Czy trzy dobre decyzje projektowe mogą spowodować problem ze stemplowaniem? Studium przypadku OEM DFM

Tłoczenie metali | Inżynieria OEM | Projektowanie pod kątem wykonalności

Precyzyjnie wytłoczony element metalowy może wyglądać prosto, gdy patrzy się na niego jako na gotowy produkt. Jednak jego wykonalność zależy od czegoś więcej niż tylko ostatecznego kształtu.

Rozważ kompaktowy wspornik z tłoczonego metalu z wydłużoną szczeliną montażową, wieloma zagięciami i kilkoma uformowanymi wypustkami.

Element zaprojektowano tak, aby spełniał wymagania montażowe przy zachowaniu zwartej konstrukcji i wystarczającej wytrzymałości mechanicznej.

Z punktu widzenia projektu produktu funkcje te mają sens. Wydłużona szczelina zapewnia elastyczność pozycjonowania, zagięte sekcje tworzą wymaganą trójwymiarową geometrię, a uformowane wypustki wspierają zamierzoną funkcję montażową.

Ale co się stanie, gdy te wymagania projektowe współdziałają podczas produkcji tłoczenia?

Trzy rozsądne decyzje projektowe mogą wprowadzić wyzwania w zakresie wykrawania, gięcia, formowania materiałów i rozwoju narzędzi.

W tym miejscu istotne staje się projektowanie pod kątem produktywności (DFM).

1. Zrozumienie komponentu: więcej niż płaski profil metalowy

Tłoczony wspornik z wydłużoną szczeliną i wieloma formowanymi elementami wymaga kilku operacji produkcyjnych.

W zależności od rzeczywistego projektu komponentu, mogą one obejmować:

• Wygaszanie i przekłuwanie.

• Dziurkowanie.

• Gięcie i formowanie.

• Tworzenie zakładek.

• Końcowa separacja części i kontrola wymiarowa.

Każda operacja wpływa na następną.

Położenie szczeliny może mieć wpływ na materiał dostępny wokół zagięcia. Gatunek materiału może wpływać na obciążenia formujące i sprężynowanie. Układ wielu cech formowania może wpływać na progresywny układ matrycy i sekwencję produkcyjną.

Dlatego komponent należy oceniać jako kompletną, wytłoczoną strukturę, a nie jako zbiór niezależnych elementów.

2. Trzy decyzje projektowe, które mogą stworzyć wyzwania produkcyjne

Decyzja 1: Wydłużona szczelina zapewniająca elastyczność montażu

Wydłużona szczelina montażowa jest powszechnie stosowana, gdy element wymaga regulacji położenia lub elastycznego dopasowania zespołu.

Jego długość i szerokość są zdeterminowane wymaganiami funkcjonalnymi, jednak przy projektowaniu oprzyrządowania należy uwzględnić oba wymiary.

Wąska szerokość podłużnej szczeliny jest szczególnie ważna, ponieważ determinuje efektywną szerokość stempla.

Jeśli szczelina jest zbyt wąska w stosunku do grubości materiału, stempel może stać się podatny na nadmierne obciążenie, zużycie lub pęknięcie.

Inne potencjalne obawy obejmują:

• Siła uderzenia i trwałość.

• Tworzenie się zadziorów wzdłuż krawędzi szczeliny.

• Kontrola i usuwanie ślimaków.

• Szerokość szczeliny i zgodność wymiarowa.

• Prześwit między szczeliną a pobliskimi elementami materialnymi.

W przeciwieństwie do konwencjonalnego okrągłego otworu, wydłużona szczelina ma również dwa różne wymiary geometryczne, które należy oceniać niezależnie.

Uwagi dotyczące DFM:

• Sprawdź szerokość szczeliny w odniesieniu do grubości i wytrzymałości materiału.

• Sprawdź promień na obu końcach szczeliny.

• Oceń geometrię stempla i luz matrycy.

• Utrzymuj wystarczającą ilość materiału wokół szczeliny.

• Określ akceptowalną wysokość zadziorów i tolerancje wymiarowe.

Celem jest osiągnięcie wymaganej funkcji montażowej bez powodowania niepotrzebnych trudności z wykrawaniem.

Decyzja 2: Kompaktowy układ z wieloma funkcjami gięcia

Drugą decyzją projektową jest utrzymanie zwartego układu komponentów przy jednoczesnym włączeniu kilku zagięć i uformowanych zakładek.

Jest to często konieczne w urządzeniach elektrycznych, w których wewnętrzna przestrzeń montażowa jest ograniczona.

Jednakże zmniejszenie odległości pomiędzy wydłużoną szczeliną a pobliskimi liniami zagięcia może stworzyć dodatkowe ograniczenia produkcyjne.

Podczas zginania materiał ulega odkształceniom rozciągającym na powierzchni zewnętrznej i odkształceniom ściskającym na powierzchni wewnętrznej.

Jeśli szczelina zostanie umieszczona zbyt blisko obszaru zgięcia, otaczający materiał może się odkształcić i wpłynąć na ostateczną geometrię szczeliny.

Potencjalne konsekwencje obejmują:

• Zniekształcenie szczeliny lub zmienność wymiarowa.

• Miejscowe odkształcenie w pobliżu zakrętu.

• Zmniejszona wytrzymałość materiału w wąskich przekrojach.

• Trudność w utrzymaniu tolerancji montażowych.

Wiele zagięć wiąże się również z inną kwestią: kolejnością wykonywania operacji formowania.

Nieodpowiednia kolejność formowania może powodować kolizję pomiędzy przedmiotem obrabianym a narzędziem lub utrudniać utrzymanie spójnego położenia części.

Uwagi dotyczące DFM:

• Sprawdź odległość pomiędzy szczeliną a liniami zgięcia.

• Sprawdź minimalny promień zgięcia wewnętrznego.

• Oceń dostępny materiał pomiędzy sąsiednimi elementami uformowanymi.

• Rozważ kolejność formowania i dostępność narzędzi.

• Sprawdź wymiary krytyczne po wszystkich operacjach gięcia.

Kompaktowy komponent niekoniecznie jest komponentem łatwiejszym do wyprodukowania. Należy również wziąć pod uwagę dostępną przestrzeń formowania i kolejność operacji.

Rysunek 1. Ilustracja rozważań dotyczących odległości szczeliny od zgięcia i potencjalnego odkształcenia szczeliny podczas zginania.

Decyzja 3: Wybór materiału pod kątem wytrzymałości i odkształcalności

Trzecia decyzja projektowa dotyczy wyboru materiału.

Wspornik tłoczony musi spełniać wymagania konstrukcyjne i montażowe. Jednak wybór materiału opartego wyłącznie na wytrzymałości może wiązać się z wyzwaniami związanymi z formowaniem.

Wytrzymałość materiału, wydłużenie, twardość i anizotropia wpływają na wydajność tłoczenia.

Na przykład stal o wyższej wytrzymałości może wymagać większych obciążeń formujących i wykazywać wyraźniejsze sprężynowanie. Jeżeli jego lokalna odkształcalność jest niewystarczająca dla wybranej geometrii zgięcia, może dojść do pęknięć.

Wybór materiału wpływa również na wydajność wykrawania, szczególnie w przypadku wąskich szczelin i małych elementów formujących.

Uwagi dotyczące DFM:

• Potwierdź gatunek i grubość materiału.

• Przejrzyj granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie.

• Ocenić wydłużenie i zginanie.

• Rozważ kierunek toczenia w przypadku krytycznych zakrętów.

• W razie potrzeby sprawdź wydajność materiału poprzez próby formowania.

Najbardziej odpowiedni materiał niekoniecznie jest najmocniejszy. Jest to materiał, który spełnia wymagania funkcjonalne komponentu, pozostając jednocześnie zgodnym z zamierzonym procesem produkcyjnym.

3. Co badania inżynieryjne mówią nam o odkształcalności tłoczenia

Zależność między właściwościami materiału, wykrawanymi krawędziami i wydajnością formowania została zbadana w opublikowanych badaniach inżynieryjnych.

W artykule technicznym SAE z 2017 r. pt. Praktyczna ocena i przewidywanie pęknięć krawędzi w formowaniu zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości (AHSS) badano zaawansowane stale o wysokiej wytrzymałości DP980 i TRIP780.

Naukowcy porównali różne metody badania rozszerzalności otworów i zbadali wpływ przygotowania krawędzi otworu na odkształcalność.

Dwa ustalenia są szczególnie istotne w przypadku elementów tłoczonych ze szczelinami i wyciętymi otworami:

Wynik 1: Metody testowe mogą ujawnić różne zachowanie materiału.

W badaniu wykazano różnice we współczynniku rozszerzalności otworu (HER) aż do 11% pomiędzy DP980 i TRIP780 przy użyciu metody testowej z otworem 75 mm, podczas gdy standardowy test z otworem 10 mm wykazał różnicę mniejszą niż 1%.

Wniosek 2: Przygotowanie krawędzi otworu wpływa na odkształcalność.

Próbki wycięte strumieniem wody wykazały w przybliżeniu dwukrotnie większy współczynnik rozszerzalności otworów w porównaniu z próbkami wykrawanymi dla obu testowanych gatunków stali.

Odkrycia te podkreślają znaczenie stanu krawędzi wykrawanej przy ocenie komponentów poddawanych dalszemu formowaniu.

Chociaż w badaniu analizowano konkretne, zaawansowane stale o wysokiej wytrzymałości, a nie ten konkretny wspornik, jego ustalenia dostarczyły przydatnego wglądu inżynierskiego w interakcję między właściwościami materiału, jakością krawędzi i wydajnością formowania.

W przypadku wydłużonej szczeliny obowiązuje ta sama zasada: przy ocenie późniejszego odkształcenia należy uwzględnić stan wykrawanej krawędzi.

Rysunek 2. Schematyczna ilustracja charakterystyki krawędzi wykrawanych i wpływu przygotowania krawędzi na rozszerzalność otworu.

4. Jak DFM łączy geometrię, materiał i oprzyrządowanie komponentów

Tych trzech decyzji projektowych nie należy oceniać niezależnie.

Bardziej skutecznym podejściem jest ocena ich łącznego wpływu na proces produkcyjny.

Ten zintegrowany przegląd pomaga zidentyfikować problemy, zanim będą wymagały zmian w ukończonym oprzyrządowaniu.

5. Przegląd DFM przed opracowaniem matrycy progresywnej

W przypadku komponentów z wydłużonymi szczelinami i wieloma funkcjami formowania, stopniowe planowanie matrycy powinno uwzględniać pełną sekwencję produkcyjną.

Rysunek 3. Konceptualna sekwencja matryc progresywnych dla elementu wytłaczanego ze szczelinami, uformowanymi zakładkami i wieloma zagięciami.

Typowy przegląd techniczny może obejmować:

1. Ocena rozwinięcia płaskiego

Sprawdź położenie szczeliny, marginesy materiału, odstępy między elementami i geometrię półfabrykatu.

2. Planowanie operacji wykrawania

Oceń wymiary stempla, luz matrycy, siłę stempla i usuwanie ślimaków.

3. Tworzenie sekwencji

Określ odpowiednią kolejność operacji gięcia i formowania, biorąc pod uwagę dostęp do narzędzi i potencjalne zakłócenia.

4. Projekt układu nośnika i paska

Upewnij się, że pasek zapewnia wystarczające wsparcie i stabilność podczas procesu stopniowego tłoczenia.

5. Walidacja oprzyrządowania i produkcji

Podczas prób narzędziowych sprawdzaj wymiary krytyczne, stan zadziorów, kąty zgięcia i spójność części.

Rzeczywista kolejność zależy od geometrii elementu i wymagań produkcyjnych. Nie każdy tłoczony komponent wymaga tej samej liczby stacji lub tej samej konfiguracji narzędzi.

Celem jest opracowanie praktycznego procesu produkcyjnego, który wspiera powtarzalną produkcję.

6. Od projektowania komponentów po precyzyjne tłoczenie metali w HAIPART

W HAIPART precyzyjne tłoczenie metali jest częścią naszego szerszego zainteresowania komponentami funkcjonalnymi do urządzeń elektrycznych i zastosowań w ochronie obwodów.

Komponenty z wydłużonymi szczelinami, wieloma zagięciami i uformowanymi zakładkami pokazują, dlaczego projektowanie tłoczenia wymaga koordynacji pomiędzy geometrią produktu, doborem materiału i rozwojem narzędzi.

Podejście zorientowane na produkcję powinno uwzględniać:

• Wymagania geometryczne: Wymiary szczelin, odstępy między elementami, pozycje zgięć i uformowane konstrukcje.

• Charakterystyka materiału: Grubość, wytrzymałość, plastyczność i zachowanie przy formowaniu.

• Rozważania dotyczące oprzyrządowania: konstrukcja stempla, prześwit matrycy, kolejność formowania i progresywny układ matrycy.

• Wymagania produkcyjne: Dokładność wymiarowa, kontrola zadziorów i spójność partii.

Uwzględnienie tych czynników łącznie pomaga zidentyfikować potencjalne wyzwania produkcyjne przed rozpoczęciem produkcji masowej.

Dobry projekt tłoczenia rozpoczyna się przed opracowaniem oprzyrządowania.

Czy opracowujesz precyzyjnie tłoczony element metalowy do zastosowań elektrycznych?

Skontaktuj się z HAIPART, aby omówić rysunki komponentów, specyfikacje materiałów i wymagania produkcyjne.

Często zadawane pytania

1. Na co należy zwrócić uwagę projektując podłużną szczelinę do tłoczenia metalu?

Należy ocenić szerokość szczeliny, długość, promień końcowy, grubość materiału, wytrzymałość stempla i luz matrycy. Wąski wymiar jest szczególnie ważny przy sprawdzaniu trwałości stempla.

2. Czy wycięty otwór można umieścić blisko linii zagięcia?

Zależy to od materiału, wymiarów szczeliny, promienia gięcia i kolejności formowania. Niewystarczający odstęp może spowodować zniekształcenie szczeliny lub miejscowe odkształcenie podczas zginania.

3. Dlaczego dobór materiału jest ważny przy precyzyjnym tłoczeniu metali?

Właściwości materiału wpływają na obciążenia przebijające, podatność na zginanie, ryzyko sprężynowania i pękania. Wytrzymałość materiału należy rozpatrywać łącznie z wymaganiami dotyczącymi wydłużenia i formowania.

4. Dlaczego kolejność formowania ma znaczenie w przypadku elementów tłoczonych z wieloma zagięciami?

Kolejność operacji formowania wpływa na dostęp narzędzia, położenie przedmiotu obrabianego i potencjalne zakłócenia. Odpowiednia kolejność pozwala zachować zgodność wymiarową i stabilność produkcji.

5. Kiedy należy wykonać DFM?

Najlepiej rozpocząć DFM na etapie projektowania komponentu, przed stopniowym opracowaniem matrycy. Umożliwia to wspólne sprawdzenie wymagań dotyczących geometrii, materiału i narzędzi.

Referencje

1. Kim, H., Shang, J., Dykeman, J., Samant, A. i Hoschouer, C. (2017). Praktyczna ocena i przewidywanie pęknięć krawędzi podczas formowania zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości (AHSS). Dokument techniczny SAE 2017-01-0308. DOI: 10.4271/2017-01-0308.

2. Dayton Lamina. Narodziny dziury – podstawy perforacji.

3. Międzynarodowy ASM. Podręcznik ASM, tom 14B: Obróbka metali: formowanie blachy.