Các Nguyên Tắc Chính của Thiết Kế Khuôn Cắt Và Đục Lỗ

TÓM TẮT NHANH

Thiết kế khuôn cắt viền và đục lỗ là một lĩnh vực kỹ thuật chuyên biệt tập trung vào việc tạo ra các dụng cụ ép bền chắc để cắt và đột lỗ chính xác trên kim loại tấm. Thành công phụ thuộc vào các tính toán chính xác lực cắt, lựa chọn chiến lược vật liệu làm dụng cụ và các kỹ thuật thiết kế tiên tiến. Mục tiêu chính là kiểm soát hiệu quả ứng suất vật liệu, đảm bảo các vết cắt sạch với độ ba via tối thiểu, đồng thời tối đa hóa tuổi thọ hoạt động và độ chính xác của bộ khuôn.

Những nền tảng của các quá trình cắt viền và đục lỗ

Trong lĩnh vực gia công kim loại tấm, cắt viền và đục lỗ là các thao tác cắt cơ bản xác định hình dạng cuối cùng của chi tiết. Mặc dù thường được nhóm cùng với các quy trình tương tự, chúng thực hiện các chức năng riêng biệt. Cắt viền là quá trình loại bỏ phần vật liệu dư thừa ở cạnh ngoài của chi tiết dập để đạt được biên dạng cuối cùng. Đục lỗ, ngược lại, liên quan đến việc tạo ra các đặc điểm bên trong như lỗ hoặc rãnh bằng cách đục vật liệu từ phía trong chu vi của chi tiết. Cả hai thao tác đều dựa trên nguyên lý cắt trượt, trong đó ứng suất cực lớn được tập trung dọc theo các cạnh cắt của chày và cối, khiến vật liệu bị gãy sạch.

Chất lượng của bề mặt cắt cơ học được đặc trưng bởi bốn vùng: vùng uốn cong (rollover), vùng bóng (burnish), vùng gãy (fracture) và vùng ba via (burr). Như được mô tả chi tiết trong các hướng dẫn từ Hướng dẫn AHSS , mép lý tưởng cho các loại thép cường độ cao cần có một vùng bóng rõ rệt và một vùng gãy trơn nhẵn, điều này rất quan trọng để ngăn ngừa nứt trong các công đoạn tạo hình tiếp theo. Hiểu được những nguyên tắc cơ bản này là bước đầu tiên để thiết kế dụng cụ tạo ra các chi tiết đồng đều và chất lượng cao.

Để làm rõ vai trò của chúng, cần so sánh các thao tác này với các quá trình cắt phổ biến khác. Đột dập (blanking) tương tự như đục lỗ (piercing), nhưng vật liệu bị đẩy ra (phiếu) lại là chi tiết mong muốn, trong khi ở đục lỗ thì phiếu trở thành phế liệu. Cắt xén (shearing) là thuật ngữ chung hơn để chỉ việc cắt tấm kim loại theo đường thẳng giữa hai lưỡi dao. Mỗi quy trình được chọn tùy theo kết quả mong muốn và vị trí của nó trong chuỗi sản xuất.

Các nguyên tắc cơ bản của thiết kế khuôn dập và các phép tính then chốt

Thiết kế khuôn dập hiệu quả là một quá trình dựa trên dữ liệu, được xây dựng dựa trên các nguyên lý kỹ thuật. Trước khi bắt đầu mô hình hóa, các kỹ sư phải thực hiện các phép tính quan trọng để đảm bảo công cụ có thể chịu được các lực vận hành và hoạt động ổn định trong máy ép đã chọn. Phép tính cơ bản nhất là lực cắt, xác định lực tấn cần thiết từ máy ép. Công thức thường được biểu diễn như sau: Lực cắt (F) = L × t × S , trong đó 'L' là tổng chiều dài chu vi đường cắt, 't' là độ dày vật liệu, và 'S' là giới hạn bền cắt của vật liệu.

Xác định chính xác lực cắt là yếu tố thiết yếu để chọn máy ép có công suất phù hợp, thường cần biên độ an toàn từ 20-30%. Một yếu tố quan trọng khác là khoảng hở cối đột — khoảng cách giữa chày và lỗ cối. Như được nêu trong một hướng dẫn toàn diện bởi Jeelix , khoảng hở tối ưu thường vào khoảng 5-12% độ dày vật liệu cho mỗi bên. Khoảng hở không đủ sẽ làm tăng lực cắt và mài mòn dụng cụ, trong khi khoảng hở quá lớn có thể dẫn đến ba via lớn và cạnh chất lượng kém. Đối với các loại thép cường độ cao tiên tiến (AHSS), khoảng hở này thường cần được tăng lên để quản lý các ứng suất cao hơn liên quan.

Việc lựa chọn vật liệu cho các chi tiết khuôn là một nguyên tắc cốt lõi khác. Các chày và bạc khuôn phải có sự cân bằng giữa độ cứng để chống mài mòn và độ dẻo dai nhằm ngăn ngừa vỡ vụn dưới tác động. Các lựa chọn phổ biến bao gồm thép dụng cụ D2 và A2 cho các ứng dụng thông thường, trong khi sản xuất số lượng lớn hoặc gia công vật liệu mài mòn có thể yêu cầu thép luyện bằng phương pháp bột kim loại hoặc hợp kim cacbua. Quá trình lựa chọn này đòi hỏi sự đánh đổi giữa chi phí và hiệu suất, nhằm tối đa hóa tuổi thọ của khuôn và giảm thiểu thời gian ngừng máy bảo trì. Đối với các ứng dụng phức tạp, chẳng hạn như trong ngành ô tô, việc tìm kiếm chuyên môn là rất quan trọng. Các công ty như Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. chuyên về khuôn dập ô tô, tận dụng mô phỏng tiên tiến và kiến thức về vật liệu để cung cấp các giải pháp dụng cụ bền bỉ và hiệu quả.

Cấu tạo bộ khuôn cắt biên và đục lỗ

Một khuôn không phải là một khối thép nguyên khối mà là một cụm chính xác gồm các thành phần phụ thuộc lẫn nhau, mỗi thành phần có chức năng riêng biệt. Việc hiểu rõ cấu tạo này là yếu tố then chốt để thiết kế, chế tạo và bảo trì các bộ dụng cụ hiệu quả. Toàn bộ cụm được đặt bên trong một bộ khuôn, bao gồm tấm khuôn trên và tấm khuôn dưới được căn chỉnh bởi các chốt dẫn hướng và bạc lót. Hệ thống nền tảng này đảm bảo độ căn chỉnh ở mức micromet giữa hai nửa trên và dưới của dụng cụ trong suốt quá trình vận hành tốc độ cao, điều này rất quan trọng nhằm ngăn ngừa hư hỏng và duy trì độ đồng nhất của chi tiết.

Các thành phần làm việc chính là chày dập và cối dập (hoặc nút cối/dạng chèn). Chày dập, được lắp trên giày khuông trên, là bộ phận nam thực hiện quá trình cắt. Cối dập, được lắp trên giày khuông dưới, là bộ phận nữ có lỗ mở mà chày dập đi vào. Hình học chính xác và độ hở giữa hai bộ phận này xác định hình dạng cuối cùng của lỗ đục hoặc mép cắt. Vật liệu, độ cứng và độ hoàn thiện bề mặt của chúng rất quan trọng đối với tuổi thọ dụng cụ và chất lượng chi tiết.

Một thành phần quan trọng khác là bộ tách. Sau khi chày đục xuyên qua vật liệu, độ đàn hồi của tấm kim loại khiến nó bám vào chày. Chức năng của bộ tách là cưỡng bức tách vật liệu ra khỏi chày trong hành trình đi lên của máy ép. Bộ tách có thể là loại cố định hoặc loại có lò xo, trong đó loại có lò xo sẽ tạo áp lực giữ phôi phẳng trong suốt quá trình cắt, từ đó cải thiện độ phẳng của chi tiết. Đối với khuôn dập liên hoàn, các chốt dẫn cũng rất cần thiết. Đây là những chốt cắm vào các lỗ đã được đục trước trên dải vật liệu để đảm bảo căn chỉnh chính xác tại mỗi trạm tiếp theo.

Danh sách kiểm tra bảo trì các thành phần khuôn

• Chày và bạc đột Kiểm tra thường xuyên các mép cắt xem có bị cong tròn, vỡ mẻ hay mài mòn quá mức hay không. Mài sắc khi cần thiết để duy trì vết cắt sạch và giảm lực cắt.
• Chốt Dẫn Hướng và Bạc Dẫn Hướng: Đảm bảo chúng được bôi trơn đầy đủ và kiểm tra dấu hiệu rỗ, trầy xước hoặc mài mòn. Các thanh dẫn bị mài mòn có thể dẫn đến lệch tâm và gây va chạm khuôn nghiêm trọng.
• Tấm tách phôi: Kiểm tra xem các lò xo (nếu có) đã đủ áp lực và không bị gãy. Kiểm tra tình trạng mài mòn trên bề mặt tiếp xúc.
• Bộ khuôn: Kiểm tra đế khuôn để phát hiện các vết nứt hoặc hư hỏng. Đảm bảo tất cả các bulông được siết đúng mô-men xoắn theo thông số kỹ thuật.
• Vệ sinh chung: Giữ khuôn sạch sẽ, không có mảnh vụn, dăm kim loại hoặc các vật thể lạ có thể gây lỗi sản phẩm hoặc làm hư hỏng dụng cụ.

Các kỹ thuật và vật liệu thiết kế khuôn nâng cao

Vượt ra ngoài các nguyên tắc cơ bản, thiết kế khuôn nâng cao tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất, xử lý các vật liệu khó và kéo dài tuổi thọ dụng cụ cho sản xuất số lượng lớn. Một trong những bước tiến đáng kể nhất là việc sử dụng khuôn dập liên hoàn, thực hiện nhiều công đoạn (ví dụ: đục lỗ, cắt viền, uốn) lần lượt tại các trạm khác nhau trong cùng một dụng cụ. Như các chuyên gia tại Eigen Engineering giải thích, việc làm chủ thiết kế khuôn dập liên hoàn đòi hỏi quy hoạch bố trí dải vật liệu một cách tinh vi nhằm tối đa hóa việc sử dụng vật liệu và đảm bảo sự ổn định của dải vật liệu khi di chuyển qua khuôn.

Để đạt được độ phẳng tuyệt vời của chi tiết, các kỹ thuật như dập tinh và cắt-kéo được sử dụng. Dập tinh là một quá trình chuyên biệt sử dụng đệm áp lực cao và vòng v để kẹp chặt vật liệu, tạo ra chi tiết được cắt hoàn toàn với mép thẳng, gần như không có vùng gãy rạn. Tương tự, phương pháp cắt-kéo, được mô tả chi tiết bởi Người chế tạo , bao gồm việc dập thủng chi tiết một phần qua dải vật liệu và giữ phẳng bằng tấm đệm áp lực trước khi đẩy chi tiết ra tại một trạm phía sau. Việc kiểm soát vật liệu trong quá trình cắt này làm giảm thiểu ứng suất nội sinh gây biến dạng.

Thiết kế cho các loại thép cường độ cao tiên tiến (AHSS) đặt ra những thách thức riêng do độ bền cao và độ dẻo dai thấp hơn. Điều này đòi hỏi khe hở khuôn lớn hơn, cấu trúc dụng cụ chắc chắn hơn và vật liệu khuôn cao cấp như thép luyện kim bột hoặc cacbua để chịu được lực cực lớn và mài mòn nghiêm trọng. Ngoài ra, có thể điều chỉnh hình dạng chày để giảm tải đỉnh và giảm sốc. Việc sử dụng mặt chày cắt xén hoặc vát mép sẽ kéo dài hành trình cắt trong thời gian ngắn hơn một chút, nhờ đó giảm đáng kể lực yêu cầu và làm giảm hiệu ứng "đứt gãy đột ngột" mạnh mẽ có thể gây hư hại cả khuôn lẫn máy ép.

Khuôn dập liên hoàn so với khuôn dập một vị trí

• Ưu điểm của khuôn dập liên hoàn: Tốc độ sản xuất cực kỳ cao, chi phí lao động thấp, độ lặp lại cao và tích hợp nhiều công đoạn vào một bộ khuôn duy nhất.
• Nhược điểm của khuôn dập liên hoàn: Chi phí chế tạo khuôn ban đầu rất cao, quá trình thiết kế và chế tạo phức tạp, và khả năng linh hoạt thấp hơn đối với các chi tiết lớn hoặc dập sâu.
• Ưu điểm của khuôn dập một vị trí: Chi phí khuôn thấp hơn, thiết kế đơn giản hơn và linh hoạt hơn đối với các dây chuyền sản xuất số lượng ít hoặc các chi tiết rất lớn.
• Nhược điểm của khuôn đơn công đoạn: Tốc độ sản xuất chậm hơn nhiều, chi phí lao động cao hơn cho mỗi chi tiết và nguy cơ không đồng nhất do phải thao tác và định vị lặp lại nhiều lần.

Các câu hỏi thường gặp

1. Quy tắc thiết kế khuôn là gì?

Mặc dù không có một quy tắc duy nhất nào, nhưng thiết kế khuôn tuân theo một tập hợp các nguyên tắc đã được thiết lập. Những nguyên tắc này bao gồm tính toán lực cắt dựa trên tính chất vật liệu, xác định độ hở phù hợp giữa chày và cối (thường là 5-12% độ dày vật liệu mỗi bên), đảm bảo độ cứng vững cấu trúc của bộ khuôn, và lên kế hoạch trình tự thao tác hợp lý trong bố trí dải nguyên liệu. Mục tiêu tổng thể là tạo ra một dụng cụ an toàn, đáng tin cậy và sản xuất các chi tiết luôn đáp ứng các yêu cầu về chất lượng.

2. Khuôn cắt viền trong đúc áp lực là gì?

Một dụng cụ cắt gọt trong quá trình đúc khuôn có chức năng tương tự như dụng cụ trong dập kim loại tấm nhưng hoạt động trên một loại chi tiết khác. Sau khi một chi tiết được tạo ra bằng phương pháp đúc khuôn (tiêm kim loại nóng chảy vào khuôn), chi tiết này còn sót lại các vật liệu dư thừa như hệ thống dẫn, phần tràn và ba via. Một khuôn cắt gọt là dụng cụ được dùng trong công đoạn dập thứ cấp để cắt bỏ các vật liệu không mong muốn này, để lại chi tiết đúc hoàn chỉnh và sạch cạnh.

3. Quy tắc thép cho việc cắt khuôn là gì?

Cắt khuôn bằng lưỡi thép là một quy trình khác biệt, thường được sử dụng cho các vật liệu mềm hơn như giấy, bìa cứng, xốp hoặc nhựa mỏng. Quy trình này bao gồm việc ép một lưỡi thép mỏng, sắc ("lưỡi thép"), đã được uốn theo hình dạng mong muốn và gắn vào một nền phẳng (thường là gỗ dán), xuống vật liệu. Đây là phương pháp tiết kiệm chi phí để cắt các hình dạng trong các ứng dụng vật liệu phi kim loại hoặc kim loại tấm rất mỏng.

4. Có những loại cắt khuôn nào khác nhau?

Dập cắt bao gồm nhiều phương pháp được điều chỉnh phù hợp với các loại vật liệu và khối lượng sản xuất khác nhau. Trong gia công kim loại tấm, thuật ngữ này chủ yếu đề cập đến các thao tác dập như đục lỗ, dập phôi và cắt biên bằng dụng cụ cứng (bộ chày và cối). Các dạng khác bao gồm dập cắt bàn phẳng (cho vật liệu dày hơn), dập cắt tròn (để sản xuất nhanh tem nhãn hoặc gioăng), và các phương pháp cắt kỹ thuật số như cắt laser hoặc cắt thủy lực, những phương pháp này không sử dụng khuôn vật lý.