Выбор процесса
Как выбрать производственный процесс для реальной детали: материал, форма, размер, точность и сколько деталей нужно.
Инженеры выбирают процесс производства, взвешивая шесть вещей: материал, количество, форму, размер, нужную точность и стоимость. Ни один процесс не выигрывает по всем шести, поэтому каждый выбор — компромисс. Эта страница помогает сузить круг, а затем отсылает к урокам для чтения.
Шесть вопросов
- Материал. Каждый процесс работает только с некоторыми материалами, потому что он должен плавить, течь, изгибать или резать их по-своему.
- Количество. Сколько деталей вам нужно, определяет, окупится ли дорогая форма или матрица.
- Форма. Тонкие стенки, полые полости, глубокие карманы и тонкие отверстия легки для одних процессов и невозможны для других.
- Размер. У каждого станка и формы есть пределы, поэтому деталь размером с рисовое зёрнышко и деталь размером с автомобильную дверь требуют разных процессов.
- Точность. Жёсткие допуски (допустимая погрешность размера) и гладкие поверхности часто требуют механической обработки или шлифования после первого шага формовки.
- Стоимость. Цель — наименьшая общая стоимость для вашего количества: оснастка (формы, матрицы и приспособления, сделанные под вашу деталь), машинное время, материал и отделка.
Руководство по выбору
Количество и материал быстрее всего сужают круг, поэтому руководство начинается с них.
Быстрый выбор
Большинство повседневных предметов проходит цепочку процессов, перечисленных здесь по порядку.
| Я хочу сделать… | Обычно делают | Уроки |
|---|---|---|
| Пластиковая бутылка для напитков | Небольшая форма, похожая на пробирку (преформа), отливается под давлением, затем повторно нагревается и раздувается в бутылку | 2.1, 2.3 |
| Чехол для телефона | Пластик, отлитый под давлением; чехлы с твёрдой оболочкой и мягким бортиком делают многокомпонентным литьём | 2.1, 2.2 |
| Садовый шланг | Мягкий PVC или резина, продавленные через кольцевую матрицу, часто слоями вокруг тканой оплётки | 3.3 |
| Кузовная панель автомобиля | Штампуется из стального или алюминиевого листа, приваривается к кузову точечной сваркой, затем красится | 4.2, 7.2, 11.1 |
| Банка для напитков | Диск алюминиевого листа вытягивают в стаканчик, стенку утоняют вытяжкой с утонением и вытягивают вверх, затем наносят печать | 6.1, 4.2 |
| Кухонная мойка | Глубокая вытяжка из одного листа нержавеющей стали, затем обрезка и шлифовка щёткой или полировка | 4.2, 5.9 |
| Алюминиевая оконная рама | Алюминиевые профили экструдируют, режут и соединяют в углах, затем анодируют или покрывают порошковой краской | 3.3, 11.6, 11.2 |
| Рама велосипеда (алюминиевая или стальная) | Тянутые или экструдированные трубы, часто формуются гидроформовкой, затем сваривают TIG; алюминиевые рамы затем термообрабатывают | 3.3, 4.5, 7.1, 12.1 |
| Винт | Стальную проволоку подвергают холодной высадке для формирования головки, затем накатывают резьбу; часто закаляют и цинкуют | 3.5, 3.6, 12.1, 11.5 |
| Коленчатый вал | Кованая сталь (иногда чугун), затем точение, шлифование и поверхностное упрочнение | 3.1, 5.1, 5.7, 12.2 |
| Шестерня | Зубья нарезают червячной фрезой, затем цементируют и шлифуют; малые шестерни также спекают или отливают | 5.5, 12.2, 5.7, 9.1, 2.1 |
| Блок двигателя | Чугун или алюминий, отлитый в песчаные формы, либо алюминий, отлитый под давлением, затем обработка и хонингование | 1.1, 1.4, 5.2, 5.8 |
| Лопатка турбины реактивного двигателя | Отливка по выплавляемым моделям в виде монокристалла никелевого суперсплава, охлаждающие отверстия сверлят электроэрозией или лазером, затем покрывают | 1.2, 1.8, 6.6, 11.10 |
| Титановый тазобедренный имплант | Кованый и обработанный титановый сплав; пористые поверхности часто печатают на 3D-принтере или наносят плазменным напылением | 3.1, 5.2, 8.4, 11.10 |
| Углеродное велосипедное колесо | Углеродный препрег (ткань, пропитанная смолой) выкладывают в форму обода, затем отверждают под действием тепла и давления | 10.1 |
| Печатная плата (PCB) | Медную фольгу на плате из стекловолокна наносят рисунком с помощью света и травят; отверстия сверлят и металлизируют; детали припаивают | 13.2, 6.8, 5.3, 11.5, 7.3 |
| Кремниевый чип | Кремниевый кристалл выращивают и нарезают на пластины, затем строят в сотнях шагов нанесения рисунка, осаждения и травления | 13.1, 13.2, 13.4, 11.9 |
Стоимость и количество
У каждого процесса есть два вида затрат. Стоимость оснастки оплачивается один раз, до первой годной детали: форма, матрица или приспособление, сделанные только под вашу деталь. Эксплуатационные затраты платятся снова за каждую деталь: материал, машинное время, энергия и труд.
Стоимость детали = стоимость оснастки ÷ число деталей + эксплуатационные затраты на деталь
Чем больше деталей делят оснастку, тем меньше приходится на каждую: на 10 деталей каждая оплачивает десятую часть, на 100 000 деталей — почти ничего. Поэтому процесс с дорогой оснасткой, например литьё под давлением, очень дорог для немногих деталей и очень дёшев для многих. Процесс с малой оснасткой, например механическая обработка или 3D-печать, стоит примерно одинаково на деталь при любом количестве.
Практические правила
- Сначала посчитайте количество. Для горстки деталей выбирайте процесс без индивидуальной оснастки, например механическую обработку или 3D-печать; для десятков тысяч платите за форму или матрицу.
- Подойдите близко, затем доведите. Отлейте, откуйте или отформуйте деталь близко к окончательной форме (форма, близкая к окончательной), затем обработайте только те поверхности, которые должны быть точными.
- Требуйте точность только там, где она важна. Каждый более жёсткий допуск добавляет обработку, контроль и стоимость, поэтому оставляйте его для поверхностей, которые сопрягаются, уплотняются или скользят.
- Делайте стенки равномерными. При формовании и литье толстые места остывают последними и могут проседать, коробиться или запирать пустоты; рёбра добавляют жёсткость без толстых стенок.
- Добавляйте уклон, избегайте поднутрений. Небольшая конусность и отсутствие крючковатых элементов позволяют детали выходить из формы прямо, поэтому форма остаётся простой и дешёвой.
- Нужна прочность при повторяющихся нагрузках? Подумайте о ковке. Ковка заставляет волокна металла следовать форме детали, поэтому она лучше сопротивляется усталости, чем отливка.
- У полых и длинных форм свои процессы. Бутылки и резервуары: выдувное или ротационное формование (2.3, 2.5). Длинные постоянные профили: экструзия (3.3) или пултрузия (10.3).
- Спланируйте всю цепочку. Большинство деталей сначала формуют, затем обрабатывают, термообрабатывают и отделывают, и каждый шаг добавляет стоимость и время.
Попробуйте
Пусть ИИ работает в вашей САПР.
Моделируйте детали, создавайте чертежи и автоматизируйте рутину в вашей CAD-системе.