Когда обрабатывающей промышленности требуется снизить вероятность протечек, коробления или трещин при литье под давлением, традиционного литья под высоким давлением иногда оказывается недостаточно. Поэтому промышленные специалисты развили эту идею и предложили литье под давлением в вакууме как решение для производства высококачественных деталей. В этой статье вы узнаете об определении, механизме и вариантах применения этого значительного достижения в технологии литья под давлением.
Что такое вакуумное литье под давлением
Вакуумное литье под давлением вариант литье под высоким давлением который активно удаляет воздух и газ из полости формы, создавая вакуум непосредственно перед и во время впрыска расплавленного металла. Снижая содержание газа в полости, он минимизирует газоудержание, уменьшает пористость, повышает плотность и повышает стабильность механических свойств по сравнению с традиционным литьем под высоким давлением (ЛВД). Этот подход особенно важен, когда отливка должна быть свариваемой, термообрабатываемой (T5/T6) или герметичной.
В основе метода лежит герметичная пресс-форма, система вакуумного насоса и точно спроектированная система вентиляции и литникового контроля. Прежде чем металл попадёт в полость формы, необходимо установить вакуум на заданном уровне, часто менее 100 мбар, а в критических случаях — значительно ниже. В результате получается более чистое и плотное заполнение с меньшим количеством воздуха, вовлекаемого турбулентностью, и меньшим количеством непредвиденных обстоятельств на последующих этапах.
Литье под давлением с помощью вакуума против систем с высоким вакуумом
Системы с вакуумным приводом частично откачивают воздух из пресс-формы, повышая качество многих деталей без необходимости использования полностью вакуумных систем. Их часто достаточно для отливок средней сложности, обеспечивая заметное снижение пористость и лучшее поведение заполнения.
Высоковакуумные системы обеспечивают практически полное вакуумирование и минимально возможное содержание остаточного газа. Пресс-формы герметично герметизированы, вакуумные каналы оптимизированы, а насосы подобраны таким образом, чтобы обеспечить быстрое вакуумирование и стабильный уровень вакуума во время заливки.
Чем это отличается от традиционного литья под высоким давлением
- Пористость и газоуловление: Интегрированная вакуумная система активно удаляет воздух из полости матрицы, значительно снижая скопление газа и внутреннюю пористость, характерные для традиционных методов HPDC.
- Механические свойства: Уменьшение пористости обеспечивает превосходные и более стабильные механические свойства с меньшими колебаниями прочности на растяжение, удлинения и усталостных характеристик от партии к партии.
- Возможность постобработки: В отличие от пористых традиционных отливок, изделия, полученные вакуумным литьем под давлением, обычно достаточно плотные, чтобы их можно было безопасно сваривать и подвергать термической обработке, что обеспечивает более широкий спектр применения.
Практическое различие проявляется в стабильности свойств. В условиях вакуума прочность на разрыв, относительное удлинение и усталостные характеристики повышаются и меньше варьируются от партии к партии.
Как работает вакуумное литье под давлением
Основное оборудование, особенности инструментов и методы герметизации
- Машина для литья под давлением: Машина высокого давления с быстрым управлением впрыском и точной скоростью затвора.
- Вакуумная система: Вакуумные насосы, регулирующие клапаны, резервуары/аккумуляторы и датчики, способные быстро достигать целевого уровня вакуума и удерживать его во время наполнения.
- Герметичные штампы: Прочные уплотнения линии разъема, уплотнительные кольца/прокладки вокруг выталкивающих штифтов и направляющих, а также вакуумные блоки, направляющие поток откачки.
- Вентиляция и литниковое управление: Вакуумный канал расположен для откачки воздуха из областей, заполняемых в последнюю очередь. Размеры и ориентация затворов должны быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить ламинарный поток и предотвратить преждевременное замерзание в тонких секциях.
- Инструментарий: Датчики давления (вакуум в полости), термопары (расплав и пресс-форма), а также датчики положения/скорости впускной трубы и плунжера.
Производители инструментов часто используют вставки из закаленной стали для вакуумных портов, полированные вентиляционные поверхности и компрессионные эластомеры. Регулярный осмотр уплотнительных колец и износа линий разъема включен в графики ПТО.
Пошаговый процесс
- Подготовка к выстрелу: Расплав доводится до определенной целевой температуры, и в дробовую гильзу дозируется нужный объем металла.
- Опорожните полость: Вакуумный контур открывается. Система откачивает воздух из полости пресс-формы и подключенных к ней каналов до заданного значения. Для деталей с повышенными требованиями задержка предварительной откачки обеспечивает стабильность давления.
- Инъекция/заполнение: Начинается выстрел. Фаза 1 проталкивает металл к затвору, а фаза 2 ускоряет затвор до высокой скорости для быстрого заполнения, при этом вакуум остаётся активным, вытягивая остаточные газы по мере продвижения фронта.
- Усиление/удержание: После впрыскивания расплавленного металла в матрицу поддерживается давление, обеспечивающее усадку по мере затвердевания металла, при этом вакуум сохраняется до тех пор, пока передняя часть не закроет вентиляционное отверстие.
- Выпуск и затвердевание: Вакуумные клапаны закрываются по мере необходимости, затем литье завершается после затвердевания.
- Открыть и вынуть: Пресс-форма открывается, выталкиватели срабатывают, и деталь извлекается. Затем облой и литники отделяются.
Этот график строго координируется. Если металл поступает до того, как вакуум достигнет заданного значения, резко возрастает газоудержание. Аналогично, задержка закрытия клапана может привести к попаданию жидкого металла в вакуумный контур.
Критические параметры процесса вакуумного литья под давлением
- Уровень вакуума: Для значительного снижения пористости многие производители ориентируются на давление <100 мбар. В деталях с высокой степенью надежности давление часто достигает десятков мбар.
- Сроки: Вакуум должен достичь заданного значения до того, как металл достигнет литника, и поддерживаться в течение критического окна заполнения. Задержка срабатывания даже в 50–100 мс может иметь значение при изготовлении тонкостенных изделий.
- Скорость затвора и время заполнения: Быстрое, контролируемое заполнение (часто 30–60 м/с на входе для алюминия, в зависимости от геометрии) ограничивает окисление поверхности и холодные закрытия, одновременно контролируя турбулентность.
- Температуры: Температура расплава достаточно высокая для поддержания текучести (например, для алюминиевых сплавов обычно 660–720 °C в зависимости от химического состава), температура пресс-формы стабилизирована для предотвращения преждевременного застывания и пайки. Стабильность лучше крайностей.
- Состояние смазки и втулки: Правильная смазка плунжера и контроль температуры втулки предотвращают образование газа и стабилизируют заполнение первой ступени.
Система управления технологическим процессом объединяет эти параметры в повторяющееся окно. Многие заводы используют замкнутую систему управления дроблением, которая корректирует профили скорости в соответствии с обратной связью по давлению в полости в режиме реального времени.
Преимущества и ограничения
Отличные механические свойства: меньшая пористость
Благодаря удалению газов, вакуумное литье под давлением уменьшает как поверхностную, так и внутреннюю пористость. Детали, отлитые под давлением, будут обладать более высокая плотность, улучшенная усталостная долговечность и меньший разброс прочности на растяжение и удлинения. Например, алюминиевые литьевые детали При изготовлении в условиях сильного вакуума часто достигаются удлинения, подходящие для термообработки T6, которые не всегда достигаются при использовании обычного метода HPDC.
Повышенное качество деталей: чистая и герметичная поверхность
А более чистый фронт заполнения и менее турбулентный поток обеспечивают более качественную отделку поверхности и меньше косметических дефектов. Что ещё важнее, отливки достигают герметичность без применения пропиток во многих конструкциях. Благодаря минимизации газовой пористости детали выдерживают сварку (MIG/TIG) и предсказуемо реагируют на циклы растворения и старения, избегая образования пузырей и деформаций, связанных с расширением газа.
Ограничения вакуумного литья под давлением
Вакуумное литье под давлением в первую очередь подходит для алюминий и магний, поскольку высокие температуры и реакционная способность ферросплавов, как правило, делают их непригодными для этого процесса.
С эксплуатационной точки зрения метод налагает значительные требования к оборудованию и обслуживанию. Для этого требуются тщательно герметизированные инструменты, надежное вакуумное оборудование и строгий график технического обслуживания для предотвращения износа таких компонентов, как уплотнительные кольца и линии разъема, а также накопления углерода на клапанах.
Однако для крупносерийных или высокоинтегрированных приложений эти инвестиции часто оправдываются повышением производительности, сокращением объема доработок и возможностью объединения деталей и выполнения последующей термической обработки.
Применение вакуумного литья под давлением
Устойчивое развитие и будущие тенденции
Повышенная эффективность и снижение выбросов
Вакуумное литье под давлением способствует устойчивому производству, уменьшая количество бракованных деталей. Меньше отходов означает меньшую потребность в переплавке металла, что значительно снижает потребление энергии и связанные с этим выбросы. Это также снижает потребление других ресурсов, таких как герметики. Поскольку большинство литейных заводов уже перерабатывают металлолом внутри компании, более высокий выход продукции делает этот цикл переработки гораздо более эффективным.
Передовые технологии и автоматизация
Благодаря технологиям этот процесс становится более точным. Модели программного обеспечения для моделирования Система литья и вакуумирования для усовершенствования конструкции перед началом производства. В процессе литья цифровые двойники и замкнутые контуры управления используют данные датчиков в режиме реального времени, чтобы гарантировать соответствие каждого впрыска идеальному стандарту. Этому способствуют усовершенствованное вакуумное оборудование, специализированные сплавы и усовершенствованная робототехника, что обеспечивает высокую степень автоматизации и надежности процесса, отвечающего строгим отраслевым стандартам.
Заключение
Хотя концепция вакуумного литья под давлением возникла ещё в 1970-х годах или даже раньше, она всё ещё остаётся относительно новой и развивающейся областью по сравнению с традиционным литьём под давлением. Тем не менее, это наиболее практичный шаг вперёд, доступный в случаях, когда пористость, свариваемость или термообработка не подлежат обсуждению.
Благодаря вакуумному литью под давлением первоначальные инвестиции в оснастку, оборудование и обучение окупаются за счёт повышения производительности. Производители получают больше уверенности в выполнении амбициозных требований к точности размеров и проектированию конструкций.
Часто задаваемые вопросы
Существуют ли какие-то конкретные сплавы, которые лучше всего поддаются литью под давлением в вакууме?
Как уже упоминалось, этот метод литья позволяет использовать алюминий и магний. Но на самом деле он особенно эффективен для алюминиевые сплавы. Эти сплавы склонны к газообразованию и водородной пористости, что значительно ограничивает их способность к термической обработке. Поэтому вакуумное литье под давлением наиболее эффективно для высокопрочных алюминиевых сплавов (например, А356 или 360), предназначенных для термообработки T5 или T6, поскольку при этом удаляется газ, который может вызвать образование пузырей и ослабление стали.
Какова стоимость литья под давлением в сравнении с другими методами литья с низкой пористостью, такими как литье под давлением или литье полутвердого металла (SSM)?
Вакуумное литье под давлением часто выбирают как более экономичное решение для крупносерийного производства по сравнению с литьем под давлением или литьем методом SSM. Хотя все методы снижают пористость, литье под давлением требует специализированного (и часто более медленного) оборудования, а литье методом SSM требует сложного исходного материала. Вакуумное литье под давлением использует стандартные машины литья под высоким давлением с дополнительной системой, что делает его идеальным для производства миллионов деталей с высокой степенью целостности и конкурентоспособной продолжительностью цикла.
Существуют ли сложные формы, которые не подходят для литья под давлением в вакууме?
Да, у этого процесса есть свои ограничения. Детали с очень глубокими и узкими “карманами” могут создавать проблемы, поскольку вакуум может неэффективно удалять воздух, скопившийся в этих мёртвых зонах, прежде чем металл их запечатает. Аналогично, детали с внутренними сердечниками, создающими сложные сегментированные полости, могут затруднять размещение эффективных вакуумных клапанов, потенциально оставляя изолированные газовые карманы.