Conception en tôlerie – Qu’est-ce que le facteur K ?

Introduction

L'un des phénomènes auxquels les fabricants en tôlerie doivent faire face lorsqu'ils plient des pièces est ce qu'on appelle la tolérance de pliage. La raison en est que lorsque le métal est plié, le matériau à l'intérieur du pli se comprime, tandis que le matériau à l'extérieur s'étire, et pas de quantités égales (pour des raisons qui deviennent trop techniques même pour cet article). Le résultat est que la pièce « grandit » en sa taille total si elle n'est pas compensée. Cette compensation peut être calculée à l'aide de ce qu'on appelle le facteur K, qui prend en compte des variables telles que le type de matériau, son épaisseur, le rayon intérieur de la courbure et la façon dont il est plié.

Qu'est-ce que cela signifie pour le concepteur de pièces? Même si votre pièce est conçue comme une pièce de tôlerie dans un modélisateur de solides CAO, lorsqu'elle est aplatie, le développement à plat peut ou non être correct, en fonction des variables notées ci-dessus. C'est pour cette raison que les fabricants de métaux réputés peuvent réviser le modèle et ajouter leurs paramètres de presse plieuse particuliers pour créer un développement plat mis à jour qui donnera la pièce dont vous avez besoin, et dans les tolérances requises.

Connaître le processus de votre fabricant et l'outillage de presse plieuse disponible (notamment le rayon de pointe du poinçon) permet de gagner du temps et d'éviter les éventuelles surprises. Le but de cet article est de montrer aux ingénieurs et aux concepteurs les aspects techniques de la manière dont nous (et vous !) pouvons déterminer le facteur K dans la conception de tôlerie.

Énoncé du problème

Lorsque les fichiers sont fournis par le client, le modèle 3D n'a pas de paramètres de pliage spécifiés s'il s'agit d'un fichier STEP, IGES ou Parasolid, et les paramètres de pliage sont définis sur une valeur par défaut dans SolidWorks. Lorsque le modèle plat est développé pour que la pièce soit coupée, il aura souvent des dimensions incorrectes pour produire la pièce pliée souhaitée par le client. Afin de surmonter ce problème, votre fabricant en tôlerie doit calculer le facteur K et réviser le développement à plat de la pièce pour obtenir la pièce souhaitée et dans les tolérances spécifiées.

Pourquoi le facteur K est-il important dans la fabrication de tôles ?

Le facteur K dans la conception des tôles est important car il est utilisé pour calculer correctement le développement à plat. En effet, cela est directement lié à la quantité de matériau étirée pendant le pliage. Le facteur K est le rapport de l'axe neutre à l'épaisseur du matériau. Le facteur K joue un rôle clé dans la compréhension des limites qu'un matériau peut supporter lors du pliage de la tôle.

Équation générale pour le facteur K ::

BA= Tolérance de pliage

μ= Épaisseur de matériau

ρ = Rayon intérieur

β = Angle de pliage (en degrés)

Calcul du facteur K

L'équation générale du facteur K est utilisée pour s'assurer que le facteur K utilisé dans SolidWorks est fiable pour fabriquer des pièces aux bonnes dimensions et pour voir s'il est applicable au processus de fabrication (pliage dans une matrice de presse plieuse). Suivez les formules et les calculs qui suivent ou cliquez ici pour accéder à l'un des nombreux calculateurs en ligne du facteur K.

1. Mesures prises à partir d'un support que nous fabriquons :

β = 90°
ρ = 0.142 in (voir Fig. 1)
μ = 0.135 in (Acier laminé à froid)

FL1 = 1.378 in (voir Fig. 2)
FL2 = 1.462 in (voir Fig. 3)
Longueur initial = 2.583 in (voir Fig. 5)

FIG. 1
FIG. 2
FIG. 3

2. Maintenant que vous avez vos mesures, nous allons déterminer le BA. Pour ce faire, déterminez d'abord le retrait du pli extérieur (OSSB)

OSSB=Tan (β/2)(ρ+μ) Tan (90/2)(0.142+0.135)
OSSB = .277 in
FIG. 4
FIG. 5

Déterminez ensuite la Perte Au Pli (la PAP ne fait pas partie de la formule mais peut être utilisé à la place du facteur K si vous le souhaitez).

BD = FL1 + FL2 – Longueur initial

3. Calculer la Tolérance de pliage à l'aide de l'équation suivante.

BA = 2*OSSB
= 2* 0.277
= 0.297 in

4. Injectez la tolérance de courbure (BA), l'angle de courbure (β ), le rayon intérieur (ρ ) et l'épaisseur du matériau (μ ) dans l'équation ci-dessous pour déterminer le facteur K (Kf).

Oui, ces calculs peuvent être fastidieux. Une alternative plus simple consiste à utiliser l'un des nombreux calculateurs de facteur K en ligne, dont l'un peut être trouvé ICI.

Nous définissons généralement une valeur de facteur K par défaut de 0,33 lors de la conception de modèles de tôlerie dans SolidWorks. Mais cela peut poser des problèmes lorsque les clients fournissent des fichiers CAO 3D qui ont utilisé un facteur K par défaut ou inconnu, avec pour résultat que les dimensions ou les tolérances de la pièce pliée deviennent irréalisables. Dans ce cas, votre fabricant de métaux doit effectuer une approche par tâtonnement pour déterminer le bon facteur K, où il ajuste le facteur K dans SolidWorks jusqu'à ce que les dimensions souhaitées soient atteintes. Par conséquent, les équations ci-dessus sont utilisées comme méthode pratique pour calculer le facteur K afin de réduire le nombre d'essais nécessaires dans l'approche par tâtonnement pour calculer le facteur K dans SolidWorks.

Conclusion

En l'absence de connaissance du facteur K utilisé par le concepteur, les calculs ci-dessus et/ou les étapes indiquées ci-dessous sont ce que le fabricant de métal doit suivre !Pour vous aider à économiser du temps, des efforts et potentiellement des coûts, nous vous encourageons à ajouter une note à vos dessins indiquant le facteur K utilisé !

Méthode pratique pour calculer le facteur K

1. Préparer les échantillons

- Commencez par préparer 5 échantillons à blanc de tailles égales et connues.
- Enregistrer le type et l'épaisseur du matériau dans le rapport de test
- Les ébauches doivent mesurer au moins un pied de long pour assurer un pli uniforme et quelques centimètres de profondeur pour vous assurer que vous pouvez les asseoir contre les butées arrière.
- Mesurer la longueur initiale de l'ébauche métallique

2. Test de pliage

- Configurez la presse plieuse avec l'outillage souhaité que vous utiliserez pour fabriquer cette épaisseur de métal. Assurez-vous d'utiliser la même matrice et le même poinçon pour tous les échantillons. Si un poinçon ou une matrice différent est utilisé, cela doit être mentionné dans le rapport de test.
- Faire un pli à 90° au centre de la pièce.

3. Mesurez les échantillons

- Mesurez la longueur de la bride et le rayon intérieur de chaque pièce, notez la longueur A, B et le rayon R comme indiqué sur la Fig. 6.
- Le rapport de test doit indiquer le type de matériau, l'épaisseur du matériau, la longueur initiale du flan, le rayon intérieur, la longueur de la bride A et B à cette étape.

4. Calcul

- Calculez le facteur K en suivant la procédure mentionnée précédemment avec les mesures obtenues.
- Cette valeur du facteur K doit être utilisée dans l'approche par tâtonnement dans les étapes suivantes.

5. La modélisation

- Utilisez les longueurs de bride mesurées pour créer un modèle sur SolidWorks comme illustré à la Fig. 7 et définissez la valeur du facteur K obtenue à partir du calcul (étape 4) dans le modèle SolidWorks.

6. Vérifier

- Enfin, créer le développement à plat à partir du modèle et ajustez le facteur K dans SolidWorks jusqu'à ce que les dimensions du développement à plat soient égales à la longueur initiale mesurée de l'ébauche métallique. Le bon facteur K du métal testé est lorsque les dimensions globales du modèle plat sont égales à la longueur initiale mesurée de l'ébauche métallique.

FIG. 6
FIG. 7

En utilisant cette procédure, vous pouvez établir un tableau pour les différentes épaisseurs et types de métaux utilisés dans votre procédé. Cela devrait vous permettre de modéliser avec précision vos pièces pour atteindre les côtes sur les plans.

TriparTech: Fabrication hybride, Les options de fabrication du métal contre l’estampage du métal

Les options de fabrication du métal contre l'estampage du métal

Les pièces en tôle peuvent être produites par de nombreux procédés. Les deux grandes méthodes sont l’emboutissage et la fabrication du métal. Pour comprendre où chacun entre en jeu, vous devez d’abord comprendre ce que chacun est et quelles sont les différences.

Fabrication de métal

Les pièces fabriquées à partir du métal en feuille sont celles qui sont généralement produites sans utiliser de matrice d’estampage en métal (parfois appelée «outillage dur»), mais utilisent à la place un équipement dédié ou spécialisé. Dans sa forme de technologie la plus simple et la plus basse, un tel équipement comprendrait des cisailles, des outils modulaires tels que le Pierce-All® à cadre en C pour percer des trous, des fentes, etc., et de plieuses pour effectuer le pliage.

En remontant la chaîne des technologies modernes à l’extrémité opposée du spectre, la plupart de celles-ci seraient remplacées par des poinçonneuses à commande numérique (souvent appelées «Strippit»), des lasers à commande numérique ou des machines combinées Poinçon / Laser aussi à commande numérique, suivi de pliage au besoin, à l’aide de plieuses CNC.

Laser à Commande Numérique

Machines combinées Poinçon/Laser à Commande Numérique

Plieuse à Commande Numérique

Les feuilles entières seraient placées sur une machine laser à commande numérique où la plupart des trous et des fentes seraient poinçonnés ou coupés, ou sur une poinçonneuse à commande numérique, où ces mêmes fonctions pourraient être poinçonnées ou coupées, ainsi que des ouvertures défonçables, formage peu profond* et parfois un taraudage pourrait potentiellement être fait, et tout le périmètre de la pièce poinçonné ou coupé de la feuille. Certains outils peuvent être nécessaires à l’aide de ces processus pour des tailles, des profils ou des formes de trous spécifiques, mais ce n’est généralement pas trop cher, allant de 50 à 150 $ pour un simple poinçon et sa matrice qui va de pair, à peut-être 1500 à 2000 $ pour des outils de formage complexes.

*Comme les extrusions, rebords, persiennes et autres formage peu profonds, dont les hauteurs sont limitées par les spécifications de chaque machine.

Un laser CNC ne peut que découper, mais il peut aussi découper des formes complexes en raison de l’absence d’outillage, ainsi que des découpes de grande taille, qui pourraient autrement nécessiter des forces de poinçonnage (tonnage) dépassant les capacités de la poinçonneuse CNC.

Une machine combinée CNC Poinçon / Laser peut atteindre les deux objectifs ci-dessus; trous percés, éléments formés. Les pièces entièrement percées et coupées seraient ensuite pliées selon les besoins à l’aide d’une presse plieuse à commande numérique, où des butées programmable et mobile, permettent à la pièce d’avoir plusieurs pliages, souvent à différentes hauteurs et angles de pliage pour répondre aux exigences de dessin. Ceux-ci ne nécessitent généralement aucun outillage, ou de l’outillage minimes, tels que petits poinçons et matrice assortis pour le perçage et outillage de presse plieuse mâle et femelle pour le pliage. La plupart des ateliers de fabrication de métaux ont un arsenal pour répondre à une grande variété d‘exigences comme celle-ci, de sorte que le client devra supporter peu ou pas de frais d’outillage.

Les coûts des pièces sont proportionnels au temps nécessaire pour couper les pièces de chaque feuille, à la façon dont elles s’imbriquent dans la feuille (qui établit la quantité de matériau nécessaire pour produire chaque pièce) et si des (ou quelles) opérations secondaires sont nécessaires telles que le pliage, qui se compose principalement de main-d’œuvre.

L’estampage du métal

L’estampage des métaux est généralement effectué à l’aide de presses mécaniques ou hydrauliques de tonnage croissant, et une ou plusieurs matrices d’estampage sont utilisées pour former plusieurs ou toutes les caractéristiques d’une pièce en tôle. Le prix est en fonction de la taille de la pièce, de la complexité et du degré d’achèvement de la pièce que la matrice produira. Les petites pièces qui ne sont pas trop complexes peuvent souvent être entièrement produites (c’est-à-dire sans opérations secondaires ou ultérieures) dans une matrice progressive et ces pieces ont le retour sur investissement le plus court. Les pièces plus grandes impliquent généralement des coûts de matrice plus élevés, qui elles peuvent croître de façon exponentielle avec la complexité des pièces.

Les principaux avantages d’avoir une matrice capable de produire une pièce entière sont que les taux de production sont élevés et, en une seule opération, donc un coût de main-d’œuvre relativement faible. Ceci entraîne un coût unitaire de pièce le plus bas possible, à condition que les volumes puissent justifier/amortir le coût de l’outillage et fournir un retour sur investissement acceptable.

Une façon de réduire les coûts des matrices est de produire la pièce sans toutes les fonctionnalités requises, ce qui élimine une certaine complexité des matrices, donc le coût des matrices. Pour terminer la pièce, des opérations secondaires ou des matrices (souvent des matrices plus simples et moins coûteuses) peuvent être utilisées pour terminer la pièce. Alternativement, des opérations secondaires sans matrices (par exemple, pliage) peuvent parfois être utilisées pour terminer la pièce. Cela s’accompagne toutefois avec des frais de main-d’œuvre supplémentaires en raison des multiples opérations et de la manutention des pièces.

Lorsque votre fournisseur a un ou plusieurs matrices existantes pour fabriquer une variante acceptable de la pièce dont vous avez besoin, ou si l’une de ces matrices peut être modifiée pour le faire, vous pourrez peut-être obtenir ce dont vous avez besoin avec peu ou pas de frais d’outillage, en plus d’un faible coût de la pièce car la pièce est fabriquée sous forme d’estampage de métal. Cela peut également être bénéfique dans le cas d’un nouveau produit dont la conception n’est pas suffisamment stable, ou s’il y a des volumes inconnus qui ne peuvent pas être en mesure de justifier le coût d’une matrice.

Fabrication hybride

C’est là que l’estampage et la fabrication des métaux deviennent fluides, grâce à un fournisseur qui dispose des deux capacités : un équipement de fabrication des métaux à commande numérique et des presses à estamper, idéalement avec un grand nombre de matrices ouvertes (appartenant au fournisseur ou non propriétaires), dont vous pourriez bénéficier.

Les exemples comprennent:

  • Des matrices progressives qui ébauchent la pièce, mais qui ne plient que peu ou pas du tout car les volumes ne peuvent pas justifier une matrice aussi complexe. Dans de telles situations, les pièces peuvent être réalisées en deux étapes; l’ébauche réalisée dans une matrice moins coûteuse, suivie d’un pliage CNC. Le coût unitaire de la pièce peut être plus élevé qu’une matrice entièrement progressive, mais les coûts d’outillage seront réduits.

  • Capitalisez sur un article existant d’un fournisseur qui est produit dans une matrice, mais faites-le personnaliser ou modifier le selon vos besoins en utilisant leur équipement CNC. Par exemple, votre fournisseur dispose d’une matrice qui peut produire un moule ou un étrier avec une gamme limitée de tailles de trous. Ils peuvent être en mesure de fabriquer cette pièce sans aucun trou, puis de monter cette pièce sur leur laser CNC ou poinçonneuse pour couper votre trou personnalisé. Mieux encore, s’ils ont une machine de combinaison CNC Poinçon / Laser, ils peuvent être capables de couper des trous sans aucun outillage (y compris des trous de forme irrégulière) et d’ajouter les nombreuses autres fonctionnalités précédemment discutées, le tout dans la même opération secondaire.

Conclusion

La différence entre un atelier à commande numérique qui dispose, par exemple, de machines laser et/ou de poinçonneuses sans capacités d’estampage, par rapport à un avec ces capacités, c’est qu’avec le premier, à mesure que les quantités augmentent, ce fournisseur se contentera de plus en plus à fabriquer la pièce à sa manière habituelle, étant incapable d’offrir des alternatives plus compétitives en termes de coûts.

En revanche, en travaillant avec un fabricant qui a à la fois des capacités de fabrication de métal flexible et des capacités d’estampage de métal, ils n’ont aucun problème à vous dire, en tant que leurs client, si/quand vous gaspillez votre argent et immobilisant leur machine flexible pour fabriquer un article qui peut être plus rentable grâce à l’estampage des métaux. Dans cette situation, ils vous suggéreront que vous investissiez dans une matrice qui se paierait d’elle-même rapidement en coût de pièce réduit. Cela peut également libérer leur machine CNC flexible pour produire vos pièces de production à volume moyen inférieur; c’est à quoi ce genre de machines sont les mieux conçues!

La chose importante à retenir est de faire preuve d’ouverture et de souplesse lorsque vous travaillez avec votre fournisseur; plus vous le faites, plus il est susceptible qu’ils doivent potentiellement faire usage des matrices existantes et / ou de trouver la solution la plus économique, compte tenu des volumes de vos produits.

Pour plus d’information s’il vous plaît contacter TriparTech@TriparInc.com.