การออกแบบเพื่อการผลิตชิ้นส่วนโลหะแบบสเตมป์: คู่มือวิศวกรรม

สรุปสั้นๆ

การออกแบบเพื่อการผลิต (DFM) สําหรับการตีพิมพ์โลหะคือการปฏิบัติวิศวกรรมยุทธศาสตร์ในการปรับปรุงรูปทรงของชิ้นส่วนเพื่อให้ตรงกับฟิสิกส์ของเครื่องตีพิมพ์และความสามารถของ die โดยการออกแบบชิ้นส่วนที่เคารพข้อจํากัดของวัสดุ มากกว่าการต่อสู้กับมัน วิศวกรสามารถลดต้นทุนเครื่องมือได้ถึง 50% เร่งเวลานํา และกําจัดอาการบกพร่องทั่วไป เช่น การแตกหรือการกลับสปริงแบ็ค

หลักของ DFM การตราฐานขึ้นอยู่กับการยึดถือ "กฎทอง" ที่พิสูจน์ได้ของกณิตศาสตร์ ค่าส่วนสําคัญรวมถึงการรับประกัน กว้างของรูอย่างน้อยเท่ากับความหนาของวัสดุ (1T) การรักษาความปลอดภัย รังสีโค้งขั้นต่ํา 1T เพื่อป้องกันการแตกหัก และการรักษาลักษณะออกจากเขตโค้งด้วยปัจจัยของ 1.5T + รังสี - ไม่ การใช้ข้อจํากัดเหล่านี้ตั้งแต่ช่วง CAD เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการรับประกันความเป็นไปได้ในการผลิต

กรณีธุรกิจวิศวกรรม: ทําไม DFM มีความสําคัญในการปะทุ

ในการขึ้นรูปโลหะ ต้นทุนของชิ้นส่วนถูกกำหนดไว้ส่วนใหญ่ก่อนที่จะมีการสั่งวัสดุแผ่นโลหะชิ้นแรก โดยประมาณ 70% ของต้นทุนการผลิตสุดท้ายของผลิตภัณฑ์จะถูกยึดตายตัวในช่วงขั้นตอนการออกแบบ การออกแบบแบบ "ขว้างข้ามกำแพง" (Over-the-wall engineering) — ซึ่งเป็นการส่งแบบไปให้ผู้ผลิตโดยไม่ปรึกษาก่อน — มักทำให้เกิดความต้องการแม่พิมพ์ที่ซับซ้อน ส่งผลให้ต้นทุนเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ ชิ้นส่วนที่ออกแบบโดยไม่คำนึงถึง DFM อาจต้องใช้แม่พิมพ์พรอเกรสซีฟที่ซับซ้อนถึง 20 สถานี และต้องใช้อุปกรณ์เลื่อนที่มีราคาแพง ในขณะที่เวอร์ชันที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมตามหลัก DFM อาจสามารถผลิตได้ด้วยแม่พิมพ์ที่เรียบง่ายกว่าเพียง 12 สถานี

การออกแบบเพื่อการผลิตร่วมกัน (Collaborative DFM) ทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมระหว่างรูปทรงเรขาคณิตในอุดมคติกับความเป็นจริงอันเข้มงวดของการขึ้นรูปเหล็กเย็น มันเปลี่ยนจุดเน้นจากคำถามว่า "ชิ้นส่วนนี้สามารถผลิตได้หรือไม่?" ไปเป็น "ชิ้นส่วนนี้สามารถผลิตได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่?" โดยการปรึกษาหารือกับพันธมิตรด้านการผลิตตั้งแต่ระยะเริ่มต้น วิศวกรสามารถระบุปัจจัยต้นทุน เช่น ขนาดความคลาดเคลื่อนที่แคบเกินไปซึ่งต้องใช้การเจียรอย่างแม่นยำ หรือลักษณะของชิ้นงานที่จำเป็นต้องผ่านกระบวนการลบคมหลังเพิ่มเติม ตัวอย่างเช่น การผ่อนปรนขนาดความคลาดเคลื่อนของรูที่ไม่ใช่ส่วนสำคัญ จาก ±0.002 นิ้ว เป็น ±0.005 นิ้ว สามารถยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือและลดต้นทุนต่อชิ้นส่วนได้อย่างมาก

สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อขยายการผลิตจากต้นแบบไปสู่การผลิตจำนวนมาก ออกแบบที่ใช้ได้ผลกับการตัดด้วยเลเซอร์ (ปริมาณน้อย) มักจะล้มเหลวเมื่อนำไปใช้กับเครื่องกดขึ้นรูป (ปริมาณมาก) เนื่องจากปัจจัยด้านแรงที่แตกต่างกัน พันธมิตรอย่าง เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ เป็นผู้เชี่ยวชาญในการบรรลุช่องว่างนี้ โดยให้การสนับสนุนด้านวิศวกรรม เพื่อให้แน่ใจว่าการออกแบบที่รับรองในช่วงการสร้างต้นแบบนั้นแข็งแรงพอสําหรับเส้นการตีพิมพ์ความเร็วสูงและขนาดใหญ่ การใช้ความเชี่ยวชาญในช่วงต้นๆ จะป้องกัน "วงจรการออกแบบใหม่ของเครื่องมือ" ที่มีค่าใช้จ่ายสูง ซึ่งเป็นปัญหาของการเปิดตัวสินค้าหลายรายการ

การเลือกวัสดุและกลยุทธ์การนําข้าว

การเลือกวัสดุในการตีพิมพ์คือการทุ่มเทระหว่างฟังก์ชัน, การปรับรูป, และราคา ขณะที่ฟังก์ชันจะกําหนดสับสนของฐาน (เช่น สแตนเลส 304 สําหรับความทนทานต่อการกัดกร่อนหรืออลูมิเนียม 5052 สําหรับน้ําหนัก) ความแข็งแรง และ ทิศทางของเม็ดผลึก กําหนดการผลิต วัสดุที่แข็งแรงกว่าจะมีความแข็งแรงในการผลิตมากกว่า แต่มีความชุ่มชื่นต่อการแตกในระหว่างการประกอบที่ซับซ้อน

บทบาท ที่ สําคัญ ของ การ ชี้ ชิ้น

โลหะแผ่นถูกผลิตโดยการม้วน ซึ่งทําให้โครงสร้างเมล็ดของโลหะยาวไปในทิศทางของม้วน อานิโซทรอปี้นี้หมายถึงวัสดุจะประพฤติต่างกันขึ้นอยู่กับวิธีการที่มันเกิดขึ้น เทียบกับเมล็ด

• การบิดขั้ว (ขั้ว) ของเมล็ด: ทิศทางที่มีความแข็งแรงที่สุด วัสดุสามารถทนต่อการโค้งงอที่มีรัศมีเล็กกว่าได้โดยไม่แตกร้าว เนื่องจากโครงสร้างเม็ดผลึกถูกพับงอแทนที่จะถูกดึงแยกออกจากกัน
• การดัดงอขนาน (ตาม) ทิศทางของเม็ดผลึก: ทิศทางที่มีความแข็งแรงต่ำที่สุด เม็ดผลึกแยกออกจากกันได้ง่าย ส่งผลให้เกิดการแตกหักบริเวณรัศมีด้านนอก โดยเฉพาะในโลหะผสมที่มีความแข็งสูง เช่น อลูมิเนียม 6061-T6 หรือเหล็กกล้าคาร์บอนสูง

วิศวกรจำเป็นต้องระบุทิศทางของเม็ดผลึกไว้บนแบบร่าง หากต้องการดัดงอบริเวณที่มีรัศมีคดโค้งแคบมาก หากรูปร่างของชิ้นส่วนต้องการการดัดงอในหลายทิศทาง มักใช้ทิศทางที่ทำมุม 45 องศาเทียบกับทิศทางเม็ดผลึกเป็นทางเลือกเพื่อสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความสามารถในการขึ้นรูปสำหรับทุกส่วน

แนวทางการออกแบบเรขาคณิตที่สำคัญ: รู ร่อง และส่วนคอด

หลักฟิสิกส์ของการทำงานร่วมกันระหว่างแม่พิมพ์ดันและแม่พิมพ์รองจำกัดข้อกำหนดทางคณิตศาสตร์อย่างเข้มงวดสำหรับลักษณะการตัด การฝ่าฝืนอัตราส่วนเหล่านี้จะทำให้ส่วนของแม่พิมพ์มีความอ่อนแอและหักพังก่อนเวลาอันควร ส่งผลให้เกิดการหยุดทำงานและการซ่อมบำรุงที่เพิ่มขึ้น ตารางด้านล่างสรุป "กฎทั่วไป" ที่ได้รับความเห็นพ้องต้องกันสำหรับกระบวนการตัดขึ้นรูปมาตรฐาน

ระยะห่างจากหลุมถึงแนวโค้ง: หนึ่งในข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดคือการวางรูใกล้กับแนวโค้งเกินไป เมื่อโลหะยืดตัวรอบรัศมี องค์ประกอบใดๆ ที่อยู่ใน "โซนการเปลี่ยนรูป" จะบิดเบี้ยว ถ้าการออกแบบจำเป็นต้องมีรูใกล้กับแนวโค้งจริงๆ ผู้ตอกแผ่นโลหะจะต้องเจาะรูหลังการดัด (เพิ่มสถานี/ต้นทุน) หรือใช้รอยตัดพิเศษเพื่อลดแรงเครียด หลังจาก หลังการดัด (เพิ่มสถานี/ต้นทุน) หรือใช้รอยตัดพิเศษเพื่อลดแรงเครียด 1.5 เท่าของความหนาวัสดุบวกกับรัศมีการดัด ห่างจากแนวสัมผัสของแนวโค้ง

กฎสำหรับการดัดและการขึ้นรูป: รัศมี ชายขอบ และร่องลดแรงเครียด

การดัดไม่ใช่แค่การพับเท่านั้น แต่เป็นการเปลี่ยนรูปร่างแบบพลาสติกที่ควบคุมได้ เพื่อให้ได้แนวโค้งที่สม่ำเสมอโดยไม่เกิดข้อผิดพลาด จำเป็นต้องควบคุมพารามิเตอร์สามประการ ได้แก่ รัศมีการดัดต่ำสุด ความยาวของชายขอบ และการลดแรงเครียดในการดัด

รัศมีการงอต่ำสุด

มุมด้านในที่แหลมเป็นศัตรูของชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยการตัดพั๊นซ์ เนื่อง่ทมุมที่รัศมีเป็นศูนย์ (มุมแหลม) จะสร้างจุดรวมความเครียด ´´ซึ่ง´´อย่่ำเ´´ต´´อย่่ำเ´´ต´´อย่่ำเ รัศมีด้านในต่ำสุดควร ≥ 1T วัสดุที่แข็งกว่า เช่น สแตนเลสสตีล มักต้องการค่า ≥ 2T หรือมากกว่า การออกแบบโดยใช้รัศมีที่เพียงพอจะยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์และลดความเสี่ยงการเสียของชิ้นส่วน

ความยาวชายต่ำสุด

เพื่องอครีบอย่างแม่นยำ วัสดุจำเป็นต้องสัมผัสกับแม่พิมพ์ตลอดกระบวนการขึ้นรูป หากครีบสั้นมาก วัสดุจะเลื่อนเข้าไปในช่อง V-die ก่อนการดัดเสร็จสิ้น ส่งผลให้ขอบบิดเบี้ยวและไม่ขนาน การปฏิบัติทั่วทั่วมักกำหนดว่า ความยาวครีบต้องอย่างน้อย 3 ถึง 4 เท่าของความหนาวัสดุ หากจำเป็นใช้ครีบที่สั้นกว่านี้ ผู้ขึ้นรูปพั๊นซ์อาจต้องขึ้นรูปครีบที่ยาวกว่าแล้วตัดแต่งในขั้นตอนถัดไป ´´ซึ่ง´´จะเพิ่มต้นทุนของชิ้นส่วน

ร่องคลายแรงการพับ

เมื่อรอยพับไม่ทอด้วยความกว้างทั้งหมดของชิ้นส่วน วัสดุที่ปลายแนวพับจะฉีกขาด เว้นแต่ว่าจะมีการเพิ่ม "Bend Relief" โดยร่องเว้นวรรค (relief) คือ รอยตัดรูปสี่เหลี่ยมเล็กๆ หรือกึ่งวงกลมที่ตัดเข้าไปที่ฐานของแผ่นพับ ซึ่งร่องนี้จะแยกวัสดุที่ถูกดัดออกจากวัสดุที่ไม่ได้ดัด เพื่อป้องกันการฉีกขาดและการบิดเบี้ยว ความลึกของร่องควรเกินรัศมีการพับ + ความหนาของวัสดุโดยทั่วไป

การกำหนดค่าคลาดเคลื่อนตามความเป็นจริง เทียบกับต้นทุน

ระดับความเคร่งครัดของค่าคลาดเคลื่อนเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อต้นทุนแม่พิมพ์ขึ้นรูปแบบตอก ถึงแม้ว่าเทคโนโลยีการตอกความแม่นยำสูงในปัจจุบันจะสามารถทำค่าคลาดเคลื่อนได้แน่นถึง ±0.001 นิ้ว การกำหนดค่านี้ตลอดทั้งชิ้นส่วนทั้งหมดถือว่าไม่จำเป็นและมีราคาแพง ค่าคลาดเคลื่อนที่แคบลงต้องการองค์ประกอบของแม่พิมพ์ที่แม่นยำมากขึ้น (ตัดด้วยเครื่อง wire EDM) ต้องบำรุงรักษามากขึ้น (การลับคมบ่อยขึ้น) และความเร็วของเครื่องอัดขึ้นรูปลดลง

• ค่าคลาดเคลื่อนมาตรฐาน (Block Tolerances): สำหรับลักษณะที่ไม่ใช่ส่วนสำคัญ (เช่น รูเพื่อเว้นระยะ รูระบายอากาศ) ให้ใช้ค่าคลาดเคลื่อนมาตรฐาน (โดยทั่วไป ±0.005 นิ้ว ถึง ±0.010 นิ้ว)
• การวัดขนาดจากองค์ประกอบหนึ่งไปยังอีกองค์ประกอบหนึ่ง (Feature-to-Feature Dimensioning): ระบุขนาดจากคุณลักษณะที่สำคัญสัมพันธ์กัน แทนที่จะอ้างอิงจากขอบชิ้นงาน เนื่องจากขอบมักเกิดจากการตัดแต่ง ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วมีความแปรปรวนมากกว่ารูที่เจาะไว้ การระบุขนาดจากรูถึงรูจะช่วยให้ช่วงความคลาดเคลื่อนแคบลงในจุดที่สำคัญ
• เฉพาะคุณลักษณะที่สำคัญเท่านั้น: ใช้ GD&T (Geometric Dimensioning and Tolerancing) ก็ต่อเมื่อจำเป็นอย่างยิ่งต่อการประกอบ หากต้องการลดช่วงความคลาดเคลื่อนของมุมแผ่นฟลังจ์จาก ±1° เป็น ±0.5° ผู้ผลิตอาจต้องเพิ่มสถานีตีกลับในแม่พิมพ์เพื่อควบคุมการเด้งกลับ ซึ่งจะทำให้ต้นทุนเครื่องมือเพิ่มขึ้น

ข้อบกพร่องทั่วไปและการป้องกัน (รายการตรวจสอบ DFM)

วิศวกรสามารถคาดการณ์และออกแบบเพื่อกำจัดรูปแบบความล้มเหลวทั่วไปได้ โดยการตรวจสอบรายการ DFM อย่างรวดเร็วก่อนยืนยันโมเดล CAD สุดท้าย

• ครีบหรือขอบหยาบ: ขอบที่ถูกตีขึ้นรูปทุกชิ้นมีครีบคม (burr) อยู่ที่ด้าน "break" ควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าแบบร่างระบุทิศทางของครีบคม (Burr Direction) เพื่อไม่ให้ขอบคมอยู่บนพื้นผิวที่ผู้ใช้ต้องสัมผัส ความสูงของครีบคมที่ยอมรับได้ตามมาตรฐานคือ 10% ของความหนาของวัสดุ
• การเด้งกลับ (Springback): การคืนรูปแบบยืดหยุ่นหลังการดัดทำให้มุมเปิดออก แม้เครื่องตอกสามารถชดเชยสิ่งนี้ในแม่พิมพ์ แต่การใช้วัสดุเกรดที่สอดคล้อง (เช่น เหล็กอัลลอยความแข็งแรงสูงเฉพาะ) จะช่วยรักษาความสม่ำเสมอ หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนผู้จัดจำหน่วัสดุในระหว่างการผลิตเพื่อป้องกันความแปรผัน
• โออิล์ แคนนิง: พื้นที่เรียบกว้างและบางที่ไม่มีการรองรับมีแนวโน้มที่จะโก้งหรือ "เด้ง" เหมือนกระป๋องน้ำมัน การเพิ่มซี่โครง การนูน หรือขั้นบันไดสามารถทำให้ชิ้นส่วนแข็งแรงขึ้นโดยไม่เพิ่มน้ำหนัก ซึ่งช่วยป้องกันข้อบกพร่องนี้

วิศวกรรมเพื่อประสิทธิภาพ

การเชี่ยวเชี่ยวในการออกแบบเพื่อความสามารถในการผลิตในกระบวนการตอกโลหะไม่เกี่ยวกับการลดคุณภาพของออกแบบ แต่คือการปรับปรุงให้สอดคล้องกับความเป็นจริง โดยเคาร์พฟิสิกส์ของกระบวนการตอก—ปฏิบัติตามอัตราส่วนต่ำสุด เลือกกลยุทธ์เม็ดวัสดุที่เหมาะสม และใช้ค่าความคลาดที่เหมาะสม—วิศวกรสามารถลดต้นทุนและรับประกันเสถียรภาพการผลิตในระยะยาว ชิ้นส่วนที่ถูกปรับให้เหมาะสมกับเครื่องกดคือชิ้นส่วนที่ถูกปรับเพื่อผลกำไร คุณภาพ และความเร็ว

คำถามที่พบบ่อย

1. ขนาดรูขั้นต่ำสำหรับการตอกโลหะคือเท่าใด

โดยทั่วไป เส้นผ่านศูนย์กลางของรูที่เจาะควรจะไม่น้อยกว่าความหนาของวัสดุ (1T) สำหรับวัสดุที่มีความแข็งแรงสูง เช่น สแตนเลส แนะนำให้ใช้อัตราส่วน 1.5T หรือ 2T เพื่อป้องกันการหักของแม่พิมพ์เจาะ หากต้องการรูที่เล็กกว่านี้ อาจจำเป็นต้องเจาะหรือกลึงเพิ่มเติมในขั้นตอนรอง

2. ทิศทางเม็ดโลหะมีผลต่อการดัดอย่างไร

ทิศทางเม็ดโลหะเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการรีดแผ่นโลหะ การดัดในแนวตั้งฉากกับ (ข้าม) เม็ดโลหะจะมีความแข็งแรงมากกว่า และช่วยให้สามารถดัดด้วยรัศมีแคบลงได้โดยไม่แตก การดัดขนานกับเม็ดโลหะจะอ่อนแอกว่า และมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวบริเวณด้านนอกของรัศมีมากกว่า การดัดโครงสร้างที่สำคัญควรจัดทิศทางให้ข้ามเม็ดโลหะเสมอ

3. ความแตกต่างระหว่างการตัดแผ่น (Blanking) และการเจาะรู (Piercing) คืออะไร

การตัดแผ่น (Blanking) คือ การดำเนินการตัดรูปร่างภายนอกโดยรวมของชิ้นส่วนจากแถบโลหะ โดยชิ้นที่ถูกตัดออกไปคือชิ้นส่วนที่ใช้การได้ ส่วนการเจาะ (Piercing หรือ Punching) คือ การดำเนินการตัดรูภายในหรือรูปร่างต่างๆ โดยชิ้นที่ถูกตัดออกไปถือว่าเป็นของเสีย (กาก) ทั้งสองกระบวนการเป็นการตัด แต่มีจุดประสงค์ต่างกันในลำดับขั้นตอนของแม่พิมพ์