Литье под давлением — это процесс литья металла , который характеризуется нагнетанием расплавленного металла под высоким давлением в полость формы . Полость пресс-формы создается с помощью двух матриц из закаленной инструментальной стали , которым была придана форма и которые в процессе работы работают аналогично литьевой форме . Большинство отливок под давлением изготавливаются из цветных металлов , в частности цинка , меди , алюминия , магния , свинца , олова и сплавов на основе олова . В зависимости от типа отливаемого металла применяют машину с горячей или холодной камерой.
Литейное оборудование и металлические штампы требуют больших капитальных затрат, что ограничивает процесс крупносерийным производством. Производство деталей методом литья под давлением относительно просто и включает всего четыре основных этапа, что позволяет снизить дополнительные затраты на единицу продукции. Он особенно подходит для большого количества отливок малого и среднего размера, поэтому при литье под давлением получается больше отливок, чем при любом другом процессе литья. [1] Отливки под давлением характеризуются очень хорошим качеством поверхности (по стандартам литья) и постоянством размеров.
Оборудование для литья под давлением было изобретено в 1838 году с целью производства подвижных шрифтов для полиграфической промышленности . Первый патент , связанный с литьем под давлением , был выдан в 1849 году на небольшую ручную машину для механизированного производства печатных шрифтов. В 1885 году Оттмар Мергенталер изобрел линотипную машину , которая отливала всю линейку шрифтов как единое целое, используя процесс литья под давлением . Он почти полностью заменил набор текста вручную в издательской индустрии. Машина для литья под давлением Soss, изготовленная в Бруклине, штат Нью-Йорк, была первой машиной, проданной на открытом рынке в Северной Америке. [2] Другие области применения быстро росли: литье под давлением способствовало росту производства потребительских товаров и бытовой техники за счет значительного снижения себестоимости производства сложных деталей в больших объемах. [3] В 1966 году [4] General Motors выпустила процесс Acurad . [5]
Основными сплавами для литья под давлением являются: цинк , алюминий, магний, медь, свинец и олово; хотя и редко, но также возможно литье под давлением черных металлов . [6] К специальным сплавам для литья под давлением относятся: цинк-алюминий ; алюминий, например, по стандартам Алюминиевой ассоциации (АА): АА 380, АА 384, АА 386, АА 390; и магний AZ91D. [7] Ниже приводится краткое описание преимуществ каждого сплава: [8]
По состоянию на 2008 год [обновлять]максимальный вес отливок из алюминия, латуни , магния и цинка оценивается примерно в 70 фунтов (32 кг), 10 фунтов (4,5 кг), 44 фунта (20 кг) и 75 фунтов (34 кг). соответственно. [9] К концу 2019 года прессы, способные отливать под давлением отдельные детали весом более 100 кг (220 фунтов), использовались для производства алюминиевых компонентов шасси для автомобилей. [10]
Используемый материал определяет минимальную толщину профиля и минимальную осадку , необходимую для отливки, как указано в таблице ниже. Самая толстая секция должна быть менее 13 мм (0,5 дюйма), но может быть и больше. [11]
При создании параметрической модели литья под давлением необходимо учитывать ряд геометрических особенностей:
Существует два основных типа машин для литья под давлением: машины с горячей камерой и машины с холодной камерой . [14] Они оцениваются по тому, какое усилие зажима они могут приложить. Типичные номинальные значения составляют от 400 до 4000 ст (от 2500 до 25 400 кг). [8]
Литье под давлением с горячей камерой, также известное как машины с гибкой шеей , предполагает использование ванны расплавленного металла для подачи матрицы. В начале цикла поршень машины втягивается, что позволяет расплавленному металлу заполнить «гусиную шею». Затем поршень с пневматическим или гидравлическим приводом вытесняет этот металл из гибкой шейки в матрицу. К преимуществам этой системы относятся быстрое время цикла (около 15 циклов в минуту) и удобство плавки металла в разливочной машине. Недостатками этой системы являются то, что ее можно использовать только с металлами с низкой температурой плавления , а также невозможность использования алюминия, поскольку он поглощает часть железа, находясь в ванне расплава. Поэтому машины с горячей камерой в основном используются со сплавами на основе цинка, олова и свинца. [14]
Они используются, когда литейный сплав нельзя использовать в машинах с горячей камерой; к ним относятся алюминий, сплавы цинка с большим содержанием алюминия, магния и меди. Процесс работы этих машин начинается с плавки металла в отдельной печи. [15] Затем определенное количество расплавленного металла транспортируется в машину с холодной камерой, где он подается в необогреваемую камеру дроби (или цилиндр впрыска). Затем этот выстрел подается в матрицу с помощью гидравлического или механического поршня. Самым большим недостатком этой системы является более медленное время цикла из-за необходимости переноса расплавленного металла из печи в машину с холодной камерой. [16]
При литье под давлением используются две матрицы; одна называется «половиной матрицы выталкивателя», а другая - «половиной матрицы выталкивателя». Место их встречи называется линией разъема . Крышка матрицы содержит литник (для машин с горячей камерой) или отверстие для выстрела (для машин с холодной камерой), через которое расплавленный металл стекает в матрицы; эта особенность совпадает с соплом инжектора на машинах с горячей камерой или с дробовой камерой на машинах с холодной камерой. Матрица выталкивателя содержит штифты выталкивателя и обычно направляющую , которая является путем от литника или дробового отверстия к полости формы. Матрица крышки прикреплена к неподвижной или передней плите разливочной машины, а матрица выталкивателя прикреплена к подвижной плите. Полость пресс-формы разделена на две вставки , которые представляют собой отдельные части, которые можно относительно легко заменить и привинтить к половинам матрицы. [17]
Матрицы сконструированы таким образом, что готовая отливка соскальзывает с крышки матрицы и остается в выталкивающей половине, когда матрицы открываются. Это гарантирует, что отливка будет выбрасываться каждый цикл, поскольку половина выталкивателя содержит выталкивающие штифты , которые выталкивают отливку из этой половины матрицы. Выталкивающие штифты приводятся в движение пластиной выталкивающих штифтов , которая точно приводит в движение все штифты одновременно и с одинаковой силой, так что отливка не повреждается. Пластина выталкивателя также втягивает штифты после выброса отливки, чтобы подготовиться к следующему выстрелу. Выталкивающих штифтов должно быть достаточно, чтобы общая сила воздействия на каждый штифт была низкой, поскольку отливка еще горячая и чрезмерная сила может повредить ее. Булавки все равно оставляют следы, поэтому их необходимо располагать в местах, где эти следы не будут мешать цели отливки. [17]
Другие компоненты матрицы включают сердечники и направляющие . Сердечники — это компоненты, которые обычно создают отверстия или отверстия, но их можно использовать и для создания других деталей. Существует три типа сердечников: фиксированные, подвижные и свободные. Фиксированные сердечники - это те, которые ориентированы параллельно направлению вытягивания матриц (т.е. направлению открытия матриц), поэтому они фиксированы или постоянно прикреплены к матрице. Подвижные сердечники — это те, которые ориентированы иначе, чем параллельно направлению вытягивания. Эти стержни необходимо удалить из полости матрицы после затвердевания дроби, но до того, как матрица откроется, с помощью отдельного механизма. Ползуны аналогичны подвижным стержням, за исключением того, что они используются для формирования поверхностей подрезов . Использование подвижных стержней и ползунов значительно увеличивает стоимость штампов. [17] Свободные стержни, также называемые выемками , используются для отливки сложных деталей, таких как резьбовые отверстия . Эти свободные стержни вручную вставляются в матрицу перед каждым циклом, а затем выбрасываются вместе с деталью в конце цикла. Затем сердцевину необходимо удалить вручную. Незакрепленные сердечники являются самым дорогим типом сердечников из-за дополнительных трудозатрат и увеличения времени цикла. [11] К другим особенностям матриц относятся каналы водяного охлаждения и вентиляционные отверстия вдоль линий разъема . Эти вентиляционные отверстия обычно широкие и тонкие (приблизительно 0,13 мм или 0,005 дюйма), поэтому, когда расплавленный металл начинает их заполнять, металл быстро затвердевает и сокращает количество отходов. Стояки не используются, поскольку высокое давление обеспечивает непрерывную подачу металла из ворот. [18]
Наиболее важными свойствами материала для штампов являются термостойкость и размягчение при повышенной температуре; другие важные свойства включают прокаливаемость , обрабатываемость , стойкость к термостойкости, свариваемость, доступность (особенно для более крупных штампов) и стоимость. Долговечность штампа напрямую зависит от температуры расплавленного металла и времени цикла. [17] Штампы, используемые при литье под давлением, обычно изготавливаются из закаленной инструментальной стали , поскольку чугун не выдерживает высокого давления, поэтому штампы очень дороги, что приводит к высоким начальным затратам. [18] Для металлов, отливаемых при более высоких температурах, требуются штампы, изготовленные из более легированных сталей . [19]
Основным видом отказа штампов для литья под давлением является износ или эрозия . Другими видами отказов являются тепловые испытания и термическая усталость . Тепловая проверка — это когда на штампе возникают поверхностные трещины из-за большого изменения температуры в каждом цикле. Термическая усталость – это когда на штампе возникают поверхностные трещины из-за большого количества циклов. [20]
Ниже приведены четыре этапа традиционного литья под давлением , также известного каклитье под высоким давлением ,[5]они также являются основой для любого из вариантов литья под давлением: подготовка матрицы, заполнение, выброс и вытряска. Формы готовятся путем опрыскивания полости формы смазкой. Смазка помогает контролировать температуру матрицы, а также способствует удалению отливки. Затем штампы закрываются и расплавленный металл впрыскивается в штампы под высоким давлением; от 10 до 175мегапаскалей(от 1500 до 25 400 фунтов на квадратный дюйм). После заполнения полости формы давление поддерживается до тех пор, пока отливка не затвердеет. Затем матрицы открываются, и порция (выстрелы отличаются от отливок, поскольку в матрице может быть несколько полостей, что позволяет получить несколько отливок за один выстрел) выбрасывается выталкивающими штифтами. Наконец, вытряска включает в себя отделение лома, который включает в себялитник,полозья,литникииобойму, от дроби. Это часто делается с помощью специального обрезного штампа в механическом или гидравлическом прессе. Другие методы вытряхивания включают распиливание и шлифование. Менее трудоемкий метод — кувыркать броски, если ворота тонкие и их легко сломать; должно последовать отделение ворот от готовых деталей. Этот лом перерабатывается путем его переплавки. [14]Выход составляет примерно 67%. [22]
Впрыск под высоким давлением приводит к быстрому заполнению матрицы, что необходимо для заполнения всей полости до того, как какая-либо часть отливки затвердеет. Таким образом можно избежать разрывов , даже если форма требует труднозаполняемых тонких участков. Это создает проблему захвата воздуха, поскольку при быстром заполнении формы у воздуха остается мало времени для выхода. Эту проблему можно свести к минимуму за счет включения вентиляционных отверстий вдоль линий разъема, однако даже при высокой степени очистки в центре отливки все равно будет оставаться некоторая пористость. [23]
Большинство машин для литья под давлением выполняют другие второстепенные операции для создания элементов, которые невозможно отлить, например , нарезание резьбы, полировка, покрытие, полировка или покраска.
После вытряски отливки ее осматривают на наличие дефектов. Наиболее распространенными дефектами являются сбои в работе и холодные закрытия . Эти дефекты могут быть вызваны холодными штампами, низкой температурой металла, загрязнением металла, отсутствием вентиляции или слишком большим количеством смазки. Другими возможными дефектами являются газовая пористость, усадочная пористость , горячие разрывы и следы течения. Следы текучести — это следы, оставленные на поверхности отливки из-за плохой литографии, острых углов или чрезмерного количества смазки. [24]
Смазочные материалы на водной основе являются наиболее часто используемым типом смазочных материалов по соображениям безопасности, охраны труда и окружающей среды. В отличие от смазок на основе растворителей, если воду правильно очистить от всех минералов, в матрицах не останется побочных продуктов. Если вода не очищается должным образом, минералы могут вызвать поверхностные дефекты и неоднородности.
Сегодня используются эмульсии «вода в масле» и «масло в воде» , поскольку при нанесении смазки вода охлаждает поверхность штампа, испаряясь, тем самым откладывая масло, которое помогает произвести выстрел. Обычная смесь для этого типа эмульсии состоит из тридцати частей воды на одну часть масла, однако в крайних случаях используется соотношение сто к одному. [25] Используемые масла включают тяжелое остаточное масло (HRO), животный жир , растительный жир , синтетическое масло и всевозможные их смеси. HRO желеобразны при комнатной температуре, но при высоких температурах, возникающих при литье под давлением, они образуют тонкую пленку. Для контроля вязкости и термических свойств этих эмульсий добавляются другие вещества, например графит , алюминий , слюда . Другие химические добавки используются для предотвращения ржавления и окисления . Кроме того, для улучшения процесса производства эмульсии добавляются эмульгаторы, например мыло , сложные эфиры спиртов , оксиды этилена . [26]
Исторически широко использовались смазочные материалы на основе растворителей, такие как дизельное топливо и керосин . Они хорошо справлялись с освобождением детали от матрицы, но во время каждого выстрела происходил небольшой взрыв, который приводил к накоплению углерода на стенках полости формы. Однако их было легче наносить равномерно, чем смазки на водной основе. [27]
Преимущества литья под давлением: [11]
Основным недостатком литья под давлением являются очень высокие капитальные затраты . Как необходимое литейное оборудование, так и матрицы и сопутствующие компоненты очень дороги по сравнению с большинством других процессов литья. Поэтому, чтобы литье под давлением стало экономически выгодным процессом, необходим большой объем производства. Другими недостатками являются:
Acurad — это процесс литья под давлением, разработанный General Motors в конце 1950-х и 1960-х годах. Название является аббревиатурой слов «точный, надежный и плотный». Он был разработан для сочетания стабильного заполнения и направленного затвердевания с быстрым циклом традиционного процесса литья под давлением. Этот процесс стал пионером в четырех революционных технологиях литья под давлением: термический анализ , моделирование течения и заполнения, термообработка и литье под давлением с высокой целостностью, а также литье под непрямым выдавливанием (поясняется ниже). [5]
Термический анализ был первым, проведенным для любого процесса литья. Это было сделано путем создания электрического аналога тепловой системы. Поперечное сечение штампов было нарисовано на бумаге Teledeltos , а затем на бумаге были нарисованы термические нагрузки и схемы охлаждения. Водопроводы представляли собой магниты разных размеров. Теплопроводность выражалась обратной величиной удельного сопротивления бумаги. [5]
В системе Acurad использовалась система нижнего заполнения, требующая стабильного фронта потока. Использовались логические мыслительные процессы, метод проб и ошибок, поскольку компьютеризированного анализа еще не существовало; однако это моделирование было предшественником компьютеризированного моделирования потока и заполнения. [5]
Система Acurad была первым процессом литья под давлением, который позволил успешно отливать алюминиевые сплавы с низким содержанием железа, такие как A356 и A357. В традиционном процессе литья под давлением эти сплавы припаиваются к штампу. Аналогичным образом, отливки Acurad могут подвергаться термообработке и соответствовать военной спецификации США MIL-A-21180-D. [5]
Наконец, в системе Acurad использовалась запатентованная конструкция поршня с двойным поршнем. Идея заключалась в том, чтобы использовать второй поршень (расположенный внутри основного поршня) для приложения давления после частичного затвердевания дроби по периметру литейной полости и гильзы дроби. Хотя система была не очень эффективной, она привела к тому, что производитель машин Acurad, Ube Industries , обнаружил, что столь же эффективно применять достаточное давление в нужное время на более поздней стадии цикла с помощью первичного поршня; это литье с непрямым выдавливанием. [5]
Когда в отлитой детали не допускается наличие пор, используется процесс литья без пор . Он идентичен стандартному процессу, за исключением того, что перед каждым выстрелом в матрицу впрыскивается кислород для удаления воздуха из полости формы. Это приводит к образованию мелких дисперсных оксидов, когда расплавленный металл заполняет фильеру, что практически исключает газовую пористость. Дополнительным преимуществом является большая прочность. В отличие от стандартных отливок, эти отливки можно подвергать термической обработке и сварке . Этот процесс можно выполнять на сплавах алюминия, цинка и свинца. [16]
При литье под высоким давлением под вакуумом , также известном как вакуумное литье под высоким давлением (VHPDC), [34] вакуумный насос удаляет воздух и газы из полости матрицы и системы подачи металла до и во время впрыска. Литье в вакууме снижает пористость, позволяет проводить термообработку и сварку, улучшает качество поверхности и может повысить прочность.
Литье под давлением с прямым впрыском с подогревом в коллекторе , также известное как литье под прямым впрыском или литье под давлением без бегунков , представляет собой процесс литья под давлением цинка, при котором расплавленный цинк пропускается через нагретый коллектор , а затем через нагретые мини-форсунки, которые попадают в форму. полость. Этот процесс имеет преимущества более низкой стоимости детали за счет сокращения брака (за счет исключения литников, литников и направляющих) и экономии энергии, а также лучшего качества поверхности за счет более медленных циклов охлаждения. [16]
При литье под давлением в полутвердом состоянии используется металл, который нагревается до температуры между ликвидусом и солидусом (или температурой ликвидуса и эвтектики), так что он находится в «кашеобразном» состоянии. Это позволяет создавать более сложные детали и более тонкие стенки. [ нужна цитата ]
Литье под низким давлением (LPDC) — это процесс, разработанный для улучшения консистенции и целостности деталей за счет гораздо более медленного времени цикла. [35] В LPDC материал удерживается в резервуаре под головкой, из которого он вытекает в полость, когда давление воздуха в резервуаре увеличивается. [35] Типичное давление варьируется от 0,3 бар (4,4 фунта на квадратный дюйм) до 0,5 бар (7,3 фунта на квадратный дюйм). [35] [36] Несколько более высокое давление (до 1 бар (15 фунтов на квадратный дюйм)) может быть приложено после того, как материал находится в штампе, чтобы проработать им мелкие детали полости и устранить пористость. [35]
Типичное время цикла для процесса литья под низким давлением больше, чем для других процессов литья под давлением; Блокировка двигателя может занять до пятнадцати минут. [35] В основном он используется для алюминия, но также применяется и для углеродистой стали. [35]
новый проект
крупного калифорнийского производителя электромобилей.
… 105 кг расплавленного алюминия… в каждом выстреле.
способен производить отливки весом более 80
кг
на непревзойденной максимально допустимой проектируемой площади.
… производство высоконадежных литых под давлением деталей из алюминия и магния для автомобильной промышленности с упором на конструктивные и критические компоненты безопасности.
… Скорость впрыска превышает требуемую в 10
м/сек.
