Herramientas de fundición a presión: diseño, materiales y mejores prácticas

El herramental de fundición a presión, como su nombre indica, abarca los moldes y matrices del proceso de fundición a presión. Un diseño adecuado ofrece características nítidas, tolerancias ajustadas y tiempos de ciclo estables en cientos de miles, a veces millones, de inyecciones.

En este artículo, en Moldie extraeremos los conceptos esenciales de las herramientas de fundición a presión y lo ayudaremos a comprender mejor su mecanismo de funcionamiento, soluciones de herramientas y otros factores que son relevantes en la tecnología de fundición a presión.

¿Qué son las herramientas de fundición a presión y cómo funcionan?

En esencia, el herramental de fundición a presión es un molde complejo de acero de alta resistencia compuesto por dos o más mitades. Su función principal es moldear el metal fundido bajo una enorme presión hasta obtener una pieza con forma final.

Una herramienta de fundición a presión estándar consta de dos mitades principales:

• El troquel de cubierta (mitad fija): Esta mitad está montada en la platina fija de la máquina de fundición a presión y contiene el sistema de inyección, ya sea el cuello de cisne (en cámara caliente) o la manga de inyección (en cámara fría).
• El dado eyector (mitad móvil): Esta mitad está montada en la platina móvil y contiene el sistema de expulsión para empujar la pieza solidificada hacia afuera después del ciclo.

El ciclo de fundición a presión en cuatro pasos clave:

1. Reprimición: Las dos mitades de la matriz se sujetan hidráulicamente entre sí con una fuerza inmensa (a menudo de cientos a miles de toneladas) para soportar la alta presión de la inyección.

2. Inyección: El metal fundido se inyecta en la cavidad de la matriz a alta velocidad y presión. Aquí es donde se distingue entre la cámara caliente y... cámara fría Los sistemas se vuelven críticos, como se detalla en la siguiente sección.

3. Enfriamiento: El metal se solidifica dentro de la cavidad, adquiriendo su forma definitiva. El herramental cuenta con complejos canales de refrigeración internos que hacen circular agua o aceite para controlar el proceso de solidificación y gestionar los ciclos térmicos extremos.

4. Expulsión: La abrazadera se abre y la placa expulsora en la mitad móvil avanza, empujando los pasadores expulsores contra la pieza fundida para liberarla de la matriz.

Este ciclo se repite cada pocos segundos durante la vida útil de la herramienta, sometiéndola a un estrés térmico extremo (debido al metal fundido), estrés mecánico (debido a la presión de sujeción e inyección) y desgaste abrasivo. El diseño, los materiales y el mantenimiento de las herramientas están optimizados para resistir este entorno hostil.

Diseño de moldes personalizados para herramientas de fundición a presión

Calado, radios y espesor de pared

Aplicando proyecto adecuado Es el primer paso para limpiar las piezas expulsadas y prolongar su vida útil. Para obtener resultados óptimos, utilice un ángulo de desmoldeo de 0.5 a 1.0 grados en las caras exteriores y uno ligeramente más pronunciado, de 1.0 a 2.0 grados, en los núcleos interiores. Además, si la superficie es texturizada, deberá añadir aún más ángulo de desmoldeo, normalmente un grado adicional o más, para acomodarla y evitar que la pieza se adhiera durante la expulsión.

Más allá de los ángulos de inclinación, incorporando filetes generosos Es fundamental para la durabilidad y calidad de la pieza. El uso de filetes con un radio de al menos 0.5 a 1.0 mm para el zinc y de 1.0 a 2.0 mm para el aluminio ayuda a distribuir la tensión y previene el agrietamiento al reducir las esquinas afiladas. Este procedimiento también mejora el flujo del metal fundido.

Además, los diseños deben mantener espesor de pared uniforme, utilice nervaduras y salientes estratégicos y evite paredes extremadamente delgadas (generalmente manteniéndose por encima de 0.8 a 1.0 mm para el aluminio), a menos que se haya demostrado que la configuración específica puede soportarlas.

Tolerancias y datos críticos

Establecer un referencia de dato clara Marco con superficies resistentes y accesibles que son fundamentales para la función y la medición de la pieza. Aplicar Dimensionamiento geométrico y tolerancia (GD&T) para controlar la forma, la orientación y la ubicación, como la planitud, la posición y el perfil. Este sistema define los límites funcionales de la pieza. Evite sobreestricciones en el diseño permitiendo tolerancias más flexibles en superficies no críticas, lo que simplifica el mecanizado y la fabricación sin afectar el rendimiento.

Los puntos de referencia deben colocarse sobre bases estables, en estado bruto de fundición, de fácil acceso para las sondas. Nunca defina un punto de referencia a través de la línea de partición, ya que pequeñas desalineaciones entre las mitades del molde causarán errores de medición y comprometerán el marco de referencia.

Recuerde que las tolerancias de las piezas fundidas son más amplias que las mecanizadas. Aplicar tolerancias de mecanizado solo a características críticas Como superficies de sellado o ajustes de rodamientos, se dejan otras áreas como fundidas. Esto minimiza las operaciones secundarias y reduce los costos.

Estrategia de separación, minimización de deslizamiento y costo

El costo y la complejidad de las matrices de fundición a presión dependen principalmente de su línea de partición y el número de correderas. Dado que cada corredera supone un gasto, mantenimiento y tiempo significativos, un objetivo clave del diseño es minimizarlos. Esto se puede lograr reorientando las características hacia el plano de partición principal o rediseñando para eliminar las muescas. El mejor enfoque es la colaboración temprana y análisis DFM, que puede consolidar diapositivas, acortar los plazos de entrega, reducir costos y mejorar la durabilidad de la herramienta.

Texturas y logotipos

El diseño de texturas y logotipos requiere pasos específicos para garantizar la calidad y la durabilidad. La aplicación de cualquier textura exige mayores ángulos de inclinación para una correcta expulsión, por lo que siempre... Consulte a su proveedor para conocer las especificaciones exactas al agregar logotipos.Siempre que sea posible, los logotipos deben colocarse en superficies no críticas ni funcionales. Es mejor empotrarlos en la superficie, en lugar de en relieve, para evitar rozaduras y desgaste en la herramienta.

Materiales de acero para herramientas y tratamientos de superficies

Aceros para herramientas comunes (H13, H11, Maraging)

• H13:El caballo de batalla de la industria para fundición a presión de aluminioCon buena resistencia al calor, resistencia a la fatiga térmica y tenacidad. Un tratamiento térmico y un revenido adecuados son indispensables.
• H11:Ofrece buena tenacidad y resistencia al choque térmico, pero se utiliza con menos frecuencia que el H13 para cavidades y núcleos principales en la fundición a presión de aluminio debido a su menor resistencia al calor.
• Aceros maraging:Útil para insertos que requieren alta resistencia y excelente maquinabilidad o para insertos fabricados con aditivos híbridos; generalmente combinado con ingeniería de superficie para mitigar la soldadura.

Otros aceros comunes incluyen P20 para aleaciones de zinc y magnesio, y aceros de alta dureza como D2 para pasadores eyectores y otros componentes de alto desgaste.

Recubrimientos, nitruración e ingeniería de superficies

• NitruraciónCrea una capa de difusión dura y resistente al desgaste que resiste la erosión y la microsoldadura. Se usa ampliamente en H13/H11.
• Recubrimientos PVD/CVD (por ejemplo, TiN, CrN, AlCrN)Reduce la humectación, mejora la lubricidad y limita la soldadura. La selección depende de la aleación y la temperatura de operación.
• Cromo duro, níquel-boro y recubrimientos especiales antisoldaduraSe aplica en áreas de compuerta, zonas de impacto de alta velocidad y núcleos propensos a atascarse. La preparación de la superficie y la calidad del acero base determinan el éxito.

Resistencia a la fatiga térmica, la soldadura y la erosión

• fatiga térmica Se manifiesta como agrietamiento por calor en la superficie de la matriz, causado por ciclos rápidos de calentamiento y enfriamiento. Las estrategias de mitigación implican principalmente el uso de aceros para herramientas con alta resistencia a la fatiga térmica (como el H13) y el diseño de sistemas de refrigeración equilibrados para gestionar los ciclos térmicos extremos. Precalentar la matriz antes de la producción es una medida preventiva crucial para reducir el choque térmico inicial.
• SoldaduraLa adherencia indeseable de la aleación fundida al acero de la matriz se agrava cuando las temperaturas locales del acero descienden a un rango "pegajoso". Esto se puede contrarrestar mediante recubrimientos especializados, desmoldantes y un control cuidadoso de la temperatura de la pared de la matriz para evitar este rango crítico.
• Erosión Suele aparecer cerca de compuertas o zonas con curvas de flujo pronunciadas, donde el metal fundido a alta velocidad impacta la superficie. Para combatir esto, se deben suavizar los ángulos de impacto, aumentar los radios y endurecer localmente las superficies en estas zonas críticas para una mayor resistencia.

Construcción, muestreo y mantenimiento de las herramientas

Flujo de trabajo de fabricación de herramientas y plazos de entrega

Un programa típico de herramientas de fundición a presión normalmente consta de 8 pasos:

Primer artículo, pruebas e iteraciones

El muestreo inicial verifica el relleno, la porosidad y la estabilidad dimensional. Se espera iterar sobre los tamaños de las compuertas, las profundidades de ventilación, las fórmulas de pulverización y los parámetros de disparo. La inspección del primer artículo vincula los resultados medidos con el GD&T del plano. Los bucles basados ​​en datos, la termografía, los trazos de presión de la cavidad y los niveles de vacío ayudan a converger más rápido que las conjeturas.

Mantenimiento preventivo, reacondicionamiento y reparación

El mantenimiento preventivo rutinario incluye la limpieza de respiraderos, la restauración de válvulas de cierre, la verificación del desgaste de eyección y el reasentamiento de las conexiones de refrigerante. La renitruración y las reparaciones de soldadura por puntos prolongan la vida útil. Mantenga una estrategia de insertos de repuesto para núcleos y áreas de compuertas con alto desgaste. Realice un seguimiento de los ciclos de mantenimiento y los modos de defecto: las herramientas hablan a través de sus patrones de desgaste.

Defectos comunes y soluciones

Porosidad, cierres en frío y fallos de funcionamiento

• porosidad de gasMejorar la ventilación/vacío, reducir la turbulencia mediante la geometría de la compuerta y estabilizar la temperatura del molde. Reequilibrar la pulverización y el lubricante para evitar vapores atrapados.
• Reducir la porosidad: engrosar secciones locales o agregar alimentaciones/desbordamientos; ajustar el enfriamiento para evitar la congelación prematura en puntos calientes.
• Cierres en frío/errores: aumente las temperaturas de la masa fundida y del molde dentro de las especificaciones, agrande las compuertas o reubiquelas para mantener el frente de flujo caliente y continuo.

Flash, soldadura y pegado

• Recorte: Mejore las superficies de cierre, corrija el bloqueo del troquel y verifique la fuerza de sujeción. El exceso de pulverización también puede causar acuñamiento hidráulico.
• Soldadura: Aumente la temperatura de la superficie del acero por encima del rango de adherencia, aplique recubrimientos antisoldadura y ajuste la composición química del lubricante. Reduzca el impacto directo reajustando las compuertas.
• Adherencia: agregue corrientes de aire, pula las superficies de expulsión, redistribuya los pasadores de expulsión o cambie a manguitos de expulsión donde los salientes sean altos.

Deformación y deriva dimensional

• Deformación: Se debe a un enfriamiento desigual y a la tensión residual. Equilibre los circuitos de enfriamiento, utilice canales conformados en piezas asimétricas y ajuste los parámetros del proceso para una solidificación gradual.
• Deriva dimensional: Esto puede ocurrir en tiradas largas, lo que indica crecimiento térmico de la matriz. Para características persistentes, diseñe con calibración posterior a la fundición o mecanizado de acabado específico.

Conclusión

Las herramientas de fundición a presión son una inversión vital que garantiza la calidad y la eficiencia mediante ingeniería de precisión y colaboración estratégica. Debe elegir socios con proceso de producción de moldes bien establecido y amplia experiencia en DFM. Este enfoque transforma los desafíos en una producción confiable, generando valor constante y una ventaja competitiva.

Preguntas Frecuentes

¿Cómo se traduce la complejidad de las piezas en un mayor coste de las herramientas? ¿Se trata solo del tamaño?

Si bien el tamaño de la pieza influye en el costo del acero, el costo del herramental va mucho más allá de la cantidad de material utilizado. Cada socavado que requiere una corredera, cada núcleo complejo y cada característica de tolerancia ajustada incrementan el tiempo de ingeniería, el mecanizado de precisión y los futuros puntos de mantenimiento. Una pieza más simple con una línea de tronzado limpia y un bajo volumen de producción a menudo puede fabricarse con una herramienta de una sola cavidad, más económica y confiable. Una pieza con muchos socavados requerirá una herramienta compleja de múltiples correderas, independientemente de la cavitación.

¿Cuáles son los indicadores clave durante una fase de muestreo/prueba de herramientas que predicen futuros problemas de producción?

Le sugerimos que preste atención a la consistencia. Si pequeños ajustes en los parámetros de la máquina (como la temperatura o la velocidad de inyección) provocan fluctuaciones importantes en la calidad de la pieza o defectos, el diseño de la herramienta podría ser inestable. Otras señales de alerta incluyen la dificultad para expulsar las piezas de forma consistente, indicios de soldadura en las primeras inyecciones o la incapacidad de establecer una ventana de proceso amplia y estable donde se produzcan piezas de buena calidad. Una herramienta cualificada debe ser flexible y repetible.

¿Cuándo es más rentable diseñar una herramienta “más simple” y utilizar mecanizado secundario para características complejas?

Este enfoque suele ser recomendable para características extremadamente difíciles o costosas de fundir, como agujeros muy profundos de diámetro pequeño, roscas con raíces impecables o esquinas internas extremadamente afiladas. Al fundir un bloque sólido y taladrarlo/roscarlo en una operación secundaria, se evitan el costo y los posibles puntos de falla de los frágiles pasadores del núcleo en el molde. Se trata de un equilibrio entre el costo del mecanizado por pieza y la complejidad/riesgo inicial de la herramienta.