Инструментална екипировка за леене под налягане: Дизайн, материали и най-добри практики

Инструменталната обработка за леене под налягане, както подсказва името ѝ, обхваща форми и матрици от процеса на леене под налягане. Когато е добре проектирана, тя осигурява ясни характеристики, строги допуски и стабилни времена на цикъла при стотици хиляди, понякога милиони, изстрели.

В тази статия, ние от Moldie ще извлечем основните положения за инструменталната екипировка за леене под налягане и ще ви помогнем да получите по-добра представа за нейния механизъм на работа, решенията за инструменталната екипировка и други фактори, които са от значение за технологията за леене под налягане.

Какво е инструментална екипировка за леене под налягане и как работи

В основата си, инструменталната екипировка за леене под налягане е сложна, високоякостна стоманена форма, състояща се от две или повече половини. Основната ѝ функция е да оформя разтопен метал под огромно налягане в детайл с мрежова форма.

Стандартният инструмент за леене под налягане се състои от две основни половини:

• Покриващата матрица (фиксирана половина): Тази половина е монтирана към неподвижната плоча на машината за леене под налягане и съдържа системата за впръскване - или гъшият врат (в гореща камера) или гилзата за изстрел (в хладилна камера).
• Изхвърлящата матрица (подвижна половина): Тази половина е монтирана към подвижната плоча и съдържа системата за изхвърляне, която избутва втвърдената отливка навън след цикъла.

Цикълът на леене под налягане в четири ключови стъпки:

1. Затягане: Двете половини на матрицата са хидравлично захванати заедно с огромна сила (често от стотици до хиляди тона), за да издържат на високото налягане на инжектиране.

2. Инжектиране: Разтопен метал се инжектира в кухината на матрицата с висока скорост и налягане. Тук се разграничава горещата камера от... хладилна камера системите стават критични, както е описано подробно в следващия раздел.

3. Охлаждане: Металът се втвърдява вътре в кухината, приемайки окончателната си форма. Инструменталната част е оборудвана със сложни вътрешни охлаждащи канали, които циркулират вода или масло, за да контролират процеса на втвърдяване и да управляват екстремните термични цикли.

4. Изхвърляне: Скобата се отваря и изхвърлящата плоча в подвижната половина се придвижва напред, натискайки изхвърлящите щифтове към отливката, за да я освободят от матрицата.

Този цикъл се повтаря на всеки няколко секунди през целия живот на инструмента, подлагайки го на екстремно термично натоварване (от разтопен метал), механично натоварване (от затягане и налягане на инжектиране) и абразивно износване. Дизайнът, материалите и поддръжката на инструментите са оптимизирани, за да издържат в тази сурова среда.

Дизайн на персонализирани форми за инструменти за леене под налягане

Наклон, радиуси и дебелина на стената

Прилагане адекватен проект е първата стъпка към почистване на изхвърлянията и по-дълъг експлоатационен живот. За оптимални резултати използвайте ъгъл на наклон от 0,5 до 1,0 градуса върху външните повърхности и малко по-стръмен от 1,0 до 2,0 градуса върху вътрешните сърцевини. Също така, ако повърхността е текстурирана, ще трябва да добавите още по-голям наклон, обикновено с допълнителен градус или повече, за да го поберете и да предотвратите залепването на детайла по време на изхвърлянето.

Отвъд ъглите на наклон, включващи щедри филета е от решаващо значение за издръжливостта и качеството на детайла. Използването на заоблени части с радиус от поне 0,5 до 1,0 мм за цинк и 1,0 до 2,0 мм за алуминий помага за разпределяне на напрежението и предотвратява напукване чрез намаляване на острите ъгли. Тази процедура също така подобрява потока на разтопения метал.

Освен това, дизайните трябва да поддържат равномерна дебелина на стената, използвайте стратегически разположени ребра и вдлъбнатини и избягвайте изключително тънки стени – обикновено над 0,8 до 1,0 мм за алуминий – освен ако не е доказано, че конкретната настройка може да се справи с тях.

Толеранси и критични данни

Създаване на изчистване на референтната точка рамка, използваща здрави, достъпни повърхности, които са критични за функцията и размерите на детайла. Приложете Геометрично оразмеряване и толериране (GD&T) за контрол на формата, ориентацията и местоположението – като например плоскост, позиция и профил. Тази система определя функционалните граници на детайла. Избягвайте прекомерното ограничаване на дизайна, като позволявате по-хлабави допуски върху некритични повърхности, което опростява инструменталната екипировка и производството, без да се отразява на производителността.

Еталонните точки трябва да бъдат поставени върху стабилни, отлети подложки, които са лесно достъпни за сондите. Никога не дефинирайте точка през разделителната линия, тъй като леки несъответствия между половините на формата ще доведат до грешки в измерването и ще компрометират референтната рамка.

Не забравяйте, че допустимите отклонения при отливане са по-широки от тези при машинна обработка. Прилагайте надбавки за обработка само за критични елементи като уплътнителни повърхности или лагерни сглобки, оставяйки други зони в отливката. Това минимизира вторичните операции и намалява разходите.

Стратегия за разделяне, минимизиране на слайдовете и цена

Цената и сложността на леещите се форми се определят главно от тяхната разделителна линия и броя на плъзгачите. Тъй като всеки плъзгач добавя значителни разходи, поддръжка и време, ключова цел на дизайна е те да бъдат сведени до минимум. Това може да се постигне чрез преориентиране на елементите спрямо основната разделителна равнина или чрез препроектиране, за да се премахнат подкосите. Най-добрият подход е ранно сътрудничество и DFM анализ, което може да консолидира слайдовете, да съкрати времето за изпълнение, да намали разходите и да подобри издръжливостта на инструмента.

Текстури и лога

Проектирането на текстури и лога изисква специфични стъпки, за да се гарантира качество и издръжливост. Прилагането на каквато и да е текстура изисква увеличени ъгли на наклон за правилно изхвърляне, така че винаги Консултирайте се с вашия доставчик за точните спецификации, когато добавяте лога. Винаги, когато е възможно, логата трябва да се позиционират върху некритични, нефункционални повърхности. Най-добре е те да са вдлъбнати в повърхността, а не издадени, за да се предотврати надраскване и износване на инструмента.

Материали и повърхностни обработки от инструментална стомана

Често срещани инструментални стомани (H13, H11, мараджингови)

• H13Работният кон в индустрията за алуминиево леене под налягане, с добра якост на горещо, устойчивост на термична умора и жилавост. Правилната термична обработка и отпускане са неоспорими.
• H11Предлага добра здравина и устойчивост на термичен удар, но се използва по-рядко от H13 за големи кухини и сърца при леене под налягане от алуминий поради по-ниската си якост на горещо.
• Мартензитни стоманиПолезно за вложки, изискващи висока якост и отлична обработваемост, или за хибридни адитивно произведени вложки; обикновено в комбинация с повърхностно инженерство за намаляване на запояването.

Други често срещани стомани включват P20 за цинкови и магнезиеви сплави и стомани с висока твърдост като D2 за изхвърлящи щифтове и други компоненти с висока износоустойчивост.

Покрития, азотиране и повърхностно инженерство

• АзотиранеОбразува твърд, износоустойчив дифузионен слой, който устоява на ерозия и микрозапояване. Широко се използва при H13/H11.
• PVD/CVD покрития (напр. TiN, CrN, AlCrN)Намалява омокрянето, подобрява смазочните свойства и ограничава запояването. Изборът зависи от сплавта и работната температура.
• Твърди хромирани, никел-борови и специални антизапояващи покритияПрилага се в зони на затвори, зони на удар с висока скорост и сърца, склонни към залепване. Подготовката на повърхността и качеството на основната стомана определят успеха.

Термична умора, запояване и устойчивост на ерозия

• Термична умора проявява се като нагряване на повърхността на матрицата, причинено от бързо циклично нагряване и охлаждане. Стратегиите за смекчаване включват предимно използването на инструментални стомани с висока устойчивост на термична умора (като H13) и проектиране на балансирани системи за охлаждане за управление на екстремните термични цикли. Предварителното нагряване на матрицата преди производството е критична превантивна мярка за намаляване на първоначалния термичен шок.
• Запояване, нежеланото залепване на разтопена сплав към стоманата на матрицата, се изостря, когато локалните температури на стоманата паднат в “лепкав” диапазон. Това може да се предотврати чрез специализирани покрития, разделителни агенти и внимателно контролиране на температурите на стените на матрицата, за да се избегне този критичен диапазон.
• Ерозия обикновено се появява близо до врати или зони с остри завои на потока, където разтопен метал с висока скорост се сблъсква с повърхността. За да се предотврати това, ъглите на удара трябва да бъдат омекотени, радиусите да се увеличат, а повърхностите в тези критични зони могат да бъдат локално закалени за по-голяма устойчивост.

Изграждане, вземане на проби и поддръжка на инструменталната екипировка

Работен процес и срокове за изпълнение на инструменталната промишленост

Типичната програма за леене под налягане обикновено преминава през 8 стъпки:

Първа статия, пробни изпитания и итерации

Първоначалното вземане на проби проверява запълването, порьозността и размерната стабилност. Очаквайте итерации по размерите на отворите, дълбочината на вентилационните отвори, рецептите за пръскане и параметрите на впръскването. Първата проверка на изделието свързва измерените резултати с GD&T на чертежа. Цикли, базирани на данни, термично изображение, следи от налягане в кухината и нива на вакуум, помагат за по-бързо сближаване от догадки.

Превантивна поддръжка, обновяване и ремонт

Рутинната профилактика включва почистване на вентилационни отвори, обновяване на спирателни клапани, проверка на износването на изхвърлящите отвори и повторно поставяне на охлаждащите фитинги. Повторното азотиране и ремонтите с точково заваряване удължават живота. Спазвайте стратегия за резервни пластини за силно износващи се сърцевини и зони на затвори. Проследявайте циклите до поддръжка и режимите на дефекти: инструментите говорят чрез своите модели на износване.

Често срещани дефекти и начини за отстраняване

Порьозност, студени затваряния и неправилно протичане

• Газова порьозностПодобрете вентилацията/вакуума, намалете турбуленцията чрез геометрията на затвора и стабилизирайте температурата на матрицата. Ребалансирайте спрея и смазката, за да избегнете задържане на пари.
• Свиване на порьозността: Удебеляване на локалните секции или добавяне на захранващи отвори/преливници; регулиране на охлаждането, за да се избегне преждевременно замръзване в горещи точки.
• Студени спирания/прекъсвания на пускането: Повишете температурите на стопилката и матрицата в рамките на спецификацията, увеличете шлюзовете или ги преместете, за да поддържате фронта на потока горещ и непрекъснат.

Заваряване, запояване и залепване

• Светкавица: Подобрете плоските затварящи отвори, коригирайте заключването на матрицата и проверете силата на затягане. Прекомерното пръскане може също да причини хидравлично заклинване.
• Запояване: Увеличете температурата на стоманената повърхност над диапазона на залепване, нанесете покрития против запояване и променете химичния състав на смазката. Намалете директното въздействие чрез пренасочване на затворите.
• Залепване: Добавете течение, полирайте повърхностите за изхвърляне, преразпределете ежекторните щифтове или преминете към ежекторни втулки, където издатините са високи.

Изкривяване и отклонение от измеренията

• Изкривяване: Произтича от неравномерно охлаждане и остатъчно напрежение. Балансирайте охлаждащите вериги, използвайте конформни канали върху асиметрични части и настройте параметрите на процеса на отпускане за постепенно втвърдяване.
• Размерно отклонение: Това може да се случи при дълги серии, сигнализирайки за термично разрастване на матрицата. За упорити елементи, проектирайте с калибриране след отливане или целенасочена обработка на довършителни работи.

Заключение

Инструменталната екипировка за леене под налягане е жизненоважна инвестиция, която гарантира качество и ефективност чрез прецизно инженерство и стратегическо сътрудничество. Трябва да избирате партньори с добре установен процес на производство на матрици и богат опит в DFM. Този подход трансформира предизвикателствата в надеждно производство, осигурявайки постоянна стойност и конкурентно предимство.

Често задавани въпроси

Как всъщност сложността на детайлите се превръща в по-висока цена на инструментите? Дали е въпрос само на размер?

Въпреки че размерът на детайла влияе върху цената на стоманата, цената на инструменталната екипировка е много повече от просто количеството използван материал. Всяко подрязване, изискващо плъзгач, всяка сложна сърцевина и всяка характеристика с високи толеранси, добавя инженерно време, прецизна обработка и бъдещи точки за поддръжка. По-проста част с чиста линия на разделяне и нисък обем на производство често може да се обработи с по-евтин и по-надежден инструмент с една кухина. Детайл с много подрязвания ще изисква сложен инструмент с множество плъзгачи, независимо от кавитацията.

Кои са ключовите показатели по време на фазата на вземане на проби/изпробване на инструменти, които предсказват бъдещи производствени проблеми?

Препоръчваме ви да следите за постоянство. Ако малки корекции в параметрите на машината (като температура или скорост на впръскване) причиняват големи колебания в качеството на детайлите или дефекти, конструкцията на инструмента може да е нестабилна. Други предупредителни знаци включват затруднения с постоянното изхвърляне на части, признаци на запояване при първоначални впръсквания или невъзможност за установяване на широк, стабилен “процесен прозорец”, при който се произвеждат качествени части. Квалифицираният инструмент трябва да е устойчив на грешки и да може да се повтаря.

Кога е по-рентабилно да се проектира “по-прост” инструмент и да се използва вторична обработка за сложни елементи?

Този подход често е разумен за елементи, които са изключително трудни или скъпи за отливане, като например много дълбоки отвори с малък диаметър, резби с безупречни корени или изключително остри вътрешни ъгли. Чрез отливане на плътен блок и пробиване/нарязване на резба във вторична операция, вие избягвате разходите и потенциалните точки на повреда от крехки сърцевинни щифтове във формата. Това е компромис между разходите за обработка на детайл и първоначалната сложност/риск на инструмента.