Oprzyrządowanie do odlewania ciśnieniowego, jak sama nazwa wskazuje, obejmuje formy i matryce wykorzystywane w procesie odlewania ciśnieniowego. Dobrze zaprojektowane, zapewniają precyzyjne detale, ścisłe tolerancje i stabilne czasy cykli dla setek tysięcy, a czasem milionów, serii.
W tym artykule my z Moldie wyodrębnimy podstawowe informacje na temat narzędzi do odlewania ciśnieniowego i pomożemy Ci lepiej zrozumieć mechanizm ich działania, rozwiązania narzędziowe i inne czynniki, które mają znaczenie w technologii odlewania ciśnieniowego.
Czym jest odlewanie ciśnieniowe i jak ono działa
W swojej istocie, narzędzia odlewnicze to złożona, wysokowytrzymała forma stalowa, składająca się z dwóch lub więcej połówek. Jej główną funkcją jest formowanie stopionego metalu pod ogromnym ciśnieniem w element o pożądanym kształcie.
Standardowe narzędzie do odlewania ciśnieniowego składa się z dwóch głównych połówek:
- Wykrojnik okładki (połowa stała): Ta połowa jest zamontowana na płycie stałej maszyny do odlewania ciśnieniowego i zawiera układ wtryskowy — albo szyję gęsią (w komora gorąca) lub rękaw śrutowy (w komorze zimnej).
- Wyrzutnik (ruchoma połowa): Ta połowa jest zamontowana na ruchomej płycie i zawiera system wyrzutowy, który wypycha zestalony odlew po cyklu.
Cykl odlewania ciśnieniowego w czterech kluczowych krokach:
-
Zaciskanie: Dwie połówki matrycy są hydraulicznie zaciskane ze sobą z ogromną siłą (często setek lub tysięcy ton), aby wytrzymać wysokie ciśnienie wtrysku.
-
Zastrzyk: Stopiony metal jest wtryskiwany do wnęki matrycy z dużą prędkością i ciśnieniem. To właśnie tutaj pojawia się różnica między komorą gorącą a komora zimna systemy stają się krytyczne, jak opisano szczegółowo w następnej sekcji.
-
Chłodzenie: Metal krzepnie wewnątrz wnęki, przyjmując ostateczny kształt. Oprzyrządowanie jest wyposażone w skomplikowane wewnętrzne kanały chłodzące, które cyrkulują wodą lub olejem, aby kontrolować proces krzepnięcia i radzić sobie z ekstremalnymi cyklami termicznymi.
-
Wyrzucanie: Zacisk otwiera się, a płyta wyrzutnika w ruchomej połowie przesuwa się, dociskając kołki wyrzutnika do odlewu, aby uwolnić go z matrycy.
Cykl ten powtarza się co kilka sekund przez cały okres użytkowania narzędzia, narażając je na ekstremalne naprężenia termiczne (wynikające z roztopionego metalu), naprężenia mechaniczne (wynikające z zacisku i ciśnienia wtrysku) oraz zużycie ścierne. Konstrukcja, materiały i konserwacja narzędzi są zoptymalizowane pod kątem przetrwania w tym trudnym środowisku.
Projektowanie form niestandardowych do oprzyrządowania do odlewania ciśnieniowego
Pochylenie, promienie i grubość ścianki
Aplikowanie odpowiedni projekt To pierwszy krok do czyszczenia wyrzutników i wydłużenia ich żywotności. Aby uzyskać optymalne rezultaty, należy zastosować kąt pochylenia od 0,5 do 1,0 stopnia na powierzchniach zewnętrznych i nieco bardziej stromy, od 1,0 do 2,0 stopni na rdzeniach wewnętrznych. Ponadto, jeśli powierzchnia jest teksturowana, konieczne będzie dodanie jeszcze większego pochylenia, zazwyczaj o jeden stopień lub więcej, aby je dostosować i zapobiec przywieraniu części podczas wyrzutnika.
Poza kątami pochylenia, włączając hojne filety ma kluczowe znaczenie dla trwałości i jakości elementu. Stosowanie wyokrągleń o promieniu co najmniej 0,5–1,0 mm w przypadku cynku i 1,0–2,0 mm w przypadku aluminium pomaga rozłożyć naprężenia i zapobiega pęknięciom poprzez redukcję ostrych krawędzi. Procedura ta poprawia również przepływ stopionego metalu.
Ponadto projekty powinny zachować jednolita grubość ścianki, stosuj strategiczne żebra i wypukłości oraz unikaj bardzo cienkich ścianek — na ogół powyżej 0,8–1,0 mm w przypadku aluminium — chyba że dana konfiguracja jest w stanie sobie z nimi poradzić.
Tolerancje i krytyczne dane odniesienia
Utwórz wyraźne odniesienie do danych rama z wykorzystaniem solidnych, dostępnych powierzchni, które są kluczowe dla funkcji i wymiarów części. Zastosuj Wymiarowanie i tolerancje geometryczne (GD&T) do kontroli formy, orientacji i lokalizacji – takich jak płaskość, położenie i profil. System ten definiuje ograniczenia funkcjonalne części. Unikaj nadmiernych ograniczeń projektu, dopuszczając luźniejsze tolerancje na powierzchniach niekrytycznych, co upraszcza oprzyrządowanie i produkcję bez wpływu na wydajność.
Cele odniesienia muszą być umieszczone na stabilnych, odlewanych podkładkach, do których sondy mają łatwy dostęp. Nigdy nie definiuj celu na linii podziału, ponieważ niewielkie przesunięcia między połówkami formy spowodują błędy pomiaru i zakłócą układ odniesienia.
Należy pamiętać, że tolerancje w stanie odlewanym są większe niż w stanie obrobionym maszynowo. Stosuj dodatki obróbkowe tylko do krytycznych cech takie jak powierzchnie uszczelniające czy miejsca pasowania łożysk, pozostawiając pozostałe obszary w stanie takim, jak odlane. Minimalizuje to liczbę operacji wtórnych i obniża koszty.
Strategia rozstania, minimalizacja poślizgu i koszty
Koszt i złożoność form odlewanych ciśnieniowo zależą przede wszystkim od linii podziału i liczby suwaków. Ponieważ każdy suwak generuje znaczne koszty, konserwację i czas, kluczowym celem projektowania jest ich minimalizacja. Można to osiągnąć poprzez zmianę orientacji elementów względem głównej płaszczyzny podziału lub przeprojektowanie w celu usunięcia podcięć. Najlepszym podejściem jest wczesna współpraca i Analiza DFM, co umożliwia konsolidację slajdów, skrócenie czasu realizacji, obniżenie kosztów i zwiększenie trwałości narzędzi.
Tekstury i loga
Projektowanie tekstur i logo wymaga konkretnych kroków, aby zapewnić jakość i trwałość. Nakładanie jakiejkolwiek tekstury wymaga zwiększonych kątów pochylenia dla prawidłowego wysuwania, dlatego zawsze… skonsultuj się z dostawcą, aby poznać jego dokładne specyfikacje podczas dodawania logo. W miarę możliwości logo należy umieszczać na powierzchniach niekrytycznych i niefunkcjonalnych. Najlepiej, aby były wpuszczone w powierzchnię, a nie wystające, aby zapobiec zarysowaniom i zużyciu narzędzia.
Materiały i obróbka powierzchni ze stali narzędziowej
Powszechne stale narzędziowe (H13, H11, Maraging)
- H13:Koń roboczy branży odlewanie ciśnieniowe aluminium, z dobrą wytrzymałością na gorąco, odpornością na zmęczenie cieplne i udarnością. Prawidłowa obróbka cieplna i odpuszczanie nie podlegają negocjacjom.
- H11: Zapewnia dobrą wytrzymałość i odporność na szok termiczny, ale jest rzadziej stosowany niż H13 do dużych wnęk i rdzeni w odlewach aluminiowych ze względu na jego niższą wytrzymałość na gorąco.
- Stale maraging:Przydatne w przypadku wkładek wymagających dużej wytrzymałości i doskonałej obrabialności lub w przypadku hybrydowych wkładek wytwarzanych metodą addytywną; zwykle w połączeniu z inżynierią powierzchni w celu ograniczenia lutowania.
Do innych powszechnie stosowanych stali zalicza się P20 do stopów cynku i magnezu oraz stale o dużej twardości, takie jak D2, do sworzni wyrzutników i innych elementów narażonych na zużycie.
Powłoki, azotowanie i inżynieria powierzchni
- AzotowanieTworzy twardą, odporną na zużycie warstwę dyfuzyjną, zapobiegającą erozji i mikrolutowaniu. Jest szeroko stosowany w stopach H13/H11.
- Powłoki PVD/CVD (np. TiN, CrN, AlCrN): Zmniejsza zwilżalność, poprawia smarowność i ogranicza lutowanie. Wybór zależy od stopu i temperatury pracy.
- Twarde chromowanie, niklowanie i borowanie oraz specjalistyczne powłoki antylutownicze:Stosowane w obszarach wlewowych, strefach uderzeniowych o dużej prędkości oraz rdzeniach podatnych na przywieranie. Przygotowanie powierzchni i jakość stali bazowej decydują o sukcesie.
Odporność na zmęczenie cieplne, lutowanie i erozję
- Zmęczenie cieplne Objawia się pękaniem cieplnym na powierzchni matrycy spowodowanym szybkim cyklicznym nagrzewaniem i chłodzeniem. Strategie ograniczania tego zjawiska obejmują przede wszystkim stosowanie stali narzędziowych o wysokiej odporności na zmęczenie cieplne (takich jak H13) oraz projektowanie zrównoważonych systemów chłodzenia, które radzą sobie z ekstremalnymi cyklami termicznymi. Wstępne podgrzanie matrycy przed produkcją jest kluczowym środkiem zapobiegawczym, który pozwala ograniczyć początkowy szok termiczny.
- Lutowanie, Niepożądane przywieranie stopionego stopu do stali matrycy nasila się, gdy lokalne temperatury stali spadają do “lepkiego” zakresu. Można temu zaradzić, stosując specjalistyczne powłoki, środki antyadhezyjne i starannie kontrolując temperaturę ścianek matrycy, aby uniknąć tego krytycznego zakresu.
- Erozja Zwykle pojawia się w pobliżu wrót lub obszarów o ostrych zakrętach, gdzie ciekły metal uderza z dużą prędkością o powierzchnię. Aby temu zapobiec, należy zmniejszyć kąty uderzenia, zwiększyć promienie, a powierzchnie w tych krytycznych strefach można miejscowo utwardzić, aby zwiększyć ich wytrzymałość.
Budowanie, próbkowanie i konserwacja narzędzi
Przebieg pracy i terminy realizacji narzędzi
Typowy program obróbki odlewów ciśnieniowych składa się z 8 kroków:
Pierwszy artykuł, próby i iteracje
Wstępne pobieranie próbek weryfikuje wypełnienie, porowatość i stabilność wymiarową. Należy spodziewać się iteracji w zakresie rozmiarów wlewów, głębokości otworów odpowietrzających, receptur natrysku i parametrów wtrysku. Pierwsza kontrola artykułu wiąże wyniki pomiarów z rysunkiem GD&T. Pętle oparte na danych, obrazowanie termiczne, ślady ciśnienia w komorze wtryskowej i poziomy podciśnienia pomagają uzyskać zbieżność szybciej niż w przypadku domysłów.
Konserwacja zapobiegawcza, renowacja i naprawa
Rutynowe przeglądy konserwacyjne obejmują czyszczenie otworów wentylacyjnych, regenerację zaworów odcinających, weryfikację zużycia wyrzutników oraz ponowne osadzanie przyłączy chłodziwa. Naprawy poprzez ponowne azotowanie i spawanie punktowe wydłużają żywotność. Należy stosować strategię wymiany wkładek zapasowych na rdzenie i obszary przewężek o dużym zużyciu. Śledzenie cykli konserwacji i trybów usterek: narzędzia pozwalają na identyfikację wzorców zużycia.
Typowe wady i sposoby ich rozwiązania
Porowatość, zimne zamknięcia i niedokładności
- Porowatość gazowa: Popraw wentylację/próżnię, zmniejsz turbulencje poprzez geometrię wlewu i ustabilizuj temperaturę matrycy. Wyważ natrysk i środek smarny, aby uniknąć uwięzienia oparów.
- Zmniejsz porowatość: Zagęść sekcje lokalne lub dodaj zasilanie/przelewy; dostosuj chłodzenie, aby uniknąć przedwczesnego zamarzania w gorących punktach.
- Nieprawidłowe zamknięcie/nieprawidłowy przebieg: Podnieś temperaturę stopu i matrycy zgodnie ze specyfikacją, powiększ wlewy lub zmień ich położenie, aby utrzymać strumień cieczy gorący i ciągły.
Błysk, lutowanie i przyklejanie
- Flash: Poprawić płaskie powierzchnie odcięcia, skorygować blokadę matrycy i sprawdzić siłę zacisku. Nadmierny rozpylacz może również powodować zaklinowanie hydrauliczne.
- Lutowanie: Podnieś temperaturę powierzchni stali powyżej zakresu przywierania, nałóż powłoki antylutownicze i dostosuj skład chemiczny smaru. Zmniejsz bezpośrednie oddziaływanie poprzez zmianę ustawienia wlewów.
- Przywieranie: Dodaj prześwit, wypoleruj powierzchnie wyrzutowe, przełóż sworznie wyrzutnika lub przejdź na tuleje wyrzutnika, jeśli występy są wysokie.
Deformacja i dryf wymiarowy
- Odkształcenie: Wynika z nierównomiernego chłodzenia i naprężeń szczątkowych. Należy zrównoważyć obwody chłodzenia, zastosować kanały konforemne w częściach asymetrycznych i odpuszczać parametry procesu w celu stopniowego krzepnięcia.
- Dryft wymiarowy: Może wystąpić w długich seriach, sygnalizując wzrost termiczny matrycy. W przypadku uporczywych cech, należy zaprojektować je z uwzględnieniem kalibracji po odlewaniu lub ukierunkowanej obróbki wykańczającej.
Wniosek
Narzędzia do odlewów ciśnieniowych to kluczowa inwestycja, która zapewnia jakość i wydajność dzięki precyzyjnej inżynierii i strategicznej współpracy. Powinieneś wybrać partnerów z dobrze ugruntowany proces produkcji form i bogate doświadczenie w zakresie DFM. Takie podejście przekształca wyzwania w niezawodną produkcję, zapewniając spójną wartość i przewagę konkurencyjną.
Często zadawane pytania
Jak złożoność części przekłada się na wyższe koszty oprzyrządowania? Czy chodzi tylko o rozmiar?
Chociaż rozmiar części wpływa na koszt stali, na koszt oprzyrządowania wpływa znacznie więcej niż tylko ilość użytego materiału. Każde podcięcie wymagające zastosowania suwaka, każdy złożony rdzeń i każdy element o wąskiej tolerancji wydłużają czas projektowania, zwiększają precyzję obróbki i koszty przyszłych prac konserwacyjnych. Prostszą część z czystą linią podziału i niskim wolumenem produkcji często można obrabiać przy użyciu tańszego i bardziej niezawodnego narzędzia jednogniazdowego. Część z wieloma podcięciami będzie wymagała złożonego narzędzia wielosuwowego, niezależnie od kawitacji.
Jakie są kluczowe wskaźniki w fazie pobierania próbek/wypróbowywania narzędzi, które pozwalają przewidzieć przyszłe problemy produkcyjne?
Zalecamy zwrócenie uwagi na spójność. Jeśli drobne zmiany parametrów maszyny (takich jak temperatura lub prędkość wtrysku) powodują znaczne wahania jakości detali lub wady, konstrukcja narzędzia może być niestabilna. Inne sygnały ostrzegawcze to trudności z równomiernym wysuwaniem detali, oznaki lutowania na pierwszych wtryskach lub brak możliwości ustalenia szerokiego, stabilnego “okna procesowego”, w którym powstają dobre detale. Wykwalifikowane narzędzie powinno być wyrozumiałe i powtarzalne.
Kiedy bardziej opłacalne jest zaprojektowanie “prostszego” narzędzia i zastosowanie obróbki wtórnej w przypadku złożonych cech?
To podejście jest często rozsądne w przypadku elementów niezwykle trudnych lub kosztownych w odlewaniu, takich jak bardzo głębokie otwory o małej średnicy, gwinty z nienaruszoną podstawą lub wyjątkowo ostre naroża wewnętrzne. Odlewając pełny blok i wiercąc/gwintując go w operacji wtórnej, unika się kosztów i potencjalnych punktów awarii delikatnych kołków rdzeniowych w formie. To kompromis między kosztem obróbki jednostkowej a początkową złożonością/ryzykiem narzędzia.