Thiết kế để sản xuất: Gia công kim loại bằng dập – Sổ tay Kỹ thuật

TÓM TẮT NHANH

Thiết kế để dễ chế tạo (DFM) cho quá trình dập kim loại là phương pháp kỹ thuật chiến lược nhằm tối ưu hóa hình dạng chi tiết để phù hợp với nguyên lý vật lý của máy dập và khả năng của khuôn dập. Bằng cách thiết kế các chi tiết tuân thủ theo giới hạn vật liệu—thay vì chống lại chúng—các kỹ sư có thể giảm chi phí khuôn lên đến 50%, rút ngắn thời gian sản xuất và loại bỏ các lỗi thường gặp như nứt hay cong vênh sau khi dập.

Cốt lõi của DFM trong dập kim loại dựa trên việc tuân thủ các "Nguyên tắc Vàng" đã được chứng minh về hình học. Các tỷ lệ quan trọng bao gồm đảm bảo đường kính lỗ ít nhất bằng độ dày vật liệu (1T) , duy trì bán kính uốn tối thiểu là 1T để tránh nứt gãy, và giữ khoảng cách giữa các yếu tố đến vùng uốn bằng hệ số 1.5T + Bán kính . Việc áp dụng các ràng buộc này từ sớm trong giai đoạn CAD là cách hiệu quả nhất để đảm bảo khả năng sản xuất.

Cơ sở Kinh doanh Kỹ thuật: Tại sao DFM lại quan trọng trong dập kim loại

Trong đúc kim loại, chi phí của một bộ phận phần lớn được xác định trước khi tấm kim loại đầu tiên được đặt hàng. Khoảng 70% chi phí sản xuất cuối cùng của sản phẩm được khóa trong giai đoạn thiết kế. Kỹ thuật "trên tường"n nơi các thiết kế được đưa cho nhà sản xuất mà không cần tham khảo ý kiến trướcthường dẫn đến các yêu cầu công cụ phức tạp làm tăng chi phí theo cấp số nhân. Một bộ phận được thiết kế mà không có DFM có thể yêu cầu một khuôn đúc tiến triển phức tạp với 20 trạm và các hành động trượt đắt tiền, trong khi một phiên bản tối ưu hóa DFM có thể được sản xuất bằng một công cụ 12 trạm đơn giản hơn.

DFM hợp tác phục vụ như một cầu nối giữa hình học lý tưởng và thực tế khắc nghiệt của thép tạo lạnh. Nó chuyển sự tập trung từ "có thể làm được điều này?" sang "có thể làm được hiệu quả không?" Bằng cách tham gia với đối tác sản xuất sớm, các kỹ sư có thể xác định các yếu tố chi phí như dung nạp chặt chẽ đòi hỏi nghiền chính xác hoặc các tính năng đòi hỏi các hoạt động tháo râu thứ cấp. Ví dụ, việc giảm độ khoan dung lỗ không quan trọng từ ± 0,002 "đến ± 0,005" có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của công cụ và giảm giá phụ tùng.

Điều này đặc biệt quan trọng khi mở rộng quy mô từ nguyên mẫu đến sản xuất. Một thiết kế hoạt động cho cắt laser (tốc độ thấp) thường thất bại trong máy in dán (tốc độ cao) do các yếu tố căng thẳng khác nhau. Các đối tác như Shaoyi Metal Technology chuyên về việc thu hẹp khoảng cách này, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật đảm bảo các thiết kế được xác nhận trong giai đoạn tạo mẫu đủ mạnh mẽ cho các dòng đóng dấu tốc độ cao, khối lượng lớn. Việc tận dụng chuyên môn như vậy sớm ngăn chặn "chuỗi thiết kế lại công cụ" tốn kém gây ra nhiều sản phẩm ra mắt.

Chọn vật liệu & Chiến lược hướng ngũ cốc

Lựa chọn vật liệu trong đúc là một sự đánh đổi giữa chức năng, khả năng định hình và chi phí. Trong khi chức năng quyết định hợp kim cơ bản (ví dụ: thép không gỉ 304 cho khả năng chống ăn mòn hoặc nhôm 5052 cho trọng lượng), các đặc điểm của hợp kim cơ bản sẽ được xác định bởi các yếu tố khác nhau. tính khí và hướng thớ điều chỉnh khả năng sản xuất. Vật liệu cứng hơn cung cấp sức mạnh sản lượng cao hơn nhưng dễ bị nứt trong các hoạt động hình thành phức tạp.

Vai trò quan trọng của việc hướng dẫn hạt

Kim loại lá được sản xuất bằng cách lăn, kéo dài cấu trúc hạt kim loại theo hướng cuộn. Sự phân phân dạng này có nghĩa là vật liệu có hành vi khác nhau tùy thuộc vào cách nó được hình thành so với hạt:

• Căn dọc (trên) hạt: Định hướng mạnh nhất. Vật liệu có thể chịu được bán kính chặt chẽ hơn mà không bị nứt do cấu trúc hạt được gấp thay vì bị kéo ra.
• Xếp ngang (với) hạt: Định hướng yếu nhất. Các hạt tách ra dễ dàng, dẫn đến gãy trên bán kính bên ngoài, đặc biệt là trong hợp kim cứng hơn như nhôm 6061-T6 hoặc thép cao carbon.

Các kỹ sư phải xác định hướng hạt trên in nếu cần uốn cong chặt chẽ. Nếu hình học bộ phận đòi hỏi uốn cong theo nhiều hướng, định hướng 45 độ tương đối với hạt thường được sử dụng như một sự thỏa hiệp để cân bằng sức mạnh và khả năng hình thành trên tất cả các tính năng.

Các hướng dẫn về hình học quan trọng: lỗ, khe cắm và mạng lưới

Vật lý của giao diện đấm và đục áp đặt giới hạn toán học nghiêm ngặt đối với các tính năng cắt. Vi phạm tỷ lệ này tạo ra các phần đệm yếu bị vỡ sớm, dẫn đến thời gian ngừng hoạt động và chi phí bảo trì. Bảng dưới đây tóm tắt sự đồng thuận "Quản tắc của ngón tay cái" cho các hoạt động đóng dấu tiêu chuẩn.

Khoảng cách từ lỗ đến cong: Một trong những sai lầm phổ biến nhất là đặt một lỗ quá gần một đường cong. Khi kim loại kéo dài xung quanh bán kính, bất kỳ tính năng nào trong "vùng biến dạng" sẽ bị biến dạng. Nếu một thiết kế đòi hỏi một lỗ gần một đường cong, thì người đúc phải đâm nó sau cong (đóng thêm một trạm / chi phí) hoặc sử dụng một cắt giảm chuyên biệt. Một công thức tiêu chuẩn để đảm bảo một lỗ vẫn còn tròn là để đặt cạnh của nó ít nhất 1,5 lần độ dày vật liệu cộng với bán kính uốn cong xa từ đường cong.

Quy tắc uốn cong và tạo hình: Băng, sườn và hình rác

Uốn cong không chỉ là gấp; nó là một biến dạng nhựa được kiểm soát. Để đạt được các đường cong nhất quán mà không bị lỗi, ba thông số phải được kiểm soát: bán kính độ cong tối thiểu, chiều dài sườn và độ nhẹ của độ cong.

Bán kính uốn tối thiểu

Các góc bên trong sắc nhọn là kẻ thù của các bộ phận đóng dấu. Một bán kính bằng không (cửa góc sắc) tạo ra một điểm tập trung căng thẳng dẫn đến nứt. Đối với hầu hết các kim loại dẻo dai như thép cán lạnh (CRS) hoặc nhôm mềm, Khoảng bán kính uốn cong bên trong tối thiểu phải ≥ 1T - Không. Các vật liệu cứng hơn, chẳng hạn như thép không gỉ, thường yêu cầu ≥ 2T hoặc cao hơn. Thiết kế với bán kính rộng rãi kéo dài tuổi thọ của công cụ và giảm nguy cơ thất bại của bộ phận.

Chiều dài mép tối thiểu

Để uốn cong một miếng vít chính xác, vật liệu phải tiếp xúc với die trong suốt quá trình tạo thành. Nếu một sợi dây lót quá ngắn, nó sẽ trượt vào lỗ V-die trước khi uốn cong hoàn thành, dẫn đến một cạnh không song song bị biến dạng. Một quy tắc tiêu chuẩn là Chiều dài flange phải ít nhất 3-4 lần độ dày vật liệu - Không. Nếu cần một vảy ngắn hơn, máy đánh dấu có thể cần phải tạo thành một vảy dài hơn và cắt nó trong một hoạt động tiếp theo, tăng chi phí phụ tùng.

Rãnh giảm ứng suất tại chỗ uốn

Khi một đường uốn không chạy suốt chiều rộng của chi tiết, vật liệu ở hai đầu đường uốn sẽ bị rách trừ khi thêm "rãnh giảm uốn". Rãnh giảm là một rãnh nhỏ hình chữ nhật hoặc hình bán nguyệt được cắt vào chân mặt bích. Rãnh này tách biệt phần vật liệu bị uốn khỏi phần không bị uốn, ngăn ngừa hiện tượng rách và biến dạng. Độ sâu của rãnh giảm thông thường nên lớn hơn bán kính uốn cộng với độ dày vật liệu.

Dung sai theo thực tế so với chi phí

Độ nghiêm ngặt của dung sai là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến chi phí khuôn dập. Mặc dù công nghệ dập chính xác hiện đại có thể đạt dung sai chặt tới ±0,001 inch, nhưng yêu cầu mức này trên toàn bộ chi tiết là không cần thiết và tốn kém. Dung sai càng chặt đòi hỏi các thành phần khuôn chính xác hơn (cắt bằng dây EDM), bảo trì thường xuyên hơn (mài sắc) và tốc độ máy ép chậm hơn.

• Dung sai khối: Đối với các đặc điểm không quan trọng (ví dụ: lỗ thoát, lỗ thông khí), hãy áp dụng dung sai khối tiêu chuẩn (thông thường từ ±0,005 inch đến ±0,010 inch).
• Ghi kích thước giữa các đặc điểm: Xác định kích thước các đặc điểm quan trọng so với nhau thay vì so với cạnh chi tiết. Cạnh này thường được tạo ra bằng thao tác cắt mép, vốn có độ biến thiên lớn hơn so với một lỗ đục. Việc ghi kích thước từ lỗ đến lỗ giúp chuỗi dung sai chặt chẽ hơn tại những vị trí quan trọng.
• Chỉ Các Đặc Điểm Quan Trọng: Áp dụng GD&T (Ghi Kích Thước Hình Học và Dung Sai) chỉ khi thực sự cần thiết cho việc lắp ráp. Nếu dung sai góc bích được siết chặt từ ±1° xuống ±0.5°, nhà dập có thể cần thêm một trạm đóng lại vào khuôn để kiểm soát hiện tượng bật hồi, làm tăng chi phí chế tạo khuôn.

Các Khuyết Tật Thường Gặp & Biện Pháp Phòng Ngừa (Danh Sách Kiểm Tra DFM)

Kỹ sư có thể dự đoán và loại bỏ ngay từ khâu thiết kế các dạng hư hỏng phổ biến bằng cách thực hiện nhanh danh sách kiểm tra DFM trước khi hoàn thiện mô hình CAD.

• Ba via: Tất cả các cạnh dập đều có ba-via ở phía "gãy". Đảm bảo bản vẽ của bạn ghi rõ "Hướng Ba-via" để tránh các cạnh sắc nằm ở bề mặt người dùng tiếp xúc. Chiều cao ba-via cho phép tiêu chuẩn là 10% độ dày vật liệu.
• Hiện tượng đàn hồi trở lại (Springback): Phục hồi đàn hồi sau khi uốn gây ra hiện tượng mở rộng góc. Trong khi máy dập sẽ bù trừ hiện tượng này trong khuôn, việc sử dụng các cấp vật liệu đồng nhất (ví dụ: thép hợp kim thấp cường độ cao cụ thể) sẽ giúp duy trì tính ổn định. Tránh thay đổi nhà cung cấp vật liệu giữa quá trình sản xuất để ngăn ngừa sự biến đổi.
• Oil Canning: Các khu vực phẳng lớn, mỏng và không được hỗ trợ có xu hướng cong vênh hoặc "bật" như một chiếc can dầu. Việc thêm các gân, họa tiết nổi hoặc bậc thang sẽ tăng độ cứng vững cho chi tiết mà không làm tăng trọng lượng, từ đó ngăn ngừa lỗi này.

Thiết kế vì Hiệu quả

Làm chủ Thiết kế nhằm Dễ chế tạo trong gia công dập kim loại không có nghĩa là hy sinh ý đồ thiết kế; mà là tinh chỉnh thiết kế cho phù hợp với thực tế. Bằng cách tôn trọng các nguyên lý vật lý của quá trình dập — tuân thủ các tỷ lệ tối thiểu, lựa chọn chiến lược hướng grain vật liệu phù hợp và áp dụng dung sai một cách hợp lý — kỹ sư có thể giảm chi phí và đảm bảo ổn định sản xuất lâu dài. Một chi tiết được tối ưu hóa cho máy dập là một chi tiết được tối ưu hóa cho lợi nhuận, chất lượng và tốc độ.

Các câu hỏi thường gặp

1. Kích thước lỗ tối thiểu cho dập kim loại là bao nhiêu?

Theo nguyên tắc chung, đường kính lỗ dập không nên nhỏ hơn độ dày vật liệu (1T). Đối với các vật liệu có độ bền cao như thép không gỉ, thường được khuyến nghị tỷ lệ 1,5T hoặc 2T để ngăn ngừa gãy chày. Nếu cần lỗ nhỏ hơn, có thể phải khoan hoặc gia công thêm trong một bước thứ cấp.

2. Hướng grain của vật liệu ảnh hưởng như thế nào đối với việc uốn?

Hướng grain kim loại được tạo ra trong quá trình cán tấm. Uốn vuông góc (cắt ngang) theo hướng grain sẽ mạnh hơn và cho phép bán kính nhỏ hơn mà không bị nứt. Uốn song song với grain thì yếu hơn và dễ bị nứt ở phía ngoài bán kính. Các đường uốn kết cấu quan trọng luôn nên được định hướng vuông góc với grain.

3. Sự khác biệt giữa blanking và piercing là gì?

Dập cắt là thao tác cắt hình dạng ngoài tổng thể của chi tiết từ dải kim loại; phần bị cắt ra là phần hữu ích. Đục lỗ (hoặc đột lỗ) là thao tác cắt các lỗ hoặc hình dạng bên trong; phần bị cắt ra là phế liệu (mẩu vụn). Cả hai đều là các thao tác cắt nhưng phục vụ các mục đích khác nhau trong quy trình làm việc của trạm khuôn.