Keď výrobný priemysel vyžaduje nižšiu pravdepodobnosť únikov, deformácií alebo prasklín v procese tlakového liatia, konvenčné vysokotlakové liatie niekedy nestačí. Preto priemyselní odborníci túto myšlienku rozšírili a predložili... vákuové liatie pod tlakom ako riešenie pre vysokokvalitné diely. V tomto článku sa dozviete o definícii, mechanike a aplikačných scenároch tohto významného pokroku v technológii tlakového liatia.
Čo je vákuové tlakové liatie
Vákuové liatie pod tlakom je variant liatie pod vysokým tlakom ktorý aktívne odstraňuje vzduch a plyn z dutiny formy, aby vytvoril vákuum tesne pred a počas vstrekovania roztaveného kovu. Znížením obsahu plynu v dutine sa minimalizuje zachytávanie plynu, znižuje pórovitosť, zlepšuje hustota a zvyšuje konzistentnosť mechanických vlastností v porovnaní s konvenčným vysokotlakovým liatím (HPDC). Tento prístup je nevyhnutný, keď musí byť odliatok zvárateľný, tepelne spracovateľný (T5/T6) alebo tesný.
V jadre sa metóda spolieha na utesnenú formu, systém vákuového čerpadla a precízne navrhnutý systém odvetrávania a vtokovania. Vákuum musí byť nastavené na cieľovú úroveň, často pod 100 mbar a často oveľa nižšie pre kritické práce, predtým, ako kov dosiahne dutinu formy. Výsledkom je čistejšia a hustejšia výplň s menším zachytávaním vzduchu spôsobeným turbulenciami a menším počtom prekvapení v následnom postupe.
Vákuovo asistované tlakové liatie vs. systémy s vysokým vákuom
Systémy s vákuovou asistenciou čiastočne evakuujú formu, čím zlepšujú kvalitu mnohých dielov bez nákladov a zložitosti úplného vákuového nastavenia. Často postačujú pre stredne náročné odliatky a prinášajú merateľné zníženie... pórovitosť a lepšie správanie pri plnení.
Vysokovýkukové systémy sa zameriavajú na takmer úplné odsávanie a čo najnižší obsah zvyškového plynu. Matrice sú tesne utesnené, vákuové kanály sú optimalizované a čerpadlá sú dimenzované tak, aby sa dosiahlo rýchle odsávanie a stabilné vákuum počas plnenia.
Aký je rozdiel medzi konvenčným tlakovým liatím pod vysokým tlakom?
- Pórovitosť a zachytávanie plynu: Integrovaný vákuový systém aktívne odstraňuje vzduch z dutiny matrice, čím drasticky znižuje zachytávanie plynu a vnútornú pórovitosť, ktorá trápi konvenčné vysokovýkonné DC (HPDC).
- Mechanické vlastnosti: Toto zníženie pórovitosti vedie k lepším a konzistentnejším mechanickým vlastnostiam s menšími odchýlkami medzi jednotlivými šaržami v pevnosti v ťahu, predĺžení a únavových vlastnostiach.
- Možnosť dodatočného spracovania: Na rozdiel od pórovitých konvenčných odliatkov sú vákuové odliatky zvyčajne dostatočne husté na to, aby sa dali bezpečne zvárať a tepelne spracovávať, čo umožňuje širšiu škálu aplikácií.
Praktický rozdiel sa prejavuje v stabilite vlastností. Vo vákuu sa pevnosť v ťahu, predĺženie a únava materiálu zvyšujú a medzi jednotlivými šaržami sa líšia menej.
Ako funguje vákuové tlakové liatie
Kľúčové vybavenie, funkcie nástrojov a metódy tesnenia
- Stroj na tlakové liatieVysokotlakový stroj s rýchlym ovládaním úderu a presnou rýchlosťou brány.
- Vákuový systémVákuové čerpadlá, regulačné ventily, zásobníky/akumulátory a senzory schopné rýchlo dosiahnuť cieľovú úroveň vákua a udržať ju počas plnenia.
- Utesnené matriceRobustné tesnenia na deliacej čiare, O-krúžky/tesnenia okolo vyhadzovacích kolíkov a posúvačov a vákuové bloky, ktoré usmerňujú evakuačný tok.
- Odvetrávanie a vtokovanieVákuový kanál je umiestnený tak, aby odvádzal vzduch z oblastí, ktoré sa majú naplniť ako posledné. Vstupy budú mať takú veľkosť a orientáciu, aby sa podporilo laminárne prúdenie a zabránilo sa predčasnému zamrznutiu v tenkých častiach.
- Prístrojová technikaPrevodníky tlaku (vákuum v dutine), termočlánky (tavenie a vytláčanie) a snímače polohy/rýchlosti vstrekovacej objímky a piestu.
Výrobcovia nástrojov často používajú kalené oceľové vložky pre vákuové porty, leštené odvzdušňovacie povrchy a elastoméry kompatibilné s kompresiou. Rutinná kontrola O-krúžkov a opotrebenia deliacej čiary je súčasťou plánov údržby.
Postup krok za krokom
- Príprava výstreluTavenina sa zahreje na určitú cieľovú teplotu a do vstrekovacej objímky sa dávkuje správny objem kovu.
- Vyprázdnite dutinu: Otvorí sa vákuový okruh. Systém stiahne dutinu formy a pripojené kanály na požadovanú hodnotu. Pri náročných dieloch zabezpečuje oneskorenie predbežného evakuovania stabilitu tlaku.
- Vstrekovanie/plnenie: Začína sa výstrel. Fáza 1 tlačí kov k bráne a fáza 2 zrýchľuje na vysokú rýchlosť brány pre rýchle plnenie, zatiaľ čo vákuum zostáva aktívne a odstraňuje zvyškové plyny, ako sa predná časť pohybuje vpredu.
- Intenzifikácia/udržaniePo vstreknutí roztaveného kovu do formy sa udržiava tlak, aby sa zmršťovalo počas tuhnutia kovu, stále vo vákuu, kým predná strana neutesní odvzdušňovací otvor.
- Uvoľniť a stuhnúťVákuové ventily sa podľa potreby zatvoria a po stuhnutí sa odliatok dokončí.
- Otvoriť a vysunúťMatrica sa otvorí, vyhadzovacie kolíky sa aktivujú a diel sa odstráni. Taktiež sa oddelí ohyb a bežce.
Tento časový harmonogram je prísne koordinovaný. Ak kov dorazí skôr, ako vákuum dosiahne požadovanú hodnotu, zachytávanie plynu prudko stúpne. Podobne oneskorené zatvorenie ventilu môže vtiahnuť tekutý kov do vákuového okruhu.
Kritické parametre procesu vákuového tlakového liatia
- Úroveň vákuaPre zmysluplné zníženie pórovitosti sa mnoho výrobcov zameriava na tlak <100 mbar. Súčiastky s vysokou integritou často dosahujú tlak desiatok mbar.
- NačasovanieVákuum musí dosiahnuť požadovanú hodnotu predtým, ako kov narazí na vtok, a musí sa udržiavať počas celého kritického okna plnenia. Oneskorenie odozvy aj 50 – 100 ms môže byť pri tenkostenných vstrekovaniach dôležité.
- Rýchlosť brány a čas plneniaRýchle a kontrolované plnenie (často 30 – 60 m/s na vtoku pre hliník, v závislosti od geometrie) obmedzuje oxidáciu povrchu a studené uzávery a zároveň udržiava turbulenciu pod kontrolou.
- TeplotyTeplota taveniny dostatočne vysoká na udržanie tekutosti (napr. zliatiny Al bežne 660 – 720 °C v závislosti od chemického zloženia), teploty matrice stabilizované, aby sa zabránilo predčasnému zamrznutiu a spájkovaniu. Konzistencia prekonáva extrémy.
- Mazanie a podmienky objímkySprávne mazanie piestu a regulácia teploty objímky zabraňujú tvorbe plynu a stabilizujú plnenie prvého stupňa.
Riadenie procesu integruje tieto prvky do opakovateľného okna. Mnohé závody používajú riadenie vstrekovania v uzavretej slučke, ktoré upravuje profily rýchlosti tak, aby zodpovedali spätnej väzbe o tlaku v dutine v reálnom čase.
Výhody a obmedzenia
Vynikajúce mechanické vlastnosti: Menšia pórovitosť
Odstránením plynov z cesty vákuové tlakové liatie znižuje povrchovú aj vnútornú pórovitosť. Odlievané diely by mali vyššia hustota, zlepšená únavová životnosť a menší rozptyl pevnosti v ťahu a predĺženia. Napríklad, komponenty hliníkového tlakového liatia vyrobené za silného vákua často dosahujú predĺženia vhodné pre tepelné spracovanie T6, ktoré nie je možné konzistentne dosiahnuť pri konvenčnej vysokovýkonnej dielektrickej valcovitej výrobe (HPDC).
Zvýšená kvalita dielov: Čistý a tesný povrch
A čistejšia predná časť plniaceho otvoru a menej turbulentný tok prinášajú jemnejšie povrchové úpravy a menej kozmetických chýb. A čo je dôležitejšie, odliatky dosahujú tesný výkon bez nutnosti impregnácie pri mnohých konštrukciách. Vďaka minimalizovanej pórovitosti plynu súčiastky tolerujú zváranie (MIG/TIG) a predvídateľne reagujú na cykly roztoku a starnutia, čím sa predchádza tvorbe pľuzgierov alebo deformácií spojených s expanziou plynu.
Obmedzenia vákuového tlakového liatia
Vákuové liatie je vhodné predovšetkým na hliník a horčík, pretože vysoké teploty a reaktivita železných zliatin ich vo všeobecnosti robia nevhodnými pre tento proces.
Z prevádzkového hľadiska táto metóda vyžaduje značné nároky na vybavenie a údržbu. Vyžaduje si to dôkladne utesnené nástroje, spoľahlivé vákuové hardvérové prvky a prísny plán údržby, ktorý rieši opotrebovanie komponentov, ako sú O-krúžky a deliace čiary, ako aj hromadenie uhlíka na ventiloch.
Avšak pri aplikáciách s vysokým objemom výroby alebo vysokou integritou je táto investícia často opodstatnená zvýšeným výťažkom, zníženým množstvom prepracovania a možnosťou konsolidácie dielov a následného tepelného spracovania.
Aplikácie vákuového tlakového liatia
Udržateľnosť a budúce trendy
Zvýšená účinnosť a nižšie emisie
Vákuové tlakové liatie prispieva k udržateľnej výrobe tým, že vytvára menej chybných dielov. Menej odpadu znamená, že je potrebné pretaviť menej kovu, čo výrazne znižuje spotrebu energie a súvisiace emisie. Znižuje sa tým aj spotreba iných zdrojov, ako sú napríklad tesniace chemikálie. Keďže väčšina zlievarní už svoj kovový šrot recykluje interne, vyšší výťažok robí tento recyklačný cyklus oveľa efektívnejším.
Pokročilé technológie a automatizácia
Vďaka technológii sa proces stáva presnejším. Modely simulačného softvéru odlievací a vákuový systém na zdokonalenie návrhu pred začiatkom výroby. Počas odlievania digitálne dvojčatá a riadiace systémy s uzavretou slučkou využívajú údaje zo senzorov v reálnom čase, aby zabezpečili, že každý výstrel zodpovedá ideálnemu štandardu. Toto je podporené lepším vákuovým hardvérom, špecializovanými zliatinami a zvýšenou robotikou, čo vedie k vysoko automatizovanému a spoľahlivému procesu, ktorý spĺňa prísne priemyselné štandardy.
Záver
Hoci koncept vákuového tlakového liatia možno vysledovať až do 70. rokov 20. storočia alebo dokonca skôr, v porovnaní s tradičným tlakovým liatím je stále relatívne novým a rozširujúcim sa územím. Je to však najpraktickejšia možná zmena, keď pórovitosť, zvariteľnosť alebo tepelná odozva nie sú relevantné.
Vďaka vákuovému tlakovému liatiu sa počiatočná investícia do nástrojov, hardvéru a školenia vráti prostredníctvom vyšších výťažkov. Výrobcovia získavajú väčšiu istotu pri plnení ambicióznych požiadaviek na rozmerovú presnosť a konštrukčných návrhov.
Často kladené otázky
Existujú konkrétne zliatiny, ktoré najviac profitujú z vákuového liatia?
Ako už bolo spomenuté, táto metóda odlievania môže využívať hliník a horčík. V skutočnosti je však obzvlášť transformačná pre hliníkových zliatin. Tieto zliatiny sú náchylné na zachytávanie plynov a vodíkovú pórovitosť, čo výrazne obmedzuje ich schopnosť tepelného spracovania. Vákuové tlakové liatie je preto najvýhodnejšie pre vysokopevnostné hliníkové série (ako napríklad A356 alebo 360), ktoré sú určené na tepelné spracovanie T5 alebo T6, pretože sa tým odstráni plyn, ktorý by mohol spôsobiť pľuzgiere a slabosť.
Ako sa náklady na vákuové tlakové liatie porovnávajú s inými metódami odlievania s nízkou pórovitosťou, ako je liatie pod tlakom alebo odlievanie polotuhého kovu (SSM)?
Vákuové tlakové liatie sa často volí ako nákladovo efektívnejšie riešenie pre veľkoobjemovú výrobu v porovnaní s tlakovým alebo SSM liatím. Zatiaľ čo všetky metódy znižujú pórovitosť, tlakové liatie si vyžaduje špecializované (a často pomalšie) stroje a SSM liatie zahŕňa zložitý vstupný materiál. Vákuové tlakové liatie využíva štandardné vysokotlakové liace stroje s prídavným systémom, vďaka čomu je ideálne na výrobu miliónov dielov s vysokou integritou v konkurencieschopnom čase cyklu.
Existujú špecifické zložité tvary, ktoré nie sú vhodné na vákuové liatie?
Áno, tento proces má svoje limity. Súčiastky s extrémne hlbokými a úzkymi “vreckami” môžu byť problematické, pretože vákuum nemusí účinne odviesť vzduch zachytený v týchto mŕtvych zónach predtým, ako ich kov utesní. Podobne súčiastky s vnútornými jadrami, ktoré vytvárajú zložité, segmentované dutiny, môžu byť problematické pri umiestnení účinných vákuových vetracích otvorov, čo môže viesť k vzniku izolovaných plynových vreciek.