DFM thực tiễn trong đúc áp lực: Chiến lược về chi phí và chất lượng

TÓM TẮT NHANH

Thiết kế để dễ chế tạo (DFM) trong đúc áp lực là một phương pháp kỹ thuật quan trọng nhằm tối ưu hóa thiết kế chi tiết để sản xuất hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Mục tiêu chính là giảm thiểu độ phức tạp trong chế tạo, từ đó làm giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng. Điều này bao gồm việc tuân thủ các nguyên tắc cơ bản như áp dụng góc thoát để dễ dàng tháo chi tiết khỏi khuôn, duy trì độ dày thành đồng đều để ngăn ngừa các khuyết tật như rỗ khí, và sử dụng hợp lý các yếu tố như góc lượn và gân tăng cứng để gia tăng độ bền trong khi giảm thiểu lượng vật liệu sử dụng.

Các Nguyên Tắc Cốt Lõi của DFM trong Đúc Áp Lực: Góc Thoát, Độ Dày Thành và Bán Kính

Nền tảng của thiết kế đúc khuôn hiệu quả nhằm dễ chế tạo dựa trên một vài nguyên tắc cơ bản trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng, chi phí và tốc độ sản xuất. Làm chủ những khái niệm này là bước đầu tiên để tạo ra một chi tiết không chỉ hoạt động tốt mà còn tiết kiệm chi phí sản xuất. Việc bỏ qua chúng có thể dẫn đến hàng loạt vấn đề, từ việc tháo khuôn khó khăn, lãng phí vật liệu cho đến các sự cố cấu trúc nghiêm trọng. Những nguyên lý cốt lõi này — độ dốc rút (draft), độ dày thành, và việc sử dụng góc lượn và bán kính cong — giải quyết các vấn đề về vật lý liên quan đến dòng chảy và quá trình đông đặc của kim loại nóng chảy trong khuôn.

A góc thoát là độ nghiêng nhẹ được áp dụng lên tất cả các bề mặt song song với hướng mở khuôn. Độ nghiêng nhỏ này, thường từ 1 đến 3 độ, rất quan trọng để cho phép chi tiết đúc được đẩy ra khỏi khuôn một cách sạch sẽ mà không bị hư hại. Khi kim loại nóng chảy nguội đi và co lại, nó có thể bám chặt vào các chi tiết bên trong khuôn. Nếu không có độ dốc rút, lực ép tháo khuôn cần thiết có thể làm biến dạng hoặc gãy chi tiết. Như được mô tả chi tiết trong Hướng dẫn thiết kế của Gabrian , các bức tường ngoài cần độ thoát nhỏ hơn vì chi tiết co lại khỏi chúng, trong khi các bức tường trong và lỗ cần độ thoát lớn hơn do kim loại co vào xung quanh chúng.

Giữ một độ dày tường đồng nhất có lẽ là một trong những quy tắc DFM quan trọng nhất. Khi các phần thành có độ dày khác biệt đáng kể, kim loại nóng chảy sẽ nguội với tốc độ khác nhau. Các phần dày hơn mất nhiều thời gian hơn để đông đặc, điều này có thể tạo ra ứng suất nội, độ xốp (bong bóng khí) và các vết lõm trên bề mặt. Ngược lại, thành quá mỏng có thể khiến kim loại đông đặc quá sớm, ngăn không cho khuôn được điền đầy hoàn toàn — khuyết tật này được gọi là thiếu đầy. Hầu hết các thiết kế đều hướng tới độ dày thành từ 1,5 mm đến 4 mm. Nếu việc thay đổi độ dày là không thể tránh khỏi, thì sự chuyển tiếp cần phải từ từ và mượt mà để đảm bảo dòng chảy kim loại và làm nguội đồng đều.

Cuối cùng, việc tránh các góc sắc nhọn là rất quan trọng. Điều này được thực hiện bằng cách tích hợp các góc lượn và bán kính —các điểm nối cong giữa các bề mặt. Góc lượn (fillets) được áp dụng cho các góc trong, trong khi bán kính (radii) được dùng ở các góc ngoài. Các góc trong sắc nhọn tạo ra điểm tập trung ứng suất, có thể trở thành vị trí hỏng hóc khi chịu tải. Chúng cũng làm gián đoạn dòng chảy đều đặn của kim loại nóng chảy, gây nhiễu loạn dẫn đến rỗ khí. Việc thêm các góc lượn và bán kính hợp lý, ngay cả khi nhỏ chỉ 0,5 mm, sẽ cải thiện dòng chảy kim loại, tăng độ bền cho chi tiết và hỗ trợ tạo ra sản phẩm cuối cùng chắc chắn và đáng tin cậy hơn.

Các Nguyên Tắc Thiết Kế Chính

• Góc thoát khuôn: Áp dụng độ côn ít nhất 1-2 độ trên tất cả các bề mặt thẳng đứng để đảm bảo việc tháo chi tiết dễ dàng. Tăng góc này đối với các vách trong và các chi tiết sâu.
• Độ dày thành ống: Hãy cố gắng duy trì độ đồng đều trên toàn bộ chi tiết. Nếu bắt buộc phải thay đổi độ dày, hãy sử dụng các chuyển tiếp dần để ngăn ngừa khuyết tật và đảm bảo quá trình làm nguội đồng đều.
• Góc Lượn & Bán Kính: Thay thế tất cả các góc sắc bằng các cạnh được bo tròn. Sử dụng góc lượn ở các góc trong và bán kính ở các góc ngoài để giảm ứng suất và cải thiện dòng chảy kim loại.

Tăng Cường Độ Bền và Giảm Trọng Lượng: Gân, Chỗ Lồi và Khoang

Một mục tiêu chính của DFM là sản xuất các chi tiết đáp ứng yêu cầu về độ bền mà không cần sử dụng vật liệu thừa, vốn làm tăng chi phí và thời gian chu kỳ. Ba đặc điểm chính giúp kỹ sư thiết kế đạt được sự cân bằng này: gân, chỗ lồi và khoang. Khi được thiết kế đúng cách, những yếu tố này nâng cao độ bền cấu trúc và chức năng đồng thời tối ưu hóa chi tiết cho quá trình đúc khuôn áp lực. Chúng cho phép tạo ra các thiết kế chắc chắn, nhẹ và hiệu quả trong sản xuất.

Gân là các đặc điểm mỏng, giống như vách được sử dụng để tăng độ hỗ trợ và độ cứng cho một bộ phận mà không làm tăng độ dày thành tổng thể. Điều này rất quan trọng để ngăn ngừa biến dạng và cải thiện tỷ lệ cường độ trên trọng lượng. Bằng cách tích hợp các gân tăng cứng, người thiết kế có thể duy trì phần thành mỏng và đồng đều trên toàn bộ bộ phận trong khi gia cố các khu vực then chốt. Để đạt kết quả tối ưu, các gân nên được thiết kế với độ dày bằng một phần độ dày thành chính, thông thường khoảng 60%, nhằm ngăn ngừa các vết lõm xuất hiện trên bề mặt đối diện. Hơn nữa, các gân có thể đóng vai trò như các kênh dẫn giúp kim loại nóng chảy lan tỏa vào các khu vực xa hoặc phức tạp của khuôn.

Gân nổi là các phần lồi hình trụ đóng vai trò là điểm gắn kết, điểm đỡ hoặc vị trí cho bulông vít. Thay vì khoan lỗ vào phần dày của chi tiết sau khi đúc, các gờ lồi này có thể được tích hợp trực tiếp vào thiết kế, giúp tiết kiệm đáng kể thời gian và các công đoạn gia công thứ cấp. Để tuân thủ nguyên tắc độ dày thành đồng đều, các gờ lồi nên được khoét rỗng ở giữa, nghĩa là có lỗ xuyên tâm. Điều này ngăn chúng trở thành khối vật liệu dày đặc, làm nguội chậm và gây ra khuyết tật. Chúng cũng nên được nối với các thành chính bằng các góc lượn và gân tăng cường đủ lớn để đảm bảo độ bền và dòng chảy kim loại trơn tru.

Để giảm thêm việc sử dụng vật liệu và trọng lượng chi tiết, các kỹ sư thiết kế có thể thêm một cách chiến lược túi hoặc các phần rỗng. Quá trình này, thường được gọi là "khoét ruột", loại bỏ vật liệu khỏi những khu vực không quan trọng về mặt kết cấu. Bằng cách tạo ra các khoảng trống này, bạn có thể duy trì độ dày thành đồng đều trên toàn bộ chi tiết, ngay cả với các hình dạng phức tạp. Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí vật liệu mà còn rút ngắn thời gian làm nguội trong khuôn, dẫn đến chu kỳ sản xuất nhanh hơn. Cần phân tích cẩn thận để đảm bảo rằng các khoang rỗng không làm giảm độ bền tổng thể hoặc chức năng của chi tiết.

Tối ưu hóa cho khuôn và đẩy chi tiết: Đường chia khuôn, phần undercut và chốt đẩy

Một bộ phận đúc thành công là kết quả của sự phối hợp hài hòa giữa hình dạng của bộ phận và cơ chế của khuôn. Những quyết định trong thiết kế nếu không xem xét đến yếu tố dụng cụ có thể dẫn đến các khuôn đắt tiền, phức tạp và tỷ lệ lỗi cao. Các yếu tố quan trọng cần cân nhắc ở lĩnh vực này bao gồm vị trí đường chia khuôn, cách xử lý các phần lõm (undercuts), và vị trí các chốt đẩy. Thiết kế cẩn trọng ở những khía cạnh này sẽ đơn giản hóa dụng cụ, giảm chi phí và đảm bảo bộ phận có thể được tháo ra khỏi khuôn một cách đáng tin cậy sau khi đúc.

The đường phân khuôn là đường may nơi hai nửa của die gặp nhau. Vị trí của nó là một trong những quyết định đầu tiên và quan trọng nhất trong thiết kế công cụ, vì nó ảnh hưởng đến hầu hết mọi tính năng khác. Một đường chia đơn giản, phẳng luôn được ưa thích, vì nó làm cho công cụ dễ dàng hơn và ít tốn kém hơn để máy. Một đường chia phức tạp, không phẳng có thể làm tăng đáng kể chi phí công cụ và có thể dẫn đến các vấn đề với flash một mạng lưới mỏng của kim loại dư thừa mà thấm vào đường may và phải được loại bỏ trong một hoạt động thứ cấp. Các nhà thiết kế nên hướng phần theo cách cho phép đường chia ngang nhất có thể.

Phần cắm dưới là các tính năng ngăn chặn một bộ phận được đẩy ra trực tiếp từ một khuôn đơn giản gồm hai phần. Chúng bao gồm các bề mặt sâu hoặc các tính năng có thể khiến bộ phận bị khóa trong die. Mặc dù đôi khi cần thiết cho chức năng, các vết cắt dưới nên được tránh khi có thể vì chúng đòi hỏi các lõi bên hoặc các bộ trượt cộng chuyển các thành phần trong die tạo thành tính năng cắt dưới và sau đó rút lại trước khi phóng ra. Các cơ chế này làm tăng chi phí, sự phức tạp và điểm thất bại tiềm năng đáng kể cho công cụ. Nếu một sự cắt giảm không thể tránh khỏi, điều quan trọng là làm việc với một đối tác sản xuất để tìm ra giải pháp công cụ hiệu quả nhất. Các công ty có khả năng thiết kế đệm nội bộ có thể cung cấp chuyên môn có giá trị trong việc tối ưu hóa công cụ phức tạp để sản xuất.

Cuối cùng, chốt đẩy là các thanh thép đẩy các đúc cứng ra khỏi khoang die. Những chân này rất cần thiết để loại bỏ bộ phận nhưng chắc chắn để lại những dấu vết tròn nhỏ trên bề mặt của bộ phận. Vai trò của nhà thiết kế là xác định các bề mặt không quan trọng hoặc không thẩm mỹ mà các dấu hiệu này sẽ được chấp nhận. Đặt dấu kim phun ra trên bề mặt phẳng, chắc chắn là lý tưởng, vì điều này đảm bảo phân phối lực đồng đều trong quá trình phun ra và giảm thiểu nguy cơ biến dạng bộ phận. Thông báo các vị trí chấp nhận được này cho nhà sản xuất công cụ sớm trong quá trình ngăn ngừa các vấn đề thẩm mỹ trên sản phẩm cuối cùng.

Thiết kế để dễ dàng trút ra danh sách kiểm tra

• Đơn giản hóa đường chia để ngang và thẳng càng tốt.
• Loại bỏ các undercuts ở bất cứ nơi nào có thể để tránh sự cần thiết của các bên-cores đắt tiền và trượt.
• Thêm các góc rút rộng rãi trên tất cả các bề mặt song song với chuyển động của die.
• Xác định các bề mặt không thẩm mỹ mà các dấu hiệu chân phun được phép.
• Đảm bảo các chốt đẩy được đặt trên các bề mặt phẳng, ổn định để ngăn biến dạng trong quá trình đẩy ra.

Các câu hỏi thường gặp về DFM trong đúc khuôn

1. Thiết kế cho sản xuất (DFM) bao gồm những gì?

Thiết kế cho sản xuất (DFM) trong đúc khuôn bao gồm một tập hợp các nguyên tắc nhằm đơn giản hóa và tối ưu hóa thiết kế chi tiết để dễ dàng sản xuất. Các nội dung chính bao gồm việc áp dụng góc thoát để đẩy ra, đảm bảo độ dày thành đồng đều để tránh khuyết tật, sử dụng các góc lượn và bán kính để tránh các góc sắc, và thiết kế các yếu tố như gân và trụ để tăng độ bền đồng thời giảm lượng vật liệu. Nó cũng bao gồm các xét đến về khuôn, chẳng hạn như đơn giản hóa đường chia khuôn và tránh các phần undercut.

2. Bạn tiếp cận thiết kế hướng tới khả năng sản xuất như thế nào?

Phương pháp này bắt đầu từ giai đoạn thiết kế bằng cách xem xét toàn bộ quá trình sản xuất. Nó bao gồm việc hợp tác với các kỹ sư sản xuất để xác định những thách thức tiềm tàng trong sản xuất. Các bước chính bao gồm đơn giản hóa thiết kế, giảm thiểu số lượng chi tiết, tiêu chuẩn hóa các thành phần nếu có thể, và tuân thủ các quy tắc cụ thể theo từng quy trình, chẳng hạn như đối với đúc khuôn (độ dốc, độ dày thành, v.v.). Mục tiêu là giải quyết chủ động các vấn đề sản xuất ngay trên bản vẽ, nơi mà việc thay đổi còn rẻ, thay vì trên sàn nhà máy, nơi mà chi phí sẽ cao hơn nhiều.

3. Điều gì đặc trưng cho thiết kế để sản xuất?

Thiết kế để sản xuất được đặc trưng bởi sự tập trung vào hiệu quả, giảm chi phí và cải thiện chất lượng thông qua những lựa chọn thiết kế thông minh. Một thiết kế tối ưu cho khả năng sản xuất thường đơn giản hơn, sử dụng ít vật liệu hơn, yêu cầu ít công đoạn phụ trợ hơn và có tỷ lệ lỗi thấp hơn. Nó thể hiện sự hiểu biết sâu sắc về các khả năng và giới hạn của quy trình sản xuất đã chọn, từ đó tạo ra sản phẩm không chỉ hoạt động tốt mà còn kinh tế và đáng tin cậy khi sản xuất ở quy mô lớn.