Co to są części do rysowania gięcia metalu?

Części rysunkowe do gięcia metalu to elementy blaszane produkowane przez połączenie dwóch procesów formowania na zimno — gięcia i głębokiego tłoczenia — w celu utworzenia trójwymiarowych części o precyzyjnych cechach kątowych, zakrzywionych ścianach i pustych profilach z płaskiej blachy. Gięcie odkształca metal wzdłuż prostej osi, tworząc kąty, kołnierze i kanały, podczas gdy rysowanie przeciąga arkusz nad matrycą, tworząc kubki, pudełka i zamknięte kształty z głębokością . Powstałe części zachowują integralność strukturalną oryginalnego metalu, osiągając jednocześnie złożone geometrie, których produkcja w wyniku obróbki skrawaniem z pełnego półfabrykatu byłaby niepraktyczna lub nieekonomiczna.

Części te mają fundamentalne znaczenie dla nowoczesnej produkcji w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym, elektronicznym, budowlanym i dóbr konsumpcyjnych. Na przykład pojedyncze nadwozie pojazdu zawiera setki metalowych części do gięcia i ciągnienia – od paneli drzwi i relingów dachowych po zespoły wsporników i osłony zbiorników paliwa. Zrozumienie, czym są te części, jak są wykonane i co decyduje o ich jakości, jest niezbędną wiedzą dla inżynierów, specjalistów ds. zaopatrzenia i producentów pracujących z komponentami blaszanymi.

Gięcie części: definicja, proces i geometria

Gięte części metalowe są wytwarzane poprzez przyłożenie siły do płaskiego metalowego półwyrobu wzdłuż określonej osi, powodując odkształcenie plastyczne, które tworzy trwały kąt lub krzywiznę. W procesie nie usuwa się materiału; redystrybuuje go poprzez kontrolowane odkształcenie plastyczne. Zewnętrzna powierzchnia zagięcia jest poddawana rozciąganiu, podczas gdy powierzchnia wewnętrzna jest ściskana, a oś neutralna – płaszczyzna nie podlegająca ani rozciąganiu, ani ściskaniu – leży w przybliżeniu od jednej trzeciej do połowy grubości materiału od powierzchni wewnętrznej , w zależności od promienia gięcia i właściwości materiału.

Podstawowe metody gięcia

W produkcji przemysłowej stosuje się kilka różnych procesów gięcia, każdy dostosowany do innej geometrii części, grubości materiału i wielkości produkcji:

• Gięcie typu V (gięcie w powietrzu i do dołu) — najczęstszy proces; stempel wciska blachę w matrycę w kształcie litery V. Gięcie powietrzne zatrzymuje się, zanim stempel opadnie, wykorzystując kąt sprężynowania, aby osiągnąć docelowy kąt; dobijanie powoduje, że stempel styka się z matrycą, ubijając materiał w celu uzyskania większej dokładności (±0,5° typowo dla dna w porównaniu z ±1° do ±2° dla zginania w powietrzu).
• Gięcie w kształcie litery U — Tworzy części w kształcie kanału lub profilu U jednym ruchem, używając pasującej pary stempli i matryc. Typowe dla kanałów konstrukcyjnych, korytek kablowych i ram szaf.
• Gięcie rolek — Trzy walce stopniowo odkształcają arkusz lub płytę, tworząc zakrzywione części o dużych promieniach, takie jak cylindryczne powłoki, przekroje stożkowe i zakrzywione elementy konstrukcyjne.
• Gięcie wycierające (gięcie krawędziowe) — Arkusz jest zaciskany, a matryca wycierająca składa jedną krawędź, tworząc kołnierze i krawędzie zwrotne. Powszechnie stosowane w prasach krawędziowych do formowania pudełek i misek.
• Gięcie obrotowe — Obrotowa matryca toczy się po powierzchni arkusza, tworząc zagięcia z minimalnymi znakami powierzchniowymi, preferowane w przypadku materiałów wstępnie wykończonych lub wrażliwych kosmetycznie.

Minimalny promień zgięcia i sprężynowanie

Dwa krytyczne parametry decydują o wykonalności i dokładności każdej giętej części. Minimalny promień gięcia to najmniejszy promień, do jakiego można zgiąć materiał bez pękania na zewnętrznej powierzchni rozciąganej; jest ona zazwyczaj wyrażana jako wielokrotność grubości materiału (t). Na przykład stal miękka (niskowęglowa) ma zazwyczaj minimalny promień zgięcia wynoszący 0,5t do 1t , podczas gdy stopy aluminium o wysokiej wytrzymałości mogą wymagać 3t do 5t minimalny promień przed wystąpieniem pęknięć.

Sprężynowanie to powrót sprężystości, który następuje po zwolnieniu siły zginającej, powodując lekkie otwarcie części pod zamierzonym kątem. Wielkość sprężynowania wzrasta wraz z granicą plastyczności materiału i maleje wraz z mniejszymi promieniami zgięcia. Inżynierowie procesu kompensują to poprzez nadmierne zginanie (przy użyciu kąta matrycy o 2° do 5° większego niż kąt docelowy) lub poprzez operacje dobijania i wybijania, które minimalizują powrót sprężystości w wyniku odkształcenia plastycznego na całej grubości.

Rysowanie części: definicja, proces i głębokość

Części ciągnione – a dokładniej części do głębokiego tłoczenia – są wytwarzane poprzez wciśnięcie płaskiego metalowego półwyrobu we wnękę matrycy za pomocą stempla, tworząc wydrążony trójwymiarowy kształt z zamkniętym dnem i otwartą górą. Proces ten wciąga materiał kołnierza do wewnątrz i w dół do matrycy, lekko pocieniając ścianki i pogrubiając kołnierz w miarę przepływu metalu. Ciągnienie to proces formowania puszek po napojach, naczyń kuchennych, zbiorników paliwa samochodowego, obudów urządzeń medycznych i tysięcy innych pustych elementów metalowych produkowanych w dużych ilościach.

Sekwencja procesu głębokiego tłoczenia

Pełna operacja głębokiego tłoczenia obejmuje następującą sekwencję:

1. Puste przygotowanie — Okrągły lub ukształtowany półwyrób jest wycinany z arkusza blachy. Średnica półfabrykatu jest obliczana na podstawie docelowej geometrii narysowanej części i ograniczeń współczynnika ciągnienia materiału.
2. Puste trzymanie — Uchwyt półwyrobu (podkładka dociskowa) dociska kołnierz półwyrobu do powierzchni matrycy pod kontrolowanym ciśnieniem, zapobiegając marszczeniu się materiału kołnierza podczas jego wciągania do wewnątrz.
3. Zejście ponczowe — Stempel opada, wciskając środkową część półwyrobu w zagłębienie matrycy. Materiał kołnierza przepływa do wewnątrz pod naprężeniem, tworząc ściankę miseczki.
4. Wyrzut części — Wyciągnięta część jest wyrzucana z matrycy za pomocą wybijaków lub wyrzutu powietrza.
5. Przerysowanie (jeśli wymagane) — Jeżeli wymagany stosunek głębokości do średnicy przekracza to, co można osiągnąć w jednym pociągnięciu, część poddawana jest jednej lub większej liczbie operacji ponownego rysowania, przy czym każda operacja zmniejsza średnicę i stopniowo zwiększa głębokość.

Granice współczynnika rozciągania i odkształcalności

Graniczny współczynnik rozciągania (LDR) to maksymalny stosunek średnicy półwyrobu do średnicy stempla, jaki można osiągnąć w pojedynczej operacji ciągnienia bez rozdzierania części. W przypadku większości stali niskowęglowych LDR wynosi w przybliżeniu 2,0 do 2,2 co oznacza, że w jednej operacji można wciągnąć do kubka półfabrykat o średnicy do 2,2 średnicy stempla. Stopy aluminium mają zazwyczaj LDR wynoszące 1,8 do 2,0 , podczas gdy stal nierdzewna waha się od 1,8 do 2,1 w zależności od klasy. Części wymagające stosunku głębokości do średnicy przekraczającego LDR przy pojedynczym ciągnięciu są produkowane w wielu etapach ciągnienia z wyżarzaniem pośrednim, jeśli utwardzanie przez zgniot staje się ograniczające.

Materiały stosowane w częściach do gięcia i ciągnienia metalu

Wybór materiału do gięcia i ciągnienia części wymaga zrównoważenia odkształcalności (zdolności do poddania się wymaganemu odkształceniu bez pękania i marszczenia), wytrzymałości gotowej części, odporności na korozję i kosztu. Następujące materiały stanowią większość wielkości produkcji w różnych branżach:

Oprzyrządowanie do gięcia i rysowania: matryce, stemple i prasy

System narzędzi — matryce i stemple — jest głównym wyznacznikiem jakości części i ekonomiki produkcji w operacjach gięcia i ciągnienia. Projekt oprzyrządowania musi jednocześnie uwzględniać sprężynowanie materiału, siłę półfabrykatu, luz matrycy, promienie naroży stempla i strategię smarowania.

Narzędzia do gięcia

Oprzyrządowanie prasy krawędziowej do gięcia składa się ze stempla (narzędzie górne) i matrycy (narzędzie dolne) zamontowanych w prasie krawędziowej. Standardowe systemy narzędziowe w stylu europejskim (kompatybilne z Wila/Trumpf) wykorzystują modułowe segmenty stempli i matryc, które można konfigurować dla różnych długości części i profili bez dedykowanego niestandardowego oprzyrządowania, co znacznie zmniejsza koszty konfiguracji w przypadku produkcji krótkoseryjnej lub prototypowej. W przypadku progresywnego gięcia matrycowego na dużą skalę dla każdej geometrii części określone są specjalne narzędzia z hartowanej stali narzędziowej, przy typowej twardości stali narzędziowej 58–62 HRC aby powierzchnie robocze były odporne na zużycie przez miliony cykli.

Narzędzia do rysowania

Matryce do głębokiego tłoczenia składają się ze stempla, pierścienia matrycy i półfabrykatu, z precyzyjnym prześwitem pomiędzy stemplem a matrycą (zazwyczaj 10% do 15% większa niż grubość materiału do operacji pojedynczego pobierania), aby umożliwić przepływ metalu bez nadmiernego rozcieńczania. Promienie naroży matrycy są krytyczne: zbyt mały promień matrycy powoduje rozerwanie części na wejściu matrycy; zbyt duży promień pozwala na marszczenie. Promienie matrycy do stali zwykle wahają się od 4t do 10t (cztery do dziesięciu razy większa grubość materiału), z większymi promieniami używanymi do płytszych ciągów i mniejszymi promieniami dla ściślejszej kontroli geometrii w głębszych częściach.

Naciśnij Wybór

Do gięcia wykorzystuje się prasy krawędziowe (hydrauliczne, serwoelektryczne lub mechaniczne) o tonażu dostosowanym do grubości materiału i długości gięcia. Ogólna praktyczna zasada dotycząca gięcia stali miękkiej w kształcie litery V wymaga w przybliżeniu Siła 8 ton na metr długości gięcia na milimetr grubości materiału . W operacjach ciągnienia wykorzystywane są prasy hydrauliczne o pojedynczym lub podwójnym działaniu, w których wewnętrzny suwak napędza stempel, a zewnętrzny suwak niezależnie steruje siłą uchwytu półwyrobu – jest to zdolność niezbędna do zapewnienia spójnej kontroli kołnierza podczas głębokiego tłoczenia.

Kluczowe parametry jakościowe i metody pomiaru

Dokładność wymiarowa, integralność powierzchni i zachowanie właściwości materiału to trzy główne domeny jakości w przypadku części do gięcia i ciągnienia metalu. Każdy z nich rządzi się specyficznymi metodami pomiaru i kryteriami akceptacji określonymi na rysunkach technicznych i obowiązujących normach.

Tolerancje wymiarowe

Tolerancje kąta dla giętych części zależą od procesu: zazwyczaj osiąga się to poprzez gięcie powietrzem ±1° do ±2° , podczas osiągania dna i monetowania ±0,5° lub lepiej . Na wymiary liniowe wygiętych części wpływa sprężynowanie i zazwyczaj są one utrzymywane ±0,5 mm do ogólnych części przemysłowych i ±0,1 do ±0,2 mm do precyzyjnych zespołów wymagających dokładnego dopasowania. Części głęboko tłoczone są mierzone pod kątem zmian grubości ścianki (zwykle dopuszczalne jest ± 10% nominalnej grubości ścianki), płaskości kołnierza i całkowitej spójności wysokości.

Jakość powierzchni

Dopuszczalna jakość powierzchni części do gięcia i ciągnienia jest określona przez brak określonych wad:

• Pęknięcia na promieniach zgięcia — wskazuje na niewystarczający promień zgięcia w stosunku do plastyczności materiału lub nadmierne umocnienie przez zgniot; sprawdzane wizualnie i metodą penetracji barwnika kluczowych komponentów
• Marszczenie — zmarszczki ściskające w kołnierzu lub ściance ciągnionych części; spowodowane niewystarczającą siłą uchwytu półfabrykatu; oceniane na podstawie standardów wizualnych lub profilometrii powierzchni
• Łzawienie — pęknięcie w promieniu stempla lub wejściu matrycy w częściach ciągnionych; spowodowane nadmiernym współczynnikiem ciągnienia, niewystarczającym smarowaniem lub nieprawidłowym promieniem matrycy
• Skórka pomarańczowa — gruboziarnista tekstura powierzchni spowodowana dużym uziarnieniem materiału wyjściowego; kontrolowane poprzez specyfikację materiału i weryfikowane pod kątem standardów chropowatości powierzchni (wartości Ra)
• Szarpanie i punktowanie — ślady narzędzi powstałe w wyniku przylegania metalu do narzędzia lub zanieczyszczeń; kontrolowane poprzez zarządzanie smarowaniem i utrzymanie wykończenia powierzchni matrycy

Pomiar grubości ścianki

Pomiar grubości ścianek w wyciąganych elementach odbywa się za pomocą ultradźwiękowych mierników grubości lub pomiaru przekrojów. Krytyczna strefa pocieniania znajduje się zazwyczaj w promieniu stempla i promieniu wejścia do matrycy, gdzie naprężenie dwuosiowe jest najwyższe. W przypadku większości zastosowań konstrukcyjnych pocienienie ścianek do 20% grubości nominalnej jest akceptowalny; w przypadku części znajdujących się pod ciśnieniem lub mających kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa obowiązują bardziej rygorystyczne limity, które można potwierdzić w drodze niszczącej analizy przekroju poprzecznego próbek pierwszego artykułu.

Typowe zastosowania przemysłowe według sektorów

Części do gięcia i ciągnienia metalu są produkowane w ilościach od pojedynczych prototypów po miliardy sztuk rocznie, w praktycznie każdym sektorze produkcyjnym. Poniższe przykłady ilustrują zakres zastosowań:

Produkcja samochodów

Pojedynczy pojazd osobowy zawiera ok 200 do 300 różnych części blaszanych , większość wytwarzana przez zginanie i ciągnienie. Panele nadwozia (drzwi, maska, dach, błotniki) są ciągnione z półfabrykatów ze stali niskowęglowej lub o wysokiej wytrzymałości na dużych prasach transferowych. Elementy konstrukcyjne (słupki A, wahacze, poprzeczki) są formowane na rolkach lub stopniowo gięte w prasach wysokoobrotowych. Zbiorniki paliwa wykonane są ze stali powlekanej lub aluminium. Sektor motoryzacyjny realizuje największą na świecie obróbkę plastyczną metali, a globalna produkcja przekracza 90 milionów pojazdów rocznie.

Lotnictwa i Obrony

Ramy konstrukcyjne statków powietrznych, panele poszycia, grodzie i sekcje żeber są produkowane ze stopów aluminium (głównie serii 2xxx i 7xxx) przy użyciu procesów precyzyjnego gięcia, formowania przez rozciąganie i hydroformowania. Tolerancje w przypadku gięcia części lotniczych i kosmicznych są znacznie węższe niż w ogólnych zastosowaniach przemysłowych, przy czym często przestrzegane są tolerancje profili ±0,2 mm na częściach o skali metrowej. Rysunek dotyczy elementów zbiornika ciśnieniowego, obudów siłowników i części układu paliwowego.

Sprzęt elektroniczny i elektryczny

Obudowy, obudowy, osłony i obudowy złączy do sprzętu elektronicznego produkowane są w dużych ilościach poprzez gięcie ze stali walcowanej na zimno, aluminium lub stopów miedzi. Precyzyjne, progresywne gięcie matrycowe umożliwia produkcję skomplikowanych geometrii zamków i klipsów z szybkością ok setki części na minutę w prasach tłoczących. Rysunek jest używany do obudów akumulatorów, puszek kondensatorów i szczelnych obudów elektronicznych.

Budownictwo i Architektura

Wsporniki konstrukcyjne, panele okładzin elewacyjnych, profile dachowe, ościeżnice drzwi i kanały HVAC są produkowane poprzez gięcie ze stali ocynkowanej, aluminium lub stali nierdzewnej. Formowanie na rolkach — ciągły proces gięcia — pozwala uzyskać długie profile konstrukcyjne (płatwie, szyny, ceowniki) o stałych przekrojach poprzecznych przy dużych prędkościach produkcyjnych. Niestandardowe architektoniczne panele elewacyjne są często produkowane w małych ilościach przy użyciu gięcia na prasie krawędziowej, ze szczególną dbałością o zachowanie wykończenia powierzchni.

Urządzenia i sprzęt medyczny

Elementy narzędzi chirurgicznych, obudowy implantów, tace do sterylizacji i obudowy sprzętu diagnostycznego są ciągnione i gięte ze stali nierdzewnej (zwykle gatunku 304 lub 316L) lub stopów tytanu. Zastosowania medyczne wymagają najwyższego poziomu wykończenia powierzchni (Ra ≤ 0,8 µm dla powierzchni sąsiadujących z implantem), identyfikowalności materiału i spójności wymiarowej, co czyni je jednymi z najbardziej wymagających zastosowań w zakresie formowania metalu.

Rozważania projektowe dotyczące gięcia i rysowania części metalowych

Efektywne projektowanie części do gięcia i ciągnienia metalu wymaga wiedzy na temat ograniczeń procesu i wpływu geometrii części na zdolność produkcyjną. Kilka zasad projektowania ma zastosowanie powszechnie:

Naddatek na zgięcie i rozwinięcie półfabrykatu

Każde zagięcie dodaje długość materiału do rozwiniętego (płaskiego) półwyrobu w stosunku do nominalnych wymiarów zewnętrznych wygiętej części. Naddatek na zginanie zależy od grubości materiału, promienia zgięcia i współczynnika K (stała specyficzna dla materiału opisująca położenie osi neutralnej). Niezbędne jest dokładne obliczenie płaskiego półfabrykatu: błąd 0,5 mm w pustym wywołaniu na części z sześcioma zagięciami daje a Skumulowany błąd wymiarowy 3 mm w gotowej części – wystarczające, aby spowodować zakłócenia w montażu lub niedopuszczalną przerwę w zastosowaniach precyzyjnych.

Umiejscowienie otworów i elementów w pobliżu zakrętów

Otwory, szczeliny i wycięcia umieszczone zbyt blisko linii zgięcia ulegną odkształceniu podczas formowania, gdy metal opływa promień zgięcia. Generalnie minimalna odległość od krawędzi otworu do linii zagięcia wynosi Promień gięcia 1,5 t do otworów okrągłych i Promień zgięcia 3t dla szczelin równoległych do zagięcia. Elementy bliższe niż to minimum będą wymagały przebicia po zgięciu (dodanie operacji) lub zaakceptowania zniekształceń wokół elementu.

Narysuj zasady projektowania części

Części głęboko tłoczone podlegają określonym ograniczeniom projektowym, które określają, czy część nadaje się do wyprodukowania w określonej liczbie operacji ciągnienia:

• Stosunek głębokości do średnicy — części o głębokości przekraczającej około 75% średnicy w jednym pociągnięciu wymagają wieloetapowej obróbki w przypadku większości materiałów
• Promienie naroży na prostokątnych częściach ciągnionych — narożniki są obszarami najbardziej zdeformowanymi; promień naroża powinien wynosić co najmniej 3t do 5t aby uniknąć rozdarcia, a stosunek promienia narożnika do wysokości części powinien być większy niż 0,2, aby możliwe było pojedyncze pociągnięcie
• Kąty pochylenia — niewielkie zwężenie (0,5° do 2°) na ściankach ciągnionych części ułatwia wypychanie z matrycy i zmniejsza ryzyko przyklejenia się wypraski do stempla
• Jednolita grubość ścianki — nagłe zmiany grubości ścianki tworzą strefy koncentracji naprężeń podatne na rozrywanie; W miarę możliwości preferowane są stopniowe przejścia

Opcje wykańczania powierzchni i obróbki końcowej

Metalowe części do gięcia i ciągnienia są często poddawane obróbce powierzchni po formowaniu, która poprawia odporność na korozję, wygląd, twardość lub przydatność do późniejszych procesów, takich jak malowanie lub klejenie. Typowe operacje przetwarzania końcowego obejmują:

• Gratowanie i wykańczanie krawędzi — usuwanie ostrych krawędzi i zadziorów z ciętych krawędzi za pomocą bębnowania, szlifowania taśmowego lub zrobotyzowanego gratowania, istotne dla bezpieczeństwa operatora i dopasowania dalszego montażu
• Fosforowanie cynkowe — powłoka konwersyjna nakładana na części stalowe przed malowaniem, poprawiająca przyczepność farby i zapewniająca tymczasową ochronę przed korozją
• Galwanizacja — cynk, nikiel, chrom lub cyna osadzane elektrolitycznie na powierzchni części w celu zapewnienia odporności na korozję, twardości lub przewodności
• Anodowanie — elektrochemiczne utlenianie części aluminiowych, w wyniku którego powstaje twarda, porowata warstwa tlenku, którą można uszczelnić i zabarwić; standard dla części aluminiowych dla branży lotniczej i elektroniki użytkowej
• Malowanie proszkowe — proszek polimerowy nanoszony elektrostatycznie, utwardzany w temperaturze 180–200°C; zapewnia trwałą, jednolitą powłokę kolorystyczną o doskonałej odporności na korozję i promieniowanie UV do zastosowań architektonicznych i przemysłowych
• Pasywacja — obróbka kwasem części ze stali nierdzewnej w celu rozpuszczenia wolnego żelaza z powierzchni i przywrócenia pasywnej warstwy tlenku chromu, poprawiając odporność na korozję w zastosowaniach medycznych i mających kontakt z żywnością