Всегда существует несколько способов заказать изготовление компонентов, и обширный список доступных вариантов может сбить с толку. Более того, ваш выбор будет решающим фактором для бюджета, сроков и характеристик конечного продукта.
В этой статье мы подробно сравним два наиболее распространённых метода производства: обработку на станках с ЧПУ и литьё под давлением. Давайте рассмотрим их преимущества и как выбрать тот или иной метод.
Что такое обработка на станках с ЧПУ?
Как это работает
Обработка с ЧПУ (числовым программным управлением) — это субтрактивный производственный процесс: режущий инструмент удаляет материал с цельной заготовки или пластины, следуя точным цифровым инструкциям. Многокоординатные станки позиционируют инструменты и заготовки для вырезания сложных форм, карманов и отверстий. Благодаря использованию цифровой модели, настройка происходит относительно быстро, зачастую сводится к установке приспособлений и программированию траектории инструмента, что делает этот метод идеальным для итеративных циклов проектирования и изготовления деталей по индивидуальному заказу.
В чем он преуспевает
- Высокая точность: Благодаря высокой вычислительной мощности современных систем ЧПУ фрезерные и токарные станки могут выдерживать жесткие допуски для критически важных элементов, гарантируя превосходную точность позиционирования и постоянство.
- Гибкость дизайна: При правильном доступе к инструменту и правильной стратегии обработка на станках с ЧПУ позволяет создавать сложные внутренние элементы, такие как глубокие карманы и стенки переменной толщины.
- Простые изменения дизайна: Использование станков с ЧПУ устраняет проблемы с бракованными формами и дополнительными расходами, поскольку вполне возможно вырезать одну геометрию сегодня и спроектировать новую, усовершенствованную версию завтра, без необходимости использования новых инструментов.
- Широкий охват материала: Температура плавления больше не проблема. От мягкого пластика до алюминий, стали и медных сплавов, ЧПУ обрабатывает широкий ассортимент материалов.
Ограничения
- Медленнее для массового производства: Каждая деталь потребляет машинное время. По мере роста объёмов производства время цикла становится основной составляющей стоимости по сравнению с литьём.
- Более высокая себестоимость единицы продукции при масштабировании: Без использования инструментов цены за деталь остаются выше для крупных заказов по сравнению с литыми эквивалентами.
- Вычитающий избыток: Детали вырезаются из цельных блоков, что приводит к образованию чрезмерной стружки и увеличению отходов, особенно при использовании дорогостоящих металлов, таких как титан, который можно переработать, но это влечет за собой дополнительные затраты энергии, средств и потенциальную потерю ценности материала.
Что такое литье под давлением?
Как это работает
Литье под давлением — это производственный процесс, используемый для изготовления цельнометаллических деталей. В отличие от традиционного литья в песчаные формы, он отличается высокой точностью обработки и возможностью повторного использования. Процесс литья под давлением включает в себя заливку расплавленного металла под высоким давлением в многоразовую стальную форму, называемую пресс-формой. Этот процесс начинается с создания самой пресс-формы, полость которой принимает форму желаемых отливаемых деталей. После того, как пресс-форма готова, расплавленный металл, как правило, цветные сплавы, такие как алюминий, цинк, или магний, впрыскивается в форму, быстро заполняя полость формы и затем быстро затвердевая. После охлаждения металла форма открывается, и отливка выталкивается.
В чем он преуспевает
- Высокая пропускная способность: Время цикла, измеряемое секундами или минутами, делает литье под давлением краеугольным камнем массового производства.
- Сложная геометрия: Легко формируются тонкие стенки, ребра, выступы и интегральные элементы.
- Привлекательная отделка поверхности: Литые поверхности часто достаточно гладкие, что позволяет сократить объем последующей обработки; покрытия и краски хорошо сцепляются.
- Эффективное использование материалов: Питатели и литники могут быть подвергнуты вторичной переработке, что означает меньше неизбежных отходов, чем при обработке цельной заготовки.
Ограничения
- Первоначальная стоимость инструмента: Проектирование и изготовление стальных штампов требует значительных капиталовложений и времени на выполнение заказа.
- Материальные ограничения: Сплавы черных металлов и металлы с высокой температурой плавления нетипичны.
- Жесткие инженерные изменения: Изменения в конструкции после оснастки могут быть дорогими; существенные изменения могут потребовать переделки штампа или установки новых вставок.
Выбор: стоимость и гибридная стратегия
Факторы стоимости литья под давлением и обработки на станках с ЧПУ
Выбор между обработкой на станках с ЧПУ и литьём под давлением в конечном итоге зависит от компромисса между первоначальными инвестициями и долгосрочной себестоимостью единицы продукции. Обработка на станках с ЧПУ позволяет избежать значительных первоначальных затрат на оснастку, но приводит к более высокой стоимости детали из-за более медленного и трудоёмкого процесса. Литье под давлением, напротив, требует значительных первоначальных инвестиций в закалённые стальные формы (оснастку) для достижения очень низкой предельной себестоимости детали при крупносерийном производстве.
Такая экономическая динамика в принципе делает выбор очевидным. Для создания прототипов, мелкосерийного производства или любого случая, когда конструкция все еще дорабатывается, лучшим выбором будет обработка на станке с ЧПУ. Его гибкость делает его идеальным для быстрой итерации и тестирования, а также позволяет использовать более широкий выбор конструкционных материалов.
После завершения проектирования и достижения годовых объемов производства, достаточно больших, чтобы оправдать первоначальные затраты на оснастку, литье под давлением становится наиболее экономичным вариантом. Например, если стоимость детали, изготовленной на станке с ЧПУ, составляет $50, а литьё под давлением требует инвестиций в оснастку $80 000 при стоимости детали $10, точка безубыточности приходится примерно на 2000 единиц. Однако следует отметить, что это базовый пример, не учитывающий многие факторы, а анализ реальных затрат, как правило, гораздо сложнее.
Рассмотрение гибридной стратегии
До этого раздела мы рассматривали литье и механическую обработку как отдельные технологии. Однако они вполне могут работать совместно.
Обработка на станках с ЧПУ идеально подходит для производства мостов, поставки деталей для рыночных испытаний или предварительных продаж, пока изготавливаются постоянные литейные формы. Перед тем, как принять решение о стоимости литейной оснастки, рекомендуется проверить конструкцию на деталях, изготовленных на станках с ЧПУ. Кроме того, обычно литые детали к выборочной постобработке и финишной обработке на станках с ЧПУ для достижения критических допусков на таких элементах, как уплотнительные поверхности, отверстия под подшипники или резьбовые отверстия. Этот подход позволяет использовать преимущества литья под давлением по стоимости и геометрии для основной детали, одновременно применяя обработку на станках с ЧПУ для достижения необходимой точности.
Выбор: геометрия, материалы и контроль качества
Соображения геометрии
Каждый из этих процессов обладает определёнными преимуществами при формовании детали. Литье под давлением превосходно подходит для получения тонких, однородных стенок, усиленных рёбрами, что представляет собой сложную и трудоёмкую обработку. Кроме того, с помощью бокового воздействия в пресс-форме можно формировать определённые выточки, хотя это повышает сложность и стоимость процесса.
Напротив, обработка на станках с ЧПУ легко справляется с различной толщиной стенок и глубокими карманами, но ограничена физическим радиусом и диаметром режущего инструмента, что затрудняет обработку очень тонких стенок или малых внутренних радиусов. Обработка поднутрений осуществляется посредством многокоординатных перемещений и позволяет напрямую нарезать высококачественную и точную резьбу.
Выбор материала и его эксплуатационные характеристики
Обработка на станках с ЧПУ обеспечивает непревзойденную гибкость обработки материалов, позволяя обрабатывать широкий спектр металлов: от различных пластиков и алюминия до высокопрочных и нержавеющих сталей, а также термостойких сплавов, таких как титан. Это делает её незаменимой в областях, где требуются особые механические свойства, коррозионная стойкость или биосовместимость.
В отличие от этого, литье под давлением специализируется на литье цветных металлов, в первую очередь алюминия, цинка и магний. Их выбирают за отличную литейную способность, текучесть и высокое соотношение прочности и веса, что делает их идеальными для легких, крупносерийных деталей.
Контроль качества
С точки зрения качества эти два процесса превосходят другие в разных областях, но оба, как правило, являются точными и передовыми благодаря современным научным достижениям. Обработка на станках с ЧПУ превосходно подходит для достижения жёстких геометрических допусков и создания сложных структур непосредственно из цифрового файла, что делает её эталоном для прецизионных компонентов. Литье под давлением после оптимизации параметров процесса и отработки пресс-формы обеспечивает исключительную повторяемость деталей при очень больших объёмах производства. Хотя допуски в литом состоянии, как правило, шире, чем у станков с ЧПУ, оно позволяет получать высокостабильные формы с превосходным внешним видом.
Делая выбор: Устойчивое развитие
При расчёте стоимости часто упускаются из виду возможность вторичной переработки и экологичность методов обработки. С точки зрения устойчивого развития оба процесса предполагают наличие потоков перерабатываемых материалов, но различаются по объёму образующихся отходов. ЧПУ — это субтрактивный процесс, в результате которого в качестве отходов образуется стружка (стружка). Хотя эта стружка полностью пригодна для вторичной переработки, процесс сопряжен с неизбежными потерями материала, особенно для металлов с более высокой температурой плавления.
Литье под давлением более эффективно расходует материал на своей основной операции, поскольку литники и литники (излишки материала из каналов впрыска) можно переплавить и повторно использовать непосредственно в литейном цехе, что обеспечивает очень высокий коэффициент использования материала. Оба процесса значительно выигрывают от использования замкнутых систем переработки, что способствует снижению общего воздействия на окружающую среду.
Заключение
Возвращаясь к обсуждаемому вопросу, можно прийти к выводу, что универсального победителя не существует, поскольку литье под давлением и обработка на станках с ЧПУ имеют свои преимущества в различных областях производства. Обработка на станках с ЧПУ это выбор для гибкости, точности и мелкосерийного производства, в то время как дт.е. литье отлично подходит для крупносерийного и экономически эффективного производства изделий сложной геометрии.
Не забывайте принимать решение, исходя из объёма производства, стабильности конструкции и функциональных требований. Тщательно взвесив эти факторы, вы сможете с уверенностью выбрать наиболее эффективный и экономичный вариант производства для вашего проекта.
Часто задаваемые вопросы
Какой процесс больше подойдет для заказа среднего объема деталей?
Хотя мы неоднократно упоминали в статье термины «малый объём» и «большой объём», они никогда не являются цифрами, взятыми из фиксированного диапазона. Чтобы проанализировать точку безубыточности и найти оптимальный подход к вашим потребностям, приоритетными являются конструкция и сложность деталей.
Изготовление более простой детали на станке с ЧПУ может обойтись дешевле, в то время как изготовление сложной детали быстрее окупит затраты на оснастку для литья под давлением. Если у вас есть заказ на детали и вы не уверены в качестве, попробуйте связаться с промышленными экспертами, так как это даст вам более профессиональную информацию.
Помимо переработки металла, есть ли другие факторы устойчивости, которые следует учитывать в этих процессах?
Да, энергопотребление также следует учитывать. Обработка на станках с ЧПУ, особенно для твёрдых металлов, может быть очень энергоёмкой, поскольку станок и системы охлаждения работают в течение всего цикла. Литье под давлением требует высоких начальных затрат энергии на создание формы и расплавление металла, но очень короткое время цикла может обеспечить более низкие затраты энергии на деталь при больших объёмах производства. «Более экологичный» вариант сильно зависит от объёма производства и особенностей энергобаланса производителя.