Инструментальная оснастка для литья под давлением: проектирование, материалы и лучшие практики.

Инструменты для литья под давлением, как следует из названия, включают в себя формы и штампы, используемые в процессе литья под давлением. При грамотном проектировании они обеспечивают четкие детали, жесткие допуски и стабильное время цикла на протяжении сотен тысяч, а иногда и миллионов циклов литья.

В этой статье мы, компания Moldie, рассмотрим основные аспекты оснастки для литья под давлением и поможем вам лучше понять механизм ее работы, решения по оснастке и другие факторы, имеющие значение в технологии литья под давлением.

Что такое литейная оснастка и как она работает?

По своей сути, оснастка для литья под давлением представляет собой сложную форму из высокопрочной стали, состоящую из двух или более половин. Ее основная функция заключается в придании расплавленному металлу под огромным давлением формы готовой детали.

Стандартная литьевая форма состоит из двух основных половин:

• Кубик для обложки (фиксированная половина): Эта половина крепится к неподвижной плите машины для литья под давлением и содержит систему впрыска — либо «гусиную шею» (в горячая камера) или в рукаве для дроби (в холодной камере).
• Выталкивающий кубик (подвижная половина): Эта половина крепится к подвижной плите и содержит систему выталкивания, предназначенную для выталкивания затвердевшей отливки после завершения цикла.

Цикл литья под давлением в четырех ключевых этапах:

1. Зажимные: Две половины матрицы гидравлически сжимаются вместе с огромной силой (часто от сотен до тысяч тонн), чтобы выдерживать высокое давление впрыска.

2. Раствор для инъекций: Расплавленный металл впрыскивается в полость матрицы с высокой скоростью и давлением. Именно здесь проявляется различие между горячей камерой и холодная камера системы становятся критически важными, как подробно описано в следующем разделе.

3. Охлаждение: Металл затвердевает внутри полости, принимая свою окончательную форму. Инструмент оснащен сложными внутренними каналами охлаждения, по которым циркулирует вода или масло для контроля процесса затвердевания и управления экстремальными термическими циклами.

4. Выброс: Зажим открывается, и выталкивающая пластина в подвижной половине продвигается вперед, прижимая выталкивающие штифты к отливке, чтобы освободить ее из матрицы.

Этот цикл повторяется каждые несколько секунд на протяжении всего срока службы инструмента, подвергая его экстремальным термическим нагрузкам (от расплавленного металла), механическим нагрузкам (от зажима и давления впрыска) и абразивному износу. Конструкция, материалы и техническое обслуживание инструмента оптимизированы для работы в таких суровых условиях.

Разработка пресс-форм на заказ для оснастки для литья под давлением.

Уклон, радиусы и толщина стенки

Применение адекватный черновик Это первый шаг к очистке выталкиваемых деталей и увеличению срока их службы. Для достижения оптимальных результатов используйте угол уклона от 0.5 до 1.0 градуса на внешних поверхностях и немного больший угол от 1.0 до 2.0 градусов на внутренних сердечниках. Кроме того, если поверхность текстурирована, потребуется добавить еще больший уклон, обычно на один градус или более, чтобы учесть это и предотвратить прилипание детали во время выталкивания.

Помимо углов кроя, включение в расчеты... щедрые филе Это имеет решающее значение для долговечности и качества детали. Использование скруглений с радиусом не менее 0.5–1.0 мм для цинка и 1.0–2.0 мм для алюминия помогает распределить напряжение и предотвратить растрескивание за счет уменьшения острых углов. Эта процедура также улучшает текучесть расплавленного металла.

Кроме того, конструкции должны обеспечивать равномерная толщина стенкиИспользуйте стратегически расположенные ребра и выступы и избегайте чрезмерно тонких стенок — как правило, толщина не должна превышать 0.8–1.0 мм для алюминия — если только конкретная конструкция не рассчитана на их использование.

Допуски и критические базовые уровни

Установить четкая опорная точка Оформите каркас, используя прочные, доступные поверхности, которые имеют решающее значение для функционирования и размеров детали. Нанесите Геометрические размеры и допуски Допуски геометрической точности (GD&T) используются для контроля формы, ориентации и расположения, таких как плоскостность, положение и профиль. Эта система определяет функциональные пределы детали. Избегайте чрезмерного ограничения конструкции, допуская более свободные допуски на некритичных поверхностях, что упрощает изготовление оснастки и производство без ущерба для производительности.

Опорные точки должны быть размещены на устойчивых, отлитых под давлением площадках, легко доступных для измерительных щупов. Никогда не устанавливайте опорную точку поперек линии разъема, так как небольшие смещения между половинками формы приведут к ошибкам измерения и нарушат систему координат.

Помните, что допуски при литье шире, чем при механической обработке. Припуска на обработку следует применять только к критически важным элементам. Например, уплотнительные поверхности или подшипниковые соединения, в то время как другие участки остаются в исходном состоянии. Это минимизирует вторичные операции и снижает затраты.

Стратегия завершения, минимизация слайдов и затраты.

Стоимость и сложность литых штампов в основном определяются линией разъема и количеством ползунков. Поскольку каждый ползунок значительно увеличивает затраты, техническое обслуживание и время, ключевой задачей проектирования является их минимизация. Этого можно добиться путем переориентации элементов относительно основной плоскости разъема или путем перепроектирования с целью устранения подрезов. Наилучший подход — это раннее сотрудничество и DFM-анализчто позволяет объединять направляющие, сокращать сроки выполнения заказов, снижать затраты и повышать долговечность инструментов.

Текстуры и логотипы

Разработка текстур и логотипов требует соблюдения определенных шагов для обеспечения качества и долговечности. Применение любой текстуры требует увеличения углов наклона для правильного нанесения, поэтому всегда... При добавлении логотипов проконсультируйтесь с поставщиком, чтобы уточнить его точные характеристики.По возможности логотипы следует размещать на некритичных, нефункциональных поверхностях. Лучше всего, если они будут утоплены в поверхность, а не выступать, чтобы предотвратить царапины и износ инструмента.

Инструментальные стали и методы обработки поверхности

Распространенные инструментальные стали (H13, H11, мартенситно-стареющие)

• H13: Рабочая лошадка отрасли для литье алюминия под давлениемОбладает хорошей прочностью при высоких температурах, устойчивостью к термической усталости и ударной вязкостью. Надлежащая термообработка и отпуск являются обязательными.
• H11Обладает хорошей прочностью и устойчивостью к термическим ударам, но используется реже, чем H13, для крупных полостей и стержней при литье алюминия под давлением из-за более низкой прочности при высоких температурах.
• Мартенситные стали: Полезен для вставок, требующих высокой прочности и отличной обрабатываемости, или для гибридных вставок, изготовленных методом аддитивного производства; обычно используется в сочетании с поверхностной обработкой для уменьшения риска пайки.

К другим распространенным сталям относятся P20 для сплавов цинка и магния, а также высокотвердые стали, такие как D2, для выталкивающих штифтов и других изнашиваемых компонентов.

Покрытия, азотирование и обработка поверхностей

• АзотированиеСоздает твердый, износостойкий диффузионный слой, препятствующий эрозии и микропайке. Широко используется в H13/H11.
• PVD/CVD покрытия (например, TiN, CrN, AlCrN): Уменьшает смачивание, улучшает смазывающие свойства и ограничивает пайку. Выбор зависит от сплава и рабочей температуры.
• Твердое хромирование, никель-борирование и специальные антипригарные покрытия.Применяется в зонах проходки затворов, зонах высокоскоростного воздействия и в сердечниках, склонных к залипанию. Успех зависит от качества подготовки поверхности и качества стали основания.

Термостойкость, стойкость к пайке и эрозии.

• Термическая усталость Это проявляется в виде растрескивания поверхности штампа из-за быстрого циклического нагрева и охлаждения. Стратегии снижения этого явления в основном включают использование инструментальных сталей с высокой термической усталостью (например, H13) и разработку сбалансированных систем охлаждения для управления экстремальными термическими циклами. Предварительный нагрев штампа перед началом производства является критически важной профилактической мерой для уменьшения первоначального термического удара.
• ПайкаНежелательное прилипание расплавленного сплава к штамповой стали усугубляется, когда локальная температура стали опускается до «липкого» диапазона. Этому можно противодействовать с помощью специальных покрытий, разделительных агентов и тщательного контроля температуры стенок штампа, чтобы избежать этого критического диапазона.
• Эрозия Обычно это явление наблюдается вблизи затворов или в зонах с резкими поворотами потока, где расплавленный металл с высокой скоростью ударяется о поверхность. Для борьбы с этим необходимо смягчить углы удара, увеличить радиусы, а также локально упрочнить поверхности в этих критических зонах для повышения прочности.

Создание, отбор проб и обслуживание инструментария

Технологический процесс изготовления оснастки и сроки выполнения заказов.

Типичная программа литья под давлением обычно включает 8 этапов:

Первая статья, пробные версии и итерации

Первоначальный отбор проб позволяет проверить заполнение, пористость и стабильность размеров. Следует ожидать итеративного изменения размеров литниковых каналов, глубины вентиляционных отверстий, рецептур распыления и параметров впрыска. Первичная проверка образца сопоставляет результаты измерений с геометрическими допусками и размерами, указанными на чертеже. Использование данных, тепловизионной съемки, графиков давления в полости и уровней вакуума помогает быстрее достичь сходимости результатов, чем при использовании приблизительных расчетов.

Профилактическое техническое обслуживание, модернизация и ремонт

Плановое техническое обслуживание включает очистку вентиляционных отверстий, восстановление запорных клапанов, проверку износа при выталкивании и повторную установку фитингов системы охлаждения. Повторное азотирование и точечная сварка продлевают срок службы. Необходимо иметь стратегию использования запасных частей для сердечников и литниковых каналов с высоким износом. Отслеживайте количество циклов до технического обслуживания и виды дефектов: инструменты говорят сами за себя по характеру износа.

Распространенные дефекты и способы их устранения

Пористость, холодные швы и неудачные пошивы

• Газовая пористость: Улучшить вентиляцию/вакуум, уменьшить турбулентность за счет геометрии затвора и стабилизировать температуру кристалла. Перебалансировать распыление и смазку, чтобы избежать образования конденсата.
• Уменьшение пористости: утолщение локальных участков или добавление потоков/переливов; регулировка охлаждения во избежание преждевременного замерзания в горячих точках.
• Холодные перекрытия/несоответствия: Повысьте температуру расплава и фильеры до допустимых значений, увеличьте диаметр литниковых каналов или измените их положение, чтобы обеспечить высокую температуру и непрерывность потока.

Флэш-пайка, пайка и склеивание

• Обрыв пленки: необходимо улучшить качество плоских поверхностей, устранить заклинивание матрицы и проверить усилие зажима. Чрезмерное распыление также может вызвать гидравлическое заклинивание.
• Пайка: повысьте температуру поверхности стали выше диапазона, при котором начинается прилипание, нанесите антипригарные покрытия и скорректируйте химический состав смазки. Уменьшите прямое воздействие путем перенастройки затворов.
• Заедание: Добавьте уклон, отполируйте поверхности выброса, перераспределите выталкивающие штифты или перейдите на выталкивающие втулки в местах, где выступы высокие.

Искривление и пространственный дрейф

• Деформация: Она возникает из-за неравномерного охлаждения и остаточных напряжений. Сбалансируйте контуры охлаждения, используйте конформные каналы на асимметричных деталях и установите параметры процесса термообработки для постепенного затвердевания.
• Смещение размеров: это может происходить при длительной эксплуатации, сигнализируя о термическом расширении штампа. Для трудновыводимых элементов следует провести калибровку после литья или целенаправленную чистовую обработку.

Заключение

Изготовление литейной оснастки — это важнейшее вложение средств, обеспечивающее качество и эффективность за счет точного проектирования и стратегического сотрудничества. Вам следует выбирать партнеров, которые обладают необходимыми качествами. хорошо отлаженный процесс производства пресс-форм а также обширный опыт в области проектирования с учетом технологичности производства (DFM). Такой подход превращает сложные задачи в надежное производство, обеспечивая стабильную ценность и конкурентное преимущество.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Каким образом сложность детали на самом деле приводит к увеличению стоимости оснастки? Дело только в размере?

Хотя размер детали влияет на стоимость стали, стоимость оснастки зависит не только от количества используемого материала. Каждый подрез, требующий использования салазок, каждый сложный сердечник и каждая деталь с жесткими допусками увеличивают время, затрачиваемое на прецизионную обработку, и количество точек для будущего технического обслуживания. Более простая деталь с чистой линией разъема и небольшим объемом производства часто может быть изготовлена ​​с использованием менее дорогого и более надежного одногнездного инструмента. Деталь с множеством подрезов потребует сложного многосалазного инструмента, независимо от наличия кавитации.

Какие ключевые показатели на этапе отбора проб/проверки инструмента позволяют прогнозировать будущие проблемы в производстве?

Мы рекомендуем следить за стабильностью. Если незначительные изменения параметров станка (например, температуры или скорости впрыска) вызывают значительные колебания качества деталей или дефекты, конструкция инструмента может быть нестабильной. Другие тревожные признаки включают трудности с равномерным извлечением деталей, следы пайки на первых впрысках или невозможность установить широкий, стабильный «технологический диапазон», в котором производятся качественные детали. Качественный инструмент должен быть устойчивым к ошибкам и обеспечивать воспроизводимость результатов.

В каких случаях экономически выгоднее разработать «более простой» инструмент и использовать дополнительную механическую обработку для сложных элементов?

Такой подход часто целесообразен для элементов, которые чрезвычайно сложно или дорого отливать, таких как очень глубокие отверстия малого диаметра, резьба с безупречными основаниями или чрезвычайно острые внутренние углы. Отливая цельный блок и сверля/нарезав в нем резьбу на вторичном этапе, вы избегаете затрат и потенциальных точек отказа, связанных с хрупкими штифтами в форме. Это компромисс между стоимостью обработки каждой детали и первоначальной сложностью/риском инструмента.