Scule turnate sub presiune: proiectare, materiale și cele mai bune practici

Sculele turnate sub presiune, așa cum sugerează și numele, cuprind matrițele și matrițele din procesul de turnare sub presiune. Atunci când sunt bine proiectate, oferă caracteristici precise, toleranțe strânse și timpi de ciclu stabili pe parcursul a sute de mii, uneori milioane, de proiecte.

În acest articol, noi, cei de la Moldie, vom extrage elementele esențiale ale sculelor turnate sub presiune și vă vom ajuta să obțineți o mai bună înțelegere a mecanismului de funcționare a acestora, a soluțiilor de scule și a altor factori relevanți în tehnologia turnării sub presiune.

Ce este sculele turnate sub presiune și cum funcționează

În esență, sculele turnate sub presiune sunt o matriță complexă din oțel de înaltă rezistență, alcătuită din două sau mai multe jumătăți. Funcția sa principală este de a modela metalul topit sub o presiune imensă într-o piesă cu formă de plasă.

O unealtă standard de turnare sub presiune este formată din două jumătăți principale:

• Șarul de acoperire (jumătate fixă): Această jumătate este montată pe placa fixă a mașinii de turnare sub presiune și conține sistemul de injecție - fie gâtul de lebădă (în cameră caldă) sau manșonul de injecție (în camera rece).
• Matrița de ejecție (jumătatea mobilă): Această jumătate este montată pe placa mobilă și conține sistemul de ejecție pentru a împinge piesa turnată solidificată afară după ciclu.

Ciclul de turnare sub presiune în patru etape cheie:

1. Prindere: Cele două jumătăți ale matriței sunt fixate hidraulic împreună cu o forță imensă (adesea sute până la mii de tone) pentru a rezista presiunii ridicate a injecției.

2. Injectare: Metalul topit este injectat în cavitatea matriței la viteză și presiune mare. Aici se manifestă distincția dintre camera fierbinte și camera rece sistemele devin critice, așa cum este detaliat în secțiunea următoare.

3. Răcire: Metalul se solidifică în interiorul cavității, luând forma sa finală. Sculele sunt echipate cu canale interne complexe de răcire care circulă apa sau uleiul pentru a controla procesul de solidificare și a gestiona ciclurile termice extreme.

4. Ejectare: Clema se deschide, iar placa de ejecție din jumătatea mobilă avansează, împingând știfturile de ejecție împotriva piesei turnate pentru a o elibera din matriță.

Acest ciclu se repetă la fiecare câteva secunde pe toată durata de viață a sculei, supunând-o la solicitări termice extreme (din metalul topit), solicitări mecanice (din presiunea de prindere și injecție) și uzură abrazivă. Designul, materialele și întreținerea sculelor sunt toate optimizate pentru a rezista acestui mediu dur.

Proiectare personalizată a matrițelor pentru scule de turnare sub presiune

Deschidere, raze și grosime a peretelui

Aplicarea tiraj adecvat este primul pas pentru curățarea ejecțiilor și o durată de viață mai lungă. Pentru rezultate optime, utilizați un unghi de tiraj de 0,5 până la 1,0 grade pe fețele exterioare și un unghi puțin mai abrupt de 1,0 până la 2,0 grade pe miezurile interioare. De asemenea, dacă suprafața este texturată, va trebui să adăugați și mai mult tiraj, de obicei un grad suplimentar sau mai mult, pentru a se adapta la aceasta și a preveni lipirea piesei în timpul ejecției.

Dincolo de unghiurile de deformare, încorporarea fileuri generoase este esențială pentru durabilitatea și calitatea piesei. Utilizarea racordurilor cu o rază de cel puțin 0,5 până la 1,0 mm pentru zinc și 1,0 până la 2,0 mm pentru aluminiu ajută la distribuirea stresului și previne fisurarea prin reducerea colțurilor ascuțite. Această procedură îmbunătățește, de asemenea, curgerea metalului topit.

În plus, proiectele ar trebui să mențină grosime uniformă a peretelui, utilizați nervuri și bosaje strategice și evitați pereții extrem de subțiri - în general, menținându-se peste 0,8 până la 1,0 mm pentru aluminiu - cu excepția cazului în care configurația specifică este dovedită că le poate face față.

Toleranțe și date critice

Stabiliți o referință clară de date cadrul folosind suprafețe robuste și accesibile, esențiale pentru funcționarea și măsurarea piesei. Aplicați Dimensionare și toleranță geometrică (GD&T) pentru a controla forma, orientarea și locația - cum ar fi planeitatea, poziția și profilul. Acest sistem definește limitele funcționale ale piesei. Evitați suprasolicitarea designului permițând toleranțe mai mici pe suprafețele necritice, ceea ce simplifică prelucrarea sculelor și fabricația fără a afecta performanța.

Țintele de referință trebuie plasate pe plăcuțe stabile, turnate, ușor accesibile palpatoarelor. Nu definiți niciodată o țintă peste linia de separație, deoarece micile nealinieri între jumătățile matriței vor cauza erori de măsurare și vor compromite cadrul de referință.

Rețineți că toleranțele pentru piesele turnate sunt mai mari decât cele pentru piesele prelucrate mecanic. Aplicați adaosuri de prelucrare numai caracteristicilor critice cum ar fi suprafețele de etanșare sau potrivirile rulmenților, lăsând alte zone nemodificate. Acest lucru minimizează operațiunile secundare și reduce costurile.

Strategia de separare, minimizarea diapozitivelor și costul

Costul și complexitatea matrițelor turnate sub presiune sunt determinate în principal de linia de separare și de numărul de glisiere. Deoarece fiecare glisieră adaugă cheltuieli, întreținere și timp semnificative, un obiectiv cheie de proiectare este de a le minimiza. Acest lucru se poate realiza prin reorientarea elementelor către planul principal de separare sau prin reproiectare pentru a elimina degajările. Cea mai bună abordare este colaborarea timpurie și Analiza DFM, care poate consolida glisierele, poate scurta timpii de execuție, poate reduce costurile și poate îmbunătăți durabilitatea sculelor.

Texturi și logo-uri

Proiectarea texturilor și logo-urilor necesită pași specifici pentru a asigura calitatea și durabilitatea. Aplicarea oricărei texturi necesită unghiuri de proiectare mai mari pentru o ejectare corectă, așa că întotdeauna Consultați furnizorul pentru specificațiile exacte atunci când adăugați logo-uri. Ori de câte ori este posibil, logo-urile ar trebui poziționate pe suprafețe necritice, nefuncționale. Cel mai bine este să fie încastrate în suprafață, decât ridicate, pentru a preveni zgârieturile și uzura sculei.

Materiale și tratamente de suprafață din oțel pentru scule

Oțeluri comune pentru scule (H13, H11, Maraging)

• H13Calul de muncă al industriei pentru turnare sub presiune de aluminiu, cu rezistență bună la căldură, rezistență la oboseală termică și tenacitate. Tratamentul termic și revenirea adecvate nu sunt negociabile.
• H11Oferă o bună tenacitate și rezistență la șocuri termice, dar este mai puțin utilizat decât H13 pentru cavități și miezuri majore în turnarea sub presiune a aluminiului, datorită rezistenței sale la cald mai mici.
• Oțeluri MaragingUtil pentru plăcuțe care necesită rezistență ridicată și prelucrabilitate excelentă sau pentru plăcuțe fabricate hibrid cu aditivi; de obicei, asociat cu ingineria suprafețelor pentru a atenua lipirea.

Alte oțeluri comune includ P20 pentru aliaje de zinc și magneziu și oțeluri de înaltă duritate, cum ar fi D2, pentru știfturile ejectoarelor și alte componente supuse uzurii ridicate.

Acoperiri, Nitrurare și Inginerie de Suprafețe

• NitrurareConstruiește un strat de difuzie dur, rezistent la uzură, pentru a rezista eroziunii și micro-lipirii. Este utilizat pe scară largă la H13/H11.
• Acoperiri PVD/CVD (de exemplu, TiN, CrN, AlCrN)Reduce umezirea, îmbunătățește lubrifierea și limitează lipirea. Selecția depinde de aliaj și de temperatura de funcționare.
• Placări dure cu crom, nichel-bor și anti-lipire specialăSe aplică în zonele de injecție, zonele de impact cu viteză mare și miezurile predispuse la lipire. Pregătirea suprafeței și calitatea oțelului de bază determină succesul.

Rezistență la oboseală termică, lipire și eroziune

• Oboseală termică se manifestă prin deteriorarea suprafeței matriței, cauzată de încălzirea și răcirea ciclică rapidă. Strategiile de atenuare implică în principal utilizarea oțelurilor pentru scule cu rezistență ridicată la oboseală termică (cum ar fi H13) și proiectarea unor sisteme de răcire echilibrate pentru a gestiona ciclurile termice extreme. Preîncălzirea matriței înainte de producție este o măsură preventivă critică pentru reducerea șocului termic inițial.
• Lipire, Lipirea nedorită a aliajului topit de oțelul matriței este exacerbată atunci când temperaturile locale ale oțelului scad într-un interval “lipicios”. Acest lucru poate fi contracarat prin acoperiri specializate, agenți de demulare și controlul atent al temperaturilor pereților matriței pentru a evita acest interval critic.
• Eroziune apare de obicei în apropierea porților sau a zonelor cu curgeri bruște, unde metalul topit de mare viteză lovește suprafața. Pentru a combate acest lucru, unghiurile de impact ar trebui reduse, razele crescute, iar suprafețele din aceste zone critice pot fi întărite local pentru o rezistență mai mare.

Construirea, eșantionarea și întreținerea sculelor

Flux de lucru și timpi de livrare pentru fabricarea sculelor

Un program tipic de prelucrare a sculelor turnate sub presiune se desfășoară în mod normal în 8 etape:

Primul articol, teste și iterații

Eșantionarea inițială verifică umplutura, porozitatea și stabilitatea dimensională. Așteptați-vă să iterați dimensiunile porților, adâncimile de ventilație, rețetele de pulverizare și parametrii de injecție. Prima inspecție a articolului leagă rezultatele măsurate de GD&T-ul desenului. Buclele bazate pe date, imagistica termică, urmele de presiune în cavitate și nivelurile de vid ajută la convergența mai rapidă decât presupunerile.

Întreținere preventivă, renovare și reparații

PM-ul de rutină include curățarea orificiilor de ventilație, recondiționarea obturatoarelor, verificarea uzurii la ejecție și repunerea în poziție a fitingurilor de răcire. Renitrurarea și reparațiile prin sudură în puncte prelungesc durata de viață. Mențineți o strategie de înlocuire a plăcuțelor pentru miezurile și zonele de blocare cu uzură ridicată. Urmăriți ciclurile până la întreținere și modurile de defecte: sculele își exprimă experiența prin intermediul tiparelor lor de uzură.

Defecte și remedii comune

Porozitate, închideri la rece și erori de curgere

• Porozitatea gazuluiÎmbunătățiți ventilația/vidul, reduceți turbulența prin geometria porții și stabilizați temperatura matriței. Reechilibrați spray-ul și lubrifiantul pentru a evita vaporii prinși.
• Micșorați porozitatea: Îngroșați secțiunile locale sau adăugați alimente/suprapuneri; ajustați răcirea pentru a evita înghețul prematur în punctele fierbinți.
• Închideri la rece/funcționări greșite: Creșteți temperaturile topiturii și matriței în limitele specificațiilor, măriți porțile sau repoziționați-le pentru a menține frontul de curgere cald și continuu.

Blițare, lipire și lipire

• Bliț: Îmbunătățiți suprafețele plane de închidere, corectați blocarea matriței și verificați forța de prindere. Pulverizarea excesivă poate cauza, de asemenea, o pană hidraulică.
• Lipire: Creșteți temperatura suprafeței oțelului peste intervalul de lipire, aplicați acoperiri anti-lipire și ajustați chimia lubrifiantului. Reduceți impactul direct prin reorientarea porților.
• Lipire: Adăugați tiraj, lustruiți suprafețele de ejecție, redistribuiți știfturile ejectorului sau treceți la manșoane de ejecție acolo unde bosajele sunt înalte.

Deformare și derivă dimensională

• Deformare: Aceasta provine din răcirea inegală și tensiunea reziduală. Echilibrați circuitele de răcire, utilizați canale conforme pe piesele asimetrice și temperați parametrii procesului pentru solidificare treptată.
• Abatere dimensională: Aceasta se poate întâmpla pe serii lungi de producție, semnalând o creștere termică a matriței. Pentru caracteristici dificile, proiectarea se face prin calibrare post-turnare sau prin prelucrare de finisare specifică.

Concluzie

Sculele turnate sub presiune sunt o investiție vitală care asigură calitatea și eficiența prin inginerie de precizie și colaborare strategică. Ar trebui să alegeți parteneri cu proces de producție a matrițelor bine stabilit și o vastă experiență în DFM. Această abordare transformă provocările în producție fiabilă, oferind valoare constantă și un avantaj competitiv.

Întrebări frecvente

Cum se traduce complexitatea pieselor într-un cost mai mare al sculelor? Este vorba doar despre dimensiune?

Deși dimensiunea piesei influențează costul oțelului, costul sculelor este mult mai important decât simpla cantitate de material utilizată. Fiecare adâncitură care necesită o glisieră, fiecare miez complex și fiecare caracteristică cu toleranțe strânse adaugă timp de inginerie, prelucrare de precizie și puncte de întreținere viitoare. O piesă mai simplă, cu o linie de separare curată și un volum de producție redus, poate fi adesea prelucrată cu o sculă cu o singură cavitate, mai puțin costisitoare și mai fiabilă. O piesă cu multe adâncituri va necesita o sculă complexă cu glisiere multiple, indiferent de cavitație.

Care sunt indicatorii cheie în timpul unei faze de eșantionare/testare a sculelor care prevăd problemele viitoare de producție?

Vă sugerăm să fiți atenți la consecvență. Dacă ajustări minore ale parametrilor mașinii (cum ar fi temperatura sau viteza de injecție) cauzează fluctuații majore ale calității pieselor sau defecte, designul sculei poate fi instabil. Alte semnale de alarmă includ dificultățile de ejectare uniformă a pieselor, semne de lipire la primele lovituri sau incapacitatea de a stabili o “fereastră de proces” largă și stabilă în care se produc piese bune. O sculă calificată ar trebui să fie tolerantă și repetabilă.

Când este mai rentabil să proiectăm o sculă “mai simplă” și să folosim prelucrarea secundară pentru caracteristici complexe?

Această abordare este adesea înțeleaptă pentru elemente extrem de dificil sau costisitoare de turnat, cum ar fi găurile foarte adânci, cu diametru mic, filetele cu rădăcini impecabile sau colțurile interne extrem de ascuțite. Prin turnarea unui bloc solid și găurirea/filetarea acestuia într-o operație secundară, evitați costul și potențialele puncte de defectare ale știfturilor de bază fragile din matriță. Este un compromis între costul de prelucrare per piesă și complexitatea/riscul inițial al sculei.