Utensili pressofusi: progettazione, materiali e migliori pratiche

Gli utensili per pressofusione, come suggerisce il nome, comprendono stampi e matrici utilizzati nel processo di pressofusione. Se ben progettati, offrono caratteristiche nitide, tolleranze ristrette e tempi di ciclo stabili per centinaia di migliaia, a volte milioni, di stampe.

In questo articolo, noi di Moldie estrapoleremo gli elementi essenziali degli utensili per pressofusione e ti aiuteremo ad acquisire una migliore comprensione del loro meccanismo di funzionamento, delle soluzioni di utensili e di altri fattori rilevanti nella tecnologia della pressofusione.

Che cosa sono gli utensili pressofusi e come funzionano

In sostanza, lo stampo per pressofusione è uno stampo complesso in acciaio ad alta resistenza, composto da due o più metà. La sua funzione principale è quella di modellare il metallo fuso sotto una pressione elevatissima in un pezzo dalla forma netta.

Uno strumento standard per la pressofusione è costituito da due metà principali:

• La matrice di copertura (metà fissa): Questa metà è montata sulla piastra fissa della macchina per pressofusione e contiene il sistema di iniezione, ovvero il collo d'oca (in camera calda) o il manicotto di sparo (in camera fredda).
• La matrice di espulsione (metà mobile): Questa metà è montata sul piatto mobile e contiene il sistema di espulsione per spingere fuori il getto solidificato dopo il ciclo.

Il ciclo di pressofusione in quattro fasi chiave:

1. Serraggio: Le due metà dello stampo vengono serrate idraulicamente con una forza immensa (spesso da centinaia a migliaia di tonnellate) per resistere all'elevata pressione di iniezione.

2. Iniezione: Il metallo fuso viene iniettato nella cavità dello stampo ad alta velocità e pressione. È qui che si fa la distinzione tra camera calda e camera fredda i sistemi diventano critici, come spiegato in dettaglio nella sezione successiva.

3. Raffreddamento: Il metallo si solidifica all'interno della cavità, assumendo la sua forma definitiva. L'attrezzatura è dotata di complessi canali di raffreddamento interni che fanno circolare acqua o olio per controllare il processo di solidificazione e gestire i cicli termici estremi.

4. Espulsione: Il morsetto si apre e la piastra di espulsione nella metà mobile avanza, spingendo i perni di espulsione contro il getto per liberarlo dallo stampo.

Questo ciclo si ripete ogni pochi secondi per tutta la vita utile dell'utensile, sottoponendolo a stress termico estremo (dovuto al metallo fuso), stress meccanico (dovuto alla pressione di serraggio e iniezione) e usura abrasiva. Il design, i materiali e la manutenzione degli utensili sono tutti ottimizzati per resistere a questo ambiente ostile.

Progettazione di stampi personalizzati per utensili per pressofusione

Sformo, raggi e spessore della parete

Applicazione bozza adeguata È il primo passo per pulire gli espulsori e prolungarne la durata. Per risultati ottimali, utilizzare un angolo di spoglia compreso tra 0,5 e 1,0 gradi sulle superfici esterne e un angolo leggermente più accentuato, tra 1,0 e 2,0 gradi, sui nuclei interni. Inoltre, se la superficie è strutturata, sarà necessario aggiungere ancora più spoglia, in genere un grado o più, per adattarla ed evitare che il pezzo si attacchi durante l'espulsione.

Oltre gli angoli di sformo, incorporando filetti generosi è fondamentale per la durata e la qualità del componente. L'utilizzo di raccordi con un raggio di almeno 0,5-1,0 mm per lo zinco e 1,0-2,0 mm per l'alluminio aiuta a distribuire le sollecitazioni e previene la formazione di crepe riducendo gli spigoli vivi. Questa procedura migliora anche il flusso del metallo fuso.

Inoltre, i progetti dovrebbero mantenere spessore uniforme della parete, utilizzare nervature e sporgenze strategiche ed evitare pareti estremamente sottili (generalmente superiori a 0,8-1,0 mm per l'alluminio), a meno che non sia dimostrato che la configurazione specifica sia in grado di gestirle.

Tolleranze e dati critici

Stabilire un riferimento di dato chiaro telaio utilizzando superfici robuste e accessibili che sono fondamentali per la funzione e la misurazione del pezzo. Applicare Dimensionamento e tolleranza geometrica (GD&T) per controllare forma, orientamento e posizione, come planarità, posizione e profilo. Questo sistema definisce i limiti funzionali del componente. Evitate di imporre vincoli eccessivi al progetto consentendo tolleranze più ampie sulle superfici non critiche, semplificando così la progettazione e la produzione senza compromettere le prestazioni.

I target di riferimento devono essere posizionati su supporti stabili, come da fusione, facilmente accessibili alle sonde. Non definire mai un target lungo la linea di separazione, poiché lievi disallineamenti tra le metà dello stampo causeranno errori di misurazione e comprometteranno il sistema di riferimento.

Ricordatevi che le tolleranze dei pezzi grezzi sono più ampie di quelle dei pezzi lavorati. Applicare le tolleranze di lavorazione solo alle caratteristiche critiche come superfici di tenuta o accoppiamenti di cuscinetti, lasciando altre aree come fuse. Ciò riduce al minimo le operazioni secondarie e i costi.

Strategia di separazione, riduzione al minimo delle diapositive e costi

Il costo e la complessità degli stampi pressofusi sono determinati principalmente dalla loro linea di giunzione e dal numero di slitte. Poiché ogni slitta comporta costi, manutenzione e tempo significativi, un obiettivo chiave della progettazione è ridurli al minimo. Questo può essere fatto riorientando le caratteristiche rispetto al piano di giunzione principale o riprogettando per rimuovere i sottosquadri. L'approccio migliore è una collaborazione tempestiva e Analisi DFM, che può consolidare le diapositive, ridurre i tempi di consegna, ridurre i costi e migliorare la durata degli utensili.

Texture e loghi

La progettazione di texture e loghi richiede passaggi specifici per garantire qualità e durata. L'applicazione di qualsiasi texture richiede angoli di sformo maggiori per una corretta espulsione, quindi è sempre consultare il fornitore per le specifiche esatte quando si aggiungono i loghi. Ove possibile, i loghi dovrebbero essere posizionati su superfici non critiche e non funzionali. È preferibile posizionarli incassati nella superficie, piuttosto che in rilievo, per evitare graffi e usura dello strumento.

Materiali in acciaio per utensili e trattamenti superficiali

Acciai per utensili comuni (H13, H11, Maraging)

• H13: Il cavallo di battaglia del settore per pressofusione di alluminio, con buona resistenza a caldo, resistenza alla fatica termica e tenacità. Un trattamento termico e una tempra adeguati sono imprescindibili.
• H11: Offre una buona tenacità e resistenza agli shock termici, ma è meno comunemente utilizzato rispetto all'H13 per cavità e anime principali nella pressofusione di alluminio a causa della sua minore resistenza a caldo.
• Acciai Maraging: Utile per inserti che richiedono elevata resistenza ed eccellente lavorabilità o per inserti ibridi realizzati tramite produzione additiva; in genere abbinato all'ingegneria superficiale per attenuare la saldatura.

Altri acciai comuni includono il P20 per le leghe di zinco e magnesio e acciai ad alta durezza come il D2 per perni di espulsione e altri componenti ad alta usura.

Rivestimenti, nitrurazione e ingegneria delle superfici

• Nitrurazione: Crea uno strato di diffusione duro e resistente all'usura per resistere all'erosione e alla microsaldatura. È ampiamente utilizzato su H13/H11.
• Rivestimenti PVD/CVD (ad esempio, TiN, CrN, AlCrN): Riduce la bagnabilità, migliora la lubrificazione e limita la saldatura. La scelta dipende dalla lega e dalla temperatura di esercizio.
• Cromatura dura, nichel-boro e rivestimenti speciali anti-saldatura: Applicato alle aree di iniezione, alle zone di impatto ad alta velocità e alle anime soggette a incollaggio. La preparazione della superficie e la qualità dell'acciaio di base determinano il successo.

Resistenza alla fatica termica, alla saldatura e all'erosione

• fatica termica Si manifesta come un'alterazione termica sulla superficie dello stampo causata da rapidi cicli di riscaldamento e raffreddamento. Le strategie di mitigazione prevedono principalmente l'utilizzo di acciai per utensili con elevata resistenza alla fatica termica (come H13) e la progettazione di sistemi di raffreddamento bilanciati per gestire i cicli termici estremi. Il preriscaldamento dello stampo prima della produzione è una misura preventiva fondamentale per ridurre lo shock termico iniziale.
• Saldatura, L'indesiderata adesione della lega fusa all'acciaio dello stampo è aggravata quando le temperature locali dell'acciaio scendono in un intervallo "appiccicoso". Questo problema può essere contrastato attraverso rivestimenti specializzati, agenti distaccanti e un attento controllo delle temperature delle pareti dello stampo per evitare questo intervallo critico.
• Erosione Si manifesta tipicamente in prossimità di paratoie o aree con curve di flusso brusche, dove il metallo fuso ad alta velocità impatta sulla superficie. Per contrastare questo fenomeno, gli angoli di impatto devono essere attenuati, i raggi aumentati e le superfici in queste zone critiche possono essere temprate localmente per una maggiore resistenza.

Costruzione, campionamento e manutenzione degli utensili

Flusso di lavoro e tempi di consegna per la realizzazione degli utensili

Un tipico programma di lavorazione degli utensili pressofusi si articola normalmente in 8 fasi:

Primo articolo, prove e iterazioni

Il campionamento iniziale verifica il riempimento, la porosità e la stabilità dimensionale. È necessario iterare sulle dimensioni delle porte, sulle profondità di sfiato, sulle ricette di spruzzatura e sui parametri di iniezione. L'ispezione del primo articolo collega i risultati misurati al GD&T del disegno. Loop basati sui dati, termografia, tracce di pressione in cavità e livelli di vuoto contribuiscono a convergere più rapidamente delle ipotesi.

Manutenzione preventiva, ristrutturazione e riparazione

La manutenzione preventiva di routine include la pulizia delle prese d'aria, la rigenerazione delle valvole di intercettazione, la verifica dell'usura dei dispositivi di espulsione e il riposizionamento dei raccordi del refrigerante. La rinitrurazione e le riparazioni tramite saldatura a punti ne prolungano la durata. È importante mantenere una strategia con inserti di ricambio per anime e aree di iniezione soggette a elevata usura. È importante monitorare i cicli di manutenzione e le modalità di difettosità: gli utensili parlano attraverso i loro modelli di usura.

Difetti comuni e rimedi

Porosità, chiusure a freddo e irregolarità

• Porosità del gas: Migliorare lo sfiato/vuoto, ridurre la turbolenza tramite la geometria del gate e stabilizzare la temperatura dello stampo. Riequilibrare lo spray e il lubrificante per evitare vapori intrappolati.
• Porosità da restringimento: ispessire le sezioni locali o aggiungere alimentazioni/trabocchi; regolare il raffreddamento per evitare il congelamento prematuro nei punti caldi.
• Chiusure a freddo/errori di flusso: aumentare le temperature di fusione e di stampaggio entro le specifiche, allargare gli ingressi o riposizionarli per mantenere il fronte del flusso caldo e continuo.

Flash, saldatura e incollaggio

• Flash: migliorare le superfici di chiusura, correggere il bloccaggio della matrice e verificare la forza di serraggio. Uno spruzzo eccessivo può anche causare inceppamenti idraulici.
• Saldatura: aumentare la temperatura superficiale dell'acciaio oltre il limite di adesione, applicare rivestimenti anti-saldatura e modificare la composizione chimica del lubrificante. Ridurre l'impatto diretto riorientando i punti di iniezione.
• Incollaggio: aggiungere tiraggio, lucidare le superfici di espulsione, ridistribuire i perni di espulsione o passare ai manicotti di espulsione dove i bossoli sono alti.

Deformazione e deriva dimensionale

• Deformazione: deriva da un raffreddamento non uniforme e da stress residuo. Bilanciare i circuiti di raffreddamento, utilizzare canali conformi su parti asimmetriche e temperare i parametri di processo per una solidificazione graduale.
• Deriva dimensionale: questo può verificarsi su lunghe tirature, segnalando l'espansione termica dello stampo. Per le caratteristiche ostinate, progettare la calibrazione post-fusione o una lavorazione di finitura mirata.

Conclusione

Gli utensili pressofusi sono un investimento fondamentale che garantisce qualità ed efficienza attraverso l'ingegneria di precisione e la collaborazione strategica. Dovresti scegliere partner con processo di produzione di stampi ben consolidato e una vasta esperienza nel DFM. Questo approccio trasforma le sfide in una produzione affidabile, offrendo valore costante e un vantaggio competitivo.

Domande frequenti

In che modo la complessità dei componenti si traduce in costi di attrezzaggio più elevati? È solo una questione di dimensioni?

Sebbene le dimensioni del pezzo influenzino il costo dell'acciaio, il costo degli utensili è molto più elevato della semplice quantità di materiale utilizzato. Ogni sottosquadro che richiede una slitta, ogni anima complessa e ogni caratteristica con tolleranze strette aggiungono tempo di progettazione, lavorazione di precisione e futuri problemi di manutenzione. Un pezzo più semplice con una linea di giunzione pulita e un basso volume di produzione può spesso essere lavorato con uno stampo a cavità singola meno costoso e più affidabile. Un pezzo con molti sottosquadri richiederà uno stampo multislitta complesso, indipendentemente dalla cavitazione.

Quali sono gli indicatori chiave durante la fase di campionamento/prova di uno strumento che possono prevedere futuri problemi di produzione?

Ti consigliamo di prestare attenzione alla coerenza. Se piccole modifiche ai parametri della macchina (come la temperatura o la velocità di iniezione) causano notevoli variazioni nella qualità dei pezzi o difetti, il design dello strumento potrebbe essere instabile. Altri segnali d'allarme includono difficoltà nell'espulsione dei pezzi in modo uniforme, segni di saldatura nelle iniezioni iniziali o l'incapacità di stabilire un'ampia e stabile "finestra di processo" in cui vengono prodotti pezzi di buona qualità. Uno strumento qualificato dovrebbe essere tollerante e ripetibile.

Quando è più conveniente progettare uno strumento "più semplice" e utilizzare lavorazioni secondarie per le caratteristiche complesse?

Questo approccio è spesso consigliabile per caratteristiche estremamente difficili o costose da fondere, come fori molto profondi e di piccolo diametro, filettature con radici intatte o angoli interni estremamente affilati. Fondendo un blocco solido e forandolo/maschiandolo in un'operazione secondaria, si evitano i costi e i potenziali punti di rottura dei fragili perni di centraggio nello stampo. È un compromesso tra il costo di lavorazione per pezzo e la complessità/rischio iniziale dell'utensile.