Мастерство проектирования листового металла: основные принципы и советы по технологичности

Введение в проектирование листового металла

Посмотрите вокруг — вы заметите изобилие продуктов из листового металла. Будь то потребительские товары: банки для напитков, посуда, картотечные шкафы, или промышленные: кузова авто, рамы, выхлопные системы. Листовые металлы — ценный актив для промышленности и малого серийного производства. Поэтому статья посвящена основам проектирования листового металла и полезным советам для дизайнеров. Многие отрасли принимают концепцию Design For Manufacturability (DFM) — проектирование для технологичности. В промышленности листового металла DFM помогает избежать технических ошибок в дизайне, улучшая производственные лид-таймы на основе таблицы толщин листового металла и предварительных расчетов. Поэтому DFM для листового металла — важная тема в статье.

Что такое листовый металл?

Прежде чем обсуждать технические аспекты дизайна, нужно понять, что такое листовый металл. Листовый металл — металл (алюминий, латунь, титан, никель, олово, медь), обработанный в тонкие плоские куски: фольга, листы, пластины.

Так как они легкие, тонкие, стабильные и эластичные, широко используются в промышленности для облицовки и покрытий.

Базовые операции с листовым металлом

Металлообробка включает формовочные и режущие операции на листах, катушках и полосах для производства компонентов и деталей. Есть несколько операций для дизайна листового металла, некоторые обсуждены ниже.

1. Гибка (Bending)

Напряжение металлических листов вокруг прямой оси путем приложения силы в локализованной области — гибка. Заготовка помещается на матричный блок, и штамп давит вниз, формируя желаемую форму. Разные отрасли используют разные инструменты, но частые — пресс-кромка или гибочные прессы.

2. Вытягивание (Drawing)

Еще одна операция — вытягивание, также известное как кубковое или глубокое вытягивание. Включает растяжение листового металла для формирования полой или вогнутой формы. Пустотело держит заготовку в матрице, в то время как U-образный штамп пробивает заготовку листового металла.

3. Шарование (Shearing)

В отличие от операций выше, шарование — процесс резки заготовки путем приложения силы на штамп, а не формовочный процесс.

Как показано на рисунке, металлический кусок, сначала помещенный на матрицу, испытывает вертикальную силу на штампе для создания сдвигового эффекта и резки заготовки.

4. Различные процессы

Есть другие процессы для дизайна листового металла, которые могут или не могут использовать матрицу и штамп для гибки металла. Включают:

• Прокрутка (Spinning): Прессование осесимметричного металлического куска на вращающемся патроне или ман드реле для формовки.
• Растягивающее формование (Stretch forming): Растяжение листового металла и одновременная гибка для формирования контурированных форм.
• Гофрование (Embossing): Создание надписей или выступающих поверхностей на листовом металле.
• Сжатие (Squeezing): Комбинация процессов вроде калибровки и чеканки для создания ковких металлов.
• Обрезка (Trimming): Также известна как соскоб, удаление заусенцев на резах для гладкости.
• Пробивка (Piercing): Создание отверстий любой формы острым штампом.
• Пронзавание (Punching): Создание круглых отверстий штампом и матрицей.
• Высечение (Blanking): Вырезание заданной формы из полосы листового металла. Вырезанный кусок — заготовка (blank). Часто для дисков или шайб.

Рекомендации DFM для дизайна листового металла

Вариации между CAD-дизайнами и реальными продуктами неизбежны; однако следование рекомендациям DFM может снизить ошибки. DFM — концепция проектирования деталей, компонентов или продуктов так, чтобы они были легкими для производства и менее затратными. Фокус на снижении общей стоимости производства за счет сокращения лид-тайма.

Исследования показывают, что производители тратят около 40% времени на исправление ошибок, 24% из которых — ошибки технологичности. Поэтому отрасли должны адресовать эти ошибки. Соблюдение рекомендаций DFM может значительно снизить дизайнерские ошибки.

DFM фокусируется на упрощении дизайнов деталей для легкой технологичности и воспроизводимости. Предлагает стандартизацию деталей для сокращения номенклатуры и производства рентабельных качественных продуктов.

Основные факторы для дизайна листового металла

DFM для листового металла фокусируется на критических точках общего дизайна. Следующие рекомендации улучшают дизайн:

• Радиус отверстия (Hole Radius): Создание маленьких отверстий избегать — требуют маленьких штампов, которые могут сломаться. Диаметр отверстий должен быть равен или больше толщины заготовки.
• Запас на гибку (Bend relief): Вмятина на дизайне листа для плавного процесса гибки. Помогает избежать поломок при гибке.
• Зазор отверстия до гибки (Hole to bend clearance): Рекомендуемое расстояние между отверстиями и гибкой — 1,5 толщины листа с добавлением радиуса гибки.
• Радиус гибки листового металла (Sheet metal bend radius): Должен адаптироваться минимальный радиус гибки. Зависит от инструментов для гибки. Чем гибче металл, тем легче малый радиус.
• Ширина фланца (Flange Width): Минимальная ширина фланца идеально — в 4 раза толщину листа. Важно для эстетики и чистоты дизайна.

Советы DFM для дизайна листового металла

Вот советы по дизайну листового металла для производства вашего дизайна.

1. Необходимо иметь большие диаметры отверстий по сравнению с толщиной листа.
2. Расстояние между двумя отверстиями важнее всего. Рекомендуется двойная толщина листа. Этот фактор предотвратит деформацию металла пробитых отверстий.
3. Если пробитые отверстия очень близко к внешнему краю листа, рекомендуется минимальный зазор, равный толщине листа, между отверстием и краем.
4. Между гибкой и отверстиями должно быть пространство минимум 1,5 толщины материала.

Преимущества DFM

DFM дает умный вариант производителям для улучшения качества продукта при снижении затрат. Бесконечный список преимуществ, некоторые:

• Высоко рентабельно
• Снижает затраты на труд
• Повышает качество продукта
• Улучшает удовлетворенность клиентов
• Сокращает время разработки продукта
• Упрощает и стандартизирует дизайн для легкой технологичности

Ошибки, которых нужно избегать при проектировании деталей из листового металла

Есть частые проблемы в дизайне листового металла. Некоторые перечислены ниже, их нужно избегать:

1. Избегать использования 3D-моделей без гибок.
2. Ограничивать идеально перпендикулярные и острые углы листового металла.
3. Предотвращать размещение элементов близко к линиям гибки.
4. Хорошо исследовать перед выбором плоского паттерна для спроектированных деталей.
5. Избегать выбора неправильного типа фабрикации листового металла для дизайна продукта.
6. Обязательно включать детальные спецификации в CAD-файл в зависимости от таблицы толщин листового металла.
7. Следить за требованиями сварки, убеждаться, что они не нереалистичны.
8. Всегда учитывать прочность U-профиля в процессе выбора материала.

Прототипирование листового металла

Прототипирование листового металла — моделирование образца металлического продукта для тестирования концепции. Помогает компаниям протестировать идею перед запуском массового производства. В отличие от традиционного прототипирования, прототипы из листового металла проектируются за меньшее время.

Разные компании используют разные методы для производства прототипов листового металла, некоторые:

• Точное прототипирование штамповкой металла использует штамповочный пресс для высокоточных деталей.
• Быстрое прототипирование изготавливает модель с помощью 3D-виртуального чертежа.
• Инкрементальное формование листового металла использует фрезерный станок для формовки продукта без матрицы.

Заключение

Листовые металлы имеют неоспоримое значение в нашей жизни. Применения огромны: приборная промышленность, авто, робототехника, потребительские товары. Поэтому важно понимать основы дизайна листового металла и рекомендации DFM, учитываемые в производстве.