Литье под давлением — это процесс литья металла , который характеризуется нагнетанием расплавленного металла под высоким давлением в полость формы . Полость формы создается с помощью двух закаленных инструментальных стальных штампов , которые были обработаны по форме и работают аналогично литьевой форме во время процесса. Большинство отливок под давлением изготавливаются из цветных металлов , в частности , из цинка , меди , алюминия , магния , свинца , олова и сплавов на основе олова . В зависимости от типа отливаемого металла используется машина с горячей или холодной камерой прессования.
Литейное оборудование и металлические формы требуют больших капитальных затрат, и это, как правило, ограничивает процесс крупносерийным производством. Производство деталей методом литья под давлением относительно простое, оно включает всего четыре основных этапа, что позволяет снизить приростную стоимость на единицу продукции. Оно особенно подходит для большого количества отливок малого и среднего размера, поэтому литье под давлением позволяет производить больше отливок, чем любой другой процесс литья. [1] Литье под давлением характеризуется очень хорошей отделкой поверхности (по стандартам литья) и размерной однородностью.
Оборудование для литья под давлением было изобретено в 1838 году для производства подвижных литер для печатной промышленности . Первый патент , связанный с литьем под давлением , был выдан в 1849 году на небольшую ручную машину для механизированного производства печатных литер. В 1885 году Оттмар Мергенталер изобрел линотипную машину , которая отливала целую строку литер как единое целое, используя процесс литья под давлением . Она почти полностью заменила ручной набор литер в издательской промышленности. Машина для литья под давлением Soss, произведенная в Бруклине, штат Нью-Йорк, была первой машиной, которая продавалась на открытом рынке в Северной Америке. [2] Другие области применения быстро росли, при этом литье под давлением способствовало росту потребительских товаров и бытовой техники, значительно снижая себестоимость сложных деталей в больших объемах. [3] В 1966 году [4] General Motors выпустила процесс Acurad . [5]
Основные сплавы для литья под давлением: цинк , алюминий, магний, медь, свинец и олово; хотя это встречается редко, литье под давлением черных металлов также возможно. [6] Конкретные сплавы для литья под давлением включают: цинк-алюминий ; алюминий, например, по стандартам Ассоциации производителей алюминия (AA): AA 380, AA 384, AA 386, AA 390; и магний AZ91D. [7] Ниже приводится краткое изложение преимуществ каждого сплава: [8]
По состоянию на 2008 год [обновлять]максимальные пределы веса для литья из алюминия, латуни , магния и цинка оценивались 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 пресс-машины, способные отливать под давлением отдельные детали весом более 100 килограммов (220 фунтов), использовались для производства алюминиевых компонентов шасси для автомобилей. [10]
Используемый материал определяет минимальную толщину сечения и минимальную осадку , необходимые для литья, как указано в таблице ниже. Самая толстая секция должна быть менее 13 мм (0,5 дюйма), но может быть 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 классифицируются по тому, какое усилие зажима они могут применить. Типичные значения составляют от 400 до 4000 ст (от 2500 до 25400 кг). [8]
Литье под давлением с горячей камерой прессования, также известное как машины с гусиком , использует ванну расплавленного металла для подачи в форму. В начале цикла поршень машины отводится назад, что позволяет расплавленному металлу заполнить «гусик». Затем пневматический или гидравлический поршень выдавливает этот металл из гусика в форму. Преимущества этой системы включают в себя быстрое время цикла (приблизительно 15 циклов в минуту) и удобство плавления металла в литейной машине. Недостатки этой системы заключаются в том, что она ограничена в использовании с легкоплавкими металлами и что алюминий нельзя использовать, поскольку он забирает часть железа, находясь в расплавленной ванне. Поэтому машины с горячей камерой прессования в основном используются со сплавами на основе цинка, олова и свинца. [14]
Они используются, когда литейный сплав не может быть использован в машинах с горячей камерой; к ним относятся алюминиевые, цинковые сплавы с большим содержанием алюминия, магния и меди. Процесс для этих машин начинается с расплавления металла в отдельной печи. [15] Затем точное количество расплавленного металла транспортируется в машину с холодной камерой, где он подается в необогреваемую камеру дробления (или цилиндр впрыскивания). Затем эта дробь вводится в пресс-форму гидравлическим или механическим поршнем. 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 «половина матрицы крышки», а другая — «половина матрицы выталкивателя». Место их соединения называется линией разъема . Матрица крышки содержит литник (для машин с горячей камерой) или дробовое отверстие (для машин с холодной камерой), которое позволяет расплавленному металлу поступать в матрицы; эта особенность совпадает с инжекторным соплом на машинах с горячей камерой или дробовой камерой на машинах с холодной камерой. Матрица выталкивателя содержит выталкивающие штифты и, как правило, литник , который является путем от литника или дробового отверстия к полости формы. Матрица крышки крепится к неподвижной или передней плите литейной машины, в то время как матрица выталкивателя крепится к подвижной плите. Полость формы разрезается на две вставки полости , которые представляют собой отдельные части, которые можно относительно легко заменить и прикрепить болтами к половинам матрицы. [17]
Штампы сконструированы таким образом, что готовая отливка будет соскальзывать с крышки штампа и оставаться в выталкивающей половине, пока штампы открываются. Это гарантирует, что отливка будет выталкиваться каждый цикл, потому что выталкивающая половина содержит выталкивающие штифты, чтобы выталкивать отливку из этой половины штампа. Выталкивающие штифты приводятся в действие пластиной выталкивающих штифтов , которая точно приводит в действие все штифты одновременно и с одинаковой силой, так что отливка не повреждается. Пластина выталкивающих штифтов также втягивает штифты после выталкивания отливки, чтобы подготовиться к следующему выстрелу. Должно быть достаточно выталкивающих штифтов, чтобы поддерживать общую силу на каждом штифте низкой, потому что отливка все еще горячая и может быть повреждена чрезмерной силой. Штифты все еще оставляют след, поэтому они должны быть расположены в местах, где эти следы не будут мешать назначению отливки. [17]
Другие компоненты штампа включают стержни и направляющие . Стержни — это компоненты, которые обычно создают отверстия или проемы, но их также можно использовать для создания других деталей. Существует три типа стержней: фиксированные, подвижные и свободные. Фиксированные стержни — это те, которые ориентированы параллельно направлению вытягивания штампов (т. е. направлению, в котором штампы открываются), поэтому они фиксированы или постоянно прикреплены к штампу. Подвижные стержни — это те, которые ориентированы любым другим образом, кроме параллельного направлению вытягивания. Эти стержни должны быть удалены из полости штампа после затвердевания дроби, но до того, как штампы откроются, с помощью отдельного механизма. Слайды похожи на подвижные стержни, за исключением того, что они используются для формирования поднутренных поверхностей. Использование подвижных стержней и направляющих значительно увеличивает стоимость штампов. [17] Свободные стержни, также называемые pick-outs , используются для литья сложных элементов, таких как резьбовые отверстия . Эти свободные стержни вставляются в матрицу вручную перед каждым циклом, а затем выталкиваются вместе с деталью в конце цикла. Затем стержень необходимо удалить вручную. Свободные стержни являются самым дорогим типом стержней из-за дополнительной рабочей силы и увеличенного времени цикла. [11] Другие особенности в матрицах включают в себя каналы водяного охлаждения и вентиляционные отверстия вдоль линий разъема . Эти отверстия обычно широкие и тонкие (приблизительно 0,13 мм или 0,005 дюйма), так что когда расплавленный металл начинает заполнять их, металл быстро затвердевает и минимизирует отходы. Никакие стояки не используются, поскольку высокое давление обеспечивает непрерывную подачу металла из литника. [18]
Наиболее важными свойствами материала для штампов являются стойкость к тепловому удару и размягчение при повышенной температуре; другие важные свойства включают закаливаемость , обрабатываемость , стойкость к растрескиванию под действием тепла, 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 закаленных инструментальных сталей , поскольку чугун не может выдерживать высокое давление, поэтому штампы очень дороги, что приводит к высоким первоначальным затратам. [18] Металлы, которые отливаются при более высоких температурах, требуют штампов, изготовленных из более легированных сталей . [19]
Основным видом отказа для литьевых форм является износ или эрозия . Другими видами отказа являются тепловое растрескивание и термическая усталость . Тепловое растрескивание происходит, когда на матрице возникают поверхностные трещины из-за большого изменения температуры в каждом цикле. Термическая усталость происходит, когда на матрице 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 пресс-формы, заполнение, выталкивание и выбивка. Пресс-формы подготавливаются путем распыления смазки в полость формы. Смазка помогает контролировать температуру пресс-формы, а также способствует извлечению отливки. Затем пресс-формы закрываются, и расплавленный металл впрыскивается в пресс-формы под высоким давлением; от 10 до 175мегапаскалей(от 1500 до 25 400 фунтов на кв. дюйм). После заполнения полости формы давление поддерживается до тех пор, пока отливка не затвердеет. Затем пресс-формы открываются, и дробь (дробь отличается от литья, поскольку в пресс-форме может быть несколько полостей, что дает несколько отливок за один выстрел) выталкивается выталкивающими штифтами. Наконец, выбивка включает в себя отделение отходов, которые включают в себя литник,питатели,литникииоблой,от дроби. Часто это делается с помощью специального штампа в прессе с электроприводом или гидравлическом прессе. Другие методы вытряхивания включают распиловку и шлифовку. Менее трудоемкий метод — это переворачивание дроби, если литники тонкие и легко ломаются; после этого должно следовать отделение литников от готовых деталей. Этот лом перерабатывается путем его переплавки.[14]Выход составляет приблизительно 67%.[22]
Высоконапорная инжекция приводит к быстрому заполнению формы, что необходимо для того, чтобы заполнить всю полость до того, как какая-либо часть отливки затвердеет. Таким образом, избегаются разрывы , даже если форма требует труднозаполняемых тонких секций. Это создает проблему захвата воздуха, поскольку при быстром заполнении формы остается мало времени для выхода воздуха. Эта проблема сводится к минимуму за счет включения вентиляционных отверстий вдоль линий разъема, однако даже в высокоточном процессе в центре отливки все еще будет некоторая пористость. [23]
Большинство литейщиков выполняют другие вторичные операции для создания деталей, которые трудно поддаются литью, например, нарезание резьбы, полировка, нанесение покрытия, шлифовка или покраска.
После выбивки отливки ее проверяют на наличие дефектов. Наиболее распространенными дефектами являются ошибки запуска и холодные затворы . Эти дефекты могут быть вызваны холодными штампами, низкой температурой металла, грязным металлом, отсутствием вентиляции или слишком большим количеством смазки. Другие возможные дефекты — это газовая пористость, усадочная пористость , горячие разрывы и следы течи. Следы течи — это следы, оставленные на поверхности отливки из-за плохого литникового контроля, острых углов или чрезмерного количества смазки. [24]
Смазки на водной основе являются наиболее используемым типом смазок из-за проблем со здоровьем, окружающей средой и безопасностью. В отличие от смазок на основе растворителей, если вода правильно очищена для удаления из нее всех минералов, она не оставит никаких побочных продуктов в штампах. Если вода не очищена должным образом, то минералы могут вызвать дефекты поверхности и разрывы.
Сегодня используются эмульсии «вода-в-масле» и «масло-в-воде» , потому что при нанесении смазки вода охлаждает поверхность штампа, испаряясь, тем самым осаждая масло, которое помогает выпустить дробь. Обычная смесь для этого типа эмульсии — тридцать частей воды на одну часть масла, однако в крайних случаях используется соотношение сто к одному. [25] Масла, которые используются, включают тяжелое остаточное масло (HRO), животный жир , растительный жир , синтетическое масло и всевозможные их смеси. HRO являются гелеобразными при комнатной температуре, но при высоких температурах, возникающих при литье под давлением, они образуют тонкую пленку. Другие вещества добавляются для контроля вязкости и термических свойств этих эмульсий, например, графит , алюминий , слюда . Другие химические добавки используются для предотвращения ржавления и окисления . Кроме того, для улучшения процесса производства эмульсии добавляются эмульгаторы , например, мыло , эфиры спирта , оксиды этилена . [26]
Исторически широко использовались смазочные материалы на основе растворителей, такие как дизельное топливо и керосин . Они хорошо справлялись с освобождением детали из матрицы, но при каждом выстреле происходил небольшой взрыв, что приводило к накоплению углерода на стенках полости формы. Однако их было легче наносить равномерно, чем смазочные материалы на водной основе. [27]
Преимущества литья под давлением: [11]
Главным недостатком литья под давлением является очень высокая капитальная стоимость . Как необходимое литейное оборудование, так и пресс-формы и сопутствующие компоненты очень дороги по сравнению с большинством других процессов литья. Поэтому, чтобы сделать литье под давлением экономичным процессом, необходим большой объем производства. Другие недостатки:
Acurad — это процесс литья под давлением, разработанный компанией General Motors в конце 1950-х и 1960-х годах. Название является аббревиатурой от «точный», «надежный» и «плотный». Он был разработан для объединения стабильного заполнения и направленного затвердевания с быстрым временем цикла традиционного процесса литья под давлением. Этот процесс стал пионером четырех прорывных технологий литья под давлением: термический анализ , моделирование потока и заполнения, литье под давлением с термообработкой и высокой степенью целостности, а также литье под давлением с непрямым выдавливанием (описано ниже). [5]
Термический анализ был первым, который был сделан 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 тепловые нагрузки и схемы охлаждения. Водяные линии были представлены магнитами различных размеров. Теплопроводность была представлена обратной величиной удельного сопротивления бумаги. [5]
Система Acurad использовала систему нижнего заполнения, которая требовала стабильного фронта потока. Логические мыслительные процессы и пробы и ошибки были использованы, поскольку компьютеризированный анализ еще не существовал; однако это моделирование было предшественником компьютеризированного моделирования потока и заполнения. [5]
Система Acurad была первым процессом литья под давлением, который мог успешно отливать алюминиевые сплавы с низким содержанием железа, такие как A356 и A357. В традиционном процессе литья под давлением эти сплавы припаивались к матрице. Аналогично, отливки Acurad могли подвергаться термической обработке и соответствовать американским военным спецификациям MIL-A-21180-D. [5]
Наконец, система Acurad использовала запатентованную конструкцию поршня с двойным впрыском. Идея заключалась в использовании второго поршня (расположенного внутри первичного поршня) для приложения давления после того, как дробь частично затвердеет по периметру литейной полости и втулки дроби. Хотя система была не очень эффективной, она привела производителя машин Acurad, Ube Industries , к выводу, что было бы столь же эффективно применять достаточное давление в нужное время позже в цикле с первичным поршнем; это литье с непрямым выдавливанием. [5]
Если в литой детали не допускается пористость, то используется процесс литья без пор . Он идентичен стандартному процессу, за исключением того, что перед каждым выстрелом в форму впрыскивается кислород , чтобы удалить воздух из полости формы. Это приводит к образованию мелких дисперсных оксидов, когда расплавленный металл заполняет форму, что фактически исключает газовую пористость. Дополнительным преимуществом этого является большая прочность. В отличие от стандартных литьевых форм, эти отливки можно подвергать термической обработке и сварке . Этот процесс можно выполнять на алюминиевых, цинковых и свинцовых сплавах. [16]
В вакуумном литье под высоким давлением , также известном как вакуумное литье под высоким давлением (VHPDC), [33] вакуумный насос удаляет воздух и газы из полости формы и системы подачи металла до и во время впрыска. Вакуумное литье под давлением уменьшает пористость, позволяет проводить термическую обработку и сварку, улучшает качество поверхности и может повысить прочность.
Литье под давлением с подогревом и прямым впрыском , также известное как литье под давлением с прямым впрыском или литье под давлением без литников , представляет собой процесс литья цинка под давлением, при котором расплавленный цинк продавливается через подогретый коллектор , а затем через подогретые мини-сопла, которые ведут в полость формы. Этот процесс имеет преимущества в виде более низкой стоимости детали за счет сокращения отходов (за счет устранения литников, литников и литников) и энергосбережения, а также лучшего качества поверхности за счет более медленных циклов охлаждения. [16]
Полутвердое литье под давлением использует металл, который нагревается между его ликвидусом и солидусом (или ликвидусом и эвтектической температурой), так что он находится в «кашеобразном» состоянии. Это позволяет изготавливать более сложные детали и более тонкие стенки. [ необходима цитата ]
Литье под низким давлением (LPDC) — это процесс, разработанный для улучшения согласованности и целостности деталей за счет гораздо более медленного цикла. [34] При LPDC материал удерживается в резервуаре под пресс-формой, из которого он поступает в полость, когда давление воздуха в резервуаре увеличивается. [34] Типичное давление составляет от 0,3 бар (4,4 фунта на кв. дюйм) до 0,5 бар (7,3 фунта на кв. дюйм). [34] [35] Несколько более высокие давления (до 1 бара (15 фунтов на кв. дюйм)) могут применяться после того, как материал находится в пресс-форме, чтобы обработать его в мелких деталях полости и устранить пористость. [34]
Типичное время цикла для процесса литья под низким давлением больше, чем для других процессов литья под давлением; блок двигателя может занять до пятнадцати минут. [34] Он в основном используется для алюминия, но также использовался для углеродистой стали. [34]
Интегрированное литье под давлением [36] относится к высокоуровневой интеграции нескольких отдельных и разбросанных деталей из сплава через крупнотоннажную литейную машину, а затем формируется в 1–2 больших отливки. Цель состоит в том, чтобы снизить производственные затраты за счет одноразового формования, значительно уменьшая количество деталей, необходимых для сборки автомобиля, и повышая общую эффективность. [37] Команда Илона Маска впервые предложила этот метод обработки во время производственного процесса Tesla , который является программой Giga Press . [38]
новый проект на
крупном калифорнийском заводе-изготовителе электромобилей.
… 105 кг расплавленного алюминия … доставляются за один впрыск.
способно производить отливки весом намного больше 80
кг
на непревзойденной максимально допустимой площади проекции. … производство высоконадежных литых под давлением компонентов из алюминия и магния для автомобильной промышленности с акцентом на структурные и критически важные для безопасности компоненты. … Скорость впрыска превышает требования 10
м/сек
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )