Литье под давлением против постоянной формы: какой процесс обработки алюминия победит?

Для крупносерийного производства алюминия, требующего жестких допусков и тонких стенок, лучшим выбором является литье под давлением. Для меньших объемов, деталей с более толстыми стенками или сплавов, непригодных для литья под давлением, литье в постоянные формы обеспечивает лучшую экономичность и гибкость. Понимание того, в чем каждый процесс превосходен, а где нет, может сэкономить производителям значительные инвестиции в инструменты и стоимость каждой детали.

И при литье под давлением, и при литье в постоянные формы используются металлические формы многоразового использования, а не одноразовые песчаные формы, что сразу отличает их от литья в песчаные формы с точки зрения однородности размеров и качества поверхности. Однако они существенно различаются по давлению впрыска, скорости цикла, стоимости оснастки и типам деталей, с которыми они лучше всего справляются.

Как на самом деле работает каждый процесс

Литье под давлением: инъекция под высоким давлением

При литье алюминия под давлением расплавленный алюминий впрыскивается в стальную форму (матрицу) при давлении, обычно варьирующемся от от 1500 до 25 000 фунтов на квадратный дюйм . Это чрезвычайное давление заставляет металл проникать в каждую деталь полости, прежде чем он затвердеет. Время цикла может быть таким же быстрым, как от 15 до 60 секунд для большинства автомобильных и потребительских деталей, что делает его одним из самых быстрых доступных процессов обработки металлов давлением.

Существуют два варианта: литье под давлением в горячей камере (для легкоплавких сплавов) и литье под давлением в холодной камере. Алюминий с его более высокой температурой плавления (~660°C) всегда использует машины с холодной камерой , где расплавленный металл подается в камеру впрыска отдельно.

Литье в постоянную форму: гравитационное заполнение или заливка под низким давлением

Литье в постоянную форму (на некоторых рынках его также называют гравитационным литьем под давлением) позволяет заполнять многоразовые стальные или железные формы под действием силы тяжести или низкого давления — обычно под давлением. 15 фунтов на квадратный дюйм . Без чрезмерного давления при литье под давлением время цикла обычно сокращается. от 1 до 5 минут за цикл. Однако более мягкое заполнение уменьшает турбулентность, что часто позволяет получить детали с лучшей внутренней целостностью и меньшим количеством проблем с газовой пористостью.

Бок о бок: литье под давлением и литье в постоянную форму

Формы для литья под давлением алюминия: аспекты конструкции и материалов

Алюминиевые формы для литья под давлением почти всегда изготавливаются из Инструментальная сталь для горячей обработки H13 , хромомолибденовый сплав, способный выдерживать повторяющиеся термические циклы при впрыскивании расплавленного алюминия при температуре ~ 680 ° C в форму, которую можно поддерживать при температуре 150–250 ° C. Конструкция пресс-формы сложна и обычно включает в себя:

• А фиксированная половина (матрица крышки) прикреплен к неподвижной плите и подвижная половина (матрица выталкивателя) на движущейся плите
• Системы направляющих и ворот которые контролируют скорость и направление потока металла, чтобы минимизировать турбулентность
• Переливные колодцы и вентиляционные отверстия чтобы позволить захваченному воздуху и оксидам выйти
• Каналы охлаждения обработаны на обе половины для управления временем цикла и затвердевания детали
• Выталкиватели вытолкнуть затвердевшую часть без деформации
• Слайды и подъемники для поднутрений, которые невозможно освободить простым потягиванием

Сложная автомобильная форма для литья под давлением с несколькими направляющими может стоить От 80 000 до 200 000 долларов или больше. Время выполнения заказа от проектирования до первого выстрела обычно составляет от 8 до 16 недель . Именно поэтому литье под давлением имеет экономический смысл только при достижении определенных производственных показателей.

Жизнь и обслуживание штампа

Высококачественные штампы из стали H13 для литья алюминия позволяют достичь От 500 000 до более 1 000 000 выстрелов при правильном обслуживании. Трещины от термической усталости (так называемые «термопроверки») являются основным видом разрушения. Плановые интервалы технического обслуживания — обычно каждые 50 000–100 000 выстрелов — включают полировку, сварочный ремонт изношенных участков, а также повторное покрытие PVD или азотирование для продления срока службы.

Инструменты для постоянной пресс-формы: проще, но не просто

Инструменты для постоянных форм изготавливаются из серого чугуна или стали, причем серый чугун обычно используется для небольших объемов производства, поскольку его дешевле обрабатывать и он имеет приемлемую теплопроводность. Покрытия формы (огнеупорные промывки, наносимые перед каждой заливкой) имеют важное значение — они служат тепловым барьером, предотвращают припаивание алюминия к форме и помогают контролировать скорость затвердевания.

Поскольку давление заполнения низкое, постоянные формы не требуют такой же прочности конструкции, как формы для литья под давлением. А Простая постоянная форма с двумя пластинами может стоить от 3000 до 8000 долларов. , в то время как сложный инструмент с сердечниками и боковыми действиями может стоить 20 000–25 000 долларов, что все же значительно меньше, чем эквивалентный инструмент для литья под давлением.

Срок службы пресс-формы короче: От 15 000 до 80 000 циклов характерна для заливки алюминия в чугунные формы, при этом стальные формы служат несколько дольше. Это ограничивает экономическое преимущество литья в постоянные формы при очень больших объемах.

Выбор сплава: решающий фактор

Не все алюминиевые сплавы подходят для литья под давлением. Высокие скорости впрыска и быстрое затвердевание способствуют получению сплавов с хорошей текучестью и низкой усадкой при затвердевании. Наиболее часто используемые алюминиевые сплавы для литья под давлением включают в себя:

• А380 — Рабочая лошадка из сплава; отличная текучесть, хорошая прочность, широко доступен
• А383 – Лучшая стойкость к горячему растрескиванию, чем у A380; подходит для штампов сложной геометрии
• А360 – Более высокая коррозионная стойкость, лучшая пластичность, немного сложнее отливать
• АDC12 (Japan standard) – Аналогичен А383; широко используется в цепочках поставок автомобильной продукции Азии

Напротив, литье в постоянные формы позволяет более широкий ассортимент сплавов включая термообрабатываемые сплавы серии 3хх.х, такие как А356 и А357. Эти сплавы могут подвергаться термообработке Т6 (термическая обработка на раствор, искусственное старение) для достижения предела прочности на разрыв 260–310 МПа с удлинением 6–12% - механические свойства, которым обычно не могут соответствовать отливки, поскольку пористость вызывает образование пузырей во время термообработки.

Механические свойства: где перманентная форма имеет преимущество

Это одно из наиболее практически важных различий между этими двумя процессами. Поскольку литье под давлением захватывает газ во время высокоскоростного впрыска, этому процессу присуща пористость. Варианты литья под вакуумом и литья под давлением уменьшают, но редко устраняют, эту пористость. Результат:

Для деталей конструкций, которые должны выдерживать динамические нагрузки (подвески, гидравлические корпуса, корпуса медицинских устройств), отливки в постоянных формах с использованием A356-T6 часто превосходят отливки под давлением по усталостной долговечности и пластичности, даже если UTS в литом состоянии ниже.

Анализ затрат: объем определяет победителя

Экономика этих двух процессов полностью зависит от объема производства. Высокая стоимость оснастки для литья под давлением амортизируется при больших тиражах; Более низкая стоимость оснастки для постоянной пресс-формы делает возможными небольшие тиражи.

Рассмотрим представительную алюминиевую деталь весом 500 грамм средней сложности:

• Аt 1,000 parts/year: Постоянная форма обычно обеспечивает более низкую общую стоимость одной детали благодаря инструментам стоимостью 5 000–8 000 долларов США по сравнению с 30 000–50 000 долларов США для литья под давлением.
• Аt 10,000 parts/year: Точка пересечения приближается; Более быстрое время цикла литья под давлением начинает компенсировать затраты на инструменты
• Аt 50,000 parts/year: Литье под давлением Стоимость одной детали может быть на 40–60 % ниже. чем постоянная форма, из-за времени цикла и эффективности многоместной оснастки

Инструменты для литья под давлением с несколькими полостями, где за один цикл производятся 2, 4 или даже 8 одинаковых деталей, значительно снижают стоимость детали при масштабировании. Инструменты для постоянных форм реже разрабатываются для производства с несколькими полостями из-за более медленной динамики заполнения.

Ограничения проектирования деталей: что ограничивает каждый процесс

Правила проектирования литья под давлением

• Равномерность толщины стенок имеет решающее значение — изменения вызывают дефекты усадки; Идеально подходят стенки толщиной 1–3 мм.
• Углы уклона 1–3° на всех поверхностях, параллельных направлению разъема матрицы, необходимы для выброса
• Для подрезов требуются направляющие, что увеличивает стоимость; сложные внутренние каналы могут потребовать растворимых стержней или вторичной механической обработки.
• Резьбовые отверстия обычно требуют последующей обработки; литая резьба ненадежна в этом масштабе

Правила проектирования постоянных пресс-форм

• Более тяжелые стены допустимы, а иногда и предпочтительнее. 3–12 мм это общий рабочий диапазон
• Песчаные сердечники можно использовать для внутренних полостей, которые не могут образовать металлические сердечники, что расширяет свободу проектирования.
• Большие плоские секции более щадящие, чем при литье под давлением.
• Конструкция литников и стояков более важна, поскольку металл должен течь без турбулентности под действием силы тяжести.

Промышленные применения: где доминирует каждый процесс

Реальные модели выбора отрасли отражают сильные стороны процессов, рассмотренные выше:

Литье алюминия под давлением доминирует в:

• Аutomotive: Картеры коробки передач, крышки двигателя, аккумуляторные отсеки электромобилей, дверные ручки — большие объемы оправдывают вложения в инструменты.
• Бытовая электроника: Рамы корпуса ноутбука, корпуса камер, радиаторы — тонкие стенки и хорошая обработка поверхности имеют решающее значение.
• Электроинструменты: Корпуса корпусов, коробки передач – миллионы единиц за модельный год.
• Телекоммуникации: Корпуса базовых станций 5G, корпуса разъемов

Литье в постоянные формы доминирует в:

• Аutomotive structural parts: Ступицы колес, поворотные кулаки подвески, тормозные суппорты — термообработка T6 и усталостная прочность