Инструмент для литья под давлением, как следует из его названия, включает в себя пресс-формы и штампы для литья под давлением. Правильно спроектированный инструмент обеспечивает чёткость деталей, жёсткие допуски и стабильную продолжительность цикла при сотнях тысяч, а иногда и миллионах отливок.
В этой статье мы в компании Moldie извлечем основные сведения об инструментах для литья под давлением и поможем вам лучше понять механизм их работы, инструментальные решения и другие факторы, имеющие значение в технологии литья под давлением.
Что такое литьевая оснастка и как она работает
По сути, литьевая оснастка представляет собой сложную высокопрочную стальную форму, состоящую из двух или более половин. Её основная функция — формовать расплавленный металл под высоким давлением, придавая ему форму готовой детали.
Стандартный инструмент для литья под давлением состоит из двух основных половин:
- Матрица крышки (фиксированная половина): Эта половина крепится к неподвижной плите машины для литья под давлением и содержит систему впрыска — либо гусь (в горячая камера) или дробовая гильза (в холодной камере).
- Выталкивающая матрица (подвижная половина): Эта половина крепится к подвижной плите и содержит систему выталкивания для выталкивания затвердевшей отливки после цикла.
Цикл литья под давлением состоит из четырех основных этапов:
-
Зажим: Две половины пресс-формы гидравлически сжимаются вместе с огромной силой (часто от сотен до тысяч тонн), чтобы выдерживать высокое давление впрыска.
-
Инъекция: Расплавленный металл впрыскивается в полость пресс-формы с высокой скоростью и давлением. Именно здесь и проявляется разница между горячей камерой и холодная камера системы становятся критическими, как подробно описано в следующем разделе.
-
Охлаждение: Металл затвердевает внутри полости, принимая окончательную форму. Оснастка оснащена сложными внутренними каналами охлаждения, по которым циркулирует вода или масло, что позволяет контролировать процесс затвердевания и выдерживать экстремальные температурные циклы.
-
Выброс: Зажим открывается, и выталкивающая пластина в подвижной половине выдвигается вперед, прижимая выталкивающие штифты к отливке, чтобы освободить ее из формы.
Этот цикл повторяется каждые несколько секунд в течение всего срока службы инструмента, подвергая его экстремальным термическим нагрузкам (от расплавленного металла), механическим нагрузкам (от давления зажима и впрыска) и абразивному износу. Конструкция, материалы и обслуживание инструмента оптимизированы для работы в этих суровых условиях.
Индивидуальная разработка пресс-форм для литья под давлением
Уклон, радиусы и толщина стенки
Применение адекватный проект Это первый шаг к очистке выталкивателей и продлению срока службы. Для достижения оптимальных результатов используйте угол уклона от 0,5 до 1 градуса на внешних поверхностях и чуть более крутой угол от 1 до 2 градусов на внутренних сердечниках. Кроме того, если поверхность текстурированная, потребуется добавить ещё больший уклон, обычно на один градус или больше, чтобы компенсировать его и предотвратить застревание детали во время выталкивания.
Помимо углов уклона, включая щедрые филе Крайне важно для долговечности и качества детали. Использование галтелей радиусом не менее 0,5–1,0 мм для цинка и 1,0–2,0 мм для алюминия способствует распределению напряжений и предотвращает образование трещин за счёт уменьшения острых углов. Эта процедура также улучшает текучесть расплавленного металла.
Кроме того, проекты должны поддерживать равномерная толщина стенки, используйте стратегические ребра и выступы и избегайте слишком тонких стенок (обычно толщина стенок составляет более 0,8–1,0 мм для алюминия), если только конкретная конструкция не рассчитана на такую толщину.
Допуски и критические данные
Установить четкая ссылка на базу данных Рама должна быть выполнена из прочных и доступных поверхностей, критически важных для функционирования и размеров детали. Применить Геометрические размеры и допуски (GD&T) для контроля формы, ориентации и положения, таких как плоскостность, положение и профиль. Эта система определяет функциональные ограничения детали. Избегайте чрезмерного ограничения конструкции, допуская более мягкие допуски на некритичных поверхностях, что упрощает инструментальную оснастку и производство без ущерба для производительности.
Базовые мишени должны быть размещены на устойчивых, готовых к литью площадках, легко доступных для датчиков. Никогда не устанавливайте мишень поперек линии разъема, так как небольшие перекосы между половинками формы приведут к ошибкам измерения и нарушат систему отсчета.
Помните, что допуски для литых изделий шире, чем для обработанных изделий. Применяйте допуски на обработку только к критическим элементам. Например, уплотнительные поверхности или посадки подшипников, оставляя остальные детали в литом виде. Это сводит к минимуму необходимость в вторичных операциях и снижает затраты.
Стратегия разделения, минимизация слайдов и стоимость
Стоимость и сложность литьевых штампов в первую очередь определяются линией разъема и количеством направляющих. Поскольку каждый направляющий ползун значительно увеличивает расходы, время и затраты на обслуживание, ключевая цель проектирования — минимизировать их. Этого можно добиться, переориентировав элементы относительно основной плоскости разъема или перепроектировав изделие для устранения поднутрений. Лучший подход — это раннее сотрудничество и DFM-анализ, что позволяет консолидировать слайды, сократить сроки поставки, снизить затраты и повысить долговечность инструмента.
Текстуры и логотипы
Разработка текстур и логотипов требует соблюдения определённых этапов для обеспечения качества и долговечности. Нанесение любой текстуры требует увеличения углов наклона для правильного выброса, поэтому всегда При добавлении логотипов обратитесь к своему поставщику за точными характеристиками.. По возможности логотипы следует размещать на некритичных, нефункциональных поверхностях. Лучше всего размещать их углублёнными, а не выступающими, чтобы предотвратить истирание и износ инструмента.
Материалы инструментальной стали и обработка поверхности
Обычные инструментальные стали (H13, H11, мартенситные)
- Н13: рабочая лошадка отрасли для литье алюминия под давлением, обладающий высокой прочностью в горячем состоянии, стойкостью к термической усталости и ударной вязкостью. Необходима соответствующая термообработка и отпуск.
- Н11: Обладает хорошей прочностью и стойкостью к тепловым ударам, но реже используется, чем H13, для крупных полостей и стержней при литье алюминия под давлением из-за его более низкой прочности в нагретом состоянии.
- Мартенситные стали: Полезен для вставок, требующих высокой прочности и превосходной обрабатываемости, или для гибридных вставок, изготовленных методом аддитивного производства; обычно в сочетании с поверхностной обработкой для уменьшения пайки.
Другие распространенные стали включают P20 для цинковых и магниевых сплавов, а также высокотвердые стали, такие как D2, для выталкивающих штифтов и других деталей, подверженных быстрому износу.
Покрытия, азотирование и поверхностная инженерия
- Азотирование: Образует твёрдый, износостойкий диффузионный слой, устойчивый к эрозии и микропайке. Широко используется в H13/H11.
- Покрытия PVD/CVD (например, TiN, CrN, AlCrN): Уменьшает смачивание, улучшает скользкость и ограничивает пайку. Выбор зависит от сплава и рабочей температуры.
- Твердые хромовые, никель-боровые и специальные антиприпойные покрытия: Применяется в зоне литника, зонах высокоскоростного соударения и сердечниках, склонных к прилипанию. Успех определяется подготовкой поверхности и качеством базовой стали.
Термическая усталость, пайка и эрозионная стойкость
- Термическая усталость Проявляется в виде теплового растрескивания на поверхности штампа, вызванного быстрым циклическим нагревом и охлаждением. Стратегии снижения этого явления, в первую очередь, включают использование инструментальных сталей с высокой стойкостью к термической усталости (например, H13) и разработку сбалансированных систем охлаждения для управления экстремальными температурными циклами. Предварительный нагрев штампа перед производством является важнейшей профилактической мерой для снижения начального теплового удара.
- Пайка, Нежелательное прилипание расплавленного сплава к стали штампа усугубляется, когда локальная температура стали опускается до “липкого” диапазона. Этого можно избежать, используя специальные покрытия, разделительные составы и тщательно контролируя температуру стенок штампа, чтобы избежать этого критического диапазона.
- Эрозия Обычно это происходит вблизи литников или участков с резкими поворотами потока, где расплавленный металл с высокой скоростью сталкивается с поверхностью. Для борьбы с этим следует смягчить углы соударения, увеличить радиусы, а поверхности в этих критических зонах можно локально закалить для повышения стойкости.
Создание, отбор проб и обслуживание инструментов
Рабочий процесс и сроки изготовления инструментов
Типичная программа изготовления оснастки для литья под давлением обычно включает 8 этапов:
Первая статья, пробы и итерации
Первичный отбор проб проверяет заполнение, пористость и размерную стабильность. Ожидается, что потребуется итерация размеров литников, глубины вентиляционных отверстий, рецептов распыления и параметров впрыска. Первая проверка изделия сопоставляет результаты измерений с геометрическими размерами и допуском (GD&T) чертежа. Управляемые данными циклы, тепловизионная съемка, кривые давления в полости и уровни вакуума помогают быстрее сходиться, чем при догадках.
Профилактическое обслуживание, восстановление и ремонт
Регулярное профилактическое обслуживание включает очистку вентиляционных отверстий, восстановление запорных устройств, проверку износа выталкивателей и переустановку фитингов СОЖ. Повторное азотирование и точечная сварка продлевают срок службы. Используйте стратегию использования запасных вставок для быстроизнашивающихся сердечников и литников. Отслеживайте циклы до техобслуживания и виды дефектов: инструменты говорят о характере износа.
Распространенные дефекты и способы их устранения
Пористость, холодные закрытия и ошибки запуска
- Газовая пористость: Улучшите вентиляцию/вакуум, уменьшите турбулентность за счёт геометрии литника и стабилизируйте температуру пресс-формы. Сбалансируйте подачу спрея и смазки, чтобы избежать застоя паров.
- Уменьшите пористость: утолщите локальные секции или добавьте подпитку/переливы; отрегулируйте охлаждение, чтобы избежать преждевременного замерзания в горячих точках.
- Холодные заглушки/неправильный запуск: увеличьте температуру расплава и пресс-формы до требуемых значений, увеличьте размеры литников или измените их положение, чтобы поддерживать фронт потока горячим и непрерывным.
Прошивка, пайка и приклеивание
- Вспышка: Улучшите запорные плоскости, исправьте фиксатор штампа и проверьте усилие зажима. Чрезмерное распыление также может привести к гидравлическому заклиниванию.
- Пайка: увеличьте температуру стальной поверхности до уровня, превышающего температуру прилипания, нанесите антиприпойные покрытия и отрегулируйте состав смазки. Уменьшите прямое попадание струи, перенастроив литники.
- Заедание: Увеличьте нагрузку, отполируйте поверхности выталкивания, перераспределите штифты выталкивателя или перейдите на втулки выталкивателя, где бобышки высокие.
Искривление и пространственный дрейф
- Коробление: возникает из-за неравномерного охлаждения и остаточных напряжений. Сбалансируйте контуры охлаждения, используйте конформные каналы на асимметричных деталях и подберите параметры процесса отпуска для постепенного затвердевания.
- Размерный дрейф: это может происходить при длительной эксплуатации, сигнализируя о тепловом расширении пресс-формы. Для трудноизвлекаемых деталей используйте калибровку после литья или целенаправленную финишную обработку.
Заключение
Литая оснастка — это важная инвестиция, которая гарантирует качество и эффективность благодаря точному проектированию и стратегическому сотрудничеству. Вам следует выбирать партнёров с отлаженный процесс производства пресс-форм и обширный опыт в области DFM. Этот подход превращает сложные задачи в надежное производство, обеспечивая стабильную ценность и конкурентное преимущество.
Часто задаваемые вопросы
Как сложность детали влияет на стоимость инструмента? Только ли размер влияет на это?
Хотя размер детали влияет на стоимость стали, стоимость инструмента определяется не только количеством используемого материала. Каждая выточка, требующая использования ползуна, каждый сложный сердечник и каждая деталь с жёсткими допусками увеличивают время разработки, точность обработки и количество точек обслуживания в будущем. Более простая деталь с чистой линией разъема и небольшим объёмом производства часто может быть обработана менее дорогим и более надёжным однополостным инструментом. Деталь с большим количеством выточек потребует сложного многополостного инструмента, независимо от наличия кавитации.
Каковы основные показатели на этапе отбора проб/испытаний инструмента, которые позволяют прогнозировать будущие производственные проблемы?
Мы рекомендуем следить за стабильностью процесса. Если незначительные изменения параметров машины (например, температуры или скорости впрыска) приводят к значительным колебаниям качества деталей или появлению дефектов, конструкция инструмента может быть нестабильной. Другими тревожными сигналами являются трудности с равномерным выталкиванием деталей, следы пайки при первых впрысках или невозможность установить широкий и стабильный “технологический интервал”, в котором производятся качественные детали. Качественный инструмент должен быть щадящим и воспроизводимым.
Когда экономически эффективнее спроектировать “более простой” инструмент и использовать вторичную обработку для сложных элементов?
Такой подход часто оказывается целесообразным для деталей, литьё которых крайне сложно или требует больших затрат, например, очень глубоких отверстий малого диаметра, резьбы с идеальной впадиной или очень острых внутренних углов. Отливая цельную заготовку и сверля/нарезая резьбу на вторичной операции, вы избегаете затрат и потенциальных точек отказа, связанных с хрупкими стержнями в пресс-форме. Это компромисс между стоимостью обработки детали и сложностью/риском исходного инструмента.