Bộ phận vẽ uốn kim loại là gì?

Bộ phận vẽ uốn kim loại là các thành phần kim loại tấm được sản xuất bằng cách kết hợp hai quy trình tạo hình nguội—uốn và kéo sâu—để tạo ra các bộ phận ba chiều với các đặc điểm góc cạnh chính xác, thành cong và biên dạng rỗng từ nguyên liệu tấm kim loại phẳng. Uốn làm biến dạng kim loại dọc theo một trục thẳng để tạo ra các góc, mặt bích và rãnh, trong khi quá trình vẽ sẽ kéo tấm kim loại qua khuôn để tạo thành các cốc, hộp và các hình dạng kèm theo có chiều sâu. . Các bộ phận thu được vẫn giữ được tính toàn vẹn về cấu trúc của kim loại ban đầu trong khi đạt được các hình học phức tạp mà việc sản xuất bằng cách gia công từ vật liệu rắn sẽ không thực tế hoặc không kinh tế.

Những bộ phận này là nền tảng cho sản xuất hiện đại trong các ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ, điện tử, xây dựng và hàng tiêu dùng. Ví dụ, một thân xe chứa hàng trăm bộ phận uốn và kéo bằng kim loại - từ các tấm cửa và thanh ray trên nóc cho đến các cụm giá đỡ và vỏ bình xăng. Hiểu những bộ phận này là gì, chúng được tạo ra như thế nào và điều gì quyết định chất lượng của chúng là kiến ​​thức cần thiết cho các kỹ sư, chuyên gia thu mua và nhà sản xuất làm việc với các bộ phận kim loại tấm.

Bộ phận uốn: Định nghĩa, quy trình và hình học

Các bộ phận uốn kim loại được tạo ra bằng cách tác dụng lực lên phôi kim loại phẳng dọc theo một trục xác định, gây ra biến dạng dẻo tạo ra một góc hoặc đường cong cố định. Quá trình này không loại bỏ vật liệu; nó phân phối lại nó thông qua sức căng dẻo được kiểm soát. Bề mặt bên ngoài của chỗ uốn được đặt chịu lực căng trong khi bề mặt bên trong chịu lực nén và trục trung hòa—mặt phẳng không chịu lực căng cũng như lực nén—nằm ở khoảng xấp xỉ một phần ba đến một nửa độ dày vật liệu tính từ bề mặt bên trong , tùy thuộc vào bán kính uốn cong và tính chất vật liệu.

Phương pháp uốn sơ cấp

Một số quy trình uốn riêng biệt được sử dụng trong sản xuất công nghiệp, mỗi quy trình phù hợp với hình dạng bộ phận, độ dày vật liệu và khối lượng sản xuất khác nhau:

• Uốn chữ V (uốn khí và uốn đáy) - Quy trình phổ biến nhất; một cú đấm ép tấm kim loại thành khuôn hình chữ V. Việc uốn cong không khí dừng lại trước khi cú đấm chạm đáy, sử dụng góc lò xo để đạt được góc mục tiêu; chạm đáy dẫn động chày tiếp xúc với khuôn, tạo hình vật liệu để có độ chính xác cao hơn (±0,5° điển hình cho chạm đáy so với ±1° đến ±2° đối với uốn không khí).
• uốn chữ U — Tạo các bộ phận dạng kênh hoặc hình chữ U chỉ trong một lần sử dụng cặp chày và khuôn phù hợp. Phổ biến cho các kênh cấu trúc, khay cáp và khung bao vây.
• uốn cuộn — Ba cuộn làm biến dạng dần dần tấm hoặc tấm để tạo ra các phần cong có bán kính lớn, chẳng hạn như vỏ hình trụ, phần hình nón và các bộ phận kết cấu cong.
• Lau uốn (uốn cạnh) — Tấm giấy được kẹp và khuôn lau sẽ gấp một cạnh lại, tạo ra các mặt bích và mép quay lại. Thường được sử dụng trên máy ép phanh để tạo hình hộp và chảo.
• uốn quay — Một khuôn quay lăn trên bề mặt tấm để tạo ra các đường uốn cong với dấu vết bề mặt tối thiểu, được ưu tiên cho các vật liệu đã hoàn thiện trước hoặc nhạy cảm về mặt thẩm mỹ.

Bán kính uốn cong tối thiểu và lò xo hồi phục

Hai thông số quan trọng chi phối tính khả thi và độ chính xác của từng bộ phận uốn cong. Bán kính uốn cong tối thiểu là bán kính nhỏ nhất mà vật liệu có thể uốn cong mà không bị nứt trên bề mặt căng bên ngoài; nó thường được biểu thị dưới dạng bội số của độ dày vật liệu (t). Ví dụ, thép nhẹ (cacbon thấp) thường có bán kính uốn cong tối thiểu là 0,5t đến 1t , trong khi hợp kim nhôm có độ bền cao có thể yêu cầu 3t đến 5t bán kính tối thiểu trước khi vết nứt xảy ra.

Springback là sự phục hồi đàn hồi xảy ra khi lực uốn được giải phóng, làm cho bộ phận hơi mở ra so với góc dự định. Độ lớn đàn hồi tăng theo cường độ chảy của vật liệu và giảm khi bán kính uốn cong chặt hơn. Các kỹ sư xử lý bù đắp bằng cách uốn quá mức (sử dụng góc khuôn chặt hơn 2° đến 5° so với góc mục tiêu) hoặc bằng cách sử dụng các thao tác chạm đáy và tạo hình để giảm thiểu khả năng phục hồi đàn hồi thông qua biến dạng dẻo xuyên suốt.

Các bộ phận vẽ: Khả năng định nghĩa, quy trình và độ sâu

Các bộ phận vẽ—chính xác hơn là các bộ phận vẽ sâu—được tạo ra bằng cách ép phôi kim loại phẳng vào khoang khuôn bằng cách sử dụng chày, tạo thành hình dạng ba chiều rỗng với đáy đóng và đỉnh mở. Quá trình này kéo vật liệu mặt bích vào trong và hướng xuống dưới khuôn, làm mỏng thành một chút và làm dày mặt bích khi kim loại chảy. Vẽ là quá trình tạo hình đằng sau lon nước giải khát, dụng cụ nấu nướng, bình nhiên liệu ô tô, vỏ thiết bị y tế và hàng nghìn bộ phận kim loại rỗng khác được sản xuất với số lượng lớn.

Trình tự quá trình vẽ sâu

Một thao tác vẽ sâu hoàn chỉnh bao gồm trình tự sau:

1. Chuẩn bị trống - Một phôi hình tròn hoặc hình được cắt từ giấy bìa. Đường kính phôi được tính toán dựa trên hình dạng chi tiết được vẽ mục tiêu và giới hạn tỷ lệ bản vẽ của vật liệu.
2. Giữ trống — Một giá đỡ phôi (đệm áp lực) kẹp mặt bích của phôi vào mặt khuôn bằng áp suất được kiểm soát, ngăn ngừa sự nhăn của vật liệu mặt bích khi nó bị kéo vào trong.
3. Cú đấm xuống — chày đi xuống, ép vùng trung tâm của phôi vào khoang khuôn. Vật liệu mặt bích chảy vào trong dưới sức căng, tạo thành thành cốc.
4. Phóng một phần — Phần kéo được đẩy ra khỏi khuôn bằng cách sử dụng chốt đẩy hoặc phun khí.
5. Vẽ lại (nếu cần) — Nếu tỷ lệ độ sâu trên đường kính yêu cầu vượt quá mức có thể đạt được trong một lần vẽ, thì bộ phận đó sẽ trải qua một hoặc nhiều thao tác vẽ lại, mỗi thao tác sẽ giảm đường kính và tăng dần độ sâu.

Giới hạn tỷ lệ vẽ và khả năng định dạng

Tỷ lệ kéo giới hạn (LDR) là tỷ lệ tối đa giữa đường kính phôi và đường kính chày có thể đạt được trong một thao tác thúc mà không làm rách bộ phận. Đối với hầu hết các loại thép có hàm lượng cacbon thấp, LDR xấp xỉ 2,0 đến 2,2 , nghĩa là có thể rút phôi có đường kính chày lên tới 2,2 lần vào cốc chỉ trong một thao tác. Hợp kim nhôm thường có LDR là 1,8 đến 2,0 , trong khi thép không gỉ dao động từ 1,8 đến 2,1 tùy theo cấp bậc. Các bộ phận yêu cầu tỷ lệ chiều sâu và đường kính vượt quá LDR vẽ một lần được sản xuất ở nhiều giai đoạn kéo với quá trình ủ trung gian nếu quá trình đông cứng của sản phẩm trở nên hạn chế.

Vật liệu được sử dụng trong các bộ phận uốn và kéo kim loại

Việc lựa chọn vật liệu cho các bộ phận uốn và kéo đòi hỏi khả năng cân bằng về hình dạng (khả năng chịu biến dạng cần thiết mà không bị nứt hoặc nhăn), độ bền của bộ phận hoàn thiện, khả năng chống ăn mòn và chi phí. Các vật liệu sau đây đại diện cho phần lớn khối lượng sản xuất trong các ngành công nghiệp:

Dụng cụ uốn và kéo: Khuôn, Đục lỗ và Máy ép

Hệ thống dụng cụ—khuôn và chày—là yếu tố quyết định trung tâm đến chất lượng bộ phận và tính kinh tế sản xuất trong nguyên công uốn và kéo. Thiết kế dụng cụ phải tính đến độ đàn hồi của vật liệu, lực giữ phôi, khe hở khuôn, bán kính góc đột và chiến lược bôi trơn cùng một lúc.

Dụng cụ uốn

Dụng cụ phanh ép để uốn bao gồm một chày (dụng cụ trên) và khuôn (dụng cụ dưới) được gắn trong máy phanh ép. Các hệ thống gia công tiêu chuẩn theo phong cách Châu Âu (tương thích với Wila/Trumpf) sử dụng các phân đoạn khuôn và đột theo mô-đun có thể được cấu hình cho các chiều dài và biên dạng bộ phận khác nhau mà không cần dụng cụ tùy chỉnh chuyên dụng—giảm đáng kể chi phí thiết lập cho sản xuất nguyên mẫu hoặc sản xuất ngắn hạn. Đối với uốn khuôn lũy tiến khối lượng lớn, dụng cụ bằng thép công cụ được tôi cứng chuyên dụng được chỉ định cho từng hình dạng bộ phận, với độ cứng thép công cụ điển hình là 58–62 HRC cho các bề mặt làm việc chống mài mòn qua hàng triệu chu kỳ.

Dụng cụ vẽ

Khuôn dập sâu bao gồm một chày, vòng khuôn và giá giữ phôi, có khe hở chính xác giữa chày và khuôn (thường là Lớn hơn 10% đến 15% so với độ dày vật liệu đối với nguyên công kéo một lần) để cho phép kim loại chảy mà không bị mỏng quá mức. Bán kính góc khuôn rất quan trọng: bán kính khuôn quá nhỏ sẽ làm rách bộ phận ở lối vào khuôn; bán kính quá lớn cho phép nhăn. Bán kính khuôn của thép thường dao động từ 4t đến 10t (độ dày vật liệu gấp bốn đến mười lần), với bán kính lớn hơn được sử dụng để kéo nông hơn và bán kính nhỏ hơn để kiểm soát hình học chặt chẽ hơn ở các phần sâu hơn.

Nhấn lựa chọn

Hoạt động uốn sử dụng phanh ép (thủy lực, điện phụ hoặc cơ khí) với trọng tải phù hợp với độ dày vật liệu và chiều dài uốn. Một nguyên tắc chung cho thép nhẹ uốn chữ V yêu cầu khoảng 8 tấn lực trên mỗi mét chiều dài uốn cong trên mỗi milimet độ dày vật liệu . Hoạt động kéo sử dụng máy ép thủy lực tác động đơn hoặc tác động kép trong đó thanh trượt bên trong dẫn động chày và thanh trượt bên ngoài điều khiển lực giữ phôi một cách độc lập—một khả năng cần thiết để kiểm soát mặt bích nhất quán trong bản vẽ sâu.

Các thông số chất lượng chính và phương pháp đo lường

Độ chính xác về kích thước, tính toàn vẹn bề mặt và khả năng duy trì đặc tính vật liệu là ba lĩnh vực chất lượng chính đối với các bộ phận uốn và kéo kim loại. Mỗi phương pháp được điều chỉnh bởi các phương pháp đo lường cụ thể và tiêu chí chấp nhận được xác định trong bản vẽ kỹ thuật và các tiêu chuẩn áp dụng.

Dung sai kích thước

Dung sai góc cho các bộ phận uốn phụ thuộc vào quy trình: uốn bằng không khí thường đạt được ±1° đến ±2° , trong khi chạm đáy và tạo hình đạt được ±0,5° hoặc cao hơn . Kích thước tuyến tính trên các bộ phận bị uốn cong bị ảnh hưởng bởi độ đàn hồi và thường được giữ ở mức ±0,5 mm cho các bộ phận công nghiệp nói chung và ±0,1 đến ±0,2 mm cho các cụm lắp ráp chính xác yêu cầu lắp ráp chặt chẽ. Các bộ phận được vẽ sâu được đo để biết sự thay đổi độ dày của thành (thường là chấp nhận được ± 10% độ dày thành danh nghĩa), độ phẳng của mặt bích và tính nhất quán về chiều cao tổng thể.

Chất lượng bề mặt

Chất lượng bề mặt chấp nhận được đối với các bộ phận uốn và kéo được xác định bằng việc không có các khuyết tật cụ thể:

• Vết nứt ở bán kính uốn cong - biểu thị bán kính uốn không đủ liên quan đến độ dẻo của vật liệu hoặc độ cứng gia công quá mức; được kiểm tra bằng mắt và bằng thử nghiệm thẩm thấu thuốc nhuộm trên các thành phần quan trọng
• nếp nhăn - các nếp nhăn do nén ở mặt bích hoặc thành của các bộ phận được kéo; do lực giữ phôi không đủ; được đánh giá dựa trên các tiêu chuẩn trực quan hoặc phép đo bề mặt
• Xé rách - gãy ở bán kính chày hoặc điểm vào khuôn ở các phần được kéo; do tỷ lệ kéo quá cao, bôi trơn không đủ hoặc bán kính khuôn không chính xác
• Vỏ cam - kết cấu bề mặt thô gây ra bởi kích thước hạt lớn trong nguyên liệu ban đầu; được kiểm soát thông qua đặc điểm kỹ thuật vật liệu và được xác minh theo tiêu chuẩn độ nhám bề mặt (giá trị Ra)
• Phiêu lưu và ghi điểm - vết dụng cụ do sự bám dính hoặc mảnh vụn của kim loại với dụng cụ; được kiểm soát thông qua quản lý bôi trơn và bảo trì bề mặt khuôn

Đo độ dày của tường

Độ mỏng của tường ở các phần được vẽ được đo bằng máy đo độ dày siêu âm hoặc đo mặt cắt ngang. Vùng mỏng tới hạn thường ở bán kính chày và bán kính vào khuôn, nơi lực căng hai trục cao nhất. Đối với hầu hết các ứng dụng kết cấu, làm mỏng tường lên tới 20% độ dày danh nghĩa được chấp nhận; đối với các bộ phận chịu áp suất hoặc quan trọng về mặt an toàn, áp dụng các giới hạn chặt chẽ hơn và có thể được xác nhận bằng cách phân tích mặt cắt phá hủy của các mẫu sản phẩm đầu tiên.

Ứng dụng công nghiệp phổ biến theo ngành

Bộ phận uốn và kéo kim loại được sản xuất với số lượng khác nhau, từ nguyên mẫu đơn lẻ đến hàng tỷ chiếc mỗi năm, trên hầu hết mọi lĩnh vực sản xuất. Các ví dụ sau đây minh họa phạm vi ứng dụng:

Sản xuất ô tô

Một chiếc xe chở khách chứa khoảng 200 đến 300 bộ phận kim loại tấm riêng biệt , phần lớn được tạo ra bằng cách uốn và kéo. Các tấm thân xe (cửa, mui xe, mui xe, chắn bùn) được làm từ phôi thép có hàm lượng carbon thấp hoặc cường độ cao trong máy ép chuyển lớn. Các bộ phận kết cấu (trụ A, tấm bập bênh, thanh ngang) được tạo hình cuộn hoặc uốn cong dần dần trong máy ép tốc độ cao. Thùng nhiên liệu được làm từ thép hoặc nhôm tráng phủ. Lĩnh vực ô tô tạo ra khối lượng kim loại hình thành lớn nhất trên toàn thế giới, với sản lượng toàn cầu vượt quá 90 triệu xe mỗi năm.

Hàng không vũ trụ và quốc phòng

Khung cấu trúc máy bay, tấm vỏ, vách ngăn và phần sườn được sản xuất từ ​​hợp kim nhôm (chủ yếu là dòng 2xxx và 7xxx) bằng cách sử dụng các quy trình uốn, tạo hình kéo dài và tạo hình thủy lực chính xác. Dung sai trong các bộ phận uốn trong ngành hàng không vũ trụ chặt chẽ hơn đáng kể so với các ứng dụng công nghiệp nói chung, với dung sai biên dạng thường được giữ ở mức ±0,2mm trên các bộ phận quy mô mét. Bản vẽ được sử dụng cho các bộ phận của bình áp lực, vỏ bộ truyền động và các bộ phận của hệ thống nhiên liệu.

Thiết bị điện và điện tử

Vỏ, khung, tấm chắn và vỏ đầu nối cho thiết bị điện tử được sản xuất với số lượng lớn bằng cách uốn từ thép cán nguội, nhôm hoặc hợp kim đồng. Việc uốn khuôn lũy tiến chính xác cho phép tạo ra các hình dạng khung và kẹp phức tạp với tốc độ hàng trăm phần mỗi phút trong máy ép dập. Bản vẽ được sử dụng cho vỏ pin, hộp tụ điện và vỏ điện tử kín.

Xây dựng và Kiến trúc

Giá đỡ kết cấu, tấm ốp mặt tiền, profile mái, khung cửa và ống dẫn HVAC được sản xuất bằng cách uốn từ thép mạ kẽm, nhôm hoặc thép không gỉ. Tạo hình cuộn—một quá trình uốn liên tục—tạo ra các cấu trúc dài (xà gồ, ray, kênh) với mặt cắt ngang nhất quán ở năng suất cao. Các tấm ốp kiến ​​trúc tùy chỉnh thường được sản xuất với số lượng ít bằng cách sử dụng phương pháp uốn ép phanh với sự chú ý chi tiết đến việc bảo quản bề mặt hoàn thiện.

Thiết bị và Thiết bị Y tế

Các bộ phận của dụng cụ phẫu thuật, vỏ cấy ghép, khay khử trùng và vỏ thiết bị chẩn đoán được kéo và uốn từ thép không gỉ (thường là loại 304 hoặc 316L) hoặc hợp kim titan. Các ứng dụng y tế đòi hỏi mức độ hoàn thiện bề mặt cao nhất (Ra ≤ 0,8 µm đối với các bề mặt liền kề với bộ phận cấy ghép), truy xuất nguồn gốc vật liệu và tính nhất quán về kích thước, khiến chúng trở thành một trong những ứng dụng tạo hình kim loại có yêu cầu khắt khe nhất.

Những cân nhắc về thiết kế cho các bộ phận uốn và kéo kim loại

Thiết kế hiệu quả các bộ phận uốn và kéo kim loại đòi hỏi kiến thức về các hạn chế của quy trình và hình dạng bộ phận ảnh hưởng như thế nào đến khả năng sản xuất. Một số quy tắc thiết kế được áp dụng phổ biến:

Phụ cấp uốn cong và phát triển trống

Mỗi lần uốn sẽ tăng thêm chiều dài vật liệu cho phôi (phẳng) đã phát triển so với kích thước bên ngoài danh nghĩa của phần uốn. Mức cho phép uốn cong này phụ thuộc vào độ dày vật liệu, bán kính uốn cong và hệ số K (hằng số cụ thể của vật liệu mô tả vị trí trục trung hòa). Tính toán trống phẳng chính xác là điều cần thiết: sai số của 0,5 mm trong quá trình phát triển phôi trên một phần có sáu chỗ uốn dẫn đến một Lỗi kích thước tích lũy 3 mm ở phần hoàn thiện—đủ để gây ra sự cản trở trong lắp ráp hoặc khe hở không thể chấp nhận được trong các ứng dụng chính xác.

Vị trí lỗ và tính năng gần các khúc cua

Các lỗ, rãnh và vết cắt được đặt quá gần đường uốn cong sẽ bị biến dạng trong quá trình tạo hình khi kim loại chảy quanh bán kính uốn cong. Khoảng cách tối thiểu từ mép lỗ đến đường uốn thường là Bán kính uốn cong 1,5t cho các lỗ tròn và bán kính uốn cong 3t đối với các khe song song với chỗ uốn cong. Các đối tượng gần hơn mức tối thiểu này sẽ yêu cầu xỏ lỗ sau uốn (thêm thao tác) hoặc chấp nhận biến dạng xung quanh đối tượng.

Vẽ quy tắc thiết kế phần

Các bộ phận được vẽ sâu phải tuân theo các ràng buộc thiết kế cụ thể để xác định xem một bộ phận có thể sản xuất được trong một số thao tác vẽ nhất định hay không:

• Tỷ lệ chiều sâu và đường kính - các bộ phận có độ sâu vượt quá khoảng 75% đường kính trong một lần rút yêu cầu xử lý nhiều giai đoạn đối với hầu hết các vật liệu
• Bán kính góc trên các phần được vẽ hình chữ nhật - các góc là vùng bị biến dạng nặng nề nhất; bán kính góc ít nhất phải bằng 3t đến 5t để tránh bị rách và tỷ lệ bán kính góc với chiều cao bộ phận phải lớn hơn 0,2 để có tính khả thi cho việc vẽ một lần
• Góc nháp — độ côn nhẹ (0,5° đến 2°) trên thành của các bộ phận được kéo tạo điều kiện cho việc đẩy ra khỏi khuôn và giảm nguy cơ bộ phận dính vào chày
• Độ dày tường đồng đều - những thay đổi đột ngột về độ dày thành tạo ra các vùng tập trung ứng suất dễ bị rách; chuyển đổi dần dần được ưu tiên bất cứ khi nào có thể

Tùy chọn hoàn thiện bề mặt và xử lý sau

Các bộ phận uốn và kéo kim loại thường được xử lý bề mặt sau tạo hình để tăng cường khả năng chống ăn mòn, hình thức, độ cứng hoặc sự phù hợp cho các quá trình tiếp theo như sơn hoặc liên kết. Các hoạt động xử lý hậu kỳ phổ biến bao gồm:

• Làm mờ và hoàn thiện cạnh - loại bỏ các cạnh sắc và gờ khỏi các cạnh cắt bằng cách nhào lộn, mài đai hoặc mài nhẵn bằng rô-bốt, cần thiết cho sự an toàn của người vận hành và sự lắp ráp phù hợp ở phía sau
• kẽm photphat - lớp phủ chuyển đổi được áp dụng cho các bộ phận thép trước khi sơn, cải thiện độ bám dính của sơn và cung cấp khả năng chống ăn mòn tạm thời
• mạ điện - mạ kẽm, niken, crom hoặc thiếc trên bề mặt bộ phận để chống ăn mòn, độ cứng hoặc độ dẫn điện
• Anodizing - quá trình oxy hóa điện hóa các bộ phận bằng nhôm tạo ra lớp oxit cứng, xốp có thể được bịt kín và nhuộm; tiêu chuẩn cho các bộ phận nhôm hàng không và điện tử tiêu dùng
• Sơn tĩnh điện - bột polyme sơn tĩnh điện được xử lý ở nhiệt độ 180–200°C; cung cấp lớp phủ bền màu, đồng đều với khả năng chống ăn mòn và tia cực tím tuyệt vời cho các ứng dụng kiến trúc và công nghiệp
• Sự thụ động — xử lý axit các bộ phận bằng thép không gỉ để hòa tan sắt tự do trên bề mặt và khôi phục lớp oxit crom thụ động, cải thiện khả năng chống ăn mòn cho các ứng dụng y tế và tiếp xúc với thực phẩm