova osnovna načela vključujejo optimizacijo konstrukcije za enostavnejšo izdelavo, učinkovitost stroškov in kakovost. To pomeni osredotočenje na elemente, kot so izbira materiala, zmogljivosti procesa, standardizacija in zmanjšanje zapletenosti, da se zagotovi, da se končni izdelek lahko zanesljivo in učinkovito proizvede.