Коротко

Проектування штампів для алюмінієвих кузовних панелей — це спеціалізований інженерний процес, спрямований на створення міцних сталевих інструментів (штампів), які використовуються для формування алюмінію. Основними методами виробництва є штампування, екструзія та лиття під тиском, кожен з яких потребує окремого типу штампу. Ефективне проектування має враховувати специфічні властивості алюмінію, такі як його легкість, формопластичність і схильність до утворення тріщин, щоб контролювати течію металу, запобігти дефектам і забезпечити відповідність остаточного автомобільного компонента точним технічним вимогам.

Основи проектування штампів для алюмінієвих панелей

У процесі обробки металів штамп — це спеціалізований інструмент, який використовується для різання або формування матеріалу за допомогою преса. Для алюмінієвих панелей кузова такі штампи, як правило, виготовляють з високоякісної інструментальної сталі, наприклад сталі H13, спроектованої для витримування величезного тиску та високих температур. Основна складність проектування штампів для алюмінієвих панелей кузова полягає у врахуванні унікальних характеристик алюмінієвих сплавів. Порівняно зі стальними, алюміній легший і схильніший до розривів або тріщин, якщо формування виконано неправильно, проте він має чудову формопластичність за належного управління процесом.

Процес виробництва піддає матрицю та алюмінієву заготовку або лист екстремальним зусиллям. Наприклад, під час екструзії алюмінію тиск може перевищувати 100 000 фунтів на квадратний дюйм (psi). Конструкція матриці має забезпечувати рівномірний потік алюмінію у потрібну форму без утворення дефектів, таких як зморшки, тріщини чи неоднакова товщина стінок. Наприклад, матриця для екструзії алюмінію — це диск із термообробленої сталі з точно обробленим отвором, який визначає поперечний переріз профілю. Проектування цього отвору має вирішальне значення для контролю швидкості та розподілу потоку металу.

Перш за все, дизайнер повинен враховувати передбачений технологічний процес та геометрію кінцевої деталі. Вибір між штампуванням, пресуванням або литтям під тиском визначає основну структуру матриці. Конструкція також повинна враховувати тепловий режим, оскільки накопичення тепла може впливати як на довговічність матриці, так і на кінцеві властивості алюмінію. У підсумку, успішна матриця — це результат ретельного інженерного проектування, яке поєднує властивості матеріалу, фізику процесу та бажані структурні й естетичні характеристики панелі кузова.

Основні технологічні процеси та відповідні типи матриць

Виготовлення алюмінієвих панелей кузова включає кілька окремих технологічних процесів, кожен з яких залежить від певного типу конструкції матриці. Три основні методи — це автомобільне штампування, алюмінієве пресування та лиття алюмінію під тиском. Розуміння відмінностей має важливе значення для вибору правильного підходу для конкретної деталі — від панелі дверей до несучого каркаса.

Штампи для автомобільного штампування

Штампування — найпоширеніший процес для великих панелей кузова, таких як двері, капоти та крила. Він полягає у формуванні плоского аркуша алюмінію між двома половинками матриці на штампувальному пресі. Процес, як правило, послідовний і використовує серію спеціалізованих матриць. Як зазначають експерти з виробництва автомобілів, цей процес включає кілька ключових етапів. По-перше, витяжної матриці виконує первинне основне формування, розтягуючи плоску заготовку, щоб створити головну тривимірну форму панелі. Далі, матриці обрізки та пробивання видаляють зайвий матеріал із країв і створюють необхідні отвори для компонентів, таких як ручки або ліхтарі. Після цього, штампи для формування країв згинання країв для створення поверхонь для збірки та підвищення жорсткості. Нарешті, матриці повторного штампування використовуються для уточнення контурів і виправлення пружного відгину, забезпечуючи відповідність панелі точним розмірним допускам. Точкові постачальники в цій галузі, такі як Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. , спеціалізуються на створенні цих складних індивідуальних штампувальних матриць для великих OEM-виробників, забезпечуючи високу точність у масовому виробництві.

Алюмінієві екструзійні матриці

Екструзія використовується для виготовлення деталей з постійним поперечним перерізом, таких як рами вікон, конструкційні рейки та декоративні елементи. У цьому процесі нагрітий алюмінієвий злиток протискається крізь отвір матриці. Існує три основні категорії матриць для екструзії. Цільні матриці , найпростіший тип, виготовляють форми без замкнутих порожнин, наприклад, куточники або плоскі прути. Порожнисті матриці є складнішими та використовуються для створення профілів з однією або кількома замкнутими порожнинами, наприклад, квадратна труба. Ці матриці використовують оправку для утворення внутрішньої порожнини. Напівпорожнисті матриці створюють профілі, що частково обмежують порожнину, і є складнішими у проектуванні, ніж суцільні матриці, через необхідність делікатного балансу потоку металу. Рада виробників алюмінієвих профілів зазначає, що ефективне проектування матриць для екструзії ґрунтується на контролі швидкості потоку металу шляхом регулювання довжин опорних поверхонь, щоб забезпечити рівномірний вихід усіх частин профілю з матриці.

Лиття під тиском алюмінію

Лиття під тиском ідеально підходить для виготовлення складних, деталізованих алюмінієвих деталей шляхом вприскування розплавленого металу в сталеву форму (матрицю) під високим тиском. Цей процес часто використовується для виготовлення компонентів, таких як кронштейни двигуна, корпуси трансмісій і структурні вузли, де потрібні висока деталізація та точність. Матриці зазвичай виготовляють у двох частинах, які замикаються разом під час вприскування, а потім роз’єднуються для видалення затверділої деталі. Конструкція цих матриць є дуже складною, оскільки вона повинна забезпечувати контроль за течією розплавленого металу, регулювати охолодження для запобігання дефектам і сприяти легкому вилученню деталі.

9 ключових аспектів проектування для алюмінієвого лиття під тиском

Ефективне лиття під тиском вимагає більше, ніж просто створення порожнини у формі деталі. Це передбачає набір принципів, відомих як проектування з урахуванням технологічності (DFM), метою яких є оптимізація деталі для ефективного, високоякісного виробництва. На основі комплексного керівництво з проектування алюмінієвого лиття під тиском , дотримання певних правил проектування є обов’язковим для запобігання дефектам і зниження витрат. Ці фактори разом утворюють базові правила проектування матриць.

1. Лінія роз'єму: Це лінія, по якій зустрічаються дві половинки матриці. Її розташування є одним із головних рішень, оскільки воно впливає на те, де утворюватиметься зайвий матеріал (заусенці), який потім потрібно буде зрізати. Добре розташована лінія роз’єму спрощує остаточну обробку після виробництва.
2. Усадка: Під час охолодження розплавлений алюміній стискається (звичайно 0,4–0,6%). Матрицю необхідно робити трохи більшою за кінцеву деталь, щоб компенсувати це стиснення. Усадка також може призводити до того, що деталь зачіпляється за внутрішні елементи матриці, ускладнюючи випресовування.
3. Чернетка: Чернетка — це невеликий ухил, який застосовується до всіх поверхонь, паралельних напрямку руху матриці. Цей кут, подібно до форми для мафінів, має важливе значення для легкого видалення литої деталі з матриці без пошкоджень.
4. Товщина стіни: Стінки повинні бути якомога більш однакової товщини. Занадто тонкі стінки можуть призвести до того, що розплавлений метал затвердіє до повного заповнення форми, тоді як надто товсті стінки марнують матеріал і збільшують час охолодження, уповільнюючи виробництво.
5. Закруглення та радіуси: Гострі кути є проблемними при литті під тиском, оскільки вони можуть спричиняти турбулентність потоку металу та призводити до слабких місць. Додавання заокруглених внутрішніх кутів (фасок) та зовнішніх кутів (радіусів) дозволяє металу плавно текти, підвищуючи міцність деталі.
6. Боси: Це виступні елементи, які часто використовуються як точки кріплення. Їх необхідно ретельно проектувати, щоб забезпечити однакову товщину стінок, найчастіше видаляючи матеріал із центру, аби уникнути дефектів, таких як сліди усадки.
7. Ребра: Щоб підвищити міцність деталі без збільшення товщини стінок, конструктори можуть додати тонкі конструктивні підсилення, які називаються ребрами жорсткості. Вони також допомагають направляти потік розплавленого металу в складні ділянки матриці.
8. Підтиски: Це елементи, які перешкоджають безпосередньому виштовхуванню деталі з матриці. Хоча іноді вони необхідні, їх слід уникати, якщо це можливо, оскільки їх наявність вимагає складних і дорогих механізмів матриці, таких як бічні вставки.
9. Отвори та вікна: Включення отворів і вікон безпосередньо в конструкцію матриці усуває необхідність у додаткових операціях свердління або фрезерування. Це економить значний час і кошти, але вимагає ретельного проектування, щоб забезпечити належний потік металу навколо цих елементів.

Процес виготовлення матриці та оснащення

Створення матриці для алюмінієвих панелей кузова — це точний багатоетапний процес, у ході якого з блоку інструментальної сталі виготовляють високоефективний виробничий інструмент. Процес починається з цифрового проектування, під час якого інженери за допомогою програмного забезпечення САПР (Computer-Aided Design) моделюють матрицю, а також використовують метод скінченних елементів (FEA) для моделювання течії металу та теплових характеристик. Це моделювання допомагає виявити потенційні проблеми ще до обробки сталі, оптимізуючи конструкцію для покращення продуктивності та терміну служби.

Після затвердження конструкції розпочинається фізичне виробництво. Заготовку з інструментальної сталі марки H13, як правило, обробляють за допомогою верстатів з ЧПУ (числовим програмним керуванням), які здатні виконувати складні різання з надзвичайною точністю. Для створення складних елементів або при роботі з дуже твердими матеріалами може застосовуватися електроерозійна дротова обробка (EDM). Після механічної обробки матриця проходить критично важливий процес термообробки для загартування сталі, що дає змогу їй витримувати величезний тиск і температури під час виробництва. Наприкінці поверхні полірують, а іноді покривають спеціальними обробками, такими як нітрування, щоб підвищити зносостійкість і поліпшити течію алюмінію.

Сама матриця є частиною більшої збірки, відомої як пакет матриць або інструментальна збірка. Ця збірка, яку часто називають набором матриць, складається з двох половин: матричної плити та плита виштовхування. Ці половини монтуються в машину для лиття під тиском і роз’єднуються, щоб дозволити вилучення затверділої деталі. Складність і розмір цієї інструментальної збірки впливають на загальну вартість, яка може значно варіюватися залежно від ускладненості профілю, чи є він порожнистим чи суцільним, та очікуваного обсягу виробництва. Наявність належного технічного обслуговування, включаючи регулярне очищення та повторне полірування, є важливим чинником для контролю зносу та подовження терміну експлуатації інструменту.

Поширені запитання

1. Яке правило проектування матриці?

Не існує єдиного «правила проектування матриці», але є сукупність найкращих практик і принципів, які часто називають проектуванням з урахуванням можливостей виробництва (DFM). Для лиття під тиском до таких правил належать важливі аспекти: визначення правильної лінії роз'єму, додавання конусності для легкого видалення деталі, забезпечення однакової товщини стінок, використання закруглень та радіусів для уникнення гострих кутів і проектування з урахуванням усадки матеріалу. Дотримання цих рекомендацій допомагає забезпечити технологічність деталі, мінімізувати дефекти та знизити витрати на виробництво.

2. Як виготовити алюмінієву матрицю?

Виготовлення матриці для формування алюмінію — це складний процес. Він починається з цифрового проектування за допомогою програмного забезпечення САПР, яке часто перевіряється за допомогою симуляцій МСЕ. Потім блок інструментальної сталі високого ґатунку (наприклад, H13) точно обробляється на верстатах з ЧПУ або методом дротового електроерозійного розрізання (Wire EDM), щоб створити форму матриці. Оброблену матрицю піддають термообробці для загартування, після чого виконують полірування поверхні та іноді наносять спеціальні покриття для підвищення довговічності й поліпшення течії металу. Готову матрицю потім монтують у комплект оснащення разом із допоміжними елементами, такими як підкладки та плити, підготовленими до використання в пресі.

3. Як виглядає матриця для екструзії алюмінію?

Матриця для алюмінієвого пресування зазвичай являє собою товстий круглий диск із загартованої сталі. У його центрі є точно оброблений отвір, або отвір, який відповідає бажаному поперечному перерізу кінцевого профілю. Для суцільних форм використовується одна пластина. Для порожнистих форм матриця складніша, часто багатокомпонентна конструкція (наприклад, матриця з отворами), яка включає оправку для утворення внутрішньої порожнини, коли алюміній обтікає її та зварюється назад разом перед виходом з матриці.