Poradnik: Tłoczenie metali a obróbka CNC

Wybór między tłoczeniem metali a obróbką CNC to nie tylko kwestia kosztów. Ma on wpływ na geometrię, tolerancje, dobór materiału, czas realizacji, ryzyko związane z oprzyrządowaniem oraz to, jak łatwo będzie można później zmodyfikować projekt.

Tłoczenie metali zazwyczaj lepiej sprawdza się w przypadku prostych, cienkich elementów blaszanych produkowanych w dużych ilościach. Obróbka CNC zwykle sprawdza się lepiej w przypadku prototypów, małych i średnich serii, elementów o wąskich tolerancjach, grubszych materiałów oraz skomplikowanej geometrii 3D. Trudność polega na tym, by określić, gdzie dany element plasuje się wśród tych przypadków.

W niniejszym przewodniku porównano oba procesy pod kątem wykonalności produkcyjnej.

Czym różni się tłoczenie metali od obróbki CNC i dlaczego wybór tej jednej z tych metod ma znaczenie

Tłoczenie metalu jako proces formowania na zimno elementów z blachy

Tłoczenie metalu to proces formowania na zimno. Prasa wciska blachę do matrycy lub przez nią, nadając jej pożądany kształt. Materiał nie jest usuwany w taki sam sposób jak podczas obróbki skrawaniem. Zamiast tego jest on cięty, gięty, przebijany, ciągniony lub formowany pod wpływem siły.

Tłoczenie najlepiej sprawdza się w przypadku elementów z blachy o stosunkowo jednolitej grubości. Do typowych elementów tłoczonych należą wsporniki, zaciski, osłony, osłony ochronne, obudowy, panele oraz płaskie półfabrykaty z otworami lub zagięciami.

Główną cechą ekonomiczną tłoczenia jest matryca. Matryca do tłoczenia może kosztować tysiące dolarów jeszcze przed rozpoczęciem produkcji. Przykładowe porównania kosztów w branży wskazują, że w jednym scenariuszu koszt oprzyrządowania wynosi około $5,000 USD, a w innym – od $6,000 do $15,000 USD w przypadku matryc progresywnych lub złożonych. Liczby te mają charakter wyłącznie przykładowy, ale ilustrują podstawową zależność: wysokie początkowe koszty oprzyrządowania przy niskim koszcie jednostkowym przy dużej wielkości produkcji.

Obróbka CNC jako proces subtraktywny stosowany w przypadku bryłowych półfabrykatów i elementów wymagających precyzyjnej obróbki

Według Program Partnerstwa na rzecz Rozwoju Przemysłu (MEP) instytutu NIST, Procesy obróbki CNC zalicza się do metod produkcji subtraktywnej, w których materiał jest usuwany z bryły za pomocą zaprogramowanych ścieżek narzędzia, operacji skrawania oraz kontrolowanych parametrów obróbki. Do głównych operacji należą frezowanie, toczenie, wiercenie, wytaczanie i gwintowanie.

Obróbka CNC jest często stosowana, gdy element wymaga skomplikowanej geometrii 3D, wnęk, zmiennej grubości, elementów o wąskich tolerancjach lub detali trudnych do wykonania z blachy.

Struktura kosztów różni się od tej stosowanej w tłoczeniu. Obróbka CNC zazwyczaj wiąże się ze znacznie niższymi kosztami związanych z dedykowanym oprzyrządowaniem. Wymaga ona wprawdzie programowania, ustawiania, przyrządów mocujących, narzędzi i kontroli jakości, ale nie wymaga dedykowanej matrycy tłoczącej dla każdego projektu. Dzięki temu obróbka CNC sprawdza się w przypadku prototypów i produkcji małoseryjnej.

Dlaczego wybór procesu wpływa na koszty, tolerancję, czas realizacji i elastyczność projektową

Niewłaściwy proces może sprawić, że wykonanie danej części stanie się zbyt kosztowne, zbyt czasochłonne lub zbyt ryzykowne.

Jeśli nabywca zdecyduje się na obróbkę CNC w przypadku prostego wspornika z blachy, którego produkcja później osiągnie duże nakłady, koszt jednostkowy może pozostać wyższy niż to konieczne. Jeśli nabywca zbyt wcześnie zdecyduje się na tłoczenie, koszt matrycy może pójść na marne w przypadku zmian w projekcie.

Odpowiedniość tolerancji należy oceniać na podstawie rodzaju cechy, a nie całej części. Porównując tłoczenie z obróbką skrawaniem, należy rozpatrywać oddzielnie profil zewnętrzny, położenie otworów względem siebie, kąt uformowany, płaskość, średnicę otworu, jakość gwintu oraz powierzchnie uszczelniające. Tłoczenie może być odpowiednie w przypadku elementów blaszanych i geometrii formowanej, natomiast obróbkę skrawaniem wybiera się zazwyczaj w przypadku precyzyjnych otworów, gwintów, ścisłej kontroli położenia oraz krytycznych powierzchni styku. Należy potwierdzić z dostawcą możliwości wykonania dla konkretnego materiału, konstrukcji narzędzia, układu odniesienia oraz metody kontroli.

Tabela: porównanie tłoczenia metali i obróbki CNC w skrócie

Wykonalność: Czy dany element można wykonać metodą tłoczenia lub obróbki CNC?

W jaki sposób stopień złożoności części wpływa na wybór między tłoczeniem a obróbką skrawaniem

Złożoność detalu stanowi jeden z pierwszych kryteriów selekcji. W tłoczeniu termin “złożony” nie oznacza jedynie, że detal wygląda na skomplikowany. Matryce progresywne pozwalają na wykonanie wielu operacji w ramach jednego narzędzia, w tym wycinania, wykrawania, gięcia i formowania. Kluczową kwestią jest to, czy dane elementy można uzyskać z blachy za pomocą operacji formowania i cięcia.

Tłoczenie zazwyczaj nadaje się do produkcji części o:

• Jednolita grubość
• Geometria płaska lub o niewielkim wygięciu
• Otwory, szczeliny, wypustki, zagięcia i proste kształty
• Elementy powtarzalne, które można wbudować w matrycę
• Wymagania dotyczące stabilnej konstrukcji

Obróbka CNC pozwala na dopasowanie elementów o:

• Kieszenie i wnęki
• Zmienna grubość ścianki
• Złożone kontury 3D
• Gwinty, otwory i otwory precyzyjne
• Elementy na wielu ścianach
• Powierzchnie krytyczne, które wymagają kontrolowanych ścieżek narzędzia

Oto, w jaki sposób złożoność detalu wpływa na wybór między tłoczeniem a obróbką skrawaniem: tłoczenie dobrze sprawdza się w przypadku powtarzalnych kształtów blach, natomiast obróbka CNC lepiej radzi sobie z większą swobodą geometryczną.

Ograniczenia dotyczące grubości materiału w tłoczeniu metali w porównaniu z obróbką skrawaniem

Wybór materiału powinien zależeć od zastosowania i warunków eksploatacji, a nie wyłącznie od grubości. Stal niskowęglowa, stal nierdzewna, aluminium i stopy miedzi różnią się pod względem plastyczności, sprężystości powrotnej, utwardzania przez odkształcenie, ryzyka powstawania śladów na powierzchni oraz wymaganego nacisku, natomiast stopy utwardzone lub o bardzo wysokiej wytrzymałości mogą wymagać obróbki skrawaniem lub zastosowania innego procesu. Kierunek ziarna i stan utwardzenia mogą również wpływać na spójność gięcia i powtarzalność wymiarów.

W przypadku tłoczenia metali granice grubości materiału, w odróżnieniu od obróbki skrawaniem, nie są określone jedną uniwersalną wartością. Zależą one od wytrzymałości materiału, rozmiarów detalu, konstrukcji matrycy, wydajności prasy, promienia gięcia oraz głębokości formowania. Cienka aluminiowa pokrywa może nadawać się do tłoczenia. Gruby detal z głębokimi wgłębieniami, występami i otworami gwintowanymi zazwyczaj lepiej poddaje się obróbce skrawaniem.

Jeśli gotowego elementu nie można opisać przede wszystkim jako elementu z blachy tłoczonej, należy w dalszej ocenie uwzględnić obróbkę CNC.

Elementy konstrukcyjne, które trudno wykonać metodą tłoczenia

Niektóre cechy zwiększają ryzyko związane z tłoczeniem lub sprawiają, że projekt wymaga obróbki CNC.

Do cech konstrukcyjnych, które trudno wykonać metodą tłoczenia, należą:

• Głębokie kieszenie czy ubytki
• Podcięcia
• Obszary o zmiennej grubości
• Otwory precyzyjne
• Nici
• Grube występy
• Ostre narożniki wewnętrzne
• Powierzchnie obrabiane z wielu stron
• Bardzo wąskie tolerancje położeniowe dla elementów krytycznych

Tłoczenie może wprawdzie nadal służyć do uzyskania podstawowego kształtu, jednak elementy te często wymagają dodatkowej obróbki skrawaniem lub zmiany procesu.

Proces hybrydowy ma sens tylko wtedy, gdy element tłoczony można powtarzalnie ustalić w celu obróbki, a strategia wyznaczania punktów odniesienia jest z góry określona. Różnice w kształcie, naprężenia szczątkowe, stan zadziorów oraz dostępny materiał do obróbki wykańczającej – wszystkie te czynniki mają wpływ na to, czy obróbka wtórna pozwoli zachować wymagane cechy. Jeśli pozycjonowanie i kontrola cech zależą od niestabilnych powierzchni uformowanych, obróbka hybrydowa może generować dodatkowe koszty bez zmniejszenia ryzyka.

Kiedy obróbka CNC jest lepsza niż tłoczenie metalu

Obróbka CNC jest lepszym rozwiązaniem niż tłoczenie metalu, gdy projekt wciąż ulega zmianom, wielkość zamówienia jest niewielka, wymagania dotyczące tolerancji są rygorystyczne lub części nie da się efektywnie wykonać z blachy.

Rozwiązanie to sprawdza się również w sytuacjach, gdy koszt matrycy tłoczącej nie może zostać pokryty dzięki wielkości produkcji. Jeśli potrzeba zaledwie kilkuset części, koszt oprzyrządowania może stanowić znaczną część całkowitego kosztu. Obróbka CNC pozwala uniknąć ryzyka związanego z kosztami nieodzyskiwalnymi oprzyrządowania i umożliwia wprowadzanie zmian projektowych przy znacznie mniejszych stratach.

Jak działa każdy z tych procesów i co to oznacza dla projektowania

Tłoczenie za pomocą matryc progresywnych, matryce złożone, wycinanie, wykrawanie, gięcie i formowanie

W procesie tłoczenia można stosować różne rodzaje matryc. Prosta matryca może wykonywać jedną operację. Matryca złożona może wykonywać więcej niż jedną operację w ramach jednego skoku prasy. Matryca progresywna przesuwa taśmę blachy przez sekwencję stanowisk, przy czym na każdym stanowisku dodawany jest kolejny element.

Do typowych operacji tłoczenia należą:

• Wycinanie: wycinanie zewnętrznego konturu
• Wykrawanie: wykonywanie otworów lub szczelin
• Gięcie: formowanie kołnierzy lub kątowników
• Formowanie: nadawanie blachy profilu trójwymiarowego
• Przebijanie: wykonywanie niewielkich otworów
• Wytłaczanie lub lokalne formowanie: tworzenie lokalnych wgłębień lub elementów

Z punktu widzenia projektowania oznacza to, że elementy powinny być rozmieszczone w taki sposób, aby można je było wykonać w ramach jednej sekwencji matrycowej. Przy projektowaniu części należy również uwzględnić sprężystość powrotną, kierunek powstawania zadziorów, zachowanie podczas gięcia oraz układ taśmy.

Frezowanie CNC, toczenie, wiercenie, ścieżki narzędzi, mocowanie obrabianych elementów i ustawianie

Obróbka CNC rozpoczyna się od programowania CAD/CAM i planowania procesu. Dostawca określa ścieżki narzędzi, dobiera narzędzia skrawające, planuje mocowanie detalu oraz ustala, ile ustawień jest potrzebnych.

Przez „ustawienie” rozumie się każdą operację, podczas której element musi zostać umieszczony i zamocowany w maszynie. Większa liczba ustawień często wiąże się z wyższymi kosztami i większym ryzykiem kumulacji tolerancji. Element posiadający elementy konstrukcyjne na kilku powierzchniach może wymagać wielu ustawień, chyba że jest obrabiany na bardziej zaawansowanym sprzęcie.

W zakresie projektowania elementy przystosowane do obróbki CNC powinny unikać niepotrzebnych głębokich i wąskich wnęk, trudno dostępnych powierzchni oraz wyjątkowo wąskich tolerancji tam, gdzie nie są one konieczne. Standardowy dostęp dla narzędzi oraz dobre powierzchnie mocujące pomagają obniżyć koszty.

Problemy związane z jakością zadziorów i krawędzi w elementach tłoczonych w porównaniu z elementami obrabianymi maszynowo

Różnice w jakości zadziorów i krawędzi między elementami tłoczonymi a obrabianymi mechanicznie zależą od zastosowanego procesu.

Wytłoczone krawędzie są ścinane. Na krawędzi mogą występować obszary zawinięcia, wypolerowania, pęknięcia oraz zadziorów. Kierunek zadziorów i stan krawędzi mają wpływ na dopasowanie podczas montażu, siłę wciskania, przyczepność powłoki, szczelność, bezpieczeństwo obsługi oraz ryzyko zmęczenia materiału. Wpływają one również na to, czy konieczne są dodatkowe etapy usuwania zadziorów, zaokrąglania krawędzi lub kontroli. Przed sporządzeniem oferty nabywcy powinni potwierdzić dopuszczalny stan zadziorów, orientację krawędzi oraz metodę usuwania zadziorów w przypadku elementów krytycznych.

Na obrabianych krawędziach mogą również występować zadziory, zwłaszcza przy wylotach otworów, w miejscach przecięcia elementów oraz na ostrych krawędziach. Na obrabianych powierzchniach mogą być widoczne ślady po narzędziach. Jeśli element wymaga określonego wyglądu lub powierzchni uszczelniającej, konieczne może być wykonanie operacji wykańczających.

Należy na wczesnym etapie przeanalizować kompromisy dotyczące wykończenia powierzchni między elementami tłoczonymi a obrabianymi maszynowo. Tłoczenie pozwala zachować powierzchnię blachy na dużych obszarach, ale krawędzie cięcia mogą wymagać dodatkowej uwagi. Obróbka CNC pozwala uzyskać powierzchnie o kontrolowanej jakości, jednak ślady po narzędziach i konieczność gratowania nadal mają znaczenie.

Schemat procesu: formowanie blachy a cięcie materiału z półfabrykatów

• Tłoczenie metali
  Blacha w zwoju lub półfabrykat
  ↓
  Matraca i prasa wywierają siłę
  ↓
  Wycinanie / wykrawanie / gięcie / formowanie
  ↓
  Element z tłoczonej blachy

• Obróbka CNC

Pręt / płyta / kęs

↓

Uchwyty robocze i ścieżki narzędzi CNC

↓

Frezowanie / toczenie / wiercenie

↓

Część wykonana z litego materiału metodą obróbki skrawaniem

Różnica w procesie determinuje różnicę w konstrukcji. Tłoczenie nadaje blachie określony kształt. Obróbka CNC polega na usuwaniu materiału aż do uzyskania wymaganej geometrii.

Zalety i ograniczenia poszczególnych procesów

Kiedy elementy tłoczone są tańsze od elementów obrabianych maszynowo

Części tłoczone stają się opłacalne dopiero wtedy, gdy całkowity koszt programu porównuje się na zasadzie „jak za jak”. Należy porównać koszt matrycy, koszt jednostkowy, ilość odpadów, usuwanie zadziorów, kontrolę jakości, powlekanie, konserwację, osprzęt oraz przewidywane zmiany konstrukcyjne, a nie tylko samą cenę jednostkową.

Prostym sposobem sprawdzenia progu rentowności jest następujące równanie: wielkość progu rentowności = koszt oprzyrządowania do tłoczenia ÷ (koszt jednostkowy obróbki skrawaniem – koszt jednostkowy tłoczenia). Punkt przełamania nadal zależy od geometrii, wykorzystania taśmy, operacji dodatkowych oraz wiarygodności prognozy.

Ograniczenia tłoczenia metali w przypadku produkcji małoseryjnej

Głównym ograniczeniem tłoczenia metali w przypadku produkcji małoseryjnej jest amortyzacja oprzyrządowania. Jeśli matryca kosztuje tysiące dolarów, a potrzeba zaledwie kilkuset sztuk, koszt oprzyrządowania w przeliczeniu na jedną sztukę może okazać się zbyt wysoki.

Mała wielkość produkcji zwiększa również ryzyko związane z projektowaniem. Wstępne projekty często ulegają zmianom po wykonaniu prototypów testowych. W przypadku obróbki CNC zmianę w projekcie CAD często można wprowadzić poprzez aktualizację oprogramowania. W przypadku tłoczenia zmiana może wymagać przeróbki matrycy lub wykonania nowego narzędzia.

Dlaczego koszty oprzyrządowania sprawiają, że tłoczenie nie nadaje się do produkcji prototypów

Koszty oprzyrządowania sprawiają, że tłoczenie nie nadaje się do produkcji prototypów, ponieważ prototypy służą do zdobywania wiedzy. Po przeprowadzeniu testów może zaistnieć konieczność wprowadzenia zmian w projekcie dotyczących otworów, zagięć, grubości lub tolerancji.

W przypadku matrycy do tłoczenia konieczne jest ustalenie ostatecznego projektu. Wykonanie oprzyrządowania przed ustabilizowaniem projektu może spowodować utrwalenie błędów. Z tego powodu wiele zespołów tworzy prototypy za pomocą obróbki CNC, weryfikuje zapotrzebowanie i funkcjonalność, a dopiero po ustabilizowaniu projektu i wielkości produkcji przechodzi do tłoczenia.

Kompromisy dotyczące wykończenia powierzchni między elementami tłoczonymi a obrabianymi maszynowo

Części tłoczone często zachowują pierwotną powierzchnię blachy na szerokich powierzchniach czołowych. Najważniejsze obszary, które należy sprawdzić, to krawędzie cięcia i obszary poddane formowaniu. Formowanie może zmienić wygląd, a zadziory mogą wpływać na dopasowanie lub bezpieczeństwo.

W przypadku elementów obrabianych maszynowo można uzyskać kontrolowaną jakość powierzchni w określonych miejscach, jednak obróbka skrawaniem pozostawia ślady po narzędziach. Jakość powierzchni może zależeć od doboru narzędzia, posuwów, prędkości obrotowych oraz dodatkowej obróbki wykańczającej. Jeśli element posiada powierzchnie uszczelniające, powierzchnie styku lub musi spełniać wymagania estetyczne, wymagania dotyczące jakości powierzchni należy powiązać z odpowiednim etapem procesu.

Typowe scenariusze niepowodzeń i ryzyko związane z podejmowaniem decyzji

Ryzyko związane z wyborem tłoczenia w przypadku zmian projektowych

Największym ryzykiem związanym z zbyt wczesnym podjęciem decyzji o tłoczeniu są koszty zmian projektowych. Niewielka zmiana w projekcie CAD może być łatwa do zrealizowania w obróbce CNC, ale kosztowna w przypadku tłoczenia, jeśli wymaga modyfikacji matrycy.

Zmiany mające wpływ na położenie otworów, geometrię zagięcia, profil zewnętrzny, głębokość wykroju lub grubość materiału mogą wymagać modyfikacji narzędzia. Jeśli zmiana jest znaczna, może zaistnieć potrzeba zastosowania nowej matrycy. Dlatego stabilność projektu jest jednym z najważniejszych elementów kontroli procesu tłoczenia.

Gdy tłoczenie metali nie pozwala osiągnąć wymaganej precyzji

Tłoczenie metali nie pozwala osiągnąć wymaganej precyzji, gdy wymagane tolerancje wykraczają poza zakres, jaki można niezawodnie zapewnić przy użyciu danego narzędzia, materiału i procesu tłoczenia. W wytycznych często nie podaje się uniwersalnych zakresów tolerancji dla tłoczenia, ponieważ są one w dużym stopniu uzależnione od konkretnego narzędzia.

W przypadku bardzo wąskich tolerancji obróbka CNC jest zazwyczaj bezpieczniejszym wyborem, ponieważ zapewnia bardziej bezpośrednią kontrolę nad dokładnością wymiarową i jej weryfikacją.

W przypadku wyjątkowo wąskich tolerancji, takich jak ±0,0005 cala dla elementów krytycznych, zazwyczaj preferuje się obróbkę skrawaniem, ponieważ możliwości tłoczenia w dużym stopniu zależą od konstrukcji narzędzia, właściwości materiału oraz stabilności procesu.

Nie oznacza to, że tłoczenie jest metodą niedokładną. Oznacza to, że tłoczenie nie zawsze jest najlepszym procesem zapewniającym najwyższą precyzję, zwłaszcza w przypadku lokalnych elementów krytycznych, gdzie kontrola tolerancji jest trudniejsza.

Co się dzieje, gdy prognozy dotyczące wielkości sprzedaży okazują się błędne?

Błędy w prognozowaniu wielkości produkcji mogą wpłynąć na optymalny przebieg procesu.

Jeśli rzeczywisty popyt okaże się znacznie niższy od oczekiwanego, inwestycja w oprzyrządowanie do tłoczenia może się nie zwrócić. Nabywca może ponieść wysokie koszty początkowe, nie mając przy tym wystarczającej wielkości produkcji, aby obniżyć koszt jednostkowy.

Jeśli popyt okaże się znacznie wyższy od oczekiwanego, obróbka CNC może stać się kosztowna, ponieważ na każdą część przypada określony czas pracy maszyny. W takim przypadku część, która początkowo miała być wykonana metodą CNC, może wymagać przeprojektowania pod kątem tłoczenia lub procesu hybrydowego.

W niektórych programach roczna wielkość produkcji ma mniejsze znaczenie niż całkowita wielkość produkcji w całym okresie eksploatacji. Część produkowana w ilości 500 sztuk rocznie przez wiele lat może uzasadniać inne decyzje dotyczące oprzyrządowania niż jednorazowa seria 500 sztuk.

Lista kontrolna: stabilność projektu, ryzyko związane z tolerancjami, ryzyko związane z oprzyrządowaniem oraz ocena dostawców

Przed podjęciem decyzji o wyborze tłoczenia lub obróbki CNC należy sprawdzić:

• Czy projekt jest już ustalony, czy wciąż ulega zmianom?
• Czy element ten składa się głównie z elementów blaszanych, czy też ma budowę z litego materiału?
• Czy tolerancje krytyczne są zgodne z procesem tłoczenia, czy też wymagają obróbki skrawaniem?
• Czy wielkość produkcji jest wystarczająco duża, aby pokryć koszty matrycy?
• Czy są jakieś elementy, które mogą wymagać dodatkowej obróbki?
• Czy kierunek obrotów tarczy i jakość krawędzi mają znaczenie?
• Czy grubość materiału nadaje się do tłoczenia?
• Czy czas realizacji projektu matrycy i jej testowania jest akceptowalny?
• Czy dostawca sprawdził wykonalność projektu przed przedstawieniem oferty na produkcję?

Ta lista kontrolna zmniejsza ryzyko wyboru procesu, który wydaje się tańszy, a który później okaże się niespełniający wymagań dotyczących danej części.

Czynniki kosztów, tolerancji i czasu realizacji

Koszty tłoczenia metali a obróbki CNC w przypadku części produkowanych w dużych ilościach

Porównując koszty tłoczenia metali i obróbki CNC w przypadku produkcji seryjnej części, zazwyczaj korzystniejsze jest tłoczenie, o ile dana część nadaje się do tłoczenia. Po wykonaniu matrycy prasa może szybko wytwarzać części, a koszt matrycy rozkłada się na wiele sztuk.

Obróbka CNC nadal wiąże się z czasem pracy maszyny, zużyciem narzędzi, ustawieniami i obsługą. Nawet jeśli koszt programowania rozkłada się na większą liczbę części, każda z nich nadal wymaga czasu obróbki.

W przypadku produkcji dużych serii płaskich elementów ta różnica często ma decydujące znaczenie.

Koszt oprzyrządowania do tłoczenia a koszt konfiguracji maszyny CNC

Kluczowym porównaniem jest zestawienie kosztów oprzyrządowania do tłoczenia z kosztami przygotowania obróbki CNC. Tłoczenie wymaga specjalnej matrycy. Obróbka CNC wymaga programowania, narzędzi, uchwytów do mocowania detali oraz przygotowania, ale zazwyczaj pozwala uniknąć stosowania specjalistycznego oprzyrządowania.

Właśnie dlatego tłoczenie charakteryzuje się wysokimi kosztami początkowymi i niskimi kosztami jednostkowymi przy produkcji na dużą skalę. Obróbka CNC wiąże się z niższymi kosztami początkowymi, ale wyższymi kosztami jednostkowymi wraz ze wzrostem wielkości produkcji.

Próg wielkości produkcji decydujący o przejściu z obróbki skrawaniem na tłoczenie

Próg wielkości produkcji, przy którym następuje przejście z obróbki skrawaniem na tłoczenie, nie jest stały. Przykłady z badań wskazują, że punkt tego przejścia mieści się w szerokim przedziale.

Z jednego z porównań wynika, że obróbka CNC może pozostać opłacalna przy produkcji do około 500 sztuk, przy czym przedział 500–2 000 sztuk stanowi strefę niejednoznaczną, a przy produkcji powyżej około 2 000 sztuk często korzystniejsze okazuje się tłoczenie. Inne porównanie dotyczące małych serii wskazuje, że tłoczenie może stać się opłacalne przy około 500–1 000 sztuk, w zależności od geometrii części i kosztu oprzyrządowania.

W przypadku wielu prostych elementów praktyczny zakres wynosi zatem około 500–2 000+, jednak rzeczywisty próg rentowności należy obliczyć na podstawie faktycznego kosztu matrycy, kosztu elementu, przewidywanych zmian oraz wielkości produkcji w całym okresie eksploatacji.

Różnice w tolerancjach między częściami tłoczonymi a obrabianymi maszynowo

Różnice w tolerancjach między częściami tłoczonymi a obrabianymi mechanicznie wynikają ze sposobu, w jaki poszczególne procesy wpływają na geometrię.

W rysunkach technicznych często stosuje się Zasady GD&T normy ASME Y14.5 w celu określenia sposobu definiowania, pomiaru i weryfikacji wymagań wymiarowych i geometrycznych w produkcji precyzyjnej. Zasady te są następnie stosowane w różnych procesach, takich jak obróbka CNC i tłoczenie, aby zapewnić spójną interpretację tolerancji.

Tłoczenie pozwala kontrolować wymiary dzięki geometrii matrycy, właściwościom materiału, wydajności prasy oraz spójności procesu formowania. Proces ten można powtarzać przy produkcji wielkoseryjnej, jednak staje się on mniej elastyczny, gdy po wykonaniu oprzyrządowania konieczne jest dostosowanie tolerancji.

Czynniki wpływające na koszty i analiza progu rentowności

Czynniki wpływające na koszty w tłoczeniu matrycowym progresywnym w porównaniu z obróbką CNC

Czynniki wpływające na koszty w tłoczeniu matrycowym progresywnym w porównaniu z obróbką CNC obejmują różne rodzaje wydatków.

W przypadku tłoczenia głównymi czynnikami wpływającymi na koszty są:

• Projektowanie i wykonanie matryc
• Liczba stanowisk w matrycy
• Częściowa złożoność
• Grubość i wytrzymałość materiału
• Wymagania dotyczące prasy
• Układ pasków i odpady
• Konserwacja matryc
• Dodatkowe gratowanie, wykańczanie lub obróbka skrawaniem

W przypadku obróbki CNC do głównych czynników wpływających na koszty należą:

• Czas programowania
• Czas obróbki jednej sztuki
• Liczba ustawień
• Narzędzia skrawające i zużycie narzędzi
• Objętość usuniętego materiału
• Złożoność mocowania detali
• Potrzeby w zakresie inspekcji
• Usuwanie zadziorów i obróbka wykończeniowa

Prosty wspornik tłoczony może być tani przy produkcji seryjnej. Element tłoczony, który wymaga skomplikowanego formowania i dodatkowej obróbki skrawaniem, może charakteryzować się zupełnie innym profilem kosztowym.

Jak roczna wielkość produkcji wpływa na koszty tłoczenia w porównaniu z kosztami obróbki skrawaniem

Roczna wielkość produkcji wpływa na koszty tłoczenia w porównaniu z kosztami obróbki skrawaniem, ponieważ koszt oprzyrządowania jest rozliczany w czasie w oparciu o przewidywaną liczbę sztuk.

Jeśli roczna wielkość produkcji jest duża, a konstrukcja jest stabilna, tłoczenie może szybko obniżyć koszt części. Jeśli roczna wielkość produkcji jest niewielka, ale część będzie produkowana przez wiele lat, w obliczeniach należy uwzględnić całkowitą wielkość produkcji w całym okresie eksploatacji.

Jeśli popyt jest niepewny, obróbka CNC może zmniejszyć ryzyko na wczesnym etapie produkcji. Pozwala to nabywcy zweryfikować popyt przed podjęciem decyzji o wykonaniu oprzyrządowania.

Czy 500, 1 000 czy 2 000 sztuk to wystarczająca liczba, by uzasadnić zastosowanie tłoczenia?

Zamówienie na 500 sztuk może uzasadniać zastosowanie tłoczenia tylko wtedy, gdy część jest prosta, koszty oprzyrządowania są niskie, projekt jest stabilny, a przyszłe zamówienia są prawdopodobne. Zamówienie na 1 000 sztuk często mieści się w szarej strefie. Zamówienie na 2 000 sztuk może już zaczynać uzasadniać zastosowanie tłoczenia w przypadku wielu prostych elementy blaszane, ale i tak zależy to od kosztu narzędzia i geometrii detalu.

Najważniejsze jest to, że sama wielkość zamówienia nie wystarczy. Ocena powinna obejmować:

• Koszt oprzyrządowania
• Cena części obrabianej metodą CNC
• Cena części tłoczonej
• Przewidywane zmiany w projekcie
• Zapotrzebowanie w całym okresie eksploatacji
• Ryzyko związane z zapasami
• Koszty eksploatacji wtórnej

Tabela: przykładowe porównanie kosztów w scenariuszach prototypowym, małoseryjnym i wielkoseryjnym

Poniższe liczby stanowią przykładowe dane zaczerpnięte z opublikowanych porównań branżowych. Nie są to cenniki.

Zastosowania i przykłady wykorzystania w podziale na typy części

Wsporniki, zaciski, osłony, obudowy i inne elementy z tłoczonej blachy

Tłoczenie jest szeroko stosowane przy produkcji wsporników, zacisków, osłon, obudów, osłon ochronnych, paneli i podobnych elementów z blachy. Części te często mają płaski profil, otwory, występy, kołnierze i zagięcia.

W przypadku tych elementów tłoczenie staje się opłacalne, gdy geometria jest stabilna, a wielkość produkcji wystarczająco duża. Uchwyt, którego obróbka skrawaniem na dużą skalę jest zbyt kosztowna, może być dobrym kandydatem do tłoczenia, o ile jego kluczowe cechy można uzyskać za pomocą matrycy lub w ramach operacji dodatkowych.

Przemysł lotniczy i kosmiczny, medycyna, koła zębate, wały oraz precyzyjne elementy obrabiane metodą CNC

Obróbka CNC jest powszechnie stosowana w przypadku części lotniczych i kosmicznych, elementów medycznych, kół zębatych, wałów, uchwytów oraz precyzyjnych elementów przemysłowych. Części te często wymagają wąskich tolerancji, kontrolowanych powierzchni, złożonej geometrii lub wytrzymałych materiałów.

Wał, koło zębate lub precyzyjna obudowa zazwyczaj nie nadają się do wytłaczania, jeśli wymagają okrągłości, otworów, wnęk, elementów gwintowanych lub połączeń o wysokiej dokładności. Obróbka CNC zapewnia większą kontrolę nad tymi elementami.

Płaskie elementy blaszane a złożone elementy 3D

W przypadku dużych serii często wybiera się tłoczenie płaskich elementów blaszanych. Z kolei w przypadku skomplikowanych elementów trójwymiarowych często stosuje się obróbkę CNC, zwłaszcza gdy geometrii nie da się rozłożyć na praktyczny wzór blachy.

Niektóre elementy plasują się pomiędzy tymi kategoriami. Płytka obudowa może być wytłaczana. Obudowa z precyzyjnymi otworami, grubymi podkładkami lub obrabianymi powierzchniami uszczelniającymi może wymagać obróbki CNC lub procesu hybrydowego.

Przykład zastosowania technologii hybrydowej: tłoczenie kształtu podstawowego i obróbka elementów krytycznych metodą CNC

Proces hybrydowy pozwala obniżyć koszty bez utraty precyzji tam, gdzie ma to znaczenie. Podstawowy kształt można wytłoczyć, a następnie za pomocą obróbki CNC wykonać kluczowe otwory, szczeliny, powierzchnie uszczelniające lub elementy odniesienia.

Takie podejście może się sprawdzić, gdy większość elementu stanowi prosta blacha, ale niektóre lokalne elementy wykraczają poza możliwości tłoczenia. Wymaga to dodania kolejnych etapów procesu, dlatego należy je uzasadnić pod kątem wielkości produkcji, wymaganych tolerancji oraz całkowitego kosztu.

Przewodnik decyzyjny: Jak wybrać odpowiedni proces

Macierz decyzyjna: objętość, geometria, tolerancja, materiał, czas realizacji i stabilność projektu

Matryca ta jest przydatna na wczesnym etapie poszukiwania dostawców. Nie zastępuje ona analizy wykonalności, ale pomaga wyeliminować niekorzystne rozwiązania technologiczne jeszcze przed sporządzeniem oferty.

Czy warto najpierw wykonać prototyp przy użyciu obróbki CNC, a dopiero później przejść do tłoczenia?

W przypadku wielu nowych produktów praktycznym rozwiązaniem jest najpierw obróbka CNC, a dopiero potem tłoczenie. Obróbka CNC pozwala na tworzenie prototypów, egzemplarzy testowych oraz wprowadzanie zmian w projekcie. Gdy projekt jest już ustalony, a wielkość produkcji uzasadnia wykonanie oprzyrządowania, element można przeprojektować lub zoptymalizować pod kątem tłoczenia.

Strategia ta sprawdza się najlepiej, gdy już na wczesnym etapie projektowania CNC uwzględnia się przyszłe procesy tłoczenia. Jednolita grubość, proste zagięcia, realistyczne rozmieszczenie otworów oraz ograniczona liczba elementów, których nie da się wytłoczyć, mogą ograniczyć konieczność późniejszych zmian w projekcie.

O czym nabywcy powinni się upewnić przed złożeniem zapytania ofertowego

Przed złożeniem zapytania ofertowego nabywcy powinni ustalić układ odniesienia, cechy krytyczne, operacje dodatkowe, metodę gratowania, plan kontroli płaskości oraz to, czy kluczowe wymiary są wykonywane bezpośrednio w matrycy, czy w procesie dodatkowym. Należy zapytać, jakie zasady będą obowiązywać w zakresie kontroli pierwszego egzemplarza, potwierdzenia zdolności produkcyjnej, oceny próbek oraz odpowiedzialności za konserwację narzędzi. Należy również potwierdzić, czy rzeczywistą alternatywą powinna być obróbka skrawaniem, tłoczenie, czy też proces produkcyjny, taki jak obróbka blachy polegająca na cięciu i gięciu.

Oferta oparta wyłącznie na rysunku i ilościach może nie uwzględniać ryzyka związanego z procesem produkcji. Najważniejsze szczegóły to często uwagi dotyczące tolerancji, stan materiału oraz prognoza produkcji.

Wybierz tłoczenie, obróbkę CNC lub proces hybrydowy

Najlepszy wybór rzadko opiera się na jednym czynniku. Jest on wynikiem współdziałania takich czynników, jak objętość, geometria, tolerancja, materiał, czas realizacji oraz stabilność projektu.

W przypadku prostych, stabilnych elementów blaszanych produkowanych w dużych ilościach tłoczenie jest często lepszym rozwiązaniem w perspektywie długoterminowej. W przypadku prototypów, elementów o wąskich tolerancjach, złożonych elementów 3D oraz niepewnego popytu obróbka CNC jest zazwyczaj bezpieczniejszym wyborem. W przypadku elementów wymagających zarówno niedrogiego formowania blachy, jak i precyzyjnych detali, proces hybrydowy może zapewnić najlepszą równowagę.

FAQ

Referencje

https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/y14-5-dimensioning-tolerancing

https://www.nist.gov/mep