Nástroje na tlakové liatie, ako už názov napovedá, zahŕňajú formy a matrice procesu tlakového liatia. Ak sú dobre navrhnuté, poskytujú presné vlastnosti, prísne tolerancie a stabilné časy cyklov v priebehu stoviek tisíc, niekedy aj miliónov záberov.
V tomto článku sa v spoločnosti Moldie pozrieme na základy výroby nástrojov na tlakové liatie a pomôžeme vám získať lepší prehľad o ich funkčnom mechanizme, nástrojových riešeniach a ďalších faktoroch, ktoré sú relevantné pre technológiu tlakového liatia.
Čo je to tlakovo liaty nástroj a ako funguje
V jadre je tlakové liatie zložitá oceľová forma s vysokou pevnosťou zložená z dvoch alebo viacerých polovíc. Jej primárnou funkciou je tvarovať roztavený kov pod obrovským tlakom do sieťového tvaru.
Štandardný nástroj na tlakové liatie sa skladá z dvoch hlavných polovíc:
- Krycia matrica (pevná polovica): Táto polovica je namontovaná na pevnej doske tlakového liacieho stroja a obsahuje vstrekovací systém – buď husí krk (v horúca komora) alebo objímku na výstrel (v chladiacej komore).
- Vyhadzovacia matrica (pohyblivá polovica): Táto polovica je pripevnená k pohyblivej doske a obsahuje vyhadzovací systém na vytlačenie stuhnutého odliatku po cykle.
Cyklus tlakového liatia v štyroch kľúčových krokoch:
-
Upínanie: Dve polovice matrice sú hydraulicky zovreté obrovskou silou (často stovky až tisíce ton), aby odolali vysokému vstrekovaciemu tlaku.
-
Injekcia: Roztavený kov sa vstrekuje do dutiny formy vysokou rýchlosťou a tlakom. Tu sa odhaľuje rozdiel medzi horúcou komorou a studená komora systémy sa stávajú kritickými, ako je podrobne uvedené v nasledujúcej časti.
-
Chladenie: Kov tuhne vo vnútri dutiny a nadobudne svoj konečný tvar. Nástroje sú vybavené zložitými vnútornými chladiacimi kanálmi, ktoré cirkulujú vodu alebo olej, aby sa riadil proces tuhnutia a zvládli extrémne tepelné cykly.
-
Vyhodenie: Svorka sa otvorí a vyhadzovacia doska v pohyblivej polovici sa posunie, pričom zatlačí vyhadzovacie kolíky proti odliatku, aby ho uvoľnila z formy.
Tento cyklus sa opakuje každých niekoľko sekúnd počas celej životnosti nástroja a vystavuje ho extrémnemu tepelnému namáhaniu (z roztaveného kovu), mechanickému namáhaniu (z upínacieho a vstrekovacieho tlaku) a abrazívnemu opotrebovaniu. Konštrukcia, materiály a údržba nástrojov sú optimalizované tak, aby prežili toto drsné prostredie.
Návrh vlastnej formy pre nástroje na tlakové liatie
Úkos, polomery a hrúbka steny
Uplatňuje sa primeraný návrh je prvým krokom k čisteniu vyhadzovaných častí a dlhšej životnosti. Pre optimálne výsledky použite uhol sklonu 0,5 až 1,0 stupňa na vonkajších plochách a mierne strmší uhol 1,0 až 2,0 stupňa na vnútorných plochách. Ak je povrch textúrovaný, budete musieť pridať ešte väčší sklon, zvyčajne o jeden stupeň alebo viac, aby ste ho prispôsobili a zabránili prilepeniu dielu počas vyhadzovania.
Okrem uhlov úkosu, vrátane štedré filety je rozhodujúce pre trvanlivosť a kvalitu dielu. Použitie zaoblení s polomerom najmenej 0,5 až 1,0 mm pre zinok a 1,0 až 2,0 mm pre hliník pomáha rozložiť napätie a zabraňuje praskaniu znížením ostrých rohov. Tento postup tiež zlepšuje tok roztaveného kovu.
Okrem toho by si návrhy mali zachovať rovnomerná hrúbka steny, používajte strategické rebrá a výstupky a vyhýbajte sa extrémne tenkým stenám – vo všeobecnosti sa držte nad 0,8 až 1,0 mm pre hliník – pokiaľ sa nepreukáže, že si ich dané nastavenie dokáže poradiť.
Tolerancie a kritické údaje
Zriadiť vymazať referenčný údaj rám s použitím pevných a prístupných povrchov, ktoré sú kľúčové pre funkciu a rozmery dielu. Aplikujte Geometrické kótovanie a tolerancie (GD&T) na riadenie tvaru, orientácie a umiestnenia – ako je rovinnosť, poloha a profil. Tento systém definuje funkčné limity súčiastky. Zabráňte nadmernému obmedzeniu návrhu povolením voľnejších tolerancií na nekritických povrchoch, čo zjednodušuje nástroje a výrobu bez ovplyvnenia výkonu.
Referenčné terče musia byť umiestnené na stabilných podložkách po odliatí, ktoré sú ľahko prístupné sondám. Nikdy nedefinujte terč cez deliacu čiaru, pretože malé odchýlky medzi polovicami formy spôsobia chyby merania a ohrozia referenčný rámec.
Pamätajte, že tolerancie odliatkov sú širšie ako tolerancie obrábaných materiálov. Prídavky na obrábanie aplikujte iba na kritické prvky ako sú tesniace plochy alebo uloženie ložísk, pričom ostatné oblasti zostanú odliate. To minimalizuje sekundárne operácie a znižuje náklady.
Stratégia delenia, minimalizácia sklzov a náklady
Náklady a zložitosť tlakových odliatkov sú primárne dané ich deliacou čiarou a počtom posuvníkov. Keďže každý posuvník predstavuje značné náklady, údržbu a čas, kľúčovým cieľom návrhu je ich minimalizovať. To sa dá dosiahnuť preorientovaním prvkov vzhľadom na hlavnú deliacu rovinu alebo prepracovaním návrhu s cieľom odstrániť podrezania. Najlepším prístupom je skorá spolupráca a DFM analýza, čo môže skonsolidovať šmýkadlá, skrátiť dodacie lehoty, znížiť náklady a zvýšiť odolnosť nástrojov.
Textúry a logá
Navrhovanie textúr a log si vyžaduje špecifické kroky na zabezpečenie kvality a trvanlivosti. Aplikácia akejkoľvek textúry si vyžaduje väčšie uhly úkosu pre správne vyhadzovanie, takže vždy Pri pridávaní loga sa poraďte so svojím dodávateľom o presných špecifikáciách.. Logá by mali byť vždy, keď je to možné, umiestnené na nekritických, nefunkčných povrchoch. Najlepšie je ich umiestniť do povrchu zapustené, a nie vyvýšené, aby sa predišlo odieraniu a opotrebovaniu nástroja.
Materiály a povrchové úpravy nástrojových ocelí
Bežné nástrojové ocele (H13, H11, Maraging)
- H13Ťažný kôň v tomto odvetví pre tlakové liatie hliníka, s dobrou pevnosťou za tepla, odolnosťou proti tepelnej únave a húževnatosťou. Správne tepelné spracovanie a popúšťanie sú nevyhnutné.
- H11Ponúka dobrú húževnatosť a odolnosť voči tepelným šokom, ale je menej bežne používaný ako H13 pre veľké dutiny a jadrá v tlakových odlievaniach hliníka kvôli svojej nižšej pevnosti za tepla.
- Maragingové oceleUžitočné pre vložky vyžadujúce vysokú pevnosť a vynikajúcu obrobiteľnosť alebo pre hybridné aditívne vyrábané vložky; zvyčajne v kombinácii s povrchovým inžinierstvom na zmiernenie spájkovania.
Medzi ďalšie bežné ocele patrí P20 pre zliatiny zinku a horčíka a vysoko tvrdé ocele ako D2 pre vyhadzovacie čapy a iné komponenty odolné voči opotrebovaniu.
Nátery, nitridácia a povrchové inžinierstvo
- NitridáciaVytvára tvrdú, oteruvzdornú difúznu vrstvu, ktorá odoláva erózii a mikrospájkovaniu. Široko sa používa na H13/H11.
- PVD/CVD povlaky (napr. TiN, CrN, AlCrN)Zníženie zmáčania, zlepšenie klzkosti a obmedzenie spájkovania. Výber závisí od zliatiny a prevádzkovej teploty.
- Tvrdý chróm, nikel-bór a špeciálne protispájkovacie povlakyAplikuje sa na oblasti vtoku, zóny nárazu s vysokou rýchlosťou a jadrá náchylné na prilepenie. Úspech je určený na prípravu povrchu a kvalitu základnej ocele.
Tepelná únava, spájkovanie a odolnosť voči erózii
- Tepelná únava prejavuje sa ako tepelné praskanie na povrchu nástroja spôsobené rýchlym cyklickým ohrevom a chladením. Stratégie zmiernenia zahŕňajú predovšetkým používanie nástrojových ocelí s vysokou odolnosťou voči tepelnej únave (ako H13) a navrhovanie vyvážených chladiacich systémov na zvládnutie extrémnych tepelných cyklov. Predhriatie nástroja pred výrobou je kritickým preventívnym opatrením na zníženie počiatočného tepelného šoku.
- Spájkovanie, nežiaduce prilepenie roztavenej zliatiny na oceľ formy, sa zhoršuje, keď lokálne teploty ocele klesnú do “lepkavého” rozsahu. Tomu sa dá predísť špeciálnymi nátermi, separačnými prostriedkami a starostlivou kontrolou teplôt stien formy, aby sa predišlo tomuto kritickému rozsahu.
- Erózia zvyčajne sa vyskytuje v blízkosti brán alebo oblastí s ostrými zákrutami prúdenia, kde roztavený kov s vysokou rýchlosťou naráža na povrch. Aby sa tomu zabránilo, mali by sa zmäkčiť uhly nárazu, zväčšiť polomery a povrchy v týchto kritických zónach sa môžu lokálne kaliť pre väčšiu odolnosť.
Výroba, odber vzoriek a údržba nástrojov
Pracovný postup a dodacie lehoty pri výrobe nástrojov
Typický program výroby nástrojov pre tlakové liatie zvyčajne prebieha v 8 krokoch:
Prvý článok, skúšky a iterácie
Počiatočný odber vzoriek overuje výplň, pórovitosť a rozmerovú stabilitu. Očakávajte opakované zmeny veľkostí vtokov, hĺbky vetracích otvorov, receptúr striekania a parametrov vstrekovania. Prvá kontrola výrobku prepojí namerané výsledky s GD&T výkresu. Slučky riadené dátami, tepelné zobrazovanie, stopy tlaku v dutine a úrovne vákua pomáhajú dosiahnuť rýchlejšiu konvergenciu ako odhady.
Preventívna údržba, rekonštrukcia a opravy
Bežná údržba zahŕňa čistenie vetracích otvorov, renováciu uzatváracích ventilov, overenie opotrebovania vyhadzovacích ventilov a opätovné usadenie chladiacich armatúr. Opätovná nitridácia a opravy bodových zvarov predlžujú životnosť. Pre jadrá a oblasti vtoku s vysokým opotrebením dodržujte stratégiu náhradných rezných doštičiek. Sledujte cykly od údržby po údržbu a režimy defektov: nástroje prezrádzajú svoje vzorce opotrebovania.
Bežné chyby a ich náprava
Pórovitosť, studené uzávery a chybné výtoky
- Pórovitosť plynuZlepšite odvetrávanie/vákuum, znížte turbulencie pomocou geometrie uzáveru a stabilizujte teplotu matrice. Vyvážte sprej a mazivo, aby ste predišli zachytávaniu pár.
- Zmršťovacia pórovitosť: Zahustite lokálne sekcie alebo pridajte prívody/prepady; upravte chladenie, aby ste predišli predčasnému zamrznutiu v horúcich miestach.
- Studené uzávery/chybné chody: Zvýšte teploty taveniny a matrice v rámci špecifikácie, zväčšite uzávery alebo ich premiestnite, aby sa predná časť toku udržala horúca a nepretržitá.
Blesk, spájkovanie a lepenie
- Blesk: Zlepšite uzatváracie plochy, opravte zaistenie matrice a overte upínaciu silu. Nadmerný postrek môže tiež spôsobiť hydraulické zaklinenie.
- Spájkovanie: Zvýšte teplotu povrchu ocele nad rozsah lepenia, naneste protispájkovacie nátery a upravte chemické zloženie maziva. Znížte priamy náraz presmerovaním vtokových otvorov.
- Lepenie: Pridajte prievan, vyleštite vyhadzovacie povrchy, prerozdeľte vyhadzovacie čapy alebo prejdite na vyhadzovacie objímky tam, kde sú výstupky vysoké.
Deformácia a dimenzionálny drift
- Deformácia: Vzniká v dôsledku nerovnomerného chladenia a zvyškového napätia. Vyvážte chladiace okruhy, použite konformné kanály na asymetrických častiach a upravte parametre procesu popúšťania pre postupné tuhnutie.
- Rozmerový drift: Môže k tomu dôjsť pri dlhých sériách, čo signalizuje tepelný rast formy. V prípade odolných prvkov je potrebné vykonať kalibráciu po odliatí alebo cielené dokončovacie obrábanie.
Záver
Výroba tlakových liatych nástrojov je dôležitou investíciou, ktorá zabezpečuje kvalitu a efektívnosť prostredníctvom presného inžinierstva a strategickej spolupráce. Mali by ste si vybrať partnerov s... dobre zavedený proces výroby foriem a rozsiahle skúsenosti s DFM. Tento prístup premieňa výzvy na spoľahlivú výrobu, prináša konzistentnú hodnotu a konkurenčnú výhodu.
Často kladené otázky
Ako sa zložitosť súčiastky v skutočnosti premieta do vyšších nákladov na nástroje? Je to len o veľkosti?
Hoci veľkosť súčiastky ovplyvňuje cenu ocele, náklady na nástroje sú oveľa viac než len množstvo použitého materiálu. Každý podrezaný diel vyžadujúci posuvný nástroj, každé zložité jadro a každý prvok s vysokou toleranciou pridáva čas potrebný na inžinierstvo, presné obrábanie a zvyšujú náklady na údržbu v budúcnosti. Jednoduchší diel s čistou deliacou čiarou a nízkym objemom výroby je často možné obrábať v lacnejšom a spoľahlivejšom nástroji s jednou dutinou. Diel s mnohými podrezanými rezmi bude vyžadovať zložitý nástroj s viacerými posuvnými nástrojmi bez ohľadu na kavitáciu.
Aké sú kľúčové ukazovatele počas fázy odberu vzoriek/skúšania nástrojov, ktoré predpovedajú budúce problémy s výrobou?
Odporúčame vám sledovať konzistentnosť. Ak drobné úpravy parametrov stroja (ako je teplota alebo rýchlosť vstrekovania) spôsobujú výrazné výkyvy v kvalite dielov alebo chyby, konštrukcia nástroja môže byť nestabilná. Medzi ďalšie varovné signály patria ťažkosti s konzistentným vyhadzovaním dielov, známky spájkovania pri prvých dávkach alebo neschopnosť vytvoriť široké a stabilné “procesné okno”, v ktorom sa vyrábajú dobré diely. Kvalifikovaný nástroj by mal byť odolný voči chybám a opakovateľný.
Kedy je nákladovo efektívnejšie navrhnúť “jednoduchší” nástroj a použiť sekundárne obrábanie pre zložité prvky?
Tento prístup je často múdry pre prvky, ktoré je mimoriadne ťažké alebo drahé odliať, ako sú veľmi hlboké otvory s malým priemerom, závity s nedotknutými koreňmi alebo extrémne ostré vnútorné rohy. Odliatím plného bloku a jeho vŕtaním/rezaním závitu v sekundárnej operácii sa vyhnete nákladom a potenciálnym bodom zlyhania krehkých jadrových čapov vo forme. Je to kompromis medzi nákladmi na obrábanie na diel a počiatočnou zložitosťou/rizikom nástroja.