Alati za tlačno lijevanje: Dizajn, materijali i najbolje prakse

Alati za tlačno lijevanje, kao što im i samo ime govori, obuhvaćaju kalupe i matrice procesa tlačnog lijevanja. Kada su dobro konstruirani, pružaju jasne karakteristike, uske tolerancije i stabilna vremena ciklusa kroz stotine tisuća, ponekad i milijune, snimaka.

U ovom članku, mi u Moldieju ćemo izvući osnove alata za tlačno lijevanje i pomoći vam da steknete bolji uvid u njegov mehanizam rada, rješenja alata i druge čimbenike koji su relevantni u tehnologiji tlačnog lijevanja.

Što je alat za tlačno lijevanje i kako funkcionira

U svojoj srži, alat za tlačno lijevanje je složeni kalup od čelika visoke čvrstoće koji se sastoji od dvije ili više polovica. Njegova primarna funkcija je oblikovanje rastaljenog metala pod ogromnim tlakom u dio mrežastog oblika.

Standardni alat za tlačno lijevanje sastoji se od dvije glavne polovice:

• Poklopac matrice (fiksna polovica): Ova polovica je montirana na fiksnu ploču stroja za lijevanje pod pritiskom i sadrži sustav za ubrizgavanje - ili gusji vrat (u vruća komora) ili čahuru za sačmu (u hladnoj komori).
• Izbacivač matrice (pokretna polovica): Ova polovica je montirana na pomičnu ploču i sadrži sustav za izbacivanje koji istiskuje stvrdnuti odljevak nakon ciklusa.

Ciklus lijevanja pod pritiskom u četiri ključna koraka:

1. Stezanje: Dvije polovice matrice hidraulički su stegnute zajedno ogromnom silom (često stotinama do tisućama tona) kako bi izdržale visoki tlak ubrizgavanja.

2. Injekcija: Rastaljeni metal se ubrizgava u šupljinu kalupa velikom brzinom i pod tlakom. Ovdje se vidi razlika između vruće komore i hladna komora sustavi postaju kritični, kao što je detaljno opisano u sljedećem odjeljku.

3. Hlađenje: Metal se stvrdnjava unutar šupljine, poprimajući svoj konačni oblik. Alat je opremljen složenim unutarnjim kanalima za hlađenje koji cirkuliraju vodu ili ulje kako bi kontrolirali proces skrućivanja i upravljali ekstremnim toplinskim ciklusima.

4. Izbacivanje: Stezaljka se otvara, a izbacivačka ploča u pokretnoj polovici se pomiče naprijed, gurajući izbacivačke igle prema odljevku kako bi ga oslobodila iz kalupa.

Ovaj ciklus se ponavlja svakih nekoliko sekundi tijekom životnog vijeka alata, izlažući ga ekstremnom toplinskom naprezanju (od rastaljenog metala), mehaničkom naprezanju (od stezanja i tlaka ubrizgavanja) i abrazivnom trošenju. Dizajn, materijali i održavanje alata optimizirani su kako bi preživjeli ovo teško okruženje.

Dizajn prilagođenih kalupa za alate za tlačno lijevanje

Nagib, radijusi i debljina stijenke

Primjena odgovarajući nacrt je prvi korak prema čistim izbacivanjima i duljem vijeku trajanja. Za optimalne rezultate koristite kut nagiba od 0,5 do 1,0 stupnjeva na vanjskim površinama i nešto strmiji od 1,0 do 2,0 stupnja na unutarnjim jezgrama. Također, ako je površina teksturirana, morat ćete dodati još veći nagib, obično dodatni stupanj ili više, kako biste ga prilagodili i spriječili lijepljenje dijela tijekom izbacivanja.

Osim kutova nagiba, uključujući obilni fileti je ključno za trajnost i kvalitetu dijela. Korištenje zaobljenja s radijusom od najmanje 0,5 do 1,0 mm za cink i 1,0 do 2,0 mm za aluminij pomaže u raspodjeli naprezanja i sprječava pucanje smanjenjem oštrih kutova. Ovaj postupak također poboljšava protok rastaljenog metala.

Nadalje, dizajni bi trebali održavati jednolika debljina stijenke, koristite strateška rebra i izbočine te izbjegavajte ekstremno tanke stijenke - općenito iznad 0,8 do 1,0 mm za aluminij - osim ako se ne dokaže da ih specifična postavka može podnijeti.

Tolerancije i kritične vrijednosti

Uspostaviti jasna referentna vrijednost okvir koristeći čvrste, pristupačne površine koje su ključne za funkciju i mjerenje dijela. Nanesite Geometrijsko kotiranje i tolerancija (GD&T) za kontrolu oblika, orijentacije i lokacije - kao što su ravnost, položaj i profil. Ovaj sustav definira funkcionalna ograničenja dijela. Izbjegavajte pretjerano ograničavanje dizajna dopuštanjem labavijih tolerancija na nekritičnim površinama, što pojednostavljuje izradu alata i proizvodnju bez utjecaja na performanse.

Referentni elementi moraju biti postavljeni na stabilne, lijevane podloge koje su lako dostupne sondama. Nikada ne definirajte cilj preko linije razdvajanja, jer će mala odstupanja između polovica kalupa uzrokovati pogreške u mjerenju i ugroziti referentni okvir.

Imajte na umu da su tolerancije u lijevanom stanju šire od onih u strojno obrađenom stanju. Primijenite dodatke za obradu samo na kritične elemente poput brtvenih površina ili dosjeda ležajeva, ostavljajući ostala područja kao što su odlivena. To minimizira sekundarne operacije i smanjuje troškove.

Strategija odvajanja, minimiziranje klizanja i trošak

Trošak i složenost lijevih kalupa prvenstveno su određeni njihovom linijom razdvajanja i brojem kliznika. Budući da svaki kliznik dodaje značajne troškove, održavanje i vrijeme, ključni cilj dizajna je smanjiti ih. To se može postići preusmjeravanjem elemenata prema glavnoj ravnini razdvajanja ili redizajnom kako bi se uklonili podrezi. Najbolji pristup je rana suradnja i DFM analiza, što može učvrstiti klizače, skratiti vrijeme isporuke, smanjiti troškove i poboljšati trajnost alata.

Teksture i logotipi

Dizajniranje tekstura i logotipa zahtijeva specifične korake kako bi se osigurala kvaliteta i trajnost. Primjena bilo koje teksture zahtijeva povećane kutove nagiba za pravilno izbacivanje, stoga uvijek Prilikom dodavanja logotipa obratite se svom dobavljaču za točne specifikacije. Kad god je to moguće, logotipe treba postaviti na nekritične, nefunkcionalne površine. Najbolje ih je udubiti u površinu, a ne izdignuti, kako bi se spriječilo habanje i trošenje alata.

Materijali od alatnog čelika i površinska obrada

Uobičajeni alatni čelici (H13, H11, Maragening)

• H13Radni konj u industriji za lijevanje aluminija pod pritiskom, s dobrom čvrstoćom na vruće, otpornošću na toplinski umor i žilavošću. Pravilna toplinska obrada i popuštanje nisu predmet pregovora.
• H11Nudi dobru žilavost i otpornost na toplinske udare, ali se rjeđe koristi od H13 za veće šupljine i jezgre u lijevanju aluminija pod tlakom zbog niže čvrstoće na vruće.
• Maragenski čeliciKorisno za umetke koji zahtijevaju visoku čvrstoću i izvrsnu obradivost ili za hibridne aditivno proizvedene umetke; obično u kombinaciji s površinskim inženjeringom radi ublažavanja lemljenja.

Drugi uobičajeni čelici uključuju P20 za legure cinka i magnezija te čelike visoke tvrdoće poput D2 za izbacivače i druge komponente otporne na habanje.

Premazi, nitriranje i površinsko inženjerstvo

• NitriranjeStvara tvrdi, otporni difuzijski sloj otporan na habanje kako bi se spriječila erozija i mikrolemljenje. Široko se koristi na H13/H11.
• PVD/CVD premazi (npr. TiN, CrN, AlCrN)Smanjite kvašenje, poboljšajte podmazivanje i ograničite lemljenje. Odabir ovisi o leguri i radnoj temperaturi.
• Tvrdi krom, nikal-bor i specijalni premazi protiv lemljenjaPrimjenjuje se na područja ulaza, zone udara velike brzine i jezgre sklone lijepljenju. Priprema površine i kvaliteta osnovnog čelika određuju uspjeh.

Otpornost na toplinski umor, lemljenje i eroziju

• Termički umor Manifestira se kao toplinsko nakupljanje na površini kalupa uzrokovano brzim cikličkim zagrijavanjem i hlađenjem. Strategije ublažavanja prvenstveno uključuju korištenje alatnih čelika s visokom otpornošću na toplinski umor (poput H13) i projektiranje uravnoteženih sustava hlađenja za upravljanje ekstremnim toplinskim ciklusima. Predgrijavanje kalupa prije proizvodnje ključna je preventivna mjera za smanjenje početnog toplinskog šoka.
• Lemljenje, neželjeno lijepljenje rastaljene legure na čelik kalupa, pogoršava se kada lokalne temperature čelika padnu u "ljepljivi" raspon. To se može spriječiti specijaliziranim premazima, sredstvima za odvajanje i pažljivim kontroliranjem temperature stijenki kalupa kako bi se izbjegao ovaj kritični raspon.
• Erozija obično se pojavljuje u blizini vrata ili područja s oštrim zaokretima toka, gdje rastaljeni metal velikom brzinom udara u površinu. Kako bi se to suzbilo, kutovi udara trebaju se ublažiti, radijusi povećati, a površine u tim kritičnim zonama mogu se lokalno očvrsnuti za veću otpornost.

Izrada, uzorkovanje i održavanje alata

Tijek rada i rokovi izrade alata

Tipičan program izrade alata za tlačno lijevanje obično se sastoji od 8 koraka:

Prvi članak, probna razdoblja i iteracije

Početno uzorkovanje provjerava ispunjenost, poroznost i dimenzijsku stabilnost. Očekujte iteraciju na veličinama otvora, dubinama otvora, receptima za prskanje i parametrima ubrizgavanja. Prvi pregled artikla povezuje izmjerene rezultate s GD&T crteža. Petlje vođene podacima, termalno snimanje, tragovi tlaka u šupljini i razine vakuuma pomažu u bržoj konvergenciji od nagađanja.

Preventivno održavanje, obnova i popravak

Rutinsko preventivno održavanje uključuje čišćenje otvora za ventilaciju, obnovu zapornih ventila, provjeru istrošenosti izbacivanja i ponovno postavljanje rashladnih armatura. Ponovno nitriranje i popravci točkastog zavarivanja produžuju vijek trajanja. Za jezgre i područja otvora s visokim trošenjem pridržavajte se strategije rezervnih umetaka. Pratite cikluse od održavanja do načina rada i načine kvarova: alati govore kroz svoje obrasce trošenja.

Uobičajeni nedostaci i rješenja

Poroznost, hladna zatvaranja i pogrešno isticanje

• Poroznost plinaPoboljšajte odzračivanje/vakuum, smanjite turbulenciju putem geometrije zatvarača i stabilizirajte temperaturu matrice. Ponovno uravnotežite sprej i mazivo kako biste izbjegli zarobljene pare.
• Smanjivanje poroznosti: Podebljati lokalne dijelove ili dodati dovode/preljeve; prilagoditi hlađenje kako bi se izbjeglo prerano smrzavanje na vrućim mjestima.
• Hladna zatvaranja/prekidi rada: Povećajte temperaturu taline i matrice unutar specifikacija, povećajte zatvarače ili ih premjestite kako bi fronta protoka bila vruća i kontinuirana.

Bljeskanje, lemljenje i lijepljenje

• Bljesak: Poboljšajte zaporne ravnine, ispravite zaključavanje matrice i provjerite silu stezanja. Prekomjerno prskanje također može uzrokovati hidrauličko klinanje.
• Lemljenje: Povećajte temperaturu površine čelika iznad područja lijepljenja, nanesite premaze protiv lemljenja i prilagodite kemijski sastav maziva. Smanjite izravni udar preusmjeravanjem zatvarača.
• Lijepljenje: Dodajte propuh, polirajte površine za izbacivanje, preraspodijelite igle izbacivača ili prebacite se na čahure izbacivača tamo gdje su izbočine visoke.

Iskrivljavanje i dimenzionalni drift

• Iskrivljavanje: Potječe od neravnomjernog hlađenja i zaostalog naprezanja. Uravnotežite rashladne krugove, koristite konformne kanale na asimetričnim dijelovima i prilagodite parametre procesa za postupno skrućivanje.
• Dimenzionalno pomicanje: To se može dogoditi tijekom dugih serija, što signalizira toplinski rast kalupa. Za tvrdokorne značajke, dizajnirajte kalibracijom nakon lijevanja ili ciljanom završnom obradom.

Zaključak

Izrada alata za tlačno lijevanje ključna je investicija koja osigurava kvalitetu i učinkovitost kroz precizno inženjerstvo i stratešku suradnju. Trebali biste odabrati partnere s dobro uspostavljen proces proizvodnje kalupa i opsežno iskustvo u DFM-u. Ovaj pristup pretvara izazove u pouzdanu proizvodnju, pružajući dosljednu vrijednost i konkurentsku prednost.

Često postavljana pitanja

Kako složenost dijela zapravo utječe na veće troškove alata? Je li stvar samo u veličini?

Iako veličina dijela utječe na cijenu čelika, cijena alata je puno više od same količine upotrijebljenog materijala. Svaki podrez koji zahtijeva klizač, svaka složena jezgra i svaka značajka s malom tolerancijom dodaje vrijeme inženjeringa, preciznu obradu i buduće točke održavanja. Jednostavniji dio s čistom linijom razdvajanja i malim obujmom proizvodnje često se može obraditi u jeftinijem i pouzdanijem alatu s jednom šupljinom. Dio s mnogo podreza zahtijevat će složeni alat s više kliznika, bez obzira na kavitaciju.

Koji su ključni pokazatelji tijekom faze uzorkovanja/isprobavanja alata koji predviđaju buduće probleme u proizvodnji?

Predlažemo da obratite pozornost na dosljednost. Ako manje prilagodbe parametara stroja (poput temperature ili brzine ubrizgavanja) uzrokuju velike promjene u kvaliteti dijelova ili nedostatke, dizajn alata može biti nestabilan. Ostali znakovi upozorenja uključuju poteškoće s dosljednim izbacivanjem dijelova, znakove lemljenja pri početnim ubrizgavanjima ili nemogućnost uspostavljanja širokog, stabilnog "procesnog prozora" u kojem se proizvode dobri dijelovi. Kvalificirani alat trebao bi biti tolerantan i ponovljiv.

Kada je isplativije dizajnirati “jednostavniji” alat i koristiti sekundarnu strojnu obradu za složene elemente?

Ovaj pristup je često mudar za elemente koje je izuzetno teško ili skupo lijevati, poput vrlo dubokih rupa malog promjera, navoja s besprijekornim korijenima ili izuzetno oštrih unutarnjih kutova. Lijevanjem punog bloka i bušenjem/narezivanjem navoja u sekundarnoj operaciji izbjegavate troškove i potencijalne točke loma krhkih jezgri u kalupu. To je kompromis između troškova obrade po dijelu i početne složenosti/rizika alata.