Полное руководство по проектированию оснастки в производстве

Проектирование оснастки — это процесс создания инструментов, которые придают форму, режут или удерживают сырье, чтобы оно стало деталями, которые мы используем каждый день. От пластиковых крышек для бутылок до прецизионных компонентов самолетов, оснастка лежит в основе каждого производственного процесса. Хорошая конструкция оснастки помогает изготавливать детали быстрее, дешевле и точнее. В этом руководстве мы рассмотрим основы проектирования оснастки и объясним, почему это важно.

Что такое оснастка в производстве?

Под инструментами в производстве понимаются принадлежности, приспособления, кондукторы, умирает, формы, фрезы и резаки, которые преобразуют сырье в готовые изделия. Геометрия инструмента определяет форму детали, которую он производит. Инструмент может резать, штамповать, формовать или удерживать материал, пока другая машина работает с ним. Простое сверло и сложное многогнездная пластиковая форма оба считаются инструментами, поскольку каждый из них преобразует сырой материал в полезную форму.

Производители часто делят оснастку на две категории:

• Формообразующие инструменты создают или определяют форму детали.
• Вспомогательные инструменты удерживают или направляют детали, не определяя их форму.

В этом руководстве основное внимание уделяется инструментам для формовки, поскольку их форма напрямую определяет форму конечного продукта. Инструментом для формовки может быть резак, штамп или полость литьевой формы. Напротив, вспомогательным инструментом может быть зажим, направляющая или приспособление, удерживающее детали в правильном положении.

Почему формовочные инструменты особенные?

Инструменты для формовки придают детали ее окончательную форму. Они отличаются от вторичных инструментов, таких как зажимы или тиски, которые помогают удерживать детали на месте, но не определяют окончательную геометрию.

Например:

• An Литьевая пресс-форма определяет, как именно будет выглядеть пластиковая деталь.
• A зажим держит часть неподвижна, но не влияет на ее форму.

Поскольку формовочный инструмент играет решающую роль в качестве готового изделия, конструкторы часто вкладывают значительные средства в выбор подходящего инструмента, особенно если это специальный инструмент, изготовленный специально для одной детали.

Почему проектирование оснастки имеет значение?

Правильное проектирование инструмента с самого начала может сэкономить время, деньги и избежать разочарований в будущем. Вот почему:

• Неправильная конструкция инструмента может привести к увеличению сроков производства.
• Несоосность или использование неподходящих материалов могут привести к появлению дефектных деталей.
• Слабые инструменты могут выйти из строя раньше времени, что полностью остановит производство.
• Сложная или медленная смена инструмента увеличивает затраты на рабочую силу.

Хорошая конструкция инструмента гарантирует, что деталь будет изготовлена ​​правильно каждый раз — быстро, точно и с минимальными отходами.

Ключевые факторы при проектировании инструмента

Разработка идеального инструмента требует внимания к нескольким факторам. Вот наиболее важные из них:

Выбор материала

Производственные инструменты должны выдерживать износ, нагрузку и факторы окружающей среды. Конструкторы выбирают материалы инструментов на основе:

• Твердость: Твердые материалы устойчивы к истиранию, но могут треснуть, если они слишком хрупкие.
• Прочность: Прочные материалы выдерживают удары и многократные нагрузки без разрушения.
• Тепловые свойства: Некоторые инструменты подвержены сильным перепадам температур, например формы для литья под давлением.
• Химическая устойчивость: Инструменты для литье пластмасс часто сталкиваются с едкими веществами или смазочными материалами.

К распространенным материалам для оснастки относятся:

Материалы	Типичное использование	Наши преимущества	ограничения
Сталь (Н13)	Пресс-формы для литья под высоким давлением	Хорошая прочность, термостойкость	Более высокая стоимость, более длительные сроки выполнения
Инструментальная сталь	Режущие инструменты, штампы	Отличная износостойкость	Подвержен сколам, если не обрабатывать
Алюминий	Пластиковые формы малого объема	Легкий, быстрая обработка	Ограниченная прочность при высокой нагрузке
карбид	Высокоскоростные режущие инструменты	Чрезвычайная твердость, долгий срок службы	Очень хрупкий, трудно поддается ремонту

Проектировщикам следует проконсультироваться с производителями, чтобы подобрать подходящую марку для конкретной области применения.

Объем производства и долговечность инструмента

Сколько деталей вы собираетесь сделать?

• Большой объем (>100,000 XNUMX деталей). Используйте закаленную сталь или сплав с обработкой поверхности.
• Средний объем (10,000 100,000–XNUMX XNUMX деталей). Может подойти закаленная сталь или обработанный алюминий.
• Малый объем (<10,000 XNUMX деталей). Алюминий или более мягкая сталь могут снизить стоимость и время выполнения заказа.

Инструменты, используемые многократно, должны выдерживать:

• Тепло и давление
• Механический износ
• Химическое воздействие (в некоторых случаях)

Хотя более прочные материалы стоят дороже, они обычно окупаются в долгосрочной перспективе.

Допуск и точность

Точность инструмента определяет точность детали, которую он изготавливает. Более жесткие допуски означают:

• Более дорогие инструменты
• Более строгие процедуры технического обслуживания
• Более высокое качество деталей

В таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность или производство медицинских приборов, небольшие ошибки могут иметь большие последствия. В таких случаях прецизионная оснастка не подлежит обсуждению.

• Детали с жесткими допусками (±0.01 мм). Требовать На станке с ЧПУ, отполированные инструменты с регулярными проверками.
• Детали со средним допуском (±0.1 мм). Можно использовать EDM (электроэрозионная обработка) и стандартная отделка.
• Детали с допуском (±0.5 мм). Могут использоваться литые или штампованные штампы с минимальной отделкой.

Совет по обслуживанию: Для поддержания производительности точные инструменты следует регулярно калибровать и затачивать.

Время цикла и долговечность инструмента

Время цикла показывает, насколько быстро инструмент может изготовить одну деталь.

• Более короткое время цикла = больше деталей за меньшее время.
• Однако более быстрые циклы часто означают больший износ инструмента.

Производители часто наносят покрытие на инструменты для повышения скорости и долговечности.

Тип покрытия	Преимущества
Хромирование/Никелирование	Коррозионная стойкость, умеренная твердость
PVD (физическое осаждение из паровой фазы)	Высокая твердость, износостойкость
ССЗ (химическое осаждение)	Сильная связь, лучше подходит для более высоких температур

Используйте покрытия, когда от инструмента требуется высокая прочность и скорость, но помните о дополнительных расходах.

Время смены инструмента

Простой обходится дорого. Если замена инструмента занимает часы, производство останавливается, хотя рабочие все равно получают зарплату.

Планируйте легкую переналадку на этапе проектирования. Используйте:

• Быстроразъемные зажимы
• Модульные инструментальные системы
• Точки подъема для больших форм

Совет по дизайну: Всегда учитывайте, как инструмент будет устанавливаться, сниматься или обслуживаться.

Преимущества модульной оснастки: экономия средств

Модульная оснастка разбивает инструмент на стандартизированные базовые компоненты и сменные модули. Проектировщики получают гибкость и снижение затрат тремя способами:

1. Сокращенное время простоя. Рабочие заменяют только изношенный или специальный модуль, а не весь инструмент.
2. Снижение затрат на инвентаризацию. Компании имеют на складах меньше полноценных инструментов и больше небольших и недорогих вставок.
3. Более быстрая итерация. Инженеры могут тестировать новые модули, не переделывая всю сборку.

На схеме ниже показана модульная схема инструмента:

Компонент	Функция
Опорная плита	Обеспечивает структурную поддержку и выравнивание.
Вставка модуля	Имеет специфическую функцию резки или формовки.
Зажимной механизм	Надежно удерживает вставку на месте.
Порты охлаждения или смазки	Подает технологические жидкости в активную зону.

Модульная конструкция упрощает модернизацию части инструмента для новых материалов или усовершенствование характеристик детали.

Распространенные типы производственных инструментов

Давайте рассмотрим основные категории инструментов, имеющихся на большинстве производственных предприятий:

Тип инструмента	Описание	Примеры
Режущие инструменты	Удалите материал с заготовки, чтобы сформировать форму.	Сверла, концевые фрезы, пильные полотна, шлифовальные машины
Формовочные штампы	Применяйте силу или давление для придания формы материалу, не удаляя его.	Штампы для штамповки, ковочные штампы, пресс-формы
Формы для инъекций	Впрыскивание расплавленного пластика или металла в полость заданной формы для формирования сложных деталей.	Пластиковые литьевые формы, литьевые формы
Проведение мероприятий	Защищайте детали во время обработки или сборки	Зажимы, приспособления, тиски, магнитные пластины

Режущие инструменты

Режущие инструменты вычитают материал, чтобы выявить желаемую форму. Дизайнеры выбирают геометрию, покрытие и материал на основе:

• Твердость заготовки. Для более твердых материалов требуются более прочные марки инструментов.
• Скорость резки. Более высокие скорости требуют термостойких покрытий.
• Сложность характеристик. Геометрические характеристики влияют на форму инструмента и количество канавок.

Формовочные штампы

Формовочные штампы формируют материал посредством давления или полостей пресс-формы. Штамповочные штампы деформируют листовой металл, в то время как литейные штампы формируют жидкий металл или пластик. Дизайнеры фокусируются на:

• Материальный поток. Плавные переходы предотвращают дефекты.
• Углы уклона. Соответствующие углы обеспечивают легкое извлечение деталей.
• Вентиляция. Соответствующие вентиляционные отверстия позволяют выходить газам в процессе литья.

Формы для инъекций

Формы для литья под давлением впрыскивают расплавленный полимер или металл. Для этих инструментов требуется:

• Сложные каналы охлаждения. Для управления нагревом и усадкой.
• Прецизионная обработка. Для поддержания жестких допусков по характеристикам.
• Прочная конструкция. Выдерживать повторяющиеся циклы высокого давления.

Удачная конструкция пресс-формы для литья под давлением может сократить время цикла, сократить количество брака и повысить качество деталей.

Проведение мероприятий

Инструменты для крепления фиксируют детали во время обработки или сборки. Конструкторы определяют эти инструменты на основе:

• Геометрия детали. Зажимы и приспособления должны точно соответствовать форме детали.
• Силы процесса. Большие усилия резания требуют жестких тисков или болтовых креплений.
• Повторяемость. Кондукторы каждый раз направляют инструменты по одной и той же траектории.

Хорошее крепление повышает безопасность, точность и производительность.

Процесс проектирования инструмента и передовой опыт

Проектирование производственного инструмента включает несколько этапов. Команды могут следовать этому рабочему процессу:

1. Разработка концепции. Проектировщики создают эскизы геометрии и характеристик инструмента.
2. Выбор материала. Инженеры выбирают сырье и покрытия.
3. САПР-моделирование. Команда создает 3D-модель для моделирования и анализа.
4. Моделирование и анализ. Программные средства прогнозируют точки напряжения, эффективность охлаждения и схемы заполнения.
5. Прототипная оснастка. Мягкий инструмент (например, алюминиевая форма) проверяет конструкцию детали.
6. Изготовление окончательного инструмента. Команда обрабатывает закаленный инструмент и наносит покрытия.
7. Испытания и ввод в эксплуатацию. Инженеры проводят первичный осмотр изделия и при необходимости вносят коррективы.
8. Производство и обслуживание. Технические специалисты планируют плановые проверки, ремонт и восстановление.

На протяжении всего этого процесса четкое взаимодействие между проектировщиками, производителями и конечными пользователями помогает управлять ожиданиями относительно стоимости, сроков и производительности.

Советы по передовой практике

• Включить функции обслуживания. Добавьте порты доступа и центрирующие выступы для технического обслуживания.
• Документируйте допуски. Запишите критические размеры и методы измерения.
• Планируйте износ. Укажите этапы восстановления поверхности или замены вставок.
• Используйте стандартные компоненты. По возможности используйте стандартные зажимы, кольца и вставки.
• Обзор с заинтересованными сторонами. Получайте обратную связь от отделов производства и контроля качества на ранних этапах.

Вывод

Хорошо спроектированный инструмент может создать или разрушить успех вашего продукта. Он формирует качество, стоимость, скорость и даже безопасность. Понимая ключевые принципы проектирования инструмента и разумно планируя, вы настраиваете свой производственный процесс на долгосрочный успех.

Если вы разрабатываете новый продукт или расширяете производство, работайте с проверенным эксперт по инструментам может сэкономить вам время и деньги. Чем раньше вы подумаете об инструментах, тем лучше будут ваши результаты.

Нужна помощь с проектированием инструмента? Обратитесь к производственному партнеру, который поможет вам с выбором материала, сокращением времени цикла, модульными стратегиями и многим другим, чтобы ваши инструменты работали идеально, каждый раз.