Lựa chọn các giải pháp hình thành kim loại tối ưu là một quyết định quan trọng trong sản xuất, vì nó trực tiếp quyết định chất lượng bộ phận (ví dụ: tính toàn vẹn cấu trúc, độ chính xác chiều), hiệu quả sản xuất (thời gian chu kỳ, năng suất vật liệu) và tổng chi phí sở hữu (TCO) - từ đầu tư công cụ cho đến sau chế biến. Quyết định này không tầm thường trong các trường hợp sử dụng: cho dù phát triển các nguyên mẫu khối lượng thấp cho các thành phần hàng không vũ trụ, mở rộng các bộ phận ô tô khối lượng cao hoặc chế tạo các thiết bị y tế chính xác. Dưới đây là một phân tích kỹ thuật có cấu trúc về các nền tảng hình thành kim loại, phân loại quy trình, tiêu chí lựa chọn và công nghệ tiên tiến để hướng dẫn ra quyết định dựa trên dữ liệu.
Hình thành kim loại là một quá trình biến dạng nhựa định hình lại các phản phẩm kim loại (tấm, thanh, ống hoặc billet) bằng cách sử dụng lực cơ học - mà không cần thêm / loại bỏ vật liệu - thành các thành phần hình lưới hoặc gần hình lưới. Lợi thế cốt lõi của nó nằm trong việc bảo tồn tính toàn vẹn vật liệu (ví dụ: sự sắp xếp dòng chảy hạt, tăng cường độ bền kéo) so với các quy trình trừ (ví dụ: gia công). Các nguyên tắc chính quản lý thành công bao gồm:
- Khả năng định dạng: Khả năng biến dạng của vật liệu mà không bị nứt, được định lượng bằng các số liệu như độ dài khi phá vỡ (ví dụ: nhôm 6061-T6 có độ dài ~ 10%, thích hợp cho việc định dạng vừa phải; thép carbon thấp 1018 có ~ 25%, lý tưởng cho việc vẽ sâu).
- Căng thẳng dòng chảy: Lực lượng cần thiết để bắt đầu biến dạng nhựa (thay đổi theo nhiệt độ - ví dụ, hình thành nóng làm giảm căng thẳng dòng chảy cho thép bền cao như AHSS).
- Phân phối căng thẳng: căng thẳng / căng thẳng đồng nhất trong quá trình hình thành ngăn chặn lỗi (ví dụ: nhăn nhăn trong vẽ, spring back trong uốn cong).
2. Phân loại các quy trình hình thành kim loại
Quá trình hình thành kim loại được phân loại theo hình học phận làm việc, cơ chế biến dạng và nhiệt độ. Dưới đây là một phân tích kỹ thuật của các quy trình cốt lõi, các nguyên tắc hoạt động của chúng và các ứng dụng công nghiệp:
2.1 Hình thành kim loại tấm (cho vật liệu phẳng, mỏng: dày 0,1-10 mm)
Tập trung vào việc định hình lại tấm kim loại thành cấu trúc 3D; quan trọng cho ô tô, HVAC và điện tử tiêu dùng.
- Uốn: Biến dạng kim loại dọc theo một trục tuyến tính, với ba kỹ thuật chính:
- Uốn không khí: Sử dụng tiếp xúc một phần để đạt được các góc biến đổi (ví dụ: 90 °-135 °) với thay đổi công cụ tối thiểu; dung sai điển hình: ± 0,1 mm cho các ứng dụng chính xác.
- Bên dưới: Liên hệ đầy đủ cho các góc cố định; lực cao hơn so với uốn cong không khí nhưng khả năng lặp lại tốt hơn (dung sai: ± 0,05 mm).
- Đồng xu: Áp suất cực đoan (1.000-3.000 MPa) để nhúng chi tiết die (ví dụ: logo); được sử dụng cho các bộ phận chính xác cao như tiếp xúc điện.
- Stretching: kéo tấm kim loại trên một cú đấm để tăng diện tích bề mặt; đòi hỏi căng thẳng đồng nhất để tránh cổ (làm mỏng địa phương). Áp dụng cho các tấm cơ thể ô tô (ví dụ: mũ) và da máy bay.
- Vẽ: Kéo một tấm kim loại trống vào một khoang chết đóng; Phân loại theo chiều sâu:
- Vẽ nông (chiều sâu < đường kính trống): Được sử dụng cho máy giặt, chậu.
- Vẽ sâu (chiều sâu > đường kính trống): Sản xuất các bộ phận hình trụ / rỗng (ví dụ: hộp, xi lanh thủy lực); yêu cầu rút hạt để kiểm soát dòng chảy vật liệu và ngăn chặn nhăn nhăn.
2.2 Định dạng số lượng lớn chính xác (cho vật liệu đo dày: > 10 mm; thanh, billets)
Được sử dụng cho các thành phần chịu tải bền cao; ưu tiên tính toàn vẹn cấu trúc hơn kết thúc bề mặt.
- Rèn: Hình dạng kim loại thông qua lực nén địa phương; Được phân loại theo nhiệt độ:
- Rèn nóng (600-1.200 ° C, tùy thuộc vào hợp kim): Giảm căng thẳng dòng chảy cho kim loại cứng (ví dụ: titan, thép hợp kim); được sử dụng cho trục khai, lưỡi tua bin.
- Rèn lạnh (nhiệt độ phòng): Cung cấp dung sai chặt chẽ (± 0,02 mm) và bề mặt mịn; lý tưởng cho các thiết bị dính (bu lông, hạt) và cấy ghép y tế.
- Dập: Một quy trình đa hoạt động, khối lượng cao (đâm, trống, dập nổi) bằng cách sử dụng die tiến bộ; Thời gian chu kỳ lên đến 500 phần mỗi phút (ppm). Quan trọng cho khung ghế ô tô, kết nối điện.
2.3 Quá trình hình thành chuyên ngành
Giải quyết nhu cầu niche (ví dụ: hình học phức tạp, vật liệu kỳ lạ):
- Đúc: Lưu ý: Mặc dù về mặt kỹ thuật là một quá trình lắng xuống vật liệu (không phải hình thành nhựa), nó thường được bao gồm cho các hình dạng phức tạp (ví dụ: khối động cơ) nơi hình thành không thực tế. Sử dụng kim loại nóng chảy đổ vào khuôn; độ chính xác hạn chế (dung sai: ± 0,5-1 mm) nhưng chi phí dụng cụ thấp cho các chuyến chạy khối lượng thấp.
3. Tiêu chí lựa chọn quan trọng cho các giải pháp tạo kim loại
Các yếu tố kỹ thuật và kinh tế phải được cân nhắc để phù hợp các quy trình với mục tiêu dự án. Dưới đây là một khuôn khổ định lượng:
Các tiêu chuẩn kỹ thuật | Technical considerations
|-----------------------------|---------------------------------------------------------------------------------------------|
Đặc tính vật liệu - Độ dịu: Kim loại có độ dịu thấp (ví dụ: magiê) yêu cầu hình thành nóng; khả năng đàn hồi cao (ví dụ: đồng) phù hợp với hình thành lạnh. Căng thẳng dòng chảy: Hợp kim cường độ cao (ví dụ: Inconel) cần lực thủy lực / khí nén (so với cơ khí cho thép carbon thấp). |
Phức tạp của bộ phận - Hình học đơn giản (ví dụ: dấu ngoặc): Uốn / dập (chi phí công cụ thấp). Hình dạng phức tạp (ví dụ: bộ phận thải ô tô): Thủy hình hoặc rèn (phân phối căng thẳng tốt hơn). <br>- Cấu trúc rỗng: Thủy hình ống (tránh đường hàn). |
Khối lượng sản xuất - Khối lượng thấp (<1.000 bộ phận): Uốn hoặc đúc bằng tay (đầu tư công cụ tối thiểu). Khối lượng trung bình (1.000-100.000 bộ phận): Máy ép thủy lực (cân bằng chi phí / tốc độ). - Khối lượng cao (> 100.000 phần): Dập dập hoặc hình thành cuộn (thời gian chu kỳ > 100 ppm). |
Yêu cầu chính xác - Kháng dung < ± 0,05 mm: Rèn lạnh, dập chính xác hoặc uốn CNC. <br> - Kháng dung ± 0,1-0,5 mm: Uốn cong không khí, rèn nóng. <br> - Kháng dung > ± 0,5 mm: Đúc hoặc hình thành thủ công. |
Chi phí điều khiển | - Chi phí công cụ: Dập die ($ 50k - $ 500k) so với die uốn cong ($ 5k - $ 20k). <br>- Nhiệm suất vật liệu: Hình dạng (90-95% năng suất) so với gia công (60-70% năng suất). <br>- Thời gian chu kỳ: Dập (100 + ppm) so với rèn (5-10 ppm). |
4. Công nghệ hình thành kim loại tiên tiến
Các công nghệ mới nổi giải quyết các hạn chế của các quy trình truyền thống (ví dụ: hình học phức tạp, chất thải vật liệu):
4.1 Thủy hình
Sử dụng chất lỏng thủy lực áp suất cao (10-100 MPa) để ép vật liệu vào mẫu; hai biến thể:
- Tấm Hydroforming: Hình thành các bộ phận tấm phức tạp (ví dụ: bên trong cửa ô tô) với độ dày đồng nhất (giảm nhăn so với vẽ).
- Hình dạng ống: Hình dạng ống kim loại thành cấu trúc 3D (ví dụ: đường ray khung xe hơi) mà không có khe, cải thiện độ cứng cấu trúc.
4.2 Cuộn hình thành
Một quá trình liên tục trong đó tấm kim loại đi qua các bộ cuộn tiến bộ để hình thành các cắt ngang nhất quán (ví dụ: kênh C, mái kim loại). Lợi thế:
- Chiều dài phần không giới hạn (so với phanh báo chí, được giới hạn bởi kích thước giường).
- Chất thải vật liệu thấp (95 +% năng suất) và tốc độ cao (lên đến 30 m / phút).
4.3 Sản xuất phụ gia (AM) để tạo kim loại
Trong khi AM là một quá trình lắng nghỉ, nó bổ sung hình thành thông qua sản xuất lai:
- 3D in hình dạng gần lưới preforms (ví dụ: khung dấu tối ưu hóa topology) để giảm lực hình thành và sử dụng vật liệu.
- Công cụ in (ví dụ: khuôn tùy chỉnh cho hình thành khối lượng thấp) để cắt giảm thời gian dẫn từ tuần đến ngày.
In trực tiếp các bộ phận phức tạp (ví dụ như cấy ghép y tế) không thể hình thành thông qua các phương pháp truyền thống.
