Niestandardowe elementy tłoczone z metalu: przewodnik projektowy

Niestandardowe elementy tłoczone z metalu stosuje się wtedy, gdy element metalowy musi być wytwarzany z powtarzalną geometrią, przy kontrolowanych kosztach przy produkcji seryjnej oraz stabilnej jakości w wielu seriach produkcyjnych. Dla inżynierów i specjalistów ds. zakupów kluczową decyzją nie jest jedynie to, czy dany element można wytłoczyć. Ważniejsze jest pytanie, czy tłoczenie jest właściwym procesem dla danego materiału, geometrii, tolerancji, wielkości partii, wykończenia i systemu jakości.

Tłoczenie metali może być bardzo skutecznym rozwiązaniem w przypadku wsporników, zacisków, klipsów, styków, osłon, pokryw i formowanych obudów. Może się jednak okazać kosztowne lub ryzykowne, gdy wielkość partii jest niewielka, geometria elementu nie sprzyja tłoczeniu, tolerancje są zbyt wąskie lub nie uwzględniono na wczesnym etapie operacji dodatkowych.

Niniejszy przewodnik skupia się na wykonalności, ograniczeniach projektowych, wyborze procesu, ryzyku związanym z zaopatrzeniem oraz praktycznej ocenie dostawców w zakresie niestandardowych elementów tłoczonych z metalu.

Czym są niestandardowe elementy tłoczone z metalu i dlaczego mają one znaczenie?

Czym są niestandardowe elementy tłoczone z metalu?

Części metalowe wytłaczane na zamówienie to elementy wytwarzane poprzez obróbkę płaskiej blachy, zazwyczaj z kręgu lub półfabrykatów, w prasie przy użyciu zestawu matryc i stempli. Matryca określa kształt elementu. Prasa wywiera siłę. W zależności od projektu proces ten może polegać na cięciu, gięciu, wykrawaniu, wyciąganiu, tłoczeniu, wytłaczaniu lub formowaniu metalu w celu uzyskania ostatecznego kształtu.

Termin “na zamówienie” oznacza, że część jest wykonywana zgodnie z konkretnym rysunkiem technicznym, modelem CAD, specyfikacją materiałową, wykończeniem oraz wymaganiami produkcyjnymi. Nie jest to gotowy element tłoczony, wybrany z katalogu. Oprzyrządowanie jest zazwyczaj projektowane specjalnie pod daną część.

Tłoczenie metali na zamówienie sprawdza się najlepiej w sytuacjach, gdy ta sama część musi być wytwarzana wielokrotnie z zachowaniem stałych wymiarów. Koszt oprzyrządowania pokrywa się z góry, ale proces ten pozwala obniżyć koszt jednostkowy części, gdy wielkość produkcji jest wystarczająco duża. Dlatego właśnie tłoczenie jest powszechnie stosowane w branżach motoryzacyjnej, elektronicznej, AGD, urządzeń medycznych oraz produktów przemysłowych.

Typowe rodzaje elementów tłoczonych: wsporniki, styki, zaciski, klipsy, osłony i obudowy

Do typowych elementów wytłaczanych na zamówienie należą:

• Uchwyty montażowe i elementy mocujące
• Styki elektryczne i zaciski
• Zaciski sprężynowe i zaciski ustalające
• Ekrany przeciwzakłóceniowe EMI/RFI
• Styki akumulatora i elementy związane z szyną zbiorczą
• Pokrywy, ramy i małe obudowy
• Podkładki, elementy dystansowe, występy i blachy formowane
• Głęboko tłoczone kubki, puszki i skorupy

Części te często wydają się proste, ale drobne cechy mogą mieć decydujący wpływ na kluczowe decyzje produkcyjne. Uchwyt z dwoma zagięciami i kilkoma otworami może być łatwy do wytłoczenia. Cienki zacisk ze stopu miedzi, z wytłoczonymi obszarami stykowymi, uformowanymi ramionami sprężynowymi, ścisłą kontrolą zadziorów oraz wymaganiami dotyczącymi powlekania, może wymagać zastosowania oprzyrządowania progresywnego, monitorowania w matrycy oraz szczegółowego planowania kontroli jakości.

Rodzaj detalu ma znaczenie, ponieważ każdy element zwiększa obciążenie narzędzia i wiąże się z ryzykiem dla procesu. Otwory wpływają na trwałość stempla. Zagięcia powodują sprężystość powrotną. Ścianki wyciągane mogą się marszczyć lub przerzedzać. Kierunek zadziorów może wpływać na montaż lub działanie układu elektrycznego. Szczegóły te należy przeanalizować przed wykonaniem oprzyrządowania.

Dlaczego powtarzalność, produkcja na dużą skalę i ścisła kontrola procesu mają znaczenie

Głównymi zaletami tłoczenia metali są powtarzalność, szybkość oraz kontrola kosztów przy produkcji na dużą skalę. Dobrze zaprojektowana matryca pozwala połączyć kilka operacji w jednym cyklu tłoczenia. Na przykład matryca progresywna może wykrawać, przebijać, formować, wykuwać i odcinać element w miarę przesuwania się taśmy materiałowej przez narzędzie.

Ta powtarzalność ma znaczenie w przypadku, gdy części są wykorzystywane w zautomatyzowanym montażu, układach styków elektrycznych, podzespołach związanych z bezpieczeństwem lub produktach podlegających regulacjom. Nawet niewielkie odchylenia wymiarowe mogą powodować problemy montażowe lub awarie w warunkach eksploatacyjnych. Kontrola procesu jest również ważna, ponieważ narzędzia tłoczące ulegają zużyciu w miarę upływu czasu. Wysokość zadziorów, rozmiar otworów, kąt gięcia i płaskość mogą ulegać zmianom, jeśli narzędzie nie jest odpowiednio konserwowane.

Dane rynkowe pokazują również, dlaczego proces ten nadal ma duże znaczenie. Opublikowane szacunki różnią się pod względem wartości bezwzględnej, ponieważ firmy analityczne różnie definiują ten rynek, jednak najnowsze prognozy wskazują ogólnie na wzrost w sektorze tłoczenia metali na poziomie średniej jednocyfrowej. Jedna z prognoz szacuje wartość globalnego rynku tłoczenia metali na $434,8 mld USD w 2024 r. i przewiduje, że do 2030 r. osiągnie ona poziom $556,2 mld USD przy średnim rocznym tempie wzrostu (CAGR) na poziomie 4,2%. Inna szacuje wartość rynku na US$259,35 mld w 2025 r. i prognozuje US$377,45 mld do 2034 r. przy wskaźniku CAGR wynoszącym 4,26%. Sama wartość jest mniej istotna niż tendencja: tłoczenie pozostaje dojrzałym procesem produkcyjnym o dużej skali, wspieranym przez popyt ze strony branży motoryzacyjnej, pojazdów elektrycznych, elektroniki, systemów HVAC, sprzętu AGD oraz przemysłu.

Tabela: Elementy tłoczone na zamówienie a elementy tłoczone standardowe a elementy blaszane wykonane metodą obróbki plastycznej

Czy dana część może zostać wyprodukowana metodą tłoczenia metalu?

Czy mój element można wykonać jako niestandardowy element tłoczony?

Element nadaje się do wytłaczania metalu na zamówienie, jeśli powstaje z blachy i można go wykonać poprzez operacje cięcia i formowania. Konstrukcja powinna charakteryzować się powtarzalnym wzorem płaskim lub układem pasmowym, materiałem, który można formować bez pękania, oraz wielkością produkcji wystarczająco dużą, by uzasadnić wykonanie oprzyrządowania.

Dobrymi kandydatami są elementy wykonane głównie z blachy, charakteryzujące się powtarzalnymi elementami wycinanymi i formowanymi, stabilnym popytem oraz założeniami projektowymi, które prawdopodobnie nie ulegną zmianie po zatwierdzeniu oprzyrządowania. W przypadku produkcji wielkoseryjnej zachęcamy do zapoznania się z naszymi możliwościami w zakresie usługi w zakresie tłoczenia metali na zamówienie w celu oceny, czy dany projekt nadaje się do produkcji z wykorzystaniem narzędzi. Projekty z pogranicza zazwyczaj łączą w sobie skomplikowaną geometrię, wymagające wykończenie powierzchni, znaczny zakres obróbki dodatkowej lub niepewną wielkość produkcji. Projekty, które nie nadają się do tej metody, to części charakteryzujące się częstymi zmianami projektowymi, bardzo małą wielkością produkcji, elementami wymagającymi znacznych poprawek po tłoczeniu lub geometrią lepiej dostosowaną do obróbki skrawaniem, konstrukcji metalowej, odlewania lub innego procesu.

Dobrzy kandydaci często charakteryzują się następującymi cechami:

• Jednolita grubość blachy
• Powtarzające się wzory otworów lub szczelin
• Zagięcia, wypustki, wyżłobienia, wytłoczenia lub obszary tłoczone
• Małe i średnie
• Wysoki popyt w skali roku
• Konieczność zapewnienia stałej jakości we wszystkich elementach

Tłoczenie części staje się trudniejsze, gdy wymagają one geometrii 3D o grubych ściankach, podcięć, których nie da się uformować za pomocą matrycy, bardzo głęboko tłoczonych elementów, skomplikowanych powierzchni obrabianych mechanicznie lub wyjątkowo wąskich tolerancji w odniesieniu do wielu niepowiązanych ze sobą elementów. W takich przypadkach lepszym rozwiązaniem może być obróbka skrawaniem, odlewanie, konstrukcja metalowa lub produkcja addytywna.

Wpływ grubości materiału na dokładność tłoczonych elementów metalowych

Grubość materiału wpływa na siłę cięcia, siłę gięcia, sprężystość powrotną, powstawanie zadziorów, odkształcenia oraz minimalne rozmiary elementów. Obróbka cienkich materiałów może być trudna, ponieważ małe otwory, wąskie mostki i delikatne krawędzie są bardziej podatne na powstawanie zadziorów i odkształceń. Gruby materiał wymaga większej siły prasowania i mocniejszych narzędzi. Może to również ograniczać rozmiar małych elementów, ponieważ stemple muszą być wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać powtarzające się uderzenia.

To, w jaki sposób grubość materiału wpływa na dokładność tłoczonych elementów metalowych, zależy od kilku czynników:

• Grubszy materiał powoduje wzrost obciążenia podczas formowania.
• Cienki materiał może łatwiej się wypaczać po cięciu lub formowaniu.
• Wymiary otworu, szerokość szczeliny oraz szerokość występu należy sprawdzić w odniesieniu do grubości.
• Wielkość frezu i stan jego krawędzi nabierają większego znaczenia, gdy elementy są małe.
• Promień gięcia i naddatek na gięcie muszą być dostosowane do rodzaju materiału i jego grubości.

W wytycznych projektowych zawartych w dostarczonych materiałach badawczych zaznaczono, że szerokość nacięć i szczelin powinna wynosić co najmniej 1,5-krotność grubości materiału, a promienie narożników wynoszące co najmniej 0,5-krotność grubości mogą ograniczyć uszkodzenia narzędzi i ilość odpadów. Są to przydatne wstępne wytyczne projektowe, a nie uniwersalne gwarancje. Ostateczne wartości graniczne zależą od gatunku materiału, stanu utwardzenia, geometrii elementu oraz konstrukcji matrycy.

Ograniczenia konstrukcyjne dotyczące głęboko tłoczonych elementów metalowych

Elementy metalowe wytwarzane metodą głębokiego tłoczenia powstają poprzez wciąganie blachy do wnęki matrycy w celu uzyskania kształtu przypominającego miskę, skorupę, puszkę lub obudowę. Proces ten pozwala zmniejszyć liczbę elementów spawanych i uzyskać gładkie kształty, ma jednak swoje ograniczenia. Formowalność materiału oraz ograniczenia związane z procesem głębokiego tłoczenia ocenia się zazwyczaj na podstawie norm takich jak ISO 12004-1 – krzywe graniczne formowania blach, które określają sposób pomiaru granic odkształcenia w celu przewidywania zwężenia i pęknięcia podczas operacji tłoczenia.

Ograniczenia konstrukcyjne dotyczące głęboko tłoczonych elementów metalowych obejmują ścieńczenie materiału, marszczenie, rozrywanie, odkształcenie kołnierza oraz nierównomierną grubość ścianek. Na powodzenie procesu wpływają: głębokość tłoczenia, promień narożnika, kształt półfabrykatu, smarowanie oraz plastyczność materiału. Stal nierdzewna, aluminium i stale o wysokiej wytrzymałości mogą wymagać innych prześwitów matrycy, promieni oraz etapów formowania.

W przypadku elementów tłoczonych na głęboko należy również zwrócić uwagę na operacje dodatkowe. Po tłoczeniu może być konieczne przycinanie, przebijanie, formowanie kołnierzy, czyszczenie, obróbka cieplna lub wykańczanie powierzchni. Jeśli stopień głębokości tłoczenia jest zbyt duży lub element ma ostre przejścia, może zaistnieć potrzeba zastosowania wielu etapów tłoczenia lub innego procesu.

Gdy tłoczenie metali nie nadaje się do produkcji małoseryjnej

Tłoczenie metali często nie sprawdza się w przypadku produkcji małoseryjnej, gdy nie opłaca się stosować specjalnie zaprojektowanych narzędzi. W przypadku małych serii lepszym rozwiązaniem może być cięcie laserowe, gięcie na prasie krawędziowej, obróbka skrawaniem lub prosta obróbka, ponieważ metody te wymagają mniejszego nakładu na narzędzia specjalne.

Problem nie leży w rozmiarze elementu. Nawet najmniejszy wspornik może wymagać kosztownej matrycy, jeśli ma kilka zagięć, precyzyjnie rozmieszczone otwory lub wymaga operacji progresywnych. Wpisy użytkowników na forach inżynieryjnych i produkcyjnych często wskazują na ten problem: nabywcy są zaskoczeni, gdy mała część wiąże się z wysokimi kosztami oprzyrządowania. Powodem jest to, że matryca i tak musi zostać zaprojektowana, zbudowana, przetestowana, wyregulowana i konserwowana.

Tłoczenie można nadal rozważać w przypadku mniejszych serii, gdy część wymaga szczególnej powtarzalności, gdy w przyszłości wielkość produkcji wzrośnie lub gdy kształtu tłoczonego nie da się dobrze uzyskać innymi metodami. Jeśli jednak projekt ulega częstym zmianom, roczne zapotrzebowanie jest niepewne lub część jest potrzebna szybko w małych partiach, tłoczenie może wiązać się z dodatkowymi kosztami i ryzykiem związanym z czasem realizacji.

Jak przebiega proces tłoczenia metali na zamówienie – od projektu matrycy po produkcję

Tłoczenie matrycą progresywną a tłoczenie matrycą transferową w przypadku skomplikowanych elementów

Tłoczenie matrycowe progresywne i tłoczenie matrycowe transferowe to dwie powszechnie stosowane metody wytwarzania skomplikowanych, niestandardowych elementów tłoczonych z metalu.

W procesie tłoczenia matrycowego progresywnego taśma blachy jest podawana przez szereg stanowisk. Każde stanowisko wykonuje jedną lub więcej operacji, a element pozostaje połączony z taśmą aż do ostatniego stanowiska. Metoda ta jest często stosowana w przypadku produkcji wielkoseryjnej małych i średnich elementów, takich jak zaciski elektryczne, styki, klipsy, wsporniki i osłony.

W przypadku tłoczenia z przenoszeniem element jest oddzielany od taśmy na wcześniejszym etapie i przemieszczany między stacjami za pomocą mechanicznych systemów przenoszenia. Rozwiązanie to sprawdza się w przypadku większych lub głębiej tłoczonych elementów, w przypadku których nie można pozostawić elementu przymocowanego do taśmy nośnej przez cały czas trwania operacji.

Wybór zależy od rozmiaru elementu, jego geometrii, materiału, objętości, wymaganych tolerancji oraz od tego, czy taśma jest w stanie utrzymać element podczas całego procesu formowania. Przed ostatecznym zatwierdzeniem rysunku technicznego należy przeanalizować, czy w przypadku skomplikowanych elementów lepszym rozwiązaniem będzie tłoczenie za pomocą matrycy progresywnej, czy matrycy transferowej, ponieważ koncepcja oprzyrządowania może wpływać na konstrukcję nośnika, wskaźnik odpadów, kierunek powstawania zadziorów oraz kolejność wykonywania elementów.

Wykrawanie, przebijanie, gięcie, formowanie, ciągnienie, tłoczenie i wytłaczanie

Tłoczenie na zamówienie może obejmować kilka operacji:

• Wycinanie polega na wycinaniu zewnętrznego konturu z blachy lub taśmy.
• Przebijanie polega na tworzeniu otworów lub wewnętrznych wycięć.
• Formy do gięcia kołnierzy lub kątowników.
• Funkcja „Formowanie” zmienia kształt obszarów bez konieczności rysowania całego elementu.
• Rysunek wykorzystuje efekt wciągania materiału do wnęki, aby uzyskać wrażenie głębi.
• Wytłaczanie powoduje lokalne ściśnięcie materiału w celu uzyskania określonego kształtu lub powierzchni styku.
• Tłoczenie polega na wypukłym lub wklęsłym ukształtowaniu elementów w celu zapewnienia sztywności, zachowania odstępów lub identyfikacji.

Kolejność ma znaczenie. Otwór wywiercony przed gięciem może ulec odkształceniu, jeśli znajduje się zbyt blisko zagięcia. W zależności od płaskości i przeznaczenia elementu, obszar tłoczony może wymagać umieszczenia przed lub po formowaniu. Element wyciągane może wymagać przycięcia po formowaniu. Dobry projekt matrycy określa kolejność operacji tak, aby element uzyskał ostateczny kształt bez nadmiernego obciążania materiału lub narzędzia.

Dodatkowe operacje wymagane po wykonaniu niestandardowego tłoczenia metalu

Operacje dodatkowe wymagane po wykonaniu niestandardowego tłoczenia metali mogą obejmować gratowanie, mycie, galwanizację, pasywację, obróbkę cieplną, gwintowanie, osadzanie elementów, spawanie, montaż, znakowanie lub pakowanie. Etapy te mogą być równie ważne jak samo tłoczenie.

Na przykład zaciski elektryczne mogą wymagać pokrycia cyną, niklem lub innymi materiałami przewodzącymi. Części medyczne lub przemysłowe ze stali nierdzewnej mogą wymagać pasywacji lub czyszczenia. Wsporniki mogą wymagać powłoki cynkowej, malowania proszkowego lub w spawania w ramach montażu. Zaciski sprężynowe mogą wymagać obróbki cieplnej w celu zapewnienia odpowiednich właściwości sprężynowych.

Operacje dodatkowe mają wpływ na koszt, czas realizacji i tolerancję. Galwanizacja może zwiększyć grubość. Obróbka cieplna może wpłynąć na płaskość. Gwintowanie może powodować problemy związane z wiórami i czystością. Usuwanie zadziorów może zmienić stan krawędzi. Odbiorcy powinni określić, które powierzchnie i wymiary mają kluczowe znaczenie po zakończeniu wszystkich etapów wykańczania, a nie tylko po tłoczeniu.

Schemat procesu: cewka lub półfabrykat → stacje matrycowe → uformowana część → obróbka wykończeniowa → kontrola jakości

Typowy przebieg procesu wygląda następująco:

Z punktu widzenia inżynierii i zaopatrzenia schemat ten odzwierciedla główne etapy programu, od zapytania ofertowego po zatwierdzenie produkcji.

Ten schemat pokazuje również, dlaczego wczesna weryfikacja projektu ma tak duże znaczenie. Rysunek, który określa jedynie ostateczne wymiary, może nie zawierać wystarczających informacji, by dobrać odpowiednie oprzyrządowanie, metodę wykończenia i metodę kontroli.

Tłoczenie metali a alternatywne rozwiązania: zalety i ograniczenia

Tłoczenie metalu a cięcie laserowe w przypadku niestandardowych elementów z blachy

Wybór między tłoczeniem metalu a cięciem laserowym w przypadku niestandardowych elementów z blachy często zależy od wielkości serii i geometrii. Cięcie laserowe jest elastyczne i sprawdza się w przypadku prototypów, małych serii, płaskich półfabrykatów oraz projektów, które mogą ulec zmianie. Pozwala uniknąć stosowania specjalnych matryc do wycinania, dzięki czemu może obniżyć koszty początkowe.

Praktycznym porównaniem jest rozróżnienie kosztów jednorazowych od kosztów cyklicznych. Tłoczenie często obniża koszt jednostkowy, gdy wielkość produkcji jest stabilna, a elementy powtarzają się na dużą skalę, natomiast cięcie laserowe zazwyczaj zmniejsza ryzyko związane z wprowadzeniem produktu na rynek, gdy popyt jest niepewny, geometria ulega zmianom lub nie da się uzasadnić zastosowania dedykowanego oprzyrządowania. Oferty należy porównywać w oparciu o te same założenia dotyczące rocznego wykorzystania, wydajności materiałowej, operacji dodatkowych oraz zakresu kontroli.

Tłoczenie zyskuje na znaczeniu wraz ze wzrostem wielkości produkcji oraz w sytuacjach, gdy element wymaga powtarzalnych elementów kształtowych, krótkich czasów cyklu i połączenia wielu operacji w jednym narzędziu. Matryca tłocząca może kolejno wykrawać, formować, wytłaczać i odcinać elementy. Cięcie laserowe zazwyczaj wymaga oddzielnych etapów gięcia lub formowania po wycięciu płaskiego profilu.

Cięcie laserowe może być lepszym rozwiązaniem, gdy projekt nie jest ustalony, gdy produkcja jest niewielka lub gdy profile płaskie często ulegają zmianom. Tłoczenie może być lepszym rozwiązaniem, gdy projekt jest ustalony, roczne zapotrzebowanie jest wysokie, a głównym czynnikiem decydującym jest koszt części w całym okresie produkcji.

Tłoczenie na zamówienie a obróbka skrawaniem, odlewanie, produkcja elementów metalowych i produkcja addytywna

Tłoczenie na zamówienie konkuruje z kilkoma innymi procesami:

• Obróbka skrawaniem sprawdza się w przypadku precyzyjnych elementów trójwymiarowych, grubych przekrojów, elementów z gwintami oraz przy małych i średnich seriach. W przypadku cienkich elementów blaszanych może jednak wiązać się z większym marnotrawstwem materiału.
• Odlewanie nadaje się do skomplikowanych kształtów 3D, żeberek, wypukłości i grubszych przekrojów. Mniej nadaje się do cienkich styków sprężynowych lub prostych elementów blaszanych.
• Produkcja ta sprawdza się w przypadku większych zespołów blaszanych, prototypów oraz mniejszych serii. Może obejmować cięcie laserowe, wykrawanie, gięcie, spawanie oraz montaż elementów złącznych.
• Produkcja addytywna sprawdza się w przypadku prototypów oraz skomplikowanych kształtów, które trudno wykonać przy użyciu narzędzi. Zazwyczaj nie jest to najlepszy wybór w przypadku produkcji seryjnej cienkich elementów tłoczonych z metalu.

Główną zaletą tłoczenia na zamówienie jest możliwość powtarzania geometrii blachy w dowolnej skali. Głównym ograniczeniem są nakłady na oprzyrządowanie oraz mniejsza elastyczność po jego wykonaniu.

Gdy tłoczenie wielkoseryjne nie jest opłacalne

Gdy tłoczenie wielkoseryjne nie jest opłacalne, przyczyną często nie jest sama wielkość produkcji. Projekt wielkoseryjny może nadal nie być odpowiednim rozwiązaniem, jeśli część charakteryzuje się niestabilnymi wymaganiami konstrukcyjnymi, trudnymi właściwościami materiałowymi, rygorystycznymi wymaganiami estetycznymi, wysokim wskaźnikiem odpadów lub wieloma kosztownymi operacjami dodatkowymi.

Tłoczenie może również stracić przewagę kosztową, gdy tolerancje są określone na poziomie węższym niż ten, który proces jest w stanie zapewnić bez dodatkowych środków kontroli. W takim przypadku element może wymagać sortowania, ponownego tłoczenia, obróbki skrawaniem po tłoczeniu lub zastosowania bardziej złożonego oprzyrządowania. Czynności te zwiększają koszty i mogą obniżyć wydajność produkcji.

Duża wydajność zwiększa również znaczenie trwałości narzędzi. Jeśli materiał ścierny, słabe smarowanie, twardy materiał obrabiany lub małe stemple powodują konieczność częstej konserwacji narzędzi, oczekiwane oszczędności mogą nie zostać osiągnięte.

Tabela porównawcza: dopasowanie procesu pod względem objętości, geometrii, materiału, oprzyrządowania i kosztu części

Zasady projektowania mające wpływ na jakość i wykonalność

Jakie tolerancje są realistyczne w przypadku precyzyjnych elementów tłoczonych z metalu?

Możliwości tolerancyjne w procesie tłoczenia zależą w równym stopniu od rodzaju elementów, jak i od jakości materiału oraz matrycy. Położenie wyciętych otworów, krawędzie wyciętych elementów, uformowane kąty, głębokość tłoczenia oraz powierzchnie po obróbce wykańczającej nie charakteryzują się jednakową zmiennością, dlatego na rysunkach technicznych należy określać punkty odniesienia i elementy krytyczne dla funkcji, zamiast stosować wszędzie wąskie wymiary z tolerancją ±. W przypadku elementów tłoczonych położenie, profil, płaskość i prostopadłość są często bardziej przejrzyste niż nakładające się na siebie tolerancje liniowe.

W przypadku ogólnej kontroli wymiarów elementów tłoczonych powszechnie stosowane ramy inżynierskie, takie jak Tolerancje ogólne według normy ISO 2768 określić standardowe dopuszczalne odchylenia wymiarów liniowych i kątowych w przypadku, gdy na rysunkach technicznych nie podano indywidualnych tolerancji.

W praktyce tolerancje należy podzielić na cechy krytyczne i niekrytyczne. Funkcjonalny punkt styku, otwór odniesienia, ramię sprężyny lub występ łączący mogą wymagać ściślejszej kontroli. Natomiast niefunkcjonalna krawędź zewnętrzna może tego nie wymagać. Zastosowanie zbyt wąskich tolerancji w odniesieniu do wszystkich cech może zwiększyć złożoność matrycy, obciążenie związane z kontrolą jakości oraz ilość odpadów.

Nabywcy powinni również wziąć pod uwagę stan, w którym obowiązuje dana tolerancja. Niektóre wymiary mogą ulec zmianie po galwanizacji, obróbce cieplnej, gratowaniu lub montażu. Wymiary krytyczne należy określić po wykonaniu ostatniego wymaganego etapu procesu.

W jaki sposób rozmiar otworu wpływa na odkształcenia w tłoczonych elementach blaszanych

To, w jaki sposób rozmiar otworu wpływa na odkształcenia w tłoczonych elementach blaszanych, zależy od stosunku rozmiaru otworu do grubości materiału, odległości od pobliskich zagięć lub krawędzi oraz siły stempla. Zasadniczo bardzo małe otwory, wąskie mostki oraz szczeliny umieszczone blisko zagięć lub krawędzi wiążą się z większym ryzykiem odkształceń, rozdarć i szybkiego zużycia narzędzia. Minimalne wartości zależą od stopu, stanu utwardzenia i grubości, dlatego na rysunku technicznym i w zapytaniu ofertowym należy zaznaczyć wszelkie elementy, których szerokość, średnica lub pozostała grubość zbliżają się do grubości materiału wyjściowego. Jeśli elementy te mają kluczowe znaczenie dla działania produktu, należy poprosić o analizę wykonalności konkretnego elementu, zamiast zakładać, że nominalna geometria zostanie zachowana podczas produkcji. Bardzo małe otwory mogą wymagać stosowania delikatnych stempli. Otwory znajdujące się blisko zagięć mogą ulegać rozciąganiu, owalizacji lub przemieszczeniu podczas formowania.

Istotna jest również odległość między otworem a krawędzią. Jeśli między otworem a zewnętrzną krawędzią nie ma wystarczającej ilości materiału, most może ulec odkształceniu lub rozerwaniu. Jeśli szczelina jest zbyt wąska, stempel może ulec zużyciu lub złamaniu. W badaniach odnotowano zasady projektowania pod kątem tłoczenia, takie jak minimalne szerokości elementów w stosunku do grubości materiału, ponieważ małe elementy mogą uszkodzić oprzyrządowanie i zwiększyć powstawanie zadziorów.

W przypadku otworów o kluczowym znaczeniu rysunek techniczny powinien określać ich funkcję, położenie oraz metodę kontroli. Jeśli otwór ma decydujący wpływ na wyrównanie zespołu, może zaistnieć konieczność jego wywiercenia po formowaniu lub zapewnienia jego prawidłowego położenia za pomocą układu odniesienia.

Jak zapobiegać pękaniu elementów tłoczonych ze stali nierdzewnej

Stal nierdzewna jest stosowana tam, gdzie istotna jest odporność na korozję, wygląd lub zachowanie w różnych temperaturach. Może ona również ulegać utwardzeniu przez odkształcenie i pękać, jeśli promienie gięcia, kierunek ułożenia ziaren lub stopień odkształcenia są nieodpowiednie.

Zapobieganie pękaniu tłoczonych elementów ze stali nierdzewnej zaczyna się od doboru materiału i projektu zagięcia. Wewnętrzny promień zagięcia nie powinien być zbyt ostry w stosunku do gatunku stali i grubości blachy. Zagięcia należy analizować w odniesieniu do kierunku walcowania. Odciążenia zagięć mogą zmniejszyć koncentrację naprężeń na końcach kołnierzy. Proces formowania może również wymagać odpowiedniego smarowania oraz kontrolowanych promieni matryc.

Ryzyko pękania wzrasta, gdy element ma ostre narożniki, głębokie wyprofilowania, wąskie występy lub gdy w tym samym miejscu wielokrotnie powtarza się proces formowania. Jeśli głównym powodem zastosowania stali nierdzewnej jest odporność na korozję, zespół projektowy powinien również sprawdzić, czy wymagania te nie zostałyby lepiej spełnione poprzez odpowiednią obróbkę wykończeniową, pasywację lub zastosowanie innego stopu.

Lista kontrolna: odciążenia giętowe, odległości od otworów do krawędzi, promienie narożników, wypustki, szczeliny oraz kierunek zadziorów

Przed zatwierdzeniem rysunku technicznego do tłoczenia na zamówienie należy skorzystać z poniższej listy kontrolnej:

Elementy, które są zbyt małe w stosunku do grubości blachy, stanowią częstą przyczynę wad tłoczenia i należy je przeanalizować na wczesnym etapie projektowania.

Typowe przyczyny uszkodzeń w niestandardowych elementach tłoczonych

Jak ograniczyć powstawanie zadziorów na precyzyjnych elementach tłoczonych z metalu

Zadziory powstają podczas procesu ścinania, gdy materiał ulega pęknięciu po wbiciu stempla w blachę. Pewna ilość zadziorów jest zjawiskiem normalnym w przypadku elementów tłoczonych, jednak nadmierna ilość zadziorów może mieć negatywny wpływ na montaż, bezpieczeństwo, właściwości elektryczne oraz jakość powłoki.

Sposoby ograniczenia powstawania zadziorów na precyzyjnych elementach tłoczonych obejmują kontrolowanie luzu matrycy, dbanie o ostrość stempli i matryc, dobór odpowiedniego stanu materiału, stosowanie właściwego smarowania oraz określenie kierunku zadziorów na rysunku technicznym. W przypadku, gdy stan krawędzi ma kluczowe znaczenie, konieczne może być usunięcie zadziorów.

Kwestię zadziorów należy traktować jako problem związany z projektowaniem i procesem produkcji, a nie tylko z wykończeniem. Jeśli ostry zadzior styka się z częścią współpracującą, uszczelką, przewodem lub powierzchnią styku z operatorem, może zaistnieć konieczność zmiany projektu części lub orientacji matrycy.

Przyczyny odchyleń wymiarowych w elementach tłoczonych z blachy

Do przyczyn odchyleń wymiarowych w elementach tłoczonych z blachy zaliczają się: wahania grubości materiału, wahania właściwości zwoju, sprężystość powrotna, zużycie matrycy, wyrównanie prasy, wahania podawania taśmy, kolejność formowania oraz operacje dodatkowe.

Po gięciu i formowaniu często dochodzi do sprężystości powrotnej. Twardsze materiały oraz niektóre gatunki o wysokiej wytrzymałości mogą wykazywać większą sprężystość powrotną. Cienkie elementy mogą również ulegać wypaczeniu podczas cięcia lub po odprężeniu. W przypadku dużych elementów formowanych mogą pojawić się problemy z płaskością, zwłaszcza gdy mamy do czynienia z szerokimi panelami, płytkimi kształtami lub asymetryczną geometrią.

Odchylenia wymiarowe należy kontrolować poprzez planowanie punktów odniesienia, kontrolę procesu, konserwację narzędzi oraz kontrolę wymiarów krytycznych. Zamawiający powinni unikać stosowania wąskich tolerancji w odniesieniu do cech niefunkcjonalnych, chyba że istnieje ku temu wyraźny powód.

Problemy z jakością krawędzi przy tłoczeniu cienkich blach

Problemy z jakością krawędzi podczas tłoczenia cienkich blach mogą obejmować zawijanie się krawędzi, zadziory, rozdarcia, odkształcenia w pobliżu małych otworów oraz falistość. Cienki materiał charakteryzuje się mniejszą sztywnością, przez co może ulegać odkształceniom podczas wykrawania, wycinania lub przenoszenia.

Drobne elementy w cienkich materiałach wymagają dokładnej analizy. Małe szczeliny, wąskie mostki i niewielkie odstępy między otworami mogą być wykonalne, ale zwiększają ryzyko. Części o cienkich ściankach stosowane w elektronice mogą również podlegać wymaganiom dotyczącym powłok galwanicznych i zadziorów, ponieważ krawędzie mogą wpływać na przewodność, siłę wkładania lub odstęp izolacyjny.

Kontrola powinna skupiać się na stanie krawędzi, który ma znaczenie dla działania. Krawędź kosmetyczna, krawędź stykowa i krawędź wewnętrzna mogą wymagać różnych kryteriów akceptacji.

Typowe problemy związane ze zużyciem matryc w tłoczeniu metali na dużą skalę

Do typowych problemów związanych ze zużyciem matryc w tłoczeniu metali na dużą skalę należą: stępienie stempli, zużycie krawędzi matrycy, zatarcia, odpryski, pęknięcia małych stempli, utrata luzu oraz osady powstałe w wyniku przenoszenia materiału. W produkcji precyzyjnych narzędzi skomplikowane matryce tłoczące są często wytwarzane przy użyciu Obróbka elektroerozyjna CNC, co pozwala na zachowanie wąskich tolerancji oraz obróbkę hartowanej stali narzędziowej, zapewniając długą żywotność narzędzi i stabilną powtarzalność. Problemy te mogą powodować powstawanie zadziorów, zmianę średnicy otworów, przesunięcie kątów gięcia oraz wzrost odsetka odrzutów.

Stopień zużycia zależy od twardości materiału, jego ścieralności, smarowania, powłoki, ustawień prasy oraz geometrii elementu. W przypadku stali nierdzewnych i stali o wysokiej wytrzymałości może być konieczne bardziej staranne planowanie doboru materiału narzędziowego oraz konserwacji.

Nabywca powinien zapytać, w jaki sposób dostawca monitoruje odchylenia wynikające ze zużycia. Kontrole na bieżąco, dokumentacja konserwacji narzędzi oraz ustalone częstotliwości kontroli pomagają zmniejszyć ryzyko zmian w charakterystyce części podczas długich serii produkcyjnych.

Czynniki związane z kosztami, tolerancją i czasem realizacji, które powinni wziąć pod uwagę nabywcy

Czynniki wpływające na koszt oprzyrządowania do produkcji niestandardowych elementów tłoczonych z metalu

Czynniki wpływające na koszt oprzyrządowania w przypadku niestandardowych elementów tłoczonych z metalu obejmują złożoność elementu, liczbę stanowisk matrycy, grubość materiału, wymagany rodzaj stali narzędziowej, przewidywaną wielkość produkcji, wymagania dotyczące tolerancji, stopień automatyzacji, operacje wykonywane w matrycy oraz potrzeby związane z testowaniem oprzyrządowania.

Proste narzędzie do wycinania kosztuje mniej niż matryca progresywna wyposażona w stacje do przebijania, formowania, tłoczenia i odcinania. Matryca transferowa przeznaczona do głębokiego tłoczenia lub dużych elementów może wymagać większej liczby czynności obsługowych i regulacji. Wykonywanie gwintów, czujnikowanie lub montaż w matrycy mogą ograniczyć liczbę późniejszych operacji, ale zwiększają złożoność narzędzia.

Koszt oprzyrządowania należy oceniać w perspektywie całego cyklu produkcyjnego. Wyższy koszt oprzyrządowania może być uzasadniony, jeśli pozwala obniżyć koszt części, poprawić powtarzalność lub wyeliminować operacje dodatkowe. Może się jednak okazać nieopłacalny, jeśli istnieje prawdopodobieństwo, że projekt wkrótce ulegnie zmianie.

Czynniki wpływające na koszty w projektach niestandardowego precyzyjnego tłoczenia metali

Czynniki wpływające na koszty w projektach dotyczących niestandardowego precyzyjnego tłoczenia metali obejmują:

• Gatunek materiału, grubość i zastosowanie
• Współczynnik odpadów wynikający z rozmieszczenia taśm lub zagnieżdżania półfabrykatów
• Złożoność narzędzi i wymagania konserwacyjne
• Czas tłoczenia i prędkość produkcji
• Operacje dodatkowe, takie jak powlekanie, gratowanie, gwintowanie, spawanie lub obróbka cieplna
• Wymagania dotyczące inspekcji
• Wymagania dotyczące pakowania i transportu
• Wymagania dotyczące kontroli zmian i dokumentacji

Nie ma jednej odpowiedzi na pytanie, ile kosztuje tłoczenie metali na zamówienie, ponieważ koszt ten dzieli się na koszty oprzyrządowania i produkcji. W ofercie cenowej należy wyodrębnić koszty oprzyrządowania, cenę części, założenia dotyczące materiału, wykończenie, kontrolę jakości oraz pakowanie. Pomaga to w porównaniu dostawców i pozwala uniknąć pomyłek wynikających z niskiej ceny jednostkowej przy wysokich kosztach uruchomienia produkcji.

Ryzyko związane z czasem realizacji przy zamawianiu niestandardowych elementów tłoczonych

Ryzyko związane z czasem realizacji przy zamawianiu niestandardowych części tłoczonych wynika zazwyczaj z projektowania oprzyrządowania, jego wykonania, dostępności materiałów, testów matryc, zmian projektowych, pozyskiwania podwykonawców do operacji dodatkowych oraz zatwierdzania jakości. Złożone matryce progresywne lub oprzyrządowanie hartowane mogą wymagać kilku cykli weryfikacji i dostosowań przed osiągnięciem stabilnej produkcji.

Ryzyko wzrasta, gdy zapytania ofertowe nie zawierają specyfikacji materiałowych, tolerancji, wymagań dotyczących wykończenia, rocznego wolumenu lub oczekiwań dotyczących kontroli. Brakujące informacje powodują ciągłą wymianę korespondencji i mogą prowadzić do konieczności sporządzenia nowej oferty po przeglądzie projektu.

Aby ograniczyć ryzyko, nabywcy powinni dostarczyć kompletny rysunek techniczny, model CAD, informacje o przewidywanym rocznym zużyciu, wymagania dotyczące materiałów i wykończenia, wymiary krytyczne, wymogi regulacyjne oraz harmonogram wprowadzenia produktu na rynek. Wczesna ocena dostawców pozwala zidentyfikować konieczność wprowadzenia zmian projektowych jeszcze przed rozpoczęciem produkcji oprzyrządowania.

Metody kontroli wymiarów krytycznych w elementach tłoczonych

Metody kontroli wymiarów krytycznych w przypadku elementów tłoczonych mogą obejmować suwmiarki, mikrometry, mierniki wysokości, pomiary optyczne, systemy wizyjne, przyrządy typu „go/no-go”, maszyny do pomiarów współrzędnych oraz przyrządy funkcjonalne. Metoda powinna być dostosowana do danego elementu i wielkości produkcji.

W przypadku części produkowanych w dużych ilościach przyrządy pomiarowe i systemy wizyjne mogą pomóc w szybkim wykryciu odchyleń. W przypadku wymiarów złożonych lub krytycznych podczas kontroli pierwszego egzemplarza lub zatwierdzania procesu można zastosować maszynę do pomiarów współrzędnych. Wysokość zadziorów, płaskość, grubość powłoki oraz działanie sprężyny mogą wymagać oddzielnych kontroli.

Plany kontroli powinny koncentrować się na cechach krytycznych dla jakości. Pomiar zbyt wielu wymiarów niekrytycznych może spowolnić produkcję, nie zmniejszając przy tym rzeczywistego ryzyka. Z kolei pomiar zbyt małej liczby wymiarów może spowodować, że zużycie narzędzi lub odchylenia w procesie dotrą do etapu montażu.

Wnioski, materiały i kryteria oceny dostawców

Najlepsze stopy do produkcji odpornych na korozję tłoczonych elementów metalowych

Wybór najlepszych stopów do produkcji odpornych na korozję tłoczonych elementów metalowych zależy od warunków otoczenia, obciążenia mechanicznego, plastyczności, wymagań elektrycznych oraz wykończenia. Do typowych grup materiałów należą: stale nierdzewne, stopy aluminium, powlekane stale węglowe, stopy miedzi, stopy niklu oraz stopy specjalne.

Stal nierdzewna jest często wybierana ze względu na odporność na korozję i wytrzymałość. Aluminium charakteryzuje się niewielką masą i naturalną odpornością na korozję w wielu warunkach. Stopy miedzi, takie jak mosiądz i brąz fosforowy, są powszechnie stosowane tam, gdzie istotne znaczenie mają przewodność, właściwości sprężyste lub właściwości stykowe. Stopy niklu i stopy specjalne mogą być stosowane, gdy wymagana jest wyższa odporność na temperaturę lub czynniki chemiczne.

Wybór materiału nie powinien opierać się wyłącznie na odporności na korozję. Stop musi również ulegać formowaniu bez pękania, spełniać wymagania dotyczące tolerancji, nadawać się do obróbki wykończeniowej oraz umożliwiać utrzymanie wymaganej wydajności produkcji.

Zastosowania w branży motoryzacyjnej, pojazdach elektrycznych, elektronice, medycynie, sprzęcie AGD oraz przemyśle

Zastosowania w przemyśle motoryzacyjnym i pojazdach elektrycznych obejmują wsporniki, zaciski, końcówki, osłony, wzmocnienia konstrukcyjne, elementy bezpieczeństwa oraz części obudów akumulatorów. Tłoczenie na gorąco stali o ultra wysokiej wytrzymałości stosuje się w niektórych zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem i konstrukcją, gdzie istotne znaczenie mają zarówno wytrzymałość, jak i redukcja masy. Platformy pojazdów elektrycznych spowodowały również wzrost zainteresowania dużymi tłoczonymi tacami akumulatorowymi, obudowami oraz zintegrowanymi elementami konstrukcji nadwozia.

W elektronice stosuje się wykonane na zamówienie, tłoczone styki ze stopu miedzi, zaciski, styki sprężynowe, osłony oraz elementy złączy. Części te często wymagają precyzyjnych detali, kontrolowanych zadziorów, powłok galwanicznych oraz powtarzalnego działania sprężyn.

W produktach medycznych, AGD i przemysłowych stosuje się elementy tłoczone jako obudowy, zaciski, elementy mocujące, osłony, ramy oraz funkcjonalne elementy metalowe. Branże te mogą stawiać dodatkowe wymagania dotyczące czystości, identyfikowalności, odporności na korozję lub określonej dokumentacji jakościowej.

Jakie dokumenty i systemy jakości powinni sprawdzić nabywcy?

Nabywcy powinni sprawdzić, czy system jakości dostawcy jest dostosowany do ryzyka związanego z danym zastosowaniem. Programy motoryzacyjne mogą wymagać dokumentacji typu PPAP oraz zgodnej ze standardami AIAG. Projekty dotyczące wyrobów medycznych mogą wymagać systemów jakości zgodnych z regulacyjnymi wymogami produkcyjnymi, takimi jak norma ISO 13485. Ogólne programy przemysłowe mogą wymagać raportów z kontroli, certyfikatów materiałów, certyfikatów powłok oraz dokumentacji dotyczącej kontroli zmian.

Pakiet zapytania ofertowego powinien zawierać aktualną wersję rysunku, pliki CAD (jeśli są dostępne), specyfikację materiałową, wymagania dotyczące wykończenia lub powlekania, roczne zużycie (EAU), cechy krytyczne dla jakości, wymagania dotyczące kierunku zadziorów lub stanu krawędzi, wymagania dotyczące pakowania oraz wszelkie oczekiwania dotyczące FAI, PPAP, walidacji lub identyfikowalności. Nabywcy powinni również sprawdzić, w jaki sposób dostawcy definiują założenia ofertowe, tak aby zakres oprzyrządowania, zakres kontroli oraz operacje dodatkowe były porównywalne w poszczególnych ofertach. Brakujące dane we wniosku o ofertę często powodują rozbieżności w ofertach, opóźnienia w zatwierdzaniu oraz ryzyko wystąpienia zleceń zmian w dalszej części programu.

Przydatna dokumentacja może obejmować:

• Certyfikaty materiałowe
• Raporty z kontroli pierwszej partii
• Plany kontroli
• Schematy przebiegu procesów
• Analiza rodzajów awarii i ich skutków, jeśli jest to wymagane
• Pakiety PPAP dla programów motoryzacyjnych
• Dokumentacja dotycząca identyfikowalności partii
• Plany konserwacji i przeglądów narzędzi
• Certyfikaty dotyczące powłok lub galwanizacji

Najważniejsze jest dostosowanie szczegółowości dokumentacji do stopnia ryzyka związanego z danym elementem. Osłona o znaczeniu niekrytycznym nie wymaga takich samych środków kontroli jak element bezpieczeństwa, część związana z implantem czy styk elektryczny stosowany w podzespole podlegającym regulacjom.

Macierz decyzyjna: zgodność materiałowa, zdolność procesowa, certyfikaty, wsparcie w zakresie oprzyrządowania oraz ryzyko produkcyjne

Niestandardowe elementy tłoczone z metalu najlepiej sprawdzają się, gdy projekt jest ustalony, wielkość produkcji jest wystarczająco duża, by uzasadnić wykonanie oprzyrządowania, geometria może zostać uformowana z blachy, a wymagane tolerancje są zgodne z charakterystyką tłoczenia. Proces ten jest mniej odpowiedni, gdy projekt części wciąż ulega zmianom, wielkość produkcji jest niewielka, geometria jest gruba lub w pełni trójwymiarowa, albo gdy projekt wymaga wielu poprawek po tłoczeniu.

Najlepszym kolejnym krokiem jest przeprowadzenie analizy wykonalności pod kątem wymagań dotyczących materiału, geometrii, oprzyrządowania, tolerancji, wykończenia i kontroli jakości przed podjęciem decyzji o wykonaniu oprzyrządowania produkcyjnego. Pozwala to ograniczyć konieczność ponownej obróbki i pomaga nabywcom porównać tłoczenie z cięciem laserowym, obróbką skrawaniem, konstrukcją metalową, odlewaniem oraz produkcją addytywną pod kątem całkowitego ryzyka, a nie tylko ceny jednostkowej.

FAQ

Referencje

https://www.iso.org/standard/5402.html

https://www.iso.org/standard/78137.html