Design for Manufacturability Metallstans: Engineering Handbook

TL;DR

Design för tillverkbarhet (DFM) för metallstansning är den strategiska ingenjörspraxis som syftar till att optimera delgeometri så att den stämmer överens med stanspressens och verktygets fysikaliska möjligheter. Genom att designa delar som respekterar materialbegränsningar – istället för att arbeta emot dem – kan ingenjörer minska verktygskostnader med upp till 50 %, förkorta ledtider och eliminera vanliga defekter som sprickbildning eller återfjädring.

Kärnan i stans-DFM bygger på att följa beprövade "gyllene regler" för geometri. Viktiga förhållanden inkluderar att säkerställa att håldiameter är minst lika stor som materialtjocklek (1T) , upprätthålla en minsta böjradie på 1T för att förhindra brott, och hålla detaljer på ett avstånd från böjområden enligt faktorn 1,5T + Radie . Att anta dessa begränsningar tidigt i CAD-fasen är det mest effektiva sättet att säkerställa producibilitet.

Det tekniska affärsfallet: Varför DFM spelar roll inom stansning

Vid metallstämpling bestäms kostnaden för en del i stor utsträckning innan det första metallbladet någonsin beställes. Omkring 70% av en produkts slutliga produktionskostnad är inlåst under designfasen. "Over-the-wall" teknikdär konstruktioner lämnas till tillverkaren utan förhandskontraktresulterar ofta i komplexa verktygskrav som ökar kostnaderna exponentiellt. En del som är utformad utan DFM kan kräva en komplex progressiv formgivning med 20 stationer och dyra glidåtgärder, medan en DFM-optimerad version kan tillverkas med ett enklare 12-stationsverktyg.

Kollaborativ DFM fungerar som en bro mellan den ideala geometrin och den hårda verkligheten vid kallformning av stål. Den förskjuter fokus från "kan detta tillverkas?" till "kan detta tillverkas effektivt?" Genom att involvera en tillverkningspartner tidigt kan ingenjörer identifiera kostnadsdrivande faktorer, såsom strama toleranser som kräver precisions slipning eller detaljer som kräver sekundära avkantsningsoperationer. Till exempel kan att släppa på en icke-kritisk håltolerans från ±0,002" till ±0,005" avsevärt förlänga verktygslivet och minska styckpriset.

Detta är särskilt viktigt när man skalar upp från prototyp till produktion. En konstruktion som fungerar för laserbeskärning (låg volym) misslyckas ofta i en stanspress (hög volym) på grund av olika belastningsfaktorer. Partners som Shaoyi Metal Technology specialiserar sig på att överbrygga denna klyfta genom att erbjuda teknisk support som säkerställer att designerna, validerade under prototyperingen, är tillräckligt robusta för höghastighets-, storskaliga stanslinjer. Att utnyttja sådan expertis i ett tidigt skede förhindar den kostsamma "verktygsomdesignloopen" som drabbar många produktlanseringar.

Materialval och strategi för kornriktning

Materialval i stansning är en avvägning mellan funktion, formbarhet och kostnad. Även om funktionen styr baslegering (till exempel rostfritt stål 304 för korrosionsmotstånd eller aluminium 5052 för lägre vikt), är det den specifika humör och fasriktning styr tillverkbarheten. Hårdare material erbjuder högre brottgräns men är mer benägna att spricka vid komplexa forms operations.

Den kritiska rollen av kornriktning

Plåt tillverkas genom valsning, vilket förlänger metallens kornstruktur i valsriktningen. Denna anisotropi innebär att materialet beter sig olika beroende på hur det formas i förhållande till kornet:

• Böjning vinkelrätt (tvärs) kornet: Den starkaste riktningen. Materialet kan tåla mindre krökningsradier utan att spricka eftersom kornstrukturen viks istället för att dras isär.
• Böjning parallellt (med) kornet: Den svagaste riktningen. Kornen delas lätt, vilket leder till brott på den yttre radien, särskilt vid hårdare legeringar som 6061-T6 aluminium eller stål med hög kolhalt.

Ingenjörer måste ange kornriktning på ritningen om tighta böjningar krävs. Om geometrin kräver böjningar i flera riktningar används ofta en orientering i 45 graders vinkel i förhållande till kornet som kompromiss för att balansera hållfasthet och formbarhet över alla detaljer.

Riktlinjer för kritisk geometri: Hål, spår och infästningsdelar

Fysiken i samband mellan punsch och dies ställer stränga matematiska gränser för skurna detaljer. Att bryta mot dessa förhållanden skapar svaga diedelar som går sönder i förtid, vilket leder till stopp och underhållskostnader. Tabellen nedan sammanfattar vedertagna "regler i tummen" för standardstansoperationer.

Avstånd mellan hål och böj: Ett av de vanligaste felen är att placera ett hål för nära en böj. När metallen sträcks runt radien kommer alla detaljer i "deformationszonen" att förvrängas. Om en design kräver ett hål nära en böj måste stansaren slå det efter efter böjning (lägga till en station/kostnad) eller använda ett specialiserat avlastningsklipp. En standardformel för att säkerställa att ett hål förblir cirkelformat är att placera dess kant minst 1,5 gånger materialtjockleken plus böjradien från böjtangenten.

Regler för böjning och formskapande: Radien, vingar och avlastningar

Böjning handlar inte bara om vikning; det är en kontrollerad plastisk deformation. För att uppnå konsekventa böjar utan fel måste tre parametrar kontrolleras: minsta böjradie, vinglängd och böjavlastning.

Minsta böjningsradie

Skarpa inre hörn är fienden till stansade delar. En radie på noll (skarpt hörn) skapar en spänningsskoncentrationspunkt som oundvikligen leder till sprickbildning. För de flesta sega metaller som kallvalsat stål (CRS) eller mjukt aluminium bör Minsta inre böjradie vara ≥ 1T . Hårdare material, såsom rostfritt stål, kräver ofta ≥ 2T eller mer. Att designa med generösa radier förlänger verktygslivslängden och minskar risken för delbrott.

Minsta viklängd

För att böja en fläns exakt måste materialet förbli i kontakt med geväret under hela formsättningsprocessen. Om en fläns är för kort kommer den att glida ner i V-gevärets öppning innan böjningen är klar, vilket resulterar i en förvrängd, icke-parallell kant. En standardregel är att Flänslängden måste vara minst 3 till 4 gånger materialets tjocklek . Om en kortare fläns krävs kan stansaren behöva forma en längre fläns och sedan beskära den i en efterföljande operation, vilket ökar delkostnaden.

Böjningsentlastningar

När en böj inte sträcker sig över hela bredden av en del kommer materialet vid ändarna av böjlinjen att spricka om inte en "Böjrelief" läggs till. En relief är en liten rektangulär eller halvcirkelformad urtagning som skärs in i foten av flansen. Denna urtagning isolerar det böjda materialet från det oböjda materialet och förhindrar sprickbildning och deformation. Reliefens djup bör normalt överstiga böjradien plus materialtjockleken.

Toleransering för verklighet kontra kostnad

Strängheten i toleranser är den enskilt största faktorn som påverkar kostnaden för stansverktyg. Även om modern precisionssstansning kan uppnå toleranser så tajta som ±0,001 tum, är det onödigt och dyrt att kräva detta över hela delen. Tätnare toleranser kräver mer exakta verktygsdelar (sågade med tråd-EDM), oftare underhåll (slipning) och långsammare presshastigheter.

• Blocktoleranser: För icke-kritiska detaljer (t.ex. passagehål, luftventiler) ska standardblocktoleranser användas (vanligen ±0,005" till ±0,010").
• Dimensionering mellan detaljer: Dimensionera kritiska egenskaper i förhållande till varandra snarare än från delens kant. Kanten produceras ofta genom en beskärningsoperation som per definition har större variation än ett uppskjutet hål. Att dimensionera hål-till-hål håller toleranskedjan tätare där det är viktigt.
• Endast kritiska egenskaper: Använd GD&T (geometriska dimensioner och toleranser) endast där det är absolut nödvändigt för monteringen. Om en flänsvinkelns tolerans förtas från ±1° till ±0,5° kan stansaren behöva lägga till en återstansstation i verktyget för att kontrollera återfjädring, vilket ökar investeringen i verktyg.

Vanliga defekter och förebyggande (DFM-checklistan)

Ingenjörer kan förutse och utforma vanliga felmoder genom att snabbt gå igenom en DFM-checklista innan CAD-modellen färdigställs.

• Flikar: Alla stansade kanter har spån på "brytsidan". Se till att din ritning anger "Spåns riktning" så att skarpa kanter inte hamnar på ytor som användaren ska hantera. En standardmässigt acceptabel spånhöjd är 10 % av materialtjockleken.
• Återfjädring: Elastisk återhämtning efter böjning orsakar att vinkeln öppnas. Även om stansaren kompenserar för detta i verktyget, hjälper användandet av konsekventa materialklasser (t.ex. specifik höghållfast låglegerad stål) till att bibehålla konsistens. Undvik att byta materialleverantör mitt i produktionen för att förhindra variation.
• Oljekanna-effekt: Stora, platta, osupporstödda ytor av tunt metall tenderar att buckla eller "poppa" som en oljekanna. Att lägga till förstyvningar, präglingar eller steg gör delen stelfastare utan att öka vikten, vilket förhindrar detta fel.

Konstruktion för effektivitet

Att behärska design för tillverkbarhet inom metallstansning handlar inte om att kompromissa med designintentionen; det handlar om att förfina den för verkligheten. Genom att respektera stansprocessens fysik—hålla sig till minsta förhållanden, välja rätt kornstrategi för materialet och tillämpa toleranser med omtanke—kan ingenjörer sänka kostnader och säkerställa långsiktig produktionsstabilitet. En del som är optimerad för pressen är en del som är optimerad för vinst, kvalitet och hastighet.

Vanliga frågor

1. Vad är den minsta hålstorlek för metallstansning?

Som en allmän regel bör diamanten på ett upphällt hål inte vara mindre än materialtjockleken (1T). För höghållfasta material som rostfritt stål rekommenderas ofta en kvot på 1,5T eller 2T för att förhindra brott av stansen. Om mindre hål krävs kan de behöva borras eller bearbetas i en sekundär operation.

2. Hur påverkar materialets kornriktning böjning?

Metallens kornriktning skapas under plåtens rullningsprocess. Att böja vinkelrätt mot (tvärs över) kornet är starkare och tillåter tätare radiier utan sprickbildning. Att böja parallellt med kornet är svagare och mer benäget att spricka på den yttre radien. Kritiska strukturella böjningar bör alltid orienteras tvärs över kornet.

3. Vad är skillnaden mellan blankning och piercning?

Blankning är en operation där den yttre formen av delen skärs ut från metallbandet; den borttagna delen är den användbara delen. Genomborrning (eller punsning) är en operation där inre hål eller former skärs ut; den borttagna delen är skräp (slug). Båda är skärningsoperationer men har olika syften i verktygsstationens sekvens.